《節(jié)能測試基本知識》

1、. 節(jié)能節(jié)水測試是節(jié)能、節(jié)水工作中的重要環(huán)節(jié)和基礎(chǔ)工作。測試的準確與否，直接關(guān)系到節(jié)能、節(jié)水方針政策制定及重大技術(shù)改造項目評價的正確與否。要搞好該項工作，除涉及到誤差分析、相關(guān)測量儀表的基本測量原理等基礎(chǔ)知識外，還涉及到符合現(xiàn)場工藝要求的具體的測量技術(shù)等問題?，F(xiàn)場測試完成后，要對測試數(shù)據(jù)進行分析，以發(fā)現(xiàn)在測試過程中、以及企業(yè)在用能、用水過程中存在的問題，涉及到的專業(yè)就更多，領(lǐng)域更廣泛。受篇幅及技術(shù)水平所限不可能進行一一進行探討，在此僅就石油石化系統(tǒng)中涉及到的有關(guān)節(jié)能節(jié)水測試的一般性技術(shù)問題進行分析和探討。. 第一節(jié)第一節(jié) 測量儀表與誤差分析測量儀表與誤差分析 一、測量儀表一、測量儀表 1測試的

2、概念測試的概念 測試就是為確定被測對象的量值而進行的實驗過程。 根據(jù)被測試量隨時間的變化關(guān)系不同，被測試量可分為靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。 靜態(tài)參數(shù)：即被測試量在測試過程中，其數(shù)值不隨時間的變化而變化，始終保持為常數(shù)，如泵機組進、出口的壓力表高差等。 動態(tài)參數(shù)：即隨時間變化而變化的被測試稱為動態(tài)參數(shù)。如有來液大罐的液面高度等。 在實際測試過程中，沒有絕對的靜態(tài)參數(shù)，但常常把隨時間變化幅度不大的有些參數(shù)作為準靜態(tài)參數(shù)來處理；例如測試平穩(wěn)負荷電動機的輸入功率時，常常用一段時間內(nèi)的平均值來代替測試值。. 2測試方法分類測試方法分類 根據(jù)獲得被測試量的方法不同，測試通?？煞譃橹苯訙y試和間接測試。直接測試是通

3、過對被測試量進行實測，而直接得到被測試量值的測試。如用直尺測試一個物體的長度等；間接測試是通過測試與被測試量有一定函數(shù)關(guān)系的一個或幾個物理量，然后通過它們之間的函數(shù)關(guān)系計算出被測試量的量值。如測試鍋爐的進出口溫差t時，可分別測試鍋爐的進、出口溫度t1、t2，再通過t=t2-t1的函數(shù)關(guān)系計算出被測試t。. 同一個參數(shù)，因選用的測試儀表不同，量值獲得的方法有時也不相同。例如測試兩點間的長度，當采用直尺測試時為直接測試；當采用激光測距儀測試時，由于是通過測試時間和激光在空氣中的傳播速度來計算得出的，因此應(yīng)為間接測試。測試方式直接關(guān)系到測試誤差的大小和誤差分析的方法，因此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)測試參

4、數(shù)對精度的要求和儀表制造精度來合理選擇測試方式。. 3測試儀表的分類測試儀表的分類 測試儀表按安裝方式可分為固定式儀表和便攜式儀表：如固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計等； 按精確度等級分為：標準儀表、實驗室儀表、工程用儀表； 按被測參數(shù)分為：熱學、力學、電學、光學、聲學類儀表。 在節(jié)能、節(jié)水測試中，采用的多為便攜式儀表，精度等級為實驗室和工程用儀表，而且涉及的測試參數(shù)較多。. 4節(jié)能節(jié)水測試常用的儀表節(jié)能節(jié)水測試常用的儀表 在具體的節(jié)能節(jié)水測試工作中，由于涉及到的工藝參數(shù)繁多，且安裝條件、參數(shù)類型均不相同，由此采用了多參數(shù)、多形式的測試儀表。受篇幅所限不可能一一作詳細介紹，在此僅就實際測

5、試中常用儀表的工作原理及型號作一簡單介紹。.1) 溫度測試儀表溫度測試儀表 溫度是節(jié)能節(jié)水測試中應(yīng)用較多的參數(shù)。溫度的測試是建立在熱力學第一定律基礎(chǔ)上的，即當一個物體同時分別與另外兩個物體處于熱平衡時，這兩個物體之間也必然處于熱平衡，如此處于熱平衡的物體就具有相同的溫度。根據(jù)這這一原理，如果事先知道某物體的某些物理性質(zhì)，如體積、電勢、電阻等隨溫度變化而變化的關(guān)系，便可利用這些物體來制作溫度儀表。常用的溫度測試儀表有：. a. a. 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 t0 如圖6-1所示，兩種不同成分的導(dǎo)體A和B連 接在一起形成一個閉合回路，當t0、t兩接點的溫度 A B不同時，回路中就產(chǎn)生熱電勢，這種

6、現(xiàn)象稱之為熱電效應(yīng)。回路中產(chǎn)生的總熱電勢EAB（t0、t）是二接點 溫度函數(shù)的差值，即： tEAB（t0、t）= eAB（t）eAB（t0） （6-1） 圖圖6-1熱電偶原理圖熱電偶原理圖 式中 eAB（t）、eAB（t0）-A、B二導(dǎo)體當接點溫度分別為t和t0時的產(chǎn)生的熱電勢，mV。. 根據(jù)中間導(dǎo)體定律，在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要使接入導(dǎo)體的兩端溫度相等，且接入導(dǎo)體的介質(zhì)是均勻的，則不會改變原熱電偶產(chǎn)生的熱電勢。因此，在熱電偶回路中便可接入連接導(dǎo)線和二次儀表，通過測試熱電勢的大小，即可得到被測試的溫度值。 由（6-1）式可以看出：當冷端溫度t0保持不變時，總熱電勢便是被測溫度的單值函

7、數(shù)。而在使用熱電偶測溫時，因熱電偶的冷端與熱端相距較近，冷端又經(jīng)常暴露于大氣環(huán)境中，則冷端溫度難以保持恒定，因此，應(yīng)采用冷端溫度補償使總熱電勢成為被測溫度的單值函數(shù)。 冷端溫度補償?shù)姆椒ㄓ卸喾N，如：計算法、儀表機械調(diào)零法、冰點槽法、補償導(dǎo)線法以及電橋法等。在節(jié)能節(jié)水測試中經(jīng)常使用補償導(dǎo)線法和熱電勢修正法（計算法）進行冷端溫度補償。. b. 熱電阻溫度計 在溫度測試領(lǐng)域，除了廣泛使用熱電偶溫度計外，在-200600范圍內(nèi)的溫度測試熱電阻溫度計的使用也較為普遍。其工作原理是：根據(jù)導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的性質(zhì)，通過測試電阻值的變化達到測試溫度的目的。根據(jù)電阻值隨溫度變化的不同，測溫元件

8、可分為熱電阻和熱敏電阻兩類。前者材料為金屬導(dǎo)體，其阻值隨溫度升高而增大；后者材料為半導(dǎo)體，其阻值隨著溫度升高而減少。. 熱電阻和熱敏電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系可表示為： Rt=R0(1+t) （6-2） 式中 Rt、R0-溫度分別為t、t0時測溫元件的電阻值,； t- t、t0的差值，； -在t、t0之間測溫元件的平均電阻溫度系數(shù)，/。. 熱電阻溫度計有較高的測試精度，因而可將鉑電阻溫度計作為600以下的基準溫度計；而且輸出信號較強，具有較高的靈敏度，易于測試和實現(xiàn)遠距離集中測試與顯示。熱電阻阻值隨溫度的變化關(guān)系近似線性關(guān)系，復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好。但體積大，因而熱慣性大，不利于測動態(tài)溫度和點溫度。

9、 熱敏電阻有很高的靈敏度，且體積可以做得很小，便于測動態(tài)溫度和點溫度。但其復(fù)現(xiàn)性和線性度較差，測溫范圍為-100300。溫度測試使用熱電阻時，其二次儀表有：動圈式儀表、電位差計、平衡電橋、不平衡電橋、電子自動平衡電橋等。. 輻射溫度計 輻射溫度計包括輻射感溫器、顯示儀表和輔助裝置三部分組成。其工作原理為：由傳熱學知道，物體的輻射能量與其熱力學溫度的四次方成正比。因此，被測物體發(fā)射出的熱輻射能量由光學系統(tǒng)聚焦在受熱片上，受熱片上焊有由多對串聯(lián)熱電偶的工作端形成的熱電堆，其受熱后便有熱電勢輸出，通過測試輸出熱電勢的大小，計算顯示出被測物體的溫度。輻射感溫器按光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同可分為透鏡式和反射式兩

10、種。當被測物體是非黑體時，應(yīng)按下式對輻射溫度計測出的輻射溫度TP進行修正，才能得到真實溫度T值： T=TP4 （6-3） 式中 -被測物體的表面黑度系數(shù)。/1. 光學溫度計 光學溫度計是將高溫物體發(fā)出的輻射射線中特定波長（通常選波長為0.65m的紅光）的單色輻射亮度，與測試儀器中設(shè)置的標準溫度的高溫物體（燈泡的燈絲）的單色輻射亮度相比較測知被測物體的溫度。目前用得最廣泛的是隱絲型光學溫度計。 測溫時，鎢絲燈的電流可以通過滑線電阻進行調(diào)節(jié)，使鎢絲燈呈現(xiàn)不同的亮度，以便與被測試物體單色輻射亮度進行比較，直到兩者亮度相等（看不見鎢絲）。此時，通過測試流過燈絲的電流，便可計算出鎢絲的發(fā)熱量、溫度及被測

11、物體的溫度。. 光學高溫計是按絕對黑體進行溫度分度的。當被測物體為非黑體時，應(yīng)對測出的物體的溫度TP按下式進行修正： = ln （6-4） 式中 -波長為時，被測試物體的發(fā)射率（黑度系數(shù)）； C2-普朗克常數(shù)，1.4388cmK； -儀表工作波段有效波長，此處取0.65m； T-被測物體的實際溫度，K； TP-光學高溫計測得的物體溫度，K。 節(jié)能測試的溫度測試中，應(yīng)用較多的是熱電偶、熱電阻和輻射溫度計，光學高溫計應(yīng)用較少，在此不再贅述。PT1T12C1.2) 壓力及壓差測試儀表壓力及壓差測試儀表 壓力和壓差是工業(yè)生產(chǎn)中重要的熱工參數(shù)之一，其對于安全和節(jié)能節(jié)水測試評價具有重要意義。例如對泵、風機

12、及鍋爐的節(jié)能節(jié)水測試都離不開對壓力參數(shù)的測試。 壓力儀表按測試原理不同可分為液柱式壓力計、彈性式壓力計、電氣式壓力計和火塞式壓力計四種。在節(jié)能測試中常用是液柱式壓力計、彈性式壓力計和電氣式壓力計三種。 彈性式壓力計是工業(yè)和節(jié)能節(jié)水測試中常用的一種壓力儀表。其工作原理是利用敏感性元件在被測介質(zhì)的壓力作用下，產(chǎn)生相應(yīng)的位移，經(jīng)過傳動放大機構(gòu)后指示出被測試表壓力或真空度。根據(jù)所選用敏感性元件材料和形狀不同，可以分為彈簧管壓力表、膜盒壓力表、膜片壓力表、波紋管壓力表四種。其測試范圍為10-2 Pa109Pa。 液柱式壓力計常用在壓力不太高的場合（如測試風機的進、出口壓力等）和輔助裝置配套使用（如放大尺

13、、光學讀數(shù)裝置等）可以作為標準表使用。其工作原理是利用一定高度的液柱對底面產(chǎn)生的靜壓力與被測壓力相平衡的原理，通過液柱高度差來表示被測壓力的大小的測壓表。其形式主要有U形管壓力計和斜管壓力計兩種。.3) 流量測試儀表流量測試儀表 流量是指單位時間內(nèi)流過某截面的介質(zhì)流體量，流量可分為體積流量和質(zhì)量流量。前者用Qm3/s表示，后者用mkg/s表示。 流量測試的方法有多種，但歸納起來主要有流速法、容積法兩種。流速法通過測試流體在已知截面積A的管道中的流速V，求出其流量Q=AV，m=AV。利用速度法測流量的儀表有壓差式孔板流量計、葉輪流量計、畢托管、靶式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、超聲

14、波流量計等。容積法流量計是通過測出單位時間內(nèi)，所排出的固定容積流體的Vg 的數(shù)目n，求出其流量：Q=nVg，m= nVg。利用容積法測流量的儀表有橢圓齒輪流量計、腰輪流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量、皮囊式流量計等。 在節(jié)能節(jié)水測試機構(gòu)中，常常用超聲波流量計在管道外測試介質(zhì)流量。超聲波流量計有速度差法（其中又分為時間差法、相位差法、聲循環(huán)頻率差法）、多譜勒法、聲速偏移法等幾種方法。上述方法中應(yīng)用最多的是時差法和頻差法兩種形式。. 時差式超聲波流量計工作原理如圖示: 圖圖6-2：時差式超聲波流量計工作原理示意圖：時差式超聲波流量計工作原理示意圖F1R1F2R2va +va-vL. 設(shè)聲波在靜止流體中的傳播速

15、度為a(m/s)，流體的流速為(m/s)，兩傳感器的距離為L（m）,當傳感器F1、F2發(fā)出聲波時，經(jīng)1、2時間后，安裝在傳感器F1、F2中的接受器分別接收到聲波，并有如下關(guān)系： 1= (6-5) 2= (6-6) 由于在工業(yè)管道中，流體流速比聲速a小得多，即a，因此，兩者的時差為： =21 （6-7）aLaL22L. 由此可見，時間差與流體流速呈線性關(guān)系。當聲波在流體中的傳播速度a（可從有關(guān)手冊中查到）已知時，只要測出時差便可求出流速v，進而求出流量。時差式便攜式超聲波流量計有日本產(chǎn)FLB20002、FLC，美國產(chǎn)DCT-7088、德國產(chǎn)UFM600及國產(chǎn)的TDS-100等型號；時差式與頻差式

16、超聲波流量計相比，穩(wěn)定性好、精度高，但對介質(zhì)和現(xiàn)場安裝條件要求也較高。 頻差式超聲波流量計是利用多譜勒效應(yīng)進行測試。即當超聲波遇到移動的微小顆粒時，超聲波的頻率會發(fā)生漂移（變化），頻率發(fā)生變化的大小與顆粒移動的速度成正比，如下圖示：. 圖圖6-3 多譜勒超聲波流量計原理圖多譜勒超聲波流量計原理圖超聲波流量計TRfrfcV. 即： V （fcfr） (6-8)式中 V-被測試截面流體流速，m/s；fc-接受器接受到的超聲波信號頻率，Hz;fc- 發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號頻率，Hz。 當采用頻差式超聲波流量計測試時，若被測試的管道中及周圍現(xiàn)場存在噪音，由于噪音是由多種頻率的聲波組成的，當被接受器接受

17、后，會對正常的測試信號產(chǎn)生干擾，影響測試的精度。采用多譜勒原理生產(chǎn)的超聲波流量計有美國產(chǎn)MSTP及190P康創(chuàng)流量計等。 超聲波流量計的特點是：流體內(nèi)不插入任何測試元件，對流體不產(chǎn)生任何影響，也不造成流體的壓力損失，對管道不需進行特殊加工；量程較寬，量程比可達5:1。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高。而且，當液體中含有氣泡或雜質(zhì)時，會影響測試結(jié)果。 超聲波流量計實際測試的是流體的流速，它將受到速度波動的影響，因此，要求傳感器前后分別應(yīng)有10倍和5倍于直徑的直管段。.4) 電流、電壓、有功功率測試儀表電流、電壓、有功功率測試儀表 數(shù)字式電參數(shù)綜合測試儀是一種多功能的數(shù)字顯示儀表，儀表內(nèi)設(shè)置有數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)，

18、能同時測試供電回路或用電設(shè)備的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及有功、無功電量累計等參數(shù)。由于儀表采用了鉗形電流互感器作為電流信號源，使儀表能在不斷開電路的情況下進行多種電參數(shù)測試，給現(xiàn)場測試工作帶來極大的方便。是節(jié)能測試的常用電工測試儀表。 . 數(shù)字式電參數(shù)綜合測試儀根據(jù)測試的基本參數(shù)不同可分為功率因數(shù)式和電量傳感器式兩種。功率因數(shù)式測試的基本參數(shù)為電壓I、電流U、功率因數(shù)cos。而有功功率P，無功功率Q及視在功率S分別采用下式計算： P= mIUcos （W） （6-9） Q= mIU （var） （6-10） S= (VA) （6-11） 式中 m-與相數(shù)有關(guān)的系數(shù)，單相m=3

19、；三相m=1.732。2cos122QP . 電量傳感器式多功能測試儀測試的基本參數(shù)為電壓I、電流U、有功功率P。而功率因數(shù)cos，無功功率Q及視在功率S分別采用下式計算： S= mIU (VA) （6-12） Q= （var） （6-13） cos= （6-14）22PS SP. 電量傳感器式和功率因數(shù)式多功能測試儀在測試常規(guī)負荷如泵、風機電動機時，基本沒什么差別，但在測試電容補償回路和帶有發(fā)電狀態(tài)的抽油機時，差別就比較大。由于其測試的基本參數(shù)和內(nèi)部計算過程不同，因此，對功率因數(shù)出現(xiàn)負值時，所代表被測試電路的運行狀態(tài)也不相同。例如，對于功率因數(shù)式多功能測試儀來講，當功率因數(shù)為負值時，識別為所

20、測試回路中處于電容過補償狀態(tài)。對于油田上常用的游梁式抽油機來講，在一個沖程內(nèi)，經(jīng)常有一個有功功率為負值的發(fā)電狀態(tài)，如果采用功率因數(shù)式多功能測試儀進行測試，就會把發(fā)電狀態(tài)作為過補償狀態(tài)來處理，即把為負值的有功功率當作正值、發(fā)電時的感性無功功率當作容性無功功率來處理，導(dǎo)致測試的抽油機有功消耗量偏大、功率因數(shù)偏高。因此，標準SY/T5266-1996機械采油井系統(tǒng)效率測試方法中明確規(guī)定“測試抽油機時，采用的數(shù)字式功率儀，應(yīng)符合抽油機耗電原理”。 . 電量傳感器式多功能測試儀當功率因數(shù)為負值時，識別為所測試回路中處于發(fā)電狀態(tài)。因此，當采用該類儀表測試具有電容補償?shù)碾娐窌r，若處于過補償狀態(tài)，儀器則作為發(fā)

21、電狀態(tài)處理，使得測試出的有功功率和無功功率偏低。因此，在實際測試時，應(yīng)根據(jù)被測設(shè)備負荷的性質(zhì)和特點來選擇測試儀表，否則會帶來較大的測試誤差。 目前，常用的電量傳感器式多功能測試儀有日產(chǎn)3165、3166型電參數(shù)測試儀；常用的功率因數(shù)式多功能測試儀有美國產(chǎn)808A電力需求分析儀、國產(chǎn)DJPC1、SDPC1000系列電能測試儀等。.5) 燃燒效率測試儀表燃燒效率測試儀表 所謂燃燒就是某種物質(zhì)與氧或含氧物質(zhì)急劇化合并放出大量熱與光的化學反應(yīng)。要燃燒必須具備：能燃燒的物質(zhì)、可燃點以上的溫度和足夠的空氣三個條件。完全燃燒是指燃料的可燃成分在空氣供應(yīng)量和供應(yīng)方法均很合適一致能全部燃燒。燃燒效果的好壞有直接

22、評價指標和間接評價指標。直接評價指標有：排煙中氧氣含量、排煙溫度、一氧化碳及其它可燃物的含量；間接評價指標為燃燒效率。在節(jié)能測試過程中，最常使用的儀器是燃燒效率測定儀。燃燒效率測定儀通過測定燃燒產(chǎn)物中的可燃成分含量、氧含量和排煙溫度等直接指標，連同有關(guān)設(shè)定值一并輸入計算機進行運算而得出“燃燒效率”值。該種儀器能同時顯示出煙氣溫度、煙氣中氧含量、一氧化碳含量、二氧化碳含量和進行煙黑測定等許多爐窯運行參數(shù)。目前使用較多的有以英國技術(shù)生產(chǎn)的DH-9003、KM-9003、KM-9004型燃燒效率測定儀、美國產(chǎn)M-2000 、M-1500型燃燒分析儀、英國產(chǎn)FEM-950燃燒效率監(jiān)控儀及國產(chǎn)熱效率測試

23、儀表。. 上述各種燃燒效率測定儀，雖在具體形式上有一定的差異，但其作用原理和基本操作大致相同或相近。見下圖：O2傳感器CO傳感器溫度傳感器放大器微處理器 顯示、打印圖圖6-4煙氣效率分析儀原理圖煙氣效率分析儀原理圖. 由上圖可以看出：把氧、一氧化碳、溫度傳感器測出的電信號經(jīng)放大器放大后，再經(jīng)微處理器計算出溫度、氧含量、一氧化碳含量、燃燒效率等參數(shù)，然后進行顯示和打印等輸出。 . 6) 轉(zhuǎn)速測試儀表轉(zhuǎn)速測試儀表 在旋轉(zhuǎn)類設(shè)備如電動機、機床的節(jié)能測試中，轉(zhuǎn)速是一項基本參數(shù)。按照測試原理不同，測試轉(zhuǎn)速的儀表可分為三類：閃光轉(zhuǎn)速表、光電轉(zhuǎn)速表和機械試轉(zhuǎn)速表；按儀表與被測設(shè)備的相互關(guān)系可分為接觸式和非接

24、觸式轉(zhuǎn)速表，按此分類方法：閃光轉(zhuǎn)速表和光電轉(zhuǎn)速表均為非接觸式轉(zhuǎn)速表，機械式轉(zhuǎn)速表則為接觸式轉(zhuǎn)速表。 閃光轉(zhuǎn)速表是利用“頻閃效應(yīng)”進行測試的。即：采用已知頻率的氖燈或日光燈照射被測設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部分，當氖燈或日光燈的閃光頻率和旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)速（某一點通過的頻率）一致或呈整數(shù)倍時，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部分在人的視覺上呈“靜止”狀態(tài)。在測試時，調(diào)節(jié)閃光燈的閃光頻率直至旋轉(zhuǎn)部分呈“靜止”狀態(tài)為止，把頻率值換算為相應(yīng)的轉(zhuǎn)速顯示即可。常用的儀表有SCC-1閃光轉(zhuǎn)速表。. 光電轉(zhuǎn)速表是利用光敏電阻的光電效應(yīng)進行測試的儀表。即在被測設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部分上粘貼一個反光片，測試儀表上安裝有照射光源及接受光敏電阻。旋轉(zhuǎn)部分每旋轉(zhuǎn)一周

25、反光片就反射一個光信號，在光敏電阻上形成一個脈沖，通過測試一定時間內(nèi)（一般為一秒）光敏電阻上產(chǎn)生的脈沖次數(shù)便可計算出被測設(shè)備的轉(zhuǎn)速。常用的儀表有FG-531光電轉(zhuǎn)速表。 機械式轉(zhuǎn)速表是利用軸端頂住被測設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸使其同速旋轉(zhuǎn)，利用測試儀表內(nèi)部的齒輪減速機構(gòu)使其減速，并在在標有刻度尺的表盤或顯示屏上顯示出來。.7) 功圖測試儀表功圖測試儀表 要計算出抽油機井的地面效率及時掌握深井泵在井下的工作狀況，需要測取和解釋示功圖。示功儀是測取示功圖的儀器，又稱為動力儀。示功儀有水力式和電氣遠傳式兩類。在節(jié)能測試中應(yīng)用較多是水力式示功儀；在自動化控制及油井遙控中應(yīng)用較多是電氣遠傳式示功儀。 水力式示功儀是利

26、用液體的壓力來反映出光桿上負荷變化的儀器。在抽油過程中，示功儀將光桿上負荷的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)閮x器測力系統(tǒng)內(nèi)液體壓力的變化，并且加以記錄。同時，通過行程變換系統(tǒng)確保此變化的壓力和光桿的行程有一一對應(yīng)關(guān)系。當光桿往復(fù)運動一周后，就可得到一個封閉的記錄曲線。此曲線表示了光桿在每一位置時負荷的大小，封閉曲線的面積表示了泵在一個行程中做功的多少。. 水力式示功儀主要由測力單元、行程變換單元和記錄（輸出）單元三部分組成。儀器的測力部分實際上是一個負荷壓力變送器。它將深井泵活塞以上的液柱重量、抽油桿重量等負荷（即光桿在懸繩器處所承受力的總和），利用杠桿作用的變換，轉(zhuǎn)換為膜壓器密封空腔內(nèi)液體的壓力。此壓力與光桿在

27、懸繩器處的光桿負荷成正比；并用壓敏電阻反映壓力的變化情況。 光桿行程變換單元由傳動輪和多圈電位器組成。這一部分的作用是將不同的沖程長度通過減程機構(gòu)轉(zhuǎn)換為電阻的變化情況。記錄（輸出）單元是將壓敏電阻和多圈電位器電阻的變化情況利用存儲器或打印機記錄下來。 目前市場上，生產(chǎn)示功儀的廠家和型號較多，但基本測試原理大致相同，可根據(jù)現(xiàn)場情況（被測力和位移的大?。﹣磉x擇 。.8) 液面深度測試儀表液面深度測試儀表 為了了解油井的供液能力及計算抽油機井的系統(tǒng)效率，需要經(jīng)常探測抽油機套管內(nèi)的液面深度。測試抽油機井液面深度的儀表稱回聲儀。其測試原理是：聲波在氣體介質(zhì)中傳播時，遇障礙物即有回聲反射，如若知道聲波的傳

28、遞速度和回聲反射時間就能得知障礙物與聲源的距離（液面深度），采用該原理制成的儀器稱為回聲儀，采用回聲儀測試井下液面深度時，必須在油井的油、套管環(huán)形空間的一定深度處安裝回音標?；匾魳说淖饔檬谴_定聲波在氣體中的傳遞速度。 通過專門的聲波發(fā)射裝置（發(fā)聲器）發(fā)出聲波，使它沿著油套管環(huán)形空間傳向井底。聲波在傳遞過程中遇到回音標、液面等障礙物即反射至井口被儀器接受并記錄下來，其工作原理見下圖。根據(jù)記錄曲線就能計算出井筒內(nèi)液面的深度。.聲音發(fā)生器音標 液 面熱感收聲器放大器記錄裝置圖圖6-5 回聲儀原理圖回聲儀原理圖. 目前，國內(nèi)生產(chǎn)回聲儀的廠家較多、型號也各不相同，但工作原理和操作基本相同。用戶可根據(jù)當?shù)?/p>

29、的氣候特點和現(xiàn)有的技術(shù)裝備情況進行選擇。例如，計算機較普及的單位，可選擇液面數(shù)據(jù)在現(xiàn)場進行電子存儲、室內(nèi)利用計算機進行回放分析的型號；計算機普及率較低的單位，可選擇利用熱敏紙在現(xiàn)場進行記錄的型號。. 二、誤差分析二、誤差分析 1、誤差的概念、誤差的概念 被測試的物理量具有客觀存在的真實大小，這一客觀量值的大小即是被測試的真值0。而從計量器具直接度量或經(jīng)過必要的計算而得出的量值稱為實測值。由于測試儀表、測試方法、環(huán)境條件、人的觀察能力以及測試程序等都不能做到完美無缺的程度，同時由于一切物質(zhì)都是處于運動之中，被測試的真值還具有時間性和空間性。因此，在實際工作中，真值是無法知道的，只能依靠增加測試次

30、數(shù)，不斷改進測試儀表、測試方法以及數(shù)據(jù)處理方法等，使得實測值盡可能趨近于真值0，然而卻不能等于真值0。實測值與真值之間的偏差稱為誤差。.2、 誤差的分類誤差的分類1）誤差按產(chǎn)生的來源可分為： 儀表誤差。儀表本身在測試中造成的誤差。誤差的大小與儀表的制造工藝、結(jié)構(gòu)完善程度等 有關(guān)。 操作誤差。由測試者主觀原因造成的誤差。它與人的觀察力、操作水平和觀測方法等有關(guān)。 環(huán)境誤差。由于測試環(huán)境不符合儀表使用環(huán)境而產(chǎn)生的附加誤差。2）按誤差的表示方式：絕對誤差。被測試的實測值與其真值0之差稱為絕對誤差。 即：=0，絕對誤差有正負值之分.。 相對誤差。絕對誤差與被測試的真值0之比稱為相對誤差。 即：= 10

31、0%。 引用誤差 ：絕對誤差與測試范圍上限Xmax或量程B之比值的百分數(shù)稱為引用誤差0。 即： 0= (6-15)0%100maxX.3)、按誤差的特性： 系統(tǒng)誤差： 在偏離規(guī)定測試條件時或由于測試方法所引起的某種恒定的誤差或按某規(guī)律變化的誤差稱為系統(tǒng)誤差。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因是可以知道的，例如儀表本身的缺陷；儀表使用方法不正確；測試者的觀測習慣與偏向；環(huán)境條件的變化；試劑的純度等。因此，這類誤差在測試中是容易消除或修正的。. 隨機誤差： 在實際測試條件下，多次測試同一值時，誤差的絕對值和符號以不可預(yù)知方式變化著的誤差稱為隨機誤差。它的測試結(jié)果服從統(tǒng)計規(guī)律，其誤差的算術(shù)平均值隨測試次數(shù)增多而減少

32、。這類誤差決定了測試的精密度。其精密度的定義為表示測試結(jié)果中的隨機誤差大小的程度。. 粗大誤差（過失誤差）： 在測試中，完全由于測試者人為的過失而造成的誤差稱為粗大誤差或過失誤差。如讀錯、記錯、算錯或使用有缺陷的儀器儀表、或使用方法不正確等。其特點是偏離真值過大，誤差極為明顯。含有粗大誤差的測試值為壞值，必須剔除。.4）按誤差產(chǎn)生條件分類： 基本誤差： 基本誤差（又稱固有誤差）是計量器具在正常工作條件下所具有的誤差?！罢９ぷ鳁l件”是指檢定規(guī)程中檢定時所規(guī)定的工作條件。主要內(nèi)容一般為：a、環(huán)境溫度 205；b、相對濕度 （6515）%；c、大氣壓力 100.04.0kPa；d、外界電磁場干擾應(yīng)

33、避免；e、外界機械振動和沖擊應(yīng)避免；f、儀器負載、輸入輸出功率符合 技術(shù)條件的規(guī)定。. 附加誤差： 附加誤差是計量器具超出規(guī)定的正常工作條件時所增加的誤差。 例如，檢定量程010V電壓表的基本誤差和因電源電壓變化而引起的附加誤差。當電源電壓為220V時，標準表和被檢表的的示值分別為9.00V和9.20V；當被檢表的電源電壓為242V時，被檢表的示值為9.35V，則： 基本誤差= ； 附加誤差= 。%0 . 2%10000.1000. 920. 9%5 . 1%10000.1020. 935. 9.3、測試的正確度、精密度和準確度、測試的正確度、精密度和準確度 正確度是實測值與真值0的符合程度。

34、它表示測試結(jié)果中系統(tǒng)誤差的大小。系統(tǒng)誤差大，則實測值的正確度低。 精密度（精度）表征對同一量在相同條件下，使用同一儀表由同一操作者用同一方法進行多次測試所得結(jié)果彼此之間符合的程度，它表示測試重復(fù)性好壞的指標，顯然它取決于測試結(jié)果中的隨機誤差。隨機誤差大，測試的重復(fù)性就差，精密度就低。 準確度（精確度）是正確度與精密度的綜合反映，它是計量的一個基本特征。 由定義可知，以上所涉及的三個“度”間的關(guān)系為：若測試準確度高，那么測試的精密度也一定好，當然正確度亦高；但是，正確度高時，精密度不一定高；精密度高的，正確度也不一定高。.4、直接測試中系統(tǒng)誤差分析、直接測試中系統(tǒng)誤差分析1）系統(tǒng)誤差的來源 儀表

35、誤差：儀表本身性能不完善產(chǎn)生的誤差。 調(diào)整誤差：測試前未能將測試儀表或被測件調(diào)整在正確位置或狀態(tài)所造成的誤差。 校驗誤差：在校驗測試儀表時，由于所使用的標準表本身有附加誤差，而形成的被校驗儀表的附加誤差。 環(huán)境誤差：由于儀器儀表使用的環(huán)境（溫度、濕度、壓力、振動、電磁場等）與使用說明書規(guī)定的條件不符合而產(chǎn)生的誤差。 方法誤差：由于測試方法不完善，或由于測試所依據(jù)的理論不完善而產(chǎn)生的誤差。 觀測讀數(shù)誤差：由于觀測者觀測能力或觀測方法的差異或?qū)κ局底x數(shù)不正確等而造成的誤差。.2）系統(tǒng)誤差的特點 是一個非隨機變量。即系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)不服從統(tǒng)計規(guī)律而服從確定的函數(shù)規(guī)律； 重復(fù)測試時系統(tǒng)誤差具有重現(xiàn)性；

36、可修正性。由于系統(tǒng)誤差具有重現(xiàn)性，確定了它具有可修正性的特點。. 3）系統(tǒng)誤差分類 固定系統(tǒng)誤差：用天平進行測試時，砝碼所產(chǎn)生的誤差為恒定常數(shù)，故為固定系統(tǒng)誤差。 線性變化的系統(tǒng)誤差：隨著測試次數(shù)增加而成線性增加或減少的系統(tǒng)誤差。如用尺子測試一個物體的長度，若該尺比規(guī)定長度長1mm，則每測一次就產(chǎn)生一個絕對誤差1mm。物體越長、測試次數(shù)越多，產(chǎn)生的絕對誤差越大，成線性增長。 周期性變化的系統(tǒng)誤差：數(shù)值和符號作周期性變化的誤差，稱為周期性變化的系統(tǒng)誤差。例如，壓力表指針未能真正裝在圓心，就會產(chǎn)生周期性變化的系統(tǒng)誤差。 變化規(guī)律復(fù)雜的系統(tǒng)誤差：誤差無法用簡單數(shù)學解析式表示其變化規(guī)律的稱為變化規(guī)律復(fù)

37、雜的系統(tǒng)誤差。.4）系統(tǒng)誤差的消除與減少 通過改進測試方法消除與減少系統(tǒng)誤差 例如：替代法。采用標準電阻RN消除由電流、電壓表不準而引起的電阻測試誤差如圖6-6示。 由于被測試電阻RX=，所以，電流A、電壓V不準，都會影響RX的測試準確性。在測試時，接RX時記錄電流A、電壓V的值，然后取掉RX更換為標準電阻RN，調(diào)整RN使電流A、電壓V與接RX時一致，此時的標準電阻RN值就為被測電阻RX，由電流A、電壓V產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差被消除。. 圖圖6-6 電阻測試替換原理圖電阻測試替換原理圖ARXEV. 通過適當數(shù)據(jù)處理，消除與減少系統(tǒng)誤差 例如，在測試某物體的表面散熱時，如采用同一溫度計測試物體表面和環(huán)境

38、溫度，采用溫差進行計算時，就可消除溫度計帶來的系統(tǒng)誤差。 通過引用修正值減少系統(tǒng)誤差 對固定的或變化很小的系統(tǒng)誤差，可以引用修正值對系統(tǒng)誤差進行修正，從而減少系統(tǒng)誤差。但要注意，不是任何情況下得到的修正值都能提高測試精度，只有被修正的系統(tǒng)誤差遠大于其隨機誤差時，才能通過修正提高精度。.5）系統(tǒng)誤差的綜合 系統(tǒng)誤差是恒定不變或有一定變化規(guī)律的誤差，所以在測試中一般都能估算出每一種系統(tǒng)誤差分量1、2 n的大小，這些誤差分量的總的系統(tǒng)誤差 的求法有以下幾種： 代數(shù)綜合法 若測試中各誤差分量1、2 n，不僅能估計出其大小，而且還能確定其各自的正負號，那么就可以采用各分量代數(shù)和求出總系統(tǒng)誤差，即： =（

39、1+2+ +n）= (6-16)nii1. 算術(shù)綜合法 若測試中只能估計出各系統(tǒng)誤差分量的大小而不能確定其正負號時，則可以將各系統(tǒng)誤差分量的絕對值相加，簡稱算術(shù)綜合法。即： A=（|1|+|2|+ +|n|）= (6-17)|1nii. 幾何綜合法 測試中系統(tǒng)誤差分量比較多時，若按算術(shù)綜合法就會把系統(tǒng)誤差估計過大，這是因為當誤差分量較多時，各分量最大誤差同時出現(xiàn)的幾率是不大的，它們彼此之間有一部分相互抵消，此時用幾何計算法較好。即 = (6-18) niin1222221.6）儀器存在恒定系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn) 一個測試儀器的系統(tǒng)誤差一般比隨機誤差大。要發(fā)現(xiàn)與確定儀器的系統(tǒng)誤差，唯一的方法是用更高一級

40、精密度的標準表對其進行檢定，其方法是同測一個穩(wěn)定的量。 先用被檢儀器對被測穩(wěn)定量重復(fù)測試n次，示值為Ai（i=1，2，n）,取算術(shù)平均值： (6-19) nAAnii1. 再用標準表對被測穩(wěn)定量重復(fù)測試n次，示值為Aoi（i=1，2，n）,取算術(shù)平均值： (6-20) 被檢儀器的系統(tǒng)誤差為nAAniioo1OAA. 5、直接測試中隨機誤差分析、直接測試中隨機誤差分析 在實際測試條件下，多次測試同一量值時，誤差的絕對值和符號以不可預(yù)定的方式變化著的誤差稱為隨機誤差。因為隨機誤差涉及數(shù)理統(tǒng)計和概率論的一些概念，只能簡略分析如下。 1）隨機誤差的性質(zhì) 實踐表明，在不包含系統(tǒng)誤差和粗大誤差的前提下，各

41、個測試值雖然表現(xiàn)為偶然性，但又具有統(tǒng)計規(guī)律性。而且隨著測試次數(shù)的增加，這種規(guī)律表現(xiàn)的愈明顯，該統(tǒng)計規(guī)律性也既是隨機誤差的性質(zhì)： 單峰性：絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)的概率大； 對稱性：絕對值相等的正、負誤差出現(xiàn)的概率相等；. 抵擋性：在實際測試條件下，對同一量測試誤差的算術(shù)平均值隨著測試次數(shù)的增加亦趨于零。也就是說： 當n時0 (6-21) 式中 -隨機誤差的算術(shù)平均值； -第i次測試的隨機誤差； n -測試次數(shù)。nnii1i. 有界性。絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率近于零，亦即誤差有一定的實際限度。 前面介紹的隨機誤差的四中性質(zhì)只在隨機誤差為正態(tài)分布或者是單峰兩邊對稱分布時才具有，這是前提

42、。 2）用正態(tài)分布隨機誤差方程式解釋隨機誤差的四種性質(zhì) 實踐表明：隨機誤差及其概率的分布情況，是遵循正態(tài)分布規(guī)律的。若用數(shù)學公式來描述，即為：. (6-22) 式中 f()-誤差為所出現(xiàn)的概率密度函數(shù)； =Xi-X0不明原因引起的隨機誤差； e-自然對數(shù)的底； Xi、X0-分別為某一次的實測值及被測試的真值。 -標準偏差， 。 22221)(eefniiXXn120)(1. 從上述可以看出： 誤差落在以為中心，區(qū)間為 內(nèi)的概率為 ，從式(6-22)中可以看出，當=0時， 最大，即 最大。當增大，則減少，減少，這說明小誤差出現(xiàn)的概率大、大誤差出現(xiàn)的概率小。通俗地講：絕對值小的誤差比絕對值大的誤差

43、出現(xiàn)的次數(shù)多。ddf)()(fdf )(. 因為 （-）2=（+）2 所以： 故 (-)= (+)。 這說明絕對值相同的正負誤差其概率密度相等，也就是說絕對值相等的隨機誤差出現(xiàn)的次數(shù)相同。22221)(eef22221)(eef. 根據(jù)隨機誤差方程式可以算出負誤差的平均值為 ，正誤差的平均值為 ，由于概率密度函數(shù) 對于=0軸對稱，所以| |=| | 兩個平均值的絕對值相等，但符號相反。故： + = 這說明正負誤差互相抵消，誤差的代數(shù)和為零。0)(df0)(df)(f0)(df0)(df0)(df0)(df0)(df. 已知當?shù)慕^對值增大時，f()減少，因此大誤差出現(xiàn)的概率很小，而實際工作中又只

44、進行有限次測試，在有限次測試中出現(xiàn)大誤差的概率就會更小。因此，在有限次測試中，隨機誤差的絕對值不會超過一定的限度。.3）被測試X的最佳估計值 被測試X的最佳估計值A(chǔ)是各測試值的算術(shù)平均值。即： (6-23)XXnAnii11.4）標準偏差求法 單次測試的標準偏差是表征同一測試值的n次測試所得結(jié)果的分散性參數(shù)，由前已知，標準偏差是各隨機誤差平方的算術(shù)平均值的開方值。由于真值X0無法求得，只能以最佳值A(chǔ)=代替，所以用有限次測試和最佳值A(chǔ)求出標準偏差的估計值p，用貝塞爾公式求得： (6-24) 21)(11niipXXn. 由概率積分函數(shù)統(tǒng)計知，在370次測試中，只有一次的誤差絕對值超出3p，而一般測試中測試次數(shù)很少超過幾十次的，所以出現(xiàn)大于3p的誤差的可能性幾乎為0，通常將3p作為某一次實測值隨機誤差得極限。.5）算術(shù)平均值的標準偏差r 表征一測試列中算術(shù)平均值分散性的程度。對算術(shù)平均值的標準偏差r按下式計算： （