测量仪表及性能指标基本知识

120℃
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测量仪表的基本技术指标（灵敏度）
2、灵敏度
在稳定情况下，仪表输出变化量△L与引起此变化的输 入量的变化量△Xb之比值，定义为仪表的灵敏度。
用S表示，即 S L X b
式中，S—— 仪表灵敏度 △L、△Xb—Байду номын сангаас 分别为输入与输出变化量
问：某测量范围是0～100MPa的压力表，其满 32 量程时指针转角为270度，它的灵敏度是多少？
2.7度 /MPa
测量仪表的基本技术指标（灵敏限） 3．灵敏限（分辨率、死区）
它表明仪表响应输入量微小变化的能力 指标，即不能引起输出发生变化的最大输入变 化幅度与量程范围之比的百分数。
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测量仪表的基本技术指标（仪器基本误差）
4. 仪器基本误差
仪表测量值中的最大示值绝对误差与仪表量程之比 值称为仪表的基本误差。
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例2 某台测温仪表的测温范围为０～1000℃。根据工艺要求， 温度指示值的误差不允许超过±７℃，试问应如何选择仪表 的精度等级才能满足以上要求？
解 根据工艺上的要求，仪表的允许误差为
允 1 070 0 0 10 % 00.7%
如果将仪表的允许误差去掉“±”号与“％”号，其 数值介于0.5～1.0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。
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测量系统的组成
测量系统由四个基本环节组成：传感器、变换器或变送 器、传输通道和显示装置。
传感器
被测量
变换器
传输通道
显示装置
测量值
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测量环节的功能（传感器）
传感器（敏感元件）
它是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。 理想敏感元件应满足的要求：
敏感元件输入与输出之间应该有稳定的单值函数关系。 敏感元件应该只对被测量的变化敏感，而对其它一切可能的
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。
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绝对误差
测定值与被测量真值之差称为测量的绝对误差，或简 称测量误差。 δ= x －X0 式中， δ—— 测量误差； x —— 测定值（例如仪表指示值）； X0—— 被测量的真值。
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测量误差的概念
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。
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测量误差的来源
1、仪器误差
➢ 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 损、疲劳等因素而使测量仪器设备带有的误差。
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。
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。
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测量精度
1．准确度
对同一被测量进行多次测量，测量值偏离被测量真值的程度称为测量的准 确度。
它反映系统误差的影响，系统误差越小，准确度越高。
2．精密度：
对同一被测量进行多次测量，测量值重复一致的程度，或者说测量值分布 的密集程度，称为测量的精密度。
它反映随机误差的影响，随机误差越小，精密度越高。
3．精确度
精密度与准确度的综合指标称为精确度，或称精度。 它反映随机误差和系统误差的综合影响。 精密度高的，准确度不一定高；准确度高的精密度不一定高；但精确度高
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小结
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。
➢ 主要的影响因素是环境温度、电源电压和电磁 干扰等。
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4、方法误差
➢ 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 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。
➢ 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。
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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？
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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？
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误差分类
误差产生原因及规律 – 系统误差： – 随机误差： – 粗大误差
误差的数值表示方法 – 绝对误差 – 相对误差 – 引用误差
按误差与仪表使用条件的关系 – 基本误差 – 附加误差。
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测量仪表的基本技术指标（准确度等级）
6．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。 Ⅰ级标准表：0.005、0.02、0.05 ； Ⅱ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。
（3）组合测量法：测量中使各个未知量以不同的组合形式出现（或 改变测量条件以获得这种不同组合），根据直接测量或间接测量 所获得的数据，通过解联立方程组以求得未知量的数值，这类测 量称为组合测量。
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测量方法的其它分类方式：
按不同的测量条件分：等精度测量与非等精度测量 按被测量在测量过程中的状态不同分：静态测量与
➢ 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。
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2、人身误差
➢ 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 不准确而造成的误差。
➢ 减少人身误差的途径
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3、影响误差
➢ 它是指各种环境因素与要求条件不一致而造成 的误差。
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测量方法
测量方法就是实现被测量与标准量比较的方法。 测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：
（1）直接测量法：使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者 预先标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求得被测量数值的 测量方法。
（2）间接测量法：通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的 其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系进行计算，从 而求得被测量数值的方法。
j
m Lm
100%
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测量仪表的基本技术指标（仪器允许误差）
5. 仪器允许误差
它表示对测量仪表所允许的误差界限，即出厂的仪表都要保证 基本误差不超过某一规定值，此规定值叫允许误差。
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。
允测仪 量表 范允 围许 上 测 的 限量 最 值范 差 大围 值 绝下 对 10限 % 误 0 值
的，则精密度与准确度都高。
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精密度高
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准确度高
精确度高
测量仪表的基本技术指标（量程范围）
1．量程范围
仪表能够测量的最大输入量与最小输入量之间的范围 称作仪表的量程范围，简称量程。
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-20℃， 最高温度为100℃，它的量程是多少？
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测量仪表的基本技术指标（变差）
举例
例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℃，试确定该仪表的精度等级。
解 该仪表的相对百分误差为
4 10 % 00.8%
702 000
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。
系统误差
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。 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。 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。
累进性 恒值
按复杂规律变化 周期性
测量过程中存在测量误差是不可避免的，任何测量值 只能近似反映被测量的真值。
测量过程中无数随机因素的影响，使得即使在同一条件下对 同一对象进行重复测量也不会得到完全相同的测量值。
被测量总是要对敏感元件施加能量才能使测量系统给出测量 值，这就意味着测量值并不能完全准确的反映被测参数的真 值。
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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” 。
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系统误差的特征
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)。
Er
ea xl
100%
一般约定值m有如下几种取法：
xl取测量仪表的指示值x时，Er称为标称相对误差； xl取测量的实际值X时， Er称为实际相对误差； xl取仪表的满刻度值时， Er称为引用相对误差。
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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。
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。
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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。
1 测量仪表基本知识
测量的定义
用实验的方法，把被测量与同性质的标准量进 行比较，确定两者的比值，从而得到被测量的 量值。
使测量结果有意义的要求：
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。
进行比较所用的方法和仪表必须经过验证。
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测量的基本方程式：
X = aU
式中， X —— 被测量； U —— 标准量（即选用的测量单位）； a —— 被测量与标准量的数字比值。
真值一般无法得到，所以用实际值X代替X0。
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对于绝对误差，应注意下面几个特点：
绝对误差是有单位的量，其单位与测定值和实 际值相同。
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。
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。
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相对误差
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。
模拟式显示元件 数字式显示元件 屏幕式显示元件
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测量环节的功能（传输通道）
它是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。 分为电线、光导纤维和管路等。
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测量应用方面
（1）过程监测：对过程参数的监测。 （2）过程控制：为生产过程的自动控制提供依
据。 （3）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 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。
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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
如： 1.5 1.0
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输入信号不敏感。 在测量过程中，敏感元件应该不干扰或尽量少干扰被测介质
的状态。
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测量环节的功能（变送器）
它是传感器和显示装置中间的部分，它是将传 感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部 件。 对变换器的要求：
性能稳定 精确度高，使信息损失最小。
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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 显示装置的基本形式：