《能源與動力工程測量儀表》課件

能源與動力工程測量儀表本課程旨在全面介紹能源與動力工程領域中常用的測量儀表及其應用。我們將深入探討各種測量儀表的原理、結構、性能指標以及在實際工程中的應用。通過本課程的學習，學生將掌握各種測量儀表的選型、安裝、調(diào)試和維護方法，為從事能源與動力工程相關領域的工作奠定堅實的基礎。課程目標與內(nèi)容概述1課程目標使學生掌握能源與動力工程中常用測量儀表的原理、結構、性能指標和應用。培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力，提高學生的工程實踐水平。2內(nèi)容概述本課程主要包括：測量儀表的定義與作用、測量儀表的分類、誤差理論基礎、不確定度評定、溫度、壓力、流量、物位、成分分析、燃燒參數(shù)、振動、噪聲測量儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器標定、儀表選型、安裝與維護及測量儀表的發(fā)展趨勢。測量儀表的定義與作用定義測量儀表是用于測量各種物理量（如溫度、壓力、流量、物位等）的裝置。它能夠將被測量轉換為可觀測或可傳輸?shù)男盘?，為工程控制、科學研究和生產(chǎn)管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。作用測量儀表在能源與動力工程中扮演著至關重要的角色。它能夠實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。同時，測量儀表還能為優(yōu)化控制提供數(shù)據(jù)支持，提高能源利用效率，降低生產(chǎn)成本。測量儀表的分類按測量對象溫度儀表、壓力儀表、流量儀表、物位儀表、成分分析儀表等。每種儀表都有其特定的測量范圍和應用場景。按工作原理機械式儀表、電子式儀表、光學式儀表、化學式儀表等。不同的工作原理決定了儀表的性能特點和適用范圍。按信號形式模擬儀表、數(shù)字儀表。模擬儀表輸出連續(xù)變化的信號，數(shù)字儀表輸出離散的數(shù)字信號，便于數(shù)據(jù)處理和傳輸。誤差理論基礎誤差的定義測量值與真值之間的差異。誤差是不可避免的，但可以通過合理的測量方法和數(shù)據(jù)處理手段進行控制和減小。誤差的表示方法絕對誤差、相對誤差、引用誤差。不同的表示方法適用于不同的場合，能夠更清晰地反映測量的準確程度。誤差的傳遞在間接測量中，誤差會通過函數(shù)關系傳遞，影響最終的測量結果。需要分析誤差的傳遞規(guī)律，合理選擇測量方案。誤差的來源與分類誤差來源誤差的來源包括：儀表本身、測量方法、環(huán)境條件、操作人員等。了解誤差的來源是控制誤差的前提。誤差分類誤差可以分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。不同類型的誤差有不同的處理方法。隨機誤差的統(tǒng)計規(guī)律1正態(tài)分布隨機誤差通常服從正態(tài)分布。正態(tài)分布的特點是：誤差的絕對值越小，出現(xiàn)的概率越大；誤差的正負出現(xiàn)的概率相等。2標準差標準差是衡量隨機誤差大小的重要指標。標準差越小，表明測量結果的重復性越好。3置信區(qū)間置信區(qū)間是在一定的置信概率下，真值可能存在的范圍。置信區(qū)間越窄，表明測量結果的可靠性越高。系統(tǒng)誤差的辨識與消除辨識1消除2分析3系統(tǒng)誤差是指在同一條件下多次測量同一量時，誤差的大小和方向保持不變或按一定規(guī)律變化的誤差。辨識系統(tǒng)誤差的方法包括：實驗對比法、理論分析法、殘差分析法等。消除系統(tǒng)誤差的方法包括：修正法、補償法、消除誤差源法等。測量不確定度評定定義測量不確定度是表征合理賦予被測量值的分散性的參數(shù)。它反映了測量結果的可靠程度。A類評定用統(tǒng)計方法評定，基于對測量列的統(tǒng)計分析。計算標準差、平均值等統(tǒng)計量。B類評定用非統(tǒng)計方法評定，基于已有的知識和信息。包括儀表的檢定證書、經(jīng)驗數(shù)據(jù)等。直接測量不確定度評定步驟1.建立測量模型；2.評定A類不確定度分量；3.評定B類不確定度分量；4.合成標準不確定度；5.計算擴展不確定度；6.報告測量結果及不確定度。注意事項A類和B類評定方法選擇要合理；合成標準不確定度時，要考慮各分量之間的相關性；擴展不確定度的包含因子要根據(jù)置信概率選擇。間接測量不確定度評定建立函數(shù)關系確定最終測量結果與各直接測量量之間的函數(shù)關系。誤差傳遞公式利用誤差傳遞公式，計算各直接測量量的不確定度對最終結果的影響。合成不確定度將各分量的不確定度合成，得到最終結果的不確定度。溫度測量儀表熱電偶基于塞貝克效應，結構簡單，測量范圍廣。熱電阻基于電阻隨溫度變化，精度高，穩(wěn)定性好。光學測溫基于物體輻射，非接觸測量，適用于高溫。熱電偶溫度計原理基于塞貝克效應，兩種不同金屬組成的回路，當兩端存在溫度差時，產(chǎn)生熱電動勢，熱電動勢的大小與溫度差有關。特點測量范圍廣、結構簡單、價格低廉、但精度較低，易受干擾。熱電阻溫度計1原理基于金屬或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的特性。鉑電阻（Pt100）是最常用的熱電阻。2優(yōu)點精度高、穩(wěn)定性好、線性度好。3缺點測量范圍較窄、響應速度較慢、易受自熱影響。光學測溫法原理基于物體輻射的能量與溫度之間的關系。高溫物體會發(fā)出可見光或紅外線，通過測量輻射能量來確定溫度。優(yōu)點非接觸測量、響應速度快、測量范圍廣、不受介質影響。缺點易受環(huán)境光影響、精度較低、需要考慮發(fā)射率。壓力測量儀表彈性式1電容式2壓阻式3壓力測量儀表用于測量介質的壓力。常見的壓力測量儀表包括彈性式壓力計、電容式壓力傳感器和壓阻式壓力傳感器。不同的壓力測量儀表適用于不同的壓力范圍和測量環(huán)境。彈性式壓力計原理基于彈性元件（如彈簧、波紋管、膜片）在壓力作用下產(chǎn)生變形，通過測量變形量來確定壓力的大小。特點結構簡單、堅固耐用、價格低廉、但精度較低，易受振動影響。電容式壓力傳感器1原理基于電容器的電容值隨壓力變化而變化的特性。壓力作用于膜片，引起電容變化，通過測量電容變化來確定壓力的大小。2優(yōu)點精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好。3缺點易受溫度影響、抗干擾能力較差、價格較高。壓阻式壓力傳感器原理基于半導體的壓阻效應，壓力作用于半導體，引起電阻值變化，通過測量電阻變化來確定壓力的大小。優(yōu)點體積小、重量輕、線性度好、響應速度快。缺點易受溫度影響、零點漂移較大、需要進行溫度補償。流量測量儀表差壓式容積式速度式流量測量儀表用于測量管道或通道中流體的流量。常見的流量測量儀表包括差壓式流量計、容積式流量計和速度式流量計。不同的流量測量儀表適用于不同的流體介質和流量范圍。差壓式流量計原理基于流體流經(jīng)節(jié)流裝置（如孔板、文丘里管）時產(chǎn)生壓降，壓降的大小與流量的平方成正比。通過測量壓降來確定流量的大小。特點結構簡單、應用廣泛、價格低廉、但精度較低，壓損較大。容積式流量計1原理通過測量流體流經(jīng)儀表時，被分割成一個個已知容積的體積單元的數(shù)量來確定流量的大小。2優(yōu)點精度高、不受流體密度和粘度的影響。3缺點結構復雜、體積大、價格高、不適用于高粘度流體。速度式流量計原理通過測量流體的流速來確定流量的大小。常見的速度式流量計包括渦輪流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。渦輪流量計測量精度較高，適用范圍較廣。電磁流量計無阻礙測量，壓損小，適用于導電流體。超聲波流量計非接觸測量，適用于各種流體。物位測量儀表1直接測量2間接測量3輻射式物位測量儀表用于測量容器內(nèi)物料的高度或位置。常見的物位測量方法包括直接測量法、間接測量法和輻射式物位計。不同的物位測量方法適用于不同的物料和測量環(huán)境。直接測量法原理直接測量法是通過直接接觸物料表面來測量物位。常見的直接測量法包括浮標式、鋼帶式、音叉式等。特點結構簡單、成本低廉、但精度較低，易受物料性質影響。間接測量法1原理間接測量法是通過測量與物位相關的其他物理量來間接確定物位。常見的間接測量法包括壓力式、差壓式、超聲波式、雷達式等。2優(yōu)點非接觸測量、適用范圍廣、精度較高。3缺點易受介質性質影響、需要進行校準。輻射式物位計原理利用放射源發(fā)出的射線穿透物料，通過測量射線強度變化來確定物位的高低。優(yōu)點非接觸測量、穿透能力強、適用于高溫、高壓、腐蝕性等惡劣環(huán)境。缺點成本高昂、存在安全隱患、需要進行嚴格的安全防護。成分分析儀表氣體液體固體成分分析儀表用于分析物質的化學成分和含量。根據(jù)測量對象的不同，成分分析儀表可以分為氣體成分分析儀表、液體成分分析儀表和固體成分分析儀表。不同的成分分析儀表適用于不同的測量對象和測量要求。氣體成分分析紅外線法利用氣體對特定波長的紅外線的吸收特性進行分析，適用于CO、CO2、SO2等氣體。電化學法利用氣體在電化學傳感器上的反應進行分析，適用于O2、H2S等氣體。液體成分分析1色譜法利用不同物質在色譜柱中的分離特性進行分析，適用于復雜有機物混合物的分析。2光譜法利用物質對特定波長的光線的吸收或發(fā)射特性進行分析，適用于金屬離子、有機物等。3電化學法利用物質在電化學傳感器上的反應進行分析，適用于pH值、溶解氧等。固體成分分析X射線衍射利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象進行分析，適用于晶體結構分析。質譜法利用物質的離子在磁場中的運動規(guī)律進行分析，適用于元素成分和同位素分析。能譜法利用物質受電子束激發(fā)后產(chǎn)生的特征X射線進行分析，適用于元素成分分析。燃燒參數(shù)測量空燃比煙氣成分熱值燃燒參數(shù)的測量對于提高燃燒效率、降低污染物排放具有重要意義。常見的燃燒參數(shù)包括空燃比、煙氣成分和熱值。空燃比測量氧傳感器利用氧傳感器測量排氣中的氧氣含量，從而確定空燃比。流量計分別測量空氣和燃料的流量，計算空燃比。煙氣成分分析1CO測量一氧化碳的含量，反映燃燒不完全程度。2NOx測量氮氧化物的含量，評估氮氧化物排放水平。3SO2測量二氧化硫的含量，評估硫氧化物排放水平。熱值測量量熱儀利用量熱儀直接測量燃料燃燒釋放的熱量。計算法根據(jù)燃料的成分計算熱值。振動測量儀表1傳感器原理2信號分析振動測量儀表用于測量設備的振動狀態(tài)，為設備故障診斷和維護提供依據(jù)。常見的振動測量儀表包括振動傳感器和振動信號分析儀。振動傳感器原理壓電式基于壓電效應，將振動轉換為電信號。電渦流式基于電渦流效應，測量傳感器與被測物體之間的距離變化。振動信號分析1時域分析分析振動信號的時域波形，提取振幅、頻率等特征。2頻域分析利用傅里葉變換將振動信號轉換為頻譜，分析信號的頻率成分。噪聲測量儀表聲級計原理噪聲頻譜分析噪聲測量儀表用于測量環(huán)境噪聲的大小，為噪聲控制和環(huán)境保護提供依據(jù)。常見的噪聲測量儀表包括聲級計和噪聲頻譜分析儀。聲級計原理麥克風將聲波轉換為電信號。放大器放大電信號。計權網(wǎng)絡模擬人耳對不同頻率聲音的敏感程度。顯示器顯示聲級值。噪聲頻譜分析1FFT利用快速傅里葉變換將噪聲信號轉換為頻譜，分析信號的頻率成分。2倍頻程分析將噪聲信號分成若干個倍頻程，分析各倍頻程的聲壓級。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1組成與功能2信號調(diào)理3數(shù)據(jù)采集軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集、存儲和處理測量數(shù)據(jù)，為工程分析和決策提供依據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集卡、信號調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集軟件。數(shù)據(jù)采集卡的組成與功能ADC模數(shù)轉換器，將模擬信號轉換為數(shù)字信號。DAC數(shù)模轉換器，將數(shù)字信號轉換為模擬信號。IO接口與傳感器和計算機進行數(shù)據(jù)交換。信號調(diào)理電路1放大放大微弱信號。2濾波濾除噪聲和干擾。3隔離隔離傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，防止干擾。數(shù)據(jù)采集軟件數(shù)據(jù)采集采集測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲存儲測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理處理測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示顯示測量數(shù)據(jù)。傳感器標定1方法與步驟2設備介紹3結果分析傳感器標定是指確定傳感器輸出信號與被測量之間的關系。通過標定，可以提高傳感器的測量精度。標定方法與步驟靜態(tài)標定在靜態(tài)條件下進行標定，適用于測量變化緩慢的物理量。動態(tài)標定在動態(tài)條件下進行標定，適用于測量變化快速的物理量。標定設備介紹1標準器提供標準測量值。2測量儀器測量傳感器的輸出信號。3環(huán)境控制設備控制標定環(huán)境的溫度、濕度等參數(shù)。標定結果分析線性度傳感器輸出信號與被測量之間的線性關系。靈敏度傳感器輸出信號的變化量與被測量變化量之比。重復性傳感器在相同條件下多次測量同一量時，輸出信號的一致性。儀表選型原則測量范圍與精度環(huán)境適應性經(jīng)濟性考慮儀表選型是保證測量結果準確可靠的重要環(huán)節(jié)。在選擇測量儀表時，需要綜合考慮測量范圍與精度、環(huán)境適應性和經(jīng)濟性等因素。測量范圍與精度測量范圍選擇的儀表的測量范圍應覆蓋被測量的實際范圍。精度選擇的儀表的精度應滿足測量要求。環(huán)境適應性1溫度選擇的儀表應能在工作環(huán)境溫度下正常工作。2濕度選擇的儀表應能在工作環(huán)境濕度下正常工作。3腐蝕性選擇的儀表應能耐受工作環(huán)境中的腐蝕性介質。經(jīng)濟性考慮價格在滿足測量要求的前提下，選擇價格合理的儀表。維護成本選擇維護成本低的儀表。使用壽命選擇使用壽命長的儀表。儀表安裝與維護安裝注意事項常見故障排除維護保養(yǎng)方法儀表的正確安裝和維護是保證測量結果準確可靠的重要措施。需要注意安裝事項、排除常見故障和采取正確的維護保養(yǎng)方法。安裝注意事項位置選擇選擇合適的安裝位置，避免振動、高溫、潮濕等環(huán)境的影響。固定方式采用正確的固定方式，保證儀表的穩(wěn)定可靠。連接方式采用正確的連接方式，保證信號傳輸?shù)臏蚀_性。常見故障排除1無信號輸出檢查電源、線路和傳感器是否正常。2信號不穩(wěn)定檢查傳感器是否松動、線路是否有干擾。3精度下降重新標定傳感器。維護保養(yǎng)方法定期清潔定期清潔傳感器和儀表表面，保持清潔。