热工实验基础

第1章 绪论 1.1 测量基本知识 1.测量的概念 测量是对非量化实物的量化过程，即按照某种规律用数据描述观察到的现象，对事物做出量化描述。 2.测量与检测的联系与区别 1)测量与检测的联系 测量一般是指对某一点的测量，而检测则是对某个整体的检测。 2)测量与检测的区别 (1)释义不同。 检测：检查测试，检验测定； 测量：用各种仪器来测定物体位置以及测定各种物理量。 (2)用法不同。 检测：只能评定被测对象是否合格，无法给出被测对象量值的大小； 测量：被测对象与标准量相比较后得出被测对象的具体量值，判别出被测对象是否合格。 3.测量的意义 测量的意义是指人们认识事物之间定量关系的一种手段。 4.测量的构成要素 1)测量的客体即测量对象 测量对象主要是指几何量。几何量包括长度、面积、形状、高度、角度、表面粗糙度以及形位误差等。几何量有种类繁多、形状各式各样等特点，因此对于他们的特性、定义以及标准等都必须熟知，以便进行测量。 2)计量单位 1984年2月27日中华人民共和国国务院正式公布了中华人民共和国法定计量单位。在长度计量中单位为米(m)，其他常用的计量单位有热力学温度(K)、时间(s)、质量(kg)、物质的量(mol)、电流(A)和发光强度(cd)。 3)测量方法 测量方法的含义是按类叙述的一组操作逻辑次序进行测量。测量几何量时，需根据被测参数的公差值、大小、轻重、材质、数量等特点，通过分析研究该参数与其他参数的关系，*后确定测量该参数的操作方法。 4)测量的准确度 测量的准确度是指测量结果与真值的一致程度。由于在任何测量过程中都存在不可避免的测量误差，且误差越大说明测量结果离真值越远，准确度就越低，因此任何测量结果都是以一近似值来表示。 1.2 测量方法 测量方法包括直接测量法、间接测量法和组合测量法。 1.直接测量法 直接测量法是指直接测得被测量的数值，无须进行被测量与实测量函数关系之间的辅助计算。 2.间接测量法 间接测量法是指通过直接测量被测参数中的已知函数关系量，测量得到该被测参数量的值。 3.组合测量法 组合测量法是指如果被测量函数式有多个未知量，且通过对中间量的一次测量无法得到被测量的值，此时可通过改变测量条件来获得可测量的不同组合，测出可测量的数值，联立方程求解出未知的被测量。 1.3 测量分类 根据测量条件、测量仪器、测量对象的不同，将测量分为以下几类。 1.静态测量和动态测量 静态测量：测量不随时间变化的量值方法。 动态测量：测定随时间变化的瞬间量值方法。 2.等精度测量和不等精度测量 等精度测量：对同一个被测量用相同的仪表与测量方法进行多次重复测量。 不等精度测量：对同一被测量用不同精度的仪表或不同的测量方法，或在环境条件相差很大的情况下进行多次测量。 3.电量测量和非电量测量 电量测量：指电子学中对电磁能的量、表征信号特征的量、表征元件和电路参数的量、表征网格特性的量等进行的相关测量。 非电量测量：将各种被测的非电量参数，如温度、位移、压力、化学成分等转换成电量参数进行测量的技术，包括传感器技术和电子技术。 1.4 测量误差与测量不确定度 1.测量误差 被测量的测量值与其真实值之间存在的偏差，即测量误差。 2.测量不确定度的评定与表示方法 标准不确定度是指用标准偏差表示测量结果的不确定度。按照评定方法的不同，可分为两类。 A类评定：通过对观测列进行统计分析，评定标准不确定度，采用统计方法计算标准不确定度。 B类评定：通过用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，若无特殊说明，一般按正态分布考虑其标准不确定度。 1.5 测量系统 由较多的测量仪表、有关附件和连接器件，且按照一定规律组合而成的有机整体，称为测量系统。 测量系统主要由测量对象、测量仪器及附属设备、测量结果的处理机构组成。从广义的角度讲，测量系统应包括测量人员及测量环境等，测量系统的各个组成部分是互相联系又互相制约的。 测量系统的基本特性是指测量系统与其输入、输出的关系，分为静态特性和动态特性。 静态特性：输出信号x(t)不随时间变化； 动态特性：输出信号x(t)随时间变化。 1.6 测量技术的发展状况 1.传感器向集成化、微型化和智能化的方向发展 传感器集成化主要有两种形式：一种是将同一类型的单个传感元件集成在同一平面上排列起来，排成一维的线性传感器，即同一功能的多元件并列化。另一种是多功能一体化，即将传感器与运算、放大以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。 到目前为止，各种集成化传感器已有许多系列产品并且有些已得到广泛应用。集成化是传感器技术发展的一个重要方向。 传感器的微型化是近年来传感器发展的重要方向之一，微机械电子系统技术的发展是传感器微型化的基础，微型传感器是目前*为成功、*具实用性的微机械电子系统装置，且发展极为迅速，已发展成为一门独立技术。 智能传感器自身带有微处理器，它是一种具有信息检测与记忆、信号处理、逻辑思维与判断功能的传感器，随着自动测控系统发展的需要而产生，集聚了传感器、控制理论、微型计算机与现代通信等，是一门多学科交叉的技术，也是传感器技术克服自身不足向前发展的必然趋势和结果。 目前，智能传感器的发展尚处于初级阶段，有待深入研究。 2.不断拓展测量范围，努力提高测量准确度和可靠性 在自动化程度不断提高及发展过程中，各行业高效率的生产更加依赖于各种检测、控制设备的安全可靠，并且对于航空、航天和武器系统等特殊用途的检测仪器的可靠性要求更高。努力研制能满足用户在复杂和恶劣测量环境下所需精度，且能长期稳定工作的各种高可靠性检测仪器和检测系统将是测量技术的一个长期发展方向。 第2章 实验参数测量 在研究各种热力设备运行及有关热工实验过程中，需要对其内部工质的状态进行测量。例如，研究对象为气体时，需要了解气体的压力、温度和密度，有时还需要测定其干度；研究有关换热的过程时，需要测量传热工质的流速和流量；研究热力设备整体运行情况时，需要通过功率和效率等参数对其进行分析。 综上所述，工业过程、科学实验等过程中的热功基本量包括温度、压力、流场密度、流量、转速、功率等。本章将对这些常见基本量的测量原理、方法以及有关常用仪器仪表的工作原理、选择与使用要点进行介绍，以便在学习各种热工实验时加以引用。 2.1 温度测量 温度为7个国际单位制(SI制)中的基本量之一，是热功基本量中的重要物理参数，它与工农业生产、科学实验和人们生活紧密相关。用于温度测量的仪器、仪表种类众多、应用广泛，是热工自动化仪表五大类型中*普遍、*重要的一种。 2.1.1 温度测量概述 1.温度 从宏观上讲，温度是指物体的冷热程度；从微观来看，温度是由物体内部分子无规则热运动产生的，是分子间平均动能的表现。物体内部分子热运动越激烈，温度就越高。 2.温标 用来度量温度高低的尺度叫温度标尺，简称温标，是对温度的定量描述。温标依据一定规则、采用具体数值来表示温度，它确定了温度的单位。 温标的建立是一个复杂的过程，下面简单介绍温标建立的条件以及几种常用温标。 1)温标建立的条件 (1)固定点。 建立某一个温标时，往往首先采用纯物质的相平衡温度作为温标的固定点，该固定点为温度标度的基准。然后，规定固定点的温度值，其他温度通过与固定点比较确定其数值。 (2)测温仪器(温度计)。 固定点选定后，通过测温仪器实现温标的测量，这类测温仪器一般通过测温物质随温度变化的物理特性来实现，称为温度计。 (3)内插公式。 确定固定点的温度值之后，任意一点的温度值可采用某些差值方法进行计算，所用到的数学关系式称为内插公式。如线性内插公式： (2-1-1) 式中，是任一点温度，是测温变量，是固定点对应的测温变量，、是固定点温度。 2)几种温标 (1)经验温标。 经验温标是基于某些物质的物理参量随温度变化的函数关系，用实验方法或经验公式构成的温标。经验温标包括摄氏温标、华氏温标和列氏温标等。 摄氏温标：在标准大气压下，将纯水的沸点规定为100摄氏度(℃)，纯水的冰点规定为0摄氏度(℃)，在0～100℃之间划分100等份，每一份叫1摄氏度(℃)。 华氏温标：在标准大气压下，将纯水的沸点规定为212华氏度(℉)，纯水的冰点规定为32华氏度(℉)，在32～212℉之间划分180等份，每一份叫1华氏度(℉)。 列氏温标：在标准大气压下，将纯水的沸点规定为80列氏度(°R)，纯水的冰点规定为0列氏度(°R)，在0～80°R之间划分80等份，每一份叫1列氏度(°R)。 (2)热力学温标。 热力学温标即开尔文温标，是开尔文在1848年建立在热力学第二定律基础上的一种理论温标。根据热力学第二定律，理想可逆热机的*大热效率只取决于其工作过程中的两个热源温度，而与工作物质无关。由此可引入一个与测温物质及其测温属性无关的温标，用来标示热源的温度。它的比值等于