1、化工儀表及自動化 主講教師：周麗雯 開課單位：材冶學院熱能系第一章 概述本章主要內容：1.測量的概念；2.測量的意義；3.測量的方法；4.測量系統(tǒng)及組成；5.測量誤差與測量精度；6.測量技術的發(fā)展狀況；7.評定儀表的技術指標。重點：測量方法、測量系統(tǒng)及組成、評定儀表的技術指標。難點：評定儀表的技術指標及相關計算。1.1測量的概念測量（measurement)是人類認識自然界中客觀事物，并用數(shù)量概念描述客觀事物，進而達到逐步掌握事物的本質和揭示自然界規(guī)律的一種手段， 即對客觀事物取得數(shù)量概念的一種認識過程。在測量過程中，要借助于專門工具，通過試驗和對試驗數(shù)據(jù)的分析計算，求得被測量的值，獲得對于客

2、觀事物的定量的概念和內在規(guī)律的認識。總之，測量就是取得未知參數(shù)值而做的，包括測量的誤差分析和數(shù)據(jù)處理等計算工作在內的全部工作。從計量學的角度講，測量就是用實驗的方法，把被測量與同性質的標準量進行比較，確定兩者的比值，從而得到被測量的量值的過程。其目的是獲得被測對象的確定量值，關鍵是進行比較。則被測量的值可表示為：X=aU式中：X: 被測量； U: 標準量； a: 被測量與標準量的數(shù)字比值。欲使測量結果有意義，測量必須滿足以下條件：1. 用來測量比較的標準量應該是國際上或國家公認的，且性能穩(wěn)定；2. 進行比較所用的方法和儀器必須經過校準驗證。1.2 測量的意義人類的知識許多是依靠測量得到的。信息

3、產業(yè)是21世紀的首要產業(yè)。儀器儀表也制造業(yè)是信息產業(yè)的龍頭。在軍事上，儀器儀表是“戰(zhàn)斗力”。現(xiàn)代儀器儀表還是當今社會的“物化法官”。科學技術與生產水平的高度發(fā)達，要求有更先進的測試技術與儀器作基礎。在現(xiàn)代裝備系統(tǒng)的設計和制造工作中，測試工作已占首位。一些生產過程或裝備使用監(jiān)測儀表數(shù)量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)：生產過程（裝備）監(jiān)測儀表數(shù)量（臺）大型發(fā)電機組3000大型石油化工廠6000鋼鐵廠20000一個電站5000一輛汽車30100一架飛機3600因此，無論是在科學實驗中還是在生產過程中，一旦離開了測量，必然會給工作帶來巨大的盲目性。1.3 測量方法測量方法就是實現(xiàn)被測量與標準量比較的方法。按測量結果產生的

4、方式分，測量方法可分為直接測量法、間接測量法和組合測量法。1.直接測量法：是被測量直接與選用的標準量進行比較，或者用預先標定好的測量儀器進行測量，從而直接得到被測量數(shù)值的測量方法。2.間接測量法：通過直接測量與被測量有某種函數(shù)關系的其它各個變量，然后將所測量的數(shù)值帶入函數(shù)關系進行計算，從而得到被測量數(shù)值的方法。組合測量法：測量中使各個未知量以不同的組合形式出現(xiàn)（或改變測量條件以獲得不同的組合），根據(jù)直接測量或間接測量所獲得的數(shù)據(jù)，通過聯(lián)立方程求解的到未知量的數(shù)值。其他分類方法：按測量條件分：等精度測量與非等精度測量；按被測量在測量過程中的狀態(tài)分：靜態(tài)測量和動態(tài)測量。按被測量的屬性分：電量測量和

5、非電量測量。按對測量結果的要求不同分：工程測量和精密測量。按被測參數(shù)不同分：熱工測量、成份測量和機械測量等1.4 測量系統(tǒng)及組成為實現(xiàn)一定的測量目的而將設備進行的組合稱為測量系統(tǒng)。任何測量系統(tǒng)都是由有限個具有一定功能的測量環(huán)節(jié)組成的。測量環(huán)節(jié)是指建立輸入和輸出兩種物理量之間某種函數(shù)關系的基本部件。有四個基本環(huán)節(jié)：敏感元件、變換元件、顯示元件和傳送元件。一、敏感元件（傳感器）的作用傳感器 - 被測信息按照一定的規(guī)律轉換成某種可用信號輸出器件/裝置敏感元件變換元件顯示元件傳感器（重要、關鍵）測量系統(tǒng)：物理量、化學量、生物量/其他便于處理和傳輸?shù)男盘柸说奈骞伲貉劬?耳朵 鼻子 舌頭 皮膚視覺、聽覺、

6、嗅覺、味覺、觸覺傳感器是科學的感覺器官敏感元件是測量系統(tǒng)與被測對象發(fā)生聯(lián)系的部分，它直接接收來自被測介質的能量，并且產生一個以某種方式與被測量有關的輸出信號。理想的敏感元件應滿足以下幾方面的要求：穩(wěn)定的函數(shù)關系；只對被測信號敏感，對一切可能的輸入信號不敏感；在測量過程中，敏感元件應該不干擾或盡量少干擾被測介質的狀態(tài)。二、變換元件的作用：將敏感元件輸出的信號變換成顯示元件易于接收的信號，即變換成性質上、強弱上顯示元件所能接收的信號。要求其性能穩(wěn)定、精度高，信息損失小。三、顯示元件的作用：測量系統(tǒng)與觀察者發(fā)生聯(lián)系的部分。要求將被測信號變成人們的感官能識別的形式。（翻譯）可以進行指示、記錄。有三種基

7、本形式：模擬顯示元件：用指示器與標尺的相對位置的變化表示被測量的大小。其特點是結構簡單、價格低廉、易產生視差，以曲線形式記錄。數(shù)字式顯示元件：以數(shù)字的形式顯示被測量的大小。其特點是不產生視差、反應迅速、精度高，但直觀性差，有量化誤差。屏幕顯示元件：CRT 、液晶顯示。模擬數(shù)字均可，其特點是形象、數(shù)據(jù)量大，便于比較判斷，價格較貴。四、 傳送元件的作用：將信號從一個環(huán)節(jié)送到另一個環(huán)節(jié)，建立環(huán)節(jié)輸入輸出信號之間的聯(lián)系。如導線、導管、光纖、無線電等。要求其能量損失小、失真小，不易引入干擾等。1.5 測量誤差與測量精度誤差（error)測量結果不可能準確地反映被測量的真值而存在的偏差即為測量誤差。任何測

8、量結果都有誤差 誤差公理。待測量的大小在一定條件下都有一個客觀存在的值，稱為真值。真值是一個理想的概念，一般是不可知的。我們通常所說的真值主要有以下三類： (1)理論真值或定義真值 如三角形的三個內角之和等于180等；(2)計量學約定真值 根據(jù)國際計量委員會通過并發(fā)布的各種物理參量單位的定義，利用當今最高科學技術復現(xiàn)的這些實物單位基準，其值被公認為國際或國家基準、稱為約定真值。量SI基本單位名稱符號長度米，公尺metrem質量公斤Kilogramkg時間 秒seconds電流安培ampereA溫度開KelvinK物量(物質量)摩耳molemol亮度燭光candelacd如基本物理常數(shù)中的冰點絕

9、對溫度 ，真空中的光速 等 ；(3)標準器相對真值 用比被校儀器高級的標準器的量值作為相對真值。如果高一級標準器的誤差是低一級標準器誤差的1/5（1/31/20），可認為前者為后者的相對真值。例如，用1.0級、量程為2A的電流表測得某電路電流為1.80A，改用0.1級、量程為2A的電流表測同樣電流時為1.802A，則可將后者視為前者的相對真值。 為了便于對誤差進行分析和處理，人們通常把測量誤差從不同角度進行分類按照誤差的表示方法可以分為絕對誤差和相對誤差；按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律，可以分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差；按照被測量與時間的關系，可以分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差等。 1.絕對誤差與相對誤差絕對

10、誤差（absolute error)是儀表的指示值x與被測量的真值x0之間的差值， 用表示： =x-x0：測量誤差；X: 測量值；X0: 真值。式中，真值可為約定真值，也可是由高精度標準器所測得的相對真值。絕對誤差說明了系統(tǒng)示值偏離真值的大小，其值可正可負，具有和被測量相同的量綱單位。相對誤差(relative error)：絕對誤差與約定值之比。用表示：m:約定值： 指示值標稱相對誤差； 實際值實際相對誤差； 滿刻度值引用相對誤差。相對誤差有大小、正負。無單位，用“%”表示。用相對誤差通常比其絕對誤差能更好地說明不同測量的精確程度，一般來說相對誤差值小，其測量精度就高；相對誤差本身沒有量綱。

11、對于相同的被測量，用絕對誤差可以評定其測量精度的高低，但對于不同的測量量，則應采用相對誤差來評定。2.系統(tǒng)誤差與隨機誤差 系統(tǒng)誤差(systematic error)：在相同的條件下，多次重復測量同一量時，誤差的大小和符號保持不變，或按照一定的規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。 其誤差的數(shù)值和符號不變的稱為恒值系統(tǒng)誤差。反之，稱為變值系統(tǒng)誤差。變值系統(tǒng)誤差又可分為累進性的、周期性的和按復雜規(guī)律變化的幾種類型。 檢測裝置本身性能不完善、測量方法不完善、測量者對儀器使用不當、環(huán)境條件的變化等原因都可能產生系統(tǒng)誤差。例如，某儀表刻度盤分度不準確，就會造成讀數(shù)偏大或偏小，從而產生恒值系統(tǒng)誤差。溫度、氣壓

12、等環(huán)境條件的變化和儀表電池電壓隨使用時間的增長而逐漸下降，則可能產生變值系統(tǒng)誤差。 系統(tǒng)誤差的特點是可以通過實驗或分析的方法，查明其變化規(guī)律和產生原因，通過對測量值的修正，或者采取一定的預防措施，就能夠消除或減少它對測量結果的影響。系統(tǒng)誤差的大小表明測量結果的正確度。它說明測量結果相對真值有一恒定誤差，或者存在著按確定規(guī)律變化的誤差。系統(tǒng)誤差愈小，則測量結果的正確度愈高。 隨機誤差(random error)：相同條件下，多次測量同一量時，其誤差的大小和符號以不可預見的方式變化，這種誤差稱為隨機誤差。 隨機誤差是測量過程中，許多獨立的、微小的，偶然的因素引起的綜合結果。 在任何一次測量中，只要

13、靈敏度足夠高，隨機誤差總是不可避免的。而且在同一條件下，重復進行的多次測量中，它或大或小，或正或負，既不能用實驗方法消除，也不能修正。但是，利用概率論的一些理論和統(tǒng)計學的一些方法，可以掌握看似毫無規(guī)律的隨機誤差的分布特性，確定隨機誤差對測量結果的影響。 隨機誤差的大小表明測量結果重復一致的程度，即測量結果的分散性。通常，用精密度表示隨機誤差的大小。隨機誤差大，測量結果分散，精密度低。反之，測量結果的重復性好，精密度高。 精確度是測量的正確度和精密度的綜合反映。精確度高意味著系統(tǒng)誤差和隨機誤差都很小。精確度有時簡稱為精度。下圖形象地說明了系統(tǒng)誤差、隨機誤差對測量結果的影響，也說明了正確度、精密度

14、和精確度的含意。 由于在任何一次測量中，系統(tǒng)誤差和隨機誤差一般都同時存在。所以按其對測量結果的影響程度分三種情況處理：系統(tǒng)誤差遠大于隨機誤差的，基本上按純系統(tǒng)誤差處理；系統(tǒng)誤差很小或已經修正時，可按純隨機誤差處理：系統(tǒng)誤差和隨機誤差影響差不多時，二者均不可忽略，應分別按不同方法處理。 粗大誤差(gross error)：明顯歪曲測量結果的誤差稱作粗大誤差，又稱過失誤差或粗大誤差主要是人為因素造成的。例如，測量人員工作時疏忽大意，出現(xiàn)了讀數(shù)錯誤、記錄錯誤、計算錯誤或操作不當?shù)取Ａ硗猓瑴y量方法不恰當，測量條件意外的突然變化，也可能造成粗大誤差。 含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值。壞值應從測量結

15、果中剔除。在實際測量工作中，由于粗大誤差的誤差數(shù)值特別大，。容易從測量結果中發(fā)現(xiàn)，一經發(fā)現(xiàn)有粗大誤差，可以認為該次測量無效，測量數(shù)據(jù)應剔除，從而消除它對測量結果的影響。 壞值剔除后，正確的測量結果中不包含粗大誤差。因此，要分析處理的誤差只有系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩種。 1.6測量技術的發(fā)展狀況1.敏感元件向著高精度、大測量范圍、小型化和高智能方向發(fā)展；2.測量技術的實時化與自動化；3.測量原理、測量手段的重大突破：例如光纖傳感器、液晶傳感器、以高分子有機材料為敏感元件的壓敏傳感器、微生物傳感器等 ；另外，代替視覺、嗅覺、味覺和聽覺的各種仿生傳感器和檢測超高溫、超高壓、超低溫和超高真空等極端參數(shù)的新

16、型傳感器也是今后傳感器技術研究和發(fā)展的重要方向1.7 評定儀表的技術指標1.最大引用誤差與精度等級在規(guī)定的工作條件下，當被測量平穩(wěn)增加和減少時，所有測量值中最大絕對誤差(絕對值)與量程的比值的百分數(shù)，稱為該系統(tǒng)的最大引用誤差，符號為max ，可表示為：最大引用誤差是檢測系統(tǒng)基本誤差的主要形式，故也常稱為檢測系統(tǒng)的基本誤差。它是檢測系統(tǒng)的最主要質量指標，可很好地表征檢測系統(tǒng)的測量精確度。 精度等級： 取最大引用誤差百分數(shù)的分子作為檢測儀器（系統(tǒng)）精度等級的標志，也即用最大引用誤差去掉號和百分號()后的數(shù)字來表示精度等級，精度等級用符號G表示。為統(tǒng)一和方便使用，國家標準GB776-76測量指示儀表

17、通用技術條件規(guī)定，測量指示儀表的精度等級G分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七個等級，這也是工業(yè)檢測儀器（系統(tǒng)）常用的精度等級。 按照國際法制計量組織（OIMI）建議書No.34推薦，儀表的精確度等級采用以下數(shù)字：110n、 1.510n、 1.610n、 2.010n、 2.510n、 310n、 410n 510n 、 610n ，其中n=1、0、-1、-2、-3等。上述數(shù)列中禁止在一個系列中同時選用1.510n、 1.610n， 310n 也只有證明必要和合理時才采用。精度等級由生產廠商根據(jù)其最大引用誤差的大小并以取大不取小的原則就近套用精確度等級標準得到。例如

18、，量程為01000 V的數(shù)字電壓表，如果其整個量程中最大絕對誤差為1.05V，則有:則G=0.2例2 ： 被測電壓實際值大約為21.7 V，現(xiàn)有1.5級、量程為030 V的A表，1.5級、量程為050 V的B表，1.0級、量程為050 V的C表，0.2級、量程為0360 V的D表，四種電壓表，請問選用哪種規(guī)格的電壓表進行測量所產生的測量誤差較小? 四者比較，選用A表進行測量所產生的測量誤差通常較小。 由上例知，選表時，不能單純追求儀表的精度等級，還要根據(jù)被測量值的大小和精度要求，兼顧儀表的精度等級和量程，合理的選用儀表。2.靈敏度：靈敏度是指測量系統(tǒng)在靜態(tài)測量時，輸出量的增量與輸入量的增量之比。即對線性測量系統(tǒng)來說，靈