中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲课件

1、第二章 检测技术基础,测量及测量方法 测量误差 测量仪表的性能指标 测量不确定度 小结,1,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,第一节 测量方法,定义: 用实验的方法，将被测参数的量值（被测量）与 标准量的量值进行比较，确定出被测量的大小,一、测量的概念,2,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,第一节 测量方法,二、测量方法（有多种不同分类方法,直接测量采用已标定的仪器，被测量直接与标准量比较而得到测量值的出来方法，直接测得结果,间接测量指通过对若干个与被测量有确定的函数关系的物理量进行直接测量，然后再通过代表该函数关系的公式、曲线或表格求出未知量的测量方法,1.按测量

2、方式分,例：游标卡尺量长度，体温计量体温,例,曹冲称象就是这个原理,特点：方便快捷,直接测量不方便，或间接测量的结果较直接测量更为准确,矩形面积A=L(长)B(宽,3,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,第一节 测量方法,2. 按接触方式分,接触式测量仪表传感部分需与被测介质充分接触,特点：精度高，应用广，测量范围宽，使用方便，价格便宜,接触测量,接触式测量,非接触式测量,4,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,第一节 测量方法,非接触式测量仪表任何部分均不与被测介质接触,特点：不破坏流体特性、不接触被测介质。 主要用于高温、高压、剧毒等场合,射线液位计,超声波流量计,

3、红外辐射温度计,5,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,第一节 测量方法,K1、K2、K3任何环节受到干扰，均影响最终测量结果,1. 开环结构,输出与输入的关系为,K1 检测元件的传递系数； K2 传送放大部分的传递系数； K3 显示部分的传递系数,y = k1 k2 k3 x =k1 K x,K = K2 K3,三、测量仪表的组成,检测（传感）元件、传送放大及显示三个基本部分组成,分为开环和闭环两种结构,6,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,2. 闭环结构,输出与输入关系为,K=k2k3 1 时,第一节 测量方法,消除了K2、K3影响,K2,K3,Kf,K1,1）由

4、于仪表检测元件各不相同，涉及的学科、知识点较多； （2）仪表的放大部分涉及到许多电路，由于从时间、难度考虑，这部分只对一些典型电路作介绍； （3）重点掌握基本测量原理、特点、如何正确选择、使用和维护,7,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,第二节 测量误差,测量误差=测量值-真实值,误差分类,系统误差: 仪表零点误差、测量条件变化、设备内部变化。 找出原因,可对结果修正加以消除。有方向性,随机误差: 由于外界随机干扰的影响，符合统计规律。 增加测量次数取其平均值, 可减小。无方向性,粗大误差: 由操作人员的疏忽大意、故意或仪器故障等造成，结果无意义。需尽量避免、剔除,1. 测量误差

5、的定义,8,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,第三节 仪表的性能指标,例1-1：体温计的测量范围一般为35-42 ， 量程为42-35=7,一）测量范围及量程 L,测量范围：Lmin Lmax, 量程： L= Lmax- Lmin,对于已给定的仪表,测量范围/量程已定，有的可在一定范围内调整,表示仪表可测的范围,测量范围应包含整个被测变量范围,太小：某些点无法测量,太大：同样精度的仪表，测量误差增大,9,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,例1-2：量程不同的两支温度计测同一点温度，哪支准确？ 表1: 0-200，真实温度100，测量值102；y = 2 表2: 0-

6、300，真实温度100，测量值99； y = -1,二）绝对误差及相对误差,1. 绝对误差 y：测量值与真实值之间的差值,特点: 1) 有单位； 2) 有方向性 ； 3) 反应仪表某一点的测量性能，不能全面反映仪表在整个测量范围内的性能的好坏,y-测量值 y0-真实值（标准值）。要知道真实值是困难的， 一般用标准表即用精度更高的仪表的指示值代替,表2在测100（同一个点）这个点时更准确,只能表示这一点的测量性能，无法表示仪表(温度计)整体性能的优劣,用于评价仪表在某一点的测量性能,10,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,例1-3：量程不同的两支温度计测不同点温度，哪支准确？ 表1

7、: 0-500，真实温度300，测量值302； y = 2 表2: 0-300，真实温度100，测量值98。 y = -2,表1： =(302-300)/300100% = 0.67,表2： =(98-100)/100100% = -2,仅表示这两个测量点上，表1更准确。无法反映仪表整体性能的优劣,特点: 用于评价同一/不同仪表在两个不同点的测量性能。 1) 无单位； 2) 有方向性 ； 3)反应仪表某些点的测量性能，不能全面反映仪表性能的好坏,2. 相对误差,11,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,若两仪表绝对误差相同，则大量程仪表的引用误差小,接例1-3） 表1: =(302

8、-300)/500100% = 0.4% 表2: =(98-100)/300100% = -0.67,最大引用误差,三)引用误差 和最大引用误差max,测量范围：Lmin Lmax 量程: L= Lmax- Lmin,返回,最大引用误差特点: 1) 无单位； 2) 有方向性 ； 3) 可以比较确切地反映仪表的整体性能,12,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,产生原因: 如传动机构间隙，运动部 件摩擦，弹性元件滞后等,四）回差(变差) h,相同条件下，使用同一仪表对某参数进行 正、反行程测量时，所得仪表示值之间的差值,hmax可反映仪表的整体性能,x正 正(上)行程示值； x反 反

9、(下)行程示值,特点: 1) 无单位； 2) 无方向性 ； 3) 可反映仪表的整体性能,13,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,五）精度及精度等级,1精密度,2准确度,3精确度（精度,图(a)：准确度较高、精密度较差,相同条件下对被测量多次反复测量，测量值（示值）之间的一致程度。从误差角度，反映测量值的随机误差,测量值与“真值”的接近程度。反映测量值的系统误差,精密度和准确度的综合。从测量误差角度，是随机误差和系统误差的综合反映,图(b)：精密度较高、准确度较差,图(c)：精密度和准确度都高。 即精确度(精度)高,14,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,1）通过实验

10、方法标定或校验，得到上下行测试数据,2）根据测试数据，计算max和hmax,15,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,国家规定了精度等级系列，应按等级规定系列来确定,3）精度的确定方法：根据max和hmax及国家规定的精度等级,q允去掉和号，其数值即精度（须考虑精度等级,允仪表出厂时所规定的误差的最大允许值； max、 hmax仪表本身实际最大引用误差、变差,1、1.5、(1.6)、2、2.5、(3)、4、5 10n n 等于-1、-2 、 0等整数，n -5,16,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,例1-4: 出厂前对某压力表进行标定，测试数据如下，试确定它的精度等

11、级,0.8,0.7,1.0,仪表精度在国家规定的精度等级中，选择允许误差应 大于或等于仪表的最大引用误差和最大回差的数值,允max,允hmax,假如精度在国家规定的精度等级找不到,怎么办? 往低靠(数值大,0.005；0.02；0.05；0.1； 0.2；0.25；0.4；0.5；1.0 ；1.5；2.5,17,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,某仪表厂生产测温范围200700、精度1.0级的温度仪表，校验时得到最大绝对误差为4，最大 为6，试确定是否合格,例1-5,解：该表最大引用误差为,故该表不合格,18,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,七）重复性,六）灵敏度

12、,测量仪表对被测量变化的反应能力,返 回,下一页,上一页,仪表的其它性能指标,19,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,八）分辨力,能有效辨别的最小视值差,仪表在最小量程上，最末一位数字改变一个字所表示的物理量值,模拟仪表：最小刻度分格值的一半（最小分格值不得小 于最大允许绝对误差,例：四位数字式电压表，若最低量程时满度值为2V，则该数字式电压表分辨力为多少,1mV,数字仪表能稳定显示的位数越多，则分辨力就越高,数字仪表：最小有效数字变化1个字时所代表的量值,0.1kPa,20,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,九）死区,又称不灵敏区，在测量范围的起点，输入量的变化不

13、致引起仪表输出可察觉变化的输入变化的有限区间,以输入量程的百分数表示,十） 响应特性及响应时间,21,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,误差分类,系统误差: 仪表零点误差、测量条件变化、设备内部变化。 找出原因,可对结果修正加以消除。有方向性,随机误差: 由于外界随机干扰的影响，符合统计规律。 增加测量次数取其平均值, 可减小。无方向性,粗大误差: 由操作人员的疏忽大意、故意或仪器故障等造成，结果无意义。需尽量避免、剔除,第四节 随机误差的处理测量不确定度表示,22,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,采用前面介绍的测量仪表进行实际工艺参数测量时，通常是单次测量作为测

14、量结果，其测量误差(绝对误差、相对误差)通常用仪表的最大允许误差（精度）得到,仪表精度等级、L,max、 hmax,每个点的 y,但是对于很多实验测试、计量标准装置、标准表的测量结果的质量进行评定，通常需要进行多次测量，对于多次测量如何确定测量结果，这个测量结果的可信度如何,例：一支温度计对某一温度进行一次测量，其结果可以表示为：37.20.5,第四节 随机误差的处理-测量不确定度表示,23,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,对被测量X，在重复条件下或复现性条件下进行n次(有限次)独立重复观测，观测值为xi(i=1,2,n) 。其测量“真值”的如何估计,这个测量“真值”可信度(质

15、量）如何评价,测量不确定度定义：“表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数”。意味着对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度（可信度），是定量说明测量结果的质量的一个参数,测量“真值”的如何估计,这里需要解决两个问题,24,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,如何理解测量不确定度,测量不确定度是“说明了置信水准的区间的半宽度”。 也就是说，测量不确定度需要用两个数来表示： （1）测量不确定度的大小，即置信区间的半宽度； （2）置信水准（或称置信概率），表明测量结果落在该区间有多大把握,例：一支标准温度对同一温度进行多次测量，其结果可以表示为：37.20.05，

16、置信概率为99,最佳估计值,置信区间,置信水准,25,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,理想情况,随机变量x的取值,概率p=99.73,概率p=95.45,概率p=68.27,从概率统计的角度,对被测量X，在重复条件下或复现性条件下进行n次独立重复观测，观测值为xi(i=1,2,n),1）测量值的估算：数学期望等于被测量的真值L（最佳估计），即,2）标准不确定度用标准偏差来估算， 表示分散范围（区间,但是实际测量中，n是有限次测量,26,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,测量不确定度的分类,A类标准不确定度 标准不确定度 合成标准不确定度 B类标准不确定度 测量不确

17、定度 扩展不确定度 U=ku（k=23,小写英文字母 u(斜体)表示,大写英文字母U(斜体)表示,直接测量,间接测量,扩展置信区间、包含置信概率,以标准偏差表示,27,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,一）标准不确定度A类评定,对被测量X，在重复条件下或复现性条件下进行n次有限独立重复观测，观测值为xi(i=1,2,n),采用单次测量的实验（样本）标准偏差表示的测量不确定度（标准不确定度），由贝塞尔公式得到,1、单次测量实验标准偏差,n次测量结果的算术平均值,残差,u反映的是测量结果的分散程度,自由度,n1,28,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,采用算术平均值的实

18、验（样本）标准偏差表示的测量不确定度（标准不确定度,2、样本平均值的实验标准偏差,通常以独立观测列的算术平均值(样本)作为测量结果的最佳估计值,1 m=n,观测次数n充分多，才能使A类不确定度评定可靠，一般认为n应大于5,29,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,30,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,定义：根据经验和资料及假定的概率分布（先验概率分布）来估计标准偏差，也就是说其原始数据并非完全来自观测列（实验得到）的数据处理，而是基于以往数据或其他信息来估计，含有主观鉴别的成分,二）标准不确定度B类评定,当测量值不是由重复测量得来时，其标准不确定度只能根据涉及影响量

19、变化的全部信息来评定.B类标准不确定度信息： 以往的测量数据 对有关材料和机器性质的了解和知识 制造商的规格 校准证书提供的数据 来自手册或某些资料的参考数据及其不确定度 基于 科学判断（专家经验判断） 信息往往也是由统计方法得来,31,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,1）在缺乏任何其他信息的情况下，一般估计为均匀分布(矩形分布)是比较合理的。 （2）如果已知被测量Xi的可能值出现在a至 a范围中心附近的概率，大于接近区间的边界时，则最好估计为三角分布,32,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,三）合成标准不确定度评定,实际测量中，许多量不能直接测量，或直接测量难以

20、保证精度，需采用间接测量。 例:面积测量M=LW 间接测量中需考虑各被测量的关系,设间接测量量y的一般函数形式为： y=f（x1 ,x2 ,x3 .xn） 式中，x 为直接测量量。则y的合成标准不确定度,当测量结果由若干个其它测量的值求得时，测量结果的合成标准不确定度等于这些量的方差和或者协方差加权和的正平方根,33,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,三）合成标准不确定度评定,例2：已知长方形面积的长与宽的测量结果如下： L：3.5, 3.4, 3.3 cm W：6.3, 6.5, 6.5 cm 求面积 步骤1：建立数学模型 面积 A=LW 步骤2：确定输入量L、W的最佳估计值,

21、步骤4：计算测量结果 步骤5：计算合成不确定度,步骤3：确定输入量L、W的A类标准不确定度,34,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,四）扩展标准不确定度评定,合成标准不确定度uc(y)乘覆盖因子k ，使不确定度范围得到扩展,k值一般取23,U = k uc(y,K:包含因子，对合成标准不确定度所乘之数字因子。包含因子的取值决定了扩展不确定度的置信水平,扩展了置信区间、包含置信概率,概率p=99.73,概率p=95.45,概率p=68.27,35,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,计算扩展不确定度,量化B类不确定度,列 表 说 明,量化A类不确定度,计算合成标准不确定

22、度,报告测量结果及不确定度,说明被测量，建立数学模型，确定被测量Y与输入量X1，X2Xn的关系,识别测量不确定度的来源,量化标准不确定度分量,不确定度评定一般程序,36,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,不确定度评定的一般程序如下： 步骤1、建立数学模型 y=f（x1 ,x2 ,x3 .xn） 步骤2、决定变量xi（输入量）的最佳估计值 步骤3、识别不确定度的来源及评估每个输入量的标准的 不确定度 分析不确定度来源，设备/人员/环境/方法及被测 对象 按照A类评估方法或B类评估方法来，计算xi的标准 不确定度,五）不确定度评定的一般程序,37,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技

23、术基础精讲,步骤5：计算测量的结果 从测量量X的最佳估计值得到Y的最值估计值 步骤6：确定合成标准不确定度,步骤7：评估扩展不确定度 步骤8：结果报告 并说明所采用置信水平P以及包含因子K,38,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,例：用游标卡尺测直径，重复测量九次，数据见表1，求测量结果（P95,39,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,解: 计算 计算s,40,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,计算 的标准差 标准不确定度 计算 的扩展不确定度 以自由度 ，置信概率P95，查t分布表（见附表）得k2.31 测量结果报告 测量结果为5.30.1cm，P0

24、.95,41,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,原因：由于实验人员在读取或记录数据时疏忽大意，或者由于不能正确地使用仪表、测量方案错误以及测量仪表受干扰或失控等原因，造成测量误差明显地超出正常测量条件下的预期范围。如果这些异常值确实是坏值，应该剔除，否则测量结果会被严重歪曲,第五节 粗大误差的处理,如何判别和剔除坏值,42,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,1拉依达准则 小概率事件,当k =3时，置信概率为P = 99.73%，而正常测量值落于区间 之外的概率，即“超差概率”仅为0.27%（ = 1- P），非常小。如果某个测量值落在这个区间之外，说明这个值是坏值,

25、拉依达准则:重复测量n次数较大（n25）, 测量误差符合标准正态分布,计算残差,按贝塞尔公式计算出标准偏差,如果某个测得值xi的残差i，满足下式,则认为该测得值xi 是含有粗差的坏值，应剔除。 并重新计算标准偏差，再进行检验，直到判定无粗大误差为止,概率p=99.73,43,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,2格鲁布斯(Grubbs)准则,值得注意的是一般实际工程中等精度测量次数n大都较小，测量误差分布往往和标准正态分布相差较大，小样本为t分布，因此须采用格鲁布斯准则,如果某个测得值xi的残差i，满足下式,则认为该测得值xi 是含有粗差的坏值，应剔除。 并重新计算标准偏差，再进行

26、检验，直到判定无粗大误差为止,44,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,为保证和提高测量精度，需要研究发现系统误差，进而设法校正和消除系统误差,第六节 系统误差的处理,45,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,系统误差的常见变化规律,1）恒定的系统误差,仪表的零点没有校正好,2）线性变化的系统误差,3）周期性变化的系统误差,4）变化规律更复杂的系统误差,1 系统误差的常见变化规律,系统误差的特点是其具有固定的规律性，造成系统误差的根源一般可通过实验、分析予以确定和消除,46,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精讲,2 恒值系统误差的判定 (1) 实验比对法 用更高精度的标准仪器对其进行检定，若测量值与标淮值的差值大小均稳定不变，即可判定该仪器含恒值系统误差，该差值即可作为此检测仪器在该示值点的系统误差值。 其相反数，即为此测量点的修正值,2) 理论分析法 对一些因检测原理、设计、制造工艺方面存在某种不足而产生的恒值系统误差，可通过理论分析与计算来加以判别、修正,47,中国石油大学化工检测仪表第二章检测技术基础精