第一章热工测量的基本概念

第一章热工测量的基本概念主要内容

一、测量的基本概念二、测量方法三、热工测量系统的组成五、仪表的主要质量指标六、仪表的检定现在是1页\一共有70页\编辑于星期四1.1测量的基本概念1.1.1测量的意义

日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量，离开测量就不会有真正的科学。

没有望远镜就没有天文学，没有显微镜就没有细胞学，没有指南针就没有航海事业现在是2页\一共有70页\编辑于星期四1.1.1测量的意义（续）生产发展离不开测量

农业社会中，需要丈量土地、衡量谷物，就产生了长度、面积、容积和重量的测量；掌握季节和节候，出现了原始的时间测量器具，并有了天文测量。现代化的工业生产中，处处离不开测量例如，一个大型钢铁厂需要约2万个测量点在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如，每种新设计的飞机，需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能，通过风洞试验测定机身、机翼的受力和振动分布情况，以验证和改进设计。现在是3页\一共有70页\编辑于星期四1.1.2测量技术的发展与研究的内容

知识的获取往往从测量开始。人类在其自身的社会发展中创造并发展了测量学科，人类早期的测量活动涉及对长度（距离）、时间、面积和重量等量的测量。随着社会的进步和科学的发展，测量活动的范围不断扩大，测量的工具和手段不断精细和复杂化，从而也不断地丰富和完善了测量的理论。现在是4页\一共有70页\编辑于星期四测量的发展公元前3000年，古埃及人建立了长度的统一标准――埃尔；秦始皇在统一六国后，建立了统一的度量制度；今天，测量学科已渗透到人类活动的每个领域。

科学技术的迅猛发展给测量学这一古老的学科注入了新的活力，现代电子技术、尤其是信息技术的发展更是推动测量学科迅猛发展。因此测量学是一门多学科交叉的边缘学科。

现在是5页\一共有70页\编辑于星期四测量的内涵及其科学性:

“凡存在之物，必以一定的量存在。” “当你能测量你在谈及的事物，并将它用数字表达时，你对它便是有所了解的；而当你不能测量它，不能将它用数字表达时，你的知识是贫瘠的和不能令人满意的。”

——WilliamThompson

现在是6页\一共有70页\编辑于星期四1.1.2测量的定义1.狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。

测量结果＝测量数值.测量单位，即：现在是7页\一共有70页\编辑于星期四1.1.2测量的定义1.狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程。在测量过程中，人们借助专门的设备，把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较，取得用数值和单位共同表示的测量结果。

现在是8页\一共有70页\编辑于星期四1.1.2测量的定义（续）被测物体的重量等于标准砝码的重量被测物体的重量从度盘上读数，因为，弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果。现在是9页\一共有70页\编辑于星期四1.1.2测量的定义（续）2.广义测量的定义广义地讲，测量不仅对被测的物理量进行定量的测量，而且还包括对更广泛的被测对象进行定性、定位的测量。例如故障诊断、无损探伤、遥感遥测、矿藏勘探、地震源测定、卫星定位等。而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息，还可以用二维或多维的图形、图像来显示被测对象的属性特征、空间分布、拓朴结构等。广义测量原理可以从信息获取过程来说明，包括信息的感知和信息识别两个环节。

现在是10页\一共有70页\编辑于星期四1.1.2测量的基本概念（续）测量的内涵①测量对象：被测客体中的相应的量值信息；测量目的：从被测对象取得一个定量的认识；②测量过程:通过实验去认识对象的过程③测量方法：比较；A.直接比较B.间接比较；C.需要测量仪器；④测量标准：同类已知单位。⑤测量结果：最终能表示给测量主体（人）现在是11页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素1.测量的基本要素 被测对象、测量仪器、测量技术、测量人员和测量环境

现在是12页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素（续）现在是13页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素（续）2.测量过程——基本要素之间的互动关系论证阶段:

测量的主体（测量人员）根据测试任务的要求、被测对象的特点、属性，及现有仪器设备状况，拟定合理的测试方案。设计阶段*选择测试仪器，组建测试系统。*制定出测试策略（测量算法）和操作步骤（测试程序）实施阶段*对仪器和系统实施测试操作（发控制命令），按照逻辑和时序完成测量过程，取得测量数据;*分析测量误差并显示测量出结果。现在是14页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素（续）现在是15页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素（续）3.被测对象——信息广义的测量是信息的获取，信息反映了事物的运动的状态及其变化方式。信息又可分为自然信息和社会信息两大类。4.测量仪器系统——量具和仪器测量仪器系统包括量具、测试仪器、测试系统及附件等5.测量的主体——测量人员手动：由测量主体（测量人员）直接参与完成自动：测量主体交给智能设备（计算机等）完成，但测量策略、软件算法、程序编写需由测量人员事先设计好。6.测试技术测量中所采用的原理、方法和技术措施，总称为测试技术。现在是16页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素（续）7.测量环境测量环境是指测量过程中人员、对象和仪器系统所处空间的一切物理和化学条件的总和。测量环境包括温度、湿度、力场、电磁场、辐射、化学气雾和粉尘，霉菌以及有关电磁量（工作电压、源阻抗、负载阻抗、地磁场、雷电等）的数值、范围及其变化。现在是17页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素（续）环境对测量的影响A.环境对被测对象的影响：某些被测对象客体（如器件、电路或系统）的性能特性对环境变化较为敏感或非常敏感，因此，原则上测量应在被测对象的正常或额定工作条件下进行。B.环境对仪器系统的影响：环境可能直接或间接地影响到仪器系统本身的某个工作特性，进而影响测量结果，造成测量误差。特别是某些测量器具的量程广、频段宽，而内部的元器件数目甚多，且对外界影响相当敏感，错综复杂的影响量所产生的不良效应有时会成为测量的严重问题。C.环境对测量人员的影响：高温、严寒、潮湿、闷气、嘈杂、照明不适当等不良工作环境，会对测量人员的身心产生不良影响，从而引起不同程度的人身误差乃至差错。现在是18页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素（续）应采取适当的控制措施，尽量减少由于环境影响而产生的误差。恒温、恒湿、稳压和防震。抗干扰、防噪声的措施，如接地、屏蔽、隔离、滤波等。仪器应能尽量适应恶劣环境和大范围变化环境。现在是19页\一共有70页\编辑于星期四1.1.3测量的基本要素（续）仪器以工作环境条件的不同要求分为三组：I组：良好的环境条件，温度+10～+35oC，相对湿度80%（在35oC上），只允许有轻微的振动。II组：一般的环境条件，温度－10～+40oC，相对湿度80%（在40oC上），允许一般的振动和冲击。III组：恶劣的环境条件，温度－40～+55oC，相对湿度90%（在35oC上），允许频繁的搬动和运输中受到较大的冲击和振动。I组——高精度计量用仪器II组——通用仪器III组——野外、机载等仪器现在是20页\一共有70页\编辑于星期四1.1.4测量的本质和基本前提测量的本质：采集和表达被测物理量；与标准作比较。将度量数字X作为比较量N（标准）的倍数赋予被测量x则有：X=xN （1.1）从量纲上考虑对应上式有下述公式成立：[d]=[-]·[d] （1.2）

d表示量纲。现在是21页\一共有70页\编辑于星期四测量的前提：被测的量必须有明确的定义；测量标准必须事先通过协议确定。没有明确定义（如：气候的“舒适度”或人的“智力”等）的量，在上述的意义上是不可测的。基本标准（绝对标准）：彼此相互独立的标准。 在国际度量衡大会（CGPM：ConférenceGénéraledesPoidsetMésures）上定义了七个基本标准：长度、质量、时间、温度、电流、光强和原子物理中的物质量。现在是22页\一共有70页\编辑于星期四1.1.5标准及其单位各国在商业及其它涉及公众利益的范围内都制定有法定计量学的规定条例，这些条例涉及法定计量学的三大范畴：确定单位和单位制；确定国家施加影响的范围（测量仪表的校准义务，官方监督职能和校准能力）；实施校准和官方监督。

目的：保证正当竞争；保护公民免遭不公平对待或由不正确计量结果所带来的损害；

保护消费者利益。现在是23页\一共有70页\编辑于星期四1.1.6单位和单位制

根据定义而令系数为1的量称为单位。单位是表征测量结果的重要组成部分，又是对两个同类量值进行比较的基础。英呎——feet现在是24页\一共有70页\编辑于星期四1.1.6单位和单位制（续）1960年第十一届国际计量大会上正式通过国际单位制SI。1984年2月国务院颁布了《中华人民共和国法定计量单位》，决定我国法定计量单位以国际单位制为基础。SI有7个基本单位现在是25页\一共有70页\编辑于星期四国际单位制（SI）：国际度量衡大会在1960年将大会以前确定的七个基本单位的系统命名为“国际单位制”，国际上统一缩写为SI（SystèmeInternationald’Unités）。基本单位：七个基本单位分别赋于七个基本量，经协议规定认为是彼此独立的。现在是26页\一共有70页\编辑于星期四国际单位的基本量和基本单位现在是27页\一共有70页\编辑于星期四1.1.6单位和单位制（续）国际单位制是由国际单位制单位、国际单位制词头和国际单位制的十进倍数单位三部分组成。国际单位制词头表示使单位增大或缩小的十进倍数。例：5.4X10-9s=5.4ns

现在是28页\一共有70页\编辑于星期四SI基本单位的定义1米被定义为真空中的光在（1/299792458）秒时间内所经过的距离的长度（1983年）。该标准的复制精度可达±10-9

。1千克定义为国际千克原型器的质量（1889年），该国际千克原型器是保存在法国巴黎塞夫勒博物馆中的一根铂铱合金圆柱体。其复制精度可达10-9数量级。1秒被定义为铯133原子基本态的两个超精细结构能级间跃迁所对应的周期时间的9192631770倍（1967年）。１安培定义为流经在真空中两根平行且相距1m的无限长直导线（其圆横截面可忽略不计）上并能在其每米长导线之间产生0.2×10-6N的电动力的不随时间变化的电流量（1948年）。现在是29页\一共有70页\编辑于星期四SI基本单位的定义（续）1开尔文被定义为水的三态点的热力学温度的273.16分之一（1967年）。1坎德拉被定义为在101325N/m2的气压和铂开始凝固的温度下垂直照射在表面积为1/600000m2辐射黑体上的光强（1967年）。1摩尔的定义是：一个由确定成份组成的系统。如果它含有粒子的个数等于碳12原子核的（12/1000）kg重量中所含原子的个数，则该系统的物质量为一摩尔（1971年），此处所述的粒子可以是原子、分子、离子和电子等。现在是30页\一共有70页\编辑于星期四国际单位制的导出单位

导出单位从基本单位出发，用乘、除符号以代数式表达。不同的导出单位有各自专门的各称和专门的单位符号，这些单位名称和单位符号可单独使用。还能和基本单位一起合成进一步的导出单位。现在是31页\一共有70页\编辑于星期四用基本单位表示的SI导出单位

现在是32页\一共有70页\编辑于星期四1.热工测量：热力状态参数;热力生产过程相关参数的测量。（压力、温度等；流量、液位、振动、位移、转速、烟气成分）1．2

热工测量测量过程的三要素：测量方法；测量单位；测量工具

方法合理；单位稳定；工具准确一、概述现在是33页\一共有70页\编辑于星期四2、热工测量的作用：反映设备运行；为自动化装置提供信号，为机组经济计算提供数据。现在是34页\一共有70页\编辑于星期四随现代化电厂测点的增多，使用数据采集和屏幕显示来显示处理数据。现在是35页\一共有70页\编辑于星期四火电厂现在是36页\一共有70页\编辑于星期四现在是37页\一共有70页\编辑于星期四二、测量方法直接测量法:用测量仪器直接得到被测量。（直尺测量长度,压力表测压力,玻璃温度计测温度）间接测量法：通过直接测量其它变量，再按函数关系计算求得被测量数值的方法（过热蒸汽的质量流量：测得的是过热蒸汽的温度、压力和标准节流装置的差压信号信号，计算后得到流量）1.直接测量法和间接测量法（被测值获取方式不同)测量方法：获得测量值的方法。根据不同的分类标准，可包括现在是38页\一共有70页\编辑于星期四偏差测量法：被测量的作用在测量工具上，其偏离测量工具的初始状态（零点），偏离量得到被测量值。（单管压力计测压：压力作用使管中水银柱偏离初始零刻度点，偏移量代表被测压力值）微差测量法：被测量被一个同类准确已知的恒定量平衡了大部分，剩下的差值用偏差法测量。测量结果是已知量值和偏差法测得值的代数和。(检定热电偶：测量被校热电偶的热电势与标准热电偶的微小差，来评价要检验的热电偶的精度）2.偏差测量法、微差测量法、零差测量法（被测量与测量单位比较方式）现在是39页\一共有70页\编辑于星期四现在是40页\一共有70页\编辑于星期四现在是41页\一共有70页\编辑于星期四零差测量法：使已知量和被测量的差值为零，这时偏差测量仅起检零作用，已知量即为测量值。隐含：

(1)已知量是连续可调的，随时可通过调节得到被测量。

(2)已知量可容易的准确测量（用电位差计测量热电偶产生的热电势。）2.偏差测量法、微差测量法、零差测量法现在是42页\一共有70页\编辑于星期四现在是43页\一共有70页\编辑于星期四静态测量法：被测量在测量过程中不随时间变化，或变化速率相对于测量速率变化十分缓慢动态测量法：测量过程中被测量随时间有明显变化3.静态测量法和动态测量法（测量过程中的状态）现在是44页\一共有70页\编辑于星期四

三个基本部分组成：感受件、显示件、传送件感受件1)定义：直接感受被测量并将其转化成相应的输出信号。也称：敏感元件、一次元件、发送器。如热电偶

2)要求：稳定性，选择性，线性性输出信号必须随被测量变化输出信号只能随被测量变化输出信号与被测量之间必须是单值函数，最好是线性关系

三、热工测量系统的组成现在是45页\一共有70页\编辑于星期四现在是46页\一共有70页\编辑于星期四1-被测对象；2-传感器；3-变换器；4-显示装置；5-传送通道3)分类：温度感受件，压力感受件（按被测参数）能量转换型(热电偶);能量控制型(热电阻)（输出信号能量的主要来源）模拟式和准数字式（输出信号的形式）现在是47页\一共有70页\编辑于星期四2.显示件：(1)定义：向观察者显示被测量的数值、量值的装置(2）分类：

显示仪表—显示被测量的瞬时值

记录仪表—记录被测量随时间变化

积算仪表—显示被测量对时间的积分

信号式仪表—反映被测量是否超过允许的限值

调节式显示仪表—根据被测量与规定值的偏差情况，发出对被测对象进行调节的信号现在是48页\一共有70页\编辑于星期四现在是49页\一共有70页\编辑于星期四3.传送件：1)定义：将感受件输出的信号按显示件的要求传输给显示件。2）具有功能：

1）单纯传输

2）感受件输出信号放大

3）把信号变送成统一标准信号（变送器)现在是50页\一共有70页\编辑于星期四现在是51页\一共有70页\编辑于星期四四、测试系统原理框图传感器：从被测对象获取有用的信息，并将其转换为适合于测量的变量或信号。信号调理部分：对从传感器所输出的信号作进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、储存、重放、和一些专门的信号处理。显示和记录部分：将经信号调理部分处理过的信号用便于人们所观察和分析的介质和手段进行记录或显示。被测对象和观察者也是测试系统的组成部分，它们同传感器、信号调理部分以及数据显示与记录部分一起构成了一个完整的测试系统。

现在是52页\一共有70页\编辑于星期四仪表内信号传输过程仪表内每一次信号的转换和传输可作为一个环节，整个仪表是各环节的连接。1.仪表各环节连接方式：开环（系统）和闭环（系统），每一个环节：传递函数（灵敏度）2.开环系统k1k2k3ITθ电流力矩角度动圈表方框图X位移特点：各环节开环串联，信号沿一个方向传输。按偏差测量法工作要保证仪表指示正确，必须保持每个环节灵敏度不变X=K1K2K3I现在是53页\一共有70页\编辑于星期四

仪表内信号传输过程3.闭环系统e

e

-U滑线电阻放大器伺服电动机k1K2/sK3电子电位差计方框图特点：1)含有负反馈

2)仪表传递函数与反馈环节有关，因此k3要求高，k1,k2性能可降低故闭环精度叫高静态时：现在是54页\一共有70页\编辑于星期四信息获取转换显示和处理（信号检出部分）（信号变换部分）现在是55页\一共有70页\编辑于星期四1.4.2基于差值示零的直接比较法1.差值检测原理:

被测量与标准量直接进行比较①

需要一个具有比较功能的电路，要求比较的范围宽、灵敏度和分辨力高；②

需要一个与被测量同类的可变标准量参与比较，要求标准量准确且可细微调节。比较功能可由运算功能来实现有两种方式：差值运算比较比例运算比较现在是56页\一共有70页\编辑于星期四1.4.2基于差值示零的直接比较法2.差值示零的平衡调节（1）零示法原理:

现在是57页\一共有70页\编辑于星期四1.4.2基于差值示零的直接比较法（2）实现平衡调节的结构

当则现在是58页\一共有70页\编辑于星期四1.4.2基于差值示零的直接比较法（续）对称差动的桥式结构

当时，

现在是59页\一共有70页\编辑于星期四1.7仪表的质量指标1.可靠性指标有效性(MTBF)＝平均无故障时间平均无故障工作时间＋平均修复时间2.计量性能指标：1)准确度:仪表指示值接近测量真值程度①仪表的示值误差:表征指示值的准确程度

绝对误差：

相对误差：指示值真值相对误差更能说明示值的准确程度示值误差有正负现在是60页\一共有70页\编辑于星期四相对误差更能说明示值的准确程度示值误差有正负绝对误差愈小，说明指示值愈接近真值，测量精度愈高。但这一结论只适用于被测量值相同的情况，而不能说明不同值的测量精度。现在是61页\一共有70页\编辑于星期四1.7仪表的质量指标②仪表的基本误差

(1)仪表的基本误差：量程范围内各示值误差中的绝对值最大者仪表量程A：仪表测量上限与下限之差

(2)仪表的引用误差：

(3)最大引用误差：

计量性能指标1)准确度（又称精确度）:现在是62页\一共有70页\编辑于星期四③仪表的准确度等级：允许误差：基本误差不能超过的限值，仪表的准确度等级：仪表的最大引用误差去掉百分号后余下的数字国家标准系列：0.10.20.51.01.52.54

七个工业仪表准确度等级，数字越小，精确度越高（看P10例题）现在是63页\一共有70页\编辑于星期四现在是64页\一共有70页\编辑于星期四1.7仪表