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1、热工测量及仪表,第一篇 第一章 测量及测量误差 第二章 热工仪表概述,本篇主要介绍测量的定义与测量单位、测量方法、测量误差及仪表的质量指标等计算学的基础知识。,1.测量定义（三要素）,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，即 L=x/b 式中x被测量 b标准量（测量单位）L被测量的值。,第一节 测量的定义及方法,第一章 测量及测量误差,测量单位,SI规定了7个基本单位，2个辅助单位，19个具有专门名称的导出单位。7个基本单位名称量的名称、单位名称，单位符号。长度、时间、质量、温
2、度、电流、物质的量、发光强度 导出单位：例1N=1Kg.m/s2,2.测量方法（1）,根据获得测量结果的程序不同，测量可分为：（1）直接测量。就是将被测量直接与所选用的标准量进行比较，或者用预先标定好的测量仪表进行测量，从而直接得出测量值的方法。如用尺测长度，用玻璃管水位计测水位等。（2）间接测量。通过直接测量于被测量有确定函数关系的其他各个变量，然后将所得的数值代入函数进行计算，从而求得被测量值的方法称为间接测量。例如，用平衡容器测量汽包水位；通过测量导线电阻、长度及直径求电阻率等。（3）组合测量。组合测量是在测量出几组具有一定函数关系的量值基础上，通过解联立方程来取被测量的方法。,什么是直
3、接测量和间接测量？,电子卡尺,间接测量,对多个被测量进行测量，经过计算求得被测量。,（阿基米德测量皇冠的比重）,称量皇冠的难题 国王在前不久，叫一个工匠替他打造一顶金皇冠。国王给了工匠他所需要的数量的黄金。工匠的手艺非常高明，制做的皇冠精巧别致，而且重量跟当初国王所给的黄金一样重。可是，有人向国王报告说：“工匠制造皇冠时，私下吞没了一部分黄金，把同样重的银子掺了进去。”国王听后，也怀疑起来，就把阿基米德找来，要他想法测定，金皇冠里掺没掺银子，工匠是否私吞黄金了。在澡堂洗澡的时候，他注意到，当他的身体在浴盆里沉下去的时候，就有一部分水从浴盆边溢出来。同时，他觉得入水愈深，则他的体量愈轻。进皇宫后
4、，阿基米德将与皇冠一样重的金子、一块银子和皇冠，分别一一放在水盆里，看金块排出的水量比银块排出的水量少，而皇冠排出的水量比金块排出的水量多。阿基米德对国王说：“皇冠掺了银子！”金密度大，银密度小，同样重的金和银，银子的体积大于金子的体积。皇冠排出的水量比金块多，说明皇冠的密度比金块的密度小，这就证明皇冠不是用纯金制造的。”阿基米德有条理的讲述，使国王信服了。实验结果证明，那个工匠私吞了黄金。,2.测量方法（2）,根据检测装置动作原理不同，测量可分为：(1)直读法。被测量作用于仪表比较装着，使比较装着的某种参数按已知关系随被测量发生变化，由于这种变化关系已在仪表上直接刻度，故直接可由仪表刻度尺读
5、出测量结果。例如，用玻璃管水银温度计测量温度时，可直接有水银柱高度读出温度值。(2)零值法（平衡法）。将被测量与一个已知量进行比较，当二者达到平衡时，仪表平衡指示器零，这时已知量就是被测量值。例如，用天平测量物体的质量，用电位差计测量电势都是采用了零法。(3)微差法。当被测量尚未完全与已知量相平衡时，读取它们之间的差值，由已知量和差值可求出被测量值。用不平衡电桥测量电阻就是用微差法测量的例子。零值法和微差法测量对减小测量系统的误差很有利，因此测量准确度高，应用较为广泛。,2.测量方法（3）,根据仪表是否与被测对象接触，测量可分为：（1）接触测量法。仪表的一部分与被测对象接触，受到被测对象的作用
6、才能得出测量结果的测量方法。例如用玻璃管水银温度计测量温度时，温度计的温包应该置于被测介质之中，以感受温度高度。（2）非接触测量法。仪表的任何部分都不必与被测对象直接接触就能得到测量结果的测量方法。例如用光学高温计测温，是通过被测量对象说产生的热辐射对仪表的作用而实现测温的，因此仪表不必与对象直接接触。,什么是接触式测量？,非接触式测量 例：雷达测速,利用红外线辐射测量供电变压器的表面温度、车载雷达测速,红外线传感器实现无接触测量,应用领域：航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、自动门、生物探测器,对缓慢变化的对象进行测量亦属于静态测量。,根据测量对象是否随时间变化分为：静态和动态测量
7、。,最高、最低温度计,2.测量方法（4）,什么是动态测量？,地震测量振动波形,什么是在线测量？,在流水线上，边加工，边检验，可提高产品的一致性和加工精度。,2.测量方法（5）,根据对测量对象是否在线分为：在线和离线测量。,离线测量,批量产品的质量“人工”离线测量,第二节 测量误差,由于仪器、实验条件、环境等因素的限制，测量不可能无限精确，物理量的测量值与客观存在的真实值之间总会存在着一定的差异，这种差异就是测量误差。测量值与真值之差异称为误差。误差与错误不同，错误是应该而且可以避免的，而误差是不可能绝对避免的。,误差影响因素,1.人为因素：由于人为因素所造成的误差，包括误读、误算和视差等。2.
8、量具因素：由于量具因素所造成的误差，包括刻度误差、磨耗误差及使用前未经校正等因素。刻度分划是否准确，必须经由较精密的仪器来校正与追溯。量具使用一段时间后会产生相当程度磨耗，因此必须经校正或送修方能再使用。3.测量因素：测量时，因仪器设计或摆置不良等原因所造成的误差，包括余弦误差、阿贝误差等。阿贝原则：在设计计量仪器或测量工件时,应该将被测长度与仪器的基准长度安置在同一条直线上.测量中不遵守阿贝原则而引起的误差。4.环境因素：测量时受环境或场地之不同，可能造成的误差有热变形误差和随机误差。,一.误差的表示方法,1.绝对误差2.相对误差 绝对误差可以表示一个测量结果的可靠程度，而相对误差则可以比较
9、不同测量结果的可靠性。3.引用误差：仪表某一刻度点读数的绝对误差比上仪表量程上限Am，并用百分数表示。,误差的表示方法：绝对误差、相对误差,绝对误差：测量值与真实值之间的差值。=Ax0,某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg，但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？,(1)绝对误差,绝对误差是测量值（示值）与被测量真值之间的差值。设被测量的真值为A0，器具的标称值或示值为x，则绝对误差为 由于一般无法求得真值A0，在实际应用时常用精度高一级的标准器具的示值，即实际值A代替真值A0。x与A之差称为测量器具的示值误差，记为通常以此值来代表
10、绝对误差。,(2)相对误差,相对误差是绝对误差与被测量的约定值之比。相对误差有以下表现形式：实际相对误差。示值相对误差。满度（引用）相对误差。,相对误差及精度等级,几个重要公式：,示值相对误差,满度相对误差（引用误差）,准确度（精度）,例：用同一台磅秤测量三个不同重量物体的示值相对误差的比较，请得出结论！,满度相对误差相等，示值相对误差的差别很大,仪表的准确度等级和基本误差,例：某指针式电压表的准确度为2.5级，用它来测量电压时可能产生的最大满度相对误差为2.5%。,【例】有一台测温仪表,测量范围为-200+800度，准确度为0.5级。现用它测量500C的温度，求仪表引起的绝对误差和实际相对误
11、差。,解：准确度为0.5级的仪表，就是最大量程时误差为：(800+200)0.5%=5 测量500温度时，绝对误差就是5。相对误差=5/500=1,【例】某台测温仪表的量程是6001100，仪表的最大绝对误差为士4，试确定该仪表的精度等级。,由于国家规定的精度等级中没有0.8 级仪表，而该仪表超过了0.5 级仪表的允许误差，所以这台仪表的精度等级应定为1.0 级。,例：用指针式万用表的10V量程测量一只1.5V干电池的电压，示值如图所示，问：选择该量程合理吗？,用2.5V量程测量同一只1.5V干电池的电压，与上图比较，问示值相对误差哪一个大？,二.误差的分类,A.按误差的来源分：装置误差、环境
12、误差、方法误差、人员误差。B.按对测量误差的掌握程度分：已知误差和未知误差。C.按误差的特征规律（性质）分：系统误差、随机误差、粗大误差。,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，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，均属于系统误差。系统误差是有规律性的，因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正，也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。,1.系统误差：,夏天摆钟变慢的原因是什么？,系统误差,系统误差原因：（1）测量仪器或测量系统本身不够完善，如仪表本身刻度不准、测量原理不完善。（2）仪表使用不当，如测量人员操作不当、读数不准。（3）
13、测量时外界环境条件变化，如环境温度、湿度、电磁场影响等。如果测量系统或测量条件不变，即使增加测量次数也并不能减少系统误差。系统误差的大小反映了测量结果的正确度。,系统误差：定义：同一被测量多次测量，误差的绝对值和符号保持不变，或按某种确定规律变化。前者称为恒值系统误差，后者称为变值系统误差。特点:增加测量次数不能减小该误差原因：仪表本身原因，使用不当，测量环境发生大的改变处理方法：校正求得与误差数值相等、符号相反的校正值，加上测量值,1.系统误差的发现,理论分析及计算实验对比法残余误差观察法残余误差校核法计算数据比较法,2.系统误差的削弱和消除,从产生误差源上消除系统误差引入修正值法采取补偿措
14、施采用消除系统误差的典型测量技术，例如零值法、微差法、对称观察法,2.随机误差,测量结果与在重复条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差称为随机误差。也可以采用如下的表达：在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。,随机误差的正态分布性质,1.随机误差的概率密度分布服从正态分布,特点：(1)有界性：大误差出现的概率接近于零(2)单峰性：小的误差出现的概
15、率大于大误差出现的概率(3)对称性：绝对值相等而符号相反的随机误差出现的概率相同,(4)抵偿性：随测量次数n 的增加到无穷多时，全部随机误差的平均值趋于零,2.正态分布的数学描述：，为特征参数,(1)真值,(2)标准误差或均方根差,0.5=1.0=2.0,越小 h 越大，精密度越高,(3)精密度指数,随机事件与随机误差有区别，并不一定符合正态分布规律。,彩票摇奖（无规律可循，不可预测）,随机误差,定义：同一被测量多次测量时，误差的绝对值和符号的变化不可预知特点：单次测量值误差的大小和正负不确定；但对一系列重复测量，误差的分布有规律：服从统计规律随机误差与系统误差之间即有区别又有联系；二者无绝对
16、界限，一定条件可相互转化。,测量的精密度、正确度和准确度,衡量测量结果与真值的接近程度三个术语：精密度、正确度、准确度精密度：对同一被测量多次测量，测量的重复程度。反映了随机误差的大小。正确度：对同一被测量多次测量，测量值偏离被测量真值的程度反映了系统误差的大小。准确度：精密度和正确度的综合（精确度）反映了测量结果与真值的一致程度。,精密度高,正确度高,准确度高,马修埃蒙斯,2004年雅典奥运会男子步枪三姿决赛，前九枪领先对手3环之多的马修最后一枪鬼使神差地把子弹打到了别人的靶子上（过失误差），居然还是惊人的10.6环（精密度很高），把近在咫尺的金牌拱手让给了中国老将贾占波。2008年8月17
17、日，北京奥运会男子50米步枪3x40决赛举行。美国选手埃蒙斯在倒数第二轮领先将近4环，金牌几乎唾手可得的情况下，重演了雅典的严重失误，最后一轮仅打出了4.4环（过失误差，但比上次准确度高），邱健凭借最后一枪稳定的发挥获得了金牌，埃蒙斯再次奇迹般的与冠军无缘。,罗格这样解释这个故事之于他的感动：“最让我感动的是他的态度，他说，这是一个巨大的失败，我承担责任，但我还会回来，去赢得那枚金牌。他的故事讲述的是，奥运会不仅仅是赢的过程，也是每一个运动员每天向自己的极限挑战的过程。”2012年伦敦奥运会男子50米步枪三姿决赛，美国射击选手马修埃蒙斯再次折在“最后一枪”在决赛第9枪还领先对手1环多的情况下，
18、埃蒙斯的最后一枪只打出7.6环（过失误差，但准确度比以前更高了），将几乎到手的银牌拱手“送给”韩国选手金钟铉，只获得了一枚铜牌。埃蒙斯说，“任何时候都有站上奥运会领奖台的机会，这种的感觉妙不可言。打出最后一枪后，我低下头想，嘿，我得到了一枚铜牌，真酷。”,塞翁失马,雅典奥运会上，给捷克电视台做解说的卡捷琳娜目睹了马修的“悲惨”遭遇。于是，心地善良的卡捷琳娜和那个对她来说高高在上的“倒霉蛋”世界冠军，有了第一次真正的对话。两个多月后的世界杯总决赛，卡捷琳娜和马修再次相遇，两人越聊越投机。2007年6月30日，他们走进了幸福的婚姻殿堂。“早知道上帝会把卡特琳娜赐给我，我在第一枪时我就脱靶。”,3.
19、粗大误差,明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。,粗大误差：定义：明显歪曲结果，使测量值无效的误差坏值：含有粗大误差的测量值坏值的原因：测量者主观过失，操作错误，测量系统突发故障处理方法：剔除坏值。坏值剔除法则：拉依达（莱特）、格拉布斯、狄克逊准则。,小结,1、掌握测量定义、单位，了解测量的分类。2、掌握测量误差的表示方法、误差的几种分类（尤其是按特征规律分类）。3、了解粗大误差的剔除法则。,习题练习,1.某压力仪表厂生产的压力表满度相对误差均控制在0.4%-0.6%，该压力表的精度等级应定为？级；另一家仪器厂需要购买压力表，希望压力表的满度相对误差小于0.9%，应购买？级压力表。（1.0、0.5级）2.用万用表交流电压档测某电压时周围环境的微小变化引起了结果的变化，该误差属于？，用该表直流电压档测量5号干电池电压，发现每次示值均为1.8V，该误差属于？。（系统、粗大、随机、动态）,已知被测电压的准确值为220V，请观察并计算如图所示的电压表上的准确度等级S、满度值Am、最大绝对误差m、示值Ax、与220V正确值的绝对误差、示值相对误差x以及引用误差m。,
