熱工測(cè)量及儀表-第1章-熱工測(cè)量基礎(chǔ)

1、熱工測(cè)量及儀表輕工與能源學(xué)院起止時(shí)間：第1周-第10周主 講 人：胡南江 2014年第一章 熱工測(cè)量基礎(chǔ)1.1 熱工測(cè)量基礎(chǔ)1.2 熱工測(cè)量方法及手段 1.3 熱工測(cè)量要求及系統(tǒng)組成1.4 測(cè)量誤差與測(cè)量精度 1.1 熱工測(cè)量基礎(chǔ)一、什么叫做“ 測(cè)量”： 借助專門工具，通過試驗(yàn)測(cè)量并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，將被測(cè)量X0以測(cè)量單位U的倍數(shù)顯示出來的過程，即： X0 = U 式中被測(cè)量的真實(shí)數(shù)值，簡稱真值。測(cè)量三要素：測(cè)量方法、測(cè)量單位、測(cè)量工具測(cè)量通常包括兩個(gè)過程1. 能量形式的一次或多次轉(zhuǎn)換過程檢測(cè)（敏感）元件、變換（轉(zhuǎn)換）器、信號(hào)傳輸和信號(hào)處理等部分。2. 將被測(cè)變量與其相應(yīng)的檢測(cè)單位進(jìn)行

2、比較。測(cè)量電路及顯示裝置部分。例如：水銀溫度計(jì)例如：用水銀溫度計(jì)檢測(cè)容器中加熱器的溫度。第一過程：第二過程：水銀柱的高度與玻璃上溫度刻度比較加熱器-？水銀-？玻璃刻度-？水的熱能水銀柱的位能顯示裝置檢測(cè)元件被測(cè)對(duì)象 二、 測(cè)量的意義 （1）測(cè)量的意義： 將被測(cè)系統(tǒng)中的某種信息檢測(cè)出來，并加以量度。 （2）試驗(yàn)的意義： 在測(cè)量過程中，人們借助于專門工具，通過試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，求得被測(cè)量的值，獲得對(duì)于客觀事物的定量的概念和內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識(shí)。 1.2 熱工測(cè)量方法及手段一、測(cè)量方法1、直接測(cè)量與間接測(cè)量2、接觸測(cè)量與非接觸測(cè)量3、靜態(tài)測(cè)量與動(dòng)態(tài)測(cè)量4、手動(dòng)測(cè)量與遠(yuǎn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、自動(dòng)測(cè)量5、點(diǎn)的測(cè)

3、量與場(chǎng)的測(cè)量6、單純測(cè)量與組合測(cè)量測(cè)量方法：實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與其測(cè)量單位相比較獲得測(cè)量值的方法。注意與測(cè)量原理的區(qū)別。直接測(cè)量法:用測(cè)量儀器直接得到被測(cè)量。（直尺測(cè)量長度,壓力表測(cè)壓力,玻璃溫度計(jì)測(cè)溫度）直接測(cè)量法分為：直接比較和間接比較。直接比較：直接把被測(cè)物理量與標(biāo)準(zhǔn)量做比較的測(cè)量方法。例如直尺測(cè)量長度。特點(diǎn)：測(cè)物理量與標(biāo)準(zhǔn)量是同一物理量間接比較：水銀溫度計(jì)，彈簧秤1. 直接測(cè)量法和間接測(cè)量法（被測(cè) 值獲取方式不同)間接測(cè)量法：通過直接測(cè)量其它變量，再按函數(shù)關(guān)系計(jì)算求得被測(cè)量數(shù)值的方法（過熱蒸汽的質(zhì)量流量：測(cè)得的是過熱蒸汽的溫度、壓力和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置的差壓信號(hào)，計(jì)算后得到流量。例如：測(cè)量電功率，先

4、測(cè)量電壓U和電流I，再求功率P=UI）組合測(cè)量：為了同時(shí)取定多個(gè)未知量，通過求解方程組。偏差測(cè)量法：被測(cè)量作用在測(cè)量工具上，其偏離測(cè)量工具的初始狀態(tài)（零點(diǎn)），偏離量得到被測(cè)量值。也就是說儀表指針的位移決定被測(cè)量大小的測(cè)量方法。例如：水銀溫度計(jì)；指針式萬用表，彈簧秤。2. 偏差測(cè)量法、微差測(cè)量法、零差測(cè)量法（被測(cè)量與測(cè)量單位比較方式）零差測(cè)量法：使已知量和被測(cè)量的差值為零，這時(shí)偏差測(cè)量僅起檢零作用，已知量即為測(cè)量值。 隱含： (1)已知量是連續(xù)可調(diào)的，隨時(shí)可通過 調(diào)節(jié)得到被測(cè)量。 (2)已知量可容易的準(zhǔn)確測(cè)量（天平，用電位差計(jì)測(cè)量熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)。）微差測(cè)量法：通過將被測(cè)量與已知標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較

5、，取得差值，再用偏差法測(cè)得此差值，測(cè)量結(jié)果是已知標(biāo)準(zhǔn)量和偏差量的代數(shù)和。(檢定熱電偶： 測(cè)量被校熱電偶的熱電勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的微小差，來評(píng)價(jià)要檢驗(yàn)的熱電偶的精度）靜態(tài)測(cè)量法：被測(cè)量在測(cè)量過程中不隨時(shí)間變化，或變化速率相對(duì)于測(cè)量速率變化十分緩慢動(dòng)態(tài)測(cè)量法：測(cè)量過程中被測(cè)量隨時(shí)間有明顯變化3. 靜態(tài)測(cè)量法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法（測(cè)量過程中的狀態(tài)）4 接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量接觸測(cè)量：傳感器和被測(cè)對(duì)象直接接觸而進(jìn)行的測(cè)量。非接觸測(cè)量：傳感器和被測(cè)對(duì)象不直接接觸而進(jìn)行的測(cè)量。5 等精度測(cè)量和非等精度測(cè)量等精度測(cè)量：在測(cè)量過程中影響誤差大小的全部測(cè)量條件不變。非等精度測(cè)量：不同的測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量

6、。二、測(cè)量手段1、力學(xué)測(cè)量手段熱工參數(shù) 位移、壓縮、膨脹、拉伸、扭矩2、電學(xué)測(cè)量手段傳感器變換器傳輸通道顯示裝置被測(cè)量測(cè)量值（電流、電壓、電阻、電容、電感、電磁）3、光學(xué)測(cè)量手段優(yōu)點(diǎn)：（1）非接觸測(cè)量（2）動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量（3）場(chǎng)的測(cè)量（4）可視化技術(shù)信息獲取轉(zhuǎn)換顯示和處理（信號(hào)檢出部分）（信號(hào)變換部分）三個(gè)基本部分組成：檢測(cè)部分、信號(hào)變換部分、分析處理顯示部分1.3 熱工系統(tǒng)組成1 檢測(cè)部分定義：直接感受被測(cè)量并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的輸出信號(hào)。也稱：敏感元件、一次元件、變送器。如熱電偶。 2) 要求：穩(wěn)定性，選擇性，線性性 輸出信號(hào)必須隨被測(cè)量變化 輸出信號(hào)只能隨被測(cè)量變化 輸出信號(hào)與被測(cè)量之間必須

7、是單值函數(shù)，最好是線性關(guān)系 2 信號(hào)變換部分信號(hào)調(diào)理電路 阻抗匹配信號(hào)放大去噪信號(hào)變換A/D,D/A線性化處理3.分析處理顯示部分：1) 定義：向觀察者顯示被測(cè)量的數(shù)值、量值的裝置2）分類：按照顯示方式不同分為：模擬式 結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉 存在視差數(shù)字式 屏幕式 顯示模擬曲線、數(shù)值，形象，有利于參數(shù)比較，最先進(jìn) 按照顯示功能的不同分為顯示儀表顯示被測(cè)量的瞬時(shí)值記錄儀表記錄被測(cè)量隨時(shí)間變化積算儀表顯示被測(cè)量對(duì)時(shí)間的積分信號(hào)式儀表反映被測(cè)量是否超過允許的限值調(diào)節(jié)式顯示儀表根據(jù)被測(cè)量與規(guī)定值的偏差情況，發(fā)出對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)的信號(hào)4 通訊總線與接口（管理兩個(gè)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制信息的傳輸和

8、交換）總線：從任意一個(gè)源點(diǎn)到任意一個(gè)終點(diǎn)的一組傳送數(shù)字信號(hào)的公共通道，是各種信號(hào)的集合。（一種規(guī)范，一種結(jié)構(gòu)形式。）接口：完成通信的硬件系統(tǒng)流量測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)例子（流量跟節(jié)流件兩側(cè)壓差的平發(fā)根成正比）流體動(dòng)能靜壓能標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)管道被測(cè)對(duì)象檢測(cè)元件開方處理該系統(tǒng)包括除被測(cè)對(duì)象外的六部分。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先是通過檢測(cè)元件、變送器、傳輸、處理四部分把被測(cè)變量的能量形式經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，變成了與被測(cè)量成一定對(duì)應(yīng)關(guān)系（線性）的電信號(hào)，這是第一過程； 將電信號(hào)通過測(cè)量電路和顯示裝置，進(jìn)行測(cè)量單位的比較過程，通常由顯示儀表完成，這是第二過程。3 測(cè)量誤差測(cè)量過程中存在測(cè)量誤差是不可避免的，任何測(cè)量值只能

9、近似反映被測(cè)量的真值。測(cè)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(duì)同一對(duì)象進(jìn)行重復(fù)測(cè)量也不會(huì)得到完全相同的測(cè)量值。被測(cè)量總是要對(duì)敏感元件施加能量才能使測(cè)量系統(tǒng)給出測(cè)量值，這就意味著測(cè)量值并不能完全準(zhǔn)確的反映被測(cè)參數(shù)的真值。4 測(cè)試系統(tǒng)的基本特性靜態(tài)測(cè)量：測(cè)量過程中被測(cè)量保持恒定不變的測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)稱為靜態(tài)特性(靈敏度、量程、精確度、線性度、滯后差）。動(dòng)態(tài)測(cè)量：被測(cè)量本身隨時(shí)間變化，而測(cè)量系統(tǒng)又能準(zhǔn)確地跟隨被測(cè)量變化而變化，稱為動(dòng)態(tài)測(cè)量（通常采用階躍信號(hào)和正弦輸入信號(hào)在時(shí)域和頻域中研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性）。（一）準(zhǔn)確度對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量值偏離被測(cè)量真值的程度

10、稱為測(cè)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。是測(cè)量儀器最主要的計(jì)量性能指標(biāo)；儀器自身的原因造成；定性概念；靜態(tài)特性靜態(tài)特性準(zhǔn)確度：定量指標(biāo)用準(zhǔn)確度等級(jí)、示值誤差或引用誤差表示： 示值誤差測(cè)量值真實(shí)值 （ 真實(shí)值用約定真值代替） 引用誤差=示值誤差/量程 準(zhǔn)確度等級(jí)就是根據(jù)示值誤差或引用誤差而劃分的準(zhǔn)確度級(jí)別。當(dāng)某個(gè)測(cè)量儀器的引用誤差不大于001時(shí)（1），往往按照有關(guān)該儀器的標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程，該儀器的準(zhǔn)確度為1級(jí)。 如：電工儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)可分為：0.1 、七級(jí)。靜態(tài)特性（二）測(cè)量儀器的重復(fù)性（精密度） 在相同測(cè)量條件下，重復(fù)測(cè)量同一個(gè)被測(cè)量時(shí)測(cè)量儀器示值的一致程度。 重復(fù)性

11、可以用示值的分散性來定量表示。要求儀器示值分散在允許的范圍內(nèi)。 重復(fù)性是測(cè)量儀器的重要指標(biāo)，反映了儀器工作的可信度和有效性。它反映隨機(jī)誤差的影響，隨機(jī)誤差越小，精密度越高。（三）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。以飛鏢打靶時(shí)為例（用靶心表示其目標(biāo)值位置）：（a）和（b）圖表示射擊的準(zhǔn)確度好與差，即系統(tǒng)誤差的大小，（c）和（d）表示射擊的精密度好與差，即重復(fù)誤差的大??；（e）圖表示精密度和準(zhǔn)確度都比較好，稱為精確度高，這時(shí)系統(tǒng)誤差和重復(fù)誤差和都比較小。靜

12、態(tài)特性（四）靈敏度 系統(tǒng)輸出信號(hào)的變化相對(duì)于輸入信號(hào)變化的比值，反映了儀器對(duì)輸入量變化的反應(yīng)能力，是一個(gè)基本參數(shù)。 k =dy/dx=f(x)線性檢測(cè)裝置 - 常數(shù)非線性檢測(cè)裝置 - 變量環(huán)境溫度能造成靈敏度隨之變化；（溫度漂移）靜態(tài)特性（五）分辨力 分辨力是指測(cè)試系統(tǒng)引起輸出有可察覺變化的輸入值，反映了裝置的分辨能力，通常是以最小單位輸出量變化所對(duì)應(yīng)的輸入量變化來表示。分辨力與靈敏度有密切的關(guān)系，即為靈敏度的倒數(shù)。 對(duì)于數(shù)字測(cè)試系統(tǒng)，其輸出顯示系統(tǒng)的最后一位所代表的輸入量即為該系統(tǒng)的分辨力；對(duì)于模擬測(cè)試系統(tǒng)，是用其輸出指示標(biāo)尺最小分度值的一半所代表的輸入量來表示其分辨力。 分辨力也稱為靈敏閾

13、或靈敏限。 儀器不工作時(shí)也可以判斷。靜態(tài)特性（六）示值范圍、標(biāo)稱范圍、量程、測(cè)量范圍和動(dòng)態(tài)范圍 示值范圍是顯示裝置上最大與最小示值的范圍。 當(dāng)儀器有多檔量程時(shí)，用標(biāo)稱范圍取代示值范圍。 量程指標(biāo)稱范圍兩極限值之差的模。如：溫度計(jì)下限-30，上限80，則量程為110。 測(cè)量范圍又稱工作范圍，指測(cè)量儀器的誤差處在規(guī)定極限內(nèi)的一組被測(cè)量的值。一般小于或等于標(biāo)稱范圍。 動(dòng)態(tài)范圍是儀器所能測(cè)量的最強(qiáng)信號(hào)和最弱信號(hào)之比。測(cè)量范圍可以隨著輸入信號(hào)的衰減或增益而改變，但動(dòng)態(tài)范圍不變。靜態(tài)特性（七）漂移、回程誤差、線性度 在輸入不變的情況下，測(cè)量儀器的特性隨時(shí)間緩慢變化的現(xiàn)象稱為漂移。 溫度的漂移（溫漂）： 靈

14、敏度的溫漂、零位的溫漂 - 定量表示 產(chǎn)生：檢測(cè)裝置中的彈性元件、機(jī)械傳動(dòng)中的間隙和內(nèi)摩擦、磁性材料的磁滯 - 實(shí)驗(yàn)確定回程誤差（Hysteresis） - 遲滯/滯后誤差在相同條件下，測(cè)量儀器的行程方向（指輸入量增大或減小兩個(gè)方向）不同而同一輸入量值最大示值之差的絕對(duì)值，或者此絕對(duì)值與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)。 線性度（非線性度）是指測(cè)試系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系保持常值線性比例關(guān)系的程度 。characteristicsAccuracySensitivity Linearity Resolution（分辨力）RepeatabilityDriftHysteresis (回程誤差）RangeStati

15、c動(dòng)態(tài)特性的基本特點(diǎn)動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)，其輸出隨輸入而變化的關(guān)系 。反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)有：工作頻率范圍、響應(yīng)特性和響應(yīng)時(shí)間。工作頻率范圍：能確保測(cè)量儀器規(guī)定準(zhǔn)確度的被測(cè)量頻率范圍。響應(yīng)特性：在確定條件下，激勵(lì)和對(duì)應(yīng)響應(yīng)之間的關(guān)系。響應(yīng)時(shí)間：輸入量和對(duì)應(yīng)輸出量兩個(gè)特定時(shí)刻的時(shí)間間隔。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性一般通過描述系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如微分方程、或找出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性函數(shù)如傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)等來進(jìn)行研究?？煽啃匀齻€(gè)指標(biāo)：保險(xiǎn)期：儀表能有效完成規(guī)定任務(wù)的期限，超過這個(gè)期限可靠性逐漸降低。有效期：儀表在規(guī)定時(shí)間內(nèi)正常工作的概率。狹義可靠性 ：有結(jié)構(gòu)可靠性和性能可靠性組成。結(jié)構(gòu)可靠性：工作時(shí)不出故障的概率性能可靠性：儀表滿足原定要求的概率儀表的檢定檢定:根據(jù)規(guī)定的指標(biāo),評(píng)定儀表的性能,以確定儀表是否合格標(biāo)準(zhǔn)：國家計(jì)量檢定規(guī)程檢定方法:定點(diǎn)法（標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢定法）和