1化工仪表基本知识

1、化工仪表及自动化 主讲教师：周丽雯 开课单位：材冶学院热能系第一章 概述本章主要内容：1.测量的概念；2.测量的意义；3.测量的方法；4.测量系统及组成；5.测量误差与测量精度；6.测量技术的发展状况；7.评定仪表的技术指标。重点：测量方法、测量系统及组成、评定仪表的技术指标。难点：评定仪表的技术指标及相关计算。1.1测量的概念测量（measurement)是人类认识自然界中客观事物，并用数量概念描述客观事物，进而达到逐步掌握事物的本质和揭示自然界规律的一种手段， 即对客观事物取得数量概念的一种认识过程。在测量过程中，要借助于专门工具，通过试验和对试验数据的分析计算，求得被测量的值，获得对于客

2、观事物的定量的概念和内在规律的认识。总之，测量就是取得未知参数值而做的，包括测量的误差分析和数据处理等计算工作在内的全部工作。从计量学的角度讲，测量就是用实验的方法，把被测量与同性质的标准量进行比较，确定两者的比值，从而得到被测量的量值的过程。其目的是获得被测对象的确定量值，关键是进行比较。则被测量的值可表示为：X=aU式中：X: 被测量； U: 标准量； a: 被测量与标准量的数字比值。欲使测量结果有意义，测量必须满足以下条件：1. 用来测量比较的标准量应该是国际上或国家公认的，且性能稳定；2. 进行比较所用的方法和仪器必须经过校准验证。1.2 测量的意义人类的知识许多是依靠测量得到的。信息

3、产业是21世纪的首要产业。仪器仪表也制造业是信息产业的龙头。在军事上，仪器仪表是“战斗力”。现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”。科学技术与生产水平的高度发达，要求有更先进的测试技术与仪器作基础。在现代装备系统的设计和制造工作中，测试工作已占首位。一些生产过程或装备使用监测仪表数量的统计数据：生产过程（装备）监测仪表数量（台）大型发电机组3000大型石油化工厂6000钢铁厂20000一个电站5000一辆汽车30100一架飞机3600因此，无论是在科学实验中还是在生产过程中，一旦离开了测量，必然会给工作带来巨大的盲目性。1.3 测量方法测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。按测量结果产生的

4、方式分，测量方法可分为直接测量法、间接测量法和组合测量法。1.直接测量法：是被测量直接与选用的标准量进行比较，或者用预先标定好的测量仪器进行测量，从而直接得到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函数关系的其它各个变量，然后将所测量的数值带入函数关系进行计算，从而得到被测量数值的方法。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不同的组合），根据直接测量或间接测量所获得的数据，通过联立方程求解的到未知量的数值。其他分类方法：按测量条件分：等精度测量与非等精度测量；按被测量在测量过程中的状态分：静态测量和动态测量。按被测量的属性分：电量测量和

5、非电量测量。按对测量结果的要求不同分：工程测量和精密测量。按被测参数不同分：热工测量、成份测量和机械测量等1.4 测量系统及组成为实现一定的测量目的而将设备进行的组合称为测量系统。任何测量系统都是由有限个具有一定功能的测量环节组成的。测量环节是指建立输入和输出两种物理量之间某种函数关系的基本部件。有四个基本环节：敏感元件、变换元件、显示元件和传送元件。一、敏感元件（传感器）的作用传感器 - 被测信息按照一定的规律转换成某种可用信号输出器件/装置敏感元件变换元件显示元件传感器（重要、关键）测量系统：物理量、化学量、生物量/其他便于处理和传输的信号人的五官：眼睛 耳朵 鼻子 舌头 皮肤视觉、听觉、

6、嗅觉、味觉、触觉传感器是科学的感觉器官敏感元件是测量系统与被测对象发生联系的部分，它直接接收来自被测介质的能量，并且产生一个以某种方式与被测量有关的输出信号。理想的敏感元件应满足以下几方面的要求：稳定的函数关系；只对被测信号敏感，对一切可能的输入信号不敏感；在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质的状态。二、变换元件的作用：将敏感元件输出的信号变换成显示元件易于接收的信号，即变换成性质上、强弱上显示元件所能接收的信号。要求其性能稳定、精度高，信息损失小。三、显示元件的作用：测量系统与观察者发生联系的部分。要求将被测信号变成人们的感官能识别的形式。（翻译）可以进行指示、记录。有三种基

7、本形式：模拟显示元件：用指示器与标尺的相对位置的变化表示被测量的大小。其特点是结构简单、价格低廉、易产生视差，以曲线形式记录。数字式显示元件：以数字的形式显示被测量的大小。其特点是不产生视差、反应迅速、精度高，但直观性差，有量化误差。屏幕显示元件：CRT 、液晶显示。模拟数字均可，其特点是形象、数据量大，便于比较判断，价格较贵。四、 传送元件的作用：将信号从一个环节送到另一个环节，建立环节输入输出信号之间的联系。如导线、导管、光纤、无线电等。要求其能量损失小、失真小，不易引入干扰等。1.5 测量误差与测量精度误差（error)测量结果不可能准确地反映被测量的真值而存在的偏差即为测量误差。任何测

8、量结果都有误差 误差公理。待测量的大小在一定条件下都有一个客观存在的值，称为真值。真值是一个理想的概念，一般是不可知的。我们通常所说的真值主要有以下三类： (1)理论真值或定义真值 如三角形的三个内角之和等于180等；(2)计量学约定真值 根据国际计量委员会通过并发布的各种物理参量单位的定义，利用当今最高科学技术复现的这些实物单位基准，其值被公认为国际或国家基准、称为约定真值。量SI基本单位名称符号长度米，公尺metrem质量公斤Kilogramkg时间 秒seconds电流安培ampereA温度开KelvinK物量(物质量)摩耳molemol亮度烛光candelacd如基本物理常数中的冰点绝

9、对温度 ，真空中的光速 等 ；(3)标准器相对真值 用比被校仪器高级的标准器的量值作为相对真值。如果高一级标准器的误差是低一级标准器误差的1/5（1/31/20），可认为前者为后者的相对真值。例如，用1.0级、量程为2A的电流表测得某电路电流为1.80A，改用0.1级、量程为2A的电流表测同样电流时为1.802A，则可将后者视为前者的相对真值。 为了便于对误差进行分析和处理，人们通常把测量误差从不同角度进行分类按照误差的表示方法可以分为绝对误差和相对误差；按照误差出现的规律，可以分为系统误差、随机误差和粗大误差；按照被测量与时间的关系，可以分为静态误差和动态误差等。 1.绝对误差与相对误差绝对

10、误差（absolute error)是仪表的指示值x与被测量的真值x0之间的差值， 用表示： =x-x0：测量误差；X: 测量值；X0: 真值。式中，真值可为约定真值，也可是由高精度标准器所测得的相对真值。绝对误差说明了系统示值偏离真值的大小，其值可正可负，具有和被测量相同的量纲单位。相对误差(relative error)：绝对误差与约定值之比。用表示：m:约定值： 指示值标称相对误差； 实际值实际相对误差； 满刻度值引用相对误差。相对误差有大小、正负。无单位，用“%”表示。用相对误差通常比其绝对误差能更好地说明不同测量的精确程度，一般来说相对误差值小，其测量精度就高；相对误差本身没有量纲。

11、对于相同的被测量，用绝对误差可以评定其测量精度的高低，但对于不同的测量量，则应采用相对误差来评定。2.系统误差与随机误差 系统误差(systematic error)：在相同的条件下，多次重复测量同一量时，误差的大小和符号保持不变，或按照一定的规律变化，这种误差称为系统误差。 其误差的数值和符号不变的称为恒值系统误差。反之，称为变值系统误差。变值系统误差又可分为累进性的、周期性的和按复杂规律变化的几种类型。 检测装置本身性能不完善、测量方法不完善、测量者对仪器使用不当、环境条件的变化等原因都可能产生系统误差。例如，某仪表刻度盘分度不准确，就会造成读数偏大或偏小，从而产生恒值系统误差。温度、气压

12、等环境条件的变化和仪表电池电压随使用时间的增长而逐渐下降，则可能产生变值系统误差。 系统误差的特点是可以通过实验或分析的方法，查明其变化规律和产生原因，通过对测量值的修正，或者采取一定的预防措施，就能够消除或减少它对测量结果的影响。系统误差的大小表明测量结果的正确度。它说明测量结果相对真值有一恒定误差，或者存在着按确定规律变化的误差。系统误差愈小，则测量结果的正确度愈高。 随机误差(random error)：相同条件下，多次测量同一量时，其误差的大小和符号以不可预见的方式变化，这种误差称为随机误差。 随机误差是测量过程中，许多独立的、微小的，偶然的因素引起的综合结果。 在任何一次测量中，只要

13、灵敏度足够高，随机误差总是不可避免的。而且在同一条件下，重复进行的多次测量中，它或大或小，或正或负，既不能用实验方法消除，也不能修正。但是，利用概率论的一些理论和统计学的一些方法，可以掌握看似毫无规律的随机误差的分布特性，确定随机误差对测量结果的影响。 随机误差的大小表明测量结果重复一致的程度，即测量结果的分散性。通常，用精密度表示随机误差的大小。随机误差大，测量结果分散，精密度低。反之，测量结果的重复性好，精密度高。 精确度是测量的正确度和精密度的综合反映。精确度高意味着系统误差和随机误差都很小。精确度有时简称为精度。下图形象地说明了系统误差、随机误差对测量结果的影响，也说明了正确度、精密度

14、和精确度的含意。 由于在任何一次测量中，系统误差和随机误差一般都同时存在。所以按其对测量结果的影响程度分三种情况处理：系统误差远大于随机误差的，基本上按纯系统误差处理；系统误差很小或已经修正时，可按纯随机误差处理：系统误差和随机误差影响差不多时，二者均不可忽略，应分别按不同方法处理。 粗大误差(gross error)：明显歪曲测量结果的误差称作粗大误差，又称过失误差或粗大误差主要是人为因素造成的。例如，测量人员工作时疏忽大意，出现了读数错误、记录错误、计算错误或操作不当等。另外，测量方法不恰当，测量条件意外的突然变化，也可能造成粗大误差。 含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值。坏值应从测量结

15、果中剔除。在实际测量工作中，由于粗大误差的误差数值特别大，。容易从测量结果中发现，一经发现有粗大误差，可以认为该次测量无效，测量数据应剔除，从而消除它对测量结果的影响。 坏值剔除后，正确的测量结果中不包含粗大误差。因此，要分析处理的误差只有系统误差和随机误差两种。 1.6测量技术的发展状况1.敏感元件向着高精度、大测量范围、小型化和高智能方向发展；2.测量技术的实时化与自动化；3.测量原理、测量手段的重大突破：例如光纤传感器、液晶传感器、以高分子有机材料为敏感元件的压敏传感器、微生物传感器等 ；另外，代替视觉、嗅觉、味觉和听觉的各种仿生传感器和检测超高温、超高压、超低温和超高真空等极端参数的新

16、型传感器也是今后传感器技术研究和发展的重要方向1.7 评定仪表的技术指标1.最大引用误差与精度等级在规定的工作条件下，当被测量平稳增加和减少时，所有测量值中最大绝对误差(绝对值)与量程的比值的百分数，称为该系统的最大引用误差，符号为max ，可表示为：最大引用误差是检测系统基本误差的主要形式，故也常称为检测系统的基本误差。它是检测系统的最主要质量指标，可很好地表征检测系统的测量精确度。 精度等级： 取最大引用误差百分数的分子作为检测仪器（系统）精度等级的标志，也即用最大引用误差去掉号和百分号()后的数字来表示精度等级，精度等级用符号G表示。为统一和方便使用，国家标准GB776-76测量指示仪表

17、通用技术条件规定，测量指示仪表的精度等级G分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七个等级，这也是工业检测仪器（系统）常用的精度等级。 按照国际法制计量组织（OIMI）建议书No.34推荐，仪表的精确度等级采用以下数字：110n、 1.510n、 1.610n、 2.010n、 2.510n、 310n、 410n 510n 、 610n ，其中n=1、0、-1、-2、-3等。上述数列中禁止在一个系列中同时选用1.510n、 1.610n， 310n 也只有证明必要和合理时才采用。精度等级由生产厂商根据其最大引用误差的大小并以取大不取小的原则就近套用精确度等级标准得到。例如

18、，量程为01000 V的数字电压表，如果其整个量程中最大绝对误差为1.05V，则有:则G=0.2例2 ： 被测电压实际值大约为21.7 V，现有1.5级、量程为030 V的A表，1.5级、量程为050 V的B表，1.0级、量程为050 V的C表，0.2级、量程为0360 V的D表，四种电压表，请问选用哪种规格的电压表进行测量所产生的测量误差较小? 四者比较，选用A表进行测量所产生的测量误差通常较小。 由上例知，选表时，不能单纯追求仪表的精度等级，还要根据被测量值的大小和精度要求，兼顾仪表的精度等级和量程，合理的选用仪表。2.灵敏度：灵敏度是指测量系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比。即对线性测量系统来说，灵