熱工測量及儀表

《熱工測量及儀表》第一篇第一章測量及測量誤差第二章熱工儀表概述

本篇主要介紹測量的定義與測量單位、測量方法、測量誤差及儀表的質(zhì)量指標等計算學(xué)的基礎(chǔ)知識?，F(xiàn)在是1頁\一共有50頁\編輯于星期三1.測量定義（三要素）所謂測量，就是利用測量工具，通過實驗的方法將被測量與同性質(zhì)的標準量（即測量單位）進行比較，以確定出被測量是標準量多少倍數(shù)的過程。所得到的倍數(shù)就是被測量的值，即L=x/b

式中x＿被測量

b＿標準量（測量單位）

L＿被測量的值。

第一節(jié)測量的定義及方法第一章測量及測量誤差現(xiàn)在是2頁\一共有50頁\編輯于星期三測量單位SI規(guī)定了7個基本單位，2個輔助單位，19個具有專門名稱的導(dǎo)出單位。7個基本單位名稱量的名稱、單位名稱，單位符號。長度、時間、質(zhì)量、溫度、電流、物質(zhì)的量、發(fā)光強度導(dǎo)出單位：例1N=1Kg.m/s2現(xiàn)在是3頁\一共有50頁\編輯于星期三2.測量方法（1）根據(jù)獲得測量結(jié)果的程序不同，測量可分為：（1）直接測量。就是將被測量直接與所選用的標準量進行比較，或者用預(yù)先標定好的測量儀表進行測量，從而直接得出測量值的方法。如用尺測長度，用玻璃管水位計測水位等。（2）間接測量。通過直接測量于被測量有確定函數(shù)關(guān)系的其他各個變量，然后將所得的數(shù)值代入函數(shù)進行計算，從而求得被測量值的方法稱為間接測量。例如，用平衡容器測量汽包水位；通過測量導(dǎo)線電阻、長度及直徑求電阻率等。（3）組合測量。組合測量是在測量出幾組具有一定函數(shù)關(guān)系的量值基礎(chǔ)上，通過解聯(lián)立方程來取被測量的方法?，F(xiàn)在是4頁\一共有50頁\編輯于星期三什么是直接測量和間接測量？電子卡尺現(xiàn)在是5頁\一共有50頁\編輯于星期三間接測量

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）現(xiàn)在是6頁\一共有50頁\編輯于星期三稱量皇冠的難題

國王在前不久，叫一個工匠替他打造一頂金皇冠。國王給了工匠他所需要的數(shù)量的黃金。工匠的手藝非常高明，制做的皇冠精巧別致，而且重量跟當(dāng)初國王所給的黃金一樣重?？墒?，有人向國王報告說：“工匠制造皇冠時，私下吞沒了一部分黃金，把同樣重的銀子摻了進去。”國王聽后，也懷疑起來，就把阿基米德找來，要他想法測定，金皇冠里摻?jīng)]摻銀子，工匠是否私吞黃金了。在澡堂洗澡的時候，他注意到，當(dāng)他的身體在浴盆里沉下去的時候，就有一部分水從浴盆邊溢出來。同時，他覺得入水愈深，則他的體量愈輕。進皇宮后，阿基米德將與皇冠一樣重的金子、一塊銀子和皇冠，分別一一放在水盆里，看金塊排出的水量比銀塊排出的水量少，而皇冠排出的水量比金塊排出的水量多。阿基米德對國王說：“皇冠摻了銀子！”金密度大，銀密度小，同樣重的金和銀，銀子的體積大于金子的體積。皇冠排出的水量比金塊多，說明皇冠的密度比金塊的密度小，這就證明皇冠不是用純金制造的。”阿基米德有條理的講述，使國王信服了。實驗結(jié)果證明，那個工匠私吞了黃金?，F(xiàn)在是7頁\一共有50頁\編輯于星期三2.測量方法（2）根據(jù)檢測裝置動作原理不同，測量可分為：(1)直讀法。被測量作用于儀表比較裝著，使比較裝著的某種參數(shù)按已知關(guān)系隨被測量發(fā)生變化，由于這種變化關(guān)系已在儀表上直接刻度，故直接可由儀表刻度尺讀出測量結(jié)果。例如，用玻璃管水銀溫度計測量溫度時，可直接有水銀柱高度讀出溫度值。(2)零值法（平衡法）。將被測量與一個已知量進行比較，當(dāng)二者達到平衡時，儀表平衡指示器零，這時已知量就是被測量值。例如，用天平測量物體的質(zhì)量，用電位差計測量電勢都是采用了零法。(3)微差法。當(dāng)被測量尚未完全與已知量相平衡時，讀取它們之間的差值，由已知量和差值可求出被測量值。用不平衡電橋測量電阻就是用微差法測量的例子。零值法和微差法測量對減小測量系統(tǒng)的誤差很有利，因此測量準確度高，應(yīng)用較為廣泛?，F(xiàn)在是8頁\一共有50頁\編輯于星期三2.測量方法（3）根據(jù)儀表是否與被測對象接觸，測量可分為：（1）接觸測量法。儀表的一部分與被測對象接觸，受到被測對象的作用才能得出測量結(jié)果的測量方法。例如用玻璃管水銀溫度計測量溫度時，溫度計的溫包應(yīng)該置于被測介質(zhì)之中，以感受溫度高度。（2）非接觸測量法。儀表的任何部分都不必與被測對象直接接觸就能得到測量結(jié)果的測量方法。例如用光學(xué)高溫計測溫，是通過被測量對象說產(chǎn)生的熱輻射對儀表的作用而實現(xiàn)測溫的，因此儀表不必與對象直接接觸。現(xiàn)在是9頁\一共有50頁\編輯于星期三什么是接觸式測量？現(xiàn)在是10頁\一共有50頁\編輯于星期三非接觸式測量

例：雷達測速利用紅外線輻射測量供電變壓器的表面溫度、車載雷達測速現(xiàn)在是11頁\一共有50頁\編輯于星期三紅外線傳感器——實現(xiàn)無接觸測量應(yīng)用領(lǐng)域：航空攝影、衛(wèi)星遙感、家電遙控、防盜防火報警器、自動門、生物探測器……現(xiàn)在是12頁\一共有50頁\編輯于星期三對緩慢變化的對象進行測量亦屬于靜態(tài)測量。根據(jù)測量對象是否隨時間變化分為：靜態(tài)和動態(tài)測量。最高、最低溫度計2.測量方法（4）現(xiàn)在是13頁\一共有50頁\編輯于星期三什么是動態(tài)

測量？

地震測量振動波形現(xiàn)在是14頁\一共有50頁\編輯于星期三什么是在線測量？

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。2.測量方法（5）根據(jù)對測量對象是否在線分為：在線和離線測量。現(xiàn)在是15頁\一共有50頁\編輯于星期三離線測量

批量產(chǎn)品的質(zhì)量“人工”離線測量現(xiàn)在是16頁\一共有50頁\編輯于星期三第二節(jié)測量誤差由于儀器、實驗條件、環(huán)境等因素的限制，測量不可能無限精確，物理量的測量值與客觀存在的真實值之間總會存在著一定的差異，這種差異就是測量誤差。測量值與真值之差異稱為誤差。誤差與錯誤不同，錯誤是應(yīng)該而且可以避免的，而誤差是不可能絕對避免的?，F(xiàn)在是17頁\一共有50頁\編輯于星期三誤差——影響因素1.人為因素：由于人為因素所造成的誤差，包括誤讀、誤算和視差等。2.量具因素：由于量具因素所造成的誤差，包括刻度誤差、磨耗誤差及使用前未經(jīng)校正等因素。刻度分劃是否準確，必須經(jīng)由較精密的儀器來校正與追溯。量具使用一段時間后會產(chǎn)生相當(dāng)程度磨耗，因此必須經(jīng)校正或送修方能再使用。3.測量因素：測量時，因儀器設(shè)計或擺置不良等原因所造成的誤差，包括余弦誤差、阿貝誤差等。阿貝原則：在設(shè)計計量儀器或測量工件時,應(yīng)該將被測長度與儀器的基準長度安置在同一條直線上.測量中不遵守阿貝原則而引起的誤差。4.環(huán)境因素：測量時受環(huán)境或場地之不同，可能造成的誤差有熱變形誤差和隨機誤差。現(xiàn)在是18頁\一共有50頁\編輯于星期三一.誤差的表示方法1.絕對誤差2.相對誤差

絕對誤差可以表示一個測量結(jié)果的可靠程度，而相對誤差則可以比較不同測量結(jié)果的可靠性。3.引用誤差：儀表某一刻度點讀數(shù)的絕對誤差Δ比上儀表量程上限Am，并用百分數(shù)表示?，F(xiàn)在是19頁\一共有50頁\編輯于星期三誤差的表示方法：絕對誤差、相對誤差

絕對誤差：測量值與真實值之間的差值。

Δ=Ax－Ａ0某采購員分別在三家商店購買100kg大米、10kg蘋果、1kg巧克力，發(fā)現(xiàn)均缺少約0.5kg，但該采購員對賣巧克力的商店意見最大，是何原因？現(xiàn)在是20頁\一共有50頁\編輯于星期三(1)絕對誤差絕對誤差是測量值（示值）與被測量真值之間的差值。設(shè)被測量的真值為A0，器具的標稱值或示值為x，則絕對誤差為

由于一般無法求得真值A(chǔ)0，在實際應(yīng)用時常用精度高一級的標準器具的示值，即實際值A(chǔ)代替真值A(chǔ)0。x與A之差稱為測量器具的示值誤差，記為通常以此值來代表絕對誤差。現(xiàn)在是21頁\一共有50頁\編輯于星期三(2)相對誤差相對誤差是絕對誤差與被測量的約定值之比。相對誤差有以下表現(xiàn)形式：①實際相對誤差。②示值相對誤差。③滿度（引用）相對誤差?，F(xiàn)在是22頁\一共有50頁\編輯于星期三相對誤差及精度等級

幾個重要公式：示值相對誤差滿度相對誤差（引用誤差）準確度（精度）現(xiàn)在是23頁\一共有50頁\編輯于星期三例：用同一臺磅秤測量三個不同重量物體的示值相對誤差的比較，請得出結(jié)論！滿度相對誤差相等，示值相對誤差的差別很大現(xiàn)在是24頁\一共有50頁\編輯于星期三儀表的準確度等級和基本誤差

例：某指針式電壓表的準確度為2.5級，用它來測量電壓時可能產(chǎn)生的最大滿度相對誤差為±2.5%。現(xiàn)在是25頁\一共有50頁\編輯于星期三【例】有一臺測溫儀表,測量范圍為-200～+800度，準確度為0.5級。現(xiàn)用它測量500°C的溫度，求儀表引起的絕對誤差和實際相對誤差。解：準確度為0.5級的儀表，就是最大量程時誤差為：(800+200)×0.5%=±5℃

測量500℃溫度時，絕對誤差就是±5℃。相對誤差=5/500=1％【例】某臺測溫儀表的量程是600～1100℃，儀表的最大絕對誤差為士4℃，試確定該儀表的精度等級。由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，而該儀表超過了0.5級儀表的允許誤差，所以這臺儀表的精度等級應(yīng)定為1.0級。

現(xiàn)在是26頁\一共有50頁\編輯于星期三例：用指針式萬用表的10V量程測量一只1.5V干電池的電壓，示值如圖所示，問：選擇該量程合理嗎？現(xiàn)在是27頁\一共有50頁\編輯于星期三

用2.5V量程測量同一只1.5V干電池的電壓，與上圖比較，問示值相對誤差哪一個大？現(xiàn)在是28頁\一共有50頁\編輯于星期三二.誤差的分類A.按誤差的來源分：裝置誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。B.按對測量誤差的掌握程度分：已知誤差和未知誤差。C.按誤差的特征規(guī)律（性質(zhì)）分：系統(tǒng)誤差、隨機誤差、粗大誤差?，F(xiàn)在是29頁\一共有50頁\編輯于星期三

在重復(fù)性條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結(jié)果的平均值與被測量的真值之差，稱為系統(tǒng)誤差。凡誤差的數(shù)值固定或按一定規(guī)律變化者，均屬于系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是有規(guī)律性的，因此可以通過實驗的方法或引入修正值的方法計算修正，也可以重新調(diào)整測量儀表的有關(guān)部件予以消除。1.系統(tǒng)誤差：夏天擺鐘變慢的原因是什么？現(xiàn)在是30頁\一共有50頁\編輯于星期三系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差原因：（1）測量儀器或測量系統(tǒng)本身不夠完善，如儀表本身刻度不準、測量原理不完善。（2）儀表使用不當(dāng)，如測量人員操作不當(dāng)、讀數(shù)不準。（3）測量時外界環(huán)境條件變化，如環(huán)境溫度、濕度、電磁場影響等。如果測量系統(tǒng)或測量條件不變，即使增加測量次數(shù)也并不能減少系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的大小反映了測量結(jié)果的正確度。現(xiàn)在是31頁\一共有50頁\編輯于星期三系統(tǒng)誤差：

定義：同一被測量多次測量，誤差的絕對值和符號保持不變，或按某種確定規(guī)律變化。前者稱為恒值系統(tǒng)誤差，后者稱為變值系統(tǒng)誤差。特點:增加測量次數(shù)不能減小該誤差原因：儀表本身原因，使用不當(dāng)，測量環(huán)境發(fā)生大的改變處理方法：校正——求得與誤差數(shù)值相等、符號相反的校正值，加上測量值現(xiàn)在是32頁\一共有50頁\編輯于星期三1.系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)理論分析及計算實驗對比法殘余誤差觀察法殘余誤差校核法計算數(shù)據(jù)比較法2.系統(tǒng)誤差的削弱和消除從產(chǎn)生誤差源上消除系統(tǒng)誤差引入修正值法采取補償措施采用消除系統(tǒng)誤差的典型測量技術(shù)，例如零值法、微差法、對稱觀察法現(xiàn)在是33頁\一共有50頁\編輯于星期三2.隨機誤差

測量結(jié)果與在重復(fù)條件下，對同一被測量進行無限多次測量所得結(jié)果的平均值之差稱為隨機誤差。也可以采用如下的表達：在同一條件下，多次測量同一被測量，有時會發(fā)現(xiàn)測量值時大時小，誤差的絕對值及正、負以不可預(yù)見的方式變化，該誤差稱為隨機誤差。

存在隨機誤差的測量結(jié)果中，雖然單個測量值誤差的出現(xiàn)是隨機的，既不能用實驗的方法消除，也不能修正，但是就誤差的整體而言，多數(shù)隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。現(xiàn)在是34頁\一共有50頁\編輯于星期三隨機誤差的正態(tài)分布性質(zhì)1.

隨機誤差的概率密度分布服從正態(tài)分布特點：(1)有界性：大誤差出現(xiàn)的概率接近于零(2)單峰性：小的誤差出現(xiàn)的概率大于大誤差出現(xiàn)的概率(3)對稱性：絕對值相等而符號相反的隨機誤差出現(xiàn)的概率相同(4)抵償性：隨測量次數(shù)n的增加到無窮多時，全部隨機誤差的平均值趨于零現(xiàn)在是35頁\一共有50頁\編輯于星期三2.正態(tài)分布的數(shù)學(xué)描述：

，為特征參數(shù)(1)真值(2)標準誤差或均方根差現(xiàn)在是36頁\一共有50頁\編輯于星期三＝0.5=1.0=2.0越小h越大，精密度越高(3)精密度指數(shù)現(xiàn)在是37頁\一共有50頁\編輯于星期三隨機事件與隨機誤差有區(qū)別，并不一定符合正態(tài)分布規(guī)律。

彩票搖獎（無規(guī)律可循，不可預(yù)測）現(xiàn)在是38頁\一共有50頁\編輯于星期三隨機誤差定義：同一被測量多次測量時，誤差的絕對值和符號的變化不可預(yù)知特點：單次測量值誤差的大小和正負不確定；但對一系列重復(fù)測量，誤差的分布有規(guī)律：服從統(tǒng)計規(guī)律隨機誤差與系統(tǒng)誤差之間即有區(qū)別又有聯(lián)系；二者無絕對界限，一定條件可相互轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)在是39頁\一共有50頁\編輯于星期三測量的精密度、正確度和準確度衡量測量結(jié)果與真值的接近程度三個術(shù)語：精密度、正確度、準確度精密度：對同一被測量多次測量，測量的重復(fù)程度。反映了隨機誤差的大小。正確度：對同一被測量多次測量，測量值偏離被測量真值的程度反映了系統(tǒng)誤差的大小。準確度：精密度和正確度的綜合（精確度）反映了測量結(jié)果與真值的一致程度?，F(xiàn)在是40頁\一共有50頁\編輯于星期三精密度高正確度高準確度高現(xiàn)在是41頁\一共有50頁\編輯于星期三馬修·埃蒙斯現(xiàn)在是42頁\一共有50頁\編輯于星期三2004年雅典奧運會男子步槍三姿決賽，前九槍領(lǐng)先對手3環(huán)之多的馬修最后一槍鬼使神差地把子彈打到了別人的靶子上（過失誤差），居然還是驚人的10.6環(huán)（精密度很高），把近在咫尺的金牌拱手讓給了中國老將賈占波。2008年8月17日，北京奧運會男子50米步槍3x40決賽舉行。美國選手埃蒙斯在倒數(shù)第二輪領(lǐng)先將近4環(huán)，金牌幾乎唾手可得的情況下，重演了雅典的嚴重失誤，最后一輪僅打出了4.4環(huán)（過失誤差，但比上次準確度高），邱健憑借最后一槍穩(wěn)定的發(fā)揮獲得了金牌，埃蒙斯再次奇跡般的與冠軍無緣?，F(xiàn)在是43頁\一共有50頁\編輯于星期三羅格這樣解釋這個故事之于他的感動：“最讓我感動的是他的態(tài)度，他說，這是一個巨大的失敗，我承擔(dān)責(zé)任，但我還會回來，去贏得那枚金牌。他的故事講述的是，奧運會不僅僅是贏的過程，也是每一個運動員每天向自己的極限挑戰(zhàn)的過程。”2012年倫敦奧運會男子50米步槍三姿決賽，美國射擊選手馬修·埃蒙斯再次折在“最后一槍”——在決賽第9槍還領(lǐng)先對手1環(huán)多的情況下，埃蒙斯的最后一槍只打出7.6環(huán)（過失誤差，但準確度比以前更高了），將幾乎到手的銀牌拱手“送給”韓國選手金鐘鉉，只獲得了一枚銅牌。埃蒙斯說，“任何時候都有站上奧運會領(lǐng)獎臺的機會，這種的感覺妙不可言。打出最后一槍后，我低下頭想，嘿，我得到了一枚銅牌，真酷?！爆F(xiàn)在是44頁\一共有50頁\編輯于星期三塞翁失馬雅典奧運會上，給捷克電視臺做解說的卡捷琳娜目睹了馬修的“悲慘”遭遇。于是，心地善良的卡捷琳娜和那個對她來說高高在上的“倒霉蛋”世界冠軍，有了第一次真正的對話。兩個多月后的世界杯總決賽，卡捷琳娜和馬修再次相遇，兩人越聊越投機。2007年6月30日，他們走進了幸福的婚姻殿堂?！霸缰郎系蹠芽ㄌ亓漳荣n給我，我在第一槍時我就脫靶?！爆F(xiàn)在是4