山东建筑大学热工测量及仪表整理资料

第一章 随机误差测得值与在重复条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结的平均值之差。对个体而言无规律，次数足够多服从固定的统计规律。 粗大误差明显超出统计规律预期值的误差，疏忽造成。 正确度：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。 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。 准确度：正确度与精密度的测量仪指标的作用：表征仪表的精确程度及相关性质包括：量程范围 灵敏度 灵敏限 基本误差 允许误差 准确度等级 变差 量程范围（量程）：能够测量的最大值与最小值之差。最大最小值分别为测量上限和下限。 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， 灵敏限（分辨率、死区）：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。 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。 允许误差：基本误差的允许范围，合格仪表基本误差不能超过此范围。 准确度等级（精度等级）：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。 变差：在外界条件不变的情况下，使用同一仪表对被测量进行反复测量（正行程和反行程）时，所产生的最大差值与仪表量程之比值 正行程：由小至大 反行程：由大至小 测量(绝对)误差：测量结果与被测量真值之差 相对误差：绝对值与约定值的比值称为相对误差。 不确定度(uncertainty)：用测量值代表被测量真值的不肯定程度是测量结果质量的一个定量评定指标。不确定度越小，测量精度越高。 不确定度的估计方法：A 类（统计方法）：统计估算出不确定度的大小 Ｂ类（非统计方法）： 用经验或其他信息估算出不确定度的大小，出厂说明、标定结果、经验数据等。 一些概念： 测量列：对同一量进行多次等精度重复测量，得到一系列不同的测量值。 概率密度函数(Probability Density Function) ：描述随机变量在某取值点附近出现的可能性的函数 随机误差的分布规律总体上遵循一定的统计规律 有界性：一定条件下，随机误差总在一定的、相当窄的范围内变动，大绝对值误差出现概率接近于零。 单峰性：小绝对值误差出现概率大，大绝对值误差出现概率小。 对称性：绝对值相等而符号相反的随机误差出现概率相同。 抵偿性：等精度测量时，测量次数趋于无穷时，算术平均值趋于零。 直接测量方法 置信区间和置信概率详见书本 第二章 温度是表征物体冷热程度的物理量。宏观：处于热平衡状态热力系统的共有宏观性质，微观：温度表示大量分子无规则运动平均动能大小 温标定义：温度的数值表示方法。温度数值化的标尺，给出温度数值化的一套规则和方法，明确温度测量单位。 温标的三大要素： 温标基准点：选择纯物质的固定点温度作为温标基准点。 基准仪器：规定不同温度范围内的基准仪器（内插仪器），并在温标基准点上分度。 内插公式：建立仪器示值与温标数值之间的关系，是反映温度计特性曲线的函数。 经验温标的缺点 局限性：依赖于选用的测温物质，应用范围受限制。 随意性：单位、划分等存在随意性。 非线性：假设关系为线性，实际情况并非如此。 国际温标：为使用方便，国际上协商确定，建立一种既方便、容易实现，又能体现热力学温度的温标，称为国际实用温标( 国际温标) 。 特点：尽可能以当代科技水平接近热力学温标；复现准确度高；制作容易、性能稳定、使用方便； 经验温标：方便，易实现 不精确，随意 热力学温标：精确，符合理论 难以复现，不方便 接触式测温：膨胀式温度计 电阻式温度计 热电偶温度计 特点:直观可靠;准确度高;简单便宜;影响目标温度;受限制大;动态性差 非接触式测温: 辐射温度计    亮度温度计 比色温度计 特点:不影响目标; 受限制小;动态性好;准确度差;复杂昂贵膨胀式温度计 液体：玻璃液体温度计-100~600℃ 固体：固体膨胀式温度计-80~600℃ 气体：压力式温度计（也有液体） -80~600℃ 感温液 特点:体膨胀系数大;黏度小，表面张力大;液态温度范围大;化学性质稳定;便于提纯 种类:水银：-33~357℃ 煤油：-50~80℃ 酒精：-117~78℃ 按结构分类：棒式，内标式，外标式 按使用方式分类：全浸式，局浸式 按准确度等级分类：标准温度计 一等标准：透明棒式，两面读数；0.05℃ 或0.1℃ 二等标准：棒式、内标式；0.1℃ 高精密温度计：分度小于等于0.05℃ 工作用温度计：实验室；工业 测量误差:仪器特性及测试方法引起 热后效导致零位变化 受热标尺位移 毛细管不均匀 全浸、局浸误用 读数误差 时间滞后误差特殊温度计：金属套温度计，电接点温度计，最高温度计，最低温度计 固体膨胀式温度计（双金属温度计）： 温度计特性: 简单可靠;抗振性好;价格低廉; 无汞害;准确度不高. 材料要求: 主动层膨胀系数高 被动层膨胀系数低 热膨胀系数保持稳定 弹性模量高 测量要求: 插入深度要足够 目标<300 ，深度>80 目标>300 ，深度>100 目标>1000 ，深度>120 管道：1/3 或1/2 压力式温度计 压力式温度计特性 结构简单，价格便宜；抗振防爆；读数方便，可远传；热惯性大，动态性差；准确度不高； 温度测量概述及膨胀式温度计 温标:经验温标、热力学温标、理想气体温标、国际温标 测量分类:接触式、非接触式 膨胀式温度计:玻璃液体温度计,固体膨胀式温度计.压力式温度计 热电阻材料的要求： 电阻温度系数大、稳定 电阻率大，减小元件尺寸 电阻是温度的单值函数，最好线性 物理化学性质稳定 易提纯 便宜 热电阻温度计的特点： 优点： 信号灵敏度高 信号可以远传 金属热电阻稳定、准确、互换性好，可用作基准仪表。 应用范围广，性价比高。 缺点： 需要电源； 自热现象，影响测量精度； 测温上限不能太高，铂电阻上限低于1000 ℃ 。 热电偶特性： 不同材质、不同温度、闭合回路。 f(T) 固定，热电势是被测温度的单值函数。 测温精度受冷端温度影响 均质导体定律： 由一种均质材料构成的热电偶，不论其截面积和长度以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。 同质无电势 用于检测热电极材料均匀性 热电极材料不均匀性将产生误差 中间导体定律： 热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，则对总电势没有影响。 同温无电势 用于接入仪表、导线 工作端开路测量 参考电极定律： 两种导体A、B分别与参考电极C组成热电偶，如果产生热电势已知，则可求得AB组成热电偶的热电势。 多质电势累加 使用不同材料热电偶的理论基础 中间温度定律： 热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电势，等于该热电偶在接点温度为T、Tn和Tn、T0时热电动势的代数和。 多温电势累加 补偿导线的理论依据 热电偶分度表的理论基础 热电偶材料的要求： 输出较大热电势，并与温度呈线性关系。 适用温度范围较宽。 物理、化学性质稳定，耐热性好、抗氧化还原、抗腐蚀。 较高电导率，较低电阻温度系数。 较好工艺性，便于批量生产。 良好的复现性，便于采用统一分度表。 热电偶种类： 标准热电偶： S    铂铑10- 纯铂  0~1700℃    R    铂铑13- 纯铂  0~1700℃  B    铂铑30- 铂铑6  0~1700℃    K    镍铬- 镍硅    -200~1300℃    N  镍铬硅- 镍硅    -200~1300℃ E  镍铬- 铜镍      -200~1000℃ J    铁- 铜镍      -200~1200℃    T    纯铜- 铜镍    -200~400℃ 补偿导线注意点： 只能与相应型号热电偶配套 与热电偶连接处温度必须相同 在规定温度范围使用( 一般0~100℃) 存在正、负之分 热辐射规律 温度高于0K的物体都有热辐射 热辐射是连续辐射 同一温度下具有极限分布 黑体：能吸收任何波长、方向的投射辐射。漫发射体。 相同温度下，黑体在任意波长的辐射能力都最强。 光电高温计优点：灵敏 精确 波长不限 快速 远传 非接触式温度计使用注意事项 目标发射率：发射率不确定；选取短波长减小误差；测量发射率；逼近黑体 工作波长：选择目标辐射较大处；避免非热辐射；中间介质吸收；环境反光； 环境因素：温度、电磁干扰 全辐射温度计：非全波长；光路影响多；响应慢；冷端补偿；发射率；“ 辐射温度”；基本被淘汰 比色温度计 优势：发射率影响小，准确度高 劣势：系统复杂；灵敏度降低；测得“颜色温度”；颜色温度与真实温度关系未知 热电偶种类及选择： 贵廉、测温范围、灵敏度、精度、化学反应 装配、铠装、薄膜、防爆、耐磨 测温电路： 正向串联、反向串联、并联 接触式误差与安装： 增强换热，减少热损 非接触测温： 亮度温度计、辐射温度计、比色温度计 单管压力计 优点：读取一次高度 缺点：引入误差 斜管微压计 优点：灵敏度高 缺点：增加读数难度 液柱式压力计 优点： 结构简单；准确度高； 成本低；使用方便 缺点： 量程小； 体积大； 易损坏； 读数不便；弹簧管压力计 简单方便、成本低 测压范围广 材质、厚度 负、微、低、中、高 精度高 普通：0.5~4 精密：0.16~0.4 膜式压力计特点 特点：简单方便、成本低；量程小 多用于微压、低压测量 灵敏度低 一般需要压力变送器 波纹管压力计特点 特点：简单方便、成本低；灵敏 常用于压差测量 量程小 多用于微压、低压测量 变差（迟滞误差）大 电容压力变送器特点 优点：无摩擦，输入能量低；灵敏度高 适用膜式压力传感器 动态性好，频率高 稳定，精度高：0.25~0.05 级 结实耐用，耐恶劣环境 过载能力强 缺点：线路和电缆电容 温度湿度影响 绝缘屏蔽 小结 压力的概念 绝对压力、表压、真空度、压差 重力平衡式 U 形管、单管、斜管 活塞式、浮球式 弹性压力计 弹簧管、膜式、波纹管 压力变送器 变极距电容、变面积电容、霍尔式 是否也是压力变送器？ 是，应变片即为压力变送器 只针对应变片式压力计 电气式压力计 均产生形变 传感器与变送器一体 应变丝材料： 灵敏系数大，保持常数。 电阻温度系数小 电阻率高 机械强度高 易加工 应变片特性： 原始阻值 灵敏系数 变差（机械滞后） 蠕变和零漂 绝缘电阻 最大工作电流 应变式压力计特点： 优点： 结构简单，使用方便。 工艺成熟，价格便宜。 性能稳定，灵敏度高( 相对) 。 测量速度快，可静态、动态测量。 缺点： 受温度影响大 灵敏系数小 压阻效应：半导体受压力作用时，由于载流子迁移率变化，使电阻发生变化。 特点：灵敏度大，K=50~100 各向异性 压阻式传感器 优点：体积小 灵敏度高 测量范围宽 动态性好 准确度高 重复性好，频带宽 缺点：温度影响大 非线性 灵敏系数不恒定，受方向影响。 薄膜应变片 优点： 蠕变、滞后小 寿命长 量程大，灵敏度高 温度系数小 工作温度范围宽 成本低 压电效应；压电材料受力发生机械变形，内部将发生极化现象，并在表面产生电荷。 压电传感器的漏电 影响：无法测静态压力；不可静态标定；提高仪表阻抗 压电式传感器特点 静态校准；常温；常压；低湿度；多点校验；正反行程 取压孔的位置 文丘里喷嘴 皮托管特点 均速管流量计特点 浮子流量计特点： 简单、方便、便宜 中小管径、低流速 临界雷诺数低 压损小且恒定 灵敏度高，量程比宽 精度中等 注意点： 刻度换算 垂直安装 靶式流量计特点特点： 测量下限低，不宜测高速 临界雷诺数低 漩涡使信号震荡 不易堵塞，测量对象广 适合杂质较多情况 压损小 简单、方便、牢固 准确度差，未标准化。安装要求： 水平安装 与管道同轴 直管段 靶前8D 靶后5D 涡轮流量计特点 优点： 精度高：0.5 级以上 反应迅速，可测脉动流量 测量范围宽、线性 耐高压 压损小 脉冲信号 抗干扰能力强 便于远传缺点： 制造困难，成本高 温度影响大 寿命短 流体清洁度要求高 定期校验 缺点由于机械活动部件引起 涡街流量计特点 优点： 量程比宽 准确度高 脉冲频率信号 抗干扰，易分析 几乎不受其他因素影响 温度、压力、成分、黏度、密度 无可动部件 简单可靠，寿命长 缺点： 不适合脉动流 抗振能力差 中小管径 安装： 流体充满 直管段： 上游15D ，下游10D 轴线垂直 流体方向 电磁流量计特点 优点：无节流，能耗低 适用特殊流体 影响因素少 温度、粘度、密度、电导率 测量范围广 可测脉动流 口径范围宽 准确度高、线性 直管段要求低 缺点： 电导率要求 磁导率要求 温度限制 高温、低温 电磁干扰 存在流速下限 0.5m/s 复杂、成本高 压力受限制 超声波流量计特点特点： 非接触式测量 无压损、不干扰流场、使用方便、限制少 测量对象广 信号与流量成线性关系 准确度一般，约1% 受温度、介质物理性质影响 容积式流量计特点优点： 测量准确度高(0.1%) 不受流动影响 流动状态、流场分布 量程比宽 无需电源 缺点： 复杂 温度、压力限制 洁净单相流体 产生脉动、噪声、振动 科式力流量计特点优点： 准确度高(0.1%) 测质量流量 温度、压力、粘度、组分无关 流动状态、流速分布无关 适用对象广 结构简单量程比宽 同时测多参数 动态性好 缺点： 不适用低密度 安装防干扰 中小管径 压力损失较大 温度不能太高 体积、重量大 内壁变化影响大 昂贵 零点飘逸