1、热工测量及仪表 measurement instruments in heat engineering and system maintaining,长沙理工大学能动学院 2017.8,学习目的和要求,1.了解常用热工参数测量的基本方法和基本原理。 2.掌握典型热工测量仪表的基本原理、基本结构、使用方法和安装方法。 3.理论联系实际，具备一定热工测量仪表的校验技能。,信息：物质存在的一种方式、形态或运动状态，也是事物的一种普遍属性，一般指数据、消息中所包含的意义，可以使消息中所描述事件的不定性减少。,信息技术：信息的获取、传输和处理的技术。,绪论,检测（detection）技术的含义,测量（m
2、easurement）：将被测参数的量值与已知标准量相比较，得到被测参数相对标准量的倍数的过程。检验：根据被测参数量值应属的范围，判断或分辨出被 测参数是否合格。检定（校验）：使用仪器仪表定期与标准仪器仪表比较，判断使用仪器仪表准确度（精确度）是否合格。,一、热工测量的含义,热工测量就是检查（包括检验和检定）和测量反映生产过程运行情况的各种物理量、化学量以及生产设备的工作状态，以监视生产过程进行情况和趋势的过程。,二、热工测量的意义,1.直接及时地反映热能利用过程中各热力设备及热力系统的运行工况，为运行值班人员提供可靠的操作依据，并做出正确地判断和合理地进行控制和调节，保证生产安全可靠运行。
3、2.为热工自动化装置准确、及时地提供测量信号，代替人的重复性劳动，摆脱繁重、脏乱的工作环境，保障设备及人身安全，减轻体力和脑力劳动强度，改善劳动条件，避免人为的操作失误。 3.为热力发电厂运行经济核算和计算各项技术经济指标提供数据，节约能源，减少消耗，延长设备使用的寿命，降低生产成本。 4.在事故情况下追忆事故前后被控设备各部分的参数，分析事故原因，吸取事故教训，促进文明安全生产。 5.保证热力设备安全、经济运行及实现自动控制的必要条件，也是经济管理、环境保护、研究新型热力生产系统和设备的重要手段。,第一篇 热工测量的基础知识,第一章 热工测量基础,一 热工测量的基本概念二 热工测量仪表的基础
4、知识,一 热工测量的基本概念,一、测量工作的主要任务：获取有用的信息。,确定测量对象选择测量工具（测量仪表）研究测量方法和测量原理规定测量单位分析测量误差,测量三要素,二、测量的定义,按照被测对象的特点，利用专门的测量工具通过适当的实验或者对实验数据的分析计算实现被测量x与相同性质的标准量（即规定的测量单位）Ux相比较获取比值得到测量结果（即测量值）,并且尽可能减小测量误差的全过程。,测量的基本方程,三、测量方法：,基本分类：根据被测对象的性质、特点和测量任务的要求，实现被测量与测量单位比较并给出比值的方法。,1.按获得测量结果的方式：直接测量法、间接测量法、组合测量法。,2.按测量仪表与被测
5、对象是否直接接触：接触式测量法、非接触式测量法。,3.根据被测对象在测量过程中的状态：静态测量法、动态测量法。,4.根据测量结果显示的方式：模拟式测量法、数字式测量法、屏幕式测量法。,5.根据测量的地点：离线测量法、在线实时测量法。,（1）直接测量法：,直读法：被测量作用于仪表比较装置，使比较装置的某种参数按已知关系随被测量变化，从而直接从测量工具的刻度标尺上读出被测量的数值，而不需要任何运算。,比较法：利用一个与被测量同类的已知标准量与被测量相比较，根据它们之间的差值和已知标准量得出被测量的数值。 - 零值法：被测量与已知标准量完全平衡。 - 差值法：被测量与已知标准量未完全平衡。,不必对被
6、测量进行任何函数运算，而直接使被测量与选用的标准量进行比较立即得到比值或者用预先标定好的测量工具进行测量，从而直接得到测量结果的方法。,（2）间接测量法：通过直接测量与被测量有确定函数关系的其他各个物理量，利用已知函数关系表达式进行计算，求得测量结果的方法。（3）组合测量法：测量出几组具有一定函数关系的量值，然后通过解联立方程组求出被测量数值的方法。,（1）接触式测量法：测量过程中，仪表的全部或一部分与被测对象相接触，受到被测对象的直接作用才能得出测量结果的方法。,特点：对被测对象的性质有干扰，影响测量结果的精确性，适用于静态或运动速度缓慢的物质参数测量。,（2）非接触式测量：测量过程中，仪表
7、的任何部分都不必与被测对象进行机械接触就能得到测量结果的测量方法。,特点：不干扰被测对象，但可能受外界干扰，适用于高速运动或环境稳定的场合。,（1）静态测量法：被测量在测量过程中不随时间变化。,对变化速率相对于测量速率十分缓慢的对象进行测量亦属于静态测量。,特点：对测量系统的动态响应要求不高，精确度高，操作简便。,（2）动态测量法：测量过程中，被测量随时间有明显变化。,特点：对测量系统的动态响应要求很高，否则将引入较大的测量误差。,（1）模拟式测量法,特点： 仪表结构简单，价格低廉，便于直观表示被测量变化的方向，读数容易产生误差。,（2）数字式测量法,特点： 仪表结构复杂，测量速度高，精度好，
8、读数直观，复现性好，功能多。,（3）屏幕式测量法,特点： 仪表能显示复杂的图形和曲线，显示直观，设备投资和技术要求高。,测量方法的选择原则,被测对象和被测量本身的具体特性要求被测量的测量准确程度测量环境现有的测量仪表,四、测量单位：,国际单位制,SI单位：国际单位制的基础,基本单位,导出单位,辅助单位,SI单位的十进倍数和分数单位：由SI单位加SI词头构成。,（Systme International dUnits）,SI词头,分析测量误差的意义,正确认识误差的性质，分析误差产生的原因。,从根本上，消除或减小误差,正确处理测量和实验数据，合理计算所得结果。,通过计算得到更接近真值的数据,正确组
9、织实验过程，合理设计、选用仪表或测量方法。,根据目标确定最佳测量系统,五、测量误差：通过测量仪表测量得到的结果减去被测参数的真实值后的差值。,1.真实值（true value）：在一定的时间、空间或某种状态下被测参数客观存在的量值。,理论真值：设计时给定或用数学、物理公式计算出的给定值。约定真值（conventional true value）：世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值。,获取真实值的常用方法,用标准物质（标准仪器）所提供的标准值作为真实值。用高一级的标准仪器仪表测量得到的值近似作为真实值。对被测量进行N次等准确度测量，各次测量值的算术平均值近似作为真实值。N越大，越接近真
10、实值。,（1）测量工具误差,量具误差,仪器误差,附件误差,以固定形式复现标准量值的器具本身体现的量值，不可避免地存在误差。一般要求标准器件的误差占总误差的1/31/10。,测量装置在制造过程中由于设计、制造、装配、检定等的不完善，以及在使用过程中，由于元器件的老化、机械部件磨损和疲劳等因素而使设备所产生的误差。,测量仪器所带附件和附属工具所带来的误差。,设计测量装置时，由于采用近似原理所带来的工作原理误差,组成设备的主要零部件的制造误差与设备的装配误差,设备出厂时校准与定度所带来的误差,读数分辨力有限造成的读数误差,数字式仪器特有的量化误差,元器件老化、磨损、疲劳所造成的误差,2.误差的来源,
11、（2）人员误差指由于测量者工作责任心、技术熟练程度、感官的分辨能力、视觉疲劳、测量固有习惯等而对测量实验中的现象与结果判断不准确而造成的误差。减少人员误差的途径：要求操作人员在测量过程中具有高度的责任感，熟练掌握的测量规程，并具有一定的测量身体素质和心理素质。,（3）环境误差 指由于温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等环境因素和仪表要求条件不一致而引起的误差。对于电子测量，主要的影响因素包括：环境温度、电源电压和电磁干扰等。,（4）方法误差它是所使用的测量方法不当，或对测量设备操作使用不当，或测量所依据的理论不严格，或对测量计算公式不适当简化等原因而造成的误差，也称理论误差。原则上可通过理论分
12、析和计算或改变测量方法以及测量程序来加以消除或修正。,（1）系统误差（system error）：相同测量条件（相同观测者，相同测量器具，相同环境条件）下，多次重复测量同一被测量时，误差的绝对值和符号基本保持不变，或在条件变化时按某种一定的规律变化的误差。,3.测量误差的分类：根据测量误差的性质或出现的特征规律,-系统误差的分类和特征恒值系统误差：大小和符号都不改变的系统误差。变值系统误差：按照一定规律变化的系统误差。可以分为累进性系统误差、周期性系统误差。,系统误差的分类,- 产生原因：由于测量仪表本身不够完善、仪表持久使用发生的人为原因或者测量时外界环境条件发生较大变化等原因产生的。,-
13、减小或消除系统误差的方法：修正法；补偿法；替代法；交换法。,测量工具和测量条件不变时，增加测量次数并不能减少系统误差对测量结果的影响。,（2）随机误差（偶然误差，random error）：相同测量条件下，多次重复测量同一被测量时，绝对值和符号没有一定规律，以不可预知形式变化的误差。,随机误差就个体而言是无规律的，不能通过实验的方法来消除。但在等精度条件下，只要测量次数足够多，那么就会发现：从总体来说随机误差的分布服从一定的统计规律，可以从理论上来估计随机误差对测量结果的影响。,随机误差,- 产生原因：由测量过程中多个对测量影响微小的彼此独立的未知和难以控制的随机因素引起的误差。,测量标准差,
14、随机误差,特点对称性。绝对值相等的正误差与负误差出现的概率相等，以零误差为中心成对称分布。重复测量次数越多，误差分布图形的对称性越好。有限性。在一定条件下，随机误差的绝对值不会超过一定的范围或绝对值很大的随机误差出现的概率几乎为零。单峰性。绝对值小的随机误差大于绝对值大的随机误差出现的概率。零误差对应误差概率的峰值。抵偿性。相同条件下，对同一被测量测量次数趋于无穷多，全部随机误差的算术平均值趋于零。抵偿性是随机误差最本质的特点。,随机误差与系统误差既有区别又有联系，二者之间并无绝对的界限，在一定条件下可以相互转化。对某一具体误差，随着测量条件的改善、认识水平的提高，一些过去视为随机误差的测量误
15、差可能分离出来作为系统误差处理。,注意,（3）粗大误差（疏忽误差，abnormal error）：测量过程中由于操作人员的技术水平低和责任心差，对仪表不了解、精力不集中计算错误或操作过程错误等主观过失、仪器仪表突然失灵产生误动作或测量条件意外变化等原因，造成读数错误、记录错误，明显歪曲测量结果，超出在相同的规定条件下的预期值，使该次测量失效的误差。,一般情况下，应该尽量减小测量的系统误差和随机误差，并避免产生粗大误差。,粗大误差一经发现，测量值必须立即从测量数据中剔除，并重新进行测量。,按被测参数与时间的关系：,动态误差：当被测参数随时间迅速变化时，测量系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精
16、确吻合时所产生的附加误差。,静态误差：在被测参数不随时间变化或随时间变化很缓慢时的测量误差。,绝对误差（ ）：仪器显示的数值 与被测参数真实值 之间的代数差值。（absolute error）修正值（C）：,4.测量误差的表示方法,相对误差（ ）（relative error）：测量的绝对误差与约定值之比的百分数。,标称相对误差：示值的绝对误差与仪表示值的比值，以百分数形式表示。,实际相对误差：示值的绝对误差与被测参数真实值的比值，以百分数形式表示。,引用相对误差（诱导相对误差）：示值的绝对误差与仪表量程的比值，以百分数形式表示。,4.测量误差的表示方法（续）,最大引用相对误差（仪表精度等级）
17、：最大引用相对误差去掉百分号后剩下的数值（需圆整），国家规定了等级标准。,5.测量的正确度、精密度和精确度,- 精确度（accuracy）：正确度和精密度的总称，表示测量值与真实值间综合的接近程度，反映了测量结果的可靠程度。,- 正确度：反映了测量过程中系统误差的大小，表明了对同一被测量进行多次测量时测量值偏离真实值的程度。,- 精密度：反映了测量过程中随机误差的大小，表明了对同一被测量进行多次测量时多次测量结果的一致程度。,对于具体的测量结果，正确度高的精密度不一定高，精密度高的而正确度不一定高，但是精确度高，则精密度和正确度一定高。,七、测量工具（测量仪表）：,量具：以固定形态复现单个或多
18、个已知量值的测量工具。 仪器：将被测量转换成指示值或等值信号的测量工具。 附件：用于扩展器具和仪器功能或提高其性能的附加元、部件。,为了实现一定的测量目的，将测量工具（测量仪表）按照一定方式进行组合的系统称为测量系统。热工测量系统是对热工过程中的热工参数进行测量的系统，其中用来测量热工参数的仪表叫做热工测量仪表（简称为热工仪表）。,一、热工测量仪表的组成,二 热工测量仪表的基础知识,1.感受件（传感器、检测元件、一次元件）：直接与被测对象发生联系，感受被测介质信号（或能量）并随被测量大小和变化按一定规律转换成便于传输、转换、处理和显示的输出信号。, 感受件是测量装置，能在规定条件下完成获取外界
19、信息的检测任务。 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。 输出量是某种便于传输、转换、放大、处理及显示等的物理量，可以是气、光、电量，但目前主要是电量。 输出量输入量之间具有一一对应关系，且应该保持一定的精确度。,敏感元件 （sensitive element）,感受件,将不易变换为电量信号的非电量转换为易于转换为电量信号的非电量信号。,将敏感元件输出非电量信号按一定对应关系转换为适于传输和测量的电信号。,变换元件（传感元件） （transduction element）,（1）选择性。感受件的输出信号与被测对象非被测量作用的影响大小可以忽略。,（2）复现性。输出信号随被
20、测参数变化，并且与被测参数在数值上具有单值函数关系，最好是线性关系。,（3）稳定性。规定工作条件下，保持输入信号不变，感受件物理性质和化学性质稳定，输出信号不随时间或环境变化。,（4）超然性。测量过程中，感受件尽量减小对被测对象能量的消耗，并且不干扰被测对象的状态或干扰极小。,（5）灵敏性。输入信号一定，输出信号大，具有较高的灵敏度。,（7）经济性。体积小，重量轻，价格便宜，使用寿命长，易于使用、维修和校准。,感受件的性能好坏直接影响测量仪表能否快速、准确地反映被测参数变化。因此性能应该符合要求：,（6）可靠性。感受件的工作范围或测量范围足够大，具有一定的过载能力，响应速度快，迟延小。,感受件
21、的分类：按感受件工作原理分类,- 化学型传感器：利用敏感元件与物质间的电化学反应原理，把无机和有机化学成分、浓度等转换为电信号。,- 生物型传感器：利用生物活性物质有选择地识别来测定生物化学物质的传感器。,表明了感受件的工作原理，便于了解感受件的特性，有利于结合工程实际进行感受件的设计和应用。,- 物理型传感器：利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊的物理性能制成的传感器。,感受件的分类：按感受件工作原理分类,结构型传感器：根据某些物理规律，被测量变化，材料的结构变化，从而实现被测非电量信息成比例地转换为输出电量变化。,物性型传感器：利用某些功能材料本身所具有的内在物理或化学特性及效
22、应，把被测非电量直接转换为电量。,特点：响应速度快，容易实现小型化、集成化和智能化。,- 物理型传感器,感受件的分类：按感受件转换能量供给形式分类,能量变换型传感器（无源传感器）：在进行信号转换时，不需要另外提供能量，而直接由被测对象输入的能量变换为另一种形式能量输出使感受件工作。- 能量控制型传感器（有源传感器）：感受件依靠外部提供辅助能源来工作，由被测量来控制该能量的变化。,2.传输变换部件（中间元件）：将感受件输出的信号，根据显示件的要求传输给显示元件。,作用,（1）输出信号只送给显示件时，单纯起传输作用。 （2）放大感受件输出的微弱信号，以满足远距离传输及驱动显示、记录装置需要。 （3
23、）感受件输出信号不便于与显示仪表和调节装置配接时，根据某些特定要求需要转换为标准化的统一数值范围的气、电信号。,基本要求,（1）性能稳定，转换精度高。 （2）信号失真和畸变程度小，信息损失少。,3.显示件（二次元件）:与测量人员直接发生联系，接受传输变换部件送来的信号，最终向测量人员直接反映被测参数在数值上的变化。,（1）模拟显示：由指示器在标尺上的位置连续标识被测量的数值。 （2）数字显示：直接以数字量表示被测量的数值。 （3）屏幕画面显示：应用计算机技术和工业电视屏幕通过液晶屏或CRT显示屏以图形、数字等多种形式显示测量结果，还可以给出数据表格、曲线和工艺流程图及工艺流程各处的工质参数。,
24、要求：结构方便测量人员读出数据，防止观测者的主观误差。,二、热工测量仪表的分类,1. 按被测参数分类 2. 按感受件与被测对象关系分类,3. 按仪表各环节组成测量系统的方式分类,(1) 直接变换式仪表：仪表各组成环节开环联接，即信号从输入到输出经过串联的各环节，沿一个方向传递。,(2) 平衡式仪表：仪表环节的一部分构成闭环系统，该系统由直接变换部分和反变换部分组成。,接触式测量仪表,非接触式测量仪表,4.按用途分类,5.按工作原理分类,6.按安装地点分类,7.按使用方式分类,8.按显示特点和功能分类,9.按使用能源分类,(1) 直接变换式仪表,(2) 平衡式仪表,三、热工测量仪表的质量指标,计
25、量性能：指仪表在标准条件下能否满足测量要求并给出准确结果的能力。 抗干扰能力：指仪表受到影响作用时仍然保持计量性能的能力。 防护能力：指仪表在特殊环境下的适用性能。 消耗能量：包括测量过程中消耗被测对象功率和仪表本身是否需要辅助能源的性质。 经济性能：即仪表价格、体积和质量，使用寿命及自动化程度。,（一）仪表的性能：描述仪表输入量和输出量对应关系。,指评估仪表质量优劣的标准，与仪表的设计和制造质量有关，是正确选择和使用仪表的重要依据，也是校验仪表、判断仪表是否合格的重要依据。,相同的测量程序、测量原理和测量方法，相同的观测人员，相同条件下使用相同测量仪表，相同地点，在短时间内的重复测量。,（二
26、）仪表的质量指标,1.静态性能指标：指仪表的输入信号处于稳定状态或随时间变化非常缓慢时，输出信号与输入信号间呈现的关系。,一般可以用数学表达式、特性曲线或表格表示。,数学表达式：,测量范围和量程- 测量下限（零点）； 测量上限 - 测量范围（range）： 在允许误差限内测量下限与测量上限所表示的测量区间。- 量程（span）： 测量上限和测量下限的代数差值。 基本误差（ ）：规定正常技术条件下，仪表全量程范围内绝对值最大的引用相对误差。,允许误差和精确度等级,允许误差：根据仪表的设计要求和制造质量，生产厂家对出厂的仪表规定正常使用时基本误差不得超过的允许具有的最大值。,精确度等级：允许误差去
27、掉百分号以后余下数字的绝对值。,仪表的精确度等级和允许误差,仪表的允许误差=精确度等级%,仪表的精确度等级一般用符号标志在仪表面板上。,灵敏度（sensitivity）：指仪表在稳态工作时，输出信号的变化量与引起此变化的输入信号变化量的比值。,问：某测量范围是0100MPa的压力表，其满量程时指针 转角为270度，它的灵敏度是多少？,2.7度/MPa,如果仪表各刻度点灵敏度相同，则仪表输入信号与输出信号呈线性关系，仪表为线性仪表，否则为非线性仪表。对于线性仪表，刻度方便、均匀、准确，容易读数。,线性度（linearity，非线性误差）,指仪表的输出信号与输入信号之间的线性程度，用实际特性曲线与
28、拟合直线之间的最大偏差与仪表量程范围内的输出之百分比表示。,1-拟合曲线（用切线或割线等直线近似代替实际静态特性曲线） 2-实际特性曲线,变差（hysteresis）：反映了仪表在相同工作条件下，对相同输入信号的正行程（测量系统的输入量从量程下限增至量程的上限的测量过程 ）和反行程（测量系统的输入量从量程上限减少至量程的下限的测量过程）间输出信号的不一致程度。,产生原因：机械部件的摩擦、间隙、弹性元件的弹性滞后、磁性材料的磁滞等。,重复性（repeatability）：表示同一观察者采用相同的测量条件、方法时，仪表在输入量按同一方向(同为正行程或同为反行程)作全量程连续多次重复测量时所得到的特
29、性曲线不一致的程度。,重复性反映了测量仪表随机误差接近于零的程度。,分辨率（resolution） ：表示仪表当一个被测量从一个相对于零值的任意值开始连续增加时，使指示值产生可察觉的最小变化量所需的输入量的变化量。,- 被测量的变化小于分辨率时，仪表对输入量变化没有反应。,- 数字仪表的最后一位所表示的数值就是它的分辨率；数字仪表显示位数越多，分辨率越高。,- 一般地说，分辨率的数值小于仪表的最大绝对误差。,阈值（threshold，死区）：输入信号变化不致引起示值可察觉的最小变动的有限区间与量程之比的百分数。,稳定性（stability）:一般指长期稳定性。,即仪表在相当长时间内仍保持其性能
30、的能力。表示为在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，仪表的输出信号与起始标定时的输出信号之间的差异。,抗干扰稳定性,温度稳定性,可靠性（reliability）：反映仪表在规定的条件下，在规定的时间内是否正常工作的一种综合性的质量指标。,MTBF=Mean Time Between Failures MTTR=Mean Time To Restoration,零点时间漂移：反映了仪表在恒定的温度环境中，当输入信号不变时，输出信号随时间变化的特性，简称为零漂。零点温度漂移：反映了当输入信号不变时，仪表的输出信号随温度变化的特性，简称为温漂。,零点漂移（drift）：指在外界干扰
31、下，仪表输出信号在保持工作条件不变和输入信号不变时所发生的变化。,2.动态性能指标：指仪表输入信号随时间变化时，其输出信号与输入信号之间呈现的关系。,- 阶跃响应指标：指仪表在单位阶跃信号作用下的输出特性，它反映了仪表的输出信号随输入信号变化的稳定性、准确性和快速性。 - 频率响应指标：指仪表的输出特性曲线与输入正弦信号的频率之间的关系，由幅频特性和相频特性组成。,3.测量仪表合格的标准,仪表的基本误差小于或等于仪表的允许误差。 仪表的变差小于或等于仪表的允许误差。 仪表标尺上的分格值大于仪表允许误差的绝对值；仪表分辨率的数值小于或等于仪表允许误差绝对值的一半。,1.仪表的校验步骤,（1）外观
32、检查看有无损坏，仪表表盘盘面应该光洁，分度数字清晰完整，同时注意仪表型号、量程、精确度等级和配用一次元件。,（2）内部机件性能检查仪表装配牢固，不得有影响计量性能的锈蚀、裂纹等缺陷。,（3）绝缘性检查仪表耐磨损，抗酸和碱性物质腐蚀。,（4）示值校验,四、热工测量仪表的校验：评定仪表的性能，并与规定的质量指标比较，以确保测量结果的真实性和可靠性，即仪表合格。,2.示值校验方法：按照产生标准量值，即约定真值的方式,（1）示值比较法,选取基本均匀分布于被校仪表的整个量程范围的包括零点及满刻度点在内的至少五个被校表上的整数刻度点（即校验点），用标准仪表与被校仪表同时测量同一被测参数，以标准仪表的示值作为约定真值，确定被校仪表各校验点的误差；如果各校验点的误差不超过仪表的允许误差，则被校仪表视为合格。,特点：精确度高，灵活性差，测量环境和测量条件对参考物质有影响。,（2）标准物质法：利用某些参考物质标准状态校验仪表。,
