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1、 30 UNIT 8 测量技术测量技术 参考译文参考译文: 8.1 测量中的误差测量中的误差 测量是指为确定未知量所做的观测，可分成两类：直接测量和间接测量。直接测量就是 观测到的读数即为被测量的值，无需进行求和、求平均值或利用几何公式计算所期望的值。 利用分度尺，通过直接测量来确定两点之间的距离，就是直接测量的一个例子。间接测量需 要计算， 当所需值采用直接测量的方法不可能或实际不可行时， 可以通过其与直接测量量之 间的数学关系来决定其值的大小。例如，通过直接测量各点之间连线的角度和长度，能够用 数学方法计算站坐标（station coordinate） 。因此，间接测量（计算站坐标）包含了
2、直接观测 中存在的原始错误，并在计算过程中被传播（漫衍） 。这种错误漫衍（distribution）称为误 差传播。而且，测量的间接性要求必须采用一些非常复杂的数学程序来分析误差，这样才能 确定出一个表征数值大小的“最佳值” 。 我们可以无条件地说：无论测量时有多么小心谨慎，任何测量都含有误差；不可能得到 测量真实值，通常也不能精确地知道误差大小。即使采用最精密的仪器，测量也只是真实量 大小的估计。 这是因为仪器和测量者都并非尽善尽美， 仪器和测量者所处的环境影响测量过 程，测量者的行为、仪器和环境都不可能完全准确地预测出来。然而，随着设备的改进，环 境条件的改善，以及观测能力的提高，测量可以
3、更紧密地接近其真实值，但绝不可能做到精 确无误。根据定义，误差是任意量的测量值和它的真实值之差。误差来源可分为如下所述三 大类： 仪器误差仪器误差。这些误差是由仪表制作或校准不完善造成的。例如，经纬仪或全站仪的各部 分可能无法均匀隔开。读取设备的方式无论是人工的还是数字的，这些误差源都存在。 自然误自然误差差。这些误差是由周围环境条件的变化造成的，如大气压力、温度、风速、引力 场、磁场等。 人人为为误误差差。 这些误差是由人类感官的局限性引起的， 如微米的读取能力或水平气泡的中 心化能力。 这些误差的大小受到个人观察能力和手工技巧因素的影响。 这些因素可能因为温 度、 昆虫和其它物理条件而进一
4、步受到影响， 它们会导致人类的行为不如他们在理想条件下 精确。 通过以上讨论，迄今为止，我们完全可以确定地说，不管是否因为读数不精确、环境不 稳定、仪器不完美或测量者能力有限，所有的测量值都含有误差。其中一些误差是由导致它 们发生的物理条件以系统性方式产生的，而其它误差的产生明显具有随机性。因此，差误分 为系统的或随机的。但在定义系统误差和随机误差之前，首先定义失误（mistake）是有帮 助的。这三个术语的定义如下： 失失误误。失误或大错（过失误差 ）其实不是误差，这是因为，相对于其它两种类型的误 差，它们的幅度非常之大。粗心大意、注意力不集中、训练不当、不良习惯、判断力差、不 利测量或观测
5、条件、 以及各种负面态度和情绪是造成失误的痕迹或常见原因。 他们没有被划 归为误差，必须从任何一组的观测中删除。在测量距离时忽略了一个卷尺的长度，在角度环 内瞄准了错误的目标，在记录时将 25.75 写成 27.55，这些都是失误的典型例子。因此，必 须非常谨慎，以避免它们发生。 失误永远不可能从测量中完全消除，但是，在大多数情况下，测量师的精心、细心和认 真态度， 可以减少失误。 通过对良好的测量习惯的适当训练和培养， 树立和维持积极的态度， 加深对被测量有关理论和实际方面的理解，错误是可以被控制的，实际上也是能被消除的。 系统系统性性误差误差。 系统性误差是指那些幅值和符号能被计算并可用作
6、被测量修正的误差， 或 31 者说，这些误差遵循某些物理规律，因而是可预测的。一些系统性误差被某些正确的测量步 骤消除了（例如，在水准测量中平衡后视和前视距离，以弥补地球弯曲和折射） 。其它系统 性误差则通过修正项来去除，修正项是根据造成这些误差的物理条件导出的（例如，将计算 所得有关地球弯曲和折射的修正项加到三角水准测量观测上） 。 测量师应该知道如何处理系统性误差。 第一个要求是承认并接受可能存在的错误。 接下 来，确定可能系统性地影响读数的各种来源。然后，确定“系统”是什么。系统性误差是不是 一个常数？是不是线性的？与被测量的大小成不成比例？或者， 它是否遵循某些别的数学关 系？与物理有
7、关吗？一旦系统性误差被发现并量化， 可以通过某种测量过程从根本上补偿或 修正这些误差，以减少它们的影响。仔细校准所有仪器是控制系统性误差的一个重要内容。 随机随机性性误差误差。任何测量都包含随机性误差（也称作偶然误差） ，因为测量者和仪器并非 尽善尽美， 环境对测量的影响具有不确定性。 所有失误和系统性误差已经从测量值中移除之 后，随机性误差依然存在。一般来说，随机性误差是不可避免的，且相对较小。它们通常不 遵循任何物理定律，但却遵循随机模式，或“机会”规律。它们的符号是未知的，可能为正或 负。 这种误差的幅度是未知的， 但可以根据概率论进行处理和估计。 随机误差的例子是： （a） 在用 ED
8、M 仪器测距期间地面点的中心定位不完全， （b）瞬间读取水平标尺的瞬间气泡不居 中， （c）读刻度尺时出现的小误差。 了解随机误差的性质， 有助于理解为什么随机误差从来没有被真正地完全矫正， 因为物 理现象的观察包含人为的和随机的误差。因此，测量具有“不确定性”，或者说具有仍然无法 量化的随机误差。随机误差通过控制或管理来处理，这是一个质量控制过程，它们不能得到 校正或消除，只能进行最小化和控制。 8.2 测温仪表测温仪表 在工业过程应用中， 检测仪表是一种常见的术语， 用于描述测量和评估过程中所采用的 设备或规程（device or procedure） 。温度仪表稍微有些特殊，它所适用的事
9、物，主要用于测 试和评估系统的温度。在几乎所有的生产作业（manufacturing operation）中，无论涉及何种 产品，精确测量温度是一个关键因素。在热力系统中，检测仪表可能被应用到系统的任何一 个独立的部分。因此，对于采用这类系统、或采用以某种方式响应温度的过程控制应用的人 员，了解仪器仪表的基本原理至关重要。 温度测量通常分为两个大类：非电量测量或电量测量。 非非电电量量测量测量仪仪表表 非电量仪表最早被发明出来， 这类仪表充分体现了膨胀原理。 温度变化会导致固体材料 的尺寸发生变化，或导致气体、蒸汽的压力或液体膨胀。这个作用的结果是，温度被转换成 物理或机械尺寸的改变，能够从经
10、过校准的刻度尺上读取出来。 充充填式填式指指示器示器（filled-system indicator） 。测量体积的液体随温度的升高而膨胀的原理， 可能是最古老的温度测定方法。GD 华氏在十八世纪发明的玻璃杆温度计就利用了这个原 理。在一般性温度范围-500-1000F（-295-537.7）内，这种类型的指示器与今天的其它 测量方法几乎一样重要。 双金属温度计双金属温度计。双金属温度计是被广泛接受的非电量工业测温仪器。从本质上讲，它们 利用了线性膨胀系数原理， 即固体材料的尺寸随温度变化而变化。 如果两种不同的金属条粘 合在一起，并被加热，得到的金属条将产生弯曲，弯曲的方向与膨胀率较低的金属
11、相同。产 生的偏转量与长度的平方和温度的总变化成正比，与材料厚度成反比。 要想充分利用膨胀原理，双金属温度计的元件应该相当长。在实践中，该元件被制成平 32 面盘旋形或螺旋型。元件的外端安装到某个架构上，指针连接到松开端的内侧。温度的升高 导致元件卷起（wind up） ，产生顺时针方向偏转。在刻度尺上，指针运动指示了温度变化。 电气电子电气电子测量测量仪表仪表 电气仪表与非电量测量技术有所不同。首先，要使系统工作，必须有一个提供电力的辅 助源。其次，要用转换器将温度变化转变成电气信号。这种类型的仪表也有自己的优势，传 感元件质量小（small-mass） ，可以位于测量区域的某个有效距离内。
12、此外，电子仪表非常适 宜于便携式应用，这增加了测量设备的多功能性。 电气和电子仪表主要根据传感元件的基本工作原理进行分类。 在实践中， 其中包括电阻 变化、电压生成、辐射和光对比（optical comparisons） 。这些仪表的传感元件或转换器必须 有能力区分温度变化，判断物体的热量。 测温转换器非常类似于控制器上使用的传感元件。 事实上， 控制器和温度记录仪中的传 感器元件通常可以互换使用。在记录型控制器中，这些功能经常结合在一起，以实现控制和 温度显示。接下来，我们将把注意力放到一些用于工业的重要市售仪表的运行上。 热阻式热阻式仪仪表表。某些金属受热时，其电阻发生改变，热阻式仪表是以
13、这个特性为基础的。 一般来说， 所有金属都在某种程度上具有这一特性。 其中的最重要因素是金属的纯度及其被 制成细金属丝的能力。此外，这种金属应响应快速的温度变化，有可重复的温度系数，响应 电阻范围是线性的，并且拥有一个高电阻-温度（resistance-temperature）变化比率。 热阻式仪表的传感器仅仅是一根绕在陶瓷芯上的线圈形长金属线线。 然后， 整个组件被 封装在一个保护性护套中。 线圈的连接由穿过陶瓷心的引线实现， 由此形成的连接点能够起 到应力缓和作用。 一个简单的 RTD 温度表电路（电阻温度检测器）如图 8-1 所示。如果给电阻元件加上 一个恒定的直流电源，那么电流表上显示
14、一个恒定的电流。然而，若电阻元件被加热，则其 电阻加大。电阻的增加导致电流读数减少。由于金属元件的直径很小，电阻温度表对温度变 化的响应比较迅速。此外，它们与电桥电路一起使用，可以实现温度的精确比较测量。 热电偶指示器热电偶指示器。当两种不同金属的公共结点被加热，就会生成一个直流电压，热电偶温 度指示器对电气特性做出响应。 通过测量热电偶自由端所产生的电压， 可以用来显示作用于 测量结点的温度。 当热电偶连接到图 8-2 所示的电路，它充当了一个热感应结点（TH） 。如果热电偶的一 个结点维持一个参考温度（TC） ，那么产生电流的大小测量结点（TH）的温度成正比。 在实践中，热电偶传感器的输出
15、电压在毫伏级。在某些应用中，热电偶的毫伏输出被转 换成温度，在刻度尺上指示出来。在控制器操作中，热电偶输出电压与设定点调整电压做比 较，最终确定控制器的动作。一般来说，为了进行这种比较，通常需要某种类型的放大。今 天，运算放大器（Op-amps）专门用于实现这种程度的放大。 热敏电阻仪器热敏电阻仪器。热敏电阻是一种最简单和最通用的测温元件之一。这个元件是固态的， 不同于与之对应的 RTD 测温元件，热敏电阻的电阻温度系数为负值，其结果是温度增加导 33 致电阻相应地减少。这种效应与金属具有正温度系数相反。 热敏电阻的阻值主要是受环境温度控制。 当使用特定的热敏电阻时， 可以预测它将如何 应对温
16、度的变化。在这方面，若已知参考温度的电阻值和所处环境的温度，则可以确定其新 的电阻值。以同样的方式，如果参考温度的电阻值及其环境电阻值是已知的，那么可以确定 其温度。应用制造商提供的电阻-温度（resistance-temperature）表，可以实现这种类型的预 测。 辐射辐射高温计高温计（pyrometers） 。辐射测温是一种根 据从物体表面辐射出来的热能实现物体温度测量的 方法。通过这种测量方法，可以在不直接接触对象 情况下确定温度。采用一种特殊的光学系统收集可 见光和红外能量， 并将其聚焦到一个探测器元件上， 随后由探测器将集中的能量转换成电信号。这个信 号经放大后用于读数或显示元件。温度最终由仪表 偏转、图表记录或数字号码显示出来。辐射高温计 系统如图 8-3 所示。 辐射高温计的能量探测器经常采用的器件称为热电堆（thermopile） 。从技术上讲，热电 堆被描述为串联连接在一起的一系列离散的热电偶。这个器件的综合输出是一个直流电压， 该电压与直接落在其表面的热能成正比。 8.3 压力压力、物物位和流量测量位和流量测量 今天
