熱工儀表及測(cè)量技術(shù)

1、熱工儀表及測(cè)量技術(shù),壽青云 主講,,教材：建筑環(huán)境測(cè)試技術(shù)教學(xué)網(wǎng)站：http://web.#edu.cn/~cooling/參考書目：熱工測(cè)量原理及其現(xiàn)代技術(shù)，張秀彬著，TK31/ZZ367熱工參數(shù)測(cè)量與處理，呂崇德著，TK3/ZL977,教學(xué)安排,,第一章 測(cè)量的基本知識(shí),第一節(jié) 測(cè)量的意義和測(cè)量方法 一、測(cè)量的意義 1．測(cè)量的意義： 測(cè)量是人類對(duì)自然界中客觀事物取得數(shù)量觀念的一種認(rèn)識(shí)過(guò)程。

2、在這一過(guò)程中，人們借助于專門工具，通過(guò)試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，求得被測(cè)量的值，獲得對(duì)于客觀事物的定量的概念和內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識(shí)。,,測(cè)量技術(shù)可分為若干分支，如力學(xué)測(cè)量、電學(xué)測(cè)量、熱工測(cè)量等。熱工測(cè)量是指溫度、濕度、壓力、流量、煙氣成分等參數(shù)的測(cè)量。,2．應(yīng)用方面,（1）過(guò)程監(jiān)測(cè)：對(duì)過(guò)程參數(shù)的監(jiān)測(cè)。 （2）過(guò)程控制：為生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制提供依據(jù)。 （3）試驗(yàn)分析與系統(tǒng)辨識(shí)：解決科學(xué)上的和過(guò)程上的問(wèn)題，一般需要綜合運(yùn)用理論和實(shí)驗(yàn)

3、的方法。測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)分析，是測(cè)量技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用。,二、測(cè)量方法,測(cè)量的定義：就是用實(shí)驗(yàn)的方法，把被測(cè)量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定兩者的比值，從而得到被測(cè)量的量值。使測(cè)量結(jié)果有意義的要求：用來(lái)進(jìn)行比較的標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)該是國(guó)際上或國(guó)家所公認(rèn)的，且性能穩(wěn)定。進(jìn)行比較所用的方法和儀表必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。,測(cè)量的基本方程式：,X = aU 式中， X —— 被測(cè)量； U —— 標(biāo)準(zhǔn)量（即選用的測(cè)量單位）；

4、 a —— 被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)字比值。,,測(cè)量方法就是實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較的方法。測(cè)量方法的分類（按測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的方式分）： （1）直接測(cè)量法：使被測(cè)量直接與選用的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，或者預(yù)先標(biāo)定好了的測(cè)量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量，從而直接求得被測(cè)量數(shù)值的測(cè)量方法。 （2）間接測(cè)量法：通過(guò)直接測(cè)量與被測(cè)量有某種確定函數(shù)關(guān)系的其它各個(gè)變量，然后將所測(cè)得的數(shù)值代入函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，從而求得被測(cè)量數(shù)值的方法。,,（3）組合測(cè)量法：測(cè)

5、量中使各個(gè)未知量以不同的組合形式出現(xiàn)（或改變測(cè)量條件以獲得這種不同組合），根據(jù)直接測(cè)量或間接測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)解聯(lián)立方程組以求得未知量的數(shù)值，這類測(cè)量稱為組合測(cè)量。,,問(wèn)以下測(cè)量過(guò)程使用了哪種測(cè)量方法？通過(guò)公式 測(cè)量功率用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量溫度，電阻值與溫度的關(guān)系是用水銀溫度計(jì)測(cè)量介質(zhì)溫度,,測(cè)量方法的其它分類方式：按不同的測(cè)量條件分：等精度測(cè)量與非等精度測(cè)量按被測(cè)量在測(cè)量過(guò)程中的狀態(tài)不同分：靜態(tài)測(cè)量與

6、動(dòng)態(tài)測(cè)量,第二節(jié) 測(cè)量系統(tǒng)的組成及其功能,一、測(cè)量系統(tǒng)的組成 測(cè)量系統(tǒng)由四個(gè)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(cè)量,,,,,測(cè)量值,,,二、測(cè)量環(huán)節(jié)的功能,1、傳感器（敏感元件）它是測(cè)量系統(tǒng)直接與被測(cè)對(duì)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(duì)被測(cè)量的變化敏感，而對(duì)其它一切可能的輸入信號(hào)

7、不敏感。在測(cè)量過(guò)程中，敏感元件應(yīng)該不干擾或盡量少干擾被測(cè)介質(zhì)的狀態(tài)。,,2、變換器（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(hào)變換成顯示裝置易于接收的部件。對(duì)變換器的要求：性能穩(wěn)定，精確度高，使信息損失最小。,,3、顯示裝置它是測(cè)量系統(tǒng)直接與觀測(cè)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,,4、傳輸通道它是儀表各環(huán)節(jié)間輸入、輸出信號(hào)的連接部分。分為電線、光導(dǎo)纖維

8、和管路等。,第三節(jié) 測(cè)量誤差與測(cè)量精度,一、測(cè)量誤差的概念測(cè)定值與被測(cè)量真值之差稱為測(cè)量的絕對(duì)誤差，或簡(jiǎn)稱測(cè)量誤差。 δ= x －X0 式中， δ—— 測(cè)量誤差； x —— 測(cè)定值（例如儀表指示值）； X0—— 被測(cè)量的真值。真值一般無(wú)法得到，所以用實(shí)際值X代替X0。,,對(duì)于絕對(duì)誤差，應(yīng)注意下面幾個(gè)特

9、點(diǎn)：絕對(duì)誤差是有單位的量，其單位與測(cè)定值和實(shí)際值相同。絕對(duì)誤差是有符號(hào)的量，其符號(hào)表示出測(cè)定值與實(shí)際值的大小關(guān)系。測(cè)定值與被測(cè)量實(shí)際值之間的偏離程度和方向通過(guò)絕對(duì)誤差來(lái)體現(xiàn)。,,示值的絕對(duì)誤差與約定值之比值稱為相對(duì)誤差，其為無(wú)量綱數(shù)，以百分?jǐn)?shù)表示。一般約定值m有如下幾種取法：m取測(cè)量?jī)x表的指示值x時(shí)，γ稱為標(biāo)稱相對(duì)誤差；m取測(cè)量的實(shí)際值X時(shí)，γ稱為實(shí)際相對(duì)誤差；m取儀表的滿刻度值時(shí)，γ稱為引用相對(duì)誤差。,,對(duì)于相同的被

10、測(cè)量，用絕對(duì)誤差評(píng)定其測(cè)量精度的高低。但對(duì)于不同的被測(cè)量，則應(yīng)采用相對(duì)誤差來(lái)評(píng)定。,,測(cè)量過(guò)程中存在測(cè)量誤差是不可避免的，任何測(cè)量值只能近似反映被測(cè)量的真值。測(cè)量過(guò)程中無(wú)數(shù)隨機(jī)因素的影響，使得即使在同一條件下對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行重復(fù)測(cè)量也不會(huì)得到完全相同的測(cè)量值。被測(cè)量總是要對(duì)敏感元件施加能量才能使測(cè)量系統(tǒng)給出測(cè)量值，這就意味著測(cè)量值并不能完全準(zhǔn)確的反映被測(cè)參數(shù)的真值。,例1.1：,,二、測(cè)量誤差的來(lái)源,1、儀器誤差它是由于設(shè)計(jì)、制造、

11、裝配、檢定等的不完善以及儀器使用過(guò)程中元器件老化、機(jī)械部件磨損、疲勞等因素而使測(cè)量?jī)x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(cè)量任務(wù)，正確地選擇測(cè)量方法和使用測(cè)量?jī)x器。,,2、人身誤差它指由于測(cè)量者感官的分辨能力、視覺(jué)疲勞、固有習(xí)慣等而對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)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,,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。,,4

12、、方法誤差它是所使用的測(cè)量方法不當(dāng)，或?qū)y(cè)量設(shè)備操作使用不當(dāng)，或測(cè)量所依據(jù)的理論不嚴(yán)格，或?qū)y(cè)量計(jì)算公式不適當(dāng)簡(jiǎn)化等原因而造成的誤差，也稱理論誤差。原則上可通過(guò)理論分析和計(jì)算或改變測(cè)量方法來(lái)加以消除或修正。,三、測(cè)量誤差的分類,1．系統(tǒng)誤差在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次測(cè)量，誤差的絕對(duì)值和符號(hào)或者保持不變，或按一定的規(guī)律變化，這類誤差稱為系統(tǒng)誤差。恒值誤差變值誤差：累進(jìn)性、周期性、按復(fù)雜規(guī)律變化,,,恒值,累進(jìn)性,按復(fù)

13、雜規(guī)律變化,周期性,系統(tǒng)誤差的特征,,2．隨機(jī)誤差 在相同測(cè)量條件下，對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次測(cè)量，由于受到大量的、微小的隨機(jī)因素的影響，測(cè)量誤差的絕對(duì)值的大小和符號(hào)沒(méi)有一定的規(guī)律，且無(wú)法簡(jiǎn)單估計(jì)，這類誤差稱為隨機(jī)誤差。,,指測(cè)量者無(wú)法嚴(yán)格控制的因素,,隨機(jī)誤差就個(gè)體而言是無(wú)規(guī)律的，不能通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)消除。但在等精度條件下，只要測(cè)量次數(shù)足夠多，那么就會(huì)發(fā)現(xiàn)：從總體來(lái)說(shuō)隨機(jī)誤差服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可以從理論上來(lái)估計(jì)隨

14、機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。,,隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差既有區(qū)別又有聯(lián)系，二者之間并無(wú)絕對(duì)的界限，在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。對(duì)某一具體誤差，在某一條件下為系統(tǒng)誤差，而在另一條件下可為隨機(jī)誤差，反之亦然。,,,,3．粗大誤差 明顯地歪曲了測(cè)量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差，大多是由于測(cè)量者粗心大意造成的。 粗大誤差一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，必須立即從測(cè)量數(shù)據(jù)中剔除。,,問(wèn)：下列誤差屬于哪類誤差？（1）用一塊普通萬(wàn)用表測(cè)量同一

15、電壓，重復(fù)測(cè)量20次后所得結(jié)果的誤差。（2）觀測(cè)者抄寫記錄時(shí)錯(cuò)寫了數(shù)據(jù)造成的誤差。（3）在流量測(cè)量中，流體溫度、壓力偏離設(shè)計(jì)值造成的流量誤差。,隨機(jī)誤差,粗大誤差,系統(tǒng)誤差,三、測(cè)量精度,1．準(zhǔn)確度對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量值偏離被測(cè)量真值的程度稱為測(cè)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(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量值重復(fù)一致的程度，或者說(shuō)測(cè)量值分布的密集程度，稱為測(cè)量的精密度。它

16、反映隨機(jī)誤差的影響，隨機(jī)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(jī)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。,,,精密度高,準(zhǔn)確度高,精確度高,第四節(jié) 測(cè)量?jī)x表的基本技術(shù)指標(biāo),1．量程范圍儀表能夠測(cè)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(jiǎn)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

17、絕對(duì)值。,問(wèn)：某溫度計(jì)測(cè)量的最低溫度為-20℃，最高溫度為100℃，它的量程是多少？,120℃,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—— 分別為輸出與輸入變化量,問(wèn)：某測(cè)量范圍是0～100MPa的壓力表，其滿量程時(shí)指針轉(zhuǎn)角為270度，它的靈敏度是多少？,2.7度/MPa,,3．靈敏限

18、（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)。,,4. 儀器基本誤差 儀表測(cè)量值中的最大示值絕對(duì)誤差與儀表量程之比值稱為儀表的基本誤差。,,5. 儀器允許誤差 它表示對(duì)測(cè)量?jī)x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(guò)某一規(guī)定值，此規(guī)定值叫允許誤差。,,6．準(zhǔn)確度等級(jí) 它指根據(jù)測(cè)量

19、儀表準(zhǔn)確度大小所劃分的等級(jí)或級(jí)別。允許誤差去掉百分號(hào)的數(shù)值就是準(zhǔn)確度等級(jí)，工程上稱為精度等級(jí)。,7. 變差,在外界條件不變的情況下，使用同一儀表對(duì)被測(cè)量進(jìn)行反復(fù)測(cè)量（正行程和反行程）時(shí)，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(cè)量系統(tǒng)的輸入量從量程下限增至量程的上限的測(cè)量過(guò)程。反行程：測(cè)量系統(tǒng)的輸入量從量程上限減少至量程的下限的測(cè)量過(guò)程。,習(xí)題：,1.某測(cè)溫儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)為1.0級(jí)，絕對(duì)誤差為±1℃

20、，測(cè)量下限為負(fù)值（下限的絕對(duì)值為測(cè)量范圍的10％），試確定該表的測(cè)量上限值、下限值和量程。 （＋90℃， －10℃， 100℃ ）,,2.用測(cè)量范圍為－50~+150kPa的壓力表測(cè)量140kPa壓力時(shí)，儀表示值為+142kPa，求該示值的絕對(duì)誤差、實(shí)際相對(duì)誤差和引用相對(duì)誤差。 （+2kPa， +1.43%， +1.0% ）,,3.某1.5級(jí)測(cè)量范圍為0~100

21、kPa的壓力表，在50kPa、80kPa、100kPa三點(diǎn)校驗(yàn)時(shí)，其示值絕對(duì)誤差分別為－0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，試問(wèn)該表是否合格？,,因?yàn)?.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。,,4.現(xiàn)有2.5級(jí)、2.0級(jí)、1.5級(jí)三塊測(cè)溫儀表，對(duì)應(yīng)的測(cè)量范圍分別為－100~+500℃、－50~550℃、0~1000℃，現(xiàn)要測(cè)量500℃的溫度，其測(cè)量值的相對(duì)誤差不超過(guò)2.5%，