热工测量基础知识

1、热工实验的热工实验的原理和技术原理和技术Nanjing, China本科生教学课程本科生教学课程东南大学能源与环境院东南大学能源与环境院20172017年年2 2月月2222日日张勇张勇 博士博士 副教授副教授办公地点：热能所办公地点：热能所270室室邮箱：邮箱： 手机：手机：138519234542实实 验验为了某种科学理论或假设而进行某种操为了某种科学理论或假设而进行某种操 作或从事某种活动。作或从事某种活动。实验的种类实验的种类工程实验工程实验在真实的工程设备上直接进行实验。在真实的工程设备上直接进行实验。b. 工程模拟实验工程模拟实验c. 科学研究实验科学研究实验d. 仿真实验仿真实验

2、a. 工程实验工程实验1.1.绪论绪论1.1.绪论绪论 热工实验热工实验热工基础实验。热工基础实验。 热工基础热工基础工程热力学、传热学、流体力学。工程热力学、传热学、流体力学。 热工基础测量热工基础测量基本热物理参数测量基本热物理参数测量热工过程中的某些特性参数和规律的测量热工过程中的某些特性参数和规律的测量热工基础测量参数热工基础测量参数1-1 1-1 目的目的1.1.绪论绪论1.1.绪论绪论 热工基础测量参数热工基础测量参数 比热容、绝热指数、粘度、导热系数、导温系数、黑度等。比热容、绝热指数、粘度、导热系数、导温系数、黑度等。 传热系数、角系数、压力分布规律以及热工零部件的一些传热系数

3、、角系数、压力分布规律以及热工零部件的一些特有的规律和特性。特有的规律和特性。 基本热物理参数基本热物理参数 热工过程中的某些特性参数和规律热工过程中的某些特性参数和规律温度、压力、流量、流速及热功率等。温度、压力、流量、流速及热功率等。 热工基础的测量热工基础的测量基本热物理参数测量基本热物理参数测量热工过程中的某些特性参数和规律的测量热工过程中的某些特性参数和规律的测量热工基础测量参数热工基础测量参数1-1 1-1 目的目的通过本课程的学习，我们要掌握热工实验的基本原理、基通过本课程的学习，我们要掌握热工实验的基本原理、基 本技能、实验方法和测试技术。本技能、实验方法和测试技术。 课程安排

4、课程安排1.1.实验报告评分标准（实验报告评分标准（100100分计）分计）1）简述实验目的及实验原理、绘制实验系统简图，满分）简述实验目的及实验原理、绘制实验系统简图，满分20分。分。2）原始数据完整，数据处理过程清晰，结果正确。能正确）原始数据完整，数据处理过程清晰，结果正确。能正确绘制实验曲线，满分绘制实验曲线，满分60分。分。3）对实验结果分析，满分）对实验结果分析，满分20分。分。2.2.实验过程（表现）评分标准（实验过程（表现）评分标准（100100分计）分计）1）预习情况）预习情况满分满分30分；分；2）实验操作）实验操作满分满分40分；分；3）实验态度）实验态度满分满分30分。

5、分。12 测量的概述 测量仪表的分类和特性热工测量和仪表的基本知识热工测量和仪表的基本知识13测量概述测量概述测量的定义：用实验的方法，将被测量的量与：用实验的方法，将被测量的量与选作单位的同类量进行比较，从而确定被测量选作单位的同类量进行比较，从而确定被测量量的值的过程。量的值的过程。测量的分类：直接测量和间接测量1. 直接测量：利用标准尺度与被测量量直接进行比较而获得结果的方法；2. 间接测量：凡是不能被直接测量，而是通过测量其他相关物理量，按一定的函数关系得到被测量量的方法，均称为间接测量。14直读法：由度量标准直接比较或由仪表直接读出；差值法：用仪表测出二量之差即为所要求之量；代替法：

6、用已知量代替被测量，而两者对仪表的影响相同，则被测量量就等于已知量的方法（曹冲称象）；零值法：被测量对仪表的影响被同类的已知量的影响抵消，使总的效应为零，则被测量等于已知量(天平)。直接测量的方法直接测量的方法15测量误差测量误差测量误差的表示测量误差的表示绝对误差相对误差折合误差误差的性质和分类误差的性质和分类疏忽误差（过失误差）系统误差随机误差16测量误差表示方法测量误差表示方法一、测量误差的表示方法 在测量过程中，总是存在着各种各样的影响因素，使得测量结果与被测参数的真实值不相符，即存在测量误差。测量误差一般有三种表示方法；1、绝对误差：仪表的测量值与被测量的真实值之间的差值，即： 式中

7、：绝对误差； x测量值； x0被测量的真实值（真值）。 在实际测量中，测量误差的存在是不可避免的，我们一般把所用的测量仪表更准确的标准表的测量结果作为被测量的真实值。0=xx172、相对误差：是仪表的绝对误差与被测量的真实值之比。即： 对于大小不同的测量值，相对误差比绝对误差更能反映测量的准确程度。相对误差越小，测量的准确度越高。3、折合误差：也称为引用误差，是测量的绝对误差与仪表量程之比的百分比，即：式中：Amax- Amin仪表的量程。 一般情况下，判断仪表的质量好坏时不采用绝对误差一般情况下，判断仪表的质量好坏时不采用绝对误差和相对误差的表示形式，而采用折合误差。和相对误差的表示形式，而

8、采用折合误差。000100%100%xxxx相对误差0maxminmaxmin100%100%xxAAAA18 例1-1.有一只体温表和一只炉温表，它们的测温范围分别为32-42和0-1000,如果绝对误差为1，则折合误差分别是多少？解：体温表的折合误差： 炉温表的折合误差： 可见两只温度表的绝对误差虽然相同，但准确程度大不相两只温度表的绝对误差虽然相同，但准确程度大不相同，前者应当报废，后者却很难达到如此高的准确程度。同，前者应当报废，后者却很难达到如此高的准确程度。maxmin1100%100%10%4232AA maxmin1100%100%0.1%10000AA 19测量误差的性质和分

9、类测量误差的性质和分类根据误差的性质不同，可分为三大类：1、系统误差、系统误差 在相同条件下多次重复测量同一被测量时，如果每次的测量值误差基本保持不变或者按一定规律变化，则这种误差被称为系统误差。系统误差产生的原因主要有：（1）测量仪器或测量系统本身不够完善，如仪表本身刻度不准，测量原理不完善；（2）仪表使用不当，如测量人员操作不当，读数不准等；（3）测量时外界环境条件变化，如环境温度、湿度、电磁场影响等； 由于系统误差通常具有一定的规律性，测量时应尽可能地设法消除此类误差或对测量结果加以修正，以提高测量的准确程度。20测量误差的性质和分类测量误差的性质和分类2、随机误差、随机误差 在设法消除

10、了系统误差之后，在相同条件下，对同一测量值进行多次反复测量时，也会出现绝对值和符号不确定的微小误差，这种误差称为随机误差，也称为偶然误差。随机误差产生的原因： 由于测量过程中大量彼此独立的微小因素对测量的影响造成的。3、疏忽误差、疏忽误差 是由于测量人员在测量过程中疏忽大意，仪表的误动作等原因造成的测量误差，也称粗大误差。 粗大误差通常表现为数值较大且无任何规律可言，含粗大误差的测量值，称为坏值，应当剔除。21随机误差的性质随机误差的性质一次测量无规律，但多次测量符合正态分布；一次测量无规律，但多次测量符合正态分布；真值的获得：真值的获得：最小二乘法最小二乘法1.等精度测量取算术平均值等精度测

11、量取算术平均值随机误差概率密度的正态随机误差概率密度的正态分布曲线如右图所示：分布曲线如右图所示：22相似理论相似理论相似理论是实物实验和模型实验桥梁。相似理论是实物实验和模型实验桥梁。相似理论的核心内容相似理论的核心内容相似第一定理相似第一定理：彼此相似的现象，它们的同名：彼此相似的现象，它们的同名准则数必定相等；准则数必定相等；2. 相似第二定理相似第二定理：任何微分方程式所描述的物理：任何微分方程式所描述的物理现象都可以用从该微分方程式导出的相似准则现象都可以用从该微分方程式导出的相似准则的函数关系式来表示；的函数关系式来表示；3. 相似第三定理相似第三定理：凡是单值性条件相似，同名定：

12、凡是单值性条件相似，同名定型准则相等的那些物理现行必定是相似现象。型准则相等的那些物理现行必定是相似现象。23相似理论在实验中的应用相似理论在实验中的应用 实验必须在相似的条件下进行；实验必须在相似的条件下进行； 实验中应该测量包含在形似准则中的所有物理实验中应该测量包含在形似准则中的所有物理量；量； 实验数据应该整理成形似准则的函数关系；实验数据应该整理成形似准则的函数关系； 实验结果可以推广到形似现象中去。实验结果可以推广到形似现象中去。24测量仪表的分类测量仪表的分类 范型仪表（标准仪表）范型仪表（标准仪表） 用来复制或保持测量单位，或者用来对各种测量仪表进行校核和刻度工作的仪表。 实用

13、仪表实用仪表 实验中用来测量数据的仪表。 实验中主要使用实用仪表。实验中主要使用实用仪表。25仪表的一般构成仪表的一般构成 感受件感受件：直接与被测对象联系，感受被测参数的变化，并将其转换成一种信号输出。 显示件显示件：仪表通过它向观察者反映被测参数的变化。根据显示件的不同，仪表可以分为直读式和记录式两种。 中间件中间件：中间件的作用是将感受到的输出信号传输给显示件。在传输过程中，信号可以放大、转换。26测量仪表的特性测量仪表的特性 灵敏度灵敏度 分辨率（或灵敏度限）分辨率（或灵敏度限） 准确度准确度 复现性复现性 动态特性动态特性27温度和温度场的测量温度和温度场的测量测量温度的仪表测量温度

14、的仪表 棒式温度计1.玻璃管式温度计2.双金属温度计 压力表式温度计 电阻温度计 热电偶温度计热电偶温度计 光纤温度计28红液温度计内标温度计纸板温度计纸板温度计水银温度计水银玻璃管式温度计水银玻璃管式温度计压力表式温度计压力表式温度计电接触式温度计电接触式温度计数字式温度计高温光纤温度传感器红外线温度计红外线温度计辐射温度计和光测温度计辐射温度计和光测温度计双金属温度计结构双金属温度计结构 双金属温度计双金属温度计装配式热电偶装配式热电偶装配式热电偶装配式热电偶温度传感器温度传感器- 热电偶温度计测量原理热电偶温度计测量原理热电偶测温的基本原理热电偶测温的基本原理 两种不同的导体或半导体材料

15、两种不同的导体或半导体材料A和和B组成的回路。组成的回路。 如果如果A和和B所组成回路的两个接合点的温度所组成回路的两个接合点的温度t和和t0不不相同，则回路中就有电流产生，即回路中有电动势相同，则回路中就有电流产生，即回路中有电动势存在，这种现象叫热电效应。存在，这种现象叫热电效应。 测量端或热端测量端或热端 参比端或冷端 热电动势 EAB（t，t0） 图2-3 热电偶回路tt043当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端、冷端、冷端端t t0 0） 左端称为：左端称为：测量端测

16、量端（工作（工作端、热端、热端端t t） 热电极热电极B B热电势热电势AB热电偶温度计测量原理热电偶温度计测量原理EAB（t，t0）44热电偶温度计测量原理热电偶温度计测量原理 （1）只有两种不同性质的材料才能组成热电偶回路，相同材料组成的闭合回路不会产生热电动势相同材料组成的闭合回路不会产生热电动势。 （2）热电偶回路中热电动势的大小只与组成热电偶的材料的性质及两端接点处的温度有关，而与热电偶丝而与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。的直径、长度及沿程温度分布无关。 （3）若组成热电偶的材料确定后，且t0己知并恒定，热电动势EAB（t，t0）只是温度t的单值函数。因此，测量热电动势的大

17、小，就可以求得温度t的数值，这就是用热电偶测量温度的原理。45热电偶主要型号及其优缺点热电偶主要型号及其优缺点1铂铑铂铑10-铂热电偶铂热电偶(分度号分度号S) 最高温度可达1300，短期使用可达1600；不能在还原性气氛及含有金属和非金属蒸汽中使用 优点：热电特性稳定、复制性好，测量准确度高 缺点：热电势率较小，热电特性是非线性的、价格较贵，机械程度较差，高温下铂电极对污染很敏感46热电偶主要型号及其优缺点热电偶主要型号及其优缺点2镍铬镍铬-镍硅镍硅(镍铬镍铬-镍铝镍铝)热电偶热电偶(分度号分度号K) 廉价金属热电偶 最高温度为1200，短期测温可达1300。 温度和热电势关系较近似于直线关

18、系。但其准确度比S偶低，且不足之处是在还原性介质中易被腐蚀。 镍铬镍铬-康铜热电偶康铜热电偶(分度号分度号E) 长期使用最高温度为750，短期使用最高可达900 热电偶的热电势率最高，在300800范围内热电特性线性较好，测量灵敏度高，价格便宜，缺点是不能测高温，因为负极是铜镍(康铜)合金，在高温下易氧化变质。 47热电偶传感器结构热电偶传感器结构(一一) 普通型热电偶普通型热电偶1热电极： 图2-19 各种热电偶48热电偶传感器结构热电偶传感器结构2绝缘材料绝缘材料 热电偶的两根热电极要很好地绝缘，以防短路。3保护套管保护套管为了防止热电极遭受化学腐蚀和机械损伤 4接线盒接线盒接线盒中有接线

19、端子，它将热电极和补偿导线连接起来。接线盒起密封和保护接线端子的作用。 49热电偶传感器结构热电偶传感器结构 (二二) 铠装热电偶铠装热电偶 铠装热电偶是由金属套管，绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体 铠装热电偶的主要优点是，热端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，耐高压，震强烈动和冲击，可安装在结构复杂的装置上 50热电偶传感器结构热电偶传感器结构 采用了锥形套管，三角锥面支撑和热套保温的焊接式安装结构。 蒸汽流入并充满安装套管与热电偶保护套管之间的环形管内，形成热套对热电偶加以保温，既保证热电偶有足够的插入深度，又缩短了热电偶保护套管的悬臂长度。 由于增加了被测介质热对电偶的

20、热交换面积和利用热套对热电偶的有效保温，从而减小了沿热电偶轴向的温度梯度和由于导热影响引起的测温误差。 热套式热电偶的测温元件采用镍铬-铬硅或镍铬-铜镍铠装热电偶 (三三) 热套式热电偶热套式热电偶51热电偶传感器结构热电偶传感器结构(四四) 薄膜热电偶薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。 这种薄膜热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量，动态响应快，可测量瞬变的表面温度。 其中片状结构的薄膜热电偶，是采用真空蒸镀法将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，上面再蒸镀一层二氧化硅薄膜作绝缘和保护层。 52热电偶温度传感器的安装要求热电偶温度传感器

21、的安装要求 测温准确测温准确 (c) (a) (b) 安全可靠 维修方便53工质流量的测量工质流量的测量（1 1）差压式流量计差压式流量计: : 通过测量差压来间接确定流体流量的通过测量差压来间接确定流体流量的流量计。如孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计等。流量计。如孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计等。（4 4）质量流量计质量流量计：直接或单一测量读出质量流量的流量：直接或单一测量读出质量流量的流量计。如直接式和间接式质量流量计。计。如直接式和间接式质量流量计。（2 2）速度式流量计速度式流量计：利用测量管道内部流体速度的大小来测：利用测量管道内部流体速度的大小来测量流量的流量计统称为速

22、度式流量计。如涡轮、涡街、超声量流量的流量计统称为速度式流量计。如涡轮、涡街、超声流量计。流量计。（3 3）容积式流量计容积式流量计：利用一个标准小容积连续地定排量测量，：利用一个标准小容积连续地定排量测量，根据标准容积的容积值和连续测量的累计次数，求得累积流根据标准容积的容积值和连续测量的累计次数，求得累积流量的流量计。常见的有椭圆齿轮流量计、刮板流量计、旋转量的流量计。常见的有椭圆齿轮流量计、刮板流量计、旋转活塞流量计、湿式流量计等。活塞流量计、湿式流量计等。 测量流量的仪表测量流量的仪表54工质流量的测量工质流量的测量流体自下而上运动时，作用在浮子上的阻力流体自下而上运动时，作用在浮子上

23、的阻力; ; 浮子本身的垂直向下的重力；流体浮子本身的垂直向下的重力；流体对浮子所产生的垂直向上的浮力。当浮子处于平衡状态时对浮子所产生的垂直向上的浮力。当浮子处于平衡状态时, ,有：有：差压式流量计差压式流量计-转子流量计转子流量计式中，式中，为流量系数；为流量系数； A0为流量计有效通流面积为流量计有效通流面积； 为流体密度；为流体密度； f为浮为浮子材料的密度子材料的密度； Af为浮子的最大迎流面积。为浮子的最大迎流面积。PAqv20gVgVPAfffffffvAgVAq2055工质流量的测量工质流量的测量速度式流量计速度式流量计-涡轮流量计涡轮流量计工作原理：工作原理： 当流体通过管道

24、时，冲击管道中心涡轮叶片，对当流体通过管道时，冲击管道中心涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮产生旋转。在一定的流量范围内，涡轮产生驱动力矩，使涡轮产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。比。rtgvw0忽略涡轮上的阻力矩作用忽略涡轮上的阻力矩作用时，涡轮旋转的角速度与时，涡轮旋转的角速度与流体速度的关系：流体速度的关系：56速度式（涡轮式）流量计速度式（涡轮式）流量计工质流量的测量工质流量的测量容积式流量计容积式流量计-椭圆齿轮和椭圆齿轮和腰轮腰轮流量计流量计1.1.椭圆齿轮流椭圆齿轮流量计量计

25、：啮合齿：啮合齿轮、仪表壳体轮、仪表壳体2.2.腰轮腰轮流量计流量计583.3.湿式湿式流量计流量计容积式容积式 流量计流量计椭圆齿轮流量计流量计 腰轮流量计流量计 工质流量的测量工质流量的测量质量流量计质量流量计-直接式（科氏）流量计直接式（科氏）流量计科里奥利力来自于物科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，的质点，由于惯性的作用，有沿著原有运动方向继续有沿著原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之後，了一段时间的运动之

26、後，体系中质点的位置会有所体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。生一定程度的偏离。 60工质流量的测量工质流量的测量质量流量计质量流量计-直接式（科氏）流量计直接式（科氏）流量计科里奥利质量流量传科里奥利质量流量传感器是利用流体在直感器是利用流体在直线运动的同时，线运动的同时， 处处于一个旋转系中，产于一个旋转系中，产生与质量流量成正比生与质量流量成正比的科里奥利力而制成的科里奥利力而制成的一种直接式质量流的一种直接式质量流量传感器。量传感器。dmwvvdmwd

27、Fk22rwLkqfm461流速测量流速测量2upp传统传统方法方法皮托管皮托管旋浆式流速仪旋浆式流速仪热线式风速仪热线式风速仪新的测速方法新的测速方法 多普勒测速仪多普勒测速仪（激光、超声）（激光、超声）皮托管皮托管皮托管示意图皮托管示意图接微压计接微压计总压取压管总压取压管静压取压管静压取压管旋浆式流速仪旋浆式流速仪用于河流、渠道、水库等水断面中测定测点的水流平均速度热线式风速仪热线式风速仪叶轮风速仪叶轮风速仪（风速仪）（风速仪）现代测速仪表现代测速仪表声学多普勒流速测量仪 声学多普勒流速测量仪流速测量仪 风速仪风速仪风速仪风速仪技术参数技术参数 1.测速范围：150m/s-1,000m/s 2.精度：0.1% 3.适用于气、液或多相流的三维测量 激光多普勒流速测量仪流速测量仪 工质压力的测量工质压力的测量71工质压力的测量工质压力的测量72工质压力的测量工质压力的测量73工质压力的测量工质压力的测