熱工測量的基本概念

關(guān)于熱工測量的基本概念第一章熱工測量的基本概念主要內(nèi)容

一、測量的基本概念二、測量方法三、熱工測量系統(tǒng)的組成五、儀表的主要質(zhì)量指標六、儀表的檢定第2頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1測量的基本概念1.1.1測量的意義

日常生活中處處離不開測量科學的進步和發(fā)展離不開測量，離開測量就不會有真正的科學。

沒有望遠鏡就沒有天文學，沒有顯微鏡就沒有細胞學，沒有指南針就沒有航海事業(yè)第3頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.1測量的意義（續(xù)）生產(chǎn)發(fā)展離不開測量

農(nóng)業(yè)社會中，需要丈量土地、衡量谷物，就產(chǎn)生了長度、面積、容積和重量的測量；掌握季節(jié)和節(jié)候，出現(xiàn)了原始的時間測量器具，并有了天文測量。現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，處處離不開測量例如，一個大型鋼鐵廠需要約2萬個測量點在高新技術(shù)和國防現(xiàn)代化建設(shè)中則更是離不開測量例如，每種新設(shè)計的飛機，需要測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風洞試驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改進設(shè)計。第4頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.2測量技術(shù)的發(fā)展與研究的內(nèi)容

知識的獲取往往從測量開始。人類在其自身的社會發(fā)展中創(chuàng)造并發(fā)展了測量學科，人類早期的測量活動涉及對長度（距離）、時間、面積和重量等量的測量。隨著社會的進步和科學的發(fā)展，測量活動的范圍不斷擴大，測量的工具和手段不斷精細和復雜化，從而也不斷地豐富和完善了測量的理論。第5頁,共74頁，2024年2月25日，星期天測量的發(fā)展公元前3000年，古埃及人建立了長度的統(tǒng)一標準――埃爾；秦始皇在統(tǒng)一六國后，建立了統(tǒng)一的度量制度；今天，測量學科已滲透到人類活動的每個領(lǐng)域。

科學技術(shù)的迅猛發(fā)展給測量學這一古老的學科注入了新的活力，現(xiàn)代電子技術(shù)、尤其是信息技術(shù)的發(fā)展更是推動測量學科迅猛發(fā)展。因此測量學是一門多學科交叉的邊緣學科。

第6頁,共74頁，2024年2月25日，星期天測量的內(nèi)涵及其科學性:

“凡存在之物，必以一定的量存在?！?“當你能測量你在談及的事物，并將它用數(shù)字表達時，你對它便是有所了解的；而當你不能測量它，不能將它用數(shù)字表達時，你的知識是貧瘠的和不能令人滿意的。”

——WilliamThompson

第7頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.2測量的定義1.狹義測量的定義測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設(shè)備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。

測量結(jié)果＝測量數(shù)值.測量單位，即：第8頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.2測量的定義1.狹義測量的定義測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設(shè)備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結(jié)果。

第9頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.2測量的定義（續(xù)）被測物體的重量等于標準砝碼的重量被測物體的重量從度盤上讀數(shù)，因為，彈簧秤度盤上的刻度是事先與標準量進行比較的結(jié)果。第10頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.2測量的定義（續(xù)）2.廣義測量的定義廣義地講，測量不僅對被測的物理量進行定量的測量，而且還包括對更廣泛的被測對象進行定性、定位的測量。例如故障診斷、無損探傷、遙感遙測、礦藏勘探、地震源測定、衛(wèi)星定位等。而測量結(jié)果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息，還可以用二維或多維的圖形、圖像來顯示被測對象的屬性特征、空間分布、拓樸結(jié)構(gòu)等。廣義測量原理可以從信息獲取過程來說明，包括信息的感知和信息識別兩個環(huán)節(jié)。

第11頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.2測量的基本概念（續(xù)）測量的內(nèi)涵①測量對象：被測客體中的相應(yīng)的量值信息；測量目的：從被測對象取得一個定量的認識；②測量過程:通過實驗去認識對象的過程③測量方法：比較；A.直接比較B.間接比較；C.需要測量儀器；④測量標準：同類已知單位。⑤測量結(jié)果：最終能表示給測量主體（人）第12頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素1.測量的基本要素 被測對象、測量儀器、測量技術(shù)、測量人員和測量環(huán)境

第13頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素（續(xù)）第14頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素（續(xù)）2.測量過程——基本要素之間的互動關(guān)系論證階段:

測量的主體（測量人員）根據(jù)測試任務(wù)的要求、被測對象的特點、屬性，及現(xiàn)有儀器設(shè)備狀況，擬定合理的測試方案。設(shè)計階段*選擇測試儀器，組建測試系統(tǒng)。*制定出測試策略（測量算法）和操作步驟（測試程序）實施階段*對儀器和系統(tǒng)實施測試操作（發(fā)控制命令），按照邏輯和時序完成測量過程，取得測量數(shù)據(jù);*分析測量誤差并顯示測量出結(jié)果。第15頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素（續(xù)）第16頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素（續(xù)）3.被測對象——信息廣義的測量是信息的獲取，信息反映了事物的運動的狀態(tài)及其變化方式。信息又可分為自然信息和社會信息兩大類。4.測量儀器系統(tǒng)——量具和儀器測量儀器系統(tǒng)包括量具、測試儀器、測試系統(tǒng)及附件等5.測量的主體——測量人員手動：由測量主體（測量人員）直接參與完成自動：測量主體交給智能設(shè)備（計算機等）完成，但測量策略、軟件算法、程序編寫需由測量人員事先設(shè)計好。6.測試技術(shù)測量中所采用的原理、方法和技術(shù)措施，總稱為測試技術(shù)。第17頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素（續(xù)）7.測量環(huán)境測量環(huán)境是指測量過程中人員、對象和儀器系統(tǒng)所處空間的一切物理和化學條件的總和。測量環(huán)境包括溫度、濕度、力場、電磁場、輻射、化學氣霧和粉塵，霉菌以及有關(guān)電磁量（工作電壓、源阻抗、負載阻抗、地磁場、雷電等）的數(shù)值、范圍及其變化。第18頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素（續(xù)）環(huán)境對測量的影響A.環(huán)境對被測對象的影響：某些被測對象客體（如器件、電路或系統(tǒng)）的性能特性對環(huán)境變化較為敏感或非常敏感，因此，原則上測量應(yīng)在被測對象的正?；蝾~定工作條件下進行。B.環(huán)境對儀器系統(tǒng)的影響：環(huán)境可能直接或間接地影響到儀器系統(tǒng)本身的某個工作特性，進而影響測量結(jié)果，造成測量誤差。特別是某些測量器具的量程廣、頻段寬，而內(nèi)部的元器件數(shù)目甚多，且對外界影響相當敏感，錯綜復雜的影響量所產(chǎn)生的不良效應(yīng)有時會成為測量的嚴重問題。C.環(huán)境對測量人員的影響：高溫、嚴寒、潮濕、悶氣、嘈雜、照明不適當?shù)炔涣脊ぷ鳝h(huán)境，會對測量人員的身心產(chǎn)生不良影響，從而引起不同程度的人身誤差乃至差錯。第19頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素（續(xù)）應(yīng)采取適當?shù)目刂拼胧M量減少由于環(huán)境影響而產(chǎn)生的誤差。恒溫、恒濕、穩(wěn)壓和防震。抗干擾、防噪聲的措施，如接地、屏蔽、隔離、濾波等。儀器應(yīng)能盡量適應(yīng)惡劣環(huán)境和大范圍變化環(huán)境。第20頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.3測量的基本要素（續(xù)）儀器以工作環(huán)境條件的不同要求分為三組：I組：良好的環(huán)境條件，溫度+10～+35oC，相對濕度80%（在35oC上），只允許有輕微的振動。II組：一般的環(huán)境條件，溫度－10～+40oC，相對濕度80%（在40oC上），允許一般的振動和沖擊。III組：惡劣的環(huán)境條件，溫度－40～+55oC，相對濕度90%（在35oC上），允許頻繁的搬動和運輸中受到較大的沖擊和振動。I組——高精度計量用儀器II組——通用儀器III組——野外、機載等儀器第21頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.4測量的本質(zhì)和基本前提測量的本質(zhì)：采集和表達被測物理量；與標準作比較。將度量數(shù)字X作為比較量N（標準）的倍數(shù)賦予被測量x則有：X=xN （1.1）從量綱上考慮對應(yīng)上式有下述公式成立：[d]=[-]·[d] （1.2）

d表示量綱。第22頁,共74頁，2024年2月25日，星期天測量的前提：被測的量必須有明確的定義；測量標準必須事先通過協(xié)議確定。沒有明確定義（如：氣候的“舒適度”或人的“智力”等）的量，在上述的意義上是不可測的?；緲藴剩ń^對標準）：彼此相互獨立的標準。 在國際度量衡大會（CGPM：ConférenceGénéraledesPoidsetMésures）上定義了七個基本標準：長度、質(zhì)量、時間、溫度、電流、光強和原子物理中的物質(zhì)量。第23頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.5標準及其單位各國在商業(yè)及其它涉及公眾利益的范圍內(nèi)都制定有法定計量學的規(guī)定條例，這些條例涉及法定計量學的三大范疇：確定單位和單位制；確定國家施加影響的范圍（測量儀表的校準義務(wù)，官方監(jiān)督職能和校準能力）；實施校準和官方監(jiān)督。

目的：保證正當競爭；保護公民免遭不公平對待或由不正確計量結(jié)果所帶來的損害；

保護消費者利益。第24頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.6單位和單位制

根據(jù)定義而令系數(shù)為1的量稱為單位。單位是表征測量結(jié)果的重要組成部分，又是對兩個同類量值進行比較的基礎(chǔ)。英呎——feet第25頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.6單位和單位制（續(xù)）1960年第十一屆國際計量大會上正式通過國際單位制SI。1984年2月國務(wù)院頒布了《中華人民共和國法定計量單位》，決定我國法定計量單位以國際單位制為基礎(chǔ)。SI有7個基本單位第26頁,共74頁，2024年2月25日，星期天國際單位制（SI）：國際度量衡大會在1960年將大會以前確定的七個基本單位的系統(tǒng)命名為“國際單位制”，國際上統(tǒng)一縮寫為SI（SystèmeInternationald’Unités）?；締挝唬浩邆€基本單位分別賦于七個基本量，經(jīng)協(xié)議規(guī)定認為是彼此獨立的。第27頁,共74頁，2024年2月25日，星期天國際單位的基本量和基本單位第28頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.1.6單位和單位制（續(xù)）國際單位制是由國際單位制單位、國際單位制詞頭和國際單位制的十進倍數(shù)單位三部分組成。國際單位制詞頭表示使單位增大或縮小的十進倍數(shù)。例：5.4X10-9s=5.4ns

第29頁,共74頁，2024年2月25日，星期天SI基本單位的定義1米被定義為真空中的光在（1/299792458）秒時間內(nèi)所經(jīng)過的距離的長度（1983年）。該標準的復制精度可達±10-9

。1千克定義為國際千克原型器的質(zhì)量（1889年），該國際千克原型器是保存在法國巴黎塞夫勒博物館中的一根鉑銥合金圓柱體。其復制精度可達10-9數(shù)量級。1秒被定義為銫133原子基本態(tài)的兩個超精細結(jié)構(gòu)能級間躍遷所對應(yīng)的周期時間的9192631770倍（1967年）。１安培定義為流經(jīng)在真空中兩根平行且相距1m的無限長直導線（其圓橫截面可忽略不計）上并能在其每米長導線之間產(chǎn)生0.2×10-6N的電動力的不隨時間變化的電流量（1948年）。第30頁,共74頁，2024年2月25日，星期天SI基本單位的定義（續(xù)）1開爾文被定義為水的三態(tài)點的熱力學溫度的273.16分之一（1967年）。1坎德拉被定義為在101325N/m2的氣壓和鉑開始凝固的溫度下垂直照射在表面積為1/600000m2輻射黑體上的光強（1967年）。1摩爾的定義是：一個由確定成份組成的系統(tǒng)。如果它含有粒子的個數(shù)等于碳12原子核的（12/1000）kg重量中所含原子的個數(shù)，則該系統(tǒng)的物質(zhì)量為一摩爾（1971年），此處所述的粒子可以是原子、分子、離子和電子等。第31頁,共74頁，2024年2月25日，星期天國際單位制的導出單位

導出單位從基本單位出發(fā)，用乘、除符號以代數(shù)式表達。不同的導出單位有各自專門的各稱和專門的單位符號，這些單位名稱和單位符號可單獨使用。還能和基本單位一起合成進一步的導出單位。第32頁,共74頁，2024年2月25日，星期天用基本單位表示的SI導出單位

第33頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.熱工測量：熱力狀態(tài)參數(shù);熱力生產(chǎn)過程相關(guān)參數(shù)的測量。（壓力、溫度等；流量、液位、振動、位移、轉(zhuǎn)速、煙氣成分）1．2

熱工測量測量過程的三要素：測量方法；測量單位；測量工具

方法合理；單位穩(wěn)定；工具準確一、概述第34頁,共74頁，2024年2月25日，星期天2、熱工測量的作用：反映設(shè)備運行；為自動化裝置提供信號，為機組經(jīng)濟計算提供數(shù)據(jù)。第35頁,共74頁，2024年2月25日，星期天隨現(xiàn)代化電廠測點的增多，使用數(shù)據(jù)采集和屏幕顯示來顯示處理數(shù)據(jù)。第36頁,共74頁，2024年2月25日，星期天火電廠第37頁,共74頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共74頁，2024年2月25日，星期天二、測量方法直接測量法:用測量儀器直接得到被測量。（直尺測量長度,壓力表測壓力,玻璃溫度計測溫度）間接測量法：通過直接測量其它變量，再按函數(shù)關(guān)系計算求得被測量數(shù)值的方法（過熱蒸汽的質(zhì)量流量：測得的是過熱蒸汽的溫度、壓力和標準節(jié)流裝置的差壓信號信號，計算后得到流量）1.直接測量法和間接測量法（被測值獲取方式不同)測量方法：獲得測量值的方法。根據(jù)不同的分類標準，可包括第39頁,共74頁，2024年2月25日，星期天偏差測量法：被測量的作用在測量工具上，其偏離測量工具的初始狀態(tài)（零點），偏離量得到被測量值。（單管壓力計測壓：壓力作用使管中水銀柱偏離初始零刻度點，偏移量代表被測壓力值）微差測量法：被測量被一個同類準確已知的恒定量平衡了大部分，剩下的差值用偏差法測量。測量結(jié)果是已知量值和偏差法測得值的代數(shù)和。(檢定熱電偶：測量被校熱電偶的熱電勢與標準熱電偶的微小差，來評價要檢驗的熱電偶的精度）2.偏差測量法、微差測量法、零差測量法（被測量與測量單位比較方式）第40頁,共74頁，2024年2月25日，星期天第41頁,共74頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共74頁，2024年2月25日，星期天零差測量法：使已知量和被測量的差值為零，這時偏差測量僅起檢零作用，已知量即為測量值。隱含：

(1)已知量是連續(xù)可調(diào)的，隨時可通過調(diào)節(jié)得到被測量。

(2)已知量可容易的準確測量（用電位差計測量熱電偶產(chǎn)生的熱電勢。）2.偏差測量法、微差測量法、零差測量法第43頁,共74頁，2024年2月25日，星期天第44頁,共74頁，2024年2月25日，星期天靜態(tài)測量法：被測量在測量過程中不隨時間變化，或變化速率相對于測量速率變化十分緩慢動態(tài)測量法：測量過程中被測量隨時間有明顯變化3.靜態(tài)測量法和動態(tài)測量法（測量過程中的狀態(tài)）第45頁,共74頁，2024年2月25日，星期天

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(yīng)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(guān)系

三、熱工測量系統(tǒng)的組成第46頁,共74頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共74頁，2024年2月25日，星期天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）第48頁,共74頁，2024年2月25日，星期天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)的信號第49頁,共74頁，2024年2月25日，星期天第50頁,共74頁，2024年2月25日，星期天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)第51頁,共74頁，2024年2月25日，星期天第52頁,共74頁，2024年2月25日，星期天四、測試系統(tǒng)原理框圖傳感器：從被測對象獲取有用的信息，并將其轉(zhuǎn)換為適合于測量的變量或信號。信號調(diào)理部分：對從傳感器所輸出的信號作進一步的加工和處理，包括對信號的轉(zhuǎn)換、放大、濾波、儲存、重放、和一些專門的信號處理。顯示和記錄部分：將經(jīng)信號調(diào)理部分處理過的信號用便于人們所觀察和分析的介質(zhì)和手段進行記錄或顯示。被測對象和觀察者也是測試系統(tǒng)的組成部分，它們同傳感器、信號調(diào)理部分以及數(shù)據(jù)顯示與記錄部分一起構(gòu)成了一個完整的測試系統(tǒng)。

第53頁,共74頁，2024年2月25日，星期天儀表內(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第54頁,共74頁，2024年2月25日，星期天

儀表內(nèi)信號傳輸過程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(guān)，因此k3要求高，k1,k2性能可降低故閉環(huán)精度叫高靜態(tài)時：第55頁,共74頁，2024年2月25日，星期天信息獲取轉(zhuǎn)換顯示和處理（信號檢出部分）（信號變換部分）第56頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.4.2基于差值示零的直接比較法1.差值檢測原理:

被測量與標準量直接進行比較①

需要一個具有比較功能的電路，要求比較的范圍寬、靈敏度和分辨力高；②

需要一個與被測量同類的可變標準量參與比較，要求標準量準確且可細微調(diào)節(jié)。比較功能可由運算功能來實現(xiàn)有兩種方式：差值運算比較比例運算比較第57頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.4.2基于差值示零的直接比較法2.差值示零的平衡調(diào)節(jié)（1）零示法原理:

第58頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.4.2基于差值示零的直接比較法（2）實現(xiàn)平衡調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)

當則第59頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.4.2基于差值示零的直接比較法（續(xù)）對稱差動的橋式結(jié)構(gòu)

當時，

第60頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.7儀表的質(zhì)量指標1.可靠性指標有效性(MTBF)＝平均無故障時間平均無故障工作時間＋平均修復時間2.計量性能指標：1)準確度:儀表指示值接近測量真值程度①儀表的示值誤差:表征指示值的準確程度

絕對誤差：

相對誤差：指示值真值相對誤差更能說明示值的準確程度示值誤差有正負第61頁,共74頁，2024年2月25日，星期天相對誤差更能說明示值的準確程度示值誤差有正負絕對誤差愈小，說明指示值愈接近真值，測量精度愈高。但這一結(jié)論只適用于被測量值相同的情況，而不能說明不同值的測量精度。第62頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.7儀表的質(zhì)量指標②儀表的基本誤差

(1)儀表的基本誤差：量程范圍內(nèi)各示值誤差中的絕對值最大者儀表量程A：儀表測量上限與下限之差

(2)儀表的引用誤差：

(3)最大引用誤差：

計量性能指標1)準確度（又稱精確度）:第63頁,共74頁，2024年2月25日，星期天③儀表的準確度等級：允許誤差：基本誤差不能超過的限值，儀表的準確度等級：儀表的最大引用誤差去掉百分號后余下的數(shù)字國家標準系列：0.10.20.51.01.52.54

七個工業(yè)儀表準確度等級，數(shù)字越小，精確度越高（看P10例題）第64頁,共74頁，2024年2月25日，星期天第65頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.7儀表的質(zhì)量指標2)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(jié)果利用測量數(shù)據(jù)，通過計算獲得第66頁,共74頁，2024年2月25日，星期天1.7儀表的質(zhì)量指標3)回差（變差或遲滯誤差）同一輸入量上升和下降時，對應(yīng)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）第67頁,共74頁，2024年