能源环境测试技术

1第1章

绪论1.1测试的基本概念及测试技术的发展1.2测试系统的组成1.3测量方法的分类1.4测量仪表的性能指标21.1测试的基本概念及测试技术的发展1.1.1测试的概念及作用测试是人们从客观事物中提取所需信息，借以认识客观事物，并掌握其客观规律的一种科学方法。010203设备状态监测生产过程控制改进工艺过程和设备性能测试的作用测量→判断→预测、找出故障原因等控制系统的正常运行依赖于测试工作的准确性测试结果是进一步改进设计的基础1.1测试的基本概念及测试技术的发展31.1测试的基本概念及测试技术的发展1.1.2测试技术的发展发展的主要方面01传感技术传感器向着多功能化、微型化、集成化、数字化、智能化方向发展。02测试系统集虚拟化、综合化、网络化于一体的网络中心测试与评价技术将是未来的发展方向。03测试方法各种新测试技术应运而生并不断向多功能化、实用化发展。41.1测试的基本概念及测试技术的发展1.1.3能源环境测试的主要内容51.2测试系统的组成1.2测试系统的组成图1测试系统的组成61.2测试系统的组成2.中间转换器将传感器输出的电信号进行传输、放大或转换成标准统一信号送到显示记录装置。3.信号分析处理仪器将中间转换器输出的电信号进行进一步的处理，并进行数据分析，通过数据分析可以测被测数据中得到有关被测信号不同的信息。4.显示记录装置

将对被测对象所测得的有用信号及其变化过程显示或记录（或存储）下来。1.传感器GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。71.3测量方法的分类1.3

测量方法的分类1.3.1按测量手段分类测量手段02间接测量利用直接测量的量与被测量之间的函数关系间接得到被测量的量值的测量方法。01直接测量从测量仪器中直接获取被测量的量值03组合测量当被测量和其它几个量在不同条件下可组合成联立方程，通过直接测量这几个其它量以后，再求解联立方程而得到被测量的方法81.3

测量方法的分类1.3.2按传感器是否与被测对象接触分类是否接触传感器的敏感元件与被测对象直接接触，并承受被测对象参数的作用输出测量结果。接触式测量01传感器的敏感元件不与被测对象直接接触而得出测量结果的测量方法。非接触式测量0291.3

测量方法的分类1.3.3按被测对象参数变化快慢分类参数变化快慢被测量不随时间变化而变化，或者随时间变化很缓慢。静态测量01被测量随时间变换而变化较快时的测量动态测量02101.4测量仪表的性能指标1.4测量仪表的性能指标1.4.1静态性能指标1.精确度表征仪表对被测量值的测量结果（仪表的示值）与被测量真值的一致程度。（1）仪表的引用误差与允许误差引用误差:允许误差:111.4测量仪表的性能指标（2）精度等级精度等级是允许误差去掉正、负号及百分号得到的数值。

根据《GB/T13283-2008工业过程测量和控制用检测和显示仪表精确度等级》的推荐，我国工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精度等级有：0.01、0.02、（0.03）、0.05、0.1、0.2、（0.25）、（0.3）、（0.4）、0.5、1.0、1.5、（2.0）、2.5、4.0、5.0共16个，其中括号中的5个不推荐使用。121.4测量仪表的性能指标

例1、某台测温仪表的量程是600~1100℃，仪表的最大绝对误差为±4℃，试确定该仪表的精度等级。

解：

精度为0.5级的仪表的允许误差（满度误差）是0.5%，小于0.8%，所以，这台仪表的精度等级应定为1.0级。

例2、需要选用一台量程为600~1100℃的温度仪表测量温度，工艺要求仪表的误差不得超过±4℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？精度等级为0.5级的仪表才能满足工艺要求。解：131.4测量仪表的性能指标

①由上面两个例子可以看出，校验仪表时确定仪表的精度等级与根据工艺要求来选择仪表的精度等级是不一样的。②仪表的精度与量程有关。在仪表精度一定的前提下适当缩小量程，可以减小测量误差。注意：14

定义：表征线性刻度仪表的输出量与输入量的实际校准曲线与理论直线的吻合程度。

线性度示意图2.线性度

表示方法：通常用实际测得的输入－输出特性曲线（校准曲线）与理论直线之间的最大偏差与测量仪表量程之比的百分数表示。1.4测量仪表的性能指标151.4测量仪表的性能指标3.灵敏度与分辨力表示测量仪表对被测量变化的敏感程度。

灵敏度Ｓ=ΔY/ΔXyx△x△y△y△x

分辨力是指测量仪表能检测出来的输入量的最小变化量，通常用最小单位输出量所对应的输入量来表示。（1）灵敏度（2）分辨力161.4测量仪表的性能指标4.回程误差（变差、迟滞）

相同的测试条件下，在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对应于同一输入量所得到的输出量往往存在差值的现象。

测量仪表内部的弹性元件的弹性滞后、磁性元件的磁滞现象以及机械摩擦、材料受力变形、间隙等。产生原因：175.漂移1.4测量仪表的性能指标时间漂移在温度或电源等不变的条件下，输入信号不变，仪表的指示值的变化情况，01温度漂移当输入不变，仪表在温度变化时特性会发生变化，从而引起输出的变化。02漂移

测量仪表在正常使用的条件下，被测量不发生任何变化，而测量仪表的指示值却发生了变化的现象。181.4.2动态性能1.4测量仪表的性能指标1.频率响应函数描述测量仪表对不同频率信号的传递特性的方法。

测量仪表的频率响应函数能确定在进行动态测量时，测量仪表不失真工作的频率段是否符合要求。2.脉冲响应函数和阶跃响应函数被测量为脉冲信号时，测量仪表的输出被称为脉冲响应函数；当输入为阶跃信号时，测量仪表的输出被称为阶跃响应函数。通过脉冲响应函数或阶跃响应函数，可以了解测量仪表对被测量的响应快慢。1920第2章

温度测量2.1概述2.2膨胀式温度计2.3热电偶温度计2.4热电阻温度计2.5接触式测温的测量误差2.6非接触式热辐射测温计2.7光纤温度传感器2.8其他测温技术212.1概述宏观概念：冷热程度的表示。微观概念：大量分子运动平均强度的表示。温度什么是“温度”？热力学温度K——国际单位制中7个基本物理量之一2.1概述22

温标：为了保证温度量值的统一和准确而建立的一个用来衡量温度的标准尺度。2.1.1温标2.1概述温标经验温标华氏温标摄氏温标热力学温标国际温标232.1.1温标

温度是利用一些物质的相平衡温度作为固定点刻在标尺上。温标三要素（三个基本条件）温度计固定点内插方程241.经验温标

经验温标：借助于某一种物质的某一物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。

以水银为测温介质，以水银的体积随温度的变化为依据。华氏温标

水的沸腾温度为212度，氯化氨和冰的混合物为0度摄氏温标

冰点定为0度．把水的沸点定为100度缺点：局限性和随意性，不能适用于任意地区或任何场合。两者关系：华氏温度=1.8*摄氏温度+322.1.1温标252．热力学温标

开尔文提出，在可逆条件下，工作于两个热源之间的卡诺热机与两个热源之间交换热量之比等于两个热源热力学温度数值之比：Q1/Q2=T1/T2

或T1=(Q1/Q2)·T2式中：Q1——卡诺热机从高温热源吸收的热量；Q2——卡诺热机向低温热源放出的热量；T1——高温热源的温度；T2——低温热源的温度。温度T是热量Q的函数，而与工质无关。2.1.1温标26

假设待测热源的热力学温度为T，一个标准热源的热力学温度已知为273.16K（水三相点），利用卡诺热机测温，令Ts=273.16K，则有：

T/Ts=Q/Qs或T=(Q/Qs)·Ts式中：Qs——卡诺热机向标准热源放出的热量。

如果能用卡诺热机测出比值Q/Qs，则可由上式求得待测热源的热力学温度。——热力学温标的内插方程缺点：设备复杂、价格昂贵。2.1.1温标27

同时使用国际开尔文温度（T90）和国际摄氏温度（t90），它们的单位分别是“K”和“℃”。T90

与t90

的关系是：3.国际温标t90=T90-273.151990年国际温标(ITS-90)：以定义固定点温度指定值以及在这些固定点上分度过的标准仪器来实现热力学温标的，各固定点间的温度是依据内插公式使标准仪器的示值与国际温标的温度值相联系。2.1.1温标28接触式测量非接触式测量原理：Ａ、利用热交换，充分接触；Ｂ、利用某种物体的物理特性，如热胀冷缩、热电效应等。

原理：

任何物体处于绝对零度以上时都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量，辐射能量随温度的变化而变化。2.1.2温度测量方法及测量仪表的分类2.1.2温度测量方法及测量仪表的分类29接触式测量非接触式测量

优点：准确度较高。

缺点：感温元件与被测物体接触，可能破坏被测物体的热平衡状态；受被测介质的腐蚀作用；响应速度较慢。

优点：不改变被测物体的温度分布，热惯性小，能测量的温度范围上限高，响应速度较快，无腐蚀，可测运动物体温度。

缺点：准确性较低。2.1.2温度测量方法及测量仪表的分类302.2膨胀式温度计2.2膨胀式温度计1、原理2.2.1液体膨胀式温度计温度变化所引起的工作液体体积变化为:式中:——分别为工作液在0、t1、t2摄氏度时的体积（mm3）

——分别为工作液体和玻璃的体膨胀系数（1/K或1/℃）利用物体受热膨胀的原理制成的温度计。312.2.1液体膨胀式温度计

优点：直观、准确、结构简单、价格低廉。

缺点：不能自动记录、不能远传、易碎、有延迟。2、玻璃管液体温度计的主要特点3、玻璃管温度计测温误差分析1）玻璃材质滞后引起的误差2）非线性误差由两个固定点间均匀划分等分来进行分度的。322.2.1液体膨胀式温度计3）温度计插入深度不够引起的误差

露出液体部分的温度修正值为：

例：某一测量蒸汽管道中蒸汽温度的水银温度计指示值为240℃，温度计插入处的刻度是50℃，液柱露出部分的环境平均温度为28℃，试求蒸汽的真实温度。33

工作液与玻璃管壁面间的表面吸附力会造成工作液流动的迟滞性，从而降低温度计的灵敏度，甚至出现液柱中断的现象。4）工作液的迟滞性5）读数误差

注意：读数时只能小心转动温度计顶端的小耳环，切不可用手摸标尺或将温度计取出插孔，更不允许用手握住温包来读数，否则都会造成极大的读数误差。2.2.1液体膨胀式温度计342.2.2压力膨胀式温度计2.2.2压力式温度计

原理：利用密闭容积内工作介质的压力随温度变化的性质，通过测量工作介质的压力来判断温度值的一种机械式仪表。

工作介质：气体、液体或蒸汽

测量范围：-60~600℃

优点：结构简单、可靠性好，抗振性能好，防爆性能好。

缺点：动态性能差，滞后较大。352.2.3固体膨胀式温度计2.2.3固体膨胀式温度计利用两种膨胀系数不同的金属来测量温度。两种膨胀系数不同的金属片焊接在一起，受热膨胀情况不同，产生弯曲，弯曲程度与温度成比例。特点：结构简单、可靠，精度不高（1.0，1.5，2.5，4.0）。双金属温度计：

式中：K——比弯曲（1/℃）：当温度变化1℃时，其自由端的挠度变化。362.3热电偶温度计2.3热电偶温度计2.3.1热电偶的工作原理

热电效应(塞贝克效应)——两种不同的导体或半导体连接成一个闭合回路，若两接点温度不同，回路中会产生热电动势。

放置于被测介质温度为t的一端称为工作端或热端；另一端称为参比端或冷端，温度为t0。此回路产生的热电势可用下式表示：为了达到正确测量温度的目的，必须使参比端温度维持恒定。37由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。2.3.1热电偶测温的原理

产生的电动势=接触电势+温差电势

2、温差电势接触电势的大小只与接点温度的高低以及导体A和B的电子密度有关：

1、接触电势由于导体两端温度不同而产生的电动势。（1）温度越高，接触电势越大；

（2）A和B的电子密度比值越大，接触电势越大。382.3.1热电偶测温的原理1）凡是两种不同性质的导体材料皆可制成热电偶。小结：2）热电偶所产生的热电势在热电极材料一定的情况下，仅取决于测量端和参考端的温度，而与热电极的形状和尺寸无关。3）热电偶参考端温度必须保持恒定，最好保持为0℃。

3、闭合回路的总热电势总热电势的大小与两接点温度以及导体A和B的电子密度有关。39

第三导体定律：回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，则对测量回路的总电势无影响。1、中间导体定律（第三导体定律）即：在回路中接入各种仪表或导线，只要保持导体两端温度相同，就不会对测量结果产生影响。1.热电偶2.补偿导线3.显示仪表热电偶测温系统2.3.2热电偶的应用定则2.3.2热电偶的应用定则40

热电偶在两接点温度为T、T0时热电势等于该热电偶在两接点温度分别为T、TN和TN、T0时相应热电势的代数和。2、中间温度定则——当参考端温度不为零时，可以利用中间温度定则来进行温度补偿。2.3.2热电偶的应用定则412.3.3热电偶的结构和标准化1.铠装热电偶2.3.3热电偶的结构和标准化

热电极：组成热电偶的两根热偶丝绝缘子：防止两根热电极短路保护套管：保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤接线盒：将热电偶的参考端引出，供热电偶和导线连接用，还有密封和保护接线端子的作用。1—接线盒2—保护套管3—绝缘套管4—热电极422、薄膜式热电偶采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板。特点：响应快，响应时间约为数毫秒；适合测量表面温度；测温范围一般在300℃以下。2.3.3热电偶的结构和标准化1—热极点2—绝缘基板3—热电极4—引出线432.3.4热电偶分类

2.3.4热电偶分类1.标准化热电偶GB/T16839.1-2018（国际电工标准IEC60584-1:2013）推荐了10种标准热电偶。

标准化热电偶有统一的分度表，分度表规定了其热电势与温度之间的关系，并且有相应的热电偶温度变送器、显示仪表与之配套。热电偶分度表：参考端温度为0℃时，反应热电偶输出的热电势与温度一一对应的关系的表。442.3.4热电偶分类

名称分度号测量范围（℃）特点铂铑10-铂S0～1600抗氧化、稳定性好，适合高温氧化性气氛使用铂铑13-铂R0～1600抗氧化、稳定性好，适合高温氧化性气氛使用铂铑30-铂铑6B0～1800热电势小，灵敏度低，精度高，稳定性好；常温下不需要补偿导线镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）K-200～1200线性性好，热电势大，灵敏度高，抗氧化能力较强。最常用的热电偶铜-康铜T-200～350灵敏度高，热电动势稳定，测温精度较高镍铬-康铜E-200～900热电势较大，性能较稳定铁-康铜J-200～750可用于还原气氛中，也可用于氧化气氛中镍铬硅-镍铬N-270～1300抗氧化性能强，热稳定性与R型、S型等贵金属热电偶相当钨铼5%-钨铼26%C-200～2400高真空下使用，极易氧化，稳定性较差；热电势较大，线性较好钨铼5%-钨铼20%A-200～1800易氧化，稳定性较差；热电势较大，线性较好；适用于真空、惰性气体或还原性气氛中452.3.4热电偶分类

2.非标准化热电偶非标准化热电偶：尚未形成标准化产品，没有统一的分度表的热电偶。

钨铱系热电偶：热电势较大，线性性较好，但易氧化，只能在真空或惰性气体中使用，温度不超过2200℃；

铱铑系热电偶：能在弱还原性介质中测量2000℃高温，抗温度波动性优于钨铼系热电偶，适用于航天工业；

非金属热电偶的热电势大，灵敏度高，可测3000℃的高温，但可重复性差、机械强度较低。462.3.5热电偶测温系统

2.3.5热电偶测温系统

热电偶测温系统包括：热电偶、补偿（或铜）导线、测量仪表及相应的电路。

采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，这种导线也是由两种不同金属材料制成，在一定温度范围（0～100摄氏度）内与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性，其材料又是廉价金属，称为补偿导线。1.补偿导线补偿导线控制室现场热端冷端冷端热电偶472.3.5热电偶测温系统

常用补偿导线：注意：①偿导线要与相应的热电偶配套使用；②补偿导线有正负极，不能接反。48（1）计算修正法

当热电偶热端温度为t℃，冷端温度为t0℃时，热电偶回路中的热电势为E(t,t0)，

即：要使热电偶的热电势符合分度表，只要将热电偶测得的热电势再加上E(t0，0)即可。——冷端为0℃，测量端为t℃时的热电势；——冷端为t0℃，测量端为t℃时的热电势；——冷端为0℃，测量端为t0℃时的热电势（分度表中热电势）（热电偶中热电势）2.3.5热电偶测温系统

2.热电偶的冷端温度补偿49

例：用镍铬-镍硅（K）热电偶测温，热电偶参考端温度为30℃，热电偶测得的热电势为25.566mV，求被测的实际温度。再反查分度表，得实际温度为644℃。解：由K分度表中查得E(30,0)=1.203mV，则2.3.5热电偶测温系统

50将热电偶的参比端放入能保持温度为0℃的冰水混合物中，则测得的热电势就代表被测的实际温度。1）保温瓶2）冰水混合物；3）试管4）绝缘油5）连接仪表的铜导线一般在实验室里精密测量中使用。（2）冰浴法（冷端恒温法）2.3.5热电偶测温系统

51采用不平衡电桥产生的直流毫伏信号，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化，又称为冷端温度补偿器。（3）补偿电桥法（4）机械调零法

如果热电偶测温系统中的显示仪表调零比较容易，则可以采用机械调零的方法，将显示仪表的指针直接调至实际的冷端温度，以抵消掉冷端温度不为零带来的测量误差。2.3.5热电偶测温系统

522.3.5热电偶测温系统

3.热电偶温度变送器热电偶温度变送器：将其输出的热电势转换为标准统一信号，如0～10mA直流电流信号、4～20mA直流电流信号或1～5V的直流电压信号，再输送给显示仪表或温度控制器以实现对温度的显示、记录或自动控制。比较常用的DDZ-Ⅲ型仪表的标准统一信号为4～20mA直流电流。1—热电偶2—变送器3—直流电源4—取样电阻532.4热电阻温度计2.4.1热电阻测温的基本原理

2.4.1热电阻测温的基本原理电阻的热效应——电阻随温度的变化而变化。Rt——温度为t℃时的电阻值Rt0——温度为t0℃时的电阻值α——电阻温度系数。1）金属导体电阻与温度关系54RT——温度为T时的电阻值；T——热力学温度，K；A、B——常数，其值与半导体材料结构有关。2）半导体电阻与温度关系当温度升高时，半导体的电阻会如何变化？NTC热敏电阻——负温度系数热敏电阻PTC热敏电阻——正温度系数热敏电阻2.4.1热电阻测温的基本原理

552.4.1热电阻测温的基本原理

为了适于温度测量，热电阻材料需要满足以下条件：

（1）在整个测温范围内，应具有良好的化学和物理稳定性。

（2）应具有优良的复现性，即在重复测量中能够提供一致的结果。

（3）电阻温度系数应较大，以实现高灵敏度的测量。

（4）电阻率应较高，以便制造出体积更小的传感器。

（5）电阻随温度变化的特性应尽可能线性，以便于信号处理和读数。

（6）材料成本应尽可能低。562.4.2热电阻的种类2.4.2热电阻的种类1.金属热电阻传感器Pt50表示起始电阻（0℃时电阻值）为50欧姆，Pt100表示起始电阻为100欧姆。Cu50表示起始电阻为50欧姆，Cu100起始电阻为100欧姆。（1）铂热电阻分度号Pt50Pt100，测温范围：-200~650℃特点：精度高，性能稳定，非线性

2、铜热电阻分度号Cu50Cu100，测温范围：-50~150℃特点：价格低，线性好，易氧化，适用于无腐蚀介质。57

（1）优点

1）电阻温度系数比金属热电阻要大10~100倍，灵敏度高；

2）电阻率大，连接导线电阻的变化可以忽略不计；

3）结构简单，价格低廉2.半导体热电阻（半导体热敏电阻）

（2）缺点互换性差，非线性严重，测温误差较大（2%t），适用于-55℃～315℃。2.4.2热电阻的种类582.5接触式测温的测温误差2.5.1流体温度测量2.5.1流体温度测量1、温度传感器的导热误差测量管道或容器内流体温度时，流体以对流换热方式传热给传感器，传感器再通过导热方式，向外部环境散热。2、减小导热误差的措施1）将传感器保护管外露部分做好保温，尽量减小外露部分的散热表面积。接触式测温的滞后比较大！593）传感器要有足够的插入深度。4）如管道直径过小，安装扩大管,以保证插入深度。5）传感器可以迎着流体的流动方向沿管道中心线插入安装。6）尽量选择直径细、导热性能差的保护管，尤其是外露部分的直径越细越好。2）传感器的工作端应处于管道中流速最大的地方，传感器保护管的末端应超过管道中心线约5~10mm。2.5.1流体温度测量602.5.2高温气体温度测量2.5.2高温气体温度测量

减小辐射误差的措施：

（1）选择合适的测温部位尽量避免在被测气体和壁面之间的温度差很大的部位安装温度传感器；如果确实需要安装，可在其温度测量的前端加装一层绝缘材料；尽量减小绝热层内表面的发射率，以减小温度传感器与绝热罩之间的辐射误差。

（2）选择合适的温度传感器可以采用空气抽出型热电偶来测量高温气体的温度，以减小辐射误差。

（3）选择合适的保护套管612.6

非接触式热辐射测温计2.6非接触式热辐射测温计非接触测温仪表光学辐射式高温计单色光学高温计光电高温计全辐射高温计红外辐射仪全红外辐射仪比色仪单红外辐射仪622.6.1热辐射测温的基本原理2.6.1热辐射测温的基本原理63

——光学高温计的理论基础

3000K以下温度时,用维恩公式表示为:2.6.1热辐射测温的基本原理64单色辐射强度峰值处的波长和温度T之间的关系由维恩位移定律来决定，即

2.6.1热辐射测温的基本原理65绝对黑体的全辐射定律:

绝对黑体在波长λ从0~∞的全部辐射能量的总和:

绝对黑体的全辐射能量和其热力学温度的四次方成正比。2.6.1热辐射测温的基本原理663.6非接触式测温

当温度升高时，单色辐射强度要比全辐射能量的增长快得多。因此单色辐射光学高温计比全辐射高温计灵敏度高，测量准确度高。672.6.2单色辐射高温计2.6.2单色辐射高温计

基本原理：物体在某一波长下的单色辐射强度与温度有单值函数关系，而且单色辐射强度的增长速度比温度的增长速度快得多。1、光学高温计

光学高温计是根据被测物体光谱辐射亮度随温度升高而增加的原理，采用亮度比较法来实现对物体的测温。682、光电高温计

用光电器件作为仪表的敏感元件，替代人眼来感受辐射源的亮度变化，并转换成与亮度成比例的电信号，经电子放大器放大后，输出与被测物体温度相应的示值，并自动记录。

光学高温计的测温范围下限——700℃。

特点：在所有的辐射式温度计中准确度最高，不适应现代化自动控制系统的要求，测量误差与测量人员的经验有关。2.6.2单色辐射高温计693、使用单色辐射高温计的注意事项1）非黑体辐射的影响

人为地创造黑体辐射的条件，即把一根有封底的细长管插到被测对象中，充分受热后，管底的辐射就近乎黑体辐射。2）中间介质的影响

为减小误差，光学高温计与被测物体之间的距离在1~2m之内比较合适。3）对被测对象的限定

光学高温计不宜测量反射光很强的物体；不能测不发光的透明火焰。2.6.2单色辐射高温计70光学高温计的局限性:1)由于受被测物体黑度的影响，测量准确度比热电偶、热电阻低；2）构造复杂、价格昂贵；3）不能测物体内部点的温度2.6.2单色辐射高温计712.6.3全辐射高温计2.6.3全辐射高温计1.测温原理1—物镜2—光阑3—玻璃泡4—热电堆5—灰色滤光片6—目镜7—铂箔8—云母片9—二次仪表

用全辐射高温计测量黑度系数为ε的实际物体温度时，其示值并非真实温度，而是被测物体的“辐射温度”。辐射温度的定义为：温度为T的物体，其全辐射能量E等于温度为Tp的绝对黑体全辐射能量E0时，则温度Tp叫做被测物体的辐射温度。由于ε总是小于1的数，因此辐射温度总是低于实际温度T的。722.6.3全辐射高温计2.使用全辐射高温计的注意事项（1）为了提高测量精度，必须准确测量出被测物体的黑度系数ε。

（2）根据被测物体的大小，全辐射高温计到被测物体的距离不一样，不同型号的全辐射高温计对

L/D（全辐射高温计到被测物体的距离了/被测物体的直径）值有不同的要求。

（3）在使用过程中，周围的温度不能过高，一般不应高于100℃，不然会导致热电堆的参比终端温度上升，从而增大测量误差。

（4）全辐射高温计主要用于测量具有高黑度系数的表面温度，如炉中的炽热金属、低温下的非金属等。732.6.4比色高温计2.6.4比色高温计

光学高温计和全辐照高温计的缺陷：测量精度都会受到被测物体黑度系数的影响，同时在辐射路径上，不同的介质对辐射的吸收不同，也会影响测量精度。

利用维恩位移原理研制的比色高温计能很好地解决这一难题。

1.比色高温计测温原理

通过接收被测物体辐射中两个不同波长的辐射能量（即亮度），再得到两个亮度的比值，则可由其亮度比值得出被测物体的温度：742.6.4比色高温计2.比色高温计的种类比色高温计单通道比色高温计单光路式光束在调制前或调制后为一路光双光路式光束在调制前或调制后被分为两束光双通道比色高温计752.6.4比色高温计

图2-21单通道单光路比色高温计结构示意图1—被测物体2—物镜3—反射镜4—倒像镜5—目镜6—光电探测器7—光调制盘8，9—滤光片10—通孔反射镜763.比色高温计的特点2.6.4比色高温计

优点：比色高温计由于利用了两个不同波长辐射能量的比值，所以介质影响因素，如粉尘、烟雾等对辐射的衰减作用可以被消除，因此测量结果比较稳定可靠、精度较高。此外，比色高温计测得的是被测物体的真实温度，不受被测物体黑度系数的影响，测量结果不需要进行修正。

缺点：比色高温计的结构相较于光学高温计更为复杂。772.6.5红外温度计及红外热像仪2.6.5红外温度计及红外热像仪

工作原理：任何物体只要其温度高于绝对零度都会因为分子的热运动而辐射红外线，物体发出红外辐射能量与物体绝对温度的四次方成正比。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标辐射率校正后转变为被测目标的温度值。适用于中温（0~700℃）测量。（最高可达2000℃以上，也可测量零度以下）红外线波长的“大气窗口”：1~2.5μm,3~5μm,8~14μm红外辐射能够透过大气向远处传输781、红外温度计组成：光学系统、红外探测器和电子测量线路2.6.5红外温度计及红外热像仪791）只测量表面温度，不能测量内部温度。2）不能透过玻璃进行测温，最好不用于光亮的或抛光的金属表面的测温。3）注意环境条件:蒸汽、尘土、烟雾等。4）环境温度，如果测温仪突然暴露在环境温差为20℃或更高的情况下，允许仪器在20分钟内调节到新的环境温度。使用时注意事项：

2.6.5红外温度计及红外热像仪802、红外热像仪

红外温度计：物体表面上某点周围非常小的面积的平均温度。

红外热像仪：物体表面的温度分布2.6.5红外温度计及红外热像仪81利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。（1）工作原理红外热像仪可以将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。2.6.5红外温度计及红外热像仪82（2）红外热成像的应用建筑保暖热量泄露点检测胚胎孵化检测城市供热管线泄露检测公共场所体温检测2.6.5红外温度计及红外热像仪83……2.6.5红外温度计及红外热像仪第3章

湿度测量3.1概述3.2干湿球湿度计3.3露点湿度计3.4电子式湿度传感器843.1概述3.1.1空气湿度的表示方法1、含湿量d含湿量：每1kg干空气所含水蒸气的质量。3.1.1空气湿度的表示方法85

相对湿度：空气中所含水蒸气量（水蒸气压）与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸气压）的百分比。

注意：饱和水蒸气压与温度有关，温度变化将会导致相对湿度发生变化。2、相对湿度日常生活中的湿度：相对湿度863.1.1空气湿度的表示方法

3、绝对湿度注意：即使水蒸气量相同，由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化，即绝对湿度也要变化。气象学中是指在固定气压之下，空气中所含的气态水达到饱和而凝结成液态水所需要降至的温度。4、露点（露点温度）低于露点（露点温度），则在该压力下发生冷凝。873.1.1空气湿度的表示方法相对湿度与露点温度之间的关联？——相对湿度越高，空气中所含的水蒸气也越多，露点温度越高。相对湿度下降，空气中所含的水蒸气相应减少，露点温度也下降。当相对湿度达到100%时，露点温度等于环境温度，即达到饱和状态。88思考：露点温度与环境温度的关系？露点温度一般比环境温度低。3.1.1空气湿度的表示方法893.1.2空气湿度的测量方法和适用条件

常见的湿度测量方法有：动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。（1）饱和盐法基本原理：在一定温度下，饱和盐溶液上方水蒸汽分压与环境平衡，且为一常数。3.1.2空气湿度的测量方法和适用条件9091特点：最常见的方法，简单易行。对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。需要很长时间去平衡。主要用于湿度计的校准。3.1.2空气湿度的测量方法和适用条件

(2）露点法（常用“冷镜式湿度仪”）测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果。基本原理：测出露点温度，再从水蒸气表中查出对应露点温度的水蒸气饱和压力Pt（即被测空气的水蒸气分压力Pn）和干球温度下饱和水蒸气的压力Pb，由公式计算出相对湿度。露点法测湿度的关键点：——精确测量露点温度923.1.2空气湿度的测量方法和适用条件双压法和双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，即：气体的状态由压力、温度和体积确定。对于饱和湿气，如果状态条件不变，则水汽的含量是恒定的，若状态改变，水汽含量也改变。(3）双压法、双温法和分流法双压法湿度发生器工作原理：在稳定的高压状态下先使空气饱和，然后使之在相同的温度条件下膨胀降压，直到稳定的测试室低压状态，此时可得到恒湿气源。湿度值可以根据饱和室温度、饱和室压力和测试室压力来精确测定。双压法湿度发生器是国际上国家湿度标准实验室广泛采用的湿度标准器具。933.1.2空气湿度的测量方法和适用条件94保证双压法湿度发生器精度最重要的前提：必须要保证测量室温度与饱和室温度完全一致;精确测量压力值。恒温槽3.1.2空气湿度的测量方法和适用条件特点：设备复杂、昂贵，运作费时费工，精度高，主要作为标准计量之用，测量精度可达±2%RH以上。分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。

分流法湿度发生器：通过流量控制器把一股干气分成两股，一股通过饱和水槽，然后再通过恒温气室变成饱和湿气与另一股干气进行混合，通过控制干气和饱和湿气的流量来配置露点输出为某一范围的混合湿气，用于湿度仪表的校准。953.1.2空气湿度的测量方法和适用条件

注意：干湿球方程式的条件——在湿球附近的风速必须达到2.5m/s以上。(4）干湿球法间接方法，用干湿球方程换算出湿度值。(5）电子式湿度传感器法基本原理：利用湿敏元件的特性——空气中的水蒸气吸附在湿敏元件上时，元件的电阻率和电阻值或电容量发生变化，利用这一特性即可测量湿度。963.1.2空气湿度的测量方法和适用条件3.2.1普通干湿球湿度计3.2干湿球湿度计3.2.1普通干湿球湿度计原理：水蒸发吸热降温，蒸发强度(即降温的多少)和当时空气的相对湿度有关。1—干球温度计；2—湿球温度计；3—脱脂棉纱布；4—水杯97

如果空气中水蒸汽量没饱和，湿球的表面便不断地蒸发水汽，并吸取汽化热，因此湿球所表示的温度都比干球所示要低。空气越干燥，蒸发越快，不断地吸取汽化热，使湿球所示的温度降低，而与干球间的差增大。相反，当空气中的水蒸汽量呈饱和状态时，水便不再蒸发，也不吸取汽化热，湿球和干球所示的温度，即会相等。读出干、湿两球所指示的温度差，由该湿度计所附的对照表就可查出当时空气的相对湿度。98993.2.2电动干湿球湿度计3.2.2电动通风干湿球湿度计普通干湿球湿度计的局限：受人为因素影响；无法进行自动检测、湿度的自动控制。1—微型轴流风机2—温度传感器3—水杯4—脱脂棉纱布5—导线1003.3.1经典露点湿度计3.3露点湿度计3.3.1经典露点湿度计1-干球温度计2-露点温度计3-镀镍黄铜盒4-橡皮鼓气球

测量时在黄铜盒中注入乙醚的溶液，然后用橡皮鼓气球将空气打入黄铜盒中，并由另一管口排出，使乙醚得到较快速度的蒸发，当乙醚蒸发时即吸收了乙醚自身热量使温度降低，当空气中水蒸气开始在镀镍黄铜盒外表面凝结时，插入盒中的温度计读数就是空气的露点。测出露点以后，再从水蒸气表中查出露点温度对应的水蒸气饱和压力和干球温度下饱和水蒸气的压力，根据公式（3-10）就能算出空气的相对湿度。1013.3.1经典露点湿度计

露点法测湿度的主要局限：当冷却表面上出现露珠的瞬间，需立即测定表面温度，一般不易测准，容易造成较大的测量误差。露点温度测量如果不准确，得到的湿度精度也较低。1023.3.2光电式露点湿度计3.3.2光电式露点湿度计1—被测气体2—光源3—散射光敏电阻4—反射光敏电阻5—光电桥路6—放大器7—直流电源8—露点镜9—铂电阻10—半导体制冷器11—显示器

光电式露点湿度计具有测量精度高、测量范围广的特点，可以测量高压、低温、低湿气体的相对湿度。但采样气体不得含有烟尘、油脂等污染物，否则会影响测量精度。3.4.1氯化锂电阻湿度传感器3.4电子式湿度传感器3.4.1氯化锂电阻湿度传感器

工作原理：氯化锂（LiCI）的吸湿量与空气的相对湿度成一定函数关系，只有当它的蒸汽压等于周围空气的水蒸气分压力时才处于平衡状态。因此，随着空气相对湿度的增加，氯化锂的吸湿量也随之增加，氯化锂中导电的离子数也随之增加，最后导致它的电阻减小。

氯化锂湿度传感器的测湿范围与所涂氯化锂浓度及其它成分有关。

0.05%浓度：感湿范围80%~100%0.2%浓度：感湿范围60%~80%103(a）梳状；(b）柱状1-端子2-电极3-塑料底板4-插座5-引线

（1）为避免氯化锂溶液发生电解，电极两端应接交流电；（2）单个元件量程窄，一般为15%~35%。多个元件组合后可达15~100%。（3）受环境温度影响大，需进行温度补偿；（4）最高使用温度为55℃，避免氯化锂溶液蒸发。注意事项：氯化锂溶液3.4.1氯化锂电阻湿度传感器104（5）使用环境空气清洁，无粉尘、纤维等。3.4.2高分子湿度传感器基本原理：高分子材料（如醋酸丁酸纤维素）吸收环境中的水分分子后膨胀，导致高分子材料的介电系数发生变化，从而导致电容发生变化。3.4.2高分子湿度传感器105

特点：1）响应快，可达到1s。2）感湿特性受温度影响较小。3）电容与湿度的增加基本呈线性。1、高分子电容式湿度传感器1063.4.2高分子湿度传感器2、高分子电阻式湿度传感器基本原理：使用高分子固体电解质材料制作感湿膜，湿度增加，电极间的电阻值减小。特点：灵敏度高、线性度好、响应时间快、易小型化以及制作工艺简单、成本低、使用方便等。1-电极2-引线3-基片4-感湿层3.4.3金属氧化物陶瓷湿度传感器原理：由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成。烧结体上有细微孔，可使湿敏层吸附或释放水分子，造成其电阻值的变化。

电阻型湿敏多孔陶瓷材料：LaO3-TiO3、SnO2-Al2O3-TiO2、La2O3-TiO2-V2O5、TiO2-Nb2O5、MnO2-Mn2O3、MgCr2O4-TiO2、NiO等。特点：工作范围广、稳定性好、寿命长、耐环境能力强3.4.3金属氧化物陶瓷湿度传感器107MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器

MgCr２O４-TiO２陶瓷湿度传感器结构1-加热线圈2-湿敏陶瓷片3-金电极4-固定端子5-陶瓷基片6-引线注意：使用前先加热1min左右，以消除由于油污及各种有机蒸气等的污染引起的性能恶化。3.4.3金属氧化物陶瓷湿度传感器108对器件进行加热清洗1094.1概述第4章

压力测量4.1概述4.1.1压力的定义压力（压强）:垂直而均匀地作用在单位面积上的力。

（1）静止流体：在所有方向上压力大小相等，具有各向同性的特点——流体静压力。

（2）运动流体：当所取平面的法向与流动方向一致时，所得到的压力最大——总压力（全压）。

作用在与流体流动方向平行的面上的压力称为流体静压力。动压力=总压力-静压力动压力与流速的大小有关。110工程单位：巴、毫米水柱、毫米汞柱、标准大气压、工程大气压等。4.1.2压力的单位4.1.2压力的单位标准单位：Pa、KPa、MPa常用各压力单位换算关系为：1kgf/cm2=9.807×104Pa；latm=1.013×105Pa；1mmHg=1.332×102Pa；1mmH2O=9.807Pa；1MPa=106Pa；1bar=0.1MPa。1114.1.3压力的分类1．从测量的角度分类

每秒钟的变化量为压力计分度值的1％或每分钟的变化量为5％以下的压力叫静定压。(1）静定压(2）变动压波动压力：非周期变化的压力冲击压力：不连续且变化大的压力

压力随时间作周期性的变化，且其变化的速度超过静定压力限度。(3）脉动压4.1.3压力的分类112表压=绝对压力-大气压真空度=大气压-绝对压力2、按测量方法及参考点分类绝对压力：物体所受的实际压力表压：一般压力仪表所测得的压力真空度（负压）：低于大气压的压力关系式：大气压：大气自重产生的压力4.1.3压力的分类1134.1.4压力测量方法利用弹性元件的弹性变形特性进行测量。如弹簧管压力计、波纹管压力计等。1、弹性法压力测量4.1.4压力测量方法1142、平衡法压力测量1）活塞式（校验仪器）4.1.4压力测量方法利用帕斯卡定律和流体静力学平衡原理2）液柱式U型管压力计、斜管压力计等。

通过仪表使液柱高度的重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理测量压力。115利用测压元件的某些物理特性随压力而变化，将压力转换为电阻、电荷量等的原理进行测量。如应变片式压力传感器、压电式压力传感器等。3、电气式压力检测4.1.4压力测量方法116

弹性式压力计通过测量膜片受压后所产生的弹性变形（即位移）来测量压力。4.3弹性压力计4.3.1膜式压力计

（1）原理4.3.1膜式压力计a)弹性膜片

b)挠性膜片c)膜盒膜片常用的材料有：铍青铜、高弹性合金、恒弹性合金、不锈钢等。膜片的厚度一般在0.05～0.3mm。1174.3.1膜式压力计由于膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度也不高，一般为2.5级，测量压力较低（微压和低压）。（2）特点118

膜片可以和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号。（3）电容式压力传感器(变送器)

两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++

A

ε0—真空介电常数8.85*10-12F/mε—极板间相对介电常数。空气＝１δ—极板间距离A—两平行极板相互覆盖面积4.3.2常用弹性元件1—金属镀层2—膜片3—外壳4—过滤器5—玻璃绝缘子1192、波纹管3、弹簧管测高、中、低压或真空度。由金属片折皱成手风琴风箱状

特点：灵敏度高，检测范围1.0~105Pa，迟滞误差较大，精度等级能达1.6级。4.3.2常用弹性元件120

弹簧管压力表

1）组成（结构）

a、弹簧管扁平、中空，横截面为椭圆形，一端固定，一端为自由端，弧度为270度，铜、合金铜、钢。

作用：感受压力信号，并转换为位移信号。

c、指针及表盘作用：指示

b、齿轮、杠杆传动机构作用：传递放大（两级放大），改变调整螺钉的位移，可调量程（调放大倍数）。4.3.2常用弹性元件121压力→弹簧管→位移→一级放大（扇形齿轮）→二级放大（中心齿轮）→指示2）测量原理4.3.2常用弹性元件3）适用范围适用范围：无爆炸、不结晶、不凝固，对铜、铜合金无腐蚀作用的液体、气体或蒸汽精度等级:0.5,1.0，1.6，2.51224.4电气式压力检测4.4电气式压力检测4.4.1压电式压力传感器

压电效应：当某些材料受到某一方向的压力作用而发生变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面就产生符号相反的电荷；当压力去掉后，又重新恢复不带电状态。（正压电效应）++--++--F1）原理

压电材料：具有压电效应的材料。单晶陶瓷压电陶瓷有机压电薄膜123

2）结构4.4.1压电式压力传感器1一绝缘套2—压电元件3—上盖4—引出线5—绝缘套6—电极7—壳体

优点：结构简单、体积小、耐高温、线性度好、量程范围大。

3）特点缺点：①产生的电荷量很小，对电荷的放大处理要求较高。②输出阻抗很高，与后续设备不匹配。

——后续需接前置放大器1244.4.1压电式压力传感器4）前置放大器前置放大器电压放大器电荷放大器作用：（1）将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；（2）放大传感器输出的微弱电信号。电荷放大器的特点：

（1）电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关，且与电荷成正比。

（2）采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。

（3）输出电压与电缆电容无关条件。

（4）电路复杂，价格昂贵。1254.4.2应变片与应变片式压力传感器

电阻应变效应：导体或半导体在外界作用下（如压力）产生机械变形，其阻值将发生变化。1）原理电阻应变片金属丝式箔式半导体体形扩散形4.4.2应变片与应变片式压力传感器1—基底2—敏感栅3—表面覆盖层4—引线126

金属线材的应变效应上述任何一个参数变化均会引起电阻变化,求导数：代入金属丝长l，截面积A，电阻率ρ，则金属应变片的电阻R为：4.4.2应变片与应变片式压力传感器1274.4.2应变片与应变片式压力传感器128有：形变效应压阻效应对于金属来说，受力后电阻率的变化很小，可以忽略，即可以只考虑形变效应。金属的电阻变化与它的应变成正比。4.4.2应变片与应变片式压力传感器1292）特点优点：体积小、重量轻、测量范围大、测量应变的精度比较高、价格比较便宜、规格多，可以适应各种应用场合。缺点：输出信号小、线性范围窄3）应用可测量较大的压力，石油化工、机械、建筑等领域。4.4.2应变片与应变片式压力传感器130

压阻效应：半导体受压时，其电阻值随电阻率的改变而变化。4.4.3压阻元件与压阻式压力传感器1）原理压阻效应4.4.3压阻元件与压阻式压力传感器a)内部结构b)

硅膜片示意图1—低压腔2—高压腔3—硅杯4—引线5—硅膜片131

优点：易于微小型化，灵敏度高、精度高（可达0.1%~0.01%）、工作可靠，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。2）特点

缺点：受温度影响较大、工艺较复杂。4.4.3压阻元件与压阻式压力传感器3）应用

广泛应用于航天航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质等各个领域。1324.4.4光纤式压力传感器4.4.4光纤式压力传感器工作原理：将光源入射的光束经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。图4-26光纤光栅结构示意图133

光纤光栅压力传感器的特点：具有耐腐蚀、重量轻、成本低和抗电磁干扰等优点，在海洋深度、湖泊液位测量、油气管道压力测量和岩土压力监测应用领域展现出了优异的性能。4.4.4光纤式压力传感器134

1）满足工艺生产过程的要求（包括量程、精度）4.5压力检测仪表的选择安装与标定选用依据：2）考虑被测介质物理化学性质（温度、压力、粘度、腐蚀性、易燃易爆程度等）3）注意现场环境条件（如环境温度、电磁场、振动等）4.5.1压力检测仪表的选择4.5.1压力检测仪表的选择135炔、烯、氨以及含氨介质——氨用压力表；

氧气——氧用压力表；腐蚀性介质——耐腐蚀材料的压力表（1）仪表类型的选择就地压力指示一般压力表1）水、气、油等介质:普通弹簧管压力表2）特殊介质:专用压力表4.5.1压力检测仪表的选择136

真空表：-0.1~0；-0.1~0.06,-0.1~0.15MPa

压力计：0~（1.0，1.6，2.5，4，6，10）×10nkPa

（2）仪表量程范围的选择根据操作中需要测量的参数的大小来确定。稳定压力：Pmax不应超过测量上限值的2/3；脉动压力：Pmax不应超过测量上限值的1/2；高压：Pmax不应超过测量上限值的3/5。2）下限值1）上限值不低于仪表满量程的1/3。3）量程靠级4.5.1压力检测仪表的选择137求最大引用误差（允许误差、满度误差），靠精度等级（0.01、0.02、0.05、0.1、0.16、0.2、0.25、0.4、0.5、1.0、1.6、2.5、4.0等）

（3）仪表精度等级的选择

例：测稳定压力0.8MPa，要求误差不大于0.02MPa，试选择压力表的量程和精度以满足测量要求。测量范围0~1.6MPa，精度1.0级4.5.1压力检测仪表的选择1381)选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其它易形成漩涡的部分。4.5.2压力表的安装（1）测压点的选择3)测量液体压力时，取压点应在管道横截面的下侧，使导压管内不积存气体，但也不宜取在最低部；测量气体压力时，取压点在管道横截面的上侧，使导压管内不积存液体。2)取压位置上游不应有突出管路或设备的阻力件（如阀门、挡板等）。4.5.2压力表的安装139（2）导压管铺设

同差压式流量计导压管的铺设。

1)安装位置：易观察、易维修处，避免振动和高温的影响。

2)测量蒸汽压力时应装冷凝管或冷凝器，以防高温气体直接与测压元件接触；有腐蚀介质应装有中性介质的隔离罐。

3)压力仪表的连接处应根据压力高低和介质性质加装密封垫片，防泄露。（3）其他注意事项4.5.2压力表的安装140第5章

流速及流量测量5.1概述5.2皮托管测流速5.3激光多普勒测流速5.4热线风速仪5.5其他流速测量方法1415.1.1流场及流速5.1概述5.1.1流场及流速

流场：在流体力学中，流场是指流体运动的空间，它描述了流体在某一瞬间占据的空间区域以及流体在该区域中的运动状态。流场不可压缩流场适用于液体或低速气体流动可压缩流场适用于高速气流流速：指单位时间内流体质点移动的距离，是描述流体运动状态的一个基本参数。1425.1.2管内流动特征5.1.2管内流动特征

对于给定直径和雷诺数（Re）条件下的圆管流动而言，一般认为经过约20倍直径长度后可视为进入了充分发展阶段，在此区域内流速剖面形状趋于恒定，且不受上游影响。143

管道内流体流速测量的测点选择：5.1.2管内流动特征（1）理想情况下应确保测点能够覆盖整个截面，并且间距适当以便捕捉到速度变化趋势。（2）对于不同类型的流动（如层流与湍流），应采用不同的采样策略和技术手段。（3）管道内的几何结构变化（如弯头、阀门等）、壁面粗糙度以及温度和压力条件的变化也会对流动特性产生影响，从而进一步影响速度测量的结果。1445.1.3流速测试技术分类5.1.3流速测试技术分类测试技术适用范围优点缺点测压管法低速及相对简单的流动环境成本低廉，易于操作对高速或含颗粒物质的流体测量效果不佳热线风速仪技术低速气流的速度测量灵敏度高，响应速度快对温度敏感，不适用于液体介质激光多普勒测速仪微观流动测量，获得精确的三维速度信息高精度，良好的空间分辨率设备昂贵，对实验条件要求较高粒子成像速度场仪复杂流动结构的全场速度测量，可视化测量适合复杂流动结构，提供详细流场信息数据处理复杂度高，需要高质量光学系统支持常见流速测试技术1455.2.1总压、静压的概念及测量5.2皮托管测流速5.2.1总压、静压的概念及测量1.总压及静压的概念静压：流体内部单位面积上所受的压力，由于流体分子之间的相互作用力而产生。

总压：流体在某点速度等熵滞止到零时所达到的压力，又称为滞止压力。式中：p——流体的总压（Pa）；

p0——流体的静压（Pa）。

对于不可压缩理想流体，在无外加能量输入的情况下，沿流线方向上的总压保持恒定——这即是伯努利方程的核心内容之一，也是毕托管测量流速的基本思想。1462.静压的测量5.2.1总压、静压的概念及测量用压力计测量测量流道壁面的压力或扰流物体表面的压力测量流场中某点的压力静压孔测量1473.总压的测量5.2.1总压、静压的概念及测量

希望总压管对流动方向越不敏感越好。即来流方向相对于压力孔轴线有一定偏角时，总压管还能正确地测量出总压值。a）L形总压管b）圆柱形总压管c）套管式总压管1484.静压和总压测量时应注意的问题5.2.1总压、静压的概念及测量

测压管应放置在具有代表性的流动区域内，避免靠近边界层、影响测量流场或其他扰动源。（1）位置选择

当0.7＜Ma＜1.0时，测压管会产生局部冲击波，改变局部气流压力，从而影响总压和静压的测量精度。（2）马赫数（Ma）影响

温度变化可能引起流体密度改变，从而对压力读数造成影响。（3）温度影响

1495.2.2动压法测流速原理5.2.2动压法测流速原理

通过测量流体中某点的总压（即静压加上由于速度引起的动压）与仅由流体分子运动产生的静压之间的差值，可以计算出动压。式中：

1505.2.3毕托管测速原理5.2.3毕托管测速原理皮托管:将总压管和静压管组合在一起，能够同时测得流体总压、静压之差的复合测压管。——皮托管的校准系数1515.2.3毕托管测速原理结构简单，制造使用方便，价格低廉，只要精心制造并经过严格标定和适当修正，即可在一定的速度范围内达到较高的测量精度。

优点：（1）皮托管测取的是流场空间某点的平均速度。

（2）由于是接触式测量，因而皮托管的探头头部尺寸决定了皮托管测速的空间分辨率。

（3）皮托管的总压管和静压管的位置、大小、形状及探头与支杆的连接方式等，都要影响皮托管的测量结果。

注意事项：152

激光多普勒测速仪是利用随流体运动的微粒散射光的多普勒效应来获得速度信息。5.3.1激光多普勒测速原理5.3激光多普勒测流速5.3.1激光多普勒测速原理

激光多普勒效应：当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，微粒散射的散射光频率将偏离入射光频率的现象。153

同时粒子又作为一个光源将接收到的光波向外散射，当静止的光接收器接收散射光时，光接收器所收到的散射光频率fs与静止光源的光波频率fo之差与运动粒子的速度u成正比，这个差值就叫多普勒频移fD。

静止的激光光源发射的激光照射到随流体运动的粒子上时，粒子所接收到的光波频率与光源发射的光波频率是不同的。5.3.1激光多普勒测速原理154

5.3.1激光多普勒测速原理1555.3.1激光多普勒测速原理5.3.2激光多普勒测速仪基本构造激光多普勒测速仪光学部件激光光源分光器发射透镜接受透镜光检测器信号处理系统方案1：频谱分析仪方案2：频率计数器方案3：频率跟踪器1565.3.3激光多普勒测速的特点及注意事项5.3.3激光多普勒测速的特点及注意事项1.特点（3）空间分辨率高，可以用于边界层、薄层流体及狭窄通道中流速的测量。

（1）非接触测量，不扰动流场。这为研究某些特殊流动如湍流、火焰、带腐蚀性流体的流动等提供了有力的手段。

（2）测量精度高，除了被测流体的折射率之外，不受流体其他特性，如温度、压力、密度、黏度等参数的影响。（4）动态响应快，可用于研究涡流、测量瞬时脉动速度.（5）测量范围宽，可以测量从10-3mm/s级的低速到1000m/s以上的高速。（6）测量方向特性稳定157

（1）有时为了得到足够的较强散射光，必须在流体中散播适当尺寸和浓度的粒子，较麻烦。

（2）使用不够方便，需设置透光窗。

（3）结构复杂，价格较贵。5.3.3激光多普勒测速的特点及注意事项2.注意事项1585.4.1热线风速仪测量原理5.4热线风速仪5.4.1热线风速仪测量原理用途：由于探头的几何尺寸及热惯性均较小，因此可用于微风速（如冷库和空调房内的风速）、脉动速度（如内燃机燃烧室内的流强度和压气机的旋转失速）以及皮托管难以安装场合（如附面层、压气机级间）的流速量。

热线风速仪：以热线或热膜为探头的流速测量仪器。1595.4.1热线风速仪测量原理1.热线风速仪探头a）一元热线探头b）三元热线探头（1）热线探头

热线探头常用材料有钨丝、铂丝、镀铂钨丝。特点：强度相对较低、承受电流小、不适应在液体或带颗粒气流中工作。1605.4.1热线风速仪测量原理（2）热膜探头热膜探头是在石英体或玻璃杆上喷镀一层很薄的金属膜制成的探头。缺点：频率响应范围比热线探头窄，工作温度低，特别在测量液体时，只比环境温度高20℃；测量精度不高，工艺复杂，制造困难，损坏后不易修复。

优点：强度高，可在恶劣流场中工作，热传导损失小，受振动影响小，不存在内应力问题，信噪比高。1612.工作原理5.4.1热线风速仪测量原理

将被恒定电流加热的热线放置流体中，流体将对热线产生冷却作用，流体的流速越大，冷却作用越显著，即流速越高，热线的温度越低。热线温度发生改变后，其电阻值也发生改变。