《测量方法及误差》课件2.ppt
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- 测量方法及误差 测量方法 误差 课件
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1、n动力工程测试技术及仪表动力工程测试技术及仪表是热能与动力专业是热能与动力专业的学科基础课。的学科基础课。n通过本课程的学习,使同学们通过本课程的学习,使同学们 n掌握热工参数的正确测量方法;掌握热工参数的正确测量方法;n掌握常用测量仪表的基本原理、主要性能,使掌握常用测量仪表的基本原理、主要性能,使用特点;用特点;n了解电厂热力设备和动力机械的检测系统的组了解电厂热力设备和动力机械的检测系统的组成方法。成方法。n能在实际工作中知道如何正确的选择和使用测能在实际工作中知道如何正确的选择和使用测量仪表。量仪表。热能工程测试技术及仪表讲义,韩东太主编热能工程测试技术及仪表讲义,韩东太主编热工测量仪
2、表,第二版,高魁明主编,冶金热工测量仪表,第二版,高魁明主编,冶金工业出版社工业出版社 热工测量及仪表,第二版,吴永生,方可人热工测量及仪表,第二版,吴永生,方可人编,中国电力出版社编,中国电力出版社 热工参数测量及仪表,何适生主编,中国电热工参数测量及仪表,何适生主编,中国电力出版社力出版社吕崇德吕崇德.热工参数测量与处理热工参数测量与处理.第二版第二版.北京:北京:清华大学出版社清华大学出版社,2001,2001学习要求:学习要求:要求掌握测试系统的基本组成;仪器仪要求掌握测试系统的基本组成;仪器仪表的主要性能参数;误差的分类及处理方法;表的主要性能参数;误差的分类及处理方法;直接测量及间
3、接测量中随机误差和系统误差直接测量及间接测量中随机误差和系统误差的计算方法。的计算方法。第一章第一章 测量方法及误差分析测量方法及误差分析目前热工测量技术的目前热工测量技术的发展趋势发展趋势体现在以下几个方面:体现在以下几个方面:热工测量热工测量是指在热工过程中对各种热工参数,如是指在热工过程中对各种热工参数,如温度、压力、流量、液位温度、压力、流量、液位等的测量(热力发电厂中,等的测量(热力发电厂中,有时也把有时也把成分分析、转速、振动成分分析、转速、振动等列入其中)。用等列入其中)。用来测量热工参数的仪表称为来测量热工参数的仪表称为热工测量仪表热工测量仪表。(1 1)计算机技术的广泛应用。
4、)计算机技术的广泛应用。(2 2)新型传感器的研制。)新型传感器的研制。(3 3)新技术、新设备的应用。)新技术、新设备的应用。测量是以确定量值为目的的一组操作。测量是以确定量值为目的的一组操作。目的:确定被测量的值或获取测量结果。目的:确定被测量的值或获取测量结果。测量科学技术已逐步形成了一门完整的、独立的测量科学技术已逐步形成了一门完整的、独立的学科。这门学科研究的主要是学科。这门学科研究的主要是测量原理、测量方测量原理、测量方法、测量工具和测量数据法、测量工具和测量数据的处理。的处理。根据被测对象的差异,测量技术可分为若干分支,根据被测对象的差异,测量技术可分为若干分支,例如例如力学测量
5、、电学测量、光学测量、热工测量力学测量、电学测量、光学测量、热工测量等。等。我们将在讨论有关测量问题的基本原理的基础上我们将在讨论有关测量问题的基本原理的基础上重点讨论热工参数的测量技术。重点讨论热工参数的测量技术。1.1.11.1.1测量的定义测量的定义 所谓测量,就是利用测量工具,通过实验的方法所谓测量,就是利用测量工具,通过实验的方法将被测量与同性质的标准量(即测量单位)进行将被测量与同性质的标准量(即测量单位)进行比较,以确定出被测量是标准量多少倍数的过程。比较,以确定出被测量是标准量多少倍数的过程。所得到的倍数就是被测量的值。所得到的倍数就是被测量的值。两个条件:两个条件:用来进行比
6、较的标准量应该是国际上或国家用来进行比较的标准量应该是国际上或国家所公认的,且性能稳定;所公认的,且性能稳定;进行比较所用的方法和仪器必须经过验证。进行比较所用的方法和仪器必须经过验证。测量的表达式测量的表达式xLbx x被测量;被测量;b b标准量(测量单位);标准量(测量单位);L L所得到的被测量的值,即得到的测量结果。所得到的被测量的值,即得到的测量结果。1.1.2 测量方法1.1.按被测量在测量过程中的状态分按被测量在测量过程中的状态分n静态测量静态测量 n指在测量过程中被测量可以认为指在测量过程中被测量可以认为是固定不变的。因此,不需要考是固定不变的。因此,不需要考虑时间因素对测量
7、的影响。虑时间因素对测量的影响。n 动态测量动态测量 n指被测量在测量期间随时间(或指被测量在测量期间随时间(或其他影响量)发生变化。其他影响量)发生变化。2.2.测量结果产生的方式分测量结果产生的方式分n直接测量直接测量 n如水银温度计、压力表、直尺。如水银温度计、压力表、直尺。n间接测量间接测量n如电阻温度计、压力传感器。如电阻温度计、压力传感器。n组合测量组合测量20(1)ttRRAtBt3.3.根据检测装置动作原理分:根据检测装置动作原理分:(1 1)直读法)直读法 玻璃管水银温度计玻璃管水银温度计(2 2)零值法(平衡法)零值法(平衡法)天平、电位差计天平、电位差计(3 3)微差法)
8、微差法 不平衡电桥测量电阻不平衡电桥测量电阻4.4.根据仪表是否与被测对象接触根据仪表是否与被测对象接触(1 1)接触测量法)接触测量法(2 2)非接触测量法)非接触测量法 玻璃管水银温度计玻璃管水银温度计光学高温计测温光学高温计测温1.2.1 组成组成1感受部件感受部件感受部件的具体要求是:感受部件的具体要求是:输出信号必须随被测参数变化而变化。输出信号必须随被测参数变化而变化。输出信号只能随被测参数变化而变化。输出信号只能随被测参数变化而变化。输出信号与被测参数的变化之间呈单值函数关系,输出信号与被测参数的变化之间呈单值函数关系,最好呈线性关系,并有较高的灵敏度,即有较小的被最好呈线性关系
9、,并有较高的灵敏度,即有较小的被测量变化时,输出信号就有较显著的变化。测量变化时,输出信号就有较显著的变化。反应快、迟延小。反应快、迟延小。2传输变换部件(中间件)传输变换部件(中间件)将感受部件输出的信号,根据显示部件的要求进行适当将感受部件输出的信号,根据显示部件的要求进行适当的处理后传送给显示部件。的处理后传送给显示部件。作用:作用:3显示部件(二次仪表显示部件(二次仪表 )接受传输变换部件送来的信号并将其转换为测量人员可接受传输变换部件送来的信号并将其转换为测量人员可以辨识的信号。以辨识的信号。作用:作用:根据显示部件的功能不同,仪表又可分为:根据显示部件的功能不同,仪表又可分为:指示
10、仪表、记录仪表、积算式仪表(积算器)、信号指示仪表、记录仪表、积算式仪表(积算器)、信号式仪表和调节仪表。式仪表和调节仪表。1.2.2 仪表的分类仪表的分类 按按被测参数被测参数不同,可分为温度、压力、流量、物位、成分分不同,可分为温度、压力、流量、物位、成分分析及机械量(位移、转速、振动等)测量仪表。析及机械量(位移、转速、振动等)测量仪表。按按仪表的用途仪表的用途不同,可分为标准用、实验室用及工程用仪表不同,可分为标准用、实验室用及工程用仪表。按按显示特点显示特点和和功能功能不同,可分为指示式、记录式、积算式、不同,可分为指示式、记录式、积算式、数字式及屏幕式仪表。数字式及屏幕式仪表。按按
11、工作原理工作原理不同,可分为机械式、电气式、电子式、化学式、不同,可分为机械式、电气式、电子式、化学式、气动式和液动式仪表。气动式和液动式仪表。按按安装地点安装地点不同,可分为就地安装式及盘用仪表不同,可分为就地安装式及盘用仪表。按按使用方式使用方式不同,可分为固定式和便携式仪表。不同,可分为固定式和便携式仪表。根据仪表的用途、原理及结构等不同,热工仪表可分为根据仪表的用途、原理及结构等不同,热工仪表可分为多种类型:多种类型:1.3.1 测量误差及其表示方法测量误差及其表示方法测量工作是测量工作是一一种实验工作,由于仪表本身不完善,测量人种实验工作,由于仪表本身不完善,测量人员操作不当,测量时
12、客观条件的变化以及受人类自身认识水员操作不当,测量时客观条件的变化以及受人类自身认识水平的局限等种种原因,使得测量结果与被测量的真实值之间平的局限等种种原因,使得测量结果与被测量的真实值之间出现不符的现象,即存在测量误差。出现不符的现象,即存在测量误差。测量误差的定义测量误差的定义0 xX被测量的真值被测量的真值 测定值(测量结果)测定值(测量结果)测量误差测量误差 测量误差的概念测量误差的概念测定值测定值 测定值(测量结果)测定值(测量结果)测定值测定值x是由测量所得到的赋予是由测量所得到的赋予被测量的值被测量的值。广义上广义上我们可以把我们可以把测得值测得值、测量值测量值、检测值检测值、实
13、验值实验值、示值示值、名义值名义值、标称值标称值、预置值预置值、给出值给出值等均看作是等均看作是测量结果。测量结果。测量结果是我们要研究的对象。测量结果是我们要研究的对象。u测量误差的概念测量误差的概念真值真值 真值:与给定的真值:与给定的特定量特定量一致的值。一致的值。理论真值一般只存在于纯理论之中。理论真值一般只存在于纯理论之中。如:三角形内角之和恒为如:三角形内角之和恒为180180,一个整圆周角为,一个整圆周角为360360真值。真值。u测量误差的概念测量误差的概念约定真值约定真值 约定真值:是指对于给定用途、具有适当不确定度的、赋予约定真值:是指对于给定用途、具有适当不确定度的、赋予
14、特定量的值。特定量的值。亦称:亦称:指定值指定值、约定值约定值、参考值参考值或或最佳估计值最佳估计值。例:由国家建立的实物标准(或基准)所指定例:由国家建立的实物标准(或基准)所指定的千克复原的千克复原器质量的约定真值为器质量的约定真值为1kg1kg,其复现的不确定度为,其复现的不确定度为0.008mg0.008mg。普遍性普遍性 -误差是不可避免的,所有的测量数据都存在误差是不可避免的,所有的测量数据都存在误差。最高基准的测量传递手段(测量仪器误差。最高基准的测量传递手段(测量仪器/测量方法)测量方法)-不绝对准确不绝对准确u误差的特点:误差的特点:u误差的基本表示方法误差的基本表示方法绝对
15、误差绝对误差 相对误差相对误差 引用误差引用误差1.绝对误差绝对误差0 xX被测量的真值被测量的真值 测定值测定值 绝对误差绝对误差:是是一个具有确定的一个具有确定的大小、符号及单大小、符号及单位的量。单位给位的量。单位给出了被测量的量出了被测量的量纲,其单位与测纲,其单位与测得值相同。得值相同。适用于:适用于:同一同一量级的同种量的量级的同种量的测量结果的误差测量结果的误差比较和单次测量比较和单次测量结果的误差计算结果的误差计算。2.相对误差相对误差定义定义:仪表的绝对误差与被测量的真实值之比,用百仪表的绝对误差与被测量的真实值之比,用百分数表示,即分数表示,即 00100%xxx相对误差的
16、特点:相对误差的特点:相对误差只有大小和符号,无量纲,一般用百分数相对误差只有大小和符号,无量纲,一般用百分数 来来表示;表示;相对误差常用来衡量测量的相对准确程度。相对误差常用来衡量测量的相对准确程度。被测量的大小不同被测量的大小不同-允许的测量绝对误差不同;允许的测量绝对误差不同;相对误差相同时,被测量的量值小相对误差相同时,被测量的量值小 -允许的测量绝允许的测量绝对误差也越小对误差也越小 例:压力例:压力P1=50 kPa,误差,误差d d1 1=2kPa;压力;压力P2=2MPa,误差,误差d d2 2=50 kPa G1的相对误差为的相对误差为1112100%100%4%50GG2
17、的相对误差为的相对误差为22250100%100%2.5%2000GG2 的测量效果较好。的测量效果较好。解:解:3.折合误差(引用误差)折合误差(引用误差)我国电工仪表、压力表的准确度等级我国电工仪表、压力表的准确度等级(accuracy class)是按照是按照引用误差进行分级的。引用误差进行分级的。当一个仪表的等级当一个仪表的等级s选定后,用此表测量选定后,用此表测量某一被测量时,所产生的最大绝对误差为:某一被测量时,所产生的最大绝对误差为:绝对误差的最大值与该仪表的标称范围(或量程)上限成正比。绝对误差的最大值与该仪表的标称范围(或量程)上限成正比。如何使用这类仪表?如何使用这类仪表?
18、mmaxmin()%AA定义定义:是指仪表量程范围内指示值的最大绝对误差与该仪:是指仪表量程范围内指示值的最大绝对误差与该仪 表的量程范围之间的百分比,即表的量程范围之间的百分比,即maxmaxmin100%AA max仪表量程范围内指示值的最大绝对误差;仪表量程范围内指示值的最大绝对误差;maxminAA仪表的量程。仪表的量程。引用误差示例引用误差示例用有一块测量范围为用有一块测量范围为0.1MPa0.1MPa,2.5级的级的压力真空表,在进行计量校准时,各示值点上最大压力真空表,在进行计量校准时,各示值点上最大允许误差是多少?允许误差是多少?1.系统误差系统误差定义:在重复性条件下,对同一
19、被测量进行无限多次测定义:在重复性条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。量所得结果的平均值与被测量的真值之差。特征:在相同条件下,多次测量同一量值时,该误差的特征:在相同条件下,多次测量同一量值时,该误差的绝对值和符号保持不变,或者在条件改变时,按某一确绝对值和符号保持不变,或者在条件改变时,按某一确定规律变化的误差。定规律变化的误差。1.3.2 测量误差的分类测量误差的分类根据误差的性质不同,可以把误差分为根据误差的性质不同,可以把误差分为系统误系统误差差、随机误差随机误差和和疏失误差疏失误差三种。三种。系统误差举例系统误差举例在实际估计测量器具示值的系统误
20、差时,常常用适当次在实际估计测量器具示值的系统误差时,常常用适当次数的重复测量的算术平均值减去约定真值来表示,又称数的重复测量的算术平均值减去约定真值来表示,又称其为测量器具的其为测量器具的偏移偏移或或偏畸偏畸。由于系统误差具有一定的规律性,因此可以根据其产生由于系统误差具有一定的规律性,因此可以根据其产生原因,采取一定的技术措施,设法消除或减小;也可以原因,采取一定的技术措施,设法消除或减小;也可以在相同条件下对已知约定真值的标准器具进行多次重复在相同条件下对已知约定真值的标准器具进行多次重复测量的办法,或者通过多次变化条件下的重复测量的办测量的办法,或者通过多次变化条件下的重复测量的办法,
21、设法找出其系统误差的规律后,对测量结果进行修法,设法找出其系统误差的规律后,对测量结果进行修正。正。用天平计量物体质量时,砝码的质量偏差用天平计量物体质量时,砝码的质量偏差 用千分表读数时,表盘安装偏心引起的示值误差用千分表读数时,表盘安装偏心引起的示值误差 刻线尺的温度变化引起的示值误差刻线尺的温度变化引起的示值误差 2.随机误差随机误差 定义定义 测得值与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测测得值与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量结果的平均值之差。又称为偶然误差。量结果的平均值之差。又称为偶然误差。特点特点 在相同测量条件下,多次测量同一量值时,绝对值和符在相同测量条件下,多
22、次测量同一量值时,绝对值和符号以不可预定方式变化的误差。号以不可预定方式变化的误差。产生原因产生原因 随机误差是由人们不能掌握,不能控制,不能调节,更随机误差是由人们不能掌握,不能控制,不能调节,更不能消除的微小因素造成。这些因素中,有的是尚未掌不能消除的微小因素造成。这些因素中,有的是尚未掌握其影响测量准确的规律;有的是在测量过程中对其难握其影响测量准确的规律;有的是在测量过程中对其难以完全控制的微小变化以完全控制的微小变化(如温度波动、噪声干扰、电磁场如温度波动、噪声干扰、电磁场微变、电源电压的随机起伏、地面振动等微变、电源电压的随机起伏、地面振动等),而这些微小,而这些微小变化又给测量带
23、来误差。变化又给测量带来误差。随机误差的特征随机误差的特征n随机误差的最主要特征是具有随机误差的最主要特征是具有随机性随机性,没有确定的规律。,没有确定的规律。类似于其它随机变量,对无限次测量来说,随机误差服从类似于其它随机变量,对无限次测量来说,随机误差服从统计规律统计规律。3.3.疏失误差疏失误差n 定义:定义:n指明显超出统计规律预期值的误差。又称为疏忽误差、指明显超出统计规律预期值的误差。又称为疏忽误差、过失误差或简称粗差。过失误差或简称粗差。n 产生原因产生原因:某些偶尔突发性的异常因素或疏忽所致。:某些偶尔突发性的异常因素或疏忽所致。n测量方法不当或错误,测量操作疏忽和失误(如未按
24、测量方法不当或错误,测量操作疏忽和失误(如未按规程操作、读错读数或单位、记录或计算错误等)规程操作、读错读数或单位、记录或计算错误等)n测量条件的突然变化(如电源电压突然增高或降低、测量条件的突然变化(如电源电压突然增高或降低、雷电干扰、机械冲击和振动等)。雷电干扰、机械冲击和振动等)。n 由于该误差很大,明显歪曲了测量结果。故应按照一定的由于该误差很大,明显歪曲了测量结果。故应按照一定的准则进行判别,将含有粗大误差的测量数据(称为坏值或准则进行判别,将含有粗大误差的测量数据(称为坏值或异常值)予以剔除。异常值)予以剔除。1.4.1 仪表的质量指标仪表的质量指标 1仪表的精确度等级及允许误差仪
25、表的精确度等级及允许误差精密度精密度:对同一被测量进行多次测量所得的测定值重复一:对同一被测量进行多次测量所得的测定值重复一致的程度,或者说测定值分布的密集程度称为测量的精致的程度,或者说测定值分布的密集程度称为测量的精密度。精密度反映随机误差的影响,随机误差愈小精密密度。精密度反映随机误差的影响,随机误差愈小精密度愈高。度愈高。正确度正确度:对同一被测量进行多次测量,测定值偏离被测量:对同一被测量进行多次测量,测定值偏离被测量真值的程度称为测量的准确度。准确度反映了系统误差的真值的程度称为测量的准确度。准确度反映了系统误差的影响,系统误差愈小,准确度愈高。影响,系统误差愈小,准确度愈高。精密
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