【正文】 溫度的檢測與控制 第一章 緒論 “ 溫度的檢測與控制 ” 是材料類專業(yè)的一門技術(shù)基礎(chǔ)課，它涉及的內(nèi)容主要是溫度參量的檢測與控制。 “ 溫度的檢測與控制 ” 是保證材料在熱工過程及質(zhì)量控制中十分重要的一環(huán)，是材料研究領(lǐng)域不可缺少的試驗手段；對于溫度傳感器、顯示及控制儀表等章節(jié)是本課要著重講述的重點內(nèi)容。其它部分包括溫度、溫標等概念作為基礎(chǔ)和常識都應(yīng)當(dāng)有所了解。 167。 11. 溫度儀表的類別 1 按測溫原理分類 4)熱輻射溫度儀表 以上三種儀表都將感溫元件與被測介質(zhì)直接接觸，當(dāng)感溫元件與檢測介質(zhì)的溫度平衡時，感溫元件所檢測到的溫度就代表檢測介質(zhì)的溫度。這是目前應(yīng)用最廣也是最成功的方法，通稱為接觸式溫度儀表。 1)膨脹式溫度儀表 2)熱電式溫度儀表 3)電阻溫度儀表 1）根據(jù)材料受熱膨脹的特性檢測溫度變化值，如液柱式酒精或水銀溫度計，雙金屬片溫度計等。 2）不同導(dǎo)體組成的熱電回路，由于回路中接點溫度差而產(chǎn)生電動勢，借此測定溫度變化，如各種各樣的熱電偶。這是研究時間最久也比較完善的檢測儀表，是本書闡述的重點內(nèi)容之一。 3）導(dǎo)體的電阻隨溫度不同而變化，如各種熱電阻、熱敏電阻與 PN結(jié)等； 4)熱輻射溫度儀表 根據(jù)物體熱輻射能量的大小反映物體本身溫度高低的原理，可以間接測量溫度，如光學(xué)高溫計，輻射溫度計，光電溫度計等。因為感溫器件不與被測介質(zhì)接觸，故又稱為不接觸溫度測量儀表。此類儀表的量程較寬，又不干擾檢測介質(zhì)，受被測介質(zhì)的影響也較小，因而它的適應(yīng)范圍廣。由于熱敏與光敏元件質(zhì)量的提高，集成元件與微電腦的廣泛應(yīng)用，過去在工業(yè)上應(yīng)用不多的光電及紅外輻射溫度儀表，目前應(yīng)用日多，質(zhì)量也有明顯的提高。 1) 檢測儀表 2 按儀表的功能分類 2 按儀表的功能分類 4)執(zhí)行器 2)顯示儀表 3)控制儀表 (1)檢測儀表 感受參量的變化并轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)目蓽y信號的元器件，通稱為檢測儀表，它包括傳感器與變送器 (轉(zhuǎn)換器 )兩大類，上述四種儀表都屬于檢測儀表。 (2)顯示儀表 將檢測儀表輸出的可測信號，以指針、記錄筆或數(shù)字顯示出來，通稱為顯示儀表，主要有模擬顯示與數(shù)字顯示兩大類，前者應(yīng)用已久，并且十分廣泛，后者且近 20年發(fā)展起來的，應(yīng)用日益普遍。 (3)控制儀表 將檢測儀表輸出的信號值與熱工工藝所設(shè)定的值相比，對被控量實施自動控制作用的儀表，它分為模擬控制儀表與數(shù)字控制儀表兩大類，后者與微電腦技術(shù)結(jié)合又分為可編程數(shù)字控制儀表與智能控制儀表。 （ 4）執(zhí)行器 將控制器發(fā)出的電 (氣 )動控制信號，通過執(zhí)行器轉(zhuǎn)換成機械 (直線或角 )位移以調(diào)整被控參量的數(shù)值，使之符合熱工工藝的要求。對于燃油或燃氣爐爐溫控制是電 (氣 )動執(zhí)行器與電 (氣 )動控制閥；對于電熱爐則是晶閘管或調(diào)功器，簡單的位式控制系統(tǒng)則是接觸器或電磁閥等。 圖 11溫度的檢測與控制儀表原理系統(tǒng)圖 167。 12 儀表的靜態(tài)特性 儀表的靜態(tài)指標決定于儀表的靜態(tài)特性。它是以標準量作為被測量， 在保持各種干擾為恒定或為零的情況下，于一定范圍內(nèi)改變標準量，使儀表輸出量在相應(yīng)一定范圍內(nèi)變化，這種在平衡狀態(tài)下的輸入輸出特性，就是儀表的靜態(tài)特性 ， 它有一些靜態(tài)指標。 這里注意：當(dāng)被測量變化緩慢或恒定不變時，只考慮其靜態(tài)特性指標是可行的；而當(dāng)參量的變化較快或者是不斷變化的，則必須考慮儀表輸出與輸入隨時間而變的關(guān)系，這就是動態(tài)特性。溫度的變化相對于其它參量是一個緩慢的過程，所以本課程對溫度儀表一般只作 靜態(tài)特性 介紹。 1靈敏度 儀表輸出信號相對于輸入信號變化量的比值定義為靈敏度，以 S表示： ioxx????輸入信號變化量輸出信號變化量S也可用相反的比例式表示。以熱電偶的靜態(tài)特性為例，其靈敏度可定義為溫度變化 1攝氏度時，熱電偶的輸出電動勢的變化，單位為 mV／ ℃ ,或電動勢變化 l毫伏時溫度的變化，單位為℃ /mV，當(dāng)參量變化是線性時，則 S為常數(shù)，靈敏度就是特性直線的斜率，如圖 12a；如參量變化不是線性的，則靈敏度不是常數(shù)，特性曲線需進行線性化處理，如圖 12b； 2線性度 儀表的輸入 —輸出關(guān)系的特性曲線 ， 與理想直線相近程度稱為線性度 ， 它定義為 與理想直線的最大偏差值 B與儀表的輸出范圍 A的比值 ，以 L表示 ： %100ABL ??理想直線是通過回歸分析法確定的，輸出變化范圍就是儀表量程最大與最小值之差如圖13所示。線性度好，儀表的輸出可以平均刻度，儀表標尺是均勻的。如果把理想直線作為儀表的實際特性曲線，則 L就是儀表的非線性誤差。圖中曲線 1與 2的非線性誤差是不同的。 %100ABL ??變差：是由于儀表的機械結(jié)構(gòu)存在間隙、摩擦或阻尼特性造成的，只能通過實驗方法測定。這是儀表本身結(jié)構(gòu)上存在的誤差，是難以避免的，一般規(guī)定在一定范圍以內(nèi)。 %100AFL ??4分辨率 引起儀表指示值發(fā)生變化的最小輸入量變化值稱為儀表的分辨率 ，這是儀表能檢測到被測量最小變化的能力。模擬儀表規(guī)定為刻度標尺最小分度值的一半，數(shù)字儀表則規(guī)定為最末位的一個字。 167。 13 儀表的測量誤差 一 、 一般概念 測量是指應(yīng)用一定的工具或儀器，去查明某一試驗參量在某一時刻的大小，并顯示出該參量的瞬時值或連續(xù)變化的值。人們不能指望此測量值絕對正確，原因是無論測量工具或儀表本身都存在不足，測量方法也有缺陷，因而測量值與實際值必然存在偏差，這個差值稱為測量誤差。我們只能盡力將誤差減到最小或減到可以接受的程度。本節(jié)只介紹基本誤差及誤差評定，至于誤差的綜合與分配以及誤差的傳遞，將結(jié)合溫度測量介紹 當(dāng)絕對值 r用測量單位表示時稱為絕對誤差 。實際上真實值是得不到的 ， 所用工具或儀器的指示值 ， 是以某種標準量具或標準儀表進行比較而得到的 ， 這種比較本身雖然也存在誤差 ，人們只好認為工具或儀表的示值加上已給出的修正值為真實值 。 1．絕對誤差 測量值 z與真實值 M之差的絕對值 r為 zMr ??既然真實值難以得到 ， 要衡量測量值的真實性只能用一些比較性的概念 。 2．相對誤差 絕對誤差 r與測量值 z或真實值 M之比稱為相對誤差 rs 或 %1 0 0zrr s ??%1 0 0Mrrs ??從上式可看到， r0代表著在儀表量程 AH范圍內(nèi)，實際存在的最大誤差相對于儀表量程的誤差范圍，因而可代表儀表的精度。 3．基本誤差 所謂的基本誤差，是指儀表在全量程范圍內(nèi)存在的最大絕對誤差與儀表量程之比的百分數(shù)，即： %100m a x0 ??HArr將上式加以變化： %1 0 0zrrxm ??%100zAr%100zAAr%100AAzr%100zrrH0HHHHxm???????????4．最大可能相對誤差 基本誤差 r0 %100m a x0 ??HArr由上式不難看出，當(dāng)選用的儀表量程略高于常測量溫度時，存在的最大可能相對誤差最小，可為 儀表量程的選用 提供依據(jù)。 %100zArr H0xm ???最后得到： 5． 精密度與準確度 對某一參量進行同樣的重復(fù)測量，所得各測量值之間的接近程度差別愈小，測量值密集，則測量值的精密度高，相反，測量值分散則精密度低。由此可見，精密度具有較大的隨機性。 準確度是指測量值接近真實值的程度，它比較有規(guī)律性。 準確度高，不一定精密度高，而精密度高可能準確度也高。因為多次重復(fù)測量值很相近，但可能與真實值相差很大。譬如打靶，當(dāng)“ 精密地 ” 打在偏靶的某一方，中彈密集，但記錄環(huán)數(shù)卻很低，又如準確打在靶心附近，雖然分散在靶心同圍，但記錄環(huán)數(shù)很高，即精密度與準確度均較高。反之，如果分散并離靶心較遠，則精密度與準確度兩者均低。 6． 儀表精度與精度等級 儀表精度是指儀表的指示值與真實值接近的程度。精度等級則是儀表的基本誤差，一般以儀表的示值范圍的百分數(shù)表示，例如儀表的基本誤差為最大值的 177。 ％或 177。 1％，則儀表的精度等級分別是 ，依此類推。儀表的基本誤差是儀表在規(guī)定的工作條件如環(huán)境溫度、濕度、電源電壓與頻率符合規(guī)定的情況下校準儀表所具有的誤差。 歸納起來可分為三類 ，其相互關(guān)系與來源如圖所示 。 二、誤差的來源與分類 操作人員 檢測誤差 檢測方法 檢測儀表 環(huán)境條件 測量誤差 偶然誤差 疏失誤差 系統(tǒng)誤差 誤差檢驗 誤差評定 舍棄 1． 系統(tǒng)誤差 由測量工具和儀表不準確或其量值不正確引起的，其變化有規(guī)律，如電源電壓波動或頻率不符，儀表零點未調(diào)控好，環(huán)境溫度或濕度有變化，接觸電阻改變等，主要影響儀表的準確度。這些誤差可以通過定期校正儀表或采用不同測試方案加以避免或消除。 1 2． 疏失誤差 儀器或工具使用不正確，讀數(shù)錯誤或測試方案錯誤，甚至使用人員技術(shù)水平差等原因均會造成疏失誤差。這種誤差是不能接受的，當(dāng)然也是不允許的。 3． 偶然誤差 這是由種種難以預(yù)料的因素引起的 ， 具有隨機性 ， 故也稱為隨機誤差 ， 主要影響儀表或工具的精密度和精度 。 可以通過大量反復(fù)進行測試來減小 。 在相當(dāng)多的情況下 ， 這種誤差服從概率統(tǒng)計規(guī)律 ， 所謂分析和處理誤差都是指偶然誤差而言 。 對于一組測量數(shù)據(jù)是否符合要求，首先要消除系統(tǒng)誤差，然后按偶然誤差進行統(tǒng)計分析，才能對它進行數(shù)據(jù)處理。 三、偶然誤差的表示方法 1． 算術(shù)平均值 由于真實值是無法測到的 ， 一般以算術(shù)平均值代之 ， 只要測量次數(shù)足夠多 ， 各次測量值 zi的算術(shù)平均值 z0為 nznznzzzziniin ??????????? ? 1210顯然 ， 當(dāng) n→∞ 時 ， 隨著測量次數(shù) n的增多誤差減小很慢 ， 一般情況下測量 l0~20次就行了 。各次測量值與算術(shù)平均值之差稱為殘余誤差 ，簡稱殘差或余差 mi 0ii zzm ??殘差有正有負，其代數(shù)和為零，即 Σ mi＝ 0。 算術(shù)平均值是真值的期望值 ， 由于測量次數(shù)有限 ， 必然存在誤差 ， 以殘差表示的算術(shù)平均誤差 S為 也可簡單表示為 ? ?1nnms i???nms i??2． 偶然誤差的概率分布 偶然誤差雖然具有隨機性 ， 從統(tǒng)計分析表明， 誤差出現(xiàn)的幾率服從正態(tài)分布規(guī)律 ， 即誤差出現(xiàn)的次數(shù) y可用下式表示 ? ? 22 RhehRfy ????21??h式中： h—測量的精度指數(shù)， R —誤差 偶然誤差具有以下特性： (1)對稱性 絕對值相等而符號相反的誤差出現(xiàn)次數(shù)相等； (2)單峰性 絕對值小的誤差比絕對值大的誤差出現(xiàn)次數(shù)多； (3)有界性 在一定條件下 ， 偶然誤差的絕對值被限制在一定范圍內(nèi)； (4)抵償性 隨著測量次數(shù)的增多，偶然誤差的算術(shù)平均值趨于零。 3． 標準誤差 每次測量值 zi絕對值的均方根稱為標準誤差 ζ： 標準誤差 nznzzz in ?????????222221?由于真實值并不知道 ， 通常用測量值 zi與測量值的算術(shù)平均值 z0之差 ， 即以殘差 mi進行計算 ， 按算術(shù)平均的標準誤差 ζz為 算術(shù)平均誤差 S與算術(shù)標準誤差 ζ的關(guān)系為 ???7 9 7 2??????????s? ? ? ?11222221?????????? ?nmnmmm inz? 如果標準誤差的數(shù)值小，表明測量值中的小誤差占優(yōu)勢，各次測量值與算術(shù)平均值的分散性小，測量的可靠性大，說明測量精度高。相反，如 ζ 數(shù)值大，則測量精度低。 標準誤差表示了測量的精度 系數(shù) Kζ 隨測量次數(shù)增多而減小有如下關(guān)系：當(dāng) n ≥ 30時 ， 誤差在 1％ 以內(nèi) ， 標準誤差 ζ 可以不必修正 。 當(dāng) n＝ 10時 ， 誤差值為 3％ ， 因此一般認為測量次數(shù)不宜少于 10次 。 4．測量次數(shù)少的偶然誤差 測量次數(shù)較少，誤差出現(xiàn)的概率就不一定是正態(tài)分布，標準誤差可表示為 12?? ?nmK i??n 2 3 4 5 kζ n 6 7 8 9 kζ n 10 15 20 25 kζ n 30 40 50 100 kζ 四 、 誤差檢驗 對于得到的一組測量值，進行誤差分析，在于研究