热工实验原理(第一章)

2023/1/151热工实验原理与技术要求：1、认真完成作业保证出勤率，占期末成绩10%2、认真完成实验，占期末成绩30%材料与冶金学院热能工程系刘颖杰第一章测量及测量仪表的基本知识热工实验原理及技术：热工测量技术是在热工基础理论的指导下，涉及多个领域的一门特殊学科。热工测量内容：热工测量（温度、压力、流量、流速）；热物性测量（导热系数、比热、热值等）；气体成分测量。第一章测量及测量仪表的基本知识1.1测量的定义及测量方法1.1.1测量的定义1.测量定义：被测量X与标准量U比较，确定两者的比值a（测量值），从而得到被测量的量值。即

被测量比值标准量

2.被测量的分类

静态参数（常数）：参数不随时间变化。

动态参数：参数随时间变化。第一章测量及测量仪表的基本知识1.1测量的定义及测量方法1.1.2测量方法

直接、间接、组合。1.直接测量法定义：被测量y直接与标准量x比较测量（直读和比较法），如玻璃温度计测温等。表达式：

y=ax，a为测量值。如时间、长度、质量；温度、压力、湿度等。①直读法：直接从仪器上读取被测量的结果。②比较法：不能从仪表上直接读取结果。可分为零值法、差值法和代替法。第一章测量及测量仪表的基本知识零值法：天平测量方法。电位差计测量方法。差值法：测建筑物的高度。建筑物高度=H-h代替法：以中间变量代替目标变量。如2间接测量方法定义：直接测量量与被测量有某种关系，用计算或标定的方法得到被测量称为间接测量法。表达式：y=f(x1,x2,…,xm)如流量、流速等。如：气体的总压头与静压头、动压头的关系为第一章测量及测量仪表的基本知识3组合测量（未知量以不同形式组合）各未知量以不同的组合形式出现（或改变测量条件以获得这种不同组合），根据直接测量或间接测量获得的数据，通过联立方程组求未知量。如用铂电阻温度计测温，其电阻值和温度关系为Rt=R0(1+at+bt2)，要确定公式中的未知常数a,b，可通过在不同温度下测电阻值Rt，然后列方程组求解。第一章测量及测量仪表的基本知识1.2测量系统的结构及基本功能1.2.1测量系统组成如图。有模拟与数字系统之分。传感器变送器传送通道显示装置被测量测量值第一章测量及测量仪表的基本知识1.2测量系统的结构及基本功能1.2.2测量环节及其功能1.传感器

把被测信号（非电量信号，如物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种信号输出。（通常为电信号）与被测对象直接发生联系，时实验的首要环节(又称为一次仪表）第一章测量及测量仪表的基本知识传感器应满足以下几方面要求：

①输入与输出之间有稳定的单值函数关系；

②输出量只对被测量变化敏感；

③传感器在测量过程不对介质状态产生影响。2变送器(隔离器)①对小信号放大且标准化；对大信号标准化。②输出标准：4~20mA；1-5V；输入、输出隔离。第一章测量及测量仪表的基本知识3显示装置显示工程十进制数或状态，显示仪表有三种：

模拟式：以指针形式指示被测参数。有视差、变（回）差。

数字式：以数字形式给出被测参数值，无视差、变（回）。可打印、存储和通讯输出。屏幕式：模拟数字兼容，可显示数字、曲线和状态。

通常为矩阵点阵式。4传输通道（介质）

是各环节间输入输出信号的连接部分。入各环节时分离的，那么就需要把信号从一个环节送到另一个环节。电磁波、电线、光纤和管路。易引起干扰、失真、损耗。共36页讲稿18页照片15页2023/1/1511共36页讲稿18页照片15页2023/1/1512共36页讲稿18页照片15页2023/1/1513共36页讲稿18页照片15页2023/1/1514第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.1真值及测量误差的定义（基本术语）

①真值：实际值，被测量客观存在的数值。用表示。②测量值：也称示值，仪表测量的结果。用表示。③测量误差：测量值和真值之间的差异。第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.2测量误差分类1按照误差数值的表示方法分

①示值的绝对误差测量仪表的测量值与被测量真值的差值称为绝对误差。即

绝对误差与测量值或真值的量纲相同；

绝对误差可正可负。第一章测量及测量仪表的基本知识②实际值的相对误差示值的绝对误差与被测量的实际值（真值）之比百分数。即③示值的相对误差示值的绝对误差与被测量之比的百分数，称为示值的相对误差。X0无法获得，实际计算把最优概值作为X0实际应用中，仪表的指示值和实际值相差很小，近视相等，因此可以用仪表的示值的相对误差取代实际值的相对误差。第一章测量及测量仪表的基本知识1按照误差数值的表示方法分④引用误差示值的绝对误差与仪表的量程范围之比的百分数。

⑤基本误差（精度等级）示值的最大绝对误差与仪表的量程范围之比的百分数。

⑥精度等级

基本误差去掉%称为仪表的精度等级。

我国大部分仪表按照满度误差分级，依次划分为7个等级0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0级。例1-1对某精度等级为1.0级，量程范围0~1.00MPa的压力表，求测量值分别为X1=1.00MPa，X2=0.80MPa，X3=0.20MPa时的绝对误差和示值相对误差。第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.2测量误差分类1按照误差数值的表示方法分例1-1对某精度等级为1.0级，量程范围0~1.00MPa的压力表，求测量值分别为X1=1.00MPa，X2=0.80MPa，X3=0.20MPa时的绝对误差和示值相对误差。解：根据基本误差（精度等级）定义，(最大)绝对误差为测量值为1.00MPa，0.80MPa，0.20MPa时，其示值的相对误差分别为结论：同一量程内，测量值越小，示值的相对误差越大。例1-2要测量100℃的温度，现有精度等级为0.5级，测量范围为300℃；精度为1.0级，测量范围为0~100℃的两种温度计，试分析各自产生的示值误差。第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.2测量误差分类1按照误差数值的表示方法分例1-2要测量100℃的温度，现有精度等级为0.5级，测量范围为300℃；精度为1.0级，测量范围为0~100℃的两种温度计，试分析各自产生的示值误差。解：①0.5级温度计，可能产生的最大绝对误差

示值的相对误差为第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.2测量误差分类1按照误差数值的表示方法分②1.0级温度计，可产生的最大绝对误差为示值的相对误差为结论：测量值越接近量程上限，示值得相对误差越小。并不是通常所说的精度高的仪表测量误差就一定小。第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.2测量误差分类2按照误差的特性分①系统误差定义：在相同测量条件下，对同一被测量进行多测量时，误差的大小和符号保持恒定，或按照一定规律变化，这类误差称为系统误差。前者称恒值系统误差，后者称变值系统误差。系统误差可以通过纠正消除。产生原因：（4点）设计上的缺陷。刻度，刻度盘，指针，零点。测量环境条件不一致。温度，湿度，电源电压与要求不一致。近似测量及计算引起的。错误的测量习惯造成的。第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.2测量误差分类2按照误差的特性分②随机误差（偶然误差）x定义：在相同条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号时大时小，时正时负，无规律。产生原因：（3个）仪器本身：仪器电子元件不稳定，机械配合不稳定，电器接触不良。环境条件：电网电压波动；电磁干扰；机械振动等。测量者：测量人员测量过程不规律变化引起读数不稳。第一章测量及测量仪表的基本知识2按照误差的特性分③过失误差（疏忽误差或粗大误差）定义：在一定的测量条件下，测量值明显偏离实际值所形成的误差，称为粗差（又称坏值）。产生原因：（3个）测量方法不当或错误。用大量程仪表测小示值；测量操作疏忽和失误。操作，读数，记录错误；测量过程中测量条件突然变化引起的错误结果。不考虑过失误差的测量绝对误差为（系统误差+随机误差）第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.2测量误差分类3按测量误差产生的来源可分(6个)①仪表误差；②人为误差（操作误差）；③环境误差；④方法误差；⑤装置误差（使用、安装不当）；⑥校验误差。第一章测量及测量仪表的基本知识1.3测量误差与测量精度的基本内容1.3.3测量精度（注：不是仪表精度）1准确度：系统误差对测量值影响程度。准确度反应对同一被测量进行多次测量时，测量值偏离真值的程度。系统误差小，准确度高；系统误差大，准确度低b)比a)，c)准确度高，但不如d)准确度高第一章测量及测量仪表的基本知识2精密度：随机误差对测量值的影响程度。精密度反应对同一被测量进行多次测量时，测量值的重复一致程度或测量值分布密集程度。随机误差小，精密度高；随机误差大，精密度低c)比a)，b)精密度高，但不如d)精密度高第一章测量及测量仪表的基本知识3精确度：系统误差和随机误差对测量值的综合影响程度。也称测量精度。d)的准确度、精密度比其它的高，即精确度高共36页讲稿18页照片15页2023/1/1532（a）准确度、精密度低；（b）精密度低；（c）精密度高、正确度低；（d）准确度高例：射击结果分析第一章测量及测量仪表的基本知识1.4测量仪表的分类和基本性能1.4.1测量仪表的分类1按显示记录形式及功能分类（2类）①模拟式②数字式。包括指示和记录形式。2按工作原理分类（4类）①机械式;②电子式;③气动式（气压表）;④液动式。3其它分类方法（2类）用途：①实验室用②工程用。使用方法：固定式，便携式。第一章测量及测量仪表的基本知识1.4测量仪表的分类和基本性能1.4.2测量仪表的基本性能（5个方面）基本性能：测量范围；精度；稳定性；静态特性；动态特性。1仪表的测量范围（量程）测量的最大值减去最小值，用小写lm表示。量程选择应使被测量在其满量程的三分之二左右。第一章测量及测量仪表的基本知识2仪表的精度s(小写)用小s表示。它是基本误差去掉%，即仪表的精度等级序列：0.005，0.01，0.02，0.04，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0使用仪表时应注意以下问题：同一精度、量程相同的仪表，测量的绝对误差是固定不变的；同一精度，量程不同的仪表，测量的绝对误差是不同的。提示：选择仪表时，既要考虑仪表精度，又要考虑仪表量程。第一章测量及测量仪表的基本知识例如：被测温度在40℃左右变化，绝对误差（系统误差）要求不超过±0.5℃，则选用0~50℃量程仪表，其精度为级可满足±0.5℃精度要求。如果选用0~100℃量程仪表，为满足±0.5℃精度要求，则必须选用0.5级的仪表。。第一章测量及测量仪表的基本知识1.4测量仪表的分类和基本性能1.4.2测量仪表的基本性能3仪表的稳定性两个指标：稳定度和环境影响系数。①稳定度

:稳定状态测标准量，间隔一定时间的两次测量示值差。例如2小时测量示值增大了2.5℃，稳定度可表示为第一章测量及测量仪表的基本知识1.4测量仪表的分类和基本性能1.4.2测量仪表的基本性能②环境影响系数β：由温度、大气压、振动、电源电压、频率等外部条件对其示值的影响。如：温度影响系数（示值变化值/温度变化值）；电源电压系数

(示值变化值/电源电压变化值)。第一章测量及测量仪表的基本知识4仪表的静态特性（4项）定义：稳态下仪表的输出与输入之间的关系。由四个参数表示：灵敏度、分辨率、线性度；变差。①灵敏度定义：输出量的变化与输入量的变化之比。用大写S表示。记作第一章测量及测量仪表的基本知识例：弹簧管压力计压力从20Pa变到50Pa时，压力计的指针划过弧长为3cm，该压力计的灵敏度为第一章测量及测量仪表的基本知识②分辨率（灵敏限）定义：引起仪表输出量变化的最小输入量变化。

(不大于仪表测量值中最大示值绝对误差绝对值