热工测量仪表 朱曙光 动院北 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， 01.9 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， 95.5

题外话 工科学生？ 工科学生？ 理科学生？ 理科学生？ 学长 ( 师兄 ) 的教导 学长 ( 师兄 ) 的教导

热力生产过程控制系统方框图

火力发电厂主要热工量测点布置示意图

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。 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。 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，介绍了 物位、成分及热工机械量的测量仪表。这是从 事热能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。 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，介绍了 物位、成分及热工机械量的测量仪表。这是从 事热能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。

课程的教学目标与基本要求 目标： 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。 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： 要求： 1. 熟悉各种常用热工仪表及其工作原理； 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； 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。 3. 掌握仪表的检验方法。

考核方式 1 平时作业：作业本提交 1 平时作业：作业本提交 2 考核方式：期末考试 2 考核方式：期末考试 3 考试内容： 3 考试内容： 名词解释 40 ％ 名词解释 40 ％ 简答题 40 ％ 简答题 40 ％ 论述题 20 ％ 论述题 20 ％ 4 考试范围：平时作业占 80 ％ 4 考试范围：平时作业占 80 ％

1.1 测量的基本知识 测量的概念 测量的概念 测量方法 测量方法 仪表的基本组成 仪表的基本组成

1.1.1 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。它用下式表达： 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。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。 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） 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）

测量过程的三要素：测量方法、测量单 位及测量工具。 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 分等。 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。 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。

1.1.2 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： 1 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。

（ 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： （ 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。 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。

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： 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。 （ 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。 （ 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。

（ 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。 （ 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。

1.1.3 仪表的基本组成 感受件 感受件 显示件 显示件 传送件 传送件

1 感受件 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： 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； 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。 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。 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。

1 感受件（续） 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

2 显示件 显示件：仪表最终是通过它的显示件向观察者反映被 测量的变化的。按显示件的功能不同，仪表有以下几 种： 显示件：仪表最终是通过它的显示件向观察者反映被 测量的变化的。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。 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。 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。 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。 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。 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。

3 传送件 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： 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 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。 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。 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。

1.2 仪表的质量指标 ★准确度 ★准确度 ★稳定性和重复性 ★稳定性和重复性 ★线性度（或非线性误差）、回差（变差） ★线性度（或非线性误差）、回差（变差） ★漂移、灵敏度及分辨率 ★漂移、灵敏度及分辨率 ★动态特性 ★动态特性

准确度 准确度是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。 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（ 、 、 0.02 、 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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。

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。 B 响应时间：示值从开始变化到进入稳态加减 基本允许误差范围内所需的时间。 C 过冲量：示值最大振幅与稳态值之差对稳态 值的百分数。

1.3 仪表的检定方法 检定是为了评定仪表的计量性能，并与规定的 指标比较，以确定仪表是否合格。检定方法一 般可分为：定点法和示值比较法两类。 定点法是提供被检仪表测量所需的某种标准量 值，例如已知的某种纯金属相变点温度，标准 成分气体等，从而确定仪表的示值误差。 工业上常用的是示值比较法，就是使被检仪表 与标准仪表同时去测量同一被测量，比较两者 的指示值，从而确定被检仪表的基本误差、回 程误差等质量指标。一般要求标准仪表的测量 上限应大于或等于被检仪表的测量上限。标准 仪表的允许误差为被检仪表的 1/3~1/10 。在这 种情况下可以忽略标准仪表的误差，将标准仪 表的指示值作为被测量的真值。