熱工儀表及測量技術(shù)

1、熱工儀表及測量技術(shù),壽青云 主講,,教材：建筑環(huán)境測試技術(shù)教學(xué)網(wǎng)站：http://web.#edu.cn/~cooling/參考書目：熱工測量原理及其現(xiàn)代技術(shù)，張秀彬著，TK31/ZZ367熱工參數(shù)測量與處理，呂崇德著，TK3/ZL977,教學(xué)安排,,第一章 測量的基本知識,第一節(jié) 測量的意義和測量方法 一、測量的意義 1．測量的意義： 測量是人類對自然界中客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認(rèn)識過程。

2、在這一過程中，人們借助于專門工具，通過試驗和對試驗數(shù)據(jù)的分析計算，求得被測量的值，獲得對于客觀事物的定量的概念和內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識。,,測量技術(shù)可分為若干分支，如力學(xué)測量、電學(xué)測量、熱工測量等。熱工測量是指溫度、濕度、壓力、流量、煙氣成分等參數(shù)的測量。,2．應(yīng)用方面,（1）過程監(jiān)測：對過程參數(shù)的監(jiān)測。 （2）過程控制：為生產(chǎn)過程的自動控制提供依據(jù)。 （3）試驗分析與系統(tǒng)辨識：解決科學(xué)上的和過程上的問題，一般需要綜合運用理論和實驗

3、的方法。測量技術(shù)應(yīng)用于實驗分析，是測量技術(shù)的一個典型應(yīng)用。,二、測量方法,測量的定義：就是用實驗的方法，把被測量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定兩者的比值，從而得到被測量的量值。使測量結(jié)果有意義的要求：用來進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)該是國際上或國家所公認(rèn)的，且性能穩(wěn)定。進(jìn)行比較所用的方法和儀表必須經(jīng)過驗證。,測量的基本方程式：,X = aU 式中， X —— 被測量； U —— 標(biāo)準(zhǔn)量（即選用的測量單位）；

4、 a —— 被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)字比值。,,測量方法就是實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較的方法。測量方法的分類（按測量結(jié)果產(chǎn)生的方式分）： （1）直接測量法：使被測量直接與選用的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，或者預(yù)先標(biāo)定好了的測量儀表進(jìn)行測量，從而直接求得被測量數(shù)值的測量方法。 （2）間接測量法：通過直接測量與被測量有某種確定函數(shù)關(guān)系的其它各個變量，然后將所測得的數(shù)值代入函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計算，從而求得被測量數(shù)值的方法。,,（3）組合測量法：測

5、量中使各個未知量以不同的組合形式出現(xiàn)（或改變測量條件以獲得這種不同組合），根據(jù)直接測量或間接測量所獲得的數(shù)據(jù)，通過解聯(lián)立方程組以求得未知量的數(shù)值，這類測量稱為組合測量。,,問以下測量過程使用了哪種測量方法？通過公式 測量功率用鉑電阻溫度計測量溫度，電阻值與溫度的關(guān)系是用水銀溫度計測量介質(zhì)溫度,,測量方法的其它分類方式：按不同的測量條件分：等精度測量與非等精度測量按被測量在測量過程中的狀態(tài)不同分：靜態(tài)測量與

6、動態(tài)測量,第二節(jié) 測量系統(tǒng)的組成及其功能,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、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)的功能,1、傳感器（敏感元件）它是測量系統(tǒng)直接與被測對象發(fā)生聯(lián)系的部分。理想敏感元件應(yīng)滿足的要求：敏感元件輸入與輸出之間應(yīng)該有穩(wěn)定的單值函數(shù)關(guān)系。敏感元件應(yīng)該只對被測量的變化敏感，而對其它一切可能的輸入信號

7、不敏感。在測量過程中，敏感元件應(yīng)該不干擾或盡量少干擾被測介質(zhì)的狀態(tài)。,,2、變換器（變送器）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件。對變換器的要求：性能穩(wěn)定，精確度高，使信息損失最小。,,3、顯示裝置它是測量系統(tǒng)直接與觀測者發(fā)生聯(lián)系的部分顯示裝置的基本形式：模擬式顯示元件數(shù)字式顯示元件屏幕式顯示元件,,4、傳輸通道它是儀表各環(huán)節(jié)間輸入、輸出信號的連接部分。分為電線、光導(dǎo)纖維

8、和管路等。,第三節(jié) 測量誤差與測量精度,一、測量誤差的概念測定值與被測量真值之差稱為測量的絕對誤差，或簡稱測量誤差。 δ= x －X0 式中， δ—— 測量誤差； x —— 測定值（例如儀表指示值）； X0—— 被測量的真值。真值一般無法得到，所以用實際值X代替X0。,,對于絕對誤差，應(yīng)注意下面幾個特

9、點：絕對誤差是有單位的量，其單位與測定值和實際值相同。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(guān)系。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(xiàn)。,,示值的絕對誤差與約定值之比值稱為相對誤差，其為無量綱數(shù)，以百分?jǐn)?shù)表示。一般約定值m有如下幾種取法：m取測量儀表的指示值x時，γ稱為標(biāo)稱相對誤差；m取測量的實際值X時，γ稱為實際相對誤差；m取儀表的滿刻度值時，γ稱為引用相對誤差。,,對于相同的被

10、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，則應(yīng)采用相對誤差來評定。,,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。測量過程中無數(shù)隨機(jī)因素的影響，使得即使在同一條件下對同一對象進(jìn)行重復(fù)測量也不會得到完全相同的測量值。被測量總是要對敏感元件施加能量才能使測量系統(tǒng)給出測量值，這就意味著測量值并不能完全準(zhǔn)確的反映被測參數(shù)的真值。,例1.1：,,二、測量誤差的來源,1、儀器誤差它是由于設(shè)計、制造、

11、裝配、檢定等的不完善以及儀器使用過程中元器件老化、機(jī)械部件磨損、疲勞等因素而使測量儀器設(shè)備帶有的誤差。減少儀器誤差的主要途徑是根據(jù)具體測量任務(wù)，正確地選擇測量方法和使用測量儀器。,,2、人身誤差它指由于測量者感官的分辨能力、視覺疲勞、固有習(xí)慣等而對測量實驗中的現(xiàn)象與結(jié)果判斷不準(zhǔn)確而造成的誤差。減少人身誤差的途徑,,3、影響誤差它是指各種環(huán)境因素與要求條件不一致而造成的誤差。主要的影響因素是環(huán)境溫度、電源電壓和電磁干擾等。,,4

12、、方法誤差它是所使用的測量方法不當(dāng)，或?qū)y量設(shè)備操作使用不當(dāng)，或測量所依據(jù)的理論不嚴(yán)格，或?qū)y量計算公式不適當(dāng)簡化等原因而造成的誤差，也稱理論誤差。原則上可通過理論分析和計算或改變測量方法來加以消除或修正。,三、測量誤差的分類,1．系統(tǒng)誤差在相同測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次測量，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，這類誤差稱為系統(tǒng)誤差。恒值誤差變值誤差：累進(jìn)性、周期性、按復(fù)雜規(guī)律變化,,,恒值,累進(jìn)性,按復(fù)

13、雜規(guī)律變化,周期性,系統(tǒng)誤差的特征,,2．隨機(jī)誤差 在相同測量條件下，對同一被測量進(jìn)行多次測量，由于受到大量的、微小的隨機(jī)因素的影響，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，這類誤差稱為隨機(jī)誤差。,,指測量者無法嚴(yán)格控制的因素,,隨機(jī)誤差就個體而言是無規(guī)律的，不能通過實驗的方法來消除。但在等精度條件下，只要測量次數(shù)足夠多，那么就會發(fā)現(xiàn)：從總體來說隨機(jī)誤差服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，可以從理論上來估計隨

14、機(jī)誤差對測量結(jié)果的影響。,,隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差既有區(qū)別又有聯(lián)系，二者之間并無絕對的界限，在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。對某一具體誤差，在某一條件下為系統(tǒng)誤差，而在另一條件下可為隨機(jī)誤差，反之亦然。,,,,3．粗大誤差 明顯地歪曲了測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差，大多是由于測量者粗心大意造成的。 粗大誤差一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，必須立即從測量數(shù)據(jù)中剔除。,,問：下列誤差屬于哪類誤差？（1）用一塊普通萬用表測量同一

15、電壓，重復(fù)測量20次后所得結(jié)果的誤差。（2）觀測者抄寫記錄時錯寫了數(shù)據(jù)造成的誤差。（3）在流量測量中，流體溫度、壓力偏離設(shè)計值造成的流量誤差。,隨機(jī)誤差,粗大誤差,系統(tǒng)誤差,三、測量精度,1．準(zhǔn)確度對同一被測量進(jìn)行多次測量，測量值偏離被測量真值的程度稱為測量的準(zhǔn)確度。它反映系統(tǒng)誤差的影響，系統(tǒng)誤差越小，準(zhǔn)確度越高。,,2．精密度：對同一被測量進(jìn)行多次測量，測量值重復(fù)一致的程度，或者說測量值分布的密集程度，稱為測量的精密度。它

16、反映隨機(jī)誤差的影響，隨機(jī)誤差越小，精密度越高。,,3．精確度精密度與準(zhǔn)確度的綜合指標(biāo)稱為精確度，或稱精度。它反映隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的綜合影響。精密度高的，準(zhǔn)確度不一定高；準(zhǔn)確度高的精密度不一定高；但精確度高的，則精密度與準(zhǔn)確度都高。,,,精密度高,準(zhǔn)確度高,精確度高,第四節(jié) 測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo),1．量程范圍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儀表的量程范圍，簡稱量程。在數(shù)值上等于儀表上限值與下限值的代數(shù)差之

17、絕對值。,問：某溫度計測量的最低溫度為-20℃，最高溫度為100℃，它的量程是多少？,120℃,2．靈敏度,在穩(wěn)定情況下，儀表輸出變化量△L與引起此變化的輸入量的變化量△Xb之比值，定義為儀表的靈敏度。用S表示，即 式中，S—— 儀表靈敏度 △L、△Xb—— 分別為輸出與輸入變化量,問：某測量范圍是0～100MPa的壓力表，其滿量程時指針轉(zhuǎn)角為270度，它的靈敏度是多少？,2.7度/MPa,,3．靈敏限

18、（分辨率、死區(qū)） 它表明儀表響應(yīng)輸入量微小變化的能力指標(biāo)，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?jǐn)?shù)。,,4. 儀器基本誤差 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儀表的基本誤差。,,5. 儀器允許誤差 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，此規(guī)定值叫允許誤差。,,6．準(zhǔn)確度等級 它指根據(jù)測量

19、儀表準(zhǔn)確度大小所劃分的等級或級別。允許誤差去掉百分號的數(shù)值就是準(zhǔn)確度等級，工程上稱為精度等級。,7. 變差,在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對被測量進(jìn)行反復(fù)測量（正行程和反行程）時，所產(chǎn)生的最大差值與儀表量程之比值稱為變差，用ε表示。,,正行程：測量系統(tǒng)的輸入量從量程下限增至量程的上限的測量過程。反行程：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。,習(xí)題：,1.某測溫儀表的準(zhǔn)確度等級為1.0級，絕對誤差為±1℃

20、，測量下限為負(fù)值（下限的絕對值為測量范圍的10％），試確定該表的測量上限值、下限值和量程。 （＋90℃， －10℃， 100℃ ）,,2.用測量范圍為－50~+150kPa的壓力表測量140kPa壓力時，儀表示值為+142kPa，求該示值的絕對誤差、實際相對誤差和引用相對誤差。 （+2kPa， +1.43%， +1.0% ）,,3.某1.5級測量范圍為0~100

21、kPa的壓力表，在50kPa、80kPa、100kPa三點校驗時，其示值絕對誤差分別為－0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，試問該表是否合格？,,因為1.2％<1.5%，所以該表合格。,儀器基本誤差小于允許誤差，儀器合格；反之則不合格。,,4.現(xiàn)有2.5級、2.0級、1.5級三塊測溫儀表，對應(yīng)的測量范圍分別為－100~+500℃、－50~550℃、0~1000℃，現(xiàn)要測量500℃的溫度，其測量值的相對誤差不超過2.5%，