动力工程测试技术与仪器-第1章

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1、动力工程测试技术及仪表,制作： 韩东太 Email： T 密码： thermal 办公室： 机电学院A327,课程简介,动力工程测试技术及仪表是热能与动力专业的学科基础课。 通过本课程的学习，使同学们 掌握热工参数的正确测量方法； 掌握常用测量仪表的基本原理、主要性能，使用特点； 了解电厂热力设备和动力机械的检测系统的组成方法。 能在实际工作中知道如何正确的选择和使用测量仪表。,“热工测量原理及仪表”是一门专业必修课，也是一门与就业紧密相关、实践性很强的专业课程 成绩评定方法： 1. 平时考勤、作业、实验等占总成绩 30 % 2. 期终考试占总成绩 70 %,参考书目,热能工程测试技术及仪表讲

2、义，韩东太主编 热工测量仪表，第二版，高魁明主编，冶金工业出版社 热工测量及仪表，第二版，吴永生，方可人编，中国电力出版社 热工参数测量及仪表，何适生主编，中国电力出版社 吕崇德.热工参数测量与处理.第二版.北京：清华大学出版社,2001,学习要求：要求掌握测试系统的基本组成；仪器仪 表的主要性能参数；误差的分类及处理方法； 直接测量及间接测量中随机误差和系统误差 的计算方法。,第一章 测量方法及误差分析,目前热工测量技术的发展趋势体现在以下几个方面：,热工测量是指在热工过程中对各种热工参数，如温度、压力、流量、液位等的测量（热力发电厂中，有时也把成分分析、转速、振动等列入其中）。用来测量热工

3、参数的仪表称为热工测量仪表。,（1）计算机技术的广泛应用。 （2）新型传感器的研制。 （3）新技术、新设备的应用。,测量是以确定量值为目的的一组操作。 目的：确定被测量的值或获取测量结果。 测量科学技术已逐步形成了一门完整的、独立的学科。这门学科研究的主要是测量原理、测量方法、测量工具和测量数据的处理。 根据被测对象的差异，测量技术可分为若干分支，例如力学测量、电学测量、光学测量、热工测量等。 我们将在讨论有关测量问题的基本原理的基础上重点讨论热工参数的测量技术。,1.1.1测量的定义,1.1 测量的概念和测量方法,所谓测量，就是利用测量工具，通过实验的方法将被测量与同性质的标准量（即测量单位

4、）进行比较，以确定出被测量是标准量多少倍数的过程。所得到的倍数就是被测量的值。 两个条件： 用来进行比较的标准量应该是国际上或国家所公认的，且性能稳定； 进行比较所用的方法和仪器必须经过验证。,测量的表达式,x被测量； b标准量（测量单位）； L所得到的被测量的值，即得到的测量结果。,1.1.2 测量方法,1.按被测量在测量过程中的状态分,静态测量 指在测量过程中被测量可以认为是固定不变的。因此，不需要考虑时间因素对测量的影响。 动态测量 指被测量在测量期间随时间（或其他影响量）发生变化。,在日常测量中，大多接触的是静态测量。对于这种测量，被测量和测量误差可以当作一种随机变量来处理,弹道轨迹的

5、测量、环境噪声的测量等。对这类被测量的测量，需要当作一种随机过程的问题来处理。,2.测量结果产生的方式分,直接测量 如水银温度计、压力表、直尺。 间接测量 如电阻温度计、压力传感器。 组合测量,3.根据检测装置动作原理分：,（1）直读法,玻璃管水银温度计,（2）零值法（平衡法）,天平、电位差计,（3）微差法,不平衡电桥测量电阻,4.根据仪表是否与被测对象接触,（1）接触测量法,（2）非接触测量法,玻璃管水银温度计,光学高温计测温,1.2 热工测量仪表的组成与分类,1.2.1 组成,1感受部件,感受部件的具体要求是：,输出信号必须随被测参数变化而变化。 输出信号只能随被测参数变化而变化。 输出信

6、号与被测参数的变化之间呈单值函数关系，最好呈线性关系，并有较高的灵敏度，即有较小的被测量变化时，输出信号就有较显著的变化。 反应快、迟延小。,2传输变换部件（中间件）,将感受部件输出的信号，根据显示部件的要求进行适当的处理后传送给显示部件。,作用：,3显示部件（二次仪表 ）,接受传输变换部件送来的信号并将其转换为测量人员可以辨识的信号。,作用：,根据显示部件的功能不同，仪表又可分为：,指示仪表、记录仪表、积算式仪表（积算器）、信号式仪表和调节仪表。,1.2.2 仪表的分类,按被测参数不同，可分为温度、压力、流量、物位、成分分析及机械量（位移、转速、振动等）测量仪表。 按仪表的用途不同，可分为标

7、准用、实验室用及工程用仪表。 按显示特点和功能不同，可分为指示式、记录式、积算式、数字式及屏幕式仪表。 按工作原理不同，可分为机械式、电气式、电子式、化学式、气动式和液动式仪表。 按安装地点不同，可分为就地安装式及盘用仪表。 按使用方式不同，可分为固定式和便携式仪表。,根据仪表的用途、原理及结构等不同，热工仪表可分为多种类型：,1.3.1 测量误差及其表示方法,1.3 测量误差及其种类,测量工作是一种实验工作，由于仪表本身不完善，测量人员操作不当，测量时客观条件的变化以及受人类自身认识水平的局限等种种原因，使得测量结果与被测量的真实值之间出现不符的现象，即存在测量误差。,测量误差的定义,被测量

8、的真值,测定值（测量结果）,测量误差,测量误差的概念测定值,测定值（测量结果） 测定值x是由测量所得到的赋予被测量的值。 广义上我们可以把测得值、测量值、检测值、实验值、示值、名义值、标称值、预置值、给出值等均看作是测量结果。 测量结果是我们要研究的对象。,测量误差的概念真值,真值：与给定的特定量一致的值。 理论真值一般只存在于纯理论之中。 如：三角形内角之和恒为180，一个整圆周角为360真值。,测量误差的概念约定真值,约定真值：是指对于给定用途、具有适当不确定度的、赋予特定量的值。亦称：指定值、约定值、参考值或最佳估计值。 例：由国家建立的实物标准（或基准）所指定的千克副原器质量的约定真值

9、为1kg，其复现的不确定度为0.008mg。,普遍性 -误差是不可避免的，所有的测量数据都存在误差。最高基准的测量传递手段（测量仪器/测量方法）- 不绝对准确,误差的特点：,误差的基本表示方法,绝对误差 相对误差 引用误差,1.绝对误差,被测量的真值,测定值,绝对误差：是一个具有确定的大小、符号及单位的量。单位给出了被测量的量纲，其单位与测得值相同。,适用于：同一量级的同种量的测量结果的误差比较和单次测量结果的误差计算。,2.相对误差,定义：仪表的绝对误差与被测量的真实值之比，用百分数表示，即,相对误差的特点：,相对误差只有大小和符号，无量纲，一般用百分数 来表示； 相对误差常用来衡量测量的相

10、对准确程度。 被测量的大小不同-允许的测量绝对误差不同； 相对误差相同时，被测量的量值小 - 允许的测量绝对误差也越小,例：压力P1=50 kPa，误差d1 = 2kPa；压力P2=2MPa，误差d2 = 50 kPa,G1的相对误差为,G2的相对误差为,G2 的测量效果较好。,解：,3.折合误差（引用误差）,我国电工仪表、压力表的准确度等级（accuracy class）是按照引用误差进行分级的。当一个仪表的等级s选定后，用此表测量某一被测量时，所产生的最大绝对误差为： 绝对误差的最大值与该仪表的标称范围（或量程）上限成正比。 如何使用这类仪表？,定义：是指仪表量程范围内指示值的最大绝对误差

11、与该仪表的量程范围之间的百分比，即,仪表量程范围内指示值的最大绝对误差；,仪表的量程。,引用误差示例,用有一块测量范围为0.1MPa0.1MPa，2.5级的压力真空表，在进行计量校准时，各示值点上最大允许误差是多少？,解：该压力真空表在0.1MPa0.1MPa范围内各示值点上的引用误差不应超过2.5，则各示值点上允许误差的最大示值误差应为：,引用误差专用于仪器仪表误差的描述。,2.50.1（0.1）0.005（MPa）,1.系统误差,定义：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。 特征：在相同条件下，多次测量同一量值时，该误差的绝对值和符号保持不变，或者

12、在条件改变时，按某一确定规律变化的误差。,1.3.2 测量误差的分类,根据误差的性质不同，可以把误差分为系统误 差、随机误差和疏失误差三种。,系统误差举例,在实际估计测量器具示值的系统误差时，常常用适当次数的重复测量的算术平均值减去约定真值来表示，又称其为测量器具的偏移或偏畸。 由于系统误差具有一定的规律性，因此可以根据其产生原因，采取一定的技术措施，设法消除或减小；也可以在相同条件下对已知约定真值的标准器具进行多次重复测量的办法，或者通过多次变化条件下的重复测量的办法，设法找出其系统误差的规律后，对测量结果进行修正。,用天平计量物体质量时，砝码的质量偏差 用千分表读数时，表盘安装偏心引起的示

13、值误差 刻线尺的温度变化引起的示值误差,2.随机误差,定义 测得值与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量结果的平均值之差。又称为偶然误差。 特点 在相同测量条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号以不可预定方式变化的误差。 产生原因 随机误差是由人们不能掌握，不能控制，不能调节，更不能消除的微小因素造成。这些因素中，有的是尚未掌握其影响测量准确的规律；有的是在测量过程中对其难以完全控制的微小变化(如温度波动、噪声干扰、电磁场微变、电源电压的随机起伏、地面振动等)，而这些微小变化又给测量带来误差。,随机误差的特征,随机误差的最主要特征是具有随机性，没有确定的规律。 类似于其它随机变量，对无

14、限次测量来说，随机误差服从统计规律。,3.疏失误差,定义： 指明显超出统计规律预期值的误差。又称为疏忽误差、过失误差或简称粗差。 产生原因：某些偶尔突发性的异常因素或疏忽所致。 测量方法不当或错误，测量操作疏忽和失误（如未按规程操作、读错读数或单位、记录或计算错误等） 测量条件的突然变化（如电源电压突然增高或降低、雷电干扰、机械冲击和振动等）。 由于该误差很大，明显歪曲了测量结果。故应按照一定的准则进行判别，将含有粗大误差的测量数据（称为坏值或异常值）予以剔除。,1.4 仪表的质量指标及仪表的校验,1.4.1 仪表的质量指标,1仪表的精确度等级及允许误差,精密度：对同一被测量进行多次测量所得的

15、测定值重复一致的程度，或者说测定值分布的密集程度称为测量的精密度。精密度反映随机误差的影响，随机误差愈小精密度愈高。 正确度：对同一被测量进行多次测量，测定值偏离被测量真值的程度称为测量的准确度。准确度反映了系统误差的影响，系统误差愈小，准确度愈高。 精密度与正确度的综合指标称为精确度，或称精度。,准确度、正确度和精密度三者之间的关系,弹着点全部在靶上，但分散。相当于系统误差小而机误差大，即精密度低，正确度高。,弹着点集中，但偏向一方，命中率不高。相当于系统误差大随机误差小，即精密度高，正确度低。,弹着点集中靶心。相当于系统误差与随机误差均小，即精密度、正确度都高，从而准确度亦高。,测量仪表的

16、准确度由国家按离散化系列加以规定，并且直接与允许误差相对应。允许误差去掉百分号后取绝对值，就是该仪表的精确度等级，又称精度等级。,我国目前规定的准确度等级有：,0.005，0.01， 0.02，0.04，0.05， 0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等级别。,如仪表标牌为：,或,表示该仪表的精确度等级为0.5级，其允许误差为0.5%。,仪表的允许误差准确度等级%,例1-1：对某机组进行热效率试验，需用0-16MPa压力表来测量10MPa左右的主蒸汽压力，要求相对测量误差不超过0.5%，试选择仪表的精确度等级。,解：仪表的允许绝对误差100.5%0.05MPa,仪表的允许折合误差,0.313%,所以该仪表的精确度等级应选为0.2级。,2.仪表的基本误差和附加误差,