热工仪表及测量技术寿青云 主讲u教材：教材：热工测量与自动控制热工测量与自动控制u教学网站：教学网站：http:/web.tongji.edu.cn/cooling/u参考书目：参考书目：u热工测量原理及其现代技术，张秀彬著热工测量原理及其现代技术，张秀彬著u热工参数测量与处理，吕崇德著热工参数测量与处理，吕崇德著u教学内容：教学内容：第一篇的第一章至第八章第一篇的第一章至第八章u教学时间：教学时间：1717周周u教学安排：教学安排：第第9 9周期中考试周期中考试第第1212周实验周实验第第1717周期末考试周期末考试第一章第一章 测量的基本知识测量的基本知识第一节第一节 测量的意义和测量方法测量的意义和测量方法 一、测量的意义一、测量的意义 1 1测量的意义：测量的意义： 测量是人类对自然界中客观事物取得数量观测量是人类对自然界中客观事物取得数量观念的一种认识过程。在这一过程中，人们借助于念的一种认识过程。在这一过程中，人们借助于专门工具，通过试验和对试验数据的分析计算，专门工具，通过试验和对试验数据的分析计算，求得被测量的值，获得对于客观事物的定量的概求得被测量的值，获得对于客观事物的定量的概念和内在规律的认识。念和内在规律的认识。 u测量技术可分为若干分支，如测量技术可分为若干分支，如力学测量、力学测量、电学测量、热工测量电学测量、热工测量等。等。u热工测量是指热工测量是指温度、湿度、压力、流量、温度、湿度、压力、流量、烟气成分烟气成分等参数的测量。等参数的测量。2 2应用方面应用方面 （1）过程监测：过程监测：对过程参数的监测。对过程参数的监测。 （2）过过程程控控制制：为为生生产产过过程程的的自自动动控控制制提供依据。提供依据。 （3）试验分析与系统辨识：试验分析与系统辨识：解决科学上解决科学上的和过程上的问题，一般需要综合运用理的和过程上的问题，一般需要综合运用理论和实验的方法。测量技术应用于实验分论和实验的方法。测量技术应用于实验分析，是测量技术的一个典型应用。析，是测量技术的一个典型应用。 二、测量方法二、测量方法u测测量量的的定定义义：就就是是用用实实验验的的方方法法，把把被被测测量量与与同同性性质质的的标标准准量量进进行行比比较较，确确定定两两者的比值，从而得到被测量的量值。者的比值，从而得到被测量的量值。u使测量结果有意义的要求：使测量结果有意义的要求：u用用来来进进行行比比较较的的标标准准量量应应该该是是国国际际上上或或国国家家所公认的，且性能稳定。所公认的，且性能稳定。u进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。测量的基本方程式：测量的基本方程式： X = aU 式中，式中， X 被测量；被测量； U 标准量（即选用的测量单位）；标准量（即选用的测量单位）； a 被测量与标准量的数字比值。被测量与标准量的数字比值。u测量方法测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。就是实现被测量与标准量比较的方法。u测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）： （1）直直接接测测量量法法：使使被被测测量量直直接接与与选选用用的的标标准准量量进进行行比比较较，或或者者预预先先标标定定好好了了的的测测量量仪仪表表进进行行测测量量，从从而而直直接接求得被测量数值的测量方法。求得被测量数值的测量方法。 （2）间间接接测测量量法法：通通过过直直接接测测量量与与被被测测量量有有某某种种确确定定函函数数关关系系的的其其它它各各个个变变量量，然然后后将将所所测测得得的的数数值值代代入入函函数数关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。（3）组合测量法：组合测量法：测量中使各个未知量以不同的组合形测量中使各个未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件以获得这种不同组合），根式出现（或改变测量条件以获得这种不同组合），根据直接测量或间接测量所获得的数据，通过解联立方据直接测量或间接测量所获得的数据，通过解联立方程组以求得未知量的数值，这类测量称为组合测量。程组以求得未知量的数值，这类测量称为组合测量。u问以下测量过程使用了哪种测量方法？问以下测量过程使用了哪种测量方法？通过公式通过公式 测量功率测量功率用铂电阻温度计测量温度，电阻值与温度用铂电阻温度计测量温度，电阻值与温度的关系是的关系是用水银温度计测量介质温度用水银温度计测量介质温度u测量方法的其它分类方式：测量方法的其它分类方式：u按按不不同同的的测测量量条条件件分分：等等精精度度测测量量与与非非等等精度测量精度测量u按按被被测测量量在在测测量量过过程程中中的的状状态态不不同同分分：静静态测量与动态测量态测量与动态测量第二节第二节 测量系统的组成及其功测量系统的组成及其功能能 一、测量系统的组成一、测量系统的组成 测测量量系系统统由由四四个个基基本本环环节节组组成成：传传感感器器、变换器或变送器、传输通道和显示装置。变换器或变送器、传输通道和显示装置。传感器变换器传输通道显示装置被测量测量值二、测量环节的功能二、测量环节的功能1、传感器（敏感元件）、传感器（敏感元件）u它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。u理想敏感元件应满足的要求：理想敏感元件应满足的要求：u敏敏感感元元件件输输入入与与输输出出之之间间应应该该有有稳稳定定的的单单值值函函数数关关系。系。u敏敏感感元元件件应应该该只只对对被被测测量量的的变变化化敏敏感感，而而对对其其它它一一切可能的输入信号不敏感。切可能的输入信号不敏感。u在在测测量量过过程程中中，敏敏感感元元件件应应该该不不干干扰扰或或尽尽量量少少干干扰扰被测介质的状态被测介质的状态。2、变换器（变送器）变换器（变送器）u它它是是传传感感器器和和显显示示装装置置中中间间的的部部分分，它它是是将将传传感感器器输输出出的的信信号号变变换换成成显显示示装装置置易易于于接接收收的的部部件。件。u对对变变换换器器的的要要求求：性性能能稳稳定定，精精确确度度高高，使使信信息损失最小。息损失最小。3、显示装置、显示装置u它是测量系统直接与观测者发生联系的部分它是测量系统直接与观测者发生联系的部分u显示装置的基本形式：显示装置的基本形式：u模拟式显示元件模拟式显示元件u数字式显示元件数字式显示元件u屏幕式显示元件屏幕式显示元件4、传输通道、传输通道u它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。u分为电线、光导纤维和管路等。分为电线、光导纤维和管路等。第三节第三节 测量误差与测量精度测量误差与测量精度一、测量误差的概念一、测量误差的概念u测测定定值值与与被被测测量量真真值值之之差差称称为为测测量量的的绝绝对对误误差差，或简称测量误差。或简称测量误差。 = x X0 式中，式中， 测量误差；测量误差； x 测定值（例如仪表指示值）；测定值（例如仪表指示值）； X0 被测量的真值。被测量的真值。u真值一般无法得到，所以用实际值真值一般无法得到，所以用实际值X代替代替X0。u对于绝对误差，应注意下面几个特点：对于绝对误差，应注意下面几个特点：u绝对误差是有单位的量，其单位与测定值和实际值相同。u绝对误差是有符号的量，其符号表示出测定值与实际值的大小关系。u测定值与被测量实际值之间的偏离程度和方向通过绝对误差来体现。u示值的绝对误差与约定值之比值称为示值的绝对误差与约定值之比值称为相对误差相对误差，其为无量纲数，以百分数表示。其为无量纲数，以百分数表示。u一般约定值一般约定值m有如下几种取法：有如下几种取法：um取取测量仪表的指示值测量仪表的指示值x时，时，称为称为标称相对误差标称相对误差；um取取测量的实际值测量的实际值X时，时，称为称为实际相对误差实际相对误差；um取取仪表的满刻度值仪表的满刻度值时，时，称为称为引用相对误差引用相对误差。u对于相同的被测量，用绝对误差评定其对于相同的被测量，用绝对误差评定其测量精度的高低。但对于不同的被测量，测量精度的高低。但对于不同的被测量，则应采用相对误差来评定。则应采用相对误差来评定。u测测量量过过程程中中存存在在测测量量误误差差是是不不可可避避免免的的，任何测量值只能近似反映被测量的真值。任何测量值只能近似反映被测量的真值。u测测量量过过程程中中无无数数随随机机因因素素的的影影响响，使使得得即即使使在在同同一一条条件件下下对对同同一一对对象象进进行行重重复复测测量量也也不不会得到完全相同的测量值。会得到完全相同的测量值。u被被测测量量总总是是要要对对敏敏感感元元件件施施加加能能量量才才能能使使测测量量系系统统给给出出测测量量值值，这这就就意意味味着着测测量量值值并并不不能完全准确的反映被测参数的真值。能完全准确的反映被测参数的真值。例例1.11.1： 二、测量误差的来源二、测量误差的来源1、仪器误差仪器误差它是由于设计、制造、装配、检定等的它是由于设计、制造、装配、检定等的不完善以及仪器使用过程中元器件老化、不完善以及仪器使用过程中元器件老化、机械部件磨损、疲劳等因素而使测量仪机械部件磨损、疲劳等因素而使测量仪器设备带有的误差。器设备带有的误差。减少仪器误差的主要途径是根据具体测减少仪器误差的主要途径是根据具体测量任务，正确地选择测量方法和使用测量任务，正确地选择测量方法和使用测量仪器。量仪器。2、人身误差人身误差它指由于测量者感官的分辨能力、视觉它指由于测量者感官的分辨能力、视觉疲劳、固有习惯等而对测量实验中的现疲劳、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。象与结果判断不准确而造成的误差。减少人身误差的途径减少人身误差的途径3、影响误差影响误差它是指各种环境因素与要求条件不一致它是指各种环境因素与要求条件不一致而造成的误差。而造成的误差。主要的影响因素是环境温度、电源电压主要的影响因素是环境温度、电源电压和电磁干扰等。和电磁干扰等。4、方法误差方法误差它是所使用的测量方法不当，或对测量设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。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原则上可通过理论分析和计算或改变测量方法来加以消除或修正。方法来加以消除或修正。三、测量误差的分类三、测量误差的分类1系统误差系统误差u在在相相同同测测量量条条件件下下，对对同同一一被被测测量量进进行行多多次次测测量量，误误差差的的绝绝对对值值和和符符号号或或者者保保持持不不变变，或或按按一定的规律变化，这类误差称为一定的规律变化，这类误差称为系统误差系统误差。u恒值误差恒值误差u变值误差：累进性、周期性、按复杂规律变化变值误差：累进性、周期性、按复杂规律变化恒值恒值累进性累进性按复杂规律变化按复杂规律变化周期性周期性系统误差的特征系统误差的特征 2随机误差随机误差 在在相相同同测测量量条条件件下下，对对同同一一被被测测量量进进行行多多次次测测量量，由由于于受受到到大大量量的的、微微小小的的随随机机因因素素的的影影响响，测测量量误误差差的的绝绝对对值值的的大大小小和和符符号号没没有有一一定定的的规规律律，且且无无法法简简单单估估计计，这这类类误误差差称称为为随随机误差机误差。指测量者无法严指测量者无法严格控制的因素格控制的因素u随机误差就随机误差就个体而言是无规律个体而言是无规律的，不能通的，不能通过实验的方法来消除。过实验的方法来消除。u但在等精度条件下，只要测量次数足够多，但在等精度条件下，只要测量次数足够多，那么就会发现：那么就会发现：从总体来说随机误差服从一从总体来说随机误差服从一定的统计规律定的统计规律，可以从理论上来估计随机误，可以从理论上来估计随机误差对测量结果的影响。差对测量结果的影响。u随机误差与系统误差既有区别又有联系，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，在一定条件下可二者之间并无绝对的界限，在一定条件下可以相互转化。以相互转化。u对某一具体误差，在某一条件下为系统误对某一具体误差，在某一条件下为系统误差，而在另一条件下可为随机误差，反之亦差，而在另一条件下可为随机误差，反之亦然。然。 3粗大误差粗大误差 明显地歪曲了测量结果的误差称为明显地歪曲了测量结果的误差称为粗大误粗大误差差，大多是由于测量者粗心大意造成的。，大多是由于测量者粗心大意造成的。 粗大误差一经发现，必须立即从测量数据粗大误差一经发现，必须立即从测量数据中剔除。中剔除。问：下列误差属于哪类误差？问：下列误差属于哪类误差？（1 1）用一块普通万用表测量同一电压，重复）用一块普通万用表测量同一电压，重复测量测量2020次后所得结果的误差。次后所得结果的误差。（2 2）观测者抄写记录时错写了数据造成的误）观测者抄写记录时错写了数据造成的误差。差。（3 3）在流量测量中，流体温度、压力偏离设）在流量测量中，流体温度、压力偏离设计值造成的流量误差。计值造成的流量误差。随机误差随机误差粗大误差粗大误差系统误差系统误差三、测量精度三、测量精度1准确度准确度u对对同同一一被被测测量量进进行行多多次次测测量量，测测量量值值偏偏离离被被测量真值的程度称为测量真值的程度称为测量的准确度测量的准确度。u它它反反映映系系统统误误差差的的影影响响，系系统统误误差差越越小小，准准确度越高确度越高。2精密度：精密度：u对对同同一一被被测测量量进进行行多多次次测测量量，测测量量值值重重复复一一致致的的程程度度，或或者者说说测测量量值值分分布布的的密密集集程程度度，称为称为测量的精密度测量的精密度。u它它反反映映随随机机误误差差的的影影响响，随随机机误误差差越越小小，精精密度越高密度越高。3精确度精确度u精精密密度度与与准准确确度度的的综综合合指指标标称称为为精精确确度度，或或称称精精度。度。u它反映它反映随机误差和系统误差随机误差和系统误差的综合影响。的综合影响。u精精密密度度高高的的，准准确确度度不不一一定定高高；准准确确度度高高的的精精密密度度不不一一定定高高；但但精精确确度度高高的的，则则精精密密度度与与准准确确度度都高。都高。精密度高精密度高准确度高准确度高精确度高精确度高第四节第四节 测量仪表的基本技术指测量仪表的基本技术指标标1量程范围量程范围u仪仪表表能能够够测测量量的的最最大大输输入入量量与与最最小小输输入入量量之之间的范围称作间的范围称作仪表的量程范围仪表的量程范围，简称量程。，简称量程。u在在数数值值上上等等于于仪仪表表上上限限值值与与下下限限值值的的代代数数差差之绝对值。之绝对值。问：某温度计测量的最低温度为问：某温度计测量的最低温度为-20-20，最高温度为最高温度为100100，它的量程是多少？，它的量程是多少？1202灵敏度灵敏度u在在稳稳定定情情况况下下，仪仪表表输输出出变变化化量量L与与引引起起此此变变化化的的输输入入量量的的变变化化量量Xb之之比比值值，定定义义为为仪仪表的灵敏度表的灵敏度。u用用S表示，即表示，即 式中，式中，S 仪表灵敏度仪表灵敏度 L、Xb 分别为输出与输入变化量分别为输出与输入变化量问：某测量范围是问：某测量范围是0100MPa的压力表，其满的压力表，其满量程时指针转角为量程时指针转角为270度，它的灵敏度是多少？度，它的灵敏度是多少？2.7度度/MPa 3灵敏限（分辨率、死区）灵敏限（分辨率、死区） 它它表表明明仪仪表表响响应应输输入入量量微微小小变变化化的的能能力力指指标标，即即不不能能引引起起输输出出发发生生变变化化的的最最大大输输入入变变化化幅幅度与量程范围之比的百分数。度与量程范围之比的百分数。4. 仪器基本误差仪器基本误差 仪仪表表测测量量值值中中的的最最大大示示值值绝绝对对误误差差与与仪仪表表量程之比值称为量程之比值称为仪表的基本误差仪表的基本误差。 5. 仪器允许误差仪器允许误差 它它表表示示对对测测量量仪仪表表所所允允许许的的误误差差界界限限，即即出出厂厂的的仪仪表表都都要要保保证证基基本本误误差差不不超超过过某某一一规规定定值值，此规定值叫此规定值叫允许误差允许误差。 6准确度等级准确度等级 它它指指根根据据测测量量仪仪表表准准确确度度大大小小所所划划分分的的等等级级或或级级别别。允允许许误误差差去去掉掉百百分分号号的的数数值值就就是是准准确确度度等等级级，工程上称为精度等级。，工程上称为精度等级。7. 变差变差 在外界条件不变在外界条件不变的情况下，使用同一仪的情况下，使用同一仪表对被测量进行反复测表对被测量进行反复测量（正行程和反行程）量（正行程和反行程）时，所产生的最大差值时，所产生的最大差值与仪表量程之比值称为与仪表量程之比值称为变差变差，用，用表示。表示。u正行程：正行程：测量系统的输入量从量程下限测量系统的输入量从量程下限增至量程的上限的测量过程。增至量程的上限的测量过程。u反行程：反行程：测量系统的输入量从量程上限测量系统的输入量从量程上限减少至量程的下限的测量过程。减少至量程的下限的测量过程。习题：习题：1.某测温仪表的准确度等级为某测温仪表的准确度等级为1.0级，绝对级，绝对误差为误差为1，测量下限为负值（下限的，测量下限为负值（下限的绝对值为测量范围的绝对值为测量范围的10），试确定该），试确定该表的测量上限值、下限值和量程。表的测量上限值、下限值和量程。 （90， 10， 100 ）2.用测量范围为用测量范围为50+150kPa的压力表测的压力表测量量140kPa压力时，仪表示值为压力时，仪表示值为+142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差和引求该示值的绝对误差、实际相对误差和引用相对误差。用相对误差。 （+2kPa， +1.43%， +1.0% ）3.某某1.5级测量范围为级测量范围为0100kPa的压力表，在的压力表，在50kPa、80kPa、100kPa三点校验时，其示值三点校验时，其示值绝对误差分别为绝对误差分别为0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，试问该表是否合格？，试问该表是否合格？ 因为因为1.21.5%，所以该表合格。，所以该表合格。仪器基仪器基本误差本误差小于允小于允许误差，许误差，仪器合仪器合格；反格；反之则不之则不合格。合格。4.现有现有2.5级、级、2.0级、级、1.5级三块测温仪表，对应的级三块测温仪表，对应的测量范围分别为测量范围分别为100+500、50550、01000，现要测量，现要测量500的温度，其测量值的的温度，其测量值的相对误差不超过相对误差不超过2.5%，问选用哪块表最合适？，问选用哪块表最合适？ 解：解：(500+100)2.5%=15，15500100%=3%； (550+50)2.0%=12， 12500100%=2.4%； (10000)1.5%=15， 15500100%=3%； 所以准确度所以准确度2.0级量程范围级量程范围50550的测温的测温仪表最合适。仪表最合适。