熱工測量儀表第一章基礎概念

《熱工測量儀表》通過本課程的學習，學生應熟悉工業(yè)生產(chǎn)過程中主要熱工參數(shù)的檢測理論和方法，在工程實踐中能正確選擇相適應的監(jiān)測方法和組成適宜的檢測系統(tǒng)，準確、及時地獲取熱工生產(chǎn)過程中的相關信息。課程的目的和任務課程的基本要求和特點通過學習，學生能初步掌握信息提取、信息轉(zhuǎn)換以及信息處理的理論和方法。本課程涉及熱力發(fā)電廠熱工過程的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、水位、爐煙成分的測量方法及測量儀表。熱工過程中需要檢測的參數(shù)相當多，本課程注重歸納共性的測量技術的基本理論和測量變換元件的物理方法和概念。通過典型參數(shù)測量示例，舉一反三，使學生初步掌握熱工測量及儀表的基本理論、基本技術和基本方法。總評成績根據(jù)平時成績(包括考勤、作業(yè)、實驗等，占30%)和期末考試成績（占70%）綜合評定?？己朔绞秸n程安排34學時：26理論＋4實驗＋2習題＋2其他火電廠第一章熱工測量的基本概念一

熱工測量的意義測量：以確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作檢測技術：檢測過程：測量+信號檢出（極為重要）信息提取、信號轉(zhuǎn)換存儲與傳輸、顯示記錄、分析處理檢測：是意義更為廣泛的測量1、檢測與測量測量的基本方程式：

X0

=

U,X0

≈

xU,

式中，X0——被測量；

U——標準

量（即選用的測量單位）；

——被測量與標準量的數(shù)字比值，真值。x——測量值。測量過程的三要素：測量方法、測量單位、測量工具2、檢測的分類被測量值的物理屬性：電量、非電量檢測原理（物理的、化學的、生物學的）：檢測方法：直接與間接、接觸式與非接觸式、動態(tài)和靜態(tài)等電磁法、光學法、微波法、超聲法、核輻射法、電化學分析、色譜分析、質(zhì)譜分析等3、測量單位被測量基準量避免混亂----國際單位制（SI）：長度質(zhì)量時間電流熱力學溫度物質(zhì)的量光量實物單位----千克標準原器米----光在真空中1s時間內(nèi)傳播距離的1/299792485能量（J）=力距離大得多/小得多----詞頭：mm、m、nm（10-9m）；kHz、MHz（106Hz）、GHz（109Hz）單位測量：比較SI基本單位：倍數(shù)（結果）SI

組合單位：七個物理量單位---相互獨立由基本單位導出=質(zhì)量

加速度距離J=kg（m/s2）m=m2·kg/s2能量---焦（耳）：長度、質(zhì)量、時間（m）（kg）（s）（A）（K）（mol）（cd）二

測量方法選擇：被測量的性質(zhì)、特點和測量任務要求（1）按測量結果的獲取方式：

直接測量、間接測量（2）按被測量與測量單位的比較方式：

偏移法測量、零位法測量、微差法測量（3）按傳感器與被測對象是否直接接觸：

接觸式測量、非接觸式測量（4）按被測量在測量過程中的狀態(tài)分：

靜態(tài)測量、動態(tài)測量靜態(tài)測量

對緩慢變化的對象進行測量亦屬于靜態(tài)測量。

最高、最低溫度計

動態(tài)測量

地震測量振動波形便攜式儀表可以顯示波形的便攜式儀表直接測量

電子卡尺間接測量

對多個被測量進行測量，經(jīng)過計算求得被測量（阿基米德測量皇冠的比重）。

接觸式測量

非接觸式測量

例：雷達測速車載電子警察離線測量

產(chǎn)品質(zhì)量檢驗在線測量

在流水線上，邊加工，邊檢驗，可提高產(chǎn)品的一致性和加工精度。檢測方法（一）直接測量

（二）間接測量1、直接比較測量法2、微差測量法3、零位測量法010

X（一）直接測量

直接測量——能直接得到被測量的數(shù)值的測量方法。

1直接比較測量法

比較法：是將被測量與相關標準量進行直接或間接比較,得到測量值的方法。

如：米尺.電表都是根據(jù)比較法設計而成的儀器。50100200mA02002、微差測量法將被測量和與其量值只有微小差別的已知量進行比較，測出這兩個量值間的差值，從而確定被測量的測量方法。這種方法的優(yōu)點是，當已知量的精確度很高，而其值又很接近被測量時，用較低精度的測量儀表，也能得到高精度的測量結果。例如：已知甲精確身高為170cm，若乙比甲高出5cm，于是可知乙的身高為175cm3、零位測量法通過調(diào)整一個或幾個已知數(shù)值的量使之與被測量達到平衡，從而確定被測量的測量方法，也稱為平衡測量法或補償測量法。補償法：用在標準量具上產(chǎn)生的精度很高的某種效應，完全補償由待測量產(chǎn)生的同種效應，得到未知量的方法。如：電位差計I=0I=0I=0小時大時零位測量法其優(yōu)點是可獲得較高的精確度；缺點是測量中需進行平衡操作，測量過程較復雜。這種測量方法在工程參數(shù)測量和實驗室測量中應用很普遍，如天平稱重、電位差計和平衡電橋測毫伏信號或電阻值、零位式活塞壓力計測壓等。（二）間接測量通常在采用直接測量很不方便，或誤差較大，或缺乏直接測量儀器時，才使用間接測量。方法為：先對一個或幾個與被測量有確定函數(shù)關系的量進行直接測量，然后通過代表該函數(shù)關系的公式、曲線或表格求得被測量，這類方法就稱為間接測量。間接測量法：對無法直接測量的量，轉(zhuǎn)換為對該量所產(chǎn)生的某種效應進行測量。如：測酸、堿、鹽溶液的濃度.I

用壓電傳感器測駕駛員座椅的受力分布。待測糧食傳送帶糧食烘干裝置待測糧食的含水量與反射光強I有關F一般來說，間接測量法需要測量的量較多，因此測量和計算的工作量較大，引起誤差的因素也較多。三個基本部分組成：感受件、顯示件、傳送件感受件

1)定義：直接感受被測量并將其轉(zhuǎn)化成相應的輸出信號。也稱：敏感元件、一次元件、發(fā)送器。如熱電偶2)要求：穩(wěn)定性，選擇性，線性性輸出信號必須隨被測量變化輸出信號只能隨被測量變化輸出信號與被測量之間必須是單值函數(shù)，最好是線性關系

三、熱工儀表的組成1-被測對象；2-傳感器；3-變換器；4-顯示裝置；5-傳送通道3)分類：

溫度感受件，壓力感受件（按被測參數(shù)）

能量轉(zhuǎn)換型(熱電偶);能量控制型(熱電阻)（輸

出信號能量的主要來源）

模擬式和準數(shù)字式（輸出信號的形式）2.顯示件：1)定義：向觀察者顯示被測量的數(shù)值、量值的裝置2）分類：

顯示儀表—顯示被測量的瞬時值

記錄儀表—記錄被測量隨時間變化

積算儀表—顯示被測量對時間的積分

信號式儀表—反映被測量是否超過允許的限值

調(diào)節(jié)式顯示儀表—根據(jù)被測量與規(guī)定值的偏差情況，發(fā)出對被測對象進行調(diào)節(jié)的信號3.傳送件：1)定義：將感受件輸出的信號按顯示件的要求傳輸給顯示件。2）具有功能：

1）單純傳輸2）感受件輸出信號放大3）把信號變送成統(tǒng)一標準信號（變送器)四、儀表內(nèi)信號傳輸過程儀表內(nèi)每一次信號的轉(zhuǎn)換和傳輸可作為一個環(huán)節(jié)，整個儀表是各環(huán)節(jié)的連接。1.儀表各環(huán)節(jié)連接方式：開環(huán)（系統(tǒng)）和閉環(huán)（系統(tǒng)），每一個環(huán)節(jié)：傳遞函數(shù)（靈敏度）2.開環(huán)系統(tǒng)k1k2k3ITθ電流力矩角度動圈表方框圖X位移特點：各環(huán)節(jié)開環(huán)串聯(lián)，信號沿一個方向傳輸。按偏差測量法工作要保證儀表指示正確，必須保持每個環(huán)節(jié)靈敏度不變X=K1K2K3I開環(huán)結構儀表xK1u0K2u1Knyun傳遞函數(shù)：相對誤差每個環(huán)節(jié)的相對誤差對系統(tǒng)總誤差的影響是等權的。3.閉環(huán)系統(tǒng)e

e

-U滑線電阻放大器伺服電動機k1K2/sK3電子電位差計方框圖特點：1)含有負反饋2)儀表傳遞函數(shù)與反饋環(huán)節(jié)有關，因此k3要求高，k1,k2性能可降低故閉環(huán)精度較高靜態(tài)時：K1KnyxK0K2K3＋—△xβ1β2βmxf在K足夠大時，只要<1，就可以獲得高精度、高靈敏度有效性準確度（示值誤差絕對誤差相對誤差基本誤差附加誤差引用誤差允許誤差準確度等級）線性度回差重復性誤差分辨率靈敏度漂移質(zhì)量指標包括：計量性能、操作性能、可靠性、經(jīng)濟性五、儀表的質(zhì)量指標1、測量范圍和量程量程＝測量上限值－測量下限值2、準確度：儀表指示值接近被測量真值程度的質(zhì)量指標（1）絕對誤差絕對誤差是儀表輸出值與被測參數(shù)真值之間的差值，即測量誤差＝測得值－真值客觀真實值（未知）1m=1650763.73①約定真值：世界各國公認的幾何量和物理量的最高基準的量值③相對真值：標準儀器的測得值或用來作為測量標準用的標準器的值如：米---公制長度基準---

氪-86的2p10-5d5能級間躍遷在真空中的輻射波長②理論真值：設計時給定或用數(shù)學、物理公式計算出的給定值光在真空中1s時間內(nèi)傳播距離的1/299792485（2）相對誤差實際相對誤差表示：百分數(shù)（%）---分子分母量綱相同標稱相對誤差=100%絕對誤差真值

=100%xx0

=100%xx相對誤差=100%絕對誤差測得值確切反映測量效果：被測量的大小不同---允許的測量誤差不同被測量的量值小---允許的測量絕對誤差也越小相對百分誤差=100%（引用誤差）絕對誤差量程

=100%x量程（3）引用誤差引用誤差是絕對誤差與儀表的量程比的百分數(shù)，即δ=100%x量程質(zhì)量G1=50g，誤差1=2g；質(zhì)量G2=2kg，誤差2=50g，求各自相對誤差。

1=100%=100%=4%1G1G1的相對誤差為250

2=100%=100%=2.5%G2G2的相對誤差為5020002---G2的測量效果較好【例1-1

】【解】（4）儀表基本誤差（5）儀表滿刻度相對誤差在標準條件下，儀表全量程范圍內(nèi)各輸出值誤差中絕對值最大者稱為儀表的基本誤差。儀表基本誤差與儀表量程比的百分數(shù)——在數(shù)值上就是儀表的準確度（6）允許誤差這是儀表制造單位為保證儀表不超過基本誤差而設的限值基本誤差≤允許誤差儀表合格基本誤差允許誤差儀表不合格7）準確度與準確度等級儀表準確度：儀表給出接近于真值的響應能力我國電工儀表、壓力表的準確度等級（accuracyclass）就是按照引用誤差進行分級的。

當一個儀表的等級s選定后，用此表測量某一被測量時，所產(chǎn)生的最大絕對誤差為

最大相對誤差為絕對誤差的最大值與該儀表的標稱范圍（或量程）上限xm成正比選定儀表后，被測量的值越接近于標稱范圍（或量程）上限，測量的相對誤差越小，測量越準確（公式2）（公式1）儀表準確度等級選擇原則

①不應單純追求測量儀表準確度越高越好，而應根據(jù)被測量的大小，兼顧儀表的級別和標稱范圍（或量程）上限合理進行選擇。

②選擇被測量的值應大于均勻刻度測量儀表量程上限的三分之二，即

測量的最大相對誤差不超過

即測量誤差不會超過測量儀表等級的1.5倍。某被測電壓為100伏左右，現(xiàn)有0.5級、量程為300伏和1.0級、量程為150伏兩塊電壓表，問選用哪一塊合適？

由公式2，當用0.5級、量程為300伏的電壓表測量時，有

當用1.0級、量程為100伏的電表測量時，有

可見，如果量程選擇適當，用1.0級電壓表進行測量與用0.5級一樣準確。考慮到儀表等級越高，成本越高，故應選擇1.0級電壓表進行測量。

【例1-2

】【解】【例1-3

】檢定一只2.5級、量程為100V的電壓表，發(fā)現(xiàn)在50V處誤差最大，其值為2V，而其他刻度處的誤差均小于2V，問這只電壓表是否合格？

由公式2，該電壓表的引用誤差為

由于所以該電壓表合格。【解】【例1-4

】某1.0級電流表，滿度值（標稱范圍上限）為100，求測量值分別為100，80和20時的絕對誤差和相對誤差。根據(jù)題意得

由公式1可知，最大絕對誤差為

它們的相對誤差分別為

可見，在同一標稱范圍內(nèi)，測量值越小，其相對誤差越大?！窘狻?線性度:檢測系統(tǒng)輸入輸出曲線與理想直線的偏離程度相對誤差輸出值與理想直線的最大偏差值理論滿量程輸出值理想直線：亦稱非線性誤差定義:(non-linearity)表達:xyΔ擬合直線一般不存在或很難獲得準確結果利用測量數(shù)據(jù)，通過計算獲得作圖法求線性度演示（1—擬合曲線2—實際特性曲線）4回差（變差）同一輸入量上升和下降時，對應的兩輸出量平均值之間的最大差值與量程之比的百分數(shù).(儀表運動系統(tǒng)的摩擦、間隙、彈性滯后等原因引起）5重復性與再現(xiàn)性重復性誤差可用正反行程的最大偏差表示，即重復性是指在相同測量條件下，對同一被測量，按同一方向多次測量時，檢測儀表的各輸出值之間的一致程度。yx0⊿Rmax2⊿Rmax1△Rmax1正行程的最大重復性偏差，△Rmax2反行程的最大重復性偏差。再現(xiàn)性是指在相同測量條件下，在規(guī)定的相對較長的時間內(nèi)，對同一被測量從兩個方向上重復測量時，檢測儀表的各輸出值之間的一致程度。重復性不包括回差，再現(xiàn)性包括回差，也包括了重復性定義：分辨率是指檢測儀表能夠精確檢測出被測量的最小變化的能力。輸入量從某個任意值(非零值)緩慢增加，直到可以測量到輸出的變化為止，此時的輸入量就是分辨率。它可以用絕對值，也可以用量程的百分數(shù)來表示。它說明了檢測儀表響應與分辨輸入量微小變化的能力。靈敏度愈高，分辨率愈好。一般模擬式儀表的分辨率規(guī)定為最小刻度分格值的一半。數(shù)字式儀表的分辨率是最后一位的一個字。

6分辨率:死區(qū)當系統(tǒng)輸出信號不發(fā)生變化時所對應的輸入信號的變化范圍---系統(tǒng)元件的摩擦及空程等現(xiàn)象引起的7靈敏度靈敏度是指傳感器或檢測系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化和引起此變化的輸入量變化的比值?？杀硎緸樗禽斎搿敵鎏匦郧€的斜率。如果系統(tǒng)的輸出和輸入之間有線性關系，則靈敏度是一個常數(shù)。否則，它將隨輸入量的大小而變化。一般希望靈敏度s在整個測量范圍內(nèi)保持為常數(shù)。這樣，可得均勻刻度的標尺，使讀數(shù)方便，也便于分析和處理測量結果。x0ydydx由于輸入和輸出的變化量一般都有不同的量綱，所以靈敏度s也是有量綱的。如輸入量為溫度(C)，輸出量為標尺上的位移(格)，則s的量綱為格/C。如果輸入量和輸出量是同類量，則此時s可理解為放大倍數(shù)。因此，靈敏度比放大倍數(shù)有更廣泛的含義。8漂移定義：工作條件和輸入信號不變,經(jīng)規(guī)定時間后輸出的變化,稱為漂移以儀表量程各點上輸出的最大變化量與量程之比的百分數(shù)表示9動態(tài)響應特性動態(tài)特性指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。如果規(guī)定儀表輸出值變化量達到穩(wěn)定值的63.2%,則所需要的時間稱為儀表的響應時間，也稱為儀表的時間常數(shù)。這個時間短，說明儀表的動態(tài)響應特性好tT10.632六、儀表的檢定檢定:根據(jù)規(guī)定的指標,評定儀表的性能,以確定儀表是否合格標準：國家計量檢定規(guī)程檢定方法:定點法和示值法定點法:被檢測表檢測某種標準值,從而確定儀表的示值誤差.示值比較法