热工测量及仪表measurementinstrumentsinheatengineeringandsystemmaintaining 长沙理工大学能动学院2017 8 学习目的和要求 1 了解常用热工参数测量的基本方法和基本原理 2 掌握典型热工测量仪表的基本原理 基本结构 使用方法和安装方法 3 理论联系实际 具备一定热工测量仪表的校验技能 检测 detection 技术的含义 测量 measurement 将被测参数的量值与已知标准量相比较 得到被测参数相对标准量的倍数的过程 检验 根据被测参数量值应属的范围 判断或分辨出被测参数是否合格 检定 校验 使用仪器仪表定期与标准仪器仪表比较 判断使用仪器仪表准确度 精确度 是否合格 一 热工测量的含义 热工测量就是检查 包括检验和检定 和测量反映生产过程运行情况的各种物理量 化学量以及生产设备的工作状态 以监视生产过程进行情况和趋势的过程 二 热工测量的意义 1 直接及时地反映热能利用过程中各热力设备及热力系统的运行工况 为运行值班人员提供可靠的操作依据 并做出正确地判断和合理地进行控制和调节 保证生产安全可靠运行 2 为热工自动化装置准确 及时地提供测量信号 代替人的重复性劳动 摆脱繁重 脏乱的工作环境 保障设备及人身安全 减轻体力和脑力劳动强度 改善劳动条件 避免人为的操作失误 3 为热力发电厂运行经济核算和计算各项技术经济指标提供数据 节约能源 减少消耗 延长设备使用的寿命 降低生产成本 4 在事故情况下追忆事故前后被控设备各部分的参数 分析事故原因 吸取事故教训 促进文明安全生产 5 保证热力设备安全 经济运行及实现自动控制的必要条件 也是经济管理 环境保护 研究新型热力生产系统和设备的重要手段 第一篇热工测量的基础知识 第一章热工测量基础 一热工测量的基本概念二热工测量仪表的基础知识 一热工测量的基本概念 一 测量工作的主要任务 获取有用的信息 确定测量对象选择测量工具 测量仪表 研究测量方法和测量原理规定测量单位分析测量误差 测量三要素 二 测量的定义 按照被测对象的特点 利用专门的测量工具通过适当的实验或者对实验数据的分析计算实现被测量x与相同性质的标准量 即规定的测量单位 Ux相比较获取比值得到测量结果 即测量值 并且尽可能减小测量误差的全过程 测量的基本方程 三 测量方法 基本分类 根据被测对象的性质 特点和测量任务的要求 实现被测量与测量单位比较并给出比值的方法 1 按获得测量结果的方式 直接测量法 间接测量法 组合测量法 2 按测量仪表与被测对象是否直接接触 接触式测量法 非接触式测量法 3 根据被测对象在测量过程中的状态 静态测量法 动态测量法 4 根据测量结果显示的方式 模拟式测量法 数字式测量法 屏幕式测量法 5 根据测量的地点 离线测量法 在线实时测量法 1 直接测量法 直读法 被测量作用于仪表比较装置 使比较装置的某种参数按已知关系随被测量变化 从而直接从测量工具的刻度标尺上读出被测量的数值 而不需要任何运算 比较法 利用一个与被测量同类的已知标准量与被测量相比较 根据它们之间的差值和已知标准量得出被测量的数值 零值法 被测量与已知标准量完全平衡 差值法 被测量与已知标准量未完全平衡 不必对被测量进行任何函数运算 而直接使被测量与选用的标准量进行比较立即得到比值或者用预先标定好的测量工具进行测量 从而直接得到测量结果的方法 2 间接测量法 通过直接测量与被测量有确定函数关系的其他各个物理量 利用已知函数关系表达式进行计算 求得测量结果的方法 3 组合测量法 测量出几组具有一定函数关系的量值 然后通过解联立方程组求出被测量数值的方法 1 接触式测量法 测量过程中 仪表的全部或一部分与被测对象相接触 受到被测对象的直接作用才能得出测量结果的方法 特点 对被测对象的性质有干扰 影响测量结果的精确性 适用于静态或运动速度缓慢的物质参数测量 2 非接触式测量 测量过程中 仪表的任何部分都不必与被测对象进行机械接触就能得到测量结果的测量方法 特点 不干扰被测对象 但可能受外界干扰 适用于高速运动或环境稳定的场合 1 静态测量法 被测量在测量过程中不随时间变化 对变化速率相对于测量速率十分缓慢的对象进行测量亦属于静态测量 特点 对测量系统的动态响应要求不高 精确度高 操作简便 2 动态测量法 测量过程中 被测量随时间有明显变化 特点 对测量系统的动态响应要求很高 否则将引入较大的测量误差 1 模拟式测量法 特点 仪表结构简单 价格低廉 便于直观表示被测量变化的方向 读数容易产生误差 2 数字式测量法 特点 仪表结构复杂 测量速度高 精度好 读数直观 复现性好 功能多 3 屏幕式测量法 特点 仪表能显示复杂的图形和曲线 显示直观 设备投资和技术要求高 测量方法的选择原则 被测对象和被测量本身的具体特性要求被测量的测量准确程度测量环境现有的测量仪表 四 测量单位 国际单位制 SI单位 国际单位制的基础 基本单位 导出单位 辅助单位 SI单位的十进倍数和分数单位 由SI单位加SI词头构成 Syst meInternationald Unit s SI词头 分析测量误差的意义 正确认识误差的性质 分析误差产生的原因 从根本上 消除或减小误差 正确处理测量和实验数据 合理计算所得结果 通过计算得到更接近真值的数据 正确组织实验过程 合理设计 选用仪表或测量方法 根据目标确定最佳测量系统 五 测量误差 通过测量仪表测量得到的结果减去被测参数的真实值后的差值 1 真实值 truevalue 在一定的时间 空间或某种状态下被测参数客观存在的量值 理论真值 设计时给定或用数学 物理公式计算出的给定值 约定真值 conventionaltruevalue 世界各国公认的几何量和物理量的最高基准的量值 获取真实值的常用方法 用标准物质 标准仪器 所提供的标准值作为真实值 用高一级的标准仪器仪表测量得到的值近似作为真实值 对被测量进行N次等准确度测量 各次测量值的算术平均值近似作为真实值 N越大 越接近真实值 1 测量工具误差 量具误差 仪器误差 附件误差 以固定形式复现标准量值的器具本身体现的量值 不可避免地存在误差 一般要求标准器件的误差占总误差的1 3 1 10 测量装置在制造过程中由于设计 制造 装配 检定等的不完善 以及在使用过程中 由于元器件的老化 机械部件磨损和疲劳等因素而使设备所产生的误差 测量仪器所带附件和附属工具所带来的误差 设计测量装置时 由于采用近似原理所带来的工作原理误差 组成设备的主要零部件的制造误差与设备的装配误差 设备出厂时校准与定度所带来的误差 读数分辨力有限造成的读数误差 数字式仪器特有的量化误差 元器件老化 磨损 疲劳所造成的误差 2 误差的来源 2 人员误差指由于测量者工作责任心 技术熟练程度 感官的分辨能力 视觉疲劳 测量固有习惯等而对测量实验中的现象与结果判断不准确而造成的误差 减少人员误差的途径 要求操作人员在测量过程中具有高度的责任感 熟练掌握的测量规程 并具有一定的测量身体素质和心理素质 3 环境误差指由于温度 湿度 振动 电源电压 电磁场等环境因素和仪表要求条件不一致而引起的误差 对于电子测量 主要的影响因素包括 环境温度 电源电压和电磁干扰等 4 方法误差它是所使用的测量方法不当 或对测量设备操作使用不当 或测量所依据的理论不严格 或对测量计算公式不适当简化等原因而造成的误差 也称理论误差 原则上可通过理论分析和计算或改变测量方法以及测量程序来加以消除或修正 1 系统误差 systemerror 相同测量条件 相同观测者 相同测量器具 相同环境条件 下 多次重复测量同一被测量时 误差的绝对值和符号基本保持不变 或在条件变化时按某种一定的规律变化的误差 3 测量误差的分类 根据测量误差的性质或出现的特征规律 系统误差的分类和特征恒值系统误差 大小和符号都不改变的系统误差 变值系统误差 按照一定规律变化的系统误差 可以分为累进性系统误差 周期性系统误差 系统误差的分类 产生原因 由于测量仪表本身不够完善 仪表持久使用发生的人为原因或者测量时外界环境条件发生较大变化等原因产生的 减小或消除系统误差的方法 修正法 补偿法 替代法 交换法 测量工具和测量条件不变时 增加测量次数并不能减少系统误差对测量结果的影响 2 随机误差 偶然误差 randomerror 相同测量条件下 多次重复测量同一被测量时 绝对值和符号没有一定规律 以不可预知形式变化的误差 随机误差就个体而言是无规律的 不能通过实验的方法来消除 但在等精度条件下 只要测量次数足够多 那么就会发现 从总体来说随机误差的分布服从一定的统计规律 可以从理论上来估计随机误差对测量结果的影响 随机误差 产生原因 由测量过程中多个对测量影响微小的彼此独立的未知和难以控制的随机因素引起的误差 测量标准差 随机误差 特点对称性 绝对值相等的正误差与负误差出现的概率相等 以零误差为中心成对称分布 重复测量次数越多 误差分布图形的对称性越好 有限性 在一定条件下 随机误差的绝对值不会超过一定的范围或绝对值很大的随机误差出现的概率几乎为零 单峰性 绝对值小的随机误差大于绝对值大的随机误差出现的概率 零误差对应误差概率的峰值 抵偿性 相同条件下 对同一被测量测量次数趋于无穷多 全部随机误差的算术平均值趋于零 抵偿性是随机误差最本质的特点 随机误差与系统误差既有区别又有联系 二者之间并无绝对的界限 在一定条件下可以相互转化 对某一具体误差 随着测量条件的改善 认识水平的提高 一些过去视为随机误差的测量误差可能分离出来作为系统误差处理 注意 3 粗大误差 疏忽误差 abnormalerror 测量过程中由于操作人员的技术水平低和责任心差 对仪表不了解 精力不集中计算错误或操作过程错误等主观过失 仪器仪表突然失灵产生误动作或测量条件意外变化等原因 造成读数错误 记录错误 明显歪曲测量结果 超出在相同的规定条件下的预期值 使该次测量失效的误差 一般情况下 应该尽量减小测量的系统误差和随机误差 并避免产生粗大误差 粗大误差一经发现 测量值必须立即从测量数据中剔除 并重新进行测量 按被测参数与时间的关系 动态误差 当被测参数随时间迅速变化时 测量系统的输出量在时间上不能与被测量的变化精确吻合时所产生的附加误差 静态误差 在被测参数不随时间变化或随时间变化很缓慢时的测量误差 绝对误差 仪器显示的数值与被测参数真实值之间的代数差值 absoluteerror 修正值 C 4 测量误差的表示方法 相对误差 relativeerror 测量的绝对误差与约定值之比的百分数 标称相对误差 示值的绝对误差与仪表示值的比值 以百分数形式表示 实际相对误差 示值的绝对误差与被测参数真实值的比值 以百分数形式表示 引用相对误差 诱导相对误差 示值的绝对误差与仪表量程的比值 以百分数形式表示 4 测量误差的表示方法 续 最大引用相对误差 仪表精度等级 最大引用相对误差去掉百分号后剩下的数值 需圆整 国家规定了等级标准 5 测量的正确度 精密度和精确度 精确度 accuracy 正确度和精密度的总称 表示测量值与真实值间综合的接近程度 反映了测量结果的可靠程度 正确度 反映了测量过程中系统误差的大小 表明了对同一被测量进行多次测量时测量值偏离真实值的程度 精密度 反映了测量过程中随机误差的大小 表明了对同一被测量进行多次测量时多次测量结果的一致程度 对于具体的测量结果 正确度高的精密度不一定高 精密度高的而正确度不一定高 但是精确度高 则精密度和正确度一定高 七 测量工具 测量仪表 量具 以固定形态复现单个或多个已知量值的测量工具 仪器 将被测量转换成指示值或等值信号的测量工具 附件 用于扩展器具和仪器功能或提高其性能的附加元 部件 为了实现一定的测量目的 将测量工具 测量仪表 按照一定方式进行组合的系统称为测量系统 热工测量系统是对热工过程中的热工参数进行测量的系统 其中用来测量热工参数的仪表叫做热工测量仪表 简称为热