热工测量的基本知识

热工测量的基本知识著名科学家门捷列夫有一句名言：“没有测量，就没有科学。”５月２０日“世界计量日”1.1热工测量概述1.2热工测量的重要意义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、物位等的测量。热工测量仪表保证电厂运行的安全性和经济性1.2测量的概念和测量方法1.2.1测量的定义利用测量工具实验的方法使测量结果有意义的要求：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表必须经过验证。1.2.2国际单位制与我国法定计量单位国际单位制代号为SI法定计量单位我国的法定计量单位包括：(1)国际单位制的基本单位；(2)国际单位制的辅助单位；(3)国际单位制中具有专门名称的导出单位；(4)国家选定的非国际单位制单位；(5)由以上单位构成的组合形式的单位；(6)由词头和以上单位构成的十进倍数和分数单位。1.2.3测量方法测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：（1）直接测量法：使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者预先标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求得被测量数值的测量方法。（2）间接测量法：通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。（3）组合测量法：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。这种测量方式比较复杂，测量时间长，但精度较高，一般适用于科学实验。根据仪表是否与被测对象接触分类接触测量法非接触测量法1.2.4热工测量仪表的组成一、组成传感器变换器显示装置被测量测量值1.感受部件（传感器、敏感元件）它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。理想感受元件应满足的要求：传感器输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。感受元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一切可能的输入信号不敏感。在测量过程中，感受元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态。2.传输变换部件（变换器、变送器）它是传感器和显示装置中间的部分，它是将传感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部件。对变换器的要求：性能稳定，精确度高，使信息损失最小。3.显示装置它是测量系统直接与观测者发生联系的部分显示装置的基本形式：模拟式显示元件；数字式显示元件；屏幕式显示元件CRT显示二、热工测量系统概念按被测参数分：压力、温度、流量、料位、成分分析仪表按显示功能分：指示仪、记录仪、积算仪、数字式及屏幕式仪表1.3测量误差及处理1.3.1测量误差表示方法测定值与被测量真值之差称为测量的绝对误差，或简称测量误差。δ=x－x0式中，δ——测量误差；x——测定值（例如仪表指示值）；x0——被测量的真值。真值一般无法得到。对于绝对误差，应注意下面几个特点：绝对误差是有单位的量，其单位与测定值和实际值相同。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。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。2.相对误差示值的绝对误差与约定值之比值称为相对误差，其为无量纲数，以百分数表示。相对误差＝（绝对误差/真值）×100%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，则应采用相对误差来评定。3.折合误差（引用误差）%100minmax0AAxx1.3.2测量误差的分类测量过程中存在测量误差是不可避免的，任何测量值只能近似反映被测量的真值。三类误差：系统误差、随机误差、粗大误差。1．疏忽误差（粗大误差）明显地歪曲了测量结果的误差称为粗大误差，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中剔除。2.系统误差在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测量，误差的绝对值和符号或者保持不变，或按一定的规律变化，这类误差称为系统误差。系统误差的特征是它确定的规律性恒值误差a变值误差：累进性b、周期性c、按复杂规律变化d习惯上用“正确度”来反映系统误差的大小程度；对同一被测量进行多次测量，测量值偏离被测量真值的程度称为测量的正确度。3．随机误差在相同测量条件下，对同一被测量进行多次测量，由于受到大量的、微小的随机因素的影响，测量误差的绝对值的大小和符号不确定，这类误差称为随机误差。随机误差就个体而言是无规律的，不能通过实验的方法来消除。但在等精度条件下，只要测量次数足够多，那么就会发现：从总体来说随机误差服从一定的统计规律，可以从理论上来估计随机误差对测量结果的影响。习惯上常用“精密度”这个词来反映随机误差的大小程度；对同一被测量进行多次测量，测量值重复一致的程度，或者说测量值分布的密集程度，称为测量的精密度。精密度与准确度的综合指标称为精确度，或称精度。它反映随机误差和系统误差的综合影响。精密度高的，正确度不一定高a；正确度高的精密度不一定高b；但精确度高的c，则精密度与正确度都高。1.3.3系统误差的处理（1）示值修正法对于有一定规律的系统误差，可以通过对读数的修正而得到测量的值。修正值是用标准表（高精度仪表）与本测量仪表进行比较，或根据理论分析导出修正值，予以修正。即修正值=标准表读数-仪表读数（2）补偿法补偿法更适宜在生产过程中加以应用，以利于在线运行。1.3.4随机误差的处理1．当重复测量的次数足够多时许多随机误差服从正态分布规律。下面通过对一组实测数据来研究一下服从正态分布规律的随机误差的特点。例如，用数字毫秒计测量一脉冲信号的周期，对100次测量数据（列于表１中）按统计方法作统计直方图。表１测量数据表表2频数分布表1．当重复测量的次数足够多时±3σnxxnii120)(2．当重复测量的次数较少时t分布1)(12nxxsnii)(置信概率nstx【例1-1】对某已知电阻进行了8次测量，得到的测量结果分别为15.30，14.94，15.19，14.86，15.11，15.15，14.97，15.35，要求测量结果的置信概率为99％，求该电阻的真实阻值及不确定度。1.3.5疏忽误差的剔除1．拉依达检验准则3σ判据2．格拉布斯检验准则1）选定P2）计算T值3）查表得到Tg(n,P)值4）如果T≥Tg(n,P)，则所怀疑的数据是异常数据，应予剔除。3．t分布检验准则111nxxnii【例1-2】试按t分布检验准则判别一组测量数据：5.29，5.30，5.3l，5.30，5.32，5.29，5.28，5.27，5.31，5.28中是否有疏忽误差。1.4仪表的质量指标及校验1.4.1仪表质量指标1．仪表的准确度(精确度)等级及允许误差允许误差去掉百分号后取绝对值，就是该仪表的准确度等级，又称精确度等级。它表示对测量仪表所允许的误差界限，即出厂的仪表都要保证基本误差不超过某一规定值，此规定值叫允许误差。【例1-3】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％，试选择仪表的准确度等级。解:仪表的允许绝对误差=10×(±0.5％)=±0.05MPa仪表的允许折合误差=0.313％所以该仪表的准确度等级应选为0.2级。2.仪表的基本误差和附加误差在规定的技术条件下，仪表测量值中的绝对值最大的绝对误差与仪表量程之比值称为仪表的基本误差。量程范围仪表能够测量的最大输入量与最小输入量之间的范围称作仪表的量程范围，简称量程。在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值。3.变差在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测量进行反复测量（正行程和反行程）时，所产生的最大差值与仪表量程之比值称为变差。4．灵敏度和不灵敏区灵敏度输出变化增量对输入变化增量的比值灵敏度限灵敏限是指仪表在刻度起点处引起输出变化的输入量的变化的最小值。为了取得灵敏限的明确性，通常用死区来表示输入的变化，即不至于引起有可察觉任何变化有限区间。在仪表的任何一个刻度上输出变化的最小输入变化值δ则称为仪表的灵敏限。通常灵敏限的数值应不大于仪表允许绝对误差的一半。仪表能响应的输入信号的最小变化5.线性度仪表的输入-输出特性曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与量程范围的百分比来表示。6．重复性在同一工作条件下，多次按同一方向输入信号，对应同一输入量，仪表输出的一致性称为重复性。重复性是以全量程上最大的不一致值相对于量程范围的百分数来表示的。7．漂移在环境及工作条件不变的前提下，保持一定的输入信号，经过一段时间后，输出变化称为漂移。1.4.2热工仪表的校验1.仪表校验方法示值校验（1）示值比较法用标准仪表与被校仪表同时测量同一参数（2）标准状态法2.热工仪表校验规定热工仪表校验后应达到哪些基本要求？(1)基本误差不应超过该仪表的允许误差；(2)变差不应超过该仪表的精确度等级值的1/2；(3)应保证始点正确，偏移值不超过基本误差的1/2；(4)指针在整个行程中应无抖动、摩擦、跳跃等现象；(5)电位器或调节螺丝等可调装置，在调校后应留有余地；(6)仪表附有电气接点装置时，其控制接点动作应正确，仪表校验后应加封印。1.5热工计量1.7.1计量的发展计量在我国已有近5千年的历史。过去，计量在我国称为度量衡，其原义是关于长度、容量和质量的测量，其主要的计量器具是尺、斗、秤。随着社会的发展和科学技术的进步，它的概念和内容也在不断扩展和充实，远远超出度量衡的范畴。计量原本是物理学的一部分，或者说是物理学的一个分支，现已发展形成一门研究测量理论和实践的综合性学科--计量学。计量的发展大体可分为3个阶段。1．古典阶段2.经典阶段（近代阶段）从世界范围看，1875年米制公约的签订，标志着计量经典阶段的开始。3.现代阶段现代计量以当今科学技术的最高水平，使基本单位计量基准建立在微观自然现象或物理效应的基础之上。1.5.2计量的定义计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。最新修订的JJF1001-1998《通用计量术语及定义》中，将计量定义为：实现单位统一、量值准确可靠的活动。1.5.3计量的特征“测量”就是为获取量值信息的活动；计量不仅要获取量值信息，而且要实现量值信息的传递或溯源。凡是保证计量这一类操作有效进行以及为实现单位统一、量值准确可靠的各项活动，都称作计量工作。这些工作包括测量单位的统一，测量方法（如仪器、操作、数据处理等）的研究，量值传递系统的建立和管理，以及同这些工作有关的法律、法规的制定和实施等。计量的特征计量的主要特征是统一性、准确性、溯源性和法制性。《中华人民共和国计量法》一九八五年九月六日第六届全国人民代表大会常务委员会第十二次会议通过中华人民共和国计量法第一章总则第一条为了加强计量监督管理，保障国家计量单位制的统一和量值的准确可靠，有利于生产、贸易和科学技术的发展，适应社会主义现代化建设的需要，维护国家、人民的利益，制定本法。第二条在中华人民共和国境内，建立计量基准器具、计量标准器具，进行计量检定，制造、修理、销售、使用计量器具，必须遵守本法。第三条国家采用国际单位制。国际单位制计量单位和国家选定的其他计量单位，为国家法定计量单位。国家法定计量单位的名称、符号由国务院公布。非国家法定计量单位应当废除。废除的办法由国务院制定。中华人民共和国计量法第二章计量基准器具、计量标准器具和计量检定第三章计量器具管理第四章计量监督、第五章法律责任第六章附则《中华人民共和国法典（水利电力部门电测、热工计量仪表和装置检定、管理的规定）》（1986年）根据电力生产、科研和经营管理的特殊需要，在业务上属水利电力部门管理的各企业、事业单位内部使用的电测、热工计量仪表和装置，按计量法第七条规定，由水利电力部建立本部门的计量