测量仪表及性能指标基本知识.ppt

1 测量仪表基本知识测量仪表基本知识2测量的定义u用用实实验验的的方方法法，把把被被测测量量与与同同性性质质的的标标准准量量进进行行比比较较，确确定定两两者者的的比比值值，从从而而得得到到被被测测量量的的量值。量值。u使测量结果有意义的要求：使测量结果有意义的要求：u用用来来进进行行比比较较的的标标准准量量应应该该是是国国际际上上或或国国家家所所公公认认的，且性能稳定。的，且性能稳定。u进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。3测量的基本方程式：X=aU 式中，式中，X 被测量；被测量；U 标准量（即选用的测量单位）；标准量（即选用的测量单位）；a 被测量与标准量的数字比值。被测量与标准量的数字比值。4测量方法u测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。u测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：（1）直直接接测测量量法法：使使被被测测量量直直接接与与选选用用的的标标准准量量进进行行比比较较，或或者者预预先先标标定定好好了了的的测测量量仪仪表表进进行行测测量量，从从而而直直接接求求得得被被测测量量数数值值的的测量方法。测量方法。（2）间间接接测测量量法法：通通过过直直接接测测量量与与被被测测量量有有某某种种确确定定函函数数关关系系的的其其它它各各个个变变量量，然然后后将将所所测测得得的的数数值值代代入入函函数数关关系系进进行行计计算算，从从而求得被测量数值的方法。而求得被测量数值的方法。（3）组组合合测测量量法法：测测量量中中使使各各个个未未知知量量以以不不同同的的组组合合形形式式出出现现（或或改改变变测测量量条条件件以以获获得得这这种种不不同同组组合合），根根据据直直接接测测量量或或间间接接测测量量所所获获得得的的数数据据，通通过过解解联联立立方方程程组组以以求求得得未未知知量量的的数数值值，这这类类测测量称为组合测量。量称为组合测量。5u测量方法的其它分类方式：测量方法的其它分类方式：u按不同的测量条件分：等精度测量与非等精度测量按不同的测量条件分：等精度测量与非等精度测量u按按被被测测量量在在测测量量过过程程中中的的状状态态不不同同分分：静静态态测测量量与与动态测量动态测量6 测测量量系系统统由由四四个个基基本本环环节节组组成成：传传感感器器、变变换换器器或或变变送器、传输通道和显示装置。送器、传输通道和显示装置。传感器变换器传输通道显示装置被测量测量值测量系统的组成7传感器（敏感元件）传感器（敏感元件）u它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。u理想敏感元件应满足的要求：理想敏感元件应满足的要求：u敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。u敏敏感感元元件件应应该该只只对对被被测测量量的的变变化化敏敏感感，而而对对其其它它一一切切可可能能的的输入信号不敏感。输入信号不敏感。u在在测测量量过过程程中中，敏敏感感元元件件应应该该不不干干扰扰或或尽尽量量少少干干扰扰被被测测介介质质的状态。的状态。测量环节的功能（传感器）8测量环节的功能（变送器）它它是是传传感感器器和和显显示示装装置置中中间间的的部部分分，它它是是将将传传感感器器输输出出的的信信号号变变换换成成显显示示装装置置易易于于接接收收的的部部件。件。u对变换器的要求：对变换器的要求：u性能稳定性能稳定u精确度高，使信息损失最小。精确度高，使信息损失最小。9测量环节的功能（显示装置）它是测量系统直接与观测者发生联系的部分它是测量系统直接与观测者发生联系的部分u显示装置的基本形式：显示装置的基本形式：u模拟式显示元件模拟式显示元件u数字式显示元件数字式显示元件u屏幕式显示元件屏幕式显示元件10测量环节的功能（传输通道）u它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。u分为电线、光导纤维和管路等。分为电线、光导纤维和管路等。11测量应用方面（1）过程监测：对过程参数的监测。）过程监测：对过程参数的监测。（2）过过程程控控制制：为为生生产产过过程程的的自自动动控控制制提提供供依依据。据。（3）试验分析与系统辨识：解决科学上的和过）试验分析与系统辨识：解决科学上的和过程上的问题，一般需要综合运用理论和实验的程上的问题，一般需要综合运用理论和实验的方法。测量技术应用于实验分析，是测量技术方法。测量技术应用于实验分析，是测量技术的一个典型应用。的一个典型应用。12测量误差的概念l测量误差是指由于某些测量仪表本身的问题，或是由于测量原理方法的局限性、外界因素的干扰以及测量者个人因素等原因，使测量仪表的指示值Xm与被测量的真实值Xl(称为真值)之间存在的偏差值。13测量误差的来源1、仪器误差仪器误差它是由于设计、制造、装配、检定等的不完善它是由于设计、制造、装配、检定等的不完善以及仪器使用过程中元器件老化、机械部件磨以及仪器使用过程中元器件老化、机械部件磨损、疲劳等因素而使测量仪器设备带有的误差。损、疲劳等因素而使测量仪器设备带有的误差。减少仪器误差的主要途径是根据具体测量任务，减少仪器误差的主要途径是根据具体测量任务，正确地选择测量方法和使用测量仪器。正确地选择测量方法和使用测量仪器。142、人身误差人身误差它指由于测量者感官的分辨能力、视觉疲劳、它指由于测量者感官的分辨能力、视觉疲劳、固有习惯等而对测量实验中的现象与结果判断固有习惯等而对测量实验中的现象与结果判断不准确而造成的误差。不准确而造成的误差。减少人身误差的途径减少人身误差的途径153、影响误差影响误差它是指各种环境因素与要求条件不一致而造成它是指各种环境因素与要求条件不一致而造成的误差。的误差。主要的影响因素是环境温度、电源电压和电磁主要的影响因素是环境温度、电源电压和电磁干扰等。干扰等。164、方法误差、方法误差它是所使用的测量方法不当，或对测量设备操它是所使用的测量方法不当，或对测量设备操作使用不当，或测量所依据的理论不严格，或作使用不当，或测量所依据的理论不严格，或对测量计算公式不适当简化等原因而造成的误对测量计算公式不适当简化等原因而造成的误差，也称理论误差。差，也称理论误差。原则上可通过理论分析和计算或改变测量方法原则上可通过理论分析和计算或改变测量方法来加以消除或修正。来加以消除或修正。17例：例：用指针式万用表的用指针式万用表的10V量程测量一只量程测量一只1.5V干电池的电压，干电池的电压，示值如图所示，问：示值如图所示，问：选择该量程合理吗选择该量程合理吗？18 用用2.5V量程测量量程测量同一只同一只1.5V干电干电池的电压，与上池的电压，与上图比较，问示值图比较，问示值相对误差哪一个相对误差哪一个大？大？19误差分类误差分类l误差产生原因及规律系统误差：随机误差：粗大误差l误差的数值表示方法绝对误差相对误差引用误差l按误差与仪表使用条件的关系基本误差附加误差。20系统误差系统误差l定义：指测量仪器或方法引起得有规律的误差，体现为与真值之间的偏差。l事例：如仪器零点误差，温度、电磁场等环境引起的误差，动力源引起的误差。l解决办法：单纯增加测量次数，无法减少系统误差对测量的影响、但在找出产生误差的原因之后，可以通过对测量结果引入适当的修正而消除之。恒值恒值累进性累进性按复杂规律变化按复杂规律变化周期性周期性系统误差的特征系统误差的特征21随机误差随机误差定义：随机误差指在已经消除系统误差之后，在相同的条件下测量同一量时，出现的这种误差值以不可预计的方式变化的误差。形成原因：随机误差是出于那些对测量结果影响较小、我们尚未认识或无法控制的因素(如电子噪声干扰等)造成的。在多次重复测量同一量时，其误差值总体上服从统计规律(如正态分布)。解决办法：从随机误差的统计规律分布特征，可对其示值大小和可靠性做出评价，并可通过适当增加测量次数求平均值的方法，减少随机误差对测量结果的影响。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。22彩票摇奖彩票摇奖23粗大误差粗大误差定义：粗大误差是指一种显然与事实不符的误差，其误差值较大且违反常规。形成原因：粗大误差一般是由于操作人员在操作、读数或记录数据时粗心大意造成的。测量条件的突然改变或外界重大干扰也会造成粗大误差。解决办法：对于这类误差一旦发现，应及时纠正。24绝对误差u测测定定值值与与被被测测量量真真值值之之差差称称为为测测量量的的绝绝对对误误差差，或或简简称测量误差。称测量误差。=x X0 式中，式中，测量误差；测量误差；x 测定值（例如仪表指示值）；测定值（例如仪表指示值）；X0 被测量的真值。被测量的真值。u真值一般无法得到，所以用实际值真值一般无法得到，所以用实际值X代替代替X0。25u对于绝对误差，应注意下面几个特点：对于绝对误差，应注意下面几个特点：u绝对误差是有单位的量，其单位与测定值和实际值相同。u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。u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。26相对误差u示值的绝对误差与约定值之比值称为相对误差，其为无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。量纲数，以百分数表示。u一般约定值一般约定值m有如下几种取法：有如下几种取法：uxl取测量仪表的指示值取测量仪表的指示值x时，时，Er称为标称相对误差；称为标称相对误差；uxl取测量的实际值取测量的实际值X时，时，Er称为实际相对误差；称为实际相对误差；uxl取仪表的满刻度值时，取仪表的满刻度值时，Er称为引用相对误差。称为引用相对误差。27l对于相同的被测量，用绝对误差评定其测量精度的高对于相同的被测量，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。低。但对于不同的被测量，则应采用相对误差来评定。u测测量量过过程程中中存存在在测测量量误误差差是是不不可可避避免免的的，任任何何测测量量值值只能近似反映被测量的真值。只能近似反映被测量的真值。u测测量量过过程程中中无无数数随随机机因因素素的的影影响响，使使得得即即使使在在同同一一条条件件下下对对同一对象进行重复测量也不会得到完全相同的测量值。同一对象进行重复测量也不会得到完全相同的测量值。u被被测测量量总总是是要要对对敏敏感感元元件件施施加加能能量量才才能能使使测测量量系系统统给给出出测测量量值值，这这就就意意味味着着测测量量值值并并不不能能完完全全准准确确的的反反映映被被测测参参数数的的真真值。值。28l基本误差是仪表在规定的正常工作条件下，所可能产生的误差。仪表基本误差的允许值，叫做仪表的“最大允许绝对误差”。l附加误差是仪表在偏离规定的正常工作条件下使用时附加产生的新误差。此时仪表的实际误差等于基本误差与附加误差之和。l由于仪表在工作条件(如温度、湿度、振动、电源电压、频率等)改变时会产生附加误差，所以在使用仪表时应尽量满足仪表现定的工作条件，以防止产生附加误差。29测量精度1 1准确度准确度u对对同同一一被被测测量量进进行行多多次次测测量量，测测量量值值偏偏离离被被测测量量真真值值的的程程度度称称为为测测量量的的准准确度。确度。u它反映系统误差的影响，系统误差越小，准确度越高。它反映系统误差的影响，系统误差越小，准确度越高。2 2精密度：精密度：u对对同同一一被被测测量量进进行行多多次次测测量量，测测量量值值重重复复一一致致的的程程度度，或或者者说说测测量量值值分分布布的密集程度，称为测量的精密度。的密集程度，称为测量的精密度。u它反映随机误差的影响，随机误差越小，精密度越高。它反映随机误差的影响，随机误差越小，精密度越高。3 3精确度精确度u精密度与准确度的综合指标称为精确度，或称精度。精密度与准确度的综合指标称为精确度，或称精度。u它反映随机误差和系统误差的综合影响。它反映随机误差和系统误差的综合影响。u精精密密度度高高的的，准准确确度度不不一一定定高高；准准确确度度高高的的精精密密度度不不一一定定高高；但但精精确确度度高高的，则精密度与准确度都高。的，则精密度与准确度都高。30精密度高精密度高准确度高准确度高精确度高精确度高311量程范围量程范围u仪仪表表能能够够测测量量的的最最大大输输入入量量与与最最小小输输入入量量之之间间的的范范围围称作仪表的量程范围，简称量程。称作仪表的量程范围，简称量程。u在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值。在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值。问：某温度计测量的最低温度为问：某温度计测量的最低温度为-20-20，最高温度为最高温度为100100，它的量程是多少？，它的量程是多少？120测量仪表的基本技术指标（量程范围）32测量仪表的基本技术指标（灵敏度）u2、灵敏度灵敏度u在在稳稳定定情情况况下下，仪仪表表输输出出变变化化量量L与与引引起起此此变变化化的的输入量的变化量输入量的变化量Xb之比值，定义为仪表的灵敏度。之比值，定义为仪表的灵敏度。u用用S表示，即表示，即 式中，式中，S 仪表灵敏度仪表灵敏度 L、Xb 分别为输入与输出变化量分别为输入与输出变化量问：某测量范围是问：某测量范围是0100MPa的压力表，其满的压力表，其满量程时指针转角为量程时指针转角为270度，它的灵敏度是多少？度，它的灵敏度是多少？2.7度度/MPa33测量仪表的基本技术指标（灵敏限）3灵敏限（分辨率、死区）灵敏限（分辨率、死区）它它表表明明仪仪表表响响应应输输入入量量微微小小变变化化的的能能力力指指标标，即即不不能能引引起起输输出出发发生生变变化化的的最最大大输输入入变变化幅度与量程范围之比的百分数。化幅度与量程范围之比的百分数。34测量仪表的基本技术指标（仪器基本误差）4.仪器基本误差仪器基本误差 仪仪表表测测量量值值中中的的最最大大示示值值绝绝对对误误差差与与仪仪表表量量程程之之比比值称为仪表的基本误差。值称为仪表的基本误差。35测量仪表的基本技术指标（仪器允许误差）5.5.仪器允许误差仪器允许误差 它它表表示示对对测测量量仪仪表表所所允允许许的的误误差差界界限限，即即出出厂厂的的仪仪表表都都要要保保证证基本误差不超过某一规定值，此规定值叫允许误差。基本误差不超过某一规定值，此规定值叫允许误差。仪仪表表的的允允越越大大，表表示示它它的的精精确确度度越越低低；反反之之，仪仪表表的的允越小，表示仪表的精确度越高。允越小，表示仪表的精确度越高。36测量仪表的基本技术指标（准确度等级）6 6准确度等级准确度等级 它指根据测量仪表准确度大小所划分的等级或级别。允许误差去掉百分号的数值就是准确度等级，工程上称为精度等级。目前常用的精确度等级有0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。国家标准序列：标准表、范型表、实用表。级标准表：0.005、0.02、0.05；级标准表：0.1、0.2 、0.35、0.5 ;一般标准表：1.0、1.5、2.5、4.0。37仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。精度等级数值越小，就表征该仪表的精确度等级越高，也说明该仪表的精确度越高。0.05级以上的仪表，常用来作为标准表；工业现场用的测量仪表，其精度大多在0.5以下。仪表的精度等级一般可用不同的符号形式标志在仪表面板上。举例举例1.51.0如：38举例例1某台测温仪表的测温范围为200700，校验该表时得到的最大绝对误差为4，试确定该仪表的精度等级。解解 该仪表的相对百分误差为 如果将该仪表的去掉“”号与“”号，其数值为0.8。由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，同时，该仪表的误差超过了0.5级仪表所允许的最大误差，所以，这台测温仪表的精度等级为1.0级。39例例2某台测温仪表的测温范围为1000。根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过，试问应如何选择仪表的精度等级才能满足以上要求？解解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为 如果将仪表的允许误差去掉“”号与“”号，其数值介于0.51.0之间，如果选择精度等级为1.0级的仪表，其允许的误差为1.0，超过了工艺上允许的数值，故应选择0.5级仪表才能满足工艺要求。40根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来选择仪表精度等级，情况是不一样的。根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的允许误差应该大于（至少等于）仪表校验所得的相对百分误差；根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的允许误差应该小于（至多等于）工艺上所允许的最大相对百分误差。小结小结41测量仪表的基本技术指标（变差）7.7.变差变差 在外界条件不变的情况下，使用同一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，用仪表量程之比值称为变差，用表示。表示。正行程：测量系统的输入量从量程下限增至量程的上限的测量过程。正行程：测量系统的输入量从量程下限增至量程的上限的测量过程。反行程：测量系统的输入量从量程上限减少至量程的下限的测量过程。反行程：测量系统的输入量从量程上限减少至量程的下限的测量过程。42测量仪表的基本技术指标（线性度线性度）8.8.线性度线性度 线线性性度度是表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。通常总是希望测量仪表的输出与输入之间呈线性关系。线性度示意图 式式中中，f为线性度（又称非线性误差）；fmax为校准曲线对于理论直线的最大偏差（以仪表示值的单位计算）。43测量仪表的基本技术指标（反应时间反应时间）反反应应时时间间就是用来衡量仪表能不能尽快反映出参数变化的品质指标。反应时间长，说明仪表需要较长时间才能给出准确的指示值，那就不宜用来测量变化频繁的参数。仪表反应时间的长短，实际上反映了仪表动态特性的好坏。仪表的反应时间有不同的表示方法 当输入信号突然变化一个数值后，输出信号将由原始值逐渐变化到新的稳态值。仪表的输出信号由开始变化到新稳态值的63.2（95）所用的时间，可用来表示反应时间。44测量仪表的分类测量仪表的分类1.按仪表使用的能源分类按仪表使用的能源分类气动仪表、电动仪表、液动仪表气动仪表、电动仪表、液动仪表 以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现远距离传送和集中控制；便于与计算机联用；现在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动在电动仪表可以做到防火、防爆，更有利于电动仪表的安全使用。仪表的安全使用。一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、一般结构较复杂；易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响。放射性等环境影响。优点优点缺点缺点常用常用常用常用45测量仪表的分类测量仪表的分类2.按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类按信息的获得、传递、反映和处理的过程分类 检测仪表检测仪表 作用是获取信息，并进行适当的转换。显示仪表显示仪表 作用是将由检测仪表获得的信息显示出来。集中控制装置集中控制装置 包括各种巡回检测仪、巡回控制仪等。控制仪表控制仪表 可以根据需要对输入信号进行各种运算。执行器执行器 可以接受控制仪表的输出信号或直接来自操作员的指令，对生产过程进行操作或控制。46各类仪表的作用47测量仪表的分类测量仪表的分类 3.3.按仪表的组成形式分类按仪表的组成形式分类基基地地式式仪仪表表特点是将测量、显示、控制等各部分集中组装在一个表壳里，形成一个整体。这种仪表比较适于在现场做就地检测和控制，但不能实现多种参数的集中显示与控制。这在一定程度上限制了基地式仪表的应用范围。单元组合仪表是将对参数的测量及其变送、显示、控制等各部分，分别制成能独立工作的单元仪表（简称单元，例如变送单元、显示单元、控制单元等）。这些单元之间以统一的标准信号互相联系，可以根据不同要求，方便地将各单元任意组合成各种控制系统，适用性和灵活性都很好。48练习题1.某测温仪表的准确度等级为1.0级，绝对误差为1，测量下限为负值（下限的绝对值为测量范围的10），试确定该表的测量上限值、下限值和量程。2.用测量范围为50+150kPa的压力表测量140kPa压力时，仪表示值为+142kPa，求该示值的绝对误差、实际相对误差和引用相对误差。3.某1.5级测量范围为0100kPa的压力表，在50kPa、80kPa、100kPa三点校验时，其示值绝对误差分别为0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，试问该表是否合格？4.现有2.5级、2.0级、1.5级三块测温仪表，对应的测量范围分别为100+500、50550、01000，现要测量500的温度，其测量值的相对误差不超过2.5%，问选用哪块表最合适？5.有一台侧压仪表，其标尺范围为0500kPa，已知其绝对误差最大值为pmax=4kPa，求该仪表的精度等级。6.某待测的电压约为100 V,现有0.5级0300和1.0级0100 V两个电压表,问用哪一个电压表测量比较好？49练习题解答1.某测温仪表的准确度等级为某测温仪表的准确度等级为1.0级，绝对误差为级，绝对误差为1，测，测量下限为负值（下限的绝对值为测量范围的量下限为负值（下限的绝对值为测量范围的10），试），试确定该表的测量上限值、下限值和量程。确定该表的测量上限值、下限值和量程。（90，10，100）502.用测量范围为用测量范围为50+150kPa的压力表测量的压力表测量140kPa压力时，仪表示值为压力时，仪表示值为+142kPa，求该示，求该示值的绝对误差、实际相对误差和引用相对误差。值的绝对误差、实际相对误差和引用相对误差。（+2kPa，+1.43%，+1.0%）513.某某1.5级测量范围为级测量范围为0100kPa的压力表，在的压力表，在50kPa、80kPa、100kPa三点校验时，其示值绝对误差分别为三点校验时，其示值绝对误差分别为0.8kPa、+1.2kPa、+1.0kPa，试问该表是否合格？，试问该表是否合格？因为因为1.21.5%，所以该表合格。，所以该表合格。仪器基仪器基本误差本误差小于允小于允许误差，许误差，仪器合仪器合格；反格；反之则不之则不合格。合格。524.现有现有2.5级、级、2.0级、级、1.5级三块测温仪表，对应的测量范围级三块测温仪表，对应的测量范围分别为分别为100+500、50550、01000，现要测，现要测量量500的温度，其测量值的相对误差不超过的温度，其测量值的相对误差不超过2.5%，问选，问选用哪块表最合适？用哪块表最合适？解：解：(500+100)2.5%=15，15500100%=3%；(550+50)2.0%=12，12500100%=2.4%；(10000)1.5%=15，15500100%=3%；所以准确度所以准确度2.0级量程范围级量程范围50550的测温仪表最的测温仪表最合适。合适。535.有一台侧压仪表，其标尺范围为0500kPa，已知其绝对误差最大值为pmax=4kPa，求该仪表的精度等级。解：max=4/（500-0）*100%=0.8%0.5%0.8%1%所以该仪表的精度等级为1级（而不是0.5级）注意：精度的大小和最大绝对误差最大绝对误差及测量范围测量范围都有关系。546.某待测的电压约为100 V,现有0.5级0300和1.0级0100 V两个电压表,问用哪一个电压表测量比较好？解:用0.5级0300 V测量100 V时的最大相对误差为 而用1.0级0100 V测量100 V时的最大相对误差为因此,选择1.0级0100 V电压表比较好.因此,在选择仪表时,不不能能单单纯纯地地认认为为精精确确度度等等级级越越高高越越好好,而应根据被测量的大小,兼顾仪表的级别和测量上限合理地选择仪表。