熱工測(cè)量?jī)x表第一章基礎(chǔ)概念

《熱工測(cè)量?jī)x表》通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)熟悉工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中主要熱工參數(shù)的檢測(cè)理論和方法，在工程實(shí)踐中能正確選擇相適應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法和組成適宜的檢測(cè)系統(tǒng)，準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取熱工生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)信息。課程的目的和任務(wù)課程的基本要求和特點(diǎn)通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能初步掌握信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論和方法。本課程涉及熱力發(fā)電廠熱工過(guò)程的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、水位、爐煙成分的測(cè)量方法及測(cè)量?jī)x表。熱工過(guò)程中需要檢測(cè)的參數(shù)相當(dāng)多，本課程注重歸納共性的測(cè)量技術(shù)的基本理論和測(cè)量變換元件的物理方法和概念。通過(guò)典型參數(shù)測(cè)量示例，舉一反三，使學(xué)生初步掌握熱工測(cè)量及儀表的基本理論、基本技術(shù)和基本方法。總評(píng)成績(jī)根據(jù)平時(shí)成績(jī)(包括考勤、作業(yè)、實(shí)驗(yàn)等，占30%)和期末考試成績(jī)（占70%）綜合評(píng)定?？己朔绞秸n程安排34學(xué)時(shí)：26理論＋4實(shí)驗(yàn)＋2習(xí)題＋2其他火電廠第一章熱工測(cè)量的基本概念一

熱工測(cè)量的意義測(cè)量：以確定被測(cè)對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作檢測(cè)技術(shù)：檢測(cè)過(guò)程：測(cè)量+信號(hào)檢出（極為重要）信息提取、信號(hào)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)與傳輸、顯示記錄、分析處理檢測(cè)：是意義更為廣泛的測(cè)量1、檢測(cè)與測(cè)量測(cè)量的基本方程式：

X0

=

U,X0

≈

xU,

式中，X0——被測(cè)量；

U——標(biāo)準(zhǔn)

量（即選用的測(cè)量單位）；

——被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)字比值，真值。x——測(cè)量值。測(cè)量過(guò)程的三要素：測(cè)量方法、測(cè)量單位、測(cè)量工具2、檢測(cè)的分類(lèi)被測(cè)量值的物理屬性：電量、非電量檢測(cè)原理（物理的、化學(xué)的、生物學(xué)的）：檢測(cè)方法：直接與間接、接觸式與非接觸式、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)等電磁法、光學(xué)法、微波法、超聲法、核輻射法、電化學(xué)分析、色譜分析、質(zhì)譜分析等3、測(cè)量單位被測(cè)量基準(zhǔn)量避免混亂----國(guó)際單位制（SI）：長(zhǎng)度質(zhì)量時(shí)間電流熱力學(xué)溫度物質(zhì)的量光量實(shí)物單位----千克標(biāo)準(zhǔn)原器米----光在真空中1s時(shí)間內(nèi)傳播距離的1/299792485能量（J）=力距離大得多/小得多----詞頭：mm、m、nm（10-9m）；kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）單位測(cè)量：比較SI基本單位：倍數(shù)（結(jié)果）SI

組合單位：七個(gè)物理量單位---相互獨(dú)立由基本單位導(dǎo)出=質(zhì)量

加速度距離J=kg（m/s2）m=m2·kg/s2能量---焦（耳）：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間（m）（kg）（s）（A）（K）（mol）（cd）二

測(cè)量方法選擇：被測(cè)量的性質(zhì)、特點(diǎn)和測(cè)量任務(wù)要求（1）按測(cè)量結(jié)果的獲取方式：

直接測(cè)量、間接測(cè)量（2）按被測(cè)量與測(cè)量單位的比較方式：

偏移法測(cè)量、零位法測(cè)量、微差法測(cè)量（3）按傳感器與被測(cè)對(duì)象是否直接接觸：

接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量（4）按被測(cè)量在測(cè)量過(guò)程中的狀態(tài)分：

靜態(tài)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量靜態(tài)測(cè)量

對(duì)緩慢變化的對(duì)象進(jìn)行測(cè)量亦屬于靜態(tài)測(cè)量。

最高、最低溫度計(jì)

動(dòng)態(tài)測(cè)量

地震測(cè)量振動(dòng)波形便攜式儀表可以顯示波形的便攜式儀表直接測(cè)量

電子卡尺間接測(cè)量

對(duì)多個(gè)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)計(jì)算求得被測(cè)量（阿基米德測(cè)量皇冠的比重）。

接觸式測(cè)量

非接觸式測(cè)量

例：雷達(dá)測(cè)速車(chē)載電子警察離線測(cè)量

產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)在線測(cè)量

在流水線上，邊加工，邊檢驗(yàn)，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。檢測(cè)方法（一）直接測(cè)量

（二）間接測(cè)量1、直接比較測(cè)量法2、微差測(cè)量法3、零位測(cè)量法010

X（一）直接測(cè)量

直接測(cè)量——能直接得到被測(cè)量的數(shù)值的測(cè)量方法。

1直接比較測(cè)量法

比較法：是將被測(cè)量與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行直接或間接比較,得到測(cè)量值的方法。

如：米尺.電表都是根據(jù)比較法設(shè)計(jì)而成的儀器。50100200mA02002、微差測(cè)量法將被測(cè)量和與其量值只有微小差別的已知量進(jìn)行比較，測(cè)出這兩個(gè)量值間的差值，從而確定被測(cè)量的測(cè)量方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)已知量的精確度很高，而其值又很接近被測(cè)量時(shí)，用較低精度的測(cè)量?jī)x表，也能得到高精度的測(cè)量結(jié)果。例如：已知甲精確身高為170cm，若乙比甲高出5cm，于是可知乙的身高為175cm3、零位測(cè)量法通過(guò)調(diào)整一個(gè)或幾個(gè)已知數(shù)值的量使之與被測(cè)量達(dá)到平衡，從而確定被測(cè)量的測(cè)量方法，也稱為平衡測(cè)量法或補(bǔ)償測(cè)量法。補(bǔ)償法：用在標(biāo)準(zhǔn)量具上產(chǎn)生的精度很高的某種效應(yīng)，完全補(bǔ)償由待測(cè)量產(chǎn)生的同種效應(yīng)，得到未知量的方法。如：電位差計(jì)I=0I=0I=0小時(shí)大時(shí)零位測(cè)量法其優(yōu)點(diǎn)是可獲得較高的精確度；缺點(diǎn)是測(cè)量中需進(jìn)行平衡操作，測(cè)量過(guò)程較復(fù)雜。這種測(cè)量方法在工程參數(shù)測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中應(yīng)用很普遍，如天平稱重、電位差計(jì)和平衡電橋測(cè)毫伏信號(hào)或電阻值、零位式活塞壓力計(jì)測(cè)壓等。（二）間接測(cè)量通常在采用直接測(cè)量很不方便，或誤差較大，或缺乏直接測(cè)量?jī)x器時(shí)，才使用間接測(cè)量。方法為：先對(duì)一個(gè)或幾個(gè)與被測(cè)量有確定函數(shù)關(guān)系的量進(jìn)行直接測(cè)量，然后通過(guò)代表該函數(shù)關(guān)系的公式、曲線或表格求得被測(cè)量，這類(lèi)方法就稱為間接測(cè)量。間接測(cè)量法：對(duì)無(wú)法直接測(cè)量的量，轉(zhuǎn)換為對(duì)該量所產(chǎn)生的某種效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。如：測(cè)酸、堿、鹽溶液的濃度.I

用壓電傳感器測(cè)駕駛員座椅的受力分布。待測(cè)糧食傳送帶糧食烘干裝置待測(cè)糧食的含水量與反射光強(qiáng)I有關(guān)F一般來(lái)說(shuō)，間接測(cè)量法需要測(cè)量的量較多，因此測(cè)量和計(jì)算的工作量較大，引起誤差的因素也較多。三個(gè)基本部分組成：感受件、顯示件、傳送件感受件

1)定義：直接感受被測(cè)量并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的輸出信號(hào)。也稱：敏感元件、一次元件、發(fā)送器。如熱電偶2)要求：穩(wěn)定性，選擇性，線性性輸出信號(hào)必須隨被測(cè)量變化輸出信號(hào)只能隨被測(cè)量變化輸出信號(hào)與被測(cè)量之間必須是單值函數(shù)，最好是線性關(guān)系

三、熱工儀表的組成1-被測(cè)對(duì)象；2-傳感器；3-變換器；4-顯示裝置；5-傳送通道3)分類(lèi)：

溫度感受件，壓力感受件（按被測(cè)參數(shù)）

能量轉(zhuǎn)換型(熱電偶);能量控制型(熱電阻)（輸

出信號(hào)能量的主要來(lái)源）

模擬式和準(zhǔn)數(shù)字式（輸出信號(hào)的形式）2.顯示件：1)定義：向觀察者顯示被測(cè)量的數(shù)值、量值的裝置2）分類(lèi)：

顯示儀表—顯示被測(cè)量的瞬時(shí)值

記錄儀表—記錄被測(cè)量隨時(shí)間變化

積算儀表—顯示被測(cè)量對(duì)時(shí)間的積分

信號(hào)式儀表—反映被測(cè)量是否超過(guò)允許的限值

調(diào)節(jié)式顯示儀表—根據(jù)被測(cè)量與規(guī)定值的偏差情況，發(fā)出對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)的信號(hào)3.傳送件：1)定義：將感受件輸出的信號(hào)按顯示件的要求傳輸給顯示件。2）具有功能：

1）單純傳輸2）感受件輸出信號(hào)放大3）把信號(hào)變送成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（變送器)四、儀表內(nèi)信號(hào)傳輸過(guò)程儀表內(nèi)每一次信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸可作為一個(gè)環(huán)節(jié)，整個(gè)儀表是各環(huán)節(jié)的連接。1.儀表各環(huán)節(jié)連接方式：開(kāi)環(huán)（系統(tǒng)）和閉環(huán)（系統(tǒng)），每一個(gè)環(huán)節(jié)：傳遞函數(shù)（靈敏度）2.開(kāi)環(huán)系統(tǒng)k1k2k3ITθ電流力矩角度動(dòng)圈表方框圖X位移特點(diǎn)：各環(huán)節(jié)開(kāi)環(huán)串聯(lián)，信號(hào)沿一個(gè)方向傳輸。按偏差測(cè)量法工作要保證儀表指示正確，必須保持每個(gè)環(huán)節(jié)靈敏度不變X=K1K2K3I開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)儀表xK1u0K2u1Knyun傳遞函數(shù)：相對(duì)誤差每個(gè)環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差對(duì)系統(tǒng)總誤差的影響是等權(quán)的。3.閉環(huán)系統(tǒng)e

e

-U滑線電阻放大器伺服電動(dòng)機(jī)k1K2/sK3電子電位差計(jì)方框圖特點(diǎn)：1)含有負(fù)反饋2)儀表傳遞函數(shù)與反饋環(huán)節(jié)有關(guān)，因此k3要求高，k1,k2性能可降低故閉環(huán)精度較高靜態(tài)時(shí)：K1KnyxK0K2K3＋—△xβ1β2βmxf在K足夠大時(shí)，只要<1，就可以獲得高精度、高靈敏度有效性準(zhǔn)確度（示值誤差絕對(duì)誤差相對(duì)誤差基本誤差附加誤差引用誤差允許誤差準(zhǔn)確度等級(jí)）線性度回差重復(fù)性誤差分辨率靈敏度漂移質(zhì)量指標(biāo)包括：計(jì)量性能、操作性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性五、儀表的質(zhì)量指標(biāo)1、測(cè)量范圍和量程量程＝測(cè)量上限值－測(cè)量下限值2、準(zhǔn)確度：儀表指示值接近被測(cè)量真值程度的質(zhì)量指標(biāo)（1）絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差是儀表輸出值與被測(cè)參數(shù)真值之間的差值，即測(cè)量誤差＝測(cè)得值－真值客觀真實(shí)值（未知）1m=1650763.73①約定真值：世界各國(guó)公認(rèn)的幾何量和物理量的最高基準(zhǔn)的量值③相對(duì)真值：標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)得值或用來(lái)作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)器的值如：米---公制長(zhǎng)度基準(zhǔn)---

氪-86的2p10-5d5能級(jí)間躍遷在真空中的輻射波長(zhǎng)②理論真值：設(shè)計(jì)時(shí)給定或用數(shù)學(xué)、物理公式計(jì)算出的給定值光在真空中1s時(shí)間內(nèi)傳播距離的1/299792485（2）相對(duì)誤差實(shí)際相對(duì)誤差表示：百分?jǐn)?shù)（%）---分子分母量綱相同標(biāo)稱相對(duì)誤差=100%絕對(duì)誤差真值

=100%xx0

=100%xx相對(duì)誤差=100%絕對(duì)誤差測(cè)得值確切反映測(cè)量效果：被測(cè)量的大小不同---允許的測(cè)量誤差不同被測(cè)量的量值小---允許的測(cè)量絕對(duì)誤差也越小相對(duì)百分誤差=100%（引用誤差）絕對(duì)誤差量程

=100%x量程（3）引用誤差引用誤差是絕對(duì)誤差與儀表的量程比的百分?jǐn)?shù)，即δ=100%x量程質(zhì)量G1=50g，誤差1=2g；質(zhì)量G2=2kg，誤差2=50g，求各自相對(duì)誤差。

1=100%=100%=4%1G1G1的相對(duì)誤差為250

2=100%=100%=2.5%G2G2的相對(duì)誤差為5020002---G2的測(cè)量效果較好【例1-1

】【解】（4）儀表基本誤差（5）儀表滿刻度相對(duì)誤差在標(biāo)準(zhǔn)條件下，儀表全量程范圍內(nèi)各輸出值誤差中絕對(duì)值最大者稱為儀表的基本誤差。儀表基本誤差與儀表量程比的百分?jǐn)?shù)——在數(shù)值上就是儀表的準(zhǔn)確度（6）允許誤差這是儀表制造單位為保證儀表不超過(guò)基本誤差而設(shè)的限值基本誤差≤允許誤差儀表合格基本誤差允許誤差儀表不合格7）準(zhǔn)確度與準(zhǔn)確度等級(jí)儀表準(zhǔn)確度：儀表給出接近于真值的響應(yīng)能力我國(guó)電工儀表、壓力表的準(zhǔn)確度等級(jí)（accuracyclass）就是按照引用誤差進(jìn)行分級(jí)的。

當(dāng)一個(gè)儀表的等級(jí)s選定后，用此表測(cè)量某一被測(cè)量時(shí)，所產(chǎn)生的最大絕對(duì)誤差為

最大相對(duì)誤差為絕對(duì)誤差的最大值與該儀表的標(biāo)稱范圍（或量程）上限xm成正比選定儀表后，被測(cè)量的值越接近于標(biāo)稱范圍（或量程）上限，測(cè)量的相對(duì)誤差越小，測(cè)量越準(zhǔn)確（公式2）（公式1）儀表準(zhǔn)確度等級(jí)選擇原則

①不應(yīng)單純追求測(cè)量?jī)x表準(zhǔn)確度越高越好，而應(yīng)根據(jù)被測(cè)量的大小，兼顧儀表的級(jí)別和標(biāo)稱范圍（或量程）上限合理進(jìn)行選擇。

②選擇被測(cè)量的值應(yīng)大于均勻刻度測(cè)量?jī)x表量程上限的三分之二，即

測(cè)量的最大相對(duì)誤差不超過(guò)

即測(cè)量誤差不會(huì)超過(guò)測(cè)量?jī)x表等級(jí)的1.5倍。某被測(cè)電壓為100伏左右，現(xiàn)有0.5級(jí)、量程為300伏和1.0級(jí)、量程為150伏兩塊電壓表，問(wèn)選用哪一塊合適？

由公式2，當(dāng)用0.5級(jí)、量程為300伏的電壓表測(cè)量時(shí)，有

當(dāng)用1.0級(jí)、量程為100伏的電表測(cè)量時(shí)，有

可見(jiàn)，如果量程選擇適當(dāng)，用1.0級(jí)電壓表進(jìn)行測(cè)量與用0.5級(jí)一樣準(zhǔn)確?？紤]到儀表等級(jí)越高，成本越高，故應(yīng)選擇1.0級(jí)電壓表進(jìn)行測(cè)量。

【例1-2

】【解】【例1-3

】檢定一只2.5級(jí)、量程為100V的電壓表，發(fā)現(xiàn)在50V處誤差最大，其值為2V，而其他刻度處的誤差均小于2V，問(wèn)這只電壓表是否合格？

由公式2，該電壓表的引用誤差為

由于所以該電壓表合格?！窘狻俊纠?-4

】某1.0級(jí)電流表，滿度值（標(biāo)稱范圍上限）為100，求測(cè)量值分別為100，80和20時(shí)的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。根據(jù)題意得

由公式1可知，最大絕對(duì)誤差為

它們的相對(duì)誤差分別為

可見(jiàn)，在同一標(biāo)稱范圍內(nèi)，測(cè)量值越小，其相對(duì)誤差越大?！窘狻?線性度:檢測(cè)系統(tǒng)輸入輸出曲線與理想直線的偏離程度相對(duì)誤差輸出值與理想直線的最大偏差值理論滿量程輸出值理想直線：亦稱非線性誤差定義:(non-linearity)表達(dá):xyΔ擬合直線一般不存在或很難獲得準(zhǔn)確結(jié)果利用測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算獲得作圖法求線性度演示（1—擬合曲線2—實(shí)際特性曲線）4回差（變差）同一輸入量上升和下降時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩輸出量平均值之間的最大差值與量程之比的百分?jǐn)?shù).(儀表運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦、間隙、彈性滯后等原因引起）5重復(fù)性與再現(xiàn)性重復(fù)性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復(fù)性是指在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量，按同一方向多次測(cè)量時(shí)，檢測(cè)儀表的各輸出值之間的一致程度。yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重復(fù)性偏差，△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。再現(xiàn)性是指在相同測(cè)量條件下，在規(guī)定的相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，對(duì)同一被測(cè)量從兩個(gè)方向上重復(fù)測(cè)量時(shí)，檢測(cè)儀表的各輸出值之間的一致程度。重復(fù)性不包括回差，再現(xiàn)性包括回差，也包括了重復(fù)性定義：分辨率是指檢測(cè)儀表能夠精確檢測(cè)出被測(cè)量的最小變化的能力。輸入量從某個(gè)任意值(非零值)緩慢增加，直到可以測(cè)量到輸出的變化為止，此時(shí)的輸入量就是分辨率。它可以用絕對(duì)值，也可以用量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。它說(shuō)明了檢測(cè)儀表響應(yīng)與分辨輸入量微小變化的能力。靈敏度愈高，分辨率愈好。一般模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半。數(shù)字式儀表的分辨率是最后一位的一個(gè)字。

6分辨率:死區(qū)當(dāng)系統(tǒng)輸出信號(hào)不發(fā)生變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的變化范圍---系統(tǒng)元件的摩擦及空程等現(xiàn)象引起的7靈敏度靈敏度是指?jìng)鞲衅骰驒z測(cè)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值。可表示為它是輸入—輸出特性曲線的斜率。如果系統(tǒng)的輸出和輸入之間有線性關(guān)系，則靈敏度是一個(gè)常數(shù)。否則，它將隨輸入量的大小而變化。一般希望靈敏度s在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)保持為常數(shù)。這樣，可得均勻刻度的標(biāo)尺，使讀數(shù)方便，也便于分析和處理測(cè)量結(jié)果。x0ydydx由于輸入和輸出的變化量一般都有不同的量綱，所以靈敏度s也是有量綱的。如輸入量為溫度(C)，輸出量為標(biāo)尺上的位移(格)，則s的量綱為格/C。如果輸入量和輸出量是同類(lèi)量，則此時(shí)s可理解為放大倍數(shù)。因此，靈敏度比放大倍數(shù)有更廣泛的含義。8漂移定義：工作條件和輸入信號(hào)不變,經(jīng)規(guī)定時(shí)間后輸出的變化,稱為漂移以儀表量程各點(diǎn)上輸出的最大變化量與量程之比的百分?jǐn)?shù)表示9動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性動(dòng)態(tài)特性指?jìng)鞲衅鲗?duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。如果規(guī)定儀表輸出值變化量達(dá)到穩(wěn)定值的63.2%,則所需要的時(shí)間稱為儀表的響應(yīng)時(shí)間，也稱為儀表的時(shí)間常數(shù)。這個(gè)時(shí)間短，說(shuō)明儀表的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好tT10.632六、儀表的檢定檢定:根據(jù)規(guī)定的指標(biāo),評(píng)定儀表的性能,以確定儀表是否合格標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程檢定方法:定點(diǎn)法和示值法定點(diǎn)法:被檢測(cè)表檢測(cè)某種標(biāo)準(zhǔn)值,從而確定儀表的示值誤差.示值比較法