89第一章 绪论

第一章绪论测量的意义及发展方向测量方法测量系统测量仪表的主要性能指标仪表的检定第一节测量的意义及发展方向一、测量与误差1.测量的定义：测量是利用某种工具并以实验或计算的方法获取被测参数数值的过程。具体说，是指被测参数与预先确定的被测参数的“单位”进行比较，并获取比值的过程。2.测量的基本公式：x=αUx式中x——被测参数（被测量）的数值;Ux——测量单位；α——测量获得的比值，又称为测量值。实际的关系式应该是x≈αUx3.测量过程有三要素一是测量单位；二是测量方法；三是测量工具。二、检测技术及仪表的发展趋势（1）传感器逐渐向集成化、数字化、智能化、网络化、组合化方向发展；（2）不断拓展测量领域和范围，努力提高检测精度和可靠性；（3）软测量技术、数据融合处理方法等新技术得到迅速发展和广泛应用；（4）非接触法检测技术得到重视和发展；（5）检测系统智能化。第二节测量方法的分类根据分类依据的不同，测量方法主要有以下几种分类方法1、直接测量、间接测量、组合测量2、接触测量与非接触测量3、静态测量与动态测量4.偏差法、零差法、微差法5.等精度测量、非等精度测量第三节测量系统一．测量系统的组成一个完整的检测过程，一般应包括：①信息的提取——用传感器来完成。②信号的放大、转换与传输——用中间转换装置来完成。③信号的显示和记录——用显示器、指示器或记录仪完成。④信号的处理和分析——用计算机、数据分析仪、频谱分析仪等来完成。二、测量系统各部分的作用1、检出部分检出（detection)部分是测量系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分。担当检出功能的器件统称为传感器（Sensor)。对传感器有以下的要求：①传感器的输出信号与被测参数在数值上应呈单值关系，最好是线性关系；②传感器的输出信号应该只响应被测参数的变化，其他一切可能的输入信号（包括噪声信号）不能影响输出信号；③传感器对被测对象状态的影响应尽量小。传感器的输出一般有以下一些特点：①输出量为电压、电流或频率的变化，或者是通过电阻、电容、电感的改变转换为电压、电流、频率的变化。有模拟量和数字量两种形式。②输出的电信号一般较微弱，如电压信号为毫伏级甚至微伏级，电流信号为毫安级甚至纳安级。③由于传感器内部噪声的存在，输出信号与噪声混在一起。若传感器的信噪比较小而输出的信号又弱时，则信号淹没在噪声中。④传感器的输出特性呈线性或非线性。⑤外界环境如温度、湿度、电磁场等的变化会影响传感器的输出特性。（2）信号变换部分信号变换（Signalconversion）是使检出的信号变换成适合于分析处理的信号。进行变换时，重要的是考虑原始信号中哪些信息是希望了解的，以及如何不丢失和不歪曲有用信息。（3）分析处理显示部分显示部分是测量系统的输出部分。测量系统通过它的显示元件向观察者反映被测参数的数值。显示元件按其显示方式的不同可分为模拟式显示元件、数字式显示元件和屏幕式显示元件三种。（4）通信接口与总线（Communicationinterfaceandbus）部分其基本功能是管理两个不同系统之间的数据、状态和控制信息的传输和交换。一个大型检测系统中有许多测量分系统或测量节点，分系统向上位机传送数据信息和测量状态、上位机向下发布命令或各分系统之间交换信息都通过接口进行。三、热工仪表及其分类（l）按参数种类不同，热工仪表可分为温度、压力、流量、料位、成分分析及机械量等测量仪表。（2）按显示功能的不同，可分为指示仪表、记录仪表、积算式仪表及信号式仪表等。（3）接仪表组成系统的方式不同，可分为直接变换式和平衡式两种仪表。第四节测量仪表的主要性能指标一、仪表的计量性能指标几个概念：仪表测量范围仪表在保证规定精确度的前提下所能测量的被测量的区域称为仪表的测量范围。仪表的上、下限在上述相同条件下仪表所能测量的被测量的最高、最低值分别称为仪表测量的上限和下限（简称上、下限，又称仪表的零位和满量程值）。仪表的量程仪表的量程是指测量范围上限与下限的代数差。1、准确度（1）示值误差示值误差是指仪表的某一个测量值（示值）的误差，它反映在该点仪表示值的准确性。示值误差常可用三种形式表示。1）示值的绝对误差；2）示值的相对误差；3）示值的引用（折合）误差示值的绝对误差和示值的相对误差不能作为仪表的误差。(2)仪表的基本误差与精确度等级基本误差在规定的正常工作条件下，仪表整个量程范围内各点示值误差中绝对值最大的误差称为仪表的基本误差。一般可用绝对误差（δb）和引用误差(γb)两种形式表示。允许误差按计量部门的规定，仪表厂家保证某一类仪表的基本误差不超过某个规定的数值，此数值就被称为仪表的允许误差（容许误差）。允许误差也可用绝对误差与引用误差两种形式表示，其符号分别为δa和γa。注意:允许误差是一种极限误差，在仪表刻度范围内各点的示值误差均应保证小于至多等于允许误差值。精确度等级以引用误差（γa）的形式表示的允许误差去掉百分号剩下的数值就称为仪表的精确度等级（或准确度等级），俗称精度级。要掌握:精确度合格的仪表应满足其基本误差不大于仪表的允许误差，是否满足这一要求是仪表检定工作的主要任务之一。注意理解：基本误差、允许误差和仪表的精确度等级的关系。2、仪表的灵敏度仪表的灵敏度是指其输出信号的变化值与对应的输入信号变化值的比值。用数学形式表示，在某一点处仪表的灵敏度为式中S——在某一点处仪表的灵敏度；φ——仪表的输出信号；x——仪表的输入信号。求得仪表的灵敏度后注意：不要把单位丢掉！！！dxdxSx0lim3、线性度线性度反映仪表的输入一输出特性曲线与选用的对比直线之间的偏离程度。线性度又称为非线性误差。常用的对比直线有三种情况，对应有三种线性度的表示方式:1）端基线性度;2）零基线性度;3）最小二乘线性度%100ALmDD三种线性度表示法示意（a）端基线性度；（b）零基线性度（c）最小二乘线性度注意：选用的对比直线不同，计算结果不同。4、回差（又称变差、滞后误差）定义：输入量上升和下降时，同一输入量相应的两输出量平均值之间的最大偏差与量程之比的百分数称为仪表的回差。产生的原因：它通常是由于仪表运动系统的摩擦、间隙、弹性元件的弹性滞后等原因造成的。5、分辨率分辨率反映仪表对输入量微小变化的反应能力。模拟仪表的分辨率是指使仪表示值产生可观察变化对应输入量的最小变化值；数字仪表的分辨率的定义是使末位数产生单位变化对应的输入量的变化值。对应的输入量变化值越小，分辨率就越高。从测量角度看，希望仪表分辨率高些好。二、仪表的可靠性随着现代工业生产自动化程度的日益提高，测量仪表的任务不仅是提供精确的读数，而且常常是自动化生产过程中的一个组成部分。测量仪表的故障会影响控制系统，甚至会导致整个生产装置的严重事故。衡量检测仪表的可靠性还没有专门的尺度，目前主要有三个指标来描述，它们是保险期、有效期和狭义可靠性。①保险期仪表使用后能有效地完成规定任务的期限，超过了这一期限可靠性就逐渐降低。②有效性仪表在规定时间内能正常工作的概率。概率的大小取决于系统故障率的高低、发现故障的快慢和故障修复时间的长短。③狭义可靠性由结构可靠性和性能可靠性两部分组成。前者指仪表在工作时不出故障的概率，后者指仪表能满足原定要求的概率。定量描述检测仪表可靠性的度量指标有可靠度、故障率、平均无故障工作时间、平均故障修复时间等。●可靠度R(t)是指仪表在规定工作时间内无故障的概率。如有100台同样的仪表，工作了1000h后只坏了一台，就可以说这批仪表在1000h后的可靠度是99％。反之这批仪表的不可靠度F(t)就是1％。显然R(t)=1－F(t)。●故障率是指仪表工作到t时刻时单位时间内发生故障的概率。可靠度和故障率的关系是。●平均无故障工作时间是仪表在相邻两次故障间隔内有效工作时的平均时间，用MTBF(MeanTimeBetweenFailure）来代表。●平均故障修复时间MTTR(MeanTimetoRepair)是仪表出现故障到恢复工作时的平均时间。tetR)(示值的修正值及修正系数示值的修正值被测量真值与仪表的示值之差称为该示值的修正值，以符号c表示。c＝α-x，α＝x+c显然，c=-δ，即示值的修正值与误差值大小相等但符号相反。修正系数(K):通过计算或经验方法求得的系数。α=Kx在实际工作中通过示值加修正值的方法对示值进行修正，可提高测量结果的精确度。举例1:一块温度表，测量范围0—1000℃，0.5级准确度，满量程指针总位移为200mm，对该表检定结果如下所示。求：（1）各示值的绝对误差及相对误差；（2）仪表的基本误差，该仪表合格否？（3）仪表的平均灵敏度。被检表读数（℃）0，100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000标准表读数（℃）0，99，202，304，398，502，604，705，800，895，1000举例2:已知某温度仪表的的测温范围为200～600℃，仪表刻度盘上小圆圈内标有1.0数字，试问该仪表的准确度等级、允许误差各为多少？仪表最大允许示值误差为多少摄氏度？对上述温度表进行校验时，在各校验点上的数值如下表所示：仪表示值200，300，400，500，600标准表示值正200，301，399，498，601反200，300，398，497，601根据校验记录，计算该表的基本误差和变差？判断该表是否合格？第五节仪表的检定为评定仪表的计量性能（精确度、灵敏度等），并确定其性能是否合格所进行的全部工作称为检定，又称校验。按产生被测量标准量值的方法不同，仪表的检定方法可归纳成标准物质法和示值比较法两种。（l）标准物质检定法标准物质是指能提供某一种参数的标准量值的物质。例如在某种标准条件下，纯金属的固一液相平衡点（熔点）温度为恒定值而可作为温度检定的标准量值。用被检定仪表去测标准物质提供的标准量以确定其性能的方法就称为标准物质检定法。（2）示值比较检定法这种方法是用标准表对被检定仪表进行检定。被检表和标准表同时测同一被测量，把标准表的示值当成真值（约定真值），比较二者的示值以确定被检仪表有关性能指标，这就是示值比较检定法。为保证检定工作的质量，一是要求标准表的精确度要足够高，一般要求其允许误差应小于（1／4～1／10）被检表的允许误差；二是在检定时，应严格保证标准表与被检表测量的是同一参数值。小结：一、测量的基本概念测量的过程就是比较变换的过程。测量是用实验的方法和专门的工具，将被测量与同种性质的标准量（即测量单位）进行比较，求取二者比值，从而找到被测量数值大小的过程。它是利用各种物理和化学效应，将物质世界的有关信息通过测量的方法赋予定性或定量结果的途径。测量包含三要素：测量单位、测量方法和测量工具。二、测量方法测量方法是实现被测量与其测量单位比较所采用的方法。根据检测仪表与被测对象的特点，测量方法可分为直接测量、间接测量、组合测量；偏差法、零差法、微差法；静态测量、动态测量等。三、测量系统测量系统包含检测部分、分析处理部分、显示记录部分以及通信接口部分。检测部分：将被测量转换成电量或电路元件参数，有时称为传感器；分析处理部分：进行阻抗匹配、信号变换和放大等处理的变换部分，对变换得到的数字信号进行去伪存真和特征提取；显示记录部分：表达测量结果和对结果进行存储；通信接口部分：将信号传送到控制器、其它测量系统或上位机系统。四、测量仪表的主要性能指标仪表的计量性能指标包括量程、准确度、线性度、变差、灵敏度、重复性等。仪表的准确度表示测量结果与被测真值之间的接近程度。准确度合格的仪表，其基本误差不能大于允许误差。仪表的变差反映了仪表工作时所得的上升曲线与下降曲线不重合的程度。在检验一台仪表时，如果该表的准确度或变差不满足规定的要求，则该表为不合格仪表。在使用仪表时，必须明确：仪表的精度等级高，不一定代表测量结果准确度高。它们之间相互依存，但有区别。仪表的可靠性目前主要有三个指标来描述，它们是保险期、有效期和狭义可靠性。五、仪表的检定为评定仪表的计量性能（精确度、灵敏度等），并确定其性能是否合