建筑环境测试技术(全套ppt课件).ppt
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1、建筑环境测试技术,市政环境工程学院热能工程系,2022/12/8,2,本课程学习主要参考书,1热能与动力工程测试技术,王子延主编,西安交通大学出版社,1998年2热工测量技术,郭绍霞主编,中国电力出版社,1997年3过程检测技术与仪表化学工业出版社,1999 年4暖通规范实施手册建筑工业出版社,2000年,2022/12/8,3,本课程教学安排,授课时数:36学时时间:19周实验时数:12学时内容:见试验指导书日期:与实验中心张斌老师联系考试:期末,第 1 篇 测试技术基础,测量是人们认识和改造世界必不可少的重要手段通过测量能使人们对事物获得定性或定量的概念,从而发现客观事物的规律性广义地讲,
2、测量是对被测量进行检出,变换分析处理、判断、控制等的综合认识过程,2022/12/8,4,测试技术是对生产过程和运动对象实施定性检查和定量测量的技术测试技术涉及传感器、试验设计、模型理论、信号加工与处理、误差理论、控制工程和参数估计等内容根据误差理论、检测对象特性和检测的具体问题,合理设计、科学组建检测系统,正确使用各种检测工具、设备和检测方法,正确地进行测量并对测试结果进行正确处理分析,2022/12/8,5,第 1 章 测试技术的基本知识,本章主要介绍计量、测量、测试、测试技术的基本概念测量方法及分类、测量仪表概况、测试系统的基本构成测试技术的国内外发展情况,2022/12/8,6,1.
3、测试技术的基本概念,测量测量是以确定量值为目的的一组操作。将被测参数的量值与单位标准量进行比较,比出的倍数即为测量结果误差公理测量误差客观存在于一切科学试验与工程实践中,没有误差的测量是不存在的计量计量是利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。计量可看作测量的特殊形式测试 是测量和试验的全称,有时把较复杂的测量称为测试检测 是意义更为广泛的测量,是检验和测量的统称,2022/12/8,7,2022/12/8,8,2、测量方法,测量以同性质的标准量与被测量比较,并确定被测量与相对标准量的倍数 L=X/U L比值;X被测量;U标准量测量过程中的关键在于被测量和标准量的比较通过变换可以实
4、现测量,变换也是实现测量的核心,一个新的变换对应着一个新的测量元件、一个新的测量方法的产生,3、测量分类,按测量方式:偏差式、零位式、微差式测量法按接触方式:接触式测量法、非接触式测量法按被测对象参数变化:静态测量、动态测量按测量系统是否施加能量:主动式、被动式测量法按测量数据是否实时处理:在线测量、离线测量按对测量精度的要求:精密测量、工程测量按对测量过程的干预程度:自动测量、非自动测量按测量结果获取地点:本地测量、远地测量 按被测量的属性:电量测量和非电量测量,2022/12/8,9,2022/12/8,10,4、测量的过程,被测量与标准量的比较过程直接比较:用天平测量重量间接比较:用水银
5、温度计测量水温,温度的标准量变换为玻璃管的刻度值;用热电阻测量水温,温度的标准量变换为热电阻的刻度值,2022/12/8,11,5、测量仪表的主要性能指标,精度:用来评价测量仪表的性能精密度()表示指示值的分散性。同一条件下多次测量,得到测量结果的分散程度,反映了随机误差正确度()指示值与真值的接近程度。反映了系统误差准确度()精密度与正确度的综和。反映了系统误差和随机误差,2022/12/8,12,(a)正确度、精密度低; (b)精密度低;(c)精密度高、正确度低; (d)准确度高,例2:射击结果分析,2022/12/8,13,测量仪表的主要性能指标(续),稳定度在规定的时间、区间和其他外界
6、条件恒定不变的情况下仪表示值的变化例:(0.008%Tm+0.003 Tx)/(8h) Tm 满量程值(仪表); TX 示值(仪表) ;,2022/12/8,14,测量仪表的主要性能指标(续),输入电阻仪表的输入阻抗一般用输入电阻表示Ri灵敏度(分辨率) 测量仪表指示的增量与被测量量的增量之比,或叫做分辨率,如:0.1/字线性度输入与输出间的变化规律,线性或非线性y=f(x)动态特性仪表的输出响应随输入变化的能力,6、计量基准,主基准、一级国家基准、最高。现代科学技术所能达到的最高准确度的计量器具,国家批准、全国统一副基准、二级次国家基准、用于替代国家基准或验证国家基准工作基准、三级用于检定下
7、属计量标准的计量器具避免频繁使用主基准和副基准,2022/12/8,15,2022/12/8,16,7、计量值的传递与跟踪、检定与对比,计量器具复现量值或将被测量转换成可直接观测的指示值或等效信息的量具、仪器和装置计量标准器具准确度低于计量基准,用于检定计量标准或工作计量器具的计量器具。分有等级工作计量器具在工作中直接用于测量的器具比对同等级计量器具之间的量值进行比较,2022/12/8,17,量值的传递与跟踪、检定与对比(续),检定:用高一级的计量器具对低一级的计量器具比较并给出评价校准:与高一等级的计量标准比较给出误差量值的传递与跟踪:把一个物理单位通过各级基准、标准准确地传递到测量器具,
8、以保证量值统一的全过程,2022/12/8,18,计量基准、器具与计量、测量仪器仪表,2022/12/8,19,习题与思考,1、测量方法与选择的原则2、测量仪表的主要指标3、测量与计量的关系4、计量基准5、比对、检定、校准的定义6、精密度、正确度、准确度的定义,2022/12/8,20,部分现场测量仪表介绍,水位测量压力测量流量测量温度测量煤量测量含氧量测量,2022/12/8,21,2022/12/8,22,2022/12/8,23,2022/12/8,24,2022/12/8,25,2022/12/8,26,2022/12/8,27,2022/12/8,28,2022/12/8,29,20
9、22/12/8,30,2022/12/8,31,2022/12/8,32,2022/12/8,33,2022/12/8,34,2022/12/8,35,第2章 测量误差和数据处理,主要概念真值、指定值、实际值、标称值、示值单次测量和多次测量、等精度测量和非等精度测量测量误差、绝对误差、实际相对误差、示值相对误差、满度相对误差测量数据处理方法及数据处理,2022/12/8,36,2022/12/8,37,2.1 测量误差,真值 A0一个物理量在一定条件下所呈现的客观大小或真实数值指定值 AS (约定真值,国际间进行比对)由国家设立各种尽可能维持不变的实物标准以法令的形式指定其所体现的量值作为计量
10、单位的指定值例:标准砝码上标出的lkg例:标准电阻上标出的1例:标准电池上标出来的电动势1.0186V,2022/12/8,38,测量误差(续),实际值 A(相对真值)上一级计量器具的值标称值测量器具上标称的数值示值由测量器具指示的被测量量值,数值和单位单次测量和多次测量等精度测量和非等精度测量,2022/12/8,39,测量误差(续),绝对误差定义:X=X A0 或 X=X AA0 真值; A实际值; X 测量值;特点:单位、符号、表示方法测量值表示为:A=XX得知其固定的测量误差 C 可以进行修正测量实际值:A=X+C,2022/12/8,40,测量误差(续),相对误差实际相对误差定义:示
11、值相对误差定义:如果测量误差不大,可用示值相对误差代替实际相对误差,2022/12/8,41,测量误差(续),满度相对误差(满度误差和引用误差)定义:仪表准确度等级:S按照 m 分级 0.1 ; 0.2 ; 0.5 ; 1.0 ; 1.5 ; 2.5 ; 5.0;0.1=0.1%,满度相对误差实际给出了仪表全量程内绝对误差的最大值,2022/12/8,42,例1、某电压表S=1.5,试算出0100V量程中的最大绝对误差解:最大绝对误差注意:1、如果没有得到修正值,只能按最大误差考虑2、测量值应选择仪表满量程的2/3处为宜,2022/12/8,43,例2、某压力表S=1.0,满度值1.0MPa,
12、求测量值为1.00MPa、 0.80MPa、 0.20MPa时的绝对误差和示值相对误差,解:根据式2-9得最大绝对误差示值相对误差(续后),2022/12/8,44,示值相对误差,2022/12/8,45,由上例可总结:,同一量程内,测量值越小,示值相对误差越大测量仪表的准确度,并不是测量结果的准确度适当选择测量仪表的量程,才能减小示值相对误差,2022/12/8,46,例3、要测量100的温度,现有0.5级、测量范围为0300时和1.0级、测量范围为0100的两种温度计,试分析各自产生的示值误差,解: 0.5级温度计,可能产生的最大绝对误差示值相对误差,2022/12/8,47,解: 1.0
13、级温度计,可能产生的最大绝对误差示值相对误差显然适当选择测量仪表的量程,才能减小示值的相对误差,2022/12/8,48,2.2 测量误差的来源,仪器误差:精度人身误差:人为影响误差:环境方法误差:测量或计算方法,2022/12/8,49,2.3 误差的分类,系统误差 服从某一规律的误差特点:测量条件不变,误差为确切值;多次测量取均值不能消除;具有可重复性a.等值b.递增c.周期性d.复杂,2022/12/8,50,随机误差(偶然误差):多次等精度测量,其绝对值和符号无规则变化的误差,特点:对称性抵偿性小误差概率大有界性,残差,方差,2022/12/8,51,表2-1 测量结果图,正偏差出现7
14、次,负偏差出现6次,i0.5,1次;0.5 i 0.4,2次;1,2,3,6次;,2022/12/8,52,粗大误差(粗差)明显偏离实际值的误差剔除粗差注意:1、粗差较易发现并剔除2、一般系差与随机误差同时存在,需分辨出并作相应的处理,2022/12/8,53,2.4 随机误差分析,n 次测量的算术平均值数学期望Ex当 n 趋于无穷时当无系统误差和粗差时绝对误差随机误差,2022/12/8,54,随机误差分析(续),随机误差的平均值:随机误差具有低偿性,当测量次数无限大时: 当测量次数足够多时:即多次测量可以接近实际值,2022/12/8,55,剩余误差( 残差)各次测量值与算术平均值之差两边
15、分别求和上式反映了残差的特点,可用于检查算术平均值是否正确,2022/12/8,56,方差2为克服随机误差的抵偿性,用方差2估计测量的精密度(偏离真值的程度,单位是相应单位的平方)标准差 (均方根差,单位与测量值相同):用标准差反映测量的精密度,精密度正确度准确度,2022/12/8,57,随机误差的正态分布,对于一组测量数据的大小反映了测量精密度,特征:1、有界性2、对称性3、抵偿性 越小测量值的精密度高,2022/12/8,58,极限误差(最大误差或称随机不确定度),随机误差大于3的概率仅为0.003,可认为是粗差,注意:极限误差 用于剔除粗差,2022/12/8,59,贝塞尔公式上面分析
16、有:实际中: 不可能,n1且有限时,用残差代替随机误差,用下面公式表示有限次测量标准差的最佳估计值(贝塞尔公式):n应大于1,最好不小于6,2022/12/8,60,算术平均值的标准差算术平均值与真值间也存在随机误差(每组测量的算术平均值也不相同,共m组),根据概率中的方差法则可求出:,同理定义极限误差:测量结果表达示: 实际测量中标准差及平均值的标准差,直接写成:,2022/12/8,61,有限次测量下的结果表达式1、列出测量数据表,测量n(1020)次、m组2、计算算术平均值、残差、方差3、计算标准差、平均值的标准差4、进行数据处理,给出测量结果表达式,2022/12/8,62,2022/
17、12/8,63,解:,测量结果表达式:,多组测量时可以使用:,2022/12/8,64,系统误差的特性剔除粗差后,测量误差等于随机误差和系统误差值的代数和:,2.5 系统误差分析,进行n次等精度测量,系差为恒差或缓慢变化,则有:,高一等级的测量仪表,或另一用于比对的测量仪表,当n足够大时,第二项等于零。,2022/12/8,65,系统误差的特性(续),当n足够大时,由于随机误差的抵偿性,其算术平均值等于零,于是得:系统误差的特性:1、不具备抵偿性;2、与测量次数无关;3、取平均值无效;4、研究其规律,发现并消除。,如果已知A值,就可以得到系差值,2022/12/8,66,系统误差的判断,1、理
18、论分析法由于测量方法引入的误差,通过理论分析解决2、校准比对法用准确度高的仪器比对测量,发现系差,修正3、校验比对法改变测量环境、方法,比对测量数据,发现系差4、残差观察法根据残差观察有无系差及类型,残差观察法主要发现变值系差,不能发现恒值系差,见下页图示,2022/12/8,67,4、残差观察法(横轴是均值不能发现恒值系差),无系差,系差线性递增,系差规律复杂,系差周期变化,2022/12/8,68,消除系统误差,1、采用正确的测量方法和原理;2、选用正确的仪器、仪表及准确度;3、测量用仪器、仪表定期检定;4、使用中按规程或说明书操作;5、注意环境温度影响,电源电压的影响;6、尽量使用数字仪
19、表,避免读数误差;7、提高测量人员的操作水平。,2022/12/8,69,消弱系统误差的典型技术,1、零示法 待测量与已知标准量比较,二者效应相互抵消,指示为零。可以消除零示器的误差2、替换法(置换法) 测量条件不变,用标准量替代被测量,通过调整标准量而使示值不变,标准量等于被测量。两次测量,零示法,替换法,标准电源,标准电阻,标准电阻(可调),2022/12/8,70,其他方法,(1)系差修正用恒值或公式修正(2)随机化处理多台同类仪表测量,取各自的平均值作为测量结果。不易实现(3)智能化仪表的系差处理 a、零点校准 b、自动校准,见下页,2022/12/8,71,b、自动校准,零点自动校准
20、,开始测量,满度自动校准,标准电源,2022/12/8,72,2.6 误差的合成、间接测量的误差传递与分配,随机误差合成若测量结果中有k个独立的随机误差、标准方差。则k个独立随机误差的综合效应是他们的方和根合成误差时经常用极限误差合成(测量次数够),极限误差为合成的极限误差,2022/12/8,73,系统误差合成,1、确定系统误差的合成(1)代数合成法(2)绝对值合成法(3)方和根合成法,2022/12/8,74,1、确定系统误差的合成(续),合成方法说明:(1)代数合成法计算的结果可以抵消部分符号相反的误差项(2)绝对值合成法计算的结果偏大(3)m大于10时各分量出现最大值时的概率不同,故可
21、以采用方和根合成法,结果适中(4)若每一项的系统误差属于定值,可在修正后再合成作业例5,2022/12/8,75,2、不确定系统误差的合成,(1)线性相加法各系统不确定度线性相加(2)方和根合成法(3)标准差法,2022/12/8,76,2、不确定系统误差的合成(续),当q 10时,采用(2)、(3)法,2022/12/8,77,随机误差与系统误差合成,1、合成的极限误差k个独立的随机误差2、合成的确定系统误差m个确定的系统误差3、合成的不确定系统误差q个不确定的系统误差4、测量结果综合误差,2022/12/8,78,间接测量的误差传递,在供热量测量中,供回水温度、流量为直接测量,热量是间接测
22、量值1、间接测量函数 各xi相互独立,其绝对误差为xi,y 的绝对误差为yi ,则,2022/12/8,79,1、间接测量函数(续),将上式按泰勒级数展开,且略去高阶项所以用相对误差形式表示,2022/12/8,80,2、常用函数的误差传递,(1)和差函数合成误差设:绝对误差(x符号不定时):相对误差:分别推导出和函数、差函数的相对误差。作业例6、7、8,2022/12/8,81,(2)积函数合成误差(用间接测量误差合成推导、过程见书)设:绝对误差:相对误差:(3)商函数合成误差(推导过程见书)设:绝对误差:相对误差:,2022/12/8,82,(4)幂函数合成误差(推导过程见书)设:相对误差
23、:,2022/12/8,83,3、间接测量的标准误差,对 n 个量等精度直接测量了 m 次,可以推出(1)间接测量的标准误差(2)间接测量标准误差的相对误差表示形式,2022/12/8,84,间接测量的误差分配,间接测量时需要对各测量元件或仪表进行误差分配,从尔保证误差合成后,满足综合误差要求 设间接测量函数为 根据间接测量标准误差为,2022/12/8,85,间接测量的误差分配(续),现假设间接测量标准误差已确定,要求确定各分项误差按等作用原则分配误差方法,各局部误差对总误差的影响相等,既,2022/12/8,86,间接测量的误差分配(续),从而间接测量标准误差为各分项标准误差为用极限误差表
24、示,2022/12/8,87,间接测量的误差分配(续),按等作用原则分配误差的特点:1、各局部标准误差相等2、局部各测量量的误差不相等实际测量中的误差分配1、初步按等作用原则分配误差2、根据局部各测量量的误差进行误差分配调整3、进行综合误差合成,再分配各测量量误差作业例9,2022/12/8,88,2.7 测量数据的处理,有效数字处理1、有效数字从误差的观点定义近似值的有效数字若末位数字是个位,则包含的绝对误差不大于0.5例: 3.142,极限误差0.0005;8700 ,极限误差0.5; 0.020,极限误差0.0005 ;87x102,极限误差0.5 x102特点: 、小数点后末位的零不能
25、省略; 、有效数字与极限误差有关,2022/12/8,89,2、多余数字的舍入规则,保留有效数字,采取“小于5舍,大于5入,等于5则奇入、偶不变”。最后一位认为有“0.5”的误差。例:12.34.12.3;12.36.12.4; 12.35.12.4;12.45.12.4;,2022/12/8,90,3、有效数字的运算法则,(1)加法法则以小数点位数最少的为准。(2)减法法则原则同加法。(3)乘除法法则运算结果比有效数字位多保留一位。(4)乘方、开放运算运算结果比有效数字位多保留一位。,2022/12/8,91,等精度测量结果的处理,作业例11:16次等精度测量如下表,计算测量结果。,2022
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