1、热工测量仪表,第一章 基础知识,本章主要内容： 1.测量的意义、测量方法； 2.测量系统及组成； 3.测量误差与测量精度； 4.测量技术的发展状况； 5.评定仪表的技术指标。,重点： 测量方法、测量系统及组成、评定仪表的技术指标。,难点： 评定仪表的技术指标及相关计算。,1.1 测量的意义及测量方法 1.1.1 测量的意义 人类的知识许多是依靠测量得到的。 著名科学家门捷列夫讲过，“科学是从测量开始的”。高新技术的发展对测量控制与仪器仪表的依赖程度越来越大。测量控制与仪器仪表是高技术集成产物，是发展高技术必需的及重要的技术手段和基础。现代测量控制与仪器仪表从一个重要方面体现了国家高技术和高技术
2、产业发展的水平。,在军事上，仪器仪表是“战斗力”。 现代战争中，夺取技术优势已经成为军事战略的根本目标。主要目标是全球监视与通信和精确打击固定及瞬变目标。现代武器装备，几乎无一不配备相关的测量控制仪器仪表。仪器仪表的测量控制精度决定了武器系统的打击精度，仪器仪表的测试速度、诊断能力则决定了武器的反应能力。因此先进的、智能化的测量控制与仪器仪表已成为精确打击武器装备的重要组成部分。,现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”。 检查产品质量，监测环境污染，查服违禁药物，识别指纹假钞，侦破刑事案件等，无一不依靠仪器仪表进行“判定”。,科学技术与生产水平的高度发达，要求有更先进的测试技术与仪器作基础。据
3、统计：大型发电机组需要3000台传感器及其配套的监测仪表；大型石油化工厂需要6000台传感器及其配套的监测仪表；一个钢铁厂需要20000台传感器及其配套的监测仪表；一个电站需要5000台传感器及其配套的监测仪表；一架飞机需要3600台传感器及其配套的监测仪表；一辆汽车需要30100台传感器及其配套的监测仪表。,在现代装备系统的设计和制造工作中，测试工作已占首位。测试系统的成本已达到该装备系统总成本的50%70%，它是保证现代工程装备系统实际性能指标和正常工作的重要手段，是其先进性及实用水平的重要标志。,因此，无论是在科学实验中还是在生产过程中，一旦离开了测量，必然会给工作带来巨大的盲目性。,1
4、.1.2 测量方法 测量就是用实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，确定两者的比值，从而得到被测量的量值。 则被测量的值可表示为：X=aU 式中：X: 被测量；U: 标准量；a: 被测量与标准量的数字比值。,欲使测量结果有意义，测量必须满足以下条件： 1. 用来测量比较的标准量应该是国际上或国家公认的，且性能稳定； 2. 进行比较所用的方法和仪器必须经过校准验证。,测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。 按测量结果产生的方式分，测量方法可分为直接测量法、间接测量法和组合测量法。 1.直接测量法：是被测量直接与选用的标准量进行比较，或者用预先标定好的测量仪器进行测量，从而间接得到被测
5、量数值的测量方法。 2.间接测量法：通过直接测量与被测量有某种憾事关系的其它各个变量，然后将所测量的数值带入函数关系进行计算，从而得到被测量数值的方法。,组合测量法：测量中使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件以获得不同的组合），根据直接测量或间接测量所获得的数据，通过联立方程求解的到未知量的数值。 其他分类方法： 按测量条件分：等精度测量与非等精度测量； 按被测量在测量过程中的状态分：静态测量和动态测量。,1.2 测量系统 1.2.1 测量系统的组成 为实现一定的测量目的而将设备进行的组合成为测量系统。任何测量系统都是由有限个具有一定功能的测量环节组成的。 测量环节是指建立输入和输
6、出两种物理量之间某种函数关系的基本部件。,测量系统的组成,1.2.2 测量环节 有四个基本环节：敏感元件、变换元件、传送元件和显示元件。 1 .敏感元件：测量系统与被测对象发生联系的部分，它直接接收来自被测介质的能量，并且产生一个以某种方式与被测量有关的输出信号。 理想的敏感元件应满足以下几方面的要求： 稳定的函数关系； 只对被测信号敏感，对一切可能的输入信号不敏感；,在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态。 2.变换元件：将敏感元件输出的信号变换成显示元件易于接收的信，即变换成性质上、强弱上显示元件所能接收的信号。要求其性能稳定、精度高，信息损失小。 3.显示元件：测量系
7、统与观察者发生联系的部分。要求将被测信号变成人们的感官能识别的形式。（翻译）可以进行指示、记录。,有三种基本形式： 模拟显示元件：用指示器与标尺的相对位置的变化表示被测量的大小。其特点是结构简单、价格低廉、易产生视差，以曲线形式记录。 数字式显示元件：以数字的形式显示被测量的大小。其特点是不产生视差、反应迅速、精度高，但直观性差，有量化误差。 屏幕显示元件：CRT 、液晶显示。模拟数字均可，其特点是形象、数据量大，便于比较判断，价格较贵。,4. 传送元件：将信号从一个环节送到另一个环节，建立环节输入输出信号之间的联系。如导线、导管、光纤、无线电等。要求其能量损失小、失真小，不易引入干扰等。,1
8、.3 测量误差与测量精度 任何测量结果都有误差 误差公理。 待测量的大小在一定条件下都有一个客观存在的值，称为真值。真值是一个理想的概念，一般是不可知的。我们通常所说的真值主要有以下三类： (1)理论真值或定义真值 如三角形的三个内角之和等于等；,(2)计量学约定真值 根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最高科学技术复现的这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准、称为约定真值。,如基本物理常数中的冰点绝对温度 ，真空中的光速 等 ； (3)标准器相对真值 用比被校仪器高级的标准器的量值作为相对真值。如果高一级标准器的误差是低一级标准器误差的1/5（1/31/20）
9、，可认为前者为后者的相对真值。 例如，用1.0级、量程为2A的电流表测得某电路电流为1.80A，改用0.1级、量程为2A的电流表测同样电流时为1.802A，则可将后者视为前者的相对真值。,为了便于对误差进行分析和处理，人们通常把测量误差从不同角度进行分类。按照误差的表示方法可以分为绝对误差和相对误差；按照误差出现的规律，可以分为系统误差、随机误差和粗大误差；按照被测量与时间的关系，可以分为静态误差和动态误差等。,1.绝对误差与相对误差 绝对误差是仪表的指示值x与被测量的真值x0之间的差值， 用表示：=x-x0 ：测量误差； X: 测量值； X0: 真值。,式中，真值可为约定真值，也可是由高精度
10、标准器所测得的相对真值。绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲单位。 相对误差：绝对误差与约定值之比。用表示：m:约定值： 指示值标称相对误差；实际值实际相对误差；满刻度值引用相对误差。,相对误差有大小、正负。无单位，用“%”表示。 用相对误差通常比其绝对误差能更好地说明不同测量的精确程度，一般来说相对误差值小，其测量精度就高；相对误差本身没有量纲。 对于相同的被测量，用绝对误差可以评定其测量精度的高低，但对于不同的测量量，则应采用相对误差来评定。 2.系统误差与随机误差 系统误差：在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的
11、规律变化，这种误差称为系统误差。,其误差的数值和符号不变的称为恒值系统误差。反之，称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性的、周期性的和按复杂规律变化的几种类型。 检测装置本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。例如，某仪表刻度盘分度不准确，就会造成读数偏大或偏小，从而产生恒值系统误差。温度、气压等环境条件的变化和仪表电池电压随使用时间的增长而逐渐下降，则可能产生变值系统误差。,系统误差的特点是可以通过实验或分析的方法，查明其变化规律和产生原因，通过对测量值的修正，或者采取一定的预防措施，就能够消除或减少它对测量结果的影响。系统误差的大
12、小表明测量结果的正确度。它说明测量结果相对真值有一恒定误差，或者存在着按确定规律变化的误差。系统误差愈小，则测量结果的正确度愈高。,随机误差：相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。随机误差是测量过程中，许多独立的、微小的，偶然的因素引起的综合结果。 在任何一次测量中，只要灵敏度足够高，随机误差总是不可避免的。而且在同一条件下，重复进行的多次测量中，它或大或小，或正或负，既不能用实验方法消除，也不能修正。,但是，利用概率论的一些理论和统计学的一些方法，可以掌握看似毫无规律的随机误差的分布特性，确定随机误差对测量结果的影响。 随机误差的大小表明
13、测量结果重复一致的程度，即测量结果的分散性。通常，用精密度表示随机误差的大小。随机误差大，测量结果分散，精密度低。反之，测量结果的重复性好，精密度高。,精确度是测量的正确度和精密度的综合反映。精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。精确度有时简称为精度。下图形象地说明了系统误差、随机误差对测量结果的影响，也说明了正确度、精密度和精确度的含意。,由于在任何一次测量中，系统误差和随机误差一般都同时存在。所以按其对测量结果的影响程度分三种情况处理：系统误差远大于随机误差的，基本上按纯系统误差处理；系统误差很小或已经修正时，可按纯随机误差处理：系统误差和随机误差影响差不多时，二者均不可忽略，应分别按不
14、同方法处理。,粗大误差：明显歪曲测量结果的误差称作粗大误差，又称过失误差山粗大误差主要晶人为因素造成的。例如，测量人员工作时疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外的突然变化，也可能造成粗大误差。 含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。坏值应从测量结果中剔除。,在实际测量工作中，由于粗大误差的误差数值特别大，。容易从测量结果中发现，一经发现有粗大误差，可以认为该次测量无效，测量数据应剔除，从而消除它对测量结果的影响。 坏值剔除后，正确的测量结果中不包含粗大误差。因此厂；要分析处理的误差只有系统误差和随机误差两种。,1.4 测量技术的发展状况
15、1.敏感元件向着高精度、大测量范围、小型化和高智能方向发展； 2.测量技术的实时化与自动化； 3.测量原理、测量手段的重大突破： 例如光纤传感器、液晶传感器、以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等 ；另外，代替视觉、嗅觉、味觉和听觉的各种仿生传感器和检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新型传感器也是今后传感器技术研究和发展的重要方向。,1.5 评定仪表的技术指标 1.最大引用误差与精度等级 在规定的工作条件下，当被测量平稳增加和减少时，所有测量值中最大绝对误差(绝对值)与量程的比值的百分数，称为该系统的最大引用误差，符号为max ，可表示为：最大引用误差是检测系统基
16、本误差的主要形式，故也常称为检测系统的基本误差。它是检测系统的最主要质量指标，可很好地表征检测系统的测量精确度。,精度等级： 取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，也即用最大引用误差去掉号和百分号()后的数字来表示精度等级，精度等级用符号G表示。 为统一和方便使用，国家标准GB776-76测量指示仪表通用技术条件规定，测量指示仪表的精度等级G分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七个等级，这也是工业检测仪器（系统）常用的精度等级。,例如，量程为01000 V的数字电压表，如果其整个量程中最大绝对误差为1.05V，则有:则G=0.2,例2 ： 被测电
17、压实际值大约为21.7 V，现有1.5级、量程为030 V的A表，1.5级、量程为050 V的B表，1.0级、量程为050 V的C表，0.2级、量程为0360 V的D表，四种电压表，请问选用哪种规格的电压表进行测量所产生的测量误差较小?,四者比较，选用A表进行测量所产生的测量误差通常较小。由上例知，选表时，不能单纯追求仪表的精度等级，还要根据被测量值的大小和精度要求，兼顾仪表的精度等级和量程，合理的选用仪表。,2.灵敏度：灵敏度是指测量系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比。即对线性测量系统来说，灵敏度为: 亦即线性测量系统的灵敏度是常数，可由静态特性曲线（直线）的斜率来求得，如图（
18、a）所示。非线性测量系统其灵敏度是变化的。如图（b）所示。,（a）线性系统灵敏度示意图 （b）非线性系统灵敏度示意图,3.变差：又称迟滞、滞环，它说明传感器或检测系统的正向(输入量增大)和反向(输入量减少)时输出特性的不一致程度，亦即对应于同一大小的输入信号，传感器或检测系统在正、反行程时的输出信号的数值不相等，见图所示 。,迟滞特性示意图,迟滞误差通常用最大迟滞引用误差来表示，即 式中 H :最大迟滞引用误差；H max:（输入量相同时）正反行程输出之间最大绝对偏差；YFS:测量系统满量程值。 在多次重复测量时,应以正反程输出量平均值间的最大迟滞差值来计算。迟滞误差通常是由于弹性元件、磁性元件以及摩擦、间隙等原因所产生，一般需通过具体实测才能确定。一般H max。,4.检测系统的动态特性：反应时间 仪表进行测量时，仪表的指示值总要经过一段时间才能显示出来，这段时间称为仪表的反应时间。反应时间 在响应曲线上，系统输出响应达到一个允许误差范围的稳态值，并永远保持在这一允许误差范围内所需的最小时间，称为反应时间。根据不同的应用要求，允许误差范围取值的不尽相同，对应的响应时间也不同。工程中多数应用通常选系统输出响应第一次到达稳态值的95或98（也即允许误差为 5或 2）的时间为反应时间,动态响应曲线图,
