熱工儀表及測量1-誤差分析

1、熱工儀表及測量技術周彥波 主講2012.4參考書目：參考書目：u書名：熱工測量及儀表（第二版）書名：熱工測量及儀表（第二版）主編：吳永生主編：吳永生 方可人方可人出版：東南大學出版：東南大學u書名：熱工過程檢測儀表書名：熱工過程檢測儀表主編：程大亨主編：程大亨出版：東北電力學院出版：東北電力學院n著名科學家門捷列夫n月日n“世界計量日” “沒有測量，就沒有科學。第一章第一章 測量的基本知識測量的基本知識第一節(jié)第一節(jié) 課程簡介課程簡介熱工測量熱工測量是熱能與動力專業(yè)的學科基礎是熱能與動力專業(yè)的學科基礎課。課。 通過本課程的學習，使同學們通過本課程的學習，使同學們n掌握熱工參數的正確測量方法；掌握

2、熱工參數的正確測量方法；n掌握常用測量儀表的基本原理、主要性能，使用特點；掌握常用測量儀表的基本原理、主要性能，使用特點；n了解電廠熱力設備和動力機械的檢測系統(tǒng)的組成方法，了解電廠熱力設備和動力機械的檢測系統(tǒng)的組成方法， 從而能在實際工作中知道如何正確的選擇和使用測量儀表。從而能在實際工作中知道如何正確的選擇和使用測量儀表。u測量技術可分為若干分支，如測量技術可分為若干分支，如力學測量、力學測量、電學測量、熱工測量電學測量、熱工測量等。等。u熱工測量是指熱工測量是指溫度、濕度、壓力、流量、溫度、濕度、壓力、流量、煙氣成分煙氣成分等參數的測量。等參數的測量。2 2應用方面應用方面 （1）過程監(jiān)測

3、：過程監(jiān)測：對過程參數的監(jiān)測。對過程參數的監(jiān)測。 （2）過程控制：過程控制：為生產過程的自動控制為生產過程的自動控制提供依據。提供依據。 （3）試驗分析與系統(tǒng)辨識：試驗分析與系統(tǒng)辨識：解決科學上解決科學上的和過程上的問題，一般需要綜合運用理的和過程上的問題，一般需要綜合運用理論和實驗的方法。測量技術應用于實驗分論和實驗的方法。測量技術應用于實驗分析，是測量技術的一個典型應用。析，是測量技術的一個典型應用。 二、測量方法二、測量方法u測量：測量：就是用實驗的方法，把被測量與就是用實驗的方法，把被測量與同性質的標準量進行比較，確定兩者的同性質的標準量進行比較，確定兩者的比值，從而得到被測量的量值。

4、比值，從而得到被測量的量值。u使測量結果有意義的使測量結果有意義的2個要求：個要求：u用來進行比較的標準量應該是國際上或國家用來進行比較的標準量應該是國際上或國家所公認的，且性能穩(wěn)定。所公認的，且性能穩(wěn)定。u進行比較所用的方法和儀表必須經過驗證。進行比較所用的方法和儀表必須經過驗證。測量單位 n國際單位制 代號為SI n法定計量單位 n我國的法定計量單位包括：n(1)國際單位制的基本單位；n(2)國際單位制的輔助單位；n(3)國際單位制中具有專門名稱的導出單位；n(4)國家選定的非國際單位制單位；n(5)由以上單位構成的組合形式的單位；n(6)由詞頭和以上單位構成的十進倍數和分數單位。 測量的

5、基本方程式：測量的基本方程式： X = aU 式中，式中， X 被測量；被測量； U 標準量（即選用的測量單位）；標準量（即選用的測量單位）； a 被測量與標準量的數字比值。被測量與標準量的數字比值。u測量方法測量方法就是實現被測量與標準量比較的方法。就是實現被測量與標準量比較的方法。u測量方法的分類（按測量結果產生的方式分）：測量方法的分類（按測量結果產生的方式分）： （1）直接測量法：直接測量法：使被測量直接與選用的標準量進行比使被測量直接與選用的標準量進行比較，或者預先標定好了的測量儀表進行測量，從而直接較，或者預先標定好了的測量儀表進行測量，從而直接求得被測量數值的測量方法。求得被測量

6、數值的測量方法。 （2）間接測量法：間接測量法：通過直接測量與被測量有某種確定函通過直接測量與被測量有某種確定函數關系的其它各個變量，然后將所測得的數值代入函數數關系的其它各個變量，然后將所測得的數值代入函數關系進行計算，從而求得被測量數值的方法。關系進行計算，從而求得被測量數值的方法。（3）組合測量法：組合測量法：測量中使各個未知量以不同的組合形測量中使各個未知量以不同的組合形式出現（或改變測量條件以獲得這種不同組合），根式出現（或改變測量條件以獲得這種不同組合），根據直接測量或間接測量所獲得的數據，通過解聯立方據直接測量或間接測量所獲得的數據，通過解聯立方程組以求得未知量的數值，這類測量稱

7、為組合測量。程組以求得未知量的數值，這類測量稱為組合測量。u測量方法的其它分類方式：測量方法的其它分類方式：u按不同的測量條件分：按不同的測量條件分：等精度測量與非等等精度測量與非等精度測量精度測量u按被測量在測量過程中的狀態(tài)不同分：按被測量在測量過程中的狀態(tài)不同分：靜靜態(tài)測量與動態(tài)測量態(tài)測量與動態(tài)測量第二節(jié)第二節(jié) 測量系統(tǒng)的組成及其功能測量系統(tǒng)的組成及其功能 一、測量系統(tǒng)的組成一、測量系統(tǒng)的組成 測量系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成：傳感器、測量系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成：傳感器、變換器或變送器、傳輸通道和顯示裝置。變換器或變送器、傳輸通道和顯示裝置。傳感器變換器傳輸通道顯示裝置被測量測量值二、測量環(huán)節(jié)的

8、功能二、測量環(huán)節(jié)的功能1、傳感器（敏感元件）、傳感器（敏感元件）u它是測量系統(tǒng)直接與被測對象發(fā)生聯系的部分。它是測量系統(tǒng)直接與被測對象發(fā)生聯系的部分。u理想敏感元件應滿足的要求：理想敏感元件應滿足的要求：u敏感元件輸入與輸出之間應該有穩(wěn)定的單值函數關敏感元件輸入與輸出之間應該有穩(wěn)定的單值函數關系。系。u敏感元件應該只對被測量的變化敏感，而對其它一敏感元件應該只對被測量的變化敏感，而對其它一切可能的輸入信號不敏感。切可能的輸入信號不敏感。u在測量過程中，敏感元件應該不干擾或盡量少干擾在測量過程中，敏感元件應該不干擾或盡量少干擾被測介質的狀態(tài)。被測介質的狀態(tài)。2、變換器（變送器）變換器（變送器）u

9、它是傳感器和顯示裝置中間的部分，它是將傳它是傳感器和顯示裝置中間的部分，它是將傳感器輸出的信號變換成顯示裝置易于接收的部感器輸出的信號變換成顯示裝置易于接收的部件。件。u對變換器的要求：性能穩(wěn)定，精確度高，使信對變換器的要求：性能穩(wěn)定，精確度高，使信息損失最小。息損失最小。3、顯示裝置、顯示裝置u它是測量系統(tǒng)直接與觀測者發(fā)生聯系的部分它是測量系統(tǒng)直接與觀測者發(fā)生聯系的部分u顯示裝置的基本形式：顯示裝置的基本形式：u模擬式顯示元件模擬式顯示元件u數字式顯示元件數字式顯示元件u屏幕式顯示元件屏幕式顯示元件4、傳輸通道、傳輸通道u它是儀表各環(huán)節(jié)間輸入、輸出信號的連接部分。它是儀表各環(huán)節(jié)間輸入、輸出信

10、號的連接部分。u分為電線、光導纖維和管路等。分為電線、光導纖維和管路等。第三節(jié)第三節(jié) 測量誤差與測量精度測量誤差與測量精度一、測量誤差的概念一、測量誤差的概念u測定值與被測量真值之差稱為測定值與被測量真值之差稱為測量的絕對誤差測量的絕對誤差，或簡稱測量誤差。或簡稱測量誤差。 = x X0 式中，式中， 測量誤差；測量誤差； x 測定值（例如儀表指示值）；測定值（例如儀表指示值）； X0 被測量的真值。被測量的真值。u真值一般無法得到，所以用實際值真值一般無法得到，所以用實際值X代替代替X0。u對于絕對誤差，應注意下面幾個特點：對于絕對誤差，應注意下面幾個特點：u絕對誤差是有單位的量，其單位與測

11、定值和實際值相同。u絕對誤差是有符號的量，其符號表示出測定值與實際值的大小關系。u測定值與被測量實際值之間的偏離程度和方向通過絕對誤差來體現。u示值的絕對誤差與約定值之比值稱為示值的絕對誤差與約定值之比值稱為相對誤差相對誤差，其為無量綱數，以百分數表示。其為無量綱數，以百分數表示。u一般約定值一般約定值m有如下幾種取法：有如下幾種取法：um取取測量儀表的指示值測量儀表的指示值x時，時，稱為稱為標稱相對誤差標稱相對誤差；um取取測量的實際值測量的實際值X時，時，稱為稱為實際相對誤差實際相對誤差；um取取儀表的滿刻度值儀表的滿刻度值時，時，稱為稱為引用相對誤差引用相對誤差。100%mu對于相同的被

12、測量，用絕對誤差評定其對于相同的被測量，用絕對誤差評定其測量精度的高低。但對于不同的被測量，測量精度的高低。但對于不同的被測量，則應采用相對誤差來評定。則應采用相對誤差來評定。u測量過程中存在測量誤差是不可避免的，測量過程中存在測量誤差是不可避免的，任何測量值只能近似反映被測量的真值。任何測量值只能近似反映被測量的真值。u測量過程中無數隨機因素的影響，使得即使測量過程中無數隨機因素的影響，使得即使在同一條件下對同一對象進行重復測量也不在同一條件下對同一對象進行重復測量也不會得到完全相同的測量值。會得到完全相同的測量值。u被測量總是要對敏感元件施加能量才能使測被測量總是要對敏感元件施加能量才能使

13、測量系統(tǒng)給出測量值，這就意味著測量值并不量系統(tǒng)給出測量值，這就意味著測量值并不能完全準確的反映被測參數的真值。能完全準確的反映被測參數的真值。二、測量誤差的來源二、測量誤差的來源1、儀器誤差儀器誤差它是由于設計、制造、裝配、檢定等的它是由于設計、制造、裝配、檢定等的不完善以及儀器使用過程中元器件老化、不完善以及儀器使用過程中元器件老化、機械部件磨損、疲勞等因素而使測量儀機械部件磨損、疲勞等因素而使測量儀器設備帶有的誤差。器設備帶有的誤差。減少儀器誤差的主要途徑是根據具體測減少儀器誤差的主要途徑是根據具體測量任務，正確地選擇測量方法和使用測量任務，正確地選擇測量方法和使用測量儀器。量儀器。2、人

14、身誤差人身誤差它指由于測量者感官的分辨能力、視覺它指由于測量者感官的分辨能力、視覺疲勞、固有習慣等而對測量實驗中的現疲勞、固有習慣等而對測量實驗中的現象與結果判斷不準確而造成的誤差。象與結果判斷不準確而造成的誤差。減少人身誤差的途徑減少人身誤差的途徑3、影響誤差影響誤差它是指各種環(huán)境因素與要求條件不一致它是指各種環(huán)境因素與要求條件不一致而造成的誤差。而造成的誤差。主要的影響因素是環(huán)境溫度、電源電壓主要的影響因素是環(huán)境溫度、電源電壓和電磁干擾等。和電磁干擾等。4、方法誤差方法誤差它是所使用的測量方法不當，或對測量設它是所使用的測量方法不當，或對測量設備操作使用不當，或測量所依據的理論不備操作使用

15、不當，或測量所依據的理論不嚴格，或對測量計算公式不適當簡化等原嚴格，或對測量計算公式不適當簡化等原因而造成的誤差，也稱理論誤差。因而造成的誤差，也稱理論誤差。原則上可通過理論分析和計算或改變測量原則上可通過理論分析和計算或改變測量方法來加以消除或修正。方法來加以消除或修正。三、測量誤差的分類三、測量誤差的分類1系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差u在相同測量條件下，對同一被測量進行多次測在相同測量條件下，對同一被測量進行多次測量，誤差的絕對值和符號或者保持不變，或按量，誤差的絕對值和符號或者保持不變，或按一定的規(guī)律變化，這類誤差稱為一定的規(guī)律變化，這類誤差稱為系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差。u恒值誤差恒值誤差u變值誤差：累進性

16、、周期性、按復雜規(guī)律變化變值誤差：累進性、周期性、按復雜規(guī)律變化恒值恒值累進性累進性按復雜規(guī)律變化按復雜規(guī)律變化周期性周期性系統(tǒng)誤差的特征系統(tǒng)誤差的特征 2隨機誤差隨機誤差 在相同測量條件下，對同一被測量進行多在相同測量條件下，對同一被測量進行多次測量，由于受到大量的、微小的隨機因素的次測量，由于受到大量的、微小的隨機因素的影響，測量誤差的絕對值的大小和符號沒有一影響，測量誤差的絕對值的大小和符號沒有一定的規(guī)律，且無法簡單估計，這類誤差稱為定的規(guī)律，且無法簡單估計，這類誤差稱為隨隨機誤差機誤差。指測量者無法嚴指測量者無法嚴格控制的因素格控制的因素u隨機誤差就隨機誤差就個體而言是無規(guī)律個體而言是

17、無規(guī)律的，不能通的，不能通過實驗的方法來消除。過實驗的方法來消除。u但在等精度條件下，只要測量次數足夠多，但在等精度條件下，只要測量次數足夠多，那么就會發(fā)現：那么就會發(fā)現：從總體來說隨機誤差服從從總體來說隨機誤差服從一定的統(tǒng)計規(guī)律一定的統(tǒng)計規(guī)律，可以從理論上來估計隨，可以從理論上來估計隨機誤差對測量結果的影響。機誤差對測量結果的影響。u隨機誤差與系統(tǒng)誤差既有區(qū)別又有聯系，隨機誤差與系統(tǒng)誤差既有區(qū)別又有聯系，二者之間并無絕對的界限，在一定條件下二者之間并無絕對的界限，在一定條件下可以相互轉化?？梢韵嗷マD化。u對某一具體誤差，在某一條件下為系統(tǒng)誤對某一具體誤差，在某一條件下為系統(tǒng)誤差，而在另一條件

18、下可為隨機誤差，反之差，而在另一條件下可為隨機誤差，反之亦然。亦然。 3粗大誤差粗大誤差 明顯地歪曲了測量結果的誤差稱為明顯地歪曲了測量結果的誤差稱為粗大誤粗大誤差差，大多是由于測量者粗心大意造成的。，大多是由于測量者粗心大意造成的。 粗大誤差一經發(fā)現，必須立即從測量數據粗大誤差一經發(fā)現，必須立即從測量數據中剔除。中剔除。問：下列誤差屬于哪類誤差？問：下列誤差屬于哪類誤差？（1 1）用一塊普通萬用表測量同一電壓，重復）用一塊普通萬用表測量同一電壓，重復測量測量2020次后所得結果的誤差。次后所得結果的誤差。（2 2）觀測者抄寫記錄時錯寫了數據造成的誤）觀測者抄寫記錄時錯寫了數據造成的誤差。差。

19、（3 3）在流量測量中，流體溫度、壓力偏離設）在流量測量中，流體溫度、壓力偏離設計值造成的流量誤差。計值造成的流量誤差。隨機誤差隨機誤差粗大誤差粗大誤差系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差三、測量精度三、測量精度1準確度準確度u對同一被測量進行多次測量，測量值偏離被對同一被測量進行多次測量，測量值偏離被測量真值的程度稱為測量真值的程度稱為測量的準確度測量的準確度。u它反映它反映系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差的影響，的影響，系統(tǒng)誤差越小，準系統(tǒng)誤差越小，準確度越高確度越高。2精密度：精密度：u對同一被測量進行多次測量，測量值重復一對同一被測量進行多次測量，測量值重復一致的程度，或者說測量值分布的密集程度，致的程度，或者說測量值分

20、布的密集程度，稱為稱為測量的精密度測量的精密度。u它反映它反映隨機誤差隨機誤差的影響，的影響，隨機誤差越小，精隨機誤差越小，精密度越高密度越高。3精確度精確度u精密度與準確度的綜合指標稱為精密度與準確度的綜合指標稱為精確度精確度，或稱精，或稱精度。度。u它反映它反映隨機誤差和系統(tǒng)誤差隨機誤差和系統(tǒng)誤差的綜合影響。的綜合影響。u精密度高的，準確度不一定高；準確度高的精密精密度高的，準確度不一定高；準確度高的精密度不一定高；但精確度高的，則精密度與準確度度不一定高；但精確度高的，則精密度與準確度都高。都高。精密度高精密度高準確度高準確度高精確度高精確度高3.精密度、準確度和精確度精密度、準確度和精

21、確度(a).精密度高，準確度差精密度高，準確度差。(b).準確度高，精密準確度高，精密度差度差。(c).精密度、準確度都高，就是精確度精密度、準確度都高，就是精確度高高。第四節(jié)第四節(jié) 測量儀表的基本技術指標測量儀表的基本技術指標1量程范圍量程范圍u儀表能夠測量的最大輸入量與最小輸入量之儀表能夠測量的最大輸入量與最小輸入量之間的范圍稱作間的范圍稱作儀表的量程范圍儀表的量程范圍，簡稱量程。，簡稱量程。u在數值上等于儀表上限值與下限值的代數差在數值上等于儀表上限值與下限值的代數差之絕對值。之絕對值。問：某溫度計測量的最低溫度為問：某溫度計測量的最低溫度為-20-20，最高溫度為最高溫度為100100

22、，它的量程是多少？，它的量程是多少？1202靈敏度靈敏度u在穩(wěn)定情況下，儀表輸出變化量在穩(wěn)定情況下，儀表輸出變化量L與引起此與引起此變化的輸入量的變化量變化的輸入量的變化量Xb之比值，定義為之比值，定義為儀儀表的靈敏度表的靈敏度。u用用S表示，即表示，即 式中，式中，S 儀表靈敏度儀表靈敏度 L、Xb 分別為輸入與輸出變化量分別為輸入與輸出變化量bLSX問：某測量范圍是問：某測量范圍是0100MPa的壓力表，其滿的壓力表，其滿量程時指針轉角為量程時指針轉角為270度，它的靈敏度是多少？度，它的靈敏度是多少？2.7度度/MPa 3靈敏限（分辨率、死區(qū)）靈敏限（分辨率、死區(qū)） 它表明儀表響應輸入量

23、微小變化的能力指它表明儀表響應輸入量微小變化的能力指標，即不能引起輸出發(fā)生變化的最大輸入變化標，即不能引起輸出發(fā)生變化的最大輸入變化幅度與量程范圍之比的百分數。幅度與量程范圍之比的百分數。4. 儀器基本誤差儀器基本誤差 儀表測量值中的最大示值絕對誤差與儀表儀表測量值中的最大示值絕對誤差與儀表量程之比值稱為量程之比值稱為儀表的基本誤差儀表的基本誤差。100%mjmL 5. 儀器允許誤差儀器允許誤差 它表示對測量儀表所允許的誤差界限，即出它表示對測量儀表所允許的誤差界限，即出廠的儀表都要保證基本誤差不超過某一規(guī)定值，廠的儀表都要保證基本誤差不超過某一規(guī)定值，此規(guī)定值叫此規(guī)定值叫允許誤差允許誤差。

24、6準確度等級準確度等級 它指根據測量儀表準確度大小所劃分的等級或它指根據測量儀表準確度大小所劃分的等級或級別。允許誤差去掉百分號的數值就是級別。允許誤差去掉百分號的數值就是準確度等準確度等級級，工程上稱為精度等級。，工程上稱為精度等級。7. 變差變差 在外界條件不變的在外界條件不變的情況下，使用同一儀表情況下，使用同一儀表對被測量進行反復測量對被測量進行反復測量（正行程和反行程）時，（正行程和反行程）時，所產生的最大差值與儀所產生的最大差值與儀表量程之比值稱為表量程之比值稱為變差變差，用用表示。表示。100%mmLLu正行程：正行程：測量系統(tǒng)的輸入量從量程下限測量系統(tǒng)的輸入量從量程下限增至量程

25、的上限的測量過程。增至量程的上限的測量過程。u反行程：反行程：測量系統(tǒng)的輸入量從量程上限測量系統(tǒng)的輸入量從量程上限減少至量程的下限的測量過程。減少至量程的下限的測量過程。8漂移 n在環(huán)境及工作條件不變的前提下，保持一定的輸入信號，經過一段時間后，輸出變化稱為漂移。 二、儀表的校驗二、儀表的校驗n示值校驗 n1示值比較法n用標準儀表與被校儀表同時測量同一參數n2標準狀態(tài)法熱工儀表校驗后應達到哪些基本要求？n (1)基本誤差不應超過該儀表的允許誤差；n (2)變差不應超過該儀表的精確度等級值的1/2；n (3)應保證始點正確，偏移值不超過基本誤差的1/2；n (4)指針在整個行程中應無抖動、摩擦、跳躍等現象；n (5)電位器或調節(jié)螺絲等可調裝置，在調校后應留有余地；n (6)儀表附有電氣接點裝置時，其控制接點動作應正確，儀表校驗后應加封印。習題：習題：1.某測溫儀表的準確度等級為某測溫儀表的準確度等級為1.0級，絕對級，絕對誤差為誤差為1，測量下限為負值（下限的，測量下限為負值（下限的絕對值為測量范圍的絕對值為測量范圍的10），試確定該），試確定該表的測量上限值、下限值和量程。表的測量上限值、下限值和量程。 （90， 10， 100 ）2.用