厉玉鸣《化工仪表及自动化》课件第一章 检测仪表基本知识
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检测仪表的品质指标
化学工业出版社 www.cip.com.cn
仪表的准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 准确度等级数值越小，就表征该仪表的准确度等级越高， 仪表的准确度越高。工业现场用的测量仪表，其准确度大多 在0.5级以下。 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
虚拟仪器
化学工业出版社 www.cip.com.cn
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵 活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自 1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将 NI LabVIEW（图形化系统设计软件）图形化开发工具用 于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短 了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。 使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析 数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围 内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任 何项目需要。
13
检测仪表的品质指标
5.线性度
线性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。
f max f 100% 仪表量程
化学工业出版社 www.cip.com.cn
图1-2 线性度示意图
式中，δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax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）。
化学工业出版社
www.cip.com.cn
化工仪表及自动化
第一章 检测仪表基本知识
内容提要
测量过程与测量误差 测量仪表的品质指标 测量系统中的常见信号类型 检测系统中信号的传递形式
化学工业出版社 www.cip.com.cn
检测仪表与测量方法的分类
化工检测的发展趋势
1
测量过程与测量误差
①依据所测参数的不同,可分成压力 (包括差压、负压)检 测仪表、流量检测仪表、物位 (液位)检测仪表、温度检 测仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。 ②按表达示数的方式不同,可分成指示型、记录型、讯号 型、远传指示型、累积型等。 ③按精度等级及使用场合的不同,可分为实用仪表、范型 仪表和标准仪表,分别使用在现场、实验室和标定室。
测量是用实验的方法,求出某个量的大小。
举例
通过直接测量矩形的长 宽a、b，间接测取面积s
化学工业出版社 www.cip.com.cn
间接测量
S ab
直接测量
间接测量：通过测量与被测量有函数关系的其他量， 才能得到被测量值的测量方法。
测量实质：是将被测参数与其相应的测量单位进行比 较的过程。
2
测量过程与测量误差
12
检测仪表的品质指标
4.反应时间
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反应时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95％所用的时间，可用来表示反应时间。
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Z max Z 100% 仪表量程
图1-3 重复性示意图
15
化学工业出版社 www.cip.com.cn
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在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输人值进行侧 量所得的多个输出值之间相互一致的程度称为仪表的重复 性，它不包括滞环和死区。 再现性包括滞环和死区，它是仪表实际上升曲线和实际下 降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度 最大点的值来表示。 重复性是衡量仪表不受随机因素影响的能力，再现性是仪 表性能稳定的一种标志，因而在评价某种仪表的性能时常 同时要求其重复性和再现性。重复性和再现性优良的仪表 并不一定精度高，但高精度的优质仪表一定有很好的重复 性和再现性.
如： 1.5
1.0
9
检测仪表的品质指标
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注意
在工业上应用时,对检测仪表准确度的要求, 应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺 过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定, 这样才能保证生产的经济性和合理性。
10
检测仪表的品质指标
2.检测仪表的恒定度
化学工业出版社 www.cip.com.cn
20
检测仪表与测量方法的分类
（2）间接测量
化学工业出版社 www.cip.com.cn
当被测量不宜直接测量时,可以通过测量与被测 量有关的几个相关量后,再经过计算来确定被测量的 大小。
21
化工检测的发展趋势
化学工业出版社 www.cip.com.cn
1.检测技术的现代化 2.检测仪表的集成化、数字化、智能化 3.软测量技术和虚拟仪器
22
什么是软测量技术
化学工业出版社 www.cip.com.cn
基于多个可测变量的实时测量值，应用数学模型去估计某 种没有直接测量的变量的值。 又称多传感器的信息融合。 数学模型是指多个可测变量与被估计量间的相关关系。例 如机理数学模型、数理统计方法建立的统计数学模型、神 经元网络模型、多种方法结合的模型。 软测量用以解决生产过程无法直接测量或直接测量困难的 关键变量的估计问题。
检测系统中的常见信号类型
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作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几 种便于传输和显示的信号类型 1.位移信号 2.压力信号 3.电气信号 4.光信号
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检测系统中信号的传递形式
1. 模拟信号
在时间上是连续变化的, 即在任何瞬时都可以确 定其数值的信号。
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说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是， 仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说 的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。
5
检测仪表的品质指标
相对百分误差δ
max 100% 标尺上限值 标尺下限值
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美国国家仪器公司(NI)在20世纪80年代最早提出虚拟仪器 (VirtualInstrument，简称VI)的概念。其核心的思想是利用计算机的 强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系 统成本，增强系统功能与灵活性。 虚拟仪器，就是在以通用计算机 为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能 由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统 或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟 仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。用户 可以通过友好的图形界面(这里称作虚拟前面板)操作计算机，如同操 作功能相同的单台传统仪器一样。 在以PC计算机为核心组成的硬 件平台支持下，虚拟仪器通过软件编程设计来实现仪器的测试功能， 而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。 虚拟仪器采用的开发平台LabVIEW现在已经成为行业标准的测试测 量软件平台。LabVIEW软件为不同领域的工程师简化了各种技术融 合的复杂性，帮助工程师通过同一个软件平台，在第一时间内运用最 先进的主流商业技术，加快工作效率
11
检测仪表的品质指标
3.灵敏度与灵敏限
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仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引 起这个位移的被测参数变化量的比值。即 S
x
式中，S为仪表的灵敏度；Δα为指针的线位移或角位移； Δx为引起Δα所需的被测参数变化量。 仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参 数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允 许绝对误差的一半。 注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中， 往往用分辨率表示。
14
检测仪表的品质指标
6.重复性
重复性表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动 时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致,重复性就好, 重复性误差就小。重复性就是指这3条曲线在同一输人值处的离散程度。实 际上，某种仪表的重复性常选用上升曲线的最大离散程度和下降曲线的最 大离散程度中的最大值来表示。
变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被 测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐 由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所 得到的两条特性曲线之间的差值。
最大绝对差值 变差 100% 标尺上限值 标尺下限值
仪表的变差不能超出仪表的允 许误差，否则应及时检修。
图1-1 测量仪表的变差
18
检测仪表与测量方法的分类
2.测量方法的分类
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按照测量结果的获得过程
直接测量
间接测量
19
检测仪表与测量方法的分类
（1）直接测量
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利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，直接 从显示结果获得被测参数的具体数值的测量方法。 根据被测参数获得方式的不同，直接测量又有偏 差法（用仪表指针的位移即偏差决定被测量）与平衡 法（即零位法，在测量系统达到平衡时，用已知的基 准量决定被测未知量。）之分。 除此之外,还有一种将平衡 法与偏差法结合起来的微差 法
7
检测仪表的品质指标
举例
化学工业出版社 www.cip.com.cnห้องสมุดไป่ตู้
例1-1 某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表 时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的相对百分 误差与准确度等级。 解 该仪表的相对百分误差为
4 100 % 0.8% 700 200
如果将该仪表的δ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。
允许误差
仪表允许的最大绝对误 差值 允 100% 标尺上限值 标尺下限值
6
检测仪表的品质指标
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小结
仪表的 δ允 越大，表示它的精确度越低；反之，仪表 的δ 允 越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对 百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表 的精确度等级。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。
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美国国家仪器公司NI（National Instruments）提出的 虚拟测量仪器（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重 大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域， 和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先 河。 “软件即是仪器”这是NI公司提出的虚拟仪器理念的 核心思想。从这一思想出发，基于电脑或工作站、软件和 I/O部件来构建虚拟仪器。I/O部件可以是独立仪器、模块 化仪器、数据采集板（DAQ）或传感器。NI所拥有的虚 拟仪器产品包括软件产品（如LabVIEW）、GPIB产品、 数据采集产品、信号处理产品、图像采集产品、DSP产品 和VXI控制产品等.
xI xt
xI：仪表指示值, xt：被测量的真值
由于真值无法得到
x x0
x：被校表的读数值，x0 ：标准表的读数值 相对误差
xI xt x x0 或 x0 x0 xt
4
检测仪表的品质指标
1.测量仪表的准确度（精确度）
两大影响因素 绝对误差和仪表的标尺范围
测量误差：由仪表读得的被测值 (测量值)与被测参 数的真实值之间的差距。
测量误差按其产生原因的不同,可以分为三类：
系统误差：规 律误差 偶然误差：随 机误差 疏忽误差：人 为
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前两者无法消除， 只能减小。后者可 以消除
3
测量过程与测量误差
绝对误差
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2. 数字信号
数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号, 通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。
3. 开关信号
用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。
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检测仪表与测量方法的分类
1.检测仪表的分类
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检测仪表的品质指标
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仪表的准确度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一。 准确度等级数值越小，就表征该仪表的准确度等级越高， 仪表的准确度越高。工业现场用的测量仪表，其准确度大多 在0.5级以下。 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
虚拟仪器
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虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵 活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。自 1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将 NI LabVIEW（图形化系统设计软件）图形化开发工具用 于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短 了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。 使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析 数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围 内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任 何项目需要。
13
检测仪表的品质指标
5.线性度
线性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。
f max f 100% 仪表量程
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图1-2 线性度示意图
式中，δf为线性度（又称非线性误差）；Δfmax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）。
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化工仪表及自动化
第一章 检测仪表基本知识
内容提要
测量过程与测量误差 测量仪表的品质指标 测量系统中的常见信号类型 检测系统中信号的传递形式
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检测仪表与测量方法的分类
化工检测的发展趋势
1
测量过程与测量误差
①依据所测参数的不同,可分成压力 (包括差压、负压)检 测仪表、流量检测仪表、物位 (液位)检测仪表、温度检 测仪表、物质成分分析仪表及物性检测仪表等。 ②按表达示数的方式不同,可分成指示型、记录型、讯号 型、远传指示型、累积型等。 ③按精度等级及使用场合的不同,可分为实用仪表、范型 仪表和标准仪表,分别使用在现场、实验室和标定室。
测量是用实验的方法,求出某个量的大小。
举例
通过直接测量矩形的长 宽a、b，间接测取面积s
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间接测量
S ab
直接测量
间接测量：通过测量与被测量有函数关系的其他量， 才能得到被测量值的测量方法。
测量实质：是将被测参数与其相应的测量单位进行比 较的过程。
2
测量过程与测量误差
12
检测仪表的品质指标
4.反应时间
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反应时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95％所用的时间，可用来表示反应时间。
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Z max Z 100% 仪表量程
图1-3 重复性示意图
15
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在同一工作条件下，同方向连续多次对同一输人值进行侧 量所得的多个输出值之间相互一致的程度称为仪表的重复 性，它不包括滞环和死区。 再现性包括滞环和死区，它是仪表实际上升曲线和实际下 降曲线之间离散程度的表示，常取两种曲线之间离散程度 最大点的值来表示。 重复性是衡量仪表不受随机因素影响的能力，再现性是仪 表性能稳定的一种标志，因而在评价某种仪表的性能时常 同时要求其重复性和再现性。重复性和再现性优良的仪表 并不一定精度高，但高精度的优质仪表一定有很好的重复 性和再现性.
如： 1.5
1.0
9
检测仪表的品质指标
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注意
在工业上应用时,对检测仪表准确度的要求, 应根据生产操作的实际情况和该参数对整个工艺 过程的影响程度所提供的误差允许范围来确定, 这样才能保证生产的经济性和合理性。
10
检测仪表的品质指标
2.检测仪表的恒定度
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20
检测仪表与测量方法的分类
（2）间接测量
化学工业出版社 www.cip.com.cn
当被测量不宜直接测量时,可以通过测量与被测 量有关的几个相关量后,再经过计算来确定被测量的 大小。
21
化工检测的发展趋势
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1.检测技术的现代化 2.检测仪表的集成化、数字化、智能化 3.软测量技术和虚拟仪器
22
什么是软测量技术
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基于多个可测变量的实时测量值，应用数学模型去估计某 种没有直接测量的变量的值。 又称多传感器的信息融合。 数学模型是指多个可测变量与被估计量间的相关关系。例 如机理数学模型、数理统计方法建立的统计数学模型、神 经元网络模型、多种方法结合的模型。 软测量用以解决生产过程无法直接测量或直接测量困难的 关键变量的估计问题。
检测系统中的常见信号类型
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作用于检测装置输入端的被测信号，通常要转换成以下几 种便于传输和显示的信号类型 1.位移信号 2.压力信号 3.电气信号 4.光信号
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检测系统中信号的传递形式
1. 模拟信号
在时间上是连续变化的, 即在任何瞬时都可以确 定其数值的信号。
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说明：仪表的测量误差可以用绝对误差Δ来表示。但是， 仪表的绝对误差在测量范围内的各点不相同。因此，常说 的“绝对误差”指的是绝对误差中的最大值Δmax。
5
检测仪表的品质指标
相对百分误差δ
max 100% 标尺上限值 标尺下限值
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美国国家仪器公司(NI)在20世纪80年代最早提出虚拟仪器 (VirtualInstrument，简称VI)的概念。其核心的思想是利用计算机的 强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，以便最大限度地降低系 统成本，增强系统功能与灵活性。 虚拟仪器，就是在以通用计算机 为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能 由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统 或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。虚拟 仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。用户 可以通过友好的图形界面(这里称作虚拟前面板)操作计算机，如同操 作功能相同的单台传统仪器一样。 在以PC计算机为核心组成的硬 件平台支持下，虚拟仪器通过软件编程设计来实现仪器的测试功能， 而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。 虚拟仪器采用的开发平台LabVIEW现在已经成为行业标准的测试测 量软件平台。LabVIEW软件为不同领域的工程师简化了各种技术融 合的复杂性，帮助工程师通过同一个软件平台，在第一时间内运用最 先进的主流商业技术，加快工作效率
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检测仪表的品质指标
3.灵敏度与灵敏限
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仪表的灵敏度是指仪表指针的线位移或角位移，与引 起这个位移的被测参数变化量的比值。即 S
x
式中，S为仪表的灵敏度；Δα为指针的线位移或角位移； Δx为引起Δα所需的被测参数变化量。 仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参 数的最小变化量。通常仪表灵敏限的数值应不大于仪表允 许绝对误差的一半。 注意：上述指标仅适用于指针式仪表。在数字式仪表中， 往往用分辨率表示。
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检测仪表的品质指标
6.重复性
重复性表示检测仪表在被测参数按同一方向作全量程连续多次变动 时所得标定特性曲线不一致的程度。若标定的特性曲线一致,重复性就好, 重复性误差就小。重复性就是指这3条曲线在同一输人值处的离散程度。实 际上，某种仪表的重复性常选用上升曲线的最大离散程度和下降曲线的最 大离散程度中的最大值来表示。
变差是指在外界条件不变的情况下，用同一仪表对被 测量在仪表全部测量范围内进行正反行程（即被测参数逐渐 由小到大和逐渐由大到小）测量时，被测量值正行和反行所 得到的两条特性曲线之间的差值。
最大绝对差值 变差 100% 标尺上限值 标尺下限值
仪表的变差不能超出仪表的允 许误差，否则应及时检修。
图1-1 测量仪表的变差
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检测仪表与测量方法的分类
2.测量方法的分类
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按照测量结果的获得过程
直接测量
间接测量
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检测仪表与测量方法的分类
（1）直接测量
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利用经过标定的仪表对被测参数进行测量，直接 从显示结果获得被测参数的具体数值的测量方法。 根据被测参数获得方式的不同，直接测量又有偏 差法（用仪表指针的位移即偏差决定被测量）与平衡 法（即零位法，在测量系统达到平衡时，用已知的基 准量决定被测未知量。）之分。 除此之外,还有一种将平衡 法与偏差法结合起来的微差 法
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检测仪表的品质指标
举例
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例1-1 某台测温仪表的测温范围为200~700℃，校验该表 时得到的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的相对百分 误差与准确度等级。 解 该仪表的相对百分误差为
4 100 % 0.8% 700 200
如果将该仪表的δ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。
允许误差
仪表允许的最大绝对误 差值 允 100% 标尺上限值 标尺下限值
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检测仪表的品质指标
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小结
仪表的 δ允 越大，表示它的精确度越低；反之，仪表 的δ 允 越小，表示仪表的精确度越高。将仪表的允许相对 百分误差去掉“±”号及“％”号，便可以用来确定仪表 的精确度等级。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。
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xI xt
xI：仪表指示值, xt：被测量的真值
由于真值无法得到
x x0
x：被校表的读数值，x0 ：标准表的读数值 相对误差
xI xt x x0 或 x0 x0 xt
4
检测仪表的品质指标
1.测量仪表的准确度（精确度）
两大影响因素 绝对误差和仪表的标尺范围
测量误差：由仪表读得的被测值 (测量值)与被测参 数的真实值之间的差距。
测量误差按其产生原因的不同,可以分为三类：
系统误差：规 律误差 偶然误差：随 机误差 疏忽误差：人 为
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前两者无法消除， 只能减小。后者可 以消除
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测量过程与测量误差
绝对误差
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2. 数字信号
数字信号是一种以离散形式出现的不连续信号, 通常用二进制数“0”和“1”组合的代码序列来表示。
3. 开关信号
用两种状态或用两个数值范围表示的不连续信号。
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检测仪表与测量方法的分类
1.检测仪表的分类
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