化工测量及仪表第2章

第2章检测技术基础化学工业出版社第2章目录•2.1检测的基本概念•2.2测量误差概述•2.3随机误差的处理与测量不确定度的表示•2.4系统误差以及粗大误差的处理•2.5检测技术的新发展概述2.1检测的基本概念•2.1.1传感器与测量系统的组成•2.1.2测量方法及其分类•2.1.3测量系统或仪表的基本技术性能和术语2.1.1传感器与测量系统的组成•1．传感器(transducer)的构成•在测量过程中一般都会用到传感器。国家标准是这样定义“传感器”的：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成，参见图2-1-1。图2-1-1传感器的构成输出y和输入x之间的关系•一般传感器是指借助于敏感元件接受某一物理量形式的信息x，并按一定规律将它转换成同种或另一种物理量形式信息y的器件或装置。变送器是输出为标准信号的传感器。输出y和输入x之间有确切的函数关系，即（2-1-1）)(xfy)(xfy)(xfy)(xfy•敏感元件(sensor)是对被测参数x敏感，它的输出，设为z，z有可能是一种不易处理的物理量形式，不一定能被后继的线路所利用。此时就必须在敏感元件后配一相应的转换元件，该转换元件的输出一定是易于处理的能被后继的线路所利用的信号。•易于处理的能被后继线路所利用的信号形式有很多种类，其中电量信号（例如是电压、电流、电阻等）是人类最为熟悉的信号形式。电量信号精度高、动态响应快、易于运算放大、易于远距离传送、易于和计算机接口等具有许多其他信号所没有的优点。所以我们往往有目的地选用或研发能输出电信号的转换元件来和敏感元件配合，从而让传感器输出y成为电信号。•当以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出时，我们又常常称之为“非电量电测”。2．检测仪表（自动测量系统）的组成•在现代的自动测量系统（检测仪表）中，它的各个组成部分可以先借助“信息流的过程”来粗线条地划分。一般可以分为：信息的获得，信息的转换和信息的显示三部分。•因此作为一个完整的自动测量系统，至少应包括传感器(信息的获得)、测量电路(信息的运算、放大、处理和转换)、显示装置(信息的显示)3个基本组成部分。它们之间的关系可用图2-1-2的框图来表示。•传感器是一个获取被测量的装置，是一种获得信息的手段。•测量电路的作用是把传感器的输出的信号（往往是电信号），放大、处理或转换使信号能在显示仪表上指示或在记录仪中记录下来。•显示装置:测量的目的是使人们了解要测的数值，所以必须有显示装置，这就是信息的显示。显示的方式，目前常用的有三类：模拟显示、数字显示和图像显示。•由图2-1-2可知，传感器只不过是检测系统（检测仪表）的一部分，而绝非全部。因此光有传感器知识还不能使用和设计检测系统。为了适应今后从事相关的工程测量工作，我们不仅要学习检测的基础理论与传感器的工作原理（本教材第2~7章），也要学习检测系统（检测仪表）的一些共性的通用的原理和应用（本教材第8章）。•在工程上我们往往称传感器、变送器为“一次仪表”；检测仪表或各种显示装置叫“二次仪表”。2-1-2测量方法及其分类•测量是用实验方法去确定一个参数的量值。量值包括“数值”和“单位”两个含义，缺一不可。通过测量可以掌握被测对象的真实状态，测量是认识客观量值的唯一手段。•在测量中，把作为测量对象的特定量，也就是需要确定量值的量，称为被测量。•由测量所得到的赋予被测量的值称为测量结果。如果测量结果是一次测量的量值，也称为测得值。1.按测量值获得的方法分类•（1）直接测量把被测量与作为测量标准的量直接进行比较，直接得到被测量的大小和单位。并可用下式表示：y=x式中y为被测量的量值；x为作为标准的器具所给出的量值。直接测量的特点是简便，例如用米尺量出一根铜管的长度。•（2）间接测量被测量不直接测量出来，是通过与它有一定函数关系的其他量的测量来确定。设被测量为y，影响测量结果y的影响量为xi，则可写出测量模型为：•例如，要确定功率P值，则可按公式P=I2R求得。式中I是电流，R是电阻值，该电阻值与温度t有确切的函数关系R=R0[1+α(t-t0)]。显然在系数α是常数的情况下，只要通过对电流I，电阻R0，以及温度t的测量，就能确定出功率P，即),...,,(21nxxxfy),,(0tRIfy•（3）组合测量•有时候不少参数是无法用直接测量或间接测量来获取的，比如金属材料的热膨胀系数α，β。为此我们可以利用直接测量或间接测量这两种方法测量其他的一些参数，然后用求解方程的方法求出α，β。•金属材料的热膨胀有如下公式•t=0℃，测得L0；t=t1度时测得Lt1；同理t=t2度时测得Lt2。•可得下列联立方程组•建立联立方程组后再求解联立方程可得到系数α，β的量值，这就是组合测量方法。)1(20ttLLx)1(21101ttttLL)1(22202tttttLL2.按测量工具来分类（1）偏差法•在测量过程中，用仪表指针的位移(即偏差)来表示被测量的大小。•这种测量方法，不是把标准量具装在测量仪表内部，而是通过被测量对检测元件的作用，使仪表指针产生位移，仪表的刻度标尺是通过标准器具的标定确定的。•这种测量方法简单快速，但其测量精度受到标尺的精度影响，一般不是很高。偏差法是最基本的方法。•在工厂和实验室里有大量的数据是通过各种测量仪表用偏差法来获取的。指针式电压表、电流表、弹簧秤、游标卡尺等等都是利用偏差法来获得测量值的。2.按测量工具来分类•（2）零位法•又称补偿式或平衡式测量方法。在测量过程中，被测量与已知标准量进行比较，并调节标准量使之与被测量相等，通过达到平衡时指零仪表的指针回到零来确定被测量与已知的标准量相等。这种测量方法的精度一般比偏差法要高许多，其误差主要受标准量误差的影响。一个典型的例子就是用天平称物，砝码就是标准量。它的缺点是每次测量要化很长时间。•（3）微差法•综合了偏差法和零位法的优点，将被测量的标准量与已知的标准量进行比较，得到基准值。再用偏差式测量方法测出指针偏离零值的差值。因为此差值很小，即使差值测量的精度不高，但整体测量结果仍可以达到较高的精度。我们仍用天平称物为例，先增减砝码，在指针回零过程中，一旦指针已落在零值左右的刻度之内，就不再调节砝码了（所化时间不会很多）。然后在获知砝码基准值的基础上再根据指针的偏差进行修正（加或减），就能获得准确的数值。2.1.3测量系统或仪表的基本技术性能和术语•1．测量范围和量程•测量范围：测量仪器的误差处在规定极限内的一组被测量的值。•即最小被测量（下限）到最大的被测量（上限）。也就说在这个测量范围内（从最小到最大），测量仪表能保证达到规定的精度。•量程：测量范围的上限值和下限值的代数差。•例如：一台温度测量仪如测量范围为0~100℃时，则量程为100℃；测量范围为20~100℃时，量程为80℃；测量范围为-20℃~+100℃时，量程为120℃。•2．测量仪表的误差•（1）测量仪表的示值误差•测量仪表的示值：测量仪表所给出的量值。•测量仪表的示值误差：测量仪表的示值与对应输入量的真值之差。•由于真值不能确定，实际上用的是约定真值或用相对真值，即用更高精度级别的仪表的示值作为参考标准来代替真值。在不易与其他称呼混淆时测量仪表的“示值误差”就直接简称为测量仪表的误差。•（2）测量仪表的最大允许误差•定义：对给定的测量仪表，规范、规程等所允许的误差极限值。有时也称为测量仪表的允许误差限，或简称允许误差。•（3）测量仪表的固有误差•定义：在参考条件下确定的测量仪器的误差。•固有误差也称为基本误差，它是指测量仪器在参考条件（又叫标准条件）下所确定的测量仪表本身所具有的误差。主要来源于测量仪表自身的缺陷，如仪表的结构、原理、使用条件、安装位置、测量方法等造成的误差。固有误差的大小直接反映了该测量仪表的准确度，它与后面讲述的系统误差有关联。•（4）附加误差•附加误差是指测量仪表在非标准条件时所增加的误差。•非标准条件下工作的测量仪表的误差，必然会比标准条件下的固有误差要大一些。它主要是由于影响量超出参考条件规定的范围，即由于外界因素的变化所造成的增加的误差。因此测量仪表实际使用时如与检定、校准时的环境条件不同，它必然会增加误差，这就是附加误差；如常常出现的温度附加误差、压力附加误差等。测量仪表在静态条件下检定、校准，而在实际动态条件下使用，则也会带来附加误差。•3．稳定性•测量仪表在规定工作条件保持恒定时，测量仪表的性能在规定时间内保持不变的能力，即“测量仪表保持其计量特性随时间恒定的能力”。•稳定性可以用几种方式定量表示，例如：用测量特性变化某个规定的量所经过的时间；或用测量特性经规定的时间所发生的变化。•4．重复性与再现性•在相同测量条件下，重复测量同一个被测量，测量仪表提供相近示值的能力称为测量仪表的重复性。–这些条件应包括相同的测量程序；相同的观测者；在相同条件下使用相同的测量设备；在相同地点；在短时间内的重复。仪表的重复性是用全测量范围内各输入值所测得的最大重复性误差来确定，以量程的百分数表示。•再现性是指在相同测量条件下，在规定时间内(一般为较长时间)，对同一输入值从两个相反方向上重复测量的输出值之间的相互一致程度。–仪表的再现性由全测量范围内同一输入值重复测量的相应上升和下降的输出值之间的最大差值确定，并以量程的百分数表示。•5．测量仪表的输入、输出特性•(1)灵敏度（sensitivity）•灵敏度：测量仪表对被测量变化的反应能力，测量仪表响应的变化除以对应的激励变化•△y：测量仪表的响应的变化，△x：对应的激励的变化。•可理解为△y为输出量的变化，△x为输入量的变化。对于线性测量仪表S为常数K，对于非线性测量仪表灵敏度S将随被测量的大小而变。KxyS/•(2)分辨力（resolution）•显示装置的分辨力：显示装置能有效辨别的最小的视值差。•就是能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量△xmin。它说明了测量系统响应与分辨输入量微小变化的能力。分辨力也称为灵敏阈或灵敏限。•(3)死区（deadzone）•又称仪表的不灵敏区。•测量仪表在测量范围的起点处，输入量的变化不致引起该仪表输出量有任何可察觉的变化的有限区间称为死区。•产生死区的原因主要是仪表内部元件间的摩擦和间隙。在仪表设计中，死区的存在，也有其积极的一面，它可以防止激励的极微小变化引起响应的变化。•(4)回差（hysteresiserrorofinstrument）•也称仪表的变差。•定义：由于施加激励的方向不同(上行程或下行程，又称正行程或反行程)，测量仪表对同一激励值给出不同响应值的特性。•即在仪表全部测量范围内，被测量值上行和下行所得到的两条特性曲线之间的最大偏差。这种现象是由于仪表元件吸收能量所引起的，例如机械部件的摩擦、磁性元件的磁滞损耗、弹性元件的弹性滞后等。回差包括滞环和死区的因素。6．测量仪表的精度等级（1）精密度•在等精度测量条件下多次测量所获得的结果不会完全相同，它们总是围绕在真值周围，呈一定的弥散性。测量值弥散程度小，即紧紧地围绕在真值周围，表明精密度高。精密度表征测量过程中随机误差的影响程度。（2）准确度•多次测量所获得的测量值有时会朝同一方向偏离真值。偏离程度大，测量仪表的准确度就低；反之，准确度就高。准确度表征了测量仪表受系统误差的影响程度。•（3）精确度（也常简称为精度）•它综合了精密度和准确度的概念，即完整表征了上述两种误差。•测量精确度高，是指随机误差与系统误差都比较小，这时测量数据比较集中在真值附近。•测量精确度的定义是“测量结果与被测量真值之间的一致程度”。显然该定义是一个定性的概念。•仪表精确度如何定量来描述呢？•设J为最大引用误差，△为绝对误差，即仪表示值和实际真值之差，显然绝对误差△包含了随机误差、系统误差以及其他误差等对测量示值的共同的影响。△max为在整个测量范围内仪表最大的绝对误差。有%100max仪表的量程J•（4