1 测量概述

1热工测量仪表教材－吕崇德主编热工参数测量与处理（第二版）清华大学出版社参考书籍－高魁明编.热工测量仪表（第二版）.冶金工业出版社－吴永生等编.热工测量及仪表（第二版）.水电工业出版社2热力生产过程控制系统方框图3火力发电厂主要热工量测点布置示意图4课程的地位及作用热工测量仪表是保证热力设备及系统的安全、经济运行及实现自动化的必要条件，也是经济管理、环境保护、研究新型热力生产设备和系统的重要手段，在热工生产过程和科学实验中处于重要的地位。5课程内容本课程讲述主要热工测量仪表的工作原理、选择依据及必要的设计试验方法。详细介绍了热工参数温度、压力、流量的测量仪表，介绍物位、成分及热工机械量的测量仪表。是从事能源与动力工程研究和设计的工程技术人员必须具备的专业基础知识。6课程的教学目标与基本要求目标：通过对本课程的学习，使学生掌握热工主要参数的测量方法，测量仪表选择和测量数据处理等基本知识和技能。要求：1.熟悉各种常用热工仪表及其工作原理；2.掌握各种测量仪表的使用条件、正确的选用和基本操作；3.掌握仪表的检验方法。71.1测量的基本知识测量的概念测量方法仪表的基本组成测量的意义测量的发展趋势81.1.1测量的概念测量就是用实验的方法和专门的设备，取得某项需要确定其数量概念的参数（称之为被测量）与定义其数值为1的同类参数（称为单位）的比值，从而得到被测量的量值。它用下式表达：式中A－被测量，U－选用的单位，α－比值。注意由于测量误差的存在，故取近似相等。完整的测量工作包括：测量方法和测量设备的选择以及测得数据的处理（确定误差的界限和测得结果的可靠程度）UA9测量过程的三要素：测量方法、测量单位及测量工具。热工测量是指压力、温度等热力状态参数的测量，通常还包括一些与热力生产过程密切相关的参数的测量，如测量流量、液位、振动、位移、转速和烟气成分、孔隙率及比表面积、气液两相流（空泡份额）、气固两相流（颗粒直径）等。热工测量是保证热力设备安全、经济运行及实现自动化的必要条件，亦是经济管理，环境保护、研究新型热力生产系统和设备的重要手段。101.1.2测量方法测量方法选择不当就无法得到理想的结果。测量方法分类：一、按照如何取得测量结果可将测量方法分为：（1）直接测量法：用基准量值定度好的测量仪表对被测量直接进行测量，直接得到被测量的数值。如用压力表测量容器中的气体压力，体温计测量体温等。（2）间接测量法：利用被测量与某些量有确定的函数关系，用直接测量法测得这些有关量的数值，代入已知的函数关系算出被测量的数值。例如在稳定流动的条件下，通过测量流过某截面流体的重量和时间来精确测量流量。11（3）组合测量法：当被测量与直接测量的一些量不是一个函数关系，需要求解一个方程组才能取得时即为组合测量。如测量某电阻的温度系数，其电阻值与温度的关系为：温度为t时的电阻值以及温度可以直接测得，而要取得系数a和b需要解一个二元一次方程组。)1(20btatRRt12以上的分类在计算误差时很方便，但从测量的综合性能，确定测量方案或仪表的设计方案时，采用按测量方式分类：（1）偏差式测量法：用测量仪表指针位移大小来表示被测量数值的方法。该方法简单容易但不易达到较高的精度。如弹簧管压力表测量压力。（2）零位式测量法（补偿式测量法）：用已知数值的标准量具与被测量直接进行比较，调整标准量具的量值，用指零仪表判断二者是否达到完全平衡（完全补偿），这时标准量具的量值即为被测量的数值。该方法可以获得较高的测量精度，但操作麻烦，测量费时。二、按其他因素分类13（3）微差式测量法：偏差法与零位法的结合。用量值接近被测量的标准量具与被测量进行比较，再用偏差式测量仪表指示两者的差值。被测量的值即是标准量具的量值与偏差式仪表表示值之和。由于不用经常调整标准量具，而且由于偏差小，所以该方法精度较高且测量简单迅速。如X射线测厚仪即是利用这种方法的一个实例。测量前用标准厚度的钢板调零，测量时仪表指示的是被测钢板厚度的偏差值。这种方法可满足轧钢过程中钢板厚度测量既要迅速又要精度高的要求。按不同测量条件，分为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，分为静态测量与动态测量。141.1.3仪表的基本组成感受件、显示件、传送件或者：敏感元件、变换元件、显示元件、传送元件一个测量系统实际上是若干个测量环节的组合，并可看成是由许多测量环节连接成的测量链。所谓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一个基本部件。一般测量系统的基本环节包括：15一、感受件（敏感元件）感受件直接与被测对象相联系、感受被测量的量值、并将感受到的被测量信号转换成相应的信号输出。例如：热电偶温度计中的热电偶，它把对象的被测温度转换成热电势。感受件也称敏感元件、一次元件或发送器。对感受件的要求是：A输出信号必须随被测量变化，它们之间的关系是稳定的，可复现的；B输出信号只随被测量变化而变化。如果其它参数的变化也会影响感受件的输出，那么这些参数的变化就是测量误差的来源。在这种情况下一般要使这些参数不变，或附加补偿装置，使这些参数的变化不影响或很少影响测量结果。C输出信号与被测量之间必须是单值关系，最好是线性关系。16感受件可按以下进行分类：A被测参数：如温度、压力B输出信号能量的主要来源：能量转换型（也称发生器型或有源型，如热电偶）、能量控制型（也称参数型或无源型，如热电阻）C输出信号：模拟和数字17二、显示件（显示元件）仪表最终是通过它的显示件向观察者反映被测量的变化。按显示件的功能不同，仪表有以下几种：A显示被测量瞬时值的，称为显示仪表。按显示方式的不同又有模拟显示、数字显示和屏幕显示之分。B记录被测量随时间变化的，称为记录仪表。如XY记录仪。C显示被测量对时间的积分结果的，称为积算仪表或积算器。D反映被测量是否超过允许限值的，称信号式仪表。E有些显示件可根据被测量与规定值的偏差情况，发出对被测对象进行调节的信号、其调节作用可使被测量保持在预定的数值，也就是说该显示件附加有调节功能。故称为带调节的显示仪表。18三、传送件（变换元件和传送元件）传送件的作用是将感受件输出的信号，根据显示件的要求传送给显示件。根据不同情况，传送件有下列功能：A单纯起传输作用B将感受件输出的信号放大，以满足远距离传输以及驱动显示、记录装置的需要。C为了使各种感受件的输出信号与显示仪表和调节装置配接，要通过传送件把信号转换成标准化的统一信号。这时的传送件常被称为变送器。这样同一类型的显示仪表可用来显示不同类型的被测量。191.1.4测量的意义测量是人类对自然界中客观事物取的数量观念的一种认识过程。在认识的过程中，人们借助于专门的工具，通过试验和对试验数据的分析计算，求得被测量的值，获得对于客观事物的定量的概念和内在规律的认识。测量技术对自然科学、工程技术的重要作用愈来愈为人们所重视，他已逐步形成一门完整的、独立的学科。这门学科研究的主要是测量原理、测量方法、测量工具和测量数据处理。根据被测对象的差异，测量技术可分为若干分支，例如热工测量、力学测量、电学测量、光学测量等等。测量技术的各个分支既有共同需要研究的问题，如测量系统的分析、测量误差分析与数据处理理论；又有各自不同的特点，如各种不同的物理量的测量原理、测量方法与测量工具。20测量技术的发展主要表现在以下几方面:一、敏感元件（传感器）向着高精度、高灵敏度、大测量范围、小型化和智能化的方向发展测量技术的发展在相当大的程度上依赖于敏感元件的发展。材料科学进步给敏感元件的发展开拓了广阔的前景。新型半导体材料的发展，造就了一大批对光、电、磁、热等敏感的元器件。光导纤维技术的发展不仅使测量信号的传输产生了新的变革，而且光纤传感器可以直接用于某些物理参数的探测，如温度、压力、流量、流速、振动等。光纤传感器对于提高敏感元件的灵敏度、实现敏感元件小型化有着特殊的意义。1.1.5测量技术的发展趋势21敏感元件的性能取决于元件材料的特性，也与加工技术有关。细微加工技术可使被加工的半导体材料尺寸达到光的波长量级。从而可制造出超小型、高稳定、价格便宜的敏感元件。微电子技术的发展使得有可能将测量信号的拾取、变换和处理合为一体，构成智能化的传感器，使传感器具有检测、变换、校正、判断和处理的综合能力。智能传感器具有高精度、高可靠性、多功能等特点，是现代测试技术发展的必然趋势。22二、测量技术的实时化、自动化与信号数字化处理欲对过程做出及时的控制与处理，测量技术的实时化必不可少。实时测量即涉及到测量系统的动态特性，又涉及到测量信号的实时处理。计算机技术的发展、数字信号分析理论的发展，使测量信号的分析与处理可以达到实时化的水平。此外，利用微机做后续处理，使整个测试过程自动地按步骤进行，直接给出结果。实现了测试技术的自动化。23三、测量原理、测量手段的重大突破现代科技领域中，出现了许多新的检测技术，如超声波、红外、激光、图像等，它们多是利用各种不同的波长电磁波的特性来实现参数的测量。这些新的测试技术正在获得越来越多的应用，特别是对于一些特殊测量，如参数场的测量，超低温测量、高温、高压、高速度的测量以及恶劣环境条件下参数的测量有着重要的作用，使某些困难的测量问题有望得到较好的解决。24课后思考题查找常用的或具有发展潜力的热敏感材料及其在测量应用中工作原理，测量系统中对热敏感元件的加工要求。251.2仪表的质量指标★精密度、准确度、精确度（精度）★稳定性和重复性★线性度（或非线性误差）、回差（变差）★漂移、灵敏度及分辨率★动态特性26一、精密度对同一被测量进行多次测量所得测量值重复一致的程度，或者说测定值分布的密集度，称为测量的精密度。精密度反应随机误差的影响，随机误差越小精密度越高。27二、准确度准确度是对同一被测量进行多次测量，测定值偏移被测量真值的程度。准确度反映了系统误差的影响，系统误差越小，准确度越高。28三、精确度精密度与准确度的综合指标称为精确度或者精度。补充：仪表的准确度：表征仪表表示值与被测量实际值接近程度的质量指标，用相对误差来表示。仪表的相对误差一般有两种：相对误差和示值相对误差。29示值相对误差＝100％×示值绝对误差/示值相对误差＝100％×所有示值绝对误差中最大值/(标尺上限值－标尺下限值)自动检测仪表的准确度等级，是按照国家统一规定的允许相对误差的一列标准值来分级的（0.001、0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.35、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0）。它规定了各级仪表在额定使用条件下最大相对误差不得超过的数值。30四、稳定性和重复性稳定性指仪表指示值不随时间和使用条件变化的性能。时间稳定性以稳定度来表示，即示值在一段时间内随机变动量的大小。重复性：同一条件下多次按同一方向输入信号做全程变化时，对同一输入信号值的仪表输出值的一致程度。31五、线性度（或非线性误差）、回差（变差）线性度：对于理论上是线性输入输出特性曲线的仪表，实际特性曲线往往偏移线性关系。它们间的最大差值与量程范围之比的百分数称为线性度。回差：指仪表正向特性与反向特性的不一致的程度，以正、反向特性之差的最大值与仪表量程之比的百分数表示。32六、漂移、灵敏度及分辨率漂移：在保持工作条件和输入信号不变的条件下，经过规定的较长一段时间后输出的变化称为漂移，它以仪表量程各点上输出量的最大变化量与量程之比的百分数来表示。漂移通常是由于电子元件的老化，弹性元件的时效，节流件的磨损，热电偶或热电阻的污染变质等原因引起的。灵敏度：仪表在到达稳态后，输出增量与输入增量之比，称为仪表的灵敏度。即仪表“输入－输出”特性的斜率。分辨率：引起仪表示值可察觉的最小变动所需的输入信号的变化，称为仪表的分辨率，也称灵敏限或鉴别阈。33七、动态特性动态特性是指仪表示值跟随被测量随时间变化的能力，一般用被测量初始值为零做单位阶跃变化时，仪表示值随时间变化所显示的时间特性来评价。A上升时间：示值从稳态值的5％变到95％所需的时间