熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件

熱能與動力工程測試技術(shù)熱能與動力工程測試技術(shù)1第一章測量系統(tǒng)概論及誤差分析第一節(jié)測量的基本概念第二節(jié)誤差分析第一章測量系統(tǒng)概論及誤差分析第一節(jié)測量的基本概念2第一節(jié)測量的基本概念測量技術(shù)是一門實用性很強學科，探求事物之間量、質(zhì)關(guān)系的科學，與其他學科有著廣泛而密切的聯(lián)系。其次，根據(jù)測量的復雜程度合理組成測量系統(tǒng)。因此其可分為簡單測量系統(tǒng)和復雜測量系統(tǒng)。再次，任何測量都不可避免地含有誤差。誤差理論是測量技術(shù)的核心，它能夠分析和判斷結(jié)果的可靠性和有效性。第一節(jié)測量的基本概念3一.測量意義無論在科學實驗還是在生產(chǎn)過程中都離不開測量技術(shù)，否則會給工作帶來巨大的盲目性.只有通過可靠的測量，然后用誤差理論正確判斷測量結(jié)果的可靠性和有效性，才能進一步解決工程技術(shù)上提出的問題。由此可見，測試技術(shù)水平高低，將直接影響科技的發(fā)展。一.測量意義4二.測量方法1按照獲得測量結(jié)果的方法不同分類1)直接測量：將被測量直接與測量單位進行比較，或用預先標定好的測量儀器進行測量其測量結(jié)果可直接從測量儀表上獲得，稱為直接測量。A直讀法：直接從儀表上讀出測量結(jié)果。如：壓力表溫度計等。B比較法：與某一已知量或標準量具進行比較，其測量精度比直讀法高。二.測量方法5--直接測量：采用儀器、設備、手段測量被測量，直接得到測量值測量結(jié)果：20.1mm--相對測量：將被測量直接與基準量比較，得到偏差值特點：簡單、直觀、明了；測量精度不高基準量：20.00mm測量值：+0.08mm結(jié)果：20.08mm特點：精度高；復雜、成本高、要求高--直接測量：采用儀器、設備、手段測量被測量，直接得到測量值62)間接測量：

：在工程上許多測量參數(shù)往往不能用直接測量法得到，如內(nèi)燃機功率P=M*N/9550,這種通過直接測量量與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的各變量，然后將所測得的數(shù)值代入函數(shù)關(guān)系式進行計算，從而求得測量值的方法，稱為間接測量法。

熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件7按照測量狀態(tài)和條件分1)按等精度和非等精度分：在完全相同條件（測量者、儀器、測量方法、環(huán)境等）下，進行一系列重復測量稱為：等精度測量。2)按動態(tài)和穩(wěn)態(tài)分：對穩(wěn)態(tài)參數(shù)進行測量，稱為穩(wěn)態(tài)測量（如：環(huán)境、溫度、大氣溫度、壓力…）。3)按接觸和非接觸被測物體：接觸測量和非接觸式測量測量方法的選擇應取決于測試工作的具體條件和要求。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件8三.測量系統(tǒng)為了測量某一被測量的值，根據(jù)測量精度要求，將若干測量設備,按照一定的方式連接起來，這種連接組合即構(gòu)成了一種測量系統(tǒng)。根據(jù)測量復雜程度，可分為：1簡單測量系統(tǒng)2復雜測量系統(tǒng)三.測量系統(tǒng)9四.測量元件1感受元件感受被測量的變化，隨之內(nèi)部產(chǎn)生變化，并向外發(fā)出一個相應的信號。（舉例：水銀溫度計感受元件作用）包括兩個功能：拾取信息和把拾取的信息進行變換，一般是將其變換成另一種物理量，如：位移、壓差、電壓等。四.測量元件10主要有兩種變換方式：a非電信號變換（如：水銀柱位移信號）b將感受到的被測信號直接變換成電信號輸出（如：熱電偶）需具備的條件：a變換速度快；b抗干擾能力強；c良好的線性變換；d盡量不干擾被測介質(zhì)的狀態(tài)。主要有兩種變換方式：112傳遞元件將感受元件發(fā)出的信號，經(jīng)加工或變換成顯示元件易于接收的信號（作用）（舉例：電阻應變片）若感受元件發(fā)出的信號過小（或過大），傳遞元件應將信號放大（或衰減）；2傳遞元件12轉(zhuǎn)換和處理一般也有兩種形式：1非電量的轉(zhuǎn)換；2電量的轉(zhuǎn)換和處理。這些經(jīng)處理后的信號一般是模擬信號，可直接送到顯示部分，也可通過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，傳輸?shù)接嬎銠C進行信息處理，當然也可送到數(shù)字式儀表。轉(zhuǎn)換和處理一般也有兩種形式：133顯示元件根據(jù)傳遞元件傳來的信號向觀測人員顯示出被測量在數(shù)量上的大小和變化。一般可分為模擬顯示和數(shù)字顯示。微機的CRT顯示屏既能顯示模擬信號，又能顯示數(shù)字信號和文字。

3顯示元件14五.測量儀表的主要性能1量程一般測量系統(tǒng)能測量的最大輸入量稱為測量上限，其最小輸入量稱為測量下限。測量上、下限代數(shù)差的模，稱為量程，即測量范圍。例：某溫度計：-40～+80℃五.測量儀表的主要性能152精度（準確度）指測量某物理量時，測量值與真值的符合程度。儀表精度的表示方法常用滿量程時儀表所允許的最大相對誤差的百分數(shù)來表示。2精度（準確度）16測量精度精度：測量結(jié)果與真值吻合程度定性概念測量精度舉例不精密（隨機誤差大）準確（系統(tǒng)誤差?。?/p>

精密（隨機誤差?。┎粶蚀_（系統(tǒng)誤差大）不精密（隨機誤差大）不準確（系統(tǒng)誤差大）精密（隨機誤差小）準確（系統(tǒng)誤差?。y量精度精度：測量結(jié)果與真值吻合程度定性概念測不精密（隨機誤173靈敏度靈敏度表示測量系統(tǒng)在作靜態(tài)測量時，輸出變化量與輸入變化量的比值。靈敏度有量綱，它是輸出、輸入量的量綱之比。4分辨率與靈敏度有關(guān)的另一性能指標，是指測量系統(tǒng)能夠檢測出的最小輸入變化量。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件185穩(wěn)定性指在規(guī)定的工作環(huán)境條件和時間內(nèi)，儀表性能的穩(wěn)定程度，它用觀測時間內(nèi)的誤差來表示。6重復性在相同測量條件下，對同一被測量進行多次重復測量，測量結(jié)果的一致程度，用重復性誤差Rn來表示。5穩(wěn)定性197溫度誤差輸出特性隨溫度變化而不同，當環(huán)境溫度偏離儀表的定標溫度（20），其輸出值的變化稱溫度誤差。7溫度誤差208零點溫漂在一定環(huán)境和工作條件下，測量系統(tǒng)的輸入量固定不變時，其輸出量發(fā)生變化，這種變化稱為漂移。在系統(tǒng)零點產(chǎn)生的漂移，則為零漂。漂移往往是由于測量系統(tǒng)（儀表）內(nèi)部溫度變化或零件性能不穩(wěn)定引起的。把主要由于溫度引起輸出量的變化的漂移稱作溫漂。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件21熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件229動態(tài)誤差與頻響特性動態(tài)誤差，亦稱動態(tài)特性，在測量某些隨時間變化而變化的物理量時，儀表在動態(tài)下的讀數(shù)，和它在同一瞬間相應量值的靜態(tài)讀數(shù)之間的差值。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件23一個儀表可看成一個振動系統(tǒng)，在動態(tài)測量中，要求儀表具有良好頻響特性，也就是說要求它的幅值比，在所要求的頻率范圍內(nèi)變化不大，即動態(tài)誤差小，同時在這個頻率范圍內(nèi)相位差也很小，相位差太大將會導致儀表失真?？赏ㄟ^拉普拉斯變換求解微分方程，獲得傳遞函數(shù)。一個儀表可看成一個振動系統(tǒng)，在動態(tài)測量中，要求儀表具有良好頻24第二節(jié)誤差分析-一誤差存在的絕對性“誤差是不可避免的”無論使用多么精密的儀器，無論測量方法多么完善，無論操作多么細心。通過測量系統(tǒng)對被測物理量進行測量，所得到的數(shù)值稱為測量值X，而被測物理量具有客觀存在的量值，稱為真值X0，但遺憾的是，在任何方式下測得的值X都不可能是真正的被測量值真值X0，只能對X0的近似。近似程度的大小，就是誤差的大小?？傊?，測量結(jié)果都具有誤差，誤差自始至終存在于一切科學實驗和測量過程中。第二節(jié)誤差分析-一誤差存在的絕對性25二研究誤差的目的雖然每次得到的測量值不是真值，而是近似值，我們所關(guān)心的是每次測量，其測量誤差是否在允許范圍內(nèi)。我們研究方向是：1）找出測量誤差產(chǎn)生的原因，并設法避免或減少產(chǎn)生誤差的因素，提高測量精度；2）求出測量誤差大小或其變化規(guī)律，修正測量結(jié)果，并判斷測量可靠性。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件26

三誤差表達形式一般有兩種表達形式：絕對誤差和相對誤差1絕對誤差2相對誤差絕對誤差只能表示出誤差量值的大小，而不能表示出測量結(jié)果的精度相對誤差可以表示測量精度，δ小，精度越高。

27四測量誤差分類1根據(jù)誤差出現(xiàn)規(guī)律（誤差性質(zhì)及其產(chǎn)生原因）a)系統(tǒng)誤差定義：在相同條件下，對某個量進行多次測量時，誤差的絕對值和符號或均保持恒定，或按照一定規(guī)律變化。產(chǎn)生原因：一類原因可能是儀表制造，安裝，或使用不正確或試驗裝置受外界干擾；另一類原因是試驗理論和試驗方法不完善。四測量誤差分類28如何消除：系統(tǒng)誤差是客觀存在的，有時難以消除，這就只能通過修正測量值才能達到測量精度，而修正值是從專門的試驗中求得的。b)過失誤差（粗大誤差）定義：在測量過程中，完全由于人為過失而明顯造成了歪曲測量結(jié)果的誤差；產(chǎn)生原因：測量人員粗心大意，讀錯，記錯，算錯或錯誤操作等；判斷方法：最簡單的方法是拉伊特法，即殘差大于3σ時就可以判定它是過失誤差；如何消除：剔除

如何消除：系統(tǒng)誤差是客觀存在的，有時難以消除，這就只能通過修29c)隨機誤差定義：在對同一個量進行多次測量時，由于受到某些不可知隨機因素的影響，測量誤差時小時大，時正時負地變化，沒有一定的規(guī)律，并且無法估計。但也同時發(fā)現(xiàn)測量次數(shù)足夠多時，這種誤差的分布服從統(tǒng)計規(guī)律，把它稱為隨機誤差或偶然誤差。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件30產(chǎn)生原因：a儀表內(nèi)部零件之間存在間隙和摩擦，其變化不規(guī)則；b測量人員對模擬指示型儀表最末一位估計不準，在數(shù)字式儀表中，計數(shù)脈沖造成±1數(shù)字誤差；c周圍環(huán)境不穩(wěn)定對測量對象和測量儀器的影響。特點：與測量次數(shù)有關(guān)，當測量次數(shù)增加時，隨機誤差的算術(shù)平均值將逐漸減小，并趨近于零。產(chǎn)生原因：312.按照測量誤差產(chǎn)生的來源a)人為誤差（操作誤差）；b)環(huán)境誤差；c)方法誤差；d)動態(tài)誤差；e)儀表誤差（裝置誤差）俗稱:人,機,料,法,環(huán)2.按照測量誤差產(chǎn)生的來源32

五誤差理論基礎在測量結(jié)果中，在修正好系統(tǒng)誤差，剔除過失誤差后，所得數(shù)值測量精度就取決于隨機誤差了。所以有必要對隨機誤差進行研究。

331.隨機誤差分布的性質(zhì)有界性：在一定測量條件下，測定值總是相當窄的范圍內(nèi)變動，故而隨機誤差也是在一定的，相當窄的范圍內(nèi)變動，絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率為零，即隨機誤差不會超過一定的界限。對稱性：當測量次數(shù)足夠多時，大小相等，符號相反的正負誤差出現(xiàn)的概率相同，即隨機誤差的概率密度曲線是對稱的。1.隨機誤差分布的性質(zhì)34抵償性：全部隨機誤差的算術(shù)平均值在測量次數(shù)不斷增加趨向于無窮時趨于零。單峰性：誤差的絕對值越小，出現(xiàn)的次數(shù)就越大，當誤差為零（測量值等于算術(shù)平均值時），出現(xiàn)概率最大，即：隨機誤差概率密度曲線的單峰性。抵償性：全部隨機誤差的算術(shù)平均值在測量次數(shù)不斷增加趨向于無窮352.隨機誤差概率密度分布曲線從上述4點性質(zhì)充分表明，大多數(shù)測量的隨機誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。分布密度函數(shù)一定是隨機誤差x的平方的函數(shù)。這個分布是1796年高斯提出的，所以也稱為高斯分布，其函數(shù)分布形式為：

如圖1-2:式中，x--測量值與真值之差（＝X-X0）；Y--概率密度（誤差等于x）；--均方根誤差或稱標準誤差該正態(tài)分布主要由兩個特征參數(shù)決定，即：X0，X0代表被測量參數(shù)的真值，完全由被測參數(shù)本身決定，當測量次數(shù)趨于無窮大時，子樣平均值等于真值。2.隨機誤差概率密度分布曲線36圖1-2back圖1-2back37：則表示測定值在真值周圍的散布程度，由測量條件決定：點概率：區(qū)間概率：※誤差分布曲線性質(zhì)：a)曲線關(guān)于y軸對稱：；b)當x＝0時，y達到最大值＝；c)當時，，最大誤差存在概率極小。如圖1-3:熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件383誤差表示方法（測量結(jié)果誤差評價）無論是直接測量，還是間接測量，其目的都是要求出某一物理量的真值，但即使是熟練的實驗者用高精度儀表，仔細地測量，也不可避免會有誤差。因此，必須在給定條件下，找出測量值與真值的關(guān)系，從一組測量數(shù)據(jù)中確定最佳值，用它來代表所測物理量。標準誤差（均方根誤差）當測量次數(shù)足夠多時，標準誤差為：3誤差表示方法（測量結(jié)果誤差評價）39backback40為絕對誤差＝Xi-X；其意義是：當進行多次測量后，測量誤差在范圍內(nèi)的概率是68.3％，即：

=0.683當測量次數(shù)為有限多次時，此時我們用有限次測量求得的算術(shù)平均值近似地看成真值。此時樣本方根差：，其中為殘差為絕對誤差＝Xi-X；41b）或然誤差γ在一組測量中，當時，隨機誤差的絕對值大于或然誤差或小于或然誤差出現(xiàn)的概率各占一半，即：＝0.5得：對于置信度1-α＝50％時，置信區(qū)間，γ＝0.6745對于多次測量，則有：測量結(jié)果＝子樣平均值或然誤差（P＝50％）b）或然誤差γ42c)極限誤差定義極限誤差范圍（即置信區(qū)間）是均方根誤差的三倍，記為3對應于置信區(qū)間的3置信度為99.7％即：測量誤差落在[-3,+3]范圍內(nèi)的概率為99.7％也就是說：被測量真值落在范圍之內(nèi)的概率已接近100％，而落在這個范圍之外的概率極小，可認為不存在，所以將此誤差定義為極限誤差，一般的儀表都是采用極限誤差來定義精度的。c)極限誤差43d)平均誤差測量列平均誤差指該測定值全部隨機誤差絕對值的算術(shù)平均值。與標準誤差的關(guān)系：測量誤差落在范圍內(nèi)的概率為57.5％，置信度57.5％。d)平均誤差測量列平均誤差指該測定值全部隨機誤差絕對值的算444.各種誤差與標準誤差關(guān)系

如圖1-4:4.各種誤差與標準誤差關(guān)系45backback46六．間接測量中的誤差分析間接測量：是指被測量的數(shù)值是由測得的與被測量有一定函數(shù)關(guān)系的直接測量量經(jīng)計算求得。所以可知，間接測量誤差不僅與直接測量量的誤差有關(guān)，而且還與它們之間的函數(shù)關(guān)系有關(guān)。六．間接測量中的誤差分析47一次測量，間接測量誤差的計算由于手條件限制，試驗時只對被測量進行一次測量，這樣的情況我們是經(jīng)常遇到的。如何來分析誤差呢？1）這時我們只能根據(jù)所采用的測量儀表的允許誤差來估算測量結(jié)果中所包含的極限誤差，看它是否超過所規(guī)定的誤差范圍。其中，δ：儀表精度等級；A0：儀表量程；A：實測時儀表讀數(shù)；儀表所允許最大相對誤差Δmax＝δA0，精度：δ％一次測量，間接測量誤差的計算48從上式可知，采用一定量程的儀表，測量小示值的相對誤差比測量大示值的相對誤差要大。因此，選擇測量儀表的量程，應盡可能使示值接近于滿刻度，這樣可得到較為精確的測量結(jié)果。設：間接測量量Y，隨機誤差為y直接測量量為X1，X2，…，Xn，（設有n個），相互獨立，隨機誤差為x1，x2，…，xn函數(shù)關(guān)系：Y＝f（X1，X2，…，Xn）從上式可知，采用一定量程的儀表，測量小示值的相對誤差比測量49考慮誤差后，變成：Y+y＝f[（X1+x），（X2+x），…，（Xn+xn）]將等式右邊用泰勒級數(shù)展開，并忽略高階項，得：

＝f(X1,X2,…,Xn)+可完成兩方面工作：用直接測量量誤差來計算間接測量量誤差根據(jù)所給出的被測量的允許誤差來分配各直接測量量誤差（舉例）多次測量，間接測量誤差的計算考慮誤差后，變成：50設：間接測量量Y，隨機誤差為y直接測量量為X1，X2，…，Xn，（設有n個），相互獨立，隨機誤差為x1，x2，…，xn函數(shù)關(guān)系：Y＝f（X1，X2，…，Xn）Y1＝f(X11,X21,…,Xn1)Y2＝f(X12,X22,…,Xn2)…Yn＝f(X1n,X2n,…,Xnn)每次測量誤差分別為：…根據(jù)誤差分布規(guī)律，等值，正負誤差的數(shù)目相等，故上述n式各項平方和中的非平方項可抵消。設：間接測量量Y，隨機誤差為y51則:兩邊同除以n，變成，則：間接測量值多次測量時的極限誤差為：熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件52第二章溫度測量溫度是我們經(jīng)常要接觸的一個參數(shù)，也是制冷空調(diào)中需要經(jīng)常測量的一個參數(shù)。例如冷卻水溫度，制冷劑溫度，空氣溫度等。溫度是一個很重要的物理量，它是表征物質(zhì)性質(zhì)的重要參數(shù)，物質(zhì)的熱物理性質(zhì)及某些特征參數(shù)均與溫度有著密切聯(lián)系。還有，它是國際單位制（SI）七個基本物理量之一第二章溫度測量溫度是我們經(jīng)常要接觸的一個參數(shù)，也是制冷空調(diào)53測溫的熱力學原理溫度物理概念“溫度”這個物理量主要是用來描述人們對周圍環(huán)境或物體的冷熱感覺。熱感覺說明溫度高，冷感覺說明溫度低。換句話說，溫度是衡量物體冷熱程度的物理量。但是，它不可能用直接的方式來獲得，而只能借助于冷熱不同的物體之間熱交換以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度變化的特性來間接地加以測量。測溫的熱力學原理溫度物理概念54下面繼續(xù)從宏觀和微觀兩個角度來說明“溫度”這個概念。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。溫度的微觀概念是大量分子運動平均強度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件55溫標是“溫度標尺”的簡稱，溫度數(shù)值的表示方法，用來衡量物體溫度的標尺。“溫標”規(guī)定了溫度的起始點（零點）和測量溫度的基本單位。二、溫標溫標二、溫標561攝氏溫標（℃）較早出現(xiàn)，應用較廣泛的一種溫標。其原理是規(guī)定汞隨溫度的體膨脹是線性的。分度方法：規(guī)定在標準大氣壓下純水的冰點是攝氏零度，沸點是100℃，把汞柱在這兩點之間變化的液柱長度分為100等分。每一等分代表1攝氏度，用符號℃記之。1攝氏溫標（℃）572華氏溫度（F）其選用原理和攝氏一樣，差別在于固定點，華氏溫標規(guī)定在標準大氣壓下純水的冰點為華氏32度，沸點為華氏212度，然后把這兩點之間變化的汞柱長度劃分成180等分，每等分為1華氏度，用F表示。2華氏溫度（F）583熱力學溫標（K）又稱絕對溫標或開爾文溫標，是以熱力學為基礎建立起來的，體現(xiàn)溫度僅與熱量有關(guān)而與工質(zhì)無關(guān)的理想溫標。由卡諾定理，我們可知，對于一個理想的卡諾機，如它工作在溫度為T2的熱源和溫度為T1的冷源之間，它從熱源中吸收熱量Q2，在冷源放出熱量Q1，則溫度與熱量之間有如下關(guān)系：3熱力學溫標（K）59可見溫度只與熱量有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。如果我們指定了一個定點T2的數(shù)值，就可由熱量的比例求得未知量T1。絕對溫標規(guī)定水在標準大氣壓下的三相點溫度為273.16K。但實際上，理想卡諾循環(huán)無法實現(xiàn)，所以熱力學溫標無法實現(xiàn)，使用中是以氣體溫度計經(jīng)過示值修正后來復現(xiàn)熱力學溫標的。（因為理論證明熱力學溫標與理想氣體溫標一致，再某些惰性氣體的性質(zhì)與理想氣體近似，故利用它來制成氣體溫度計。）可見溫度只與熱量有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。604國際實用溫標IPTS-901990年元旦開始實施的國際實用溫標（最新）它規(guī)定熱力學溫度是基本的物理量，符號為T，單位：開爾文K。它規(guī)定水的三相點溫度為273.16K，定義熱力學溫度開爾文等于水三相點溫度的1/273.16國際實用開爾文溫度和攝氏溫度關(guān)系為：t＝(T-273.15)℃4國際實用溫標IPTS-9061a該溫標包圍溫度范圍：0.65K～單色輻射高溫計實際可測量的最高溫度（2000℃）b定義固定點和溫度點共有17個。（其中14個為高純度物質(zhì)的三相點，熔點，凝固點；3個是用蒸汽或氣體測定的溫度點；c在不同溫度范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定性較高的溫度計來作為復現(xiàn)熱力學溫標的標準儀器。d更為實用，更為科學a該溫標包圍溫度范圍：0.65K～單色輻射高溫計實際可測量62第二節(jié)熱電偶測溫技術(shù)熱電偶是目前溫度測量中應用最廣泛的溫度傳感元件之一。一般用于測量高溫。特點：結(jié)構(gòu)簡單，準確度高，熱慣性小，它將輸入的信號轉(zhuǎn)換成電勢信號輸出，便于信號遠傳和轉(zhuǎn)換。一,熱電偶測溫原理要追溯到1821年，著名科學家塞貝克偶然發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象，叫熱電現(xiàn)象。也就是說，由兩種不同導體A，B組成的閉合回路，當兩接點處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電流，既而就會有熱電動勢產(chǎn)生，而且溫度差越大，產(chǎn)生的熱電動勢也越大，這就是著名的熱電現(xiàn)象,又稱為塞貝克效應。我們把導體A、B稱為熱電極；產(chǎn)生的電流稱熱電流；第二節(jié)熱電偶測溫技術(shù)63產(chǎn)生的電動勢稱熱電勢；將放置在被測對象中的接點，稱為測量端，熱端，工作端；而將另一端，稱為參考端、冷端、自由端。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱電勢是由溫差電勢和接觸電勢組成。1溫差電勢

定義：由于導體兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。從溫度微觀概念知道，它是反映導體內(nèi)部自由電子平均運動動能大小的標志。所以溫度高的一端的電子能量往往比溫度低的一端電子能量大，那么從高溫端跑到低溫端電子數(shù)比低溫端跑到高溫端的要多。那這樣會造成什么結(jié)果呢？造成的結(jié)果是，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負電。從而在溫度不同的導體兩端之間形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場。該靜電場有兩個作用：a阻止高溫端電子跑向低溫端；b加速低溫端電子跑到高溫端。這樣，最后就達到動態(tài)平衡狀態(tài)。產(chǎn)生的電動勢稱熱電勢；將放置在被測對象中的接點，稱為測量端，64那么在導體兩端便產(chǎn)生一個相應的電位差。稱為溫差電勢，其方向是由低溫端指向高溫端，其大小只與導體性質(zhì)和導體兩端溫度有關(guān)。其中―――NA：導體A的電子密度，它是溫度函數(shù)；e：單位電荷；k：波爾茲曼常數(shù)；t：導體各斷面的溫度；T,T0：導體兩端溫度。那么在導體兩端便產(chǎn)生一個相應的電位差。稱為溫差電勢，其方向是652接觸電勢定義：當兩種不同的導體A、B相接觸，由于二者不同的電子密度而產(chǎn)生的一種電動勢。從擴散原理，可知由于導體間接觸處的電子數(shù)不同，那么電子在向兩個方向擴散速率肯定也會不同，假設：導體A電子密度NA大于導體B電子密度NB，這樣導體A的電子擴散速率比導體B要來的大，熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件66從而A失去電子而帶正電，B得到電子而帶負電，在A、B接觸面上就會形成一個方向由A向B的靜電場。它和溫差電勢中的靜電場功能相似，將阻止電子進一步從A向B擴散，當擴散力和電場力平衡時，在A、B之間形成了一個固定的接觸電勢，其方向：又B指向A，其大小取決于A、B材料的性質(zhì)和接觸點的溫度，可用下式表示。如圖2-3(a):其中，NAT：導體A在溫度為T時，電子密度；NBT：導體B在溫度為T時的電子密度。從而A失去電子而帶正電，B得到電子而帶負電，在A、B接觸面上673回路總熱電勢

一個由A、B兩種均勻?qū)w組成的熱電偶，接點溫度分別為T、T0，且NA>NB，則回路中的總電勢:

若A、B材料已定，則NA、NB只是溫度的函數(shù)，則上式可表示為：熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件68通過上式可得出如下結(jié)論：1熱電偶回路熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關(guān)；2只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會產(chǎn)生熱電勢；3熱電偶的兩個電極材料確定之后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端接點的溫度有關(guān)。如果T0已知且恒定，則f(T0)為常數(shù)。回路總熱電勢只是溫度T的單值函數(shù)。通過上式可得出如下結(jié)論：69二熱電偶回路的基本定律及其應用在實際測溫時，熱電偶回路中必然要引入測量熱電勢的顯示儀表和連接導線，因此理解了熱電偶的測溫原理之后還要進一步掌握熱電偶的一些基本規(guī)律，并能在實際測溫中靈活而熟練地運用這些規(guī)律。1均質(zhì)導體定律任何一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，不論其各處的截面積如何，不論其是否存在溫度梯度，都不可能產(chǎn)生熱電勢。反之，如果回路中有熱電勢存在則材料必為非均質(zhì)。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件70應用：a檢驗熱電極材料的均勻性b要求組成熱電偶的兩種材料A、B必須各自都是均質(zhì)的，否則會由于沿熱電偶長度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢，從而因熱電偶材料不均勻性引入誤差。因此，要進行均勻性檢驗和退火處理。應用：a檢驗熱電極材料的均勻性712.中間導體定律如圖所示，將A、B構(gòu)成的熱電偶的T0端斷開，接入第三種導體C，只要保持第三導體兩端溫度相同，接入導體C后對回路總電動勢無影響。2.中間導體定律723中間溫度定律兩種不同材料A和B組成熱電偶，其接點溫度分別為t和t0時的熱電勢等于熱電偶在連接點溫度為（t，tn）和（tn，t0）時相應的熱電勢和的代數(shù)和。其中tn為中間溫度，即。如圖2-8:應用：a提供了冷端溫度不是零度時如何應用熱電偶分度表的方法；b連接導線定律（當在原來熱電偶回路中分別引入與材料A、B有同樣熱電性質(zhì)的材料A’，B’，即引入所謂補償導線，相當于將熱電偶延長而不影響熱電偶的熱電勢。如圖2-9:3中間溫度定律73backback74幾種常用的熱電偶及其性能熱電極材料要求:1，在測溫范圍內(nèi)，物理化學性能穩(wěn)定2，熱電特性好，熱電勢與溫度的關(guān)系呈線性關(guān)系。3，溫度變化時，熱電勢變化應足夠大4，電阻溫度系數(shù)要小，導電率要高5，復制性能好。幾種常用的熱電偶及其性能熱電極材料75熱電偶分類a按熱電勢－溫度關(guān)系是否標準化可分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶；b按熱電極材料的性質(zhì)可分為：金屬熱電偶，半導體熱電偶，非金屬熱電偶三類；c按熱電極材料的價格可分為：貴金屬熱電偶和賤金屬熱電偶；d按使用溫度范圍分：高溫熱電偶和低溫熱電偶要求學生從以下幾個方面掌握：分度號；材料貴賤；使用溫度范圍；優(yōu)缺點（特點）；適用條件等。熱電偶分類76標準化熱電偶是指生產(chǎn)工藝成熟、能成批生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，應用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表，并已列入國際專業(yè)標準中的熱電偶。按慣例正極成分一般寫在前面。常見的有以下6種標準化熱電偶。標準化熱電偶771鉑銠10－鉑熱電偶分度號為S，，為貴金屬熱電偶，其準確度在所有熱電偶中是最高的，常用于科學研究和準確度要求比較高的場合。物理化學性能良好，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，宜在氧化和惰性氣氛中連續(xù)使用。缺點：價格昂貴，電極絲直徑通常很細，機械強度較低，與其它熱電偶相比，其熱電勢偏小，熱電勢率也較小，因此靈敏度低。1鉑銠10－鉑熱電偶782鉑銠13－鉑熱電偶分度號為R，為貴金屬熱電偶，其性質(zhì)與鉑銠10-鉑熱電偶基本相同，唯一的差別是正極中銠的含量略高一些，這樣熱電勢也稍大一些，大15％左右，而且比S型熱電偶穩(wěn)定，復現(xiàn)性好。問題：是不是銠的含量再高一點更好呢？答：也不是，如果合金極中銠的含量達到20％，則在高溫下會發(fā)脆，影響熱電偶的壽命。2鉑銠13－鉑熱電偶分度號為R，為貴金屬熱電偶，其性質(zhì)與鉑銠793鉑銠30－鉑銠6熱電偶（雙鉑銠熱電偶）分度號為B，屬于貴金屬熱電偶正極：含銠30％的鉑銠合金；負極：含銠6％的鉑銠合金是60年代發(fā)展起來的一種用于測量高溫的熱電偶。使用溫度范圍：1600℃（長期），1800℃（短期）特點：由于其兩極都是由合金構(gòu)成的，因而提高了抗玷污能力和機械強度，其壽命比R,S型熱電偶要大得多。性能穩(wěn)定，但不如R,S型熱電偶好。測量準確度高，其熱電勢率比鉑銠10－鉑還要小，但同時帶來的好處是可不用補償導線，但須配用靈敏度高的儀表。3鉑銠30－鉑銠6熱電偶（雙鉑銠熱電偶）80適用條件：適于氧化性質(zhì)和中性介質(zhì)中使用，不能在還原性氣氛及含有金屬或非金屬蒸汽氣氛中使用。4鎳鉻－鎳硅熱電偶分度號為K，是廉價金屬熱電偶，應用十分廣泛，在我國它的產(chǎn)量占了所有賤金屬熱電偶產(chǎn)量的一半左右。這種熱電偶的測量范圍很寬，從-270℃到1300℃；使用溫度范圍：1000℃（長期），1300℃（短期）。適用條件：適于氧化性質(zhì)和中性介質(zhì)中使用，不能在還原性氣氛及含81特點：熱電勢率大，靈敏度比較高；熱電特性近乎線性，線性度好，使得顯示儀表的刻度均勻；穩(wěn)定性和均勻性很好；高溫下抗氧化，抗腐蝕能力都很強，比其它廉金屬熱電偶好；化學穩(wěn)定性好。適用條件：適用于氧化性和中性介質(zhì)中使用，在還原性氣體中易被腐蝕。在500℃到1300℃溫區(qū)的氧化性、惰性氣氛中，廣泛為用戶所采用。特點：熱電勢率大，靈敏度比較高；熱電特性近乎線性，線性度好，825鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶分度號為E，熱電勢率是目前各類金屬熱電偶中最高的，靈敏度最高，靈敏度比鎳鉻－鎳硅高一倍。使用溫度范圍（-200～800）：600℃（長期），800℃（短期）。特點：最大的特點是在常用熱電偶中，熱電勢率最大，即靈敏度最高。熱電特性線性度較好，價廉；耐熱和抗氧化性要比銅－康銅強。缺點是其負極難以加工，而且熱電均勻性也比較差。適用條件：適宜在氧化和惰性氣氛中使用，但不能用于還原氣氛或硫氣氛中。5鎳鉻－銅鎳（康銅）熱電偶836銅－銅鎳（康銅）熱電偶分度號為T，使用溫度范圍：-200～350℃特點：熱電性能穩(wěn)定，特別是在0～-200℃下使用，穩(wěn)定性更好。在廉價金屬中準確度最高的；價格便宜，是標準化熱電偶中最便宜的一種；能抵抗?jié)駳獾那治g，可用在真空，氧化，還原及中性氣氛中，但不能超過300℃，因銅在高溫下易被氧化。6銅－銅鎳（康銅）熱電偶847鎳鉻－金鐵熱電偶適用于一些特定溫度測量場合低溫下仍有很大的熱電勢，可在2～273K低溫范圍內(nèi)使用，熱電勢穩(wěn)定，復現(xiàn)性好，易于加工成絲。7鎳鉻－金鐵熱電偶85非標準化熱電偶熱電偶結(jié)構(gòu)1普通工業(yè)用熱電偶主要由：熱電極，絕緣套管（多采用氧化鋁管或工業(yè)陶瓷管，其作用是防止兩個熱電極短路），保護套管（1000℃以下用金屬管，1000℃以上用工業(yè)陶瓷甚至氧化鋁保護套管，其作用防止熱電偶不受化學腐蝕和機械損傷）以及接線盒（用鋁合金制成，供熱電偶與補償導線連接之用）等組成。缺點：體積大，笨重，熱慣性大等。非標準化熱電偶86普通熱電偶：1。熱電極；2。絕緣套管3。保護套管；4。接線盒；5。盒蓋普通熱電偶：872鎧裝熱電偶主要是由熱電偶絲，耐高溫的金屬氧化物粉末（如：Al2O3等）絕緣物，以及不銹鋼套管三者組合冷加工，由粗坯逐步拉制而成。其結(jié)構(gòu)形式有下列四種，具體見下圖所示：a碰底型；b不碰底型；c露頭型；d帽型。其突出優(yōu)點：測量端熱容小，動態(tài)響應快，結(jié)構(gòu)緊湊，耐壓，抗震，可撓，使用方便。2鎧裝熱電偶88熱電偶參考端溫度補償熱電偶材料選定后，熱電勢只與熱端和冷端溫度有關(guān)。所以，只有當冷端（參考端）溫度保持恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端（測量端）溫度才有單值函數(shù)關(guān)系，而且我們知道，熱電偶分度表均以冷端溫度等于攝氏零度的條件下制定的。在實際測溫中，冷端溫度往往既不穩(wěn)定，也不一定是攝氏零度，故：必須對冷端溫度進行修正，消除冷端溫度影響。熱電偶參考端溫度補償891保持冷端溫度恒定的方法（當冷端溫度恒定，但不是零度時）a冰浴法這是一種實驗室常用的方法，即：使冷端直接置于0℃下，采取的措施是將冷端直接置于裝有冰水混合物的保溫容器中，冰點槽法是一個準確度很高的參比端處理方法。（用圓球法測導熱系數(shù)時用熱電偶測溫時）熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件90b熱電勢修正法由中間溫度定律：式中就是冷端溫度t0℃，而為恒值時的引入誤差。只要測出冷端溫度t0值，并由相應的熱電偶分度表查出的值，將其加到測得的熱電勢上，得到其冷端溫度等于零攝氏度時的熱電勢的值b熱電勢修正法91攝氏度時的熱電勢值，然后便可從分度表求得熱端溫度即被測溫度真值。c儀表機械零點調(diào)整法在tn已知時，可先斷開測量線路，然后把儀表起始點調(diào)到tn處，相當于在測溫之前就給儀表輸入電勢，這樣在進行測量時，輸入儀表的熱電勢為，因此，儀表的指針就能指出熱端溫度t。攝氏度時的熱電勢值，然后便可從分度表求922參考端溫度t0波動時的補償方法a補償導線實際中使用的熱電偶，尤其是貴金屬熱電偶往往是長度一定，結(jié)構(gòu)固定的，由于測溫現(xiàn)場溫度波動不定，這就往往需要將其參考端移至遠離被測對象，且溫度場較穩(wěn)定的場合。這可以采用在一定溫度范圍內(nèi)其熱電特性與所配的熱電偶基本一致，而且價格較便宜的補償導線來作為熱電偶絲的延伸部分。根據(jù)中間溫度定律，補償導線的引入并不會影響熱電偶的熱電勢。2參考端溫度t0波動時的補償方法93b參比端溫度補償器是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因參考端溫度變化而引起的熱電勢變化。橋臂電阻R1、R2、R3、RCu與熱電偶參考端處于相同的環(huán)境溫度，其中：R1=R2=R3=1Ω，由錳銅絲繞制。E(4V)為橋路直流電源，Rs為限流電阻，一般選擇Rcu在20℃時使電橋處于平衡狀態(tài)，即：RCu20=1Ω，此時橋路補償Uab＝0，即電橋無補償作用。b參比端溫度補償器94當參考端溫度變化時，在電橋?qū)蔷€輸出一個不平衡橋壓Uab和E(t,t0)疊加，適當選取Rs，可使電橋產(chǎn)生的電壓剛好補償由于參考端溫度變化而引起的熱電勢變化，即：Uab=E(t0,0)，這時儀表就能正確指示測量端的溫度。當參考端溫度變化時，在電橋?qū)蔷€輸出一個不平衡橋壓Uab和E95如電橋平衡時的溫度為20℃，則在使用時，與其配接的指示儀表的機械零點應調(diào)至20℃。如電橋平衡時的溫度為20℃，則在使用時，與其配接96熱電偶測溫回路由熱電偶、補償導線、普通導線和直流電測儀表構(gòu)成。1多支熱電偶共用一臺電測儀表圓球法測導熱系數(shù)的實驗時，在測量圓球內(nèi)外表面溫度時，我們就用到這樣的測溫電路。為了節(jié)省顯示儀表，將若干條熱電偶通過切換開關(guān)共用一臺電測儀表。使用這樣的回路條件：a各支熱電偶的型號相同；b測溫范圍均在顯示儀表的量程內(nèi)。熱電偶測溫回路97應用1采用這種接線方式時，所有主熱電偶可共用一個輔助熱電偶來進行參比端溫度補償。（冷端補償）應用2用于現(xiàn)場中，大量測點不需要連續(xù)測量，而只需要定時檢查的場合?？纱蟠蠊?jié)省顯示儀表的數(shù)量。應用1采用這種接線方式時，所有主熱電偶可共用一個輔助熱電982一支熱電偶配用兩個電測儀表有時，需要將一支熱電偶產(chǎn)生的熱電勢輸?shù)絻蓚€顯示儀表上。（如：一個就地顯示，一個在控制室顯示）2一支熱電偶配用兩個電測儀表99a如G1、G2均為動圈儀表時，在這種情況下，由于I=I1+I2，所以輸入到每個動圈儀表的電流均比總電流低。所以G1、G2讀數(shù)偏低，在測量中一般不宜采用。b如G1為電位差計，G2為動圈儀表采用這樣測量方法，在穩(wěn)定時，I1=0,故電位差計G1的存在并不影響G2的指示值，但在調(diào)整電位差計過程中，由于,且在變化，因此要引起G2指針跳動現(xiàn)象，從而造成讀數(shù)的不準確，所以一定要待電位差計調(diào)整好后方可讀數(shù)。a如G1、G2均為動圈儀表時，100c如G1、G2均為電位差計由于在電位差計調(diào)整穩(wěn)定時，在測量回路中無電流流過，即I=I1=I2=0，故G1、G2彼此影響很小，其測量準確度與一個二次儀表時相同。c如G1、G2均為電位差計1013熱電偶的并聯(lián)、串聯(lián)和反接a熱電偶并聯(lián)見圖為：三支同型號熱電偶的并聯(lián)線路輸入顯示儀表的毫伏值為三支熱電偶輸出電勢的平均值，即：E=(E1+E2+E3)/3。3熱電偶的并聯(lián)、串聯(lián)和反接102正極與正極，負極與負極分別連接在一起。如果n支熱電偶的熱電勢相差不多，且偶絲電阻相等，則并聯(lián)測量線路的總熱電勢等于n支熱電偶熱電勢的平均值。熱電勢小，但其相對誤差也小，僅為單支熱電偶的，且其中一支熱電偶斷路時，不影響整個系統(tǒng)工作。多用于溫場的平均溫度測量，或需準確測量溫度場合。正極與正極，負極與負極分別連接在一起。如果n支熱電偶的熱電勢103b熱電偶的串聯(lián)線路將n支熱電偶（同型號）依次按正、負極相連接的線路這可以得到較大的熱電勢，可提高測溫靈敏度顯示儀表的示值反映的是兩支熱電偶測量端溫度的總和：E＝E1+E2+E3b熱電偶的串聯(lián)線路104多用于小溫差測量或需要較高靈敏度場合。優(yōu)點：熱電動勢大，測溫準確度比單支熱電偶高，根據(jù)串聯(lián)原理，可制成熱電堆，可感受微弱信號，或相同條件下，可配用靈敏度較低顯示儀表。缺點：只要有一支熱電偶斷路，整個系統(tǒng)不能工作。多用于小溫差測量或需要較高靈敏度場合。105c熱電偶反接將兩支同型號熱電偶反向連接可測量兩點之間的溫差，它也是要考慮參考端溫度一致，則輸入儀表電勢：c熱電偶反接106熱電勢測量線路熱電偶輸出的信號是熱電勢，熱電勢大小需要通過測溫儀表來指示，從而反映出被測溫度的高低，熱電勢測量有下列幾種方法：熱電勢測量線路1071動圈式儀表測熱電勢熱電勢與回路電流I關(guān)系其中——Re：線路總電阻，統(tǒng)一規(guī)定為15Ω，它包括導線電阻，熱電偶電阻，補償導線電阻和調(diào)整電阻Rc；Rs：動圈儀表內(nèi)部串聯(lián)電阻，用來改變儀表量程；R：是電阻RB,RT,RD,RP的綜合，RT：熱敏電阻（68Ω，20℃，它與RB并聯(lián)，用來補償儀表動圈電阻RD隨溫度的變化）；RD：儀表動圈電阻；RP：阻尼電阻（用來減少動圈轉(zhuǎn)動的阻尼時間）RB、RP、RS、RC為錳銅繞制，阻值不隨溫度的變化而變化。因為，故：儀表表盤刻度可直接用溫度刻度冷端補償方法是：用冷端補償器的方法，如圖2-15，page271動圈式儀表測熱電勢1082電位差計測電勢a直流電位差計采用把被測量與已知標準量比較后的差值調(diào)至零的零差測量方法原理圖，見書有三個回路，即工作電流回路I，標準回路II，測量回路III測量時，先把K鍵撥向“標準”位置，此時由標準電池EN，標準電阻RN及檢流計G組成的校準回路，開始工作，根據(jù)回路電壓定律：調(diào)節(jié)Rs改變工作回路電流I1，當EN=I1*RN時，IN=0，即檢流計G指零。2電位差計測電勢109因為En，Rn幾乎不變，所以I1不變，這樣就將工作電流標準化然后，將K鍵撥向“測量”位置，由E,Rab，檢流計G組成的測量回路開始工作，同樣，由回路電壓方程：，其中Re為熱電偶及其連接導線的等效電阻調(diào)整電阻盤上用毫伏進行刻度直接讀出熱電勢值熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件110b電子電位差計有多種功能：I具有較高精度；II能連續(xù)自動記錄并自動顯示被測溫度；III自動補償熱電偶參考端溫度；IV參數(shù)超限報警；V對被測參數(shù)進行自動控制。原理與直流電位差計相似，與其不同的是：它用可逆電機及一套機械傳動機構(gòu)代替人的手進行電壓平衡操作；用放大器代替檢流計來檢查不平衡電壓，并控制電機可逆工作。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件111恒值電流I通過滑線變阻，若RP上的分壓，則電子放大器的輸入偏差電壓，經(jīng)放大后有足夠的功率去驅(qū)動可逆電機SM，使它根據(jù)或，作正向或反向轉(zhuǎn)動，經(jīng)機械系統(tǒng)帶動RP上的滑動點B作或左或右轉(zhuǎn)，直到Et和UAB相平衡。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件112第三節(jié)熱電阻測溫技術(shù)一般熱電偶在500℃以下工作時，熱電勢小，靈敏度較低，故目前在測量-200～600℃范圍的溫度時，多采用電阻溫度計，尤其是低溫測量中，電阻溫度計用得較為普遍。電阻溫度計特點：精度高，測量范圍廣，輸出信號大，靈敏度高，不需冷端。第三節(jié)熱電阻測溫技術(shù)113一電阻測溫原理利用導體或半導體的電阻隨溫度變化而改變的性質(zhì)，將電阻值的變化用二次儀表把它測量出來，從而達到測溫的目的。即：通過測量電阻值大小來反應溫度的高低，可見，電阻溫度計包括兩個部分：敏感元件熱電阻和測量電阻值變化的儀表。一電阻測溫原理114敏感元件（熱電阻）要求常用金屬和半導體材料制造，其材料應滿足：a電阻溫度系數(shù)大且與溫度無關(guān)，才能保證其良好靈敏度和線性度金屬熱電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但不嚴重，尤其在較窄的溫度范圍內(nèi)，線性還是比較好的；敏感元件（熱電阻）要求115半導體電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但嚴重，但在低溫時靈敏度高，電阻溫度系數(shù)大。b電阻率大由,ρ大，可使電阻體體積較小，因而熱慣性也較小，對溫度變化的響應快；c材料復現(xiàn)性和穩(wěn)定性好；d價格便宜根據(jù)熱電阻所用的材料，主要可分為金屬熱電阻和半導體熱電阻。半導體電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但嚴重，但在低溫時靈敏度116熱電阻溫度傳感器金屬式熱電阻；（鉑、銅、鐵、鎳等）半導體式熱敏電阻熱電阻溫度傳感器金屬式熱電阻；（鉑、銅、鐵、鎳等）117二.金屬熱電阻溫度計電阻溫度系數(shù)：用溫度變化1℃時，金屬熱電阻值的相對變化量來描述，用α表示。，單位：實際上，α表示了電阻溫度計的相對靈敏度，因為是電阻的相對變化量，而不是絕對變化量；二.金屬熱電阻溫度計118二、金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu)及參數(shù)1.常見的金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu)形式：絲式：由金屬電阻絲盤繞或焊接而成。箔式：由金屬電阻箔采用光刻技術(shù)制造。它主要由粘合層1、3，基底2、蓋片4，敏感柵5，引出線6構(gòu)成金屬箔式應變片的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。由于金屬箔式應變片具有線條均勻、尺寸準確、阻值一致性好、傳遞試件應變性能好等優(yōu)點，因此，目前使用的多為金屬箔式應變片，其結(jié)構(gòu)見圖二、金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu)及參數(shù)1.常見的金屬電阻應變片的結(jié)119金屬導體電阻一般是隨溫度的升高而升高的，大多數(shù)金屬當溫度升高1℃時，其阻值增加（0.4～0.6）％，即α，對于同一金屬材料α也可以不相同，其大小與該金屬純度有關(guān)，純度越高，α越大。金屬熱電阻純度常用表示，：100℃時金屬熱電阻的阻值，：0℃時金屬熱電阻的阻值。越大，純度越高。金屬導體電阻一般是隨溫度的升高而升高的，大多數(shù)金屬當溫度升高1201鉑熱電阻使用最廣泛的一種熱電阻。特點：a物理化學性能穩(wěn)定；b準確度高；c穩(wěn)定性好；d性能可靠鉑電阻使用溫度范圍：-200℃～850℃在0～850℃，電阻與溫度關(guān)系：在-200～0℃，電阻與溫度關(guān)系：我國工業(yè)上使用的鉑電阻規(guī)定：目前，全國統(tǒng)一設計后，鉑電阻分度有三種.當愛在靠近

1鉑熱電阻當愛在靠近121分別為：Pt50（R0=50Ω）；Pt100（R0=100Ω）；Pt300（R0=300Ω）選取R0數(shù)值大小的一般原則是從減小引出線和連接導線電阻變化所引起的測量誤差考慮。R0大，熱電阻引出線和連接導線的阻值可忽略，所以就希望R0大為好。R0小，測量時流過電阻體的電流加熱電阻絲所產(chǎn)生的熱量就小，這對減小熱容量和熱慣性，提高電阻對溫度的響應速度有利，為此就希望R0小為好。因此在實際選用時必須綜合考慮。分別為：Pt50（R0=50Ω）；Pt100（R0=100Ω1222銅熱電阻優(yōu)點：a價格便宜；b電阻溫度系數(shù)大；c易獲得高純度銅絲；d互換性好；e電阻溫度系數(shù)幾乎線性；缺點：電阻率小，易被氧化；使用溫度范圍：-50～150℃電阻與溫度關(guān)系：尤其在0～100℃范圍內(nèi)，可用

其中α0：銅電阻在0℃時的α，α0＝4.25×10-3℃-12銅熱電阻123目前我國工業(yè)上使用的標準化銅電阻分度號，有兩種:Cu50和Cu100；。目前我國工業(yè)上使用的標準化銅電阻分度號，有兩種:124三，熱電阻結(jié)構(gòu)普通熱電阻，外形與熱電偶相似，主要由：保護套管，電阻體，骨架和引線等部件組成a電阻體也就是溫度敏感元件，其材料性能對傳感器的好壞有關(guān)鍵性的影響；b骨架作用是用來纏繞，支撐或固定熱電阻絲的支架對骨架材料要求：i絕緣性能好；ii比熱?。籭ii導熱系數(shù)大；iv物理化學性能穩(wěn)定；v膨脹系數(shù)?。籿i有足夠的機械強度。常用材料：云母，玻璃，石英，陶瓷，塑料等。三，熱電阻結(jié)構(gòu)125c引線測量熱電阻所必需的但因其有一定的阻值，并隨溫度變化而變化，而且熱量通過引線也會造成損失，這些都會引起測量誤差。所以要求：i材料電阻溫度系數(shù)小；ii電阻率??；iii熱導率低；iv和電阻體接觸產(chǎn)生的熱電勢??；v化學性質(zhì)穩(wěn)定；常用引線材料：鉑，金，銀銅絲等。d保護套管主要作用：使電阻體免受腐蝕和機械損傷c引線測量熱電阻所必需的126鎧裝熱電阻將陶瓷或玻璃骨架上的感溫元件，裝入不銹鋼細管內(nèi)，其周圍用氧化鎂粉牢固充填；它的三根引線同保護管之間，以及引線相互之間要絕緣良好。優(yōu)點：a外徑小；b測溫響應快；c抗震；d可撓；e使用方便；f使用壽命長；鎧裝熱電阻127半導體電阻溫度計（熱敏電阻）相比于金屬熱電阻具有如下優(yōu)缺點，優(yōu)點：1電阻溫度系數(shù)比金屬導體大，靈敏度高；2電阻率高（可制成極小的敏感元件，熱慣性小，且導線電阻的影響很小，特別適用于測量點溫度及動態(tài)溫度）半導體電阻溫度計（熱敏電阻）128缺點：1線性及互換性差，測量范圍，僅為-50～300℃2性能不穩(wěn)定，測溫精度低不過，隨著半導體工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，半導體溫度計特性將會得到進一步改善。缺點：129測溫原理：半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，具有負的溫度系數(shù)。電阻與溫度系數(shù)，其中T――被測溫度，單位K；RT――溫度為T時的電阻值；A,B――常數(shù)，與溫度無關(guān)。一般是用鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等一些金屬氧化物做原料制成

測溫原理：半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，具有負的溫度130三熱電阻測溫線路測量熱電阻阻值的常用儀表：直流電位差計，直流平衡電橋，動圈式儀表，自動平衡電橋及數(shù)字式儀表。下面主要介紹三種測量線路。三熱電阻測溫線路測量熱電阻阻值的常用儀表：直流電位差計，1311和直流電位差計配套線路圖如下圖所示，主回路：熱電阻Rt，標準熱電阻RN，可變電阻Rp，和具有穩(wěn)定電壓的電源E串聯(lián)成閉合回路。P是電位差計；K是切換開關(guān)；通過改變可變電阻Rp大小調(diào)節(jié)通過RN、Rt電流。首先，可用電位差計測得標準電阻兩端的電壓UN，從而得到回路中的電流強度I：1和直流電位差計配套132然后，把切換開關(guān)反向接通，用電位差計測得熱電阻Rt兩端的電壓Ut，則從而測得熱電阻阻值Rt。這種測量方法具有較高測量精度，為什么？由于測量時連接電位差計的導線內(nèi)無電流通過，熱電阻也不受連接導線電阻影響。然后，把切換開關(guān)反向接通，用電位差計測得熱電阻Rt兩端的電1332不平衡電橋――和動圈式儀表配套測量原理圖不平衡電橋：由Rt、R1、R2、R3、R4和線路電阻ra、rb組成；其中Rt被測電阻。2不平衡電橋――和動圈式儀表配套134當Rt變化時，電橋平衡被破壞，AB兩端會產(chǎn)生不平衡橋壓，會在動圈中形成電流，使動圈在磁場中受力而偏轉(zhuǎn)，同時帶動指針在標尺指示相應的被測溫度。注意：采用XCZ－10Z動圈式儀表測量熱電阻時，其連接線電阻必須嚴格控制，（一般有兩種規(guī)定：5Ω和10Ω）否則會對結(jié)果產(chǎn)生影響，所以無論在儀表與熱電阻之間采用二線制連接還是三線制，均要在每根導線上加上附加電阻Re，使其滿足規(guī)定要求，不允許在斷開熱電阻時接通儀表電源，否則會因電流過大而損壞儀表。當Rt變化時，電橋平衡被破壞，AB兩端會產(chǎn)生不平衡橋壓，會在1353和平衡電橋配套是測量熱電阻最常用的方法二線制：3和平衡電橋配套136其中：R2=R3用錳銅繞制（比例臂）；R1可變電阻（可變臂）；Rt：熱電阻；ra、rb：連接導線和引線電阻；G為檢流計；E為電池。當電橋平衡時，檢流計中無電流通過，→。由于導線分布電阻ra、rb：會隨環(huán)境溫度變化；R1：可通過觸點位置讀數(shù)電阻值；Rt：即可求得→只與R1有關(guān)，可在R1上進行電阻或溫度刻度。由于導線分布電ra、rb在同一橋臂上，當環(huán)境溫度改變將引起ra、rb變化，無法精確測出Rt值，會給測量帶來較大的誤差。其中：R2=R3用錳銅繞制（比例臂）；R1可變電阻（可變臂）137三線制：三線制：138其中：R2=R3用錳銅繞制；R1可變電阻；Rt：熱電阻；ra、rb、rc：連接導線電阻（一般情況下，三根導線材料、直徑、長度相同）；G為檢流計；E為電池。電橋平衡時，，且ra=rb，所以有Rt＝R1。由于ra=rb，當環(huán)境溫度變化時兩橋臂阻值同方向、同增量變化，這樣有效地消除連接導線電阻的影響。使rc和ra、rb相等是為了避免差錯，方便使用。

其中：R2=R3用錳銅繞制；R1可變電阻；Rt：熱電阻；ra139第五節(jié)溫度計的選擇，安裝，與標定選擇必須根據(jù)被測對象的情況，測量的要求，被測介質(zhì)的性質(zhì)，和周圍的環(huán)境來選擇。第五節(jié)溫度計的選擇，安裝，與標定選擇140安裝低溫測量1測量壁面溫度時，保證溫度計與被測物體有良好的熱接觸2用熱電偶或熱電阻測溫時，通常是在被測物體上鉆出與溫度計相適應的孔，將溫度計的測量端埋入孔內(nèi)，然后用低溫膠密封好；3低溫測量時，要考慮測量引線的傳熱給測量帶來的誤差靠近溫度計部分的引線，必須與被測物體達到同一溫度安裝141采取措施：a先把引線繞在比室溫低的一個金屬零件上，減少室溫引線漏熱b選擇細的，導熱性能差的材料作引線；

c避免室溫對低溫溫度計的熱輻射，如加裝輻射屏采取措施：142標定出廠前，安裝前，或經(jīng)過一段時間使用后，須對溫度計進行標定。工業(yè)用溫度計的標定方法主要有兩種：比較法，定點法。標定1431比較法將具有高一級準確度的標準溫度計和被標定的溫度計都置于同一介質(zhì)中，比較二者的溫度測量指示值，確定被標定溫度計的基本誤差。標準溫度計：高溫時，用標準熱電偶；低溫時，用水銀溫度計；1比較法144比較法標定溫度計的基本要求：營造一個均勻的溫度場（標準和被標定可感受到同樣溫度），并具有足夠大?。ㄓ蓽y溫元件產(chǎn)生導熱損失可忽略），那么如何去營造一個均勻溫度場呢？比較法標定溫度計的基本要求：營造一個均勻的溫度場（標準和被標145a中、低溫液體槽（帶攪拌裝置）根據(jù)被標定溫度計范圍不同，常用液槽有：液氮槽：檢定溫度可達-150℃酒精槽：利用固體CO2冷卻，可達-80℃水槽：用電加熱，可用于：1～100℃范圍油槽：用電加熱，可用于：80～300℃范圍a中、低溫液體槽（帶攪拌裝置）146b管式電爐常用在溫度大于400℃以上場合，有時也可用于低溫場合，但精度較液體槽低為了保證內(nèi)部溫度分布均勻，要求電爐：內(nèi)腔長度與直徑之比至少是：20:1；在電爐內(nèi)管中心，放置一鎳金屬塊，然后在塊上鉆一孔，便于插入熱電偶。b管式電爐1472定點法就是：用需檢定的溫度計測量某些固定點溫度（如：凝固點，沸點，三相點），求得讀數(shù)，再與這些固定點在國際溫標中的標準值相比較，根據(jù)它們之間的差異程度評定其基本誤差大小，主要用以下幾個易獲得、常見的固定點：a沸點：水沸點，但同時測量當?shù)卮髿鈮簲?shù)值，并據(jù)此進行溫度指示值的修正；b凝固點：水冰點，受大氣壓影響非常小，但受純度影響。2定點法148第三章壓力測量第一節(jié)壓力的基本概念一.壓力定義：垂直作用在物體單位面積上的力，對應物理學中的壓強。1法向壓力作用在一個定點上的壓力p是由垂直施加在以該點為中心的單位面積dA上的力確定的，即第三章壓力測量第一節(jié)壓力的基本概念149在連續(xù)介質(zhì)中，任取一個平面將介質(zhì)分成兩部分，所分成的兩部分介質(zhì)相互推擠時產(chǎn)生的法向應力稱為壓力，整個作用在連續(xù)介質(zhì)上的力稱為全壓力，其中包括固體內(nèi)部的壓力，固體間接觸面的壓力，以及流體內(nèi)部的壓力。本書所研究的壓力是流體壓力。對于靜止的流體，任何一點的壓力與在該點所取的面的方向無關(guān)，在所有方向上壓力大小相等，這種具有各向同性的壓力稱為流體靜壓力；靜止流體中的壓力僅僅取決于流體所處的時間和空間的位置，是一標量值，與所取的作用面方向無關(guān)。在連續(xù)介質(zhì)中，任取一個平面將介質(zhì)分成兩部分，所分成的兩部分介1502運動流體內(nèi)的壓力運動流體中，任何一點的壓力是所取平面方向的函數(shù)。當所取平面的法向與流動方向一致時，所得到的壓力最大，這個壓力最大值稱為該點的總壓力；當二者方向垂直時，即作用在與流體流動方向平行的面上的壓力稱為流體靜壓力，總壓力與靜壓力之差稱為動壓力，而動壓力是流速的函數(shù)。假定流體為無粘性的理想流體，并忽略流體的壓縮性，且流體成水平方向穩(wěn)定流動，由流體能量守恒定律可知：常數(shù)式中，ps是靜壓；是動壓；ρ是流體密度；c是流體速度。2運動流體內(nèi)的壓力151可見，當流體沿水平方向穩(wěn)定流動時，其靜壓力與動壓之和沿著同一流線保持不變。對于實際流體，總壓力不可能保持常數(shù)，沿流動方向逐漸減小，主要是由于有粘滯阻力引起的能量損失。二.壓力表示方法（不同場合采用不同的表示方法）絕對壓力；表壓力（壓力：表壓力為正；負壓力或真空：表壓力為負）；壓差。單位可見，當流體沿水平方向穩(wěn)定流動時，其靜壓力與動壓之和沿著同一1521工程大氣壓1工程大氣壓等于每平方厘米的面積上垂直并均勻分布著1千克力作用的壓力，千克力/厘米2或kgf/cm2；2物理大氣壓地球大氣圈內(nèi)的空氣柱因自重在地球表面上產(chǎn)生壓力，是一個隨時間、地點變化而變化的量，使用不方便。規(guī)定：1物理大氣壓等于0℃時，1工程大氣壓153水銀密度為13.6g/cm3和重力加速度為9.80665m/s2時，高度為760毫米水銀柱在海平面上所產(chǎn)生的壓力，稱為標準大氣壓，記為atm；3mmHg4mmH2O在工程測量中，通入表的壓力為絕對壓力，而在壓力表上顯示的是表壓力。水銀密度為13.6g/cm3和重力加速度為9.80665m/154三.壓力分類根據(jù)壓力測量原理不同可分為三種：1重力與被測壓力平衡該方法是按照壓力的定義，通過直接測量單位面積所承受的垂直方向力的大小來檢測壓力，如液柱式壓力計；2彈性力與被測壓力平衡彈性元件感受壓力作用后會產(chǎn)生彈性變形，形成彈性力，當彈性力與被測壓力平衡時，彈性元件變形多少則反映了被測壓力的大小，如彈性式壓力計；三.壓力分類1553利用物質(zhì)其它與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)測量壓力一些物質(zhì)受壓后，其某些物理性質(zhì)會發(fā)生變化，通過測量這種變化就能測量出壓力，如各種壓力傳感器（精度高，體積小，動態(tài)特性好等優(yōu)點）。從測量角度：可分為1靜定壓；2變動壓（非周期連續(xù)變化<波動壓力>；不連續(xù)且變化大<沖擊壓力>）；3脈動壓（周期性變化）；3利用物質(zhì)其它與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)測量壓力156第二節(jié)穩(wěn)態(tài)壓力測量一.測量的基本原理流體沿水平方向穩(wěn)定流動時，其靜壓與動壓之和沿流線不變，即常數(shù)；其中，p0是總壓力，或稱滯止壓力；ps：流體靜壓力。假如一物體處于流體中，它表面上某一點流體的靜壓力為ps1，速度c1，則：第二節(jié)穩(wěn)態(tài)壓力測量157引入壓力系數(shù)，由流體力學可知，在任何被流體繞流的物體上，都存在流體速度為零的一些點，這些點稱為臨界點，這些點上的壓力稱為滯止壓力p0。

此時壓力系數(shù)Kp＝1；同樣，在被繞流物體表面上也存在流體的壓力等于流體靜壓力，即：ps1=ps，此時Kp＝0。如圖3-13-2:引入壓力系數(shù)，158backnextbacknext159backback160對于圓柱形物體，當，即圓柱表面的A點是臨界點；，但曲線斜率大，這一點Kp值不穩(wěn)定；，雖然，但卻是穩(wěn)定。對于球形物體，臨界點為處的點；當，即：

對于頭部為半球形的圓柱體，其臨界點位置與圓柱體和球體一樣，臨界點在x＝0的點，即在其端部；而Kp＝0的壓力分布的點在離半球端部3d處的圓柱表面上。

對于圓柱形物體，161二流體靜壓測量及靜壓探針講述流體靜壓與流體速度有關(guān)，且流道橫截面上各點的流體靜壓是不相等的。由于在穩(wěn)態(tài)運動流體中，靜壓與動壓之和沿流線不變，而流體的動壓是速度的函數(shù)，所以流體的靜壓也與流體的速度有關(guān)。由于流體在流道橫截面上的速度分布是非線性的，所以流道橫截面上各點的流體靜壓是不相等的。二流體靜壓測量及靜壓探針162靜壓測量分兩種情況：a測量作用于流道壁面上的靜壓力；b測量流體中某一點的靜壓力。1對于流道壁面上的靜壓力測量可在流道壁面上開靜壓孔的方法進行測量，測壓孔應滿足下列條件：a測壓孔應開在直線形管壁上；熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件163b軸線應在壁面垂直（作用在與流體流動方向平行的面上的壓力稱為靜壓力）；c直徑為0.5mm左右，最大不能超過1.5mm；d孔邊緣應整齊，光潔（無毛刺，無倒角，保持尖銳等）。特點：簡單，方便，對流體干擾小，具有較高精度。b軸線應在壁面垂直（作用在與流體流動方向平行的面上的壓力稱164實際上，壁面孔必然對流過壁面的流體有些干擾，由此造成測量誤差，流體流經(jīng)孔口時，流線會向孔內(nèi)彎曲，并在孔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，從而引起靜壓測量的誤差，孔徑越大，流線彎曲越嚴重，因而誤差也越大，所以孔徑應小一點，但孔徑小會使制造困難，使用時也容易被灰塵堵塞，會引起測量反應遲緩，延長試驗時間。2流體中一點的靜壓力可用靜壓探針來測量，置于流體中，對流體干擾較大，為減小測量誤差，在滿足剛度要求前提下，希望它們幾何尺寸應盡量小。要求探針在插入流體內(nèi)時應與流線平行，且不改變測壓區(qū)的流線，對氣流方向變化盡量不敏感，靜壓孔的軸線應垂直于氣流方向。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件165下面介紹幾種常用的靜壓探針：aL形靜壓探針用細管彎成“L”形制成，頭部呈半球形，測壓孔應開在什么地方呢？氣流流過靜壓管頭部獲得加速，靜壓降低；支桿對氣流有阻礙作用，流速降低，靜壓升高，在L型靜壓管頭部和支桿之間選擇適當?shù)奈恢迷O置靜壓孔，可以得到接近真實靜壓的測量值。根據(jù)繞流原理，測壓孔應開在距端部3倍管徑處的探針的側(cè)表面；測壓孔中心距支桿距離為8倍管徑?？梢?，該探針特點：感受部分的軸向尺寸較大，對流體的方向變化不靈敏角較小。適用于流道尺寸較大，且旋流不大的場合，如：壓縮機進、出口流體靜壓的測量。下面介紹幾種常用的靜壓探針：166b圓柱形靜壓探針由一根圓柱形細管做成，根據(jù)繞流原理，測壓孔應開在管子背向流體流動方向的一面。在100°<α<270°范圍內(nèi)，測出靜壓ps保持不變；由于探針的軸線與流線垂直，因此對流場擾動較大，又：我們從繞流物體上壓力分布曲線可見，其表面上沒有穩(wěn)定的壓力系數(shù)為零的點，只有近似等于零的點。所以用該探針b圓柱形靜壓探針167c碟形靜壓探針優(yōu)點：其所獲得的測量值與流體在x-y平面內(nèi)的方向角α無關(guān)，所以該探針所測的壓力值是各向同性的，也就是流體靜壓力；缺點：對流體在z軸上的方向變化角δ很敏感，要盡量保持碟盤與流線平面平行，所以對碟盤的加工精度要求很高，從而增加成本和加工難度。d導管式靜壓探針測壓孔開在一個導管上，相當于將流體中某一點靜壓測量變成流道壁面上流體靜壓測量。缺點：導管加工精度高，工藝復雜，探針體積較大，應用受到限制。熱能與動力工程測試技術(shù)(白)課件168e雙孔葉片形靜壓探針與碟形靜壓探針相似，與其不同之處在于它的兩個側(cè)面的中心各有一個測壓孔，每個測壓孔連接各自的壓力計（或壓力傳感器），當兩個儀表給出同樣的示值時，認定探頭在流體中定位良好。它的缺點：也是加工精度高，尺寸大，安裝要求嚴格f吉勒德－吉也納靜壓探針由一根頭部壓扁成二面角形的管子做成，二面角每個面上有一個測壓孔，原理近似于雙孔葉片形靜壓探針，與其相比好處是對流體方向角變化不敏感，因此測量較為準確可靠。e雙孔葉片形靜壓探針169