中国石油大学化工检测仪表第二章 检测技术基础

第二章检测技术基础测量及测量方法测量误差测量仪表的性能指标测量不确定度小结第一节测量方法定义:

用实验的方法，将被测参数的量值（被测量）与

标准量的量值进行比较，确定出被测量的大小。

一、测量的概念第一节测量方法二、测量方法（有多种不同分类方法）直接测量—采用已标定的仪器，被测量直接与标准量比较而得到测量值的出来方法，直接测得结果。间接测量—指通过对若干个与被测量有确定的函数关系的物理量进行直接测量，然后再通过代表该函数关系的公式、曲线或表格求出未知量的测量方法。1.按测量方式分例：游标卡尺量长度，体温计量体温。例：曹冲称象就是这个原理特点：方便快捷直接测量不方便，或间接测量的结果较直接测量更为准确矩形面积A=L(长)×B(宽)第一节测量方法2.按接触方式分接触式测量—仪表传感部分需与被测介质充分接触。特点：精度高，应用广，测量范围宽，使用方便，价格便宜。

接触测量接触式测量非接触式测量第一节测量方法非接触式测量—仪表任何部分均不与被测介质接触。特点：不破坏流体特性、不接触被测介质。

主要用于高温、高压、剧毒等场合。射线液位计超声波流量计红外辐射温度计第一节测量方法K1、K2、K3任何环节受到干扰，均影响最终测量结果。

1.开环结构输出与输入的关系为：

K1——检测元件的传递系数；

K2——传送放大部分的传递系数；

K3——显示部分的传递系数。y=k1k2k3x=k1Kx

K=

K2K3三、测量仪表的组成检测（传感）元件、传送放大及显示三个基本部分组成。分为开环和闭环两种结构。2.闭环结构

输出与输入关系为：

K=k2k3>>1

时第一节测量方法消除了K2、K3影响K2K3KfK1（1）由于仪表检测元件各不相同，涉及的学科、知识点较多；（2）仪表的放大部分涉及到许多电路，由于从时间、难度考虑，这部分只对一些典型电路作介绍；（3）重点掌握基本测量原理、特点、如何正确选择、使用和维护。第二节测量误差测量误差=测量值-真实值

误差分类：系统误差:

仪表零点误差、测量条件变化、设备内部变化。

找出原因,可对结果修正加以消除。有方向性随机误差:

由于外界随机干扰的影响，符合统计规律。增加测量次数取其平均值,可减小。无方向性粗大误差:

由操作人员的疏忽大意、故意或仪器故障等造成，结果无意义。需尽量避免、剔除。1.测量误差的定义

第三节仪表的性能指标

例1-1：体温计的测量范围一般为35-42℃，量程为42-35=7℃(一）测量范围及量程L：

测量范围：Lmin~Lmax,量程：L=Lmax-Lmin对于已给定的仪表：测量范围/量程已定，有的可在一定范围内调整。表示仪表可测的范围测量范围应包含整个被测变量范围：太小：某些点无法测量太大：同样精度的仪表，测量误差增大例1-2：量程不同的两支温度计测同一点温度，哪支准确？表1:0-200℃，真实温度100℃，测量值102℃；Δy

=2℃

表2:0-300℃，真实温度100℃，测量值99℃；Δy

=-1℃(二）绝对误差及相对误差1.绝对误差Δy：测量值与真实值之间的差值特点:1)有单位；2)有

方向性；

3)反应仪表某一点的测量性能，不能全面反映仪表在整个测量范围内的性能的好坏。y--测量值y0--真实值（标准值）。要知道真实值是困难的，

一般用标准表即用精度更高的仪表的指示值代替。表2在测100℃（同一个点）这个点时更准确,只能表示这一点的测量性能，无法表示仪表(温度计)整体性能的优劣。

用于评价仪表在某一点的测量性能。

例1-3：量程不同的两支温度计测不同点温度，哪支准确？表1:0-500℃，真实温度300℃，测量值302℃；Δy

=2℃

表2:0-300℃，真实温度100℃，测量值98℃。Δy

=-2℃表1：δ

=[(302-300)/300]×100%=0.67%表2：δ=[(98-100)/100]×100%=-2%

仅表示这两个测量点上，表1更准确。无法反映仪表整体性能的优劣。

特点:用于评价同一/不同仪表在两个不同点的测量性能。

1)无单位；2)有

方向性；

3)反应仪表某些点的测量性能，不能全面反映仪表性能的好坏。2.相对误差δ若两仪表绝对误差相同，则大量程仪表的引用误差小。

（接例1-3）表1:γ=[(302-300)/500]×100%=0.4%

表2:γ

=[(98-100)/300]×100%=-0.67%最大引用误差：(三)引用误差γ和最大引用误差γmax

测量范围：Lmin～Lmax

量程:L=Lmax-Lmin返回最大引用误差特点:1)无单位；2)有

方向性；

3)可以比较确切地反映仪表的整体性能。产生原因:如传动机构间隙，运动部

件摩擦，弹性元件滞后等。（四）回差(变差)h

相同条件下，使用同一仪表对某参数进行正、反行程测量时，所得仪表示值之间的差值。hmax可反映仪表的整体性能。x正—正(上)行程示值；x反—反(下)行程示值。特点:1)无单位；2)无方向性；

3)可反映仪表的整体性能。（五）精度及精度等级1．精密度2．准确度3．精确度（精度）图(a)：准确度较高、精密度较差；

相同条件下对被测量多次反复测量，测量值（示值）之间的一致程度。从误差角度，反映测量值的随机误差。

测量值与“真值”的接近程度。反映测量值的系统误差。

精密度和准确度的综合。从测量误差角度，是随机误差和系统误差的综合反映。图(b)：精密度较高、准确度较差；图(c)：精密度和准确度都高。

即精确度(精度)高（1）通过实验方法标定或校验，得到上下行测试数据。（2）根据测试数据，计算γmax和hmax。国家规定了精度等级系列，应按等级规定系列来确定。（3）精度的确定方法：根据γmax和hmax及国家规定的精度等级。q允去掉

和％号，其数值即精度（须考虑精度等级）。

γ允——仪表出厂时所规定的误差的最大允许值；γmax、hmax——仪表本身实际最大引用误差、变差。1、1.5、(1.6)、2、2.5、(3)、4、5×10nn等于-1、-2、0等整数，n>-5例1-4:出厂前对某压力表进行标定，测试数据如下，试确定它的精度等级。0.80.71.0

仪表精度在国家规定的精度等级中，选择允许误差应

大于或等于仪表的最大引用误差和最大回差的数值。γ允≥γmaxγ允≥hmax假如精度在国家规定的精度等级找不到,怎么办?往低靠(数值大)0.005；0.02；0.05；0.1；0.2；0.25；0.4；0.5；1.0；1.5；2.5

某仪表厂生产测温范围200～700℃、精度1.0级的温度仪表，校验时得到最大绝对误差为±4℃，最大为6℃，试确定是否合格。例1-5:解：该表最大引用误差为：故该表不合格。（七）重复性（六）灵敏度：测量仪表对被测量变化的反应能力。返回下一页上一页仪表的其它性能指标（八）分辨力:能有效辨别的最小视值差。

仪表在最小量程上，最末一位数字改变一个字所表示的物理量值。

模拟仪表：最小刻度分格值的一半（最小分格值不得小于最大允许绝对误差）。例：四位数字式电压表，若最低量程时满度值为2V，则该数字式电压表分辨力为多少？1mV数字仪表能稳定显示的位数越多，则分辨力就越高。数字仪表：最小有效数字变化1个字时所代表的量值。0.1kPa（九）死区：又称不灵敏区，在测量范围的起点，输入量的变化不致引起仪表输出可察觉变化的输入变化的有限区间。以输入量程的百分数表示。（十）

响应特性及响应时间误差分类：系统误差:

仪表零点误差、测量条件变化、设备内部变化。

找出原因,可对结果修正加以消除。有方向性随机误差:

由于外界随机干扰的影响，符合统计规律。增加测量次数取其平均值,可减小。无方向性粗大误差:

由操作人员的疏忽大意、故意或仪器故障等造成，结果无意义。需尽量避免、剔除。第四节随机误差的处理

—测量不确定度表示

采用前面介绍的测量仪表进行实际工艺参数测量时，通常是单次测量作为测量结果，其测量误差(绝对误差、相对误差)通常用仪表的最大允许误差（精度）得到：

仪表精度等级、Lγmax、hmax每个点的Δy

、δ但是对于很多实验测试、计量标准装置、标准表的测量结果的质量进行评定，通常需要进行多次测量，对于多次测量如何确定测量结果，这个测量结果的可信度如何？例：一支温度计对某一温度进行一次测量，其结果可以表示为：37.2℃±0.5℃第四节随机误差的处理

--测量不确定度表示

对被测量X，在重复条件下或复现性条件下进行n次(有限次)独立重复观测，观测值为xi(i=1,2,…,n)。其测量“真值”的如何估计?

②这个测量“真值”可信度(质量）如何评价？测量不确定度定义：“表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数”。意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度（可信度），是定量说明测量结果的质量的一个参数：①测量“真值”的如何估计?这里需要解决两个问题：如何理解测量不确定度？测量不确定度是“说明了置信水准的区间的半宽度”。也就是说，测量不确定度需要用两个数来表示：（1）测量不确定度的大小，即置信区间的半宽度；（2）置信水准（或称置信概率），表明测量结果落在该区间有多大把握。例：一支标准温度对同一温度进行多次测量，其结果可以表示为：37.2℃±0.05℃，置信概率为99％最佳估计值置信区间置信水准理想情况：

2

3

2

3

正态分布随机变量x的取值概率p=99.73%概率p=95.45%概率p=68.27%从概率统计的角度：对被测量X，在重复条件下或复现性条件下进行n次独立重复观测，观测值为xi(i=1,2,…,n)。（1）测量值的估算：数学期望等于被测量的真值L（最佳估计），即（2）标准不确定度用标准偏差来估算，

表示分散范围（区间）：但是实际测量中，n是有限次测量测量不确定度的分类A类标准不确定度

标准不确定度合成标准不确定度B类标准不确定度测量不确定度

扩展不确定度U=ku（k=2~3）小写英文字母u(斜体)表示大写英文字母U(斜体)表示直接测量间接测量扩展置信区间、包含置信概率以标准偏差表示（一）标准不确定度A类评定

对被测量X，在重复条件下或复现性条件下进行n次有限独立重复观测，观测值为xi(i=1,2,…,n)。采用单次测量的实验（样本）标准偏差表示的测量不确定度（标准不确定度），由贝塞尔公式得到:

1、单次测量实验标准偏差——n次测量结果的算术平均值；——残差。u反映的是测量结果的分散程度——自由度

＝n－1采用算术平均值