热工测量及仪表_第1章_热工测量基础.ppt

热工测量及仪表轻工与能源学院轻工与能源学院起止起止时间时间：第：第1周周-第第10周周主主 讲讲 人：胡南江人：胡南江 2014年年第一章第一章 热工测量基础热工测量基础§1.1 热工测量基础热工测量基础§1.2 热工测量方法及手段热工测量方法及手段 §1.3 热工测量要求及系统组成热工测量要求及系统组成§1.4 测量误差与测量精度测量误差与测量精度 1.1 1.1 热工测量基础热工测量基础一、什么叫做一、什么叫做“ 测量测量”：： 借助专门工具，通过试验测量并对试验数据进行分借助专门工具，通过试验测量并对试验数据进行分析、计算，将被测量析、计算，将被测量X0以测量单位以测量单位U的倍数的倍数μ显示出来的显示出来的过程，即：过程，即： X0 = μU 式中式中μ—被测量的真实数值，简称真值被测量的真实数值，简称真值测量三要素：测量方法、测量单位、测量工具测量三要素：测量方法、测量单位、测量工具测量通常包括两个过程1. 能量形式的一次或多次转换过程－－检测（敏感）元件、变能量形式的一次或多次转换过程－－检测（敏感）元件、变换（转换）器、信号传输和信号处理等部分。

换（转换）器、信号传输和信号处理等部分2. 将被测变量与其相应的检测单位进行比较－－测量电路及将被测变量与其相应的检测单位进行比较－－测量电路及显示装置部分显示装置部分例如：水银温度计例如：水银温度计例如：用水银温度计检测容器中加热器的温度例如：用水银温度计检测容器中加热器的温度第一过程：第一过程：第二过程：水银柱的高度与玻璃上温度刻度比较第二过程：水银柱的高度与玻璃上温度刻度比较加热器加热器-----？？水银水银--------？？玻璃刻度玻璃刻度--------？？水的水的热能热能水银柱的位能水银柱的位能显示装置显示装置检测元件检测元件被测对象被测对象 二、二、 测量的意义测量的意义 （1 1）测量的意义：）测量的意义： 将被测系统中的某种信息检测出来，并加以量将被测系统中的某种信息检测出来，并加以量度 （（2 2）试验的意义：）试验的意义： 在测量过程中，人们借助于专门工具，通过试验在测量过程中，人们借助于专门工具，通过试验和对试验数据的分析计算，求得被测量的值，获得和对试验数据的分析计算，求得被测量的值，获得对于客观事物的定量的概念和内在规律的认识。

对于客观事物的定量的概念和内在规律的认识 1.2 1.2 热工测量方法及手段热工测量方法及手段一、测量方法一、测量方法1、直接测量与间接测量2、接触测量与非接触测量3、静态测量与动态测量4、手动测量与远动、运动、自动测量5、点的测量与场的测量6、单纯测量与组合测量测量方法：实现被测量与其测量单位相比较获得测量测量方法：实现被测量与其测量单位相比较获得测量值的方法值的方法注意与测量原理的区别注意与测量原理的区别直接测量法直接测量法: :用测量仪器直接得到被测量直尺测量长度用测量仪器直接得到被测量直尺测量长度, ,压力表测压力压力表测压力, ,玻璃温度计测温度）玻璃温度计测温度）直接测量法分为：直接比较和间接比较直接测量法分为：直接比较和间接比较直接比较：直接把被测物理量与标准量做比较的测量方法例直接比较：直接把被测物理量与标准量做比较的测量方法例如如直尺测量长度直尺测量长度特点：测物理量与标准量是同一物理量特点：测物理量与标准量是同一物理量间接比较：水银温度计，弹簧秤间接比较：水银温度计，弹簧秤1. 直接测量法和间接测量法直接测量法和间接测量法（被测（被测 值获取方式不值获取方式不同同)Ø间接测量法：通过直接测量其它变量，再按函间接测量法：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数关系计算求得被测量数值的方法Ø（过热蒸汽的质量流量：测得的是过热蒸汽的（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，计算温度、压力和标准节流装置的差压信号，计算后得到流量。

例如：测量电功率，先测量电压后得到流量例如：测量电功率，先测量电压U U和电流和电流I I，再求功率，再求功率P=UIP=UI））Ø组合测量：为了同时取定多个未知量，通过求组合测量：为了同时取定多个未知量，通过求解方程组解方程组偏差测量法：被测量作用在测量工具上，其偏偏差测量法：被测量作用在测量工具上，其偏离测量工具的初始状态（零点），偏离量得到离测量工具的初始状态（零点），偏离量得到被测量值也就是说仪表指针的位移决定被测被测量值也就是说仪表指针的位移决定被测量大小的测量方法例如：量大小的测量方法例如：水银温度计水银温度计；指针；指针式万用表，弹簧秤式万用表，弹簧秤2. 偏差测量法、微差测量法、零差测量法偏差测量法、微差测量法、零差测量法（被（被测量与测量单位比较方式）测量与测量单位比较方式）零差测量法：使已知量和被测量的差值为零，这时零差测量法：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，已知量即为测量值偏差测量仅起检零作用，已知量即为测量值 隐含：隐含： (1)(1)已知量是连续可调的，随时可通过已知量是连续可调的，随时可通过 调节得到调节得到被测量。

被测量 (2)(2)已知量可容易的准确测量已知量可容易的准确测量（天平，用电位差计测量热电偶产生的热电势天平，用电位差计测量热电偶产生的热电势微差测量法：通过将被测量与已知标准量进行比微差测量法：通过将被测量与已知标准量进行比较，取得差值，再用偏差法测得此差值，测量结较，取得差值，再用偏差法测得此差值，测量结果是已知标准量和偏差量的代数和果是已知标准量和偏差量的代数和 (检定热电偶：检定热电偶： 测量被校热电偶的热电势与标准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）热电偶的微小差，来评价要检验的热电偶的精度）静态测量法：被测量在测量过程中不随时间变静态测量法：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动态测量法：测量过程中被测量随时间有明显变化变化3. 静态测量法和动态测量法（静态测量法和动态测量法（测量过程中的测量过程中的状态）状态）4 4 接触测量和非接触测量接触测量和非接触测量接触测量：传感器和被测对象直接接触而进行接触测量：传感器和被测对象直接接触而进行的测量。

的测量非接触测量非接触测量：：传感器和被测对象不直接接触而传感器和被测对象不直接接触而进行的测量进行的测量5 5 等精度测量和非等精度测量等精度测量和非等精度测量等精度测量：在测量过程中影响误差大小的全等精度测量：在测量过程中影响误差大小的全部测量条件不变部测量条件不变非等精度测量：不同的测量条件下，对同一被非等精度测量：不同的测量条件下，对同一被测量进行多次重复测量测量进行多次重复测量二、测量手段二、测量手段1、力学测量手段、力学测量手段热工参数热工参数 位移、压缩、膨胀、拉伸、扭矩位移、压缩、膨胀、拉伸、扭矩2、电学测量手段、电学测量手段传感器变换器传输通道显示装置被测量测量值（电流、电压、电阻、电容、（电流、电压、电阻、电容、电感、电磁）电感、电磁）3、光学测量手段、光学测量手段优点：（1）非接触测量（2）动态、实时测量（3）场的测量（4）可视化技术信息获取信息获取信息获取信息获取转换转换转换转换显示和处理显示和处理显示和处理显示和处理（信号检出部分）（信号检出部分）（信号检出部分）（信号检出部分）（信号变换部分）（信号变换部分）（信号变换部分）（信号变换部分）三个基本部分组成：检测部分、信号变换部分、分析处理显示部分1.3 热工热工系统组成1 1 检测部分检测部分1)1)定义：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、变送器如热电偶 2) 2) 要求要求：：稳定性，选择性，线性性稳定性，选择性，线性性稳定性，选择性，线性性稳定性，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 2 信号变换部分信号变换部分信号调理电路 –阻抗匹配–信号放大–去噪–信号变换–A/D,D/A–线性化处理3.分析处理显示部分分析处理显示部分：：1) 1) 定义：定义：向观察者显示被测量的数值、量值的装置向观察者显示被测量的数值、量值的装置2 2）分类：）分类：按照显示方式不同分为：按照显示方式不同分为：模拟式模拟式 结构简单，价格低廉结构简单，价格低廉 存在视差存在视差数字式数字式 屏幕式屏幕式 显示模拟曲线、数值，形象，有利于参数比较，最先进显示模拟曲线、数值，形象，有利于参数比较，最先进 按照显示功能的不同分为按照显示功能的不同分为显示仪表显示仪表——显示被测量的瞬时值显示被测量的瞬时值记录仪表记录仪表——记录被测量随时间变化记录被测量随时间变化积算仪表积算仪表——显示被测量对时间的积分显示被测量对时间的积分信号式仪表信号式仪表——反映被测量是否超过允许的限值反映被测量是否超过允许的限值调节式显示仪表调节式显示仪表——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对象进行调节的信号4 通讯总线与接口（管理两个不同系统之间的通讯总线与接口（管理两个不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换）数据、状态和控制信息的传输和交换）总线：从任意一个源点到任意一个终点的一组传送数字信号的公共通道，是各种信号的集合。

一种规范，一种结构形式接口：完成通信的硬件系统流量测量系统的一个例子（流量跟节流件两侧压差的平发根成正比）流体动能－>静压能－>标准电流信号管道管道被测被测对象对象检测元件检测元件开方处理开方处理该系统包括除被测对象外的六部分该系统包括除被测对象外的六部分当测量系统进行测量时，首先是通过当测量系统进行测量时，首先是通过检测元件、变送检测元件、变送器、传输、处理器、传输、处理四部分把被测变量的能量形式经过多四部分把被测变量的能量形式经过多次转换，变成了与被测量成一定对应关系（次转换，变成了与被测量成一定对应关系（线性线性）的）的电信号，这是第一过程；电信号，这是第一过程； 将电信号通过测量电路和显示装置，进行测量单位的将电信号通过测量电路和显示装置，进行测量单位的比较过程，通常由比较过程，通常由显示仪表显示仪表完成，这是第二过程完成，这是第二过程3 测量误差测量误差u测测量量过过程程中中存存在在测测量量误误差差是是不不可可避避免免的的，，任任何何测量值只能近似反映被测量的真值测量值只能近似反映被测量的真值u测测量量过过程程中中无无数数随随机机因因素素的的影影响响，，使使得得即即使使在在同同一一条条件件下下对对同同一一对对象象进进行行重重复复测测量量也也不不会会得得到到完完全全相相同的测量值。

同的测量值u被被测测量量总总是是要要对对敏敏感感元元件件施施加加能能量量才才能能使使测测量量系系统统给给出出测测量量值值，，这这就就意意味味着着测测量量值值并并不不能能完完全全准准确确的的反映被测参数的真值反映被测参数的真值4 测试系统的基本特性静态测量：静态测量：测量过程中被测量保持恒定不变的测量静态测量时，测试系统的技术指标称为静态特性(灵敏度、量程、精确度、线性度、滞后差）动动态态测测量量：被测量本身随时间变化，而测量系统又能准确地跟随被测量变化而变化，称为动态测量（通常采用阶跃信号和正弦输入信号在时域和频域中研究系统的动态特性）（一）准确度（一）准确度u对对同同一一被被测测量量进进行行多多次次测测量量，，测测量量值值偏偏离离被被测测量量真真值值的的程程度称为度称为测量的准确度测量的准确度u它反映它反映系统误差系统误差的影响，的影响，系统误差越小，准确度越高系统误差越小，准确度越高是测量仪器最主要的计量性能指标；是测量仪器最主要的计量性能指标；仪器自身的原因造成；仪器自身的原因造成；定性概念；定性概念；静态特性静态特性静态特性静态特性准确度：准确度：定量指标用准确度等级、示值误差或引用误差表示：定量指标用准确度等级、示值误差或引用误差表示： ①① 示值误差＝测量值－真实值示值误差＝测量值－真实值 （（ 真实值用约定真值代替）真实值用约定真值代替） ②② 引用误差引用误差=示值误差示值误差/量程量程 ③③ 准确度等级就是根据示值误差或引用误差而划分的准准确度等级就是根据示值误差或引用误差而划分的准确度级别。

当某个测量仪器的引用误差不大于确度级别当某个测量仪器的引用误差不大于0．．01时（时（1％），往往按照有关该仪器的标准或检定规程，该仪器的％），往往按照有关该仪器的标准或检定规程，该仪器的准确度为准确度为1级 如：电工仪表的准确度等级可分为：如：电工仪表的准确度等级可分为：0.1 、、、、、、七、、、、、、七级静态特性静态特性（二）测量仪器的重复性（精密度）（二）测量仪器的重复性（精密度） 在相同测量条件下，重复测量同一个被测量时测量在相同测量条件下，重复测量同一个被测量时测量仪器示值的一致程度仪器示值的一致程度 重复性可以用示值的分散性来定量表示要求仪器重复性可以用示值的分散性来定量表示要求仪器示值分散在允许的范围内示值分散在允许的范围内 重复性是测量仪器的重要指标，反映了仪器工作的重复性是测量仪器的重要指标，反映了仪器工作的可信度和有效性可信度和有效性u它反映它反映随机误差随机误差的影响，的影响，随机误差越小，精密度越高随机误差越小，精密度越高（三）精确度（三）精确度u精密度与准确度的综合指标称为精密度与准确度的综合指标称为精确度精确度，或称精度。

或称精度u它反映它反映随机误差和系统误差随机误差和系统误差的综合影响的综合影响u精精密密度度高高的的，，准准确确度度不不一一定定高高；；准准确确度度高高的的精精密密度度不不一一定高；但精确度高的，则精密度与准确度都高定高；但精确度高的，则精密度与准确度都高以飞镖打靶时为例（用靶心表示其目标值位置）：以飞镖打靶时为例（用靶心表示其目标值位置）：（（a）和（）和（b）图表示射击的准确度好与差，即系统误差）图表示射击的准确度好与差，即系统误差的大小，的大小，（（c）和（）和（d）表示射击的精密度好与差，即重复误差的）表示射击的精密度好与差，即重复误差的大小；大小；（（e）图表示精密度和准确度都比较好，称为精确度高，）图表示精密度和准确度都比较好，称为精确度高，这时系统误差和重复误差和都比较小这时系统误差和重复误差和都比较小静态特性静态特性（四）灵敏度（四）灵敏度 系系统统输输出出信信号号的的变变化化相相对对于于输输入入信信号号变变化化的的比比值值，，反反映了仪器对输入量变化的反应能力，是一个基本参数映了仪器对输入量变化的反应能力，是一个基本参数 k =dy/dx=f’(x)线性检测装置 --- 常数非线性检测装置 --- 变量环境温度能造成灵敏度随之变化；（温度漂移）静态特性静态特性（五）分辨力（五）分辨力 分分辨辨力力是指测试系统引起输出有有可可察察觉觉变变化化的输入值，反映了装置的分辨能力，通常是以最小单位输出量变化所对应的输入量变化输入量变化来表示。

Ø分辨力与灵敏度有密切的关系，即为灵敏度的倒数  Ø对于数字测试系统，其输出显示系统的最后一位所代表的输入量即为该系统的分辨力；Ø对于模拟测试系统，是用其输出指示标尺最小分度值的一半所代表的输入量来表示其分辨力Ø 分辨力也称为灵敏阈或灵敏限 Ø 仪器不工作时也可以判断静态特性静态特性（六）示值范围、标称范围、量程、测量范围和动态范围（六）示值范围、标称范围、量程、测量范围和动态范围 示值范围是显示装置上最大与最小示值的范围 当仪器有多档量程时，用标称范围取代示值范围 量程指标称范围两极限值之差的模如：温度计下限-30，上限80，则量程为110 测量范围又称工作范围，指测量仪器的误差处在规定极限内的一组被测量的值一般小于或等于标称范围 动态范围是仪器所能测量的最强信号和最弱信号之比测量范围可以随着输入信号的衰减或增益而改变，但动态范围不变静态特性静态特性（七）漂移、回程误差、线性度（七）漂移、回程误差、线性度 在输入不变的情况下，测量仪器的特性随时间缓慢变化的现象称为漂移 温度的漂移（温漂）： 灵敏度的温漂、零位的温漂 --- 定量表示  产生：产生：检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞擦、磁性材料的磁滞 --- 实验确定实验确定回程误差（Hysteresis） --- 迟滞/滞后误差•在相同条件下，测量仪器的行程方向（指输入量增大或减小两个方向）不同而同一输入量值最大示值之差的绝对值，或者此绝对值与满量程输出之比的百分数。

线性度（非线性度）是指测试系统的输入、输出关系保持常值线性比例关系的程度 characteristicsAccuracySensitivity Linearity Resolution（分辨力）（分辨力）RepeatabilityDriftHysteresis (回程误差）RangeStatic动态特性的基本特点动态特性的基本特点动态特性动态特性是指输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关是指输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系系 反映系统动态特性的指标有：反映系统动态特性的指标有：工作频率范围、响应特性和响应工作频率范围、响应特性和响应时间–工作频率范围：工作频率范围：能确保测量仪器规定准确度的被测量频率范能确保测量仪器规定准确度的被测量频率范围–响应特性：响应特性：在确定条件下，激励和对应响应之间的关系在确定条件下，激励和对应响应之间的关系–响应时间：响应时间：输入量和对应输出量两个特定时刻的时间间隔输入量和对应输出量两个特定时刻的时间间隔系统的动态特性一般通过描述系统的系统的动态特性一般通过描述系统的数学模型数学模型如微分方程、或如微分方程、或找出系统的找出系统的动态特性函数动态特性函数如传递函数、频率响应函数等来进行如传递函数、频率响应函数等来进行研究。

研究可靠性可靠性三个指标：保险期：仪表能有效完成规定任务的期限，超过这个期限可靠性逐渐降低有效期：仪表在规定时间内正常工作的概率狭义可靠性 ：有结构可靠性和性能可靠性组成–结构可靠性：工作时不出故障的概率–性能可靠性：仪表满足原定要求的概率仪表的检定检定检定: :根据规定的指标根据规定的指标, ,评定仪表的性能评定仪表的性能, ,以确定仪表是否合以确定仪表是否合格格标准：国家计量检定规程标准：国家计量检定规程检定方法检定方法: :定点法（标准物质检定法）和示值法定点法（标准物质检定法）和示值法–定点法定点法: :被检测表检测某种标准值被检测表检测某种标准值, ,从而确定仪表的示从而确定仪表的示值误差值误差. .–示值比较法示值比较法: :被检仪表与标准仪表同时去测量同一被被检仪表与标准仪表同时去测量同一被测量测量, ,比较两者的指示值比较两者的指示值, ,确定仪表的质量指标确定仪表的质量指标注：标准仪表允许误差小于注：标准仪表允许误差小于(1/4—1/10)(1/4—1/10)被检仪表的允被检仪表的允许误差许误差学习重点学习重点1 掌握测量的定义：用实验的方法和专门的技术掌握测量的定义：用实验的方法和专门的技术工具，依靠实验和计算找到被测量的值（大小工具，依靠实验和计算找到被测量的值（大小或正负）。

或正负）测量方法；测量单位；测量方法；测量单位； 测量工具测量工具2掌握仪表的三大组成部件掌握仪表的三大组成部件：变换变换(传感器，变送传感器，变送器器)、比较（测量电路）和显示装置三部分比较（测量电路）和显示装置三部分3掌握仪表的误差、精度等级、线性度、灵敏度，掌握仪表的误差、精度等级、线性度、灵敏度，等性能指标等性能指标。