測量儀表基本知識

1、油氣儲運自動化1 測量儀表基本知識,,2,測量的定義,用實驗的方法，把被測量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，確定兩者的比值，從而得到被測量的量值。使測量結(jié)果有意義的要求：用來進行比較的標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)該是國際上或國家所公認的，且性能穩(wěn)定。進行比較所用的方法和儀表必須經(jīng)過驗證。,3,測量的基本方程式：,X = aU 式中， X —— 被測量； U —— 標(biāo)準(zhǔn)量（即選用的測量單位）； a —— 被測

2、量與標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)字比值。,4,測量方法,測量方法就是實現(xiàn)被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較的方法。測量方法的分類（按測量結(jié)果產(chǎn)生的方式分）： （1）直接測量法：使被測量直接與選用的標(biāo)準(zhǔn)量進行比較，或者預(yù)先標(biāo)定好了的測量儀表進行測量，從而直接求得被測量數(shù)值的測量方法。 （2）間接測量法：通過直接測量與被測量有某種確定函數(shù)關(guān)系的其它各個變量，然后將所測得的數(shù)值代入函數(shù)關(guān)系進行計算，從而求得被測量數(shù)值的方法。（3）組合測量法：測量中使各個未知量以不

3、同的組合形式出現(xiàn)（或改變測量條件以獲得這種不同組合），根據(jù)直接測量或間接測量所獲得的數(shù)據(jù)，通過解聯(lián)立方程組以求得未知量的數(shù)值，這類測量稱為組合測量。,5,,測量方法的其它分類方式：按不同的測量條件分：等精度測量與非等精度測量按被測量在測量過程中的狀態(tài)不同分：靜態(tài)測量與動態(tài)測量,6,測量系統(tǒng)由四個基本環(huán)節(jié)組成：傳感器、變換器或變送器、傳輸通道和顯示裝置。,傳感器,變換器,傳輸通道,顯示裝置,被測量,,,,,,測量值,測量系統(tǒng)的組成,7

4、,傳感器（敏感元件）它是測量系統(tǒng)直接與被測對象發(fā)生聯(lián)系的部分。理想敏感元件應(yīng)滿足的要求：敏感元件輸入與輸出之間應(yīng)該有穩(wěn)定的單值函數(shù)關(guān)系。敏感元件應(yīng)該只對被測量的變化敏感，而對其它一切可能的輸入信號不敏感。在測量過程中，敏感元件應(yīng)該不干擾或盡量少干擾被測介質(zhì)的狀態(tài)。,測量環(huán)節(jié)的功能（傳感器）,8,測量環(huán)節(jié)的功能（變送器）,它是傳感器和顯示裝置中間的部分，它是將傳感器輸出的信號變換成顯示裝置易于接收的部件。對變換器的要求：性能

5、穩(wěn)定精確度高，使信息損失最小。,9,測量環(huán)節(jié)的功能（顯示裝置）,它是測量系統(tǒng)直接與觀測者發(fā)生聯(lián)系的部分顯示裝置的基本形式：模擬式顯示元件數(shù)字式顯示元件屏幕式顯示元件,10,測量環(huán)節(jié)的功能（傳輸通道）,它是儀表各環(huán)節(jié)間輸入、輸出信號的連接部分。分為電線、光導(dǎo)纖維和管路等。,11,測量應(yīng)用方面,（1）過程監(jiān)測：對過程參數(shù)的監(jiān)測。 （2）過程控制：為生產(chǎn)過程的自動控制提供依據(jù)。 （3）試驗分析與系統(tǒng)辨識：解決科學(xué)上的和過程上

6、的問題，一般需要綜合運用理論和實驗的方法。測量技術(shù)應(yīng)用于實驗分析，是測量技術(shù)的一個典型應(yīng)用。,12,測量誤差的概念,測量誤差是指由于某些測量儀表本身的問題，或是由于測量原理方法的局限性、外界因素的干擾以及測量者個人因素等原因，使測量儀表的指示值Xm與被測量的真實值Xl(稱為真值)之間存在的偏差值。,13,測量誤差的來源,1、儀器誤差它是由于設(shè)計、制造、裝配、檢定等的不完善以及儀器使用過程中元器件老化、機械部件磨損、疲勞等因素而使測量儀

7、器設(shè)備帶有的誤差。減少儀器誤差的主要途徑是根據(jù)具體測量任務(wù)，正確地選擇測量方法和使用測量儀器。,14,,2、人身誤差它指由于測量者感官的分辨能力、視覺疲勞、固有習(xí)慣等而對測量實驗中的現(xiàn)象與結(jié)果判斷不準(zhǔn)確而造成的誤差。減少人身誤差的途徑,15,,3、影響誤差它是指各種環(huán)境因素與要求條件不一致而造成的誤差。主要的影響因素是環(huán)境溫度、電源電壓和電磁干擾等。,16,,4、方法誤差它是所使用的測量方法不當(dāng)，或?qū)y量設(shè)備操作使用不當(dāng)，或

8、測量所依據(jù)的理論不嚴(yán)格，或?qū)y量計算公式不適當(dāng)簡化等原因而造成的誤差，也稱理論誤差。原則上可通過理論分析和計算或改變測量方法來加以消除或修正。,17,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？,18,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？,19,誤差分類,誤差產(chǎn)生原因及規(guī)律系統(tǒng)誤差：隨機誤差：粗大誤差誤差的數(shù)值表示方法絕對誤差

9、相對誤差引用誤差按誤差與儀表使用條件的關(guān)系基本誤差附加誤差。,20,系統(tǒng)誤差,定義：指測量儀器或方法引起得有規(guī)律的誤差，體現(xiàn)為與真值之間的偏差。事例：如儀器零點誤差，溫度、電磁場等環(huán)境引起的誤差，動力源引起的誤差。解決辦法：單純增加測量次數(shù)，無法減少系統(tǒng)誤差對測量的影響、但在找出產(chǎn)生誤差的原因之后，可以通過對測量結(jié)果引入適當(dāng)?shù)男拚?21,隨機誤差,定義：隨機誤差指在已經(jīng)消除系統(tǒng)誤差之后，在相同的條件下測量同一量時

10、，出現(xiàn)的這種誤差值以不可預(yù)計的方式變化的誤差。形成原因：隨機誤差是出于那些對測量結(jié)果影響較小、我們尚未認識或無法控制的因素(如電子噪聲干擾等)造成的。 在多次重復(fù)測量同一量時，其誤差值總體上服從統(tǒng)計規(guī)律(如正態(tài)分布)。解決辦法：從隨機誤差的統(tǒng)計規(guī)律分布特征，可對其示值大小和可靠性做出評價，并可通過適當(dāng)增加測量次數(shù)求平均值的方法，減少隨機誤差對測量結(jié)果的影響。 隨機誤差就個體而言是無規(guī)律的，不能通過實驗的方法來消除。

11、,22,彩票搖獎,23,粗大誤差,定義：粗大誤差是指一種顯然與事實不符的誤差，其誤差值較大且違反常規(guī)。形成原因：粗大誤差一般是由于操作人員在操作、讀數(shù)或記錄數(shù)據(jù)時粗心大意造成的。測量條件的突然改變或外界重大干擾也會造成粗大誤差。解決辦法：對于這類誤差一旦發(fā)現(xiàn)，應(yīng)及時糾正。,24,絕對誤差,測定值與被測量真值之差稱為測量的絕對誤差，或簡稱測量誤差。 δ= x －X0

12、 式中， δ—— 測量誤差； x —— 測定值（例如儀表指示值）； X0—— 被測量的真值。真值一般無法得到，所以用實際值X代替X0。,25,,對于絕對誤差，應(yīng)注意下面幾個特點：絕對誤差是有單位的量，其單位與測定值和實際值相同。絕對誤差是有符號的量，其符號表示出測定值與實際值的大小關(guān)系。測定值與被測量實際值之間的偏離程度和方向通過絕對誤差來體現(xiàn)。,26,相對誤差,

13、示值的絕對誤差與約定值之比值稱為相對誤差，其為無量綱數(shù)，以百分?jǐn)?shù)表示。一般約定值m有如下幾種取法：xl取測量儀表的指示值x時，Er稱為標(biāo)稱相對誤差；xl取測量的實際值X時， Er稱為實際相對誤差；xl取儀表的滿刻度值時， Er稱為引用相對誤差。,,27,,對于相同的被測量，用絕對誤差評定其測量精度的高低。但對于不同的被測量，則應(yīng)采用相對誤差來評定。測量過程中存在測量誤差是不可避免的，任何測量值只能近似反映被測量的真值。測

14、量過程中無數(shù)隨機因素的影響，使得即使在同一條件下對同一對象進行重復(fù)測量也不會得到完全相同的測量值。被測量總是要對敏感元件施加能量才能使測量系統(tǒng)給出測量值，這就意味著測量值并不能完全準(zhǔn)確的反映被測參數(shù)的真值。,28,,基本誤差是儀表在規(guī)定的正常工作條件下，所可能產(chǎn)生的誤差。儀表基本誤差的允許值，叫做儀表的“最大允許絕對誤差” 。附加誤差是儀表在偏離規(guī)定的正常工作條件下使用時附加產(chǎn)生的新誤差。此時儀表的實際誤差等于基本誤差與附加誤差之和

15、。 由于儀表在工作條件(如溫度、濕度、振動、電源電壓、頻率等)改變時會產(chǎn)生附加誤差，所以在使用儀表時．應(yīng)盡量滿足儀表現(xiàn)定的工作條件，以防止產(chǎn)生附加誤差。,29,測量精度,1．準(zhǔn)確度對同一被測量進行多次測量，測量值偏離被測量真值的程度稱為測量的準(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。2．精密度：對同一被測量進行多次測量，測量值重復(fù)一致的程度，或者說測量值分布的密集程度，稱為測量的精密度。它反映隨機誤差的影響，隨

16、機誤差越小，精密度越高。3．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。,30,,,精密度高,準(zhǔn)確度高,精確度高,31,1．量程范圍儀表能夠測量的最大輸入量與最小輸入量之間的范圍稱作儀表的量程范圍，簡稱量程。在數(shù)值上等于儀表上限值與下限值的代數(shù)差之絕對值。,問：某溫度計測量的最低溫度為-20℃

17、，最高溫度為100℃，它的量程是多少？,120℃,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（量程范圍）,32,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（靈敏度）,2、靈敏度在穩(wěn)定情況下，儀表輸出變化量△L與引起此變化的輸入量的變化量△Xb之比值，定義為儀表的靈敏度。用S表示，即 式中，S—— 儀表靈敏度 △L、△Xb—— 分別為輸入與輸出變化量,問：某測量范圍是0～100MPa的壓力表，其滿量程時指針轉(zhuǎn)角為270度，它的靈敏度是多少？,

18、2.7度/MPa,33,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（靈敏限）,3．靈敏限（分辨率、死區(qū)） 它表明儀表響應(yīng)輸入量微小變化的能力指標(biāo)，即不能引起輸出發(fā)生變化的最大輸入變化幅度與量程范圍之比的百分?jǐn)?shù)。,34,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（儀器基本誤差）,4. 儀器基本誤差 儀表測量值中的最大示值絕對誤差與儀表量程之比值稱為儀表的基本誤差。,35,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（儀器允許誤差）,5. 儀器允許誤差 它

19、表示對測量儀表所允許的誤差界限，即出廠的儀表都要保證基本誤差不超過某一規(guī)定值，此規(guī)定值叫允許誤差。 儀表的δ允越大，表示它的精確度越低；反之，儀表的δ允越小，表示儀表的精確度越高。,36,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（準(zhǔn)確度等級）,6．準(zhǔn)確度等級 它指根據(jù)測量儀表準(zhǔn)確度大小所劃分的等級或級別。允許誤差去掉百分號的數(shù)值就是準(zhǔn)確度等級，工程上稱為精度等級。 目前常用的精確度等級有0.005，0.02

20、，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。,國家標(biāo)準(zhǔn)序列： 標(biāo)準(zhǔn)表、范型表、實用表。 Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)表：0.005、0.02、0.05 ； Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)表：0.1 、0.2 、0.35 、0.5 ; 一般標(biāo)準(zhǔn)表：1.0 、1.5、2.5 、4.0。,37,儀表的精度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。,精度等級數(shù)值越小，就表征該儀表的精確度等級越高，也說明該儀表的精確度越高。0.05級以上的儀表，

21、常用來作為標(biāo)準(zhǔn)表；工業(yè)現(xiàn)場用的測量儀表，其精度大多在0.5以下。,儀表的精度等級一般可用不同的符號形式標(biāo)志在儀表面板上。,舉例,1.5,1.0,如：,,38,舉例,例1　某臺測溫儀表的測溫范圍為200~700℃，校驗該表時得到的最大絕對誤差為＋4℃，試確定該儀表的精度等級。,解 該儀表的相對百分誤差為,如果將該儀表的δ去掉“＋”號與“％”號，其數(shù)值為0.8。由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表，同時，該儀表的誤差超過了0.5級儀表

22、所允許的最大誤差，所以，這臺測溫儀表的精度等級為1.0級。,,39,例2　某臺測溫儀表的測溫范圍為０～1000℃。根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過±７℃，試問應(yīng)如何選擇儀表的精度等級才能滿足以上要求？,解 根據(jù)工藝上的要求，儀表的允許誤差為,如果將儀表的允許誤差去掉“±”號與“％”號，其數(shù)值介于0.5～1.0之間，如果選擇精度等級為1.0級的儀表，其允許的誤差為±1.0％，超過了工藝上允許的數(shù)值，

23、故應(yīng)選擇0.5級儀表才能滿足工藝要求。,,40,根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級和根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級，情況是不一樣的。根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級時，儀表的允許誤差應(yīng)該大于（至少等于）儀表校驗所得的相對百分誤差；根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級時，儀表的允許誤差應(yīng)該小于（至多等于）工藝上所允許的最大相對百分誤差。,小結(jié),,41,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（變差）,7. 變差 在外界條件不變的情況下，使

24、用同一儀表對被測量進行反復(fù)測量（正行程和反行程）時，所產(chǎn)生的最大差值與儀表量程之比值稱為變差，用ε表示。,正行程：測量系統(tǒng)的輸入量從量程下限增至量程的上限的測量過程。反行程：測量系統(tǒng)的輸入量從量程上限減少至量程的下限的測量過程。,42,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（線性度）,8.線性度,線性度是表征線性刻度儀表的輸出量與輸入量的實際校準(zhǔn)曲線與理論直線的吻合程度。通常總是希望測量儀表的輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。,線性度示意圖,式中，δf為線性

25、度（又稱非線性誤差）；Δfmax為校準(zhǔn)曲線對于理論直線的最大偏差（以儀表示值的單位計算）。,43,測量儀表的基本技術(shù)指標(biāo)（反應(yīng)時間）,反應(yīng)時間就是用來衡量儀表能不能盡快反映出參數(shù)變化的品質(zhì)指標(biāo)。反應(yīng)時間長，說明儀表需要較長時間才能給出準(zhǔn)確的指示值，那就不宜用來測量變化頻繁的參數(shù)。,儀表反應(yīng)時間的長短，實際上反映了儀表動態(tài)特性的好壞。,儀表的反應(yīng)時間有不同的表示方法,,當(dāng)輸入信號突然變化一個數(shù)值后，輸出信號將由原始值逐漸變化到新的穩(wěn)態(tài)值。

26、,儀表的輸出信號由開始變化到新穩(wěn)態(tài)值的63.2％（95％）所用的時間，可用來表示反應(yīng)時間。,,44,測量儀表的分類,1. 按儀表使用的能源分類,氣動儀表、電動儀表、液動儀表,以電為能源，信號之間聯(lián)系比較方便，適宜于遠距離傳送和集中控制；便于與計算機聯(lián)用；現(xiàn)在電動儀表可以做到防火、防爆，更有利于電動儀表的安全使用。,一般結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；易受溫度、濕度、電磁場、放射性等環(huán)境影響。,優(yōu)點,缺點,,常用,45,測量儀表的分類,2. 按信息的獲得、傳

27、遞、反映和處理的過程分類,檢測儀表,作用是獲取信息，并進行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。,顯示儀表,作用是將由檢測儀表獲得的信息顯示出來。,集中控制裝置,包括各種巡回檢測儀、巡回控制儀等。,控制儀表,可以根據(jù)需要對輸入信號進行各種運算。,執(zhí)行器,可以接受控制儀表的輸出信號或直接來自操作員的指令，對生產(chǎn)過程進行操作或控制。,46,各類儀表的作用,,47,測量儀表的分類,3. 按儀表的組成形式分類基地式儀表特點是將測量、顯示、控制等各部分集中組裝在一個表殼

28、里，形成一個整體。這種儀表比較適于在現(xiàn)場做就地檢測和控制，但不能實現(xiàn)多種參數(shù)的集中顯示與控制。這在一定程度上限制了基地式儀表的應(yīng)用范圍。單元組合儀表是將對參數(shù)的測量及其變送、顯示、控制等各部分，分別制成能獨立工作的單元儀表（簡稱單元，例如變送單元、顯示單元、控制單元等）。這些單元之間以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號互相聯(lián)系，可以根據(jù)不同要求，方便地將各單元任意組合成各種控制系統(tǒng)，適用性和靈活性都很好。,48,練習(xí)題,1.某測溫儀表的準(zhǔn)確度等級為1.0

29、級，絕對誤差為±1℃，測量下限為負值（下限的絕對值為測量范圍的10％），試確定該表的測量上限值、下限值和量程。2.用測量范圍為－50~+150kPa的壓力表測量140kPa壓力時，儀表示值為+142kPa，求該示值的絕對誤差、實際相對誤差和引用相對誤差。 3.某1.5級測量范圍為0~100kPa的壓力表，在50kPa、80kPa、100kPa三點校驗時，其示值絕對誤差分別為－0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，試

30、問該表是否合格？4.現(xiàn)有2.5級、2.0級、1.5級三塊測溫儀表，對應(yīng)的測量范圍分別為－100~+500℃、－50~550℃、0~1000℃，現(xiàn)要測量500℃的溫度，其測量值的相對誤差不超過2.5%，問選用哪塊表最合適？ 5.有一臺側(cè)壓儀表，其標(biāo)尺范圍為0~500kPa，已知其絕對誤差最大值為Δpmax=4kPa，求該儀表的精度等級。6.某待測的電壓約為100 V,現(xiàn)有0.5級0～300Ｖ和1.0級0～100 V兩個電壓表,問用哪

31、一個電壓表測量比較好？,49,練習(xí)題解答,1.某測溫儀表的準(zhǔn)確度等級為1.0級，絕對誤差為±1℃，測量下限為負值（下限的絕對值為測量范圍的10％），試確定該表的測量上限值、下限值和量程。 （＋90℃， －10℃， 100℃ ）,50,,2.用測量范圍為－50~+150kPa的壓力表測量140kPa壓力時，儀表示值為+142kPa，求該示值的絕對誤差、實際相對誤差和引用相對誤差。 （

32、+2kPa， +1.43%， +1.0% ）,51,,3.某1.5級測量范圍為0~100kPa的壓力表，在50kPa、80kPa、100kPa三點校驗時，其示值絕對誤差分別為－0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，試問該表是否合格？,,因為1.2％<1.5%，所以該表合格。,儀器基本誤差小于允許誤差，儀器合格；反之則不合格。,52,,4.現(xiàn)有2.5級、2.0級、1.5級三塊測溫儀表，對應(yīng)的測量范

33、圍分別為－100~+500℃、－50~550℃、0~1000℃，現(xiàn)要測量500℃的溫度，其測量值的相對誤差不超過2.5%，問選用哪塊表最合適？ 解：(500+100)×2.5%=15，15÷500×100%=3%； (550+50)×2.0%=12， 12÷500×100%=2.4%； (1000－0)×1.5%=15， 15÷50

34、0×100%=3%； 所以準(zhǔn)確度2.0級量程范圍－50~550℃的測溫儀表最合適。,53,5.有一臺側(cè)壓儀表，其標(biāo)尺范圍為0~500kPa，已知其絕對誤差最大值為Δpmax=4kPa，求該儀表的精度等級。解： δmax=4/（500-0）*100%=0.8%0.5%<0.8%<1%所以該儀表的精度等級為1級（而不是0.5級）注意：精度的大小和最大絕對誤差及測