1、化工儀表及自動(dòng)化 主講教師：周麗雯 開(kāi)課單位：材冶學(xué)院熱能系第一章 概述本章主要內(nèi)容：1.測(cè)量的概念；2.測(cè)量的意義；3.測(cè)量的方法；4.測(cè)量系統(tǒng)及組成；5.測(cè)量誤差與測(cè)量精度；6.測(cè)量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r；7.評(píng)定儀表的技術(shù)指標(biāo)。重點(diǎn)：測(cè)量方法、測(cè)量系統(tǒng)及組成、評(píng)定儀表的技術(shù)指標(biāo)。難點(diǎn)：評(píng)定儀表的技術(shù)指標(biāo)及相關(guān)計(jì)算。1.1測(cè)量的概念測(cè)量（measurement)是人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然界中客觀事物，并用數(shù)量概念描述客觀事物，進(jìn)而達(dá)到逐步掌握事物的本質(zhì)和揭示自然界規(guī)律的一種手段， 即對(duì)客觀事物取得數(shù)量概念的一種認(rèn)識(shí)過(guò)程。在測(cè)量過(guò)程中，要借助于專門(mén)工具，通過(guò)試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，求得被測(cè)量的值，獲得對(duì)于客

2、觀事物的定量的概念和內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識(shí)。總之，測(cè)量就是取得未知參數(shù)值而做的，包括測(cè)量的誤差分析和數(shù)據(jù)處理等計(jì)算工作在內(nèi)的全部工作。從計(jì)量學(xué)的角度講，測(cè)量就是用實(shí)驗(yàn)的方法，把被測(cè)量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定兩者的比值，從而得到被測(cè)量的量值的過(guò)程。其目的是獲得被測(cè)對(duì)象的確定量值，關(guān)鍵是進(jìn)行比較。則被測(cè)量的值可表示為：X=aU式中：X: 被測(cè)量； U: 標(biāo)準(zhǔn)量； a: 被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)字比值。欲使測(cè)量結(jié)果有意義，測(cè)量必須滿足以下條件：1. 用來(lái)測(cè)量比較的標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)該是國(guó)際上或國(guó)家公認(rèn)的，且性能穩(wěn)定；2. 進(jìn)行比較所用的方法和儀器必須經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)驗(yàn)證。1.2 測(cè)量的意義人類(lèi)的知識(shí)許多是依靠測(cè)量得到的。信息

3、產(chǎn)業(yè)是21世紀(jì)的首要產(chǎn)業(yè)。儀器儀表也制造業(yè)是信息產(chǎn)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(dāng)今社會(huì)的“物化法官”?？茖W(xué)技術(shù)與生產(chǎn)水平的高度發(fā)達(dá)，要求有更先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)與儀器作基礎(chǔ)。在現(xiàn)代裝備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造工作中，測(cè)試工作已占首位。一些生產(chǎn)過(guò)程或裝備使用監(jiān)測(cè)儀表數(shù)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：生產(chǎn)過(guò)程（裝備）監(jiān)測(cè)儀表數(shù)量（臺(tái)）大型發(fā)電機(jī)組3000大型石油化工廠6000鋼鐵廠20000一個(gè)電站5000一輛汽車(chē)30100一架飛機(jī)3600因此，無(wú)論是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中還是在生產(chǎn)過(guò)程中，一旦離開(kāi)了測(cè)量，必然會(huì)給工作帶來(lái)巨大的盲目性。1.3 測(cè)量方法測(cè)量方法就是實(shí)現(xiàn)被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量比較的方法。按測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的

4、方式分，測(cè)量方法可分為直接測(cè)量法、間接測(cè)量法和組合測(cè)量法。1.直接測(cè)量法：是被測(cè)量直接與選用的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，或者用預(yù)先標(biāo)定好的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，從而直接得到被測(cè)量數(shù)值的測(cè)量方法。2.間接測(cè)量法：通過(guò)直接測(cè)量與被測(cè)量有某種函數(shù)關(guān)系的其它各個(gè)變量，然后將所測(cè)量的數(shù)值帶入函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，從而得到被測(cè)量數(shù)值的方法。組合測(cè)量法：測(cè)量中使各個(gè)未知量以不同的組合形式出現(xiàn)（或改變測(cè)量條件以獲得不同的組合），根據(jù)直接測(cè)量或間接測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)，通過(guò)聯(lián)立方程求解的到未知量的數(shù)值。其他分類(lèi)方法：按測(cè)量條件分：等精度測(cè)量與非等精度測(cè)量；按被測(cè)量在測(cè)量過(guò)程中的狀態(tài)分：靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。按被測(cè)量的屬性分：電量測(cè)量和

5、非電量測(cè)量。按對(duì)測(cè)量結(jié)果的要求不同分：工程測(cè)量和精密測(cè)量。按被測(cè)參數(shù)不同分：熱工測(cè)量、成份測(cè)量和機(jī)械測(cè)量等1.4 測(cè)量系統(tǒng)及組成為實(shí)現(xiàn)一定的測(cè)量目的而將設(shè)備進(jìn)行的組合稱為測(cè)量系統(tǒng)。任何測(cè)量系統(tǒng)都是由有限個(gè)具有一定功能的測(cè)量環(huán)節(jié)組成的。測(cè)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(guān)系的基本部件。有四個(gè)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(cè)信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出器件/裝置敏感元件變換元件顯示元件傳感器（重要、關(guān)鍵）測(cè)量系統(tǒng)：物理量、化學(xué)量、生物量/其他便于處理和傳輸?shù)男盘?hào)人的五官：眼睛 耳朵 鼻子 舌頭 皮膚視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、

6、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)傳感器是科學(xué)的感覺(jué)器官敏感元件是測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)對(duì)象發(fā)生聯(lián)系的部分，它直接接收來(lái)自被測(cè)介質(zhì)的能量，并且產(chǎn)生一個(gè)以某種方式與被測(cè)量有關(guān)的輸出信號(hào)。理想的敏感元件應(yīng)滿足以下幾方面的要求：穩(wěn)定的函數(shù)關(guān)系；只對(duì)被測(cè)信號(hào)敏感，對(duì)一切可能的輸入信號(hào)不敏感；在測(cè)量過(guò)程中，敏感元件應(yīng)該不干擾或盡量少干擾被測(cè)介質(zhì)的狀態(tài)。二、變換元件的作用：將敏感元件輸出的信號(hào)變換成顯示元件易于接收的信號(hào)，即變換成性質(zhì)上、強(qiáng)弱上顯示元件所能接收的信號(hào)。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(cè)量系統(tǒng)與觀察者發(fā)生聯(lián)系的部分。要求將被測(cè)信號(hào)變成人們的感官能識(shí)別的形式。（翻譯）可以進(jìn)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(biāo)尺的相對(duì)位置的變化表示被測(cè)量的大小。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易產(chǎn)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(cè)量的大小。其特點(diǎn)是不產(chǎn)生視差、反應(yīng)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(diǎn)是形象、數(shù)據(jù)量大，便于比較判斷，價(jià)格較貴。四、 傳送元件的作用：將信號(hào)從一個(gè)環(huán)節(jié)送到另一個(gè)環(huán)節(jié)，建立環(huán)節(jié)輸入輸出信號(hào)之間的聯(lián)系。如導(dǎo)線、導(dǎo)管、光纖、無(wú)線電等。要求其能量損失小、失真小，不易引入干擾等。1.5 測(cè)量誤差與測(cè)量精度誤差（error)測(cè)量結(jié)果不可能準(zhǔn)確地反映被測(cè)量的真值而存在的偏差即為測(cè)量誤差。任何測(cè)

8、量結(jié)果都有誤差 誤差公理。待測(cè)量的大小在一定條件下都有一個(gè)客觀存在的值，稱為真值。真值是一個(gè)理想的概念，一般是不可知的。我們通常所說(shuō)的真值主要有以下三類(lèi)： (1)理論真值或定義真值 如三角形的三個(gè)內(nèi)角之和等于180等；(2)計(jì)量學(xué)約定真值 根據(jù)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)通過(guò)并發(fā)布的各種物理參量單位的定義，利用當(dāng)今最高科學(xué)技術(shù)復(fù)現(xiàn)的這些實(shí)物單位基準(zhǔn)，其值被公認(rèn)為國(guó)際或國(guó)家基準(zhǔn)、稱為約定真值。量SI基本單位名稱符號(hào)長(zhǎng)度米，公尺metrem質(zhì)量公斤Kilogramkg時(shí)間 秒seconds電流安培ampereA溫度開(kāi)KelvinK物量(物質(zhì)量)摩耳molemol亮度燭光candelacd如基本物理常數(shù)中的冰點(diǎn)絕

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

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

11、對(duì)于相同的被測(cè)量，用絕對(duì)誤差可以評(píng)定其測(cè)量精度的高低，但對(duì)于不同的測(cè)量量，則應(yīng)采用相對(duì)誤差來(lái)評(píng)定。2.系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差 系統(tǒng)誤差(systematic error)：在相同的條件下，多次重復(fù)測(cè)量同一量時(shí)，誤差的大小和符號(hào)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(hào)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(jìn)性的、周期性的和按復(fù)雜規(guī)律變化的幾種類(lèi)型。 檢測(cè)裝置本身性能不完善、測(cè)量方法不完善、測(cè)量者對(duì)儀器使用不當(dāng)、環(huán)境條件的變化等原因都可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。例如，某儀表刻度盤(pán)分度不準(zhǔn)確，就會(huì)造成讀數(shù)偏大或偏小，從而產(chǎn)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(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降，則可能產(chǎn)生變值系統(tǒng)誤差。 系統(tǒng)誤差的特點(diǎn)是可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或分析的方法，查明其變化規(guī)律和產(chǎn)生原因，通過(guò)對(duì)測(cè)量值的修正，或者采取一定的預(yù)防措施，就能夠消除或減少它對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。系統(tǒng)誤差的大小表明測(cè)量結(jié)果的正確度。它說(shuō)明測(cè)量結(jié)果相對(duì)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(cè)量結(jié)果的正確度愈高。 隨機(jī)誤差(random error)：相同條件下，多次測(cè)量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號(hào)以不可預(yù)見(jiàn)的方式變化，這種誤差稱為隨機(jī)誤差。 隨機(jī)誤差是測(cè)量過(guò)程中，許多獨(dú)立的、微小的，偶然的因素引起的綜合結(jié)果。 在任何一次測(cè)量中，只要

13、靈敏度足夠高，隨機(jī)誤差總是不可避免的。而且在同一條件下，重復(fù)進(jìn)行的多次測(cè)量中，它或大或小，或正或負(fù)，既不能用實(shí)驗(yàn)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(jì)學(xué)的一些方法，可以掌握看似毫無(wú)規(guī)律的隨機(jī)誤差的分布特性，確定隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 隨機(jī)誤差的大小表明測(cè)量結(jié)果重復(fù)一致的程度，即測(cè)量結(jié)果的分散性。通常，用精密度表示隨機(jī)誤差的大小。隨機(jī)誤差大，測(cè)量結(jié)果分散，精密度低。反之，測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性好，精密度高。 精確度是測(cè)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(jī)誤差都很小。精確度有時(shí)簡(jiǎn)稱為精度。下圖形象地說(shuō)明了系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，也說(shuō)明了正確度、精密度

14、和精確度的含意。 由于在任何一次測(cè)量中，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差一般都同時(shí)存在。所以按其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響程度分三種情況處理：系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)大于隨機(jī)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(jīng)修正時(shí)，可按純隨機(jī)誤差處理：系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差影響差不多時(shí)，二者均不可忽略，應(yīng)分別按不同方法處理。 粗大誤差(gross error)：明顯歪曲測(cè)量結(jié)果的誤差稱作粗大誤差，又稱過(guò)失誤差或粗大誤差主要是人為因素造成的。例如，測(cè)量人員工作時(shí)疏忽大意，出現(xiàn)了讀數(shù)錯(cuò)誤、記錄錯(cuò)誤、計(jì)算錯(cuò)誤或操作不當(dāng)?shù)取Ａ硗猓瑴y(cè)量方法不恰當(dāng)，測(cè)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(cè)量值稱為壞值或異常值。壞值應(yīng)從測(cè)量結(jié)

15、果中剔除。在實(shí)際測(cè)量工作中，由于粗大誤差的誤差數(shù)值特別大，。容易從測(cè)量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)有粗大誤差，可以認(rèn)為該次測(cè)量無(wú)效，測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)剔除，從而消除它對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 壞值剔除后，正確的測(cè)量結(jié)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(jī)誤差兩種。 1.6測(cè)量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r1.敏感元件向著高精度、大測(cè)量范圍、小型化和高智能方向發(fā)展；2.測(cè)量技術(shù)的實(shí)時(shí)化與自動(dòng)化；3.測(cè)量原理、測(cè)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(jī)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(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的各種仿生傳感器和檢測(cè)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(shù)研究和發(fā)展的重要方向1.7 評(píng)定儀表的技術(shù)指標(biāo)1.最大引用誤差與精度等級(jí)在規(guī)定的工作條件下，當(dāng)被測(cè)量平穩(wěn)增加和減少時(shí)，所有測(cè)量值中最大絕對(duì)誤差(絕對(duì)值)與量程的比值的百分?jǐn)?shù)，稱為該系統(tǒng)的最大引用誤差，符號(hào)為max ，可表示為：最大引用誤差是檢測(cè)系統(tǒng)基本誤差的主要形式，故也常稱為檢測(cè)系統(tǒng)的基本誤差。它是檢測(cè)系統(tǒng)的最主要質(zhì)量指標(biāo)，可很好地表征檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精確度。 精度等級(jí)： 取最大引用誤差百分?jǐn)?shù)的分子作為檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）精度等級(jí)的標(biāo)志，也即用最大引用誤差去掉號(hào)和百分號(hào)()后的數(shù)字來(lái)表示精度等級(jí)，精度等級(jí)用符號(hào)G表示。為統(tǒng)一和方便使用，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB776-76測(cè)量指示儀表

17、通用技術(shù)條件規(guī)定，測(cè)量指示儀表的精度等級(jí)G分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七個(gè)等級(jí)，這也是工業(yè)檢測(cè)儀器（系統(tǒng)）常用的精度等級(jí)。 按照國(guó)際法制計(jì)量組織（OIMI）建議書(shū)No.34推薦，儀表的精確度等級(jí)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(gè)系列中同時(shí)選用1.510n、 1.610n， 310n 也只有證明必要和合理時(shí)才采用。精度等級(jí)由生產(chǎn)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)得到。例如

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