熱工測試技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

《熱工測試技術(shù)》課堂實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐指導(dǎo)書課程中文名稱：熱工測試技術(shù)課程英文名稱：EnergyandPowerEngineeringTesting課程編號：041956100適用專業(yè)：新能源科學(xué)與工程學(xué)時(shí)數(shù)：總學(xué)時(shí)32，其中：理論28、實(shí)驗(yàn)4學(xué)分?jǐn)?shù)：2課程類別：專業(yè)課程應(yīng)開課學(xué)期：第五學(xué)期實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐一：溫度測量和熱電偶校正實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類型：綜合型實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：6人/組一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐目的1.了解熱電阻和熱電偶溫度計(jì)的測溫原理；2.學(xué)會熱電偶溫度計(jì)的制作與校正方法；3.了解二線制、三線制和四線制熱電阻溫度測量的原理；4.掌握電位差計(jì)的原理和使用方法；5.了解數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的原理；6.應(yīng)用誤差分析理論于測溫結(jié)果分析。二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐內(nèi)容1.了解熱電阻測溫原理，練習(xí)熱電阻二三線制接法；2.做出被校熱電阻與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)之間的曲線關(guān)系，通過查標(biāo)準(zhǔn)熱電阻溫度與阻值關(guān)系進(jìn)行分析；3.了解熱電偶的測溫原理、溫度補(bǔ)償方法，練習(xí)熱電偶連線與測溫；4.做出被校熱電偶溫度與電勢曲線，通過查標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與電勢關(guān)系進(jìn)行分析；5.練習(xí)電位差計(jì)測量電勢方法，了解校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)臺自動(dòng)采集原理。三、儀器設(shè)備熱電偶實(shí)驗(yàn)裝置主要由恒溫水浴、電位差計(jì)、熱電偶、熱電阻、冰點(diǎn)儀、數(shù)據(jù)采集裝置、低電勢轉(zhuǎn)換開關(guān)和標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)等組成。恒溫水浴上具有攪拌、加熱與溫度控制裝置，可根據(jù)要求將溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。采用標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)測量的溫度作為標(biāo)準(zhǔn)溫度，用于校準(zhǔn)熱電偶和熱電阻。四、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐原理、方法、手段和步驟1.實(shí)驗(yàn)原理1）熱電阻（1）熱電阻原理熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的。它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，―而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。常用鉑電阻和銅電阻，鉑電阻在0-630.74℃以內(nèi)，電阻Rt與溫度t的關(guān)系為：Rt=R0(1+At+Bt2)R0系溫度為0℃時(shí)的電阻，鉑電阻內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制、和四線制三種。兩線制中引線電阻對測量的影響最大，用于測溫精度不高的場合，三線制可以減小熱電阻與測量儀之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響，用與高精度溫度檢測。本實(shí)驗(yàn)是三線制連接，其中一端接二根引線主要是消除引線電阻對測量的影響。熱電阻的校驗(yàn)熱電阻的校驗(yàn)一般在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，除標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)需要作三定點(diǎn)（水三相點(diǎn)，水沸點(diǎn)和鋅凝固點(diǎn)）校驗(yàn)外，實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)用的鉑或銅電阻溫度計(jì)的校驗(yàn)方法有采用比較法。比較法是將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)與被校電阻溫度計(jì)一起插入恒溫水浴中，在需要的或規(guī)定的幾個(gè)穩(wěn)定溫度下讀取標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被校驗(yàn)溫度計(jì)的示值并進(jìn)行比較，其偏差不超過最大允許偏差。在校驗(yàn)時(shí)使用的恒溫器有冰點(diǎn)槽，恒溫水槽和恒溫油槽，根據(jù)所校驗(yàn)的溫度范圍選取恒溫器。但比較法所用的恒溫器規(guī)格多，一般實(shí)驗(yàn)室多不具備。因此，工業(yè)電阻溫度計(jì)可用兩點(diǎn)法進(jìn)行校驗(yàn)，這種校驗(yàn)方法只需要有冰點(diǎn)槽和水沸點(diǎn)槽，分別在這兩個(gè)恒溫槽中測得被校驗(yàn)電阻溫度計(jì)的電阻，然后檢查是否滿足規(guī)定的技術(shù)數(shù)據(jù)指標(biāo)，以確定溫度計(jì)是否合格。熱電阻的類型普通型熱電阻。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體。它的外徑一般為φ2—φ8mm。與普通型熱電阻相比，它具有體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝；使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。端面熱電阻。端面熱電阻感溫元件由特殊必理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實(shí)際溫度，適用于測量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。隔爆型熱電阻。隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引起爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場所的溫度測量。2）熱電偶（1）熱電偶原理將兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)線連接成閉合回路，如果兩接點(diǎn)的溫度不同，由于金屬的熱電效應(yīng)，在回路中就會產(chǎn)生一個(gè)與溫差有關(guān)的電動(dòng)勢，稱為溫差電勢。在回路中串接一毫伏表，就能粗略地測出溫差電勢值。溫差電勢的大小只與兩個(gè)接點(diǎn)的溫差有關(guān)，與導(dǎo)線的長短粗細(xì)和導(dǎo)線本身的溫度分布無關(guān)。這樣一對導(dǎo)線的組合就稱為熱電偶溫度計(jì)。（2）熱電偶標(biāo)定將熱電偶做為溫度計(jì)，必須先將熱電偶的溫差電勢與溫度值T之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。一般不用內(nèi)插式計(jì)算，而是用實(shí)驗(yàn)方法。用表格或T-E(或E-T)特性曲線形式表示。標(biāo)定方法，一般采用：固定點(diǎn)法：即測量已知沸點(diǎn)或熔點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在沸點(diǎn)或熔點(diǎn)時(shí)的溫差電勢值。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶法：將待標(biāo)熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶一起置于恒溫介質(zhì)中，逐點(diǎn)改變恒溫介質(zhì)的溫度，待熱電偶處于熱平衡狀態(tài)下測出每一點(diǎn)的溫差電勢。（3）熱電偶的分類熱電偶的種類繁多，各有其優(yōu)缺點(diǎn)?？筛鶕?jù)不同的用途選擇不同型號的熱電偶。目前我國已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的常用商品熱電偶，有以下幾種：表1熱電偶分類熱電偶分類型號新分度號舊分度號使用溫度℃長期短期鐵-康銅/JTK400800鎳鉻-鎳硅WREUKEU-210001300銅-康銅WRCKTCK6008002.實(shí)驗(yàn)步驟1）計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的操作步驟（1）恒溫水浴內(nèi)加好水，冰瓶內(nèi)放入冰水混合物。（2）將連接好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的熱電偶冷端放入冰瓶，并保證熱電偶連線在冰瓶內(nèi)10分鐘以上。檢查熱電阻、熱電偶的高溫探頭是否都浸在恒溫水浴里。熱電偶和熱電阻高溫探頭頭部要在同一水平面，以使兩者溫度盡可能一致。（注意：待需要測量恒溫水浴精準(zhǔn)溫度時(shí)，才將溫度計(jì)插入恒溫水浴，以免誤操作造成標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)損壞。且標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)也要和熱電偶、熱電阻高溫探頭在同一水平面）。（3）打開恒溫水浴電源按鈕，按下“加熱”，“水泵”按鈕，設(shè)定恒溫水浴溫度。（4）打開控制柜的開關(guān)，打開電腦并啟動(dòng)熱電偶熱電阻校驗(yàn)系統(tǒng)軟件，然后新建實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成后啟動(dòng)軟件“開始”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。（5）加熱恒溫水浴到設(shè)定溫度，待軟件提示“恒溫水浴狀態(tài)穩(wěn)定”后，點(diǎn)擊“采集穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)”按鈕，選擇量程適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)溫度測量出水浴溫度，并寫入計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集當(dāng)前傳感器的電勢值或電阻并予以保存。（6）實(shí)驗(yàn)者根據(jù)需要重復(fù)步驟5。（7）完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，點(diǎn)擊計(jì)算機(jī)軟件按鈕“停止”，終止實(shí)驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。（8）退出測控軟件，關(guān)閉電腦、控制箱以及恒溫水槽。（9）根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析與處理，最終得到不同溫度情況下電勢與電阻值。（10）應(yīng)用誤差分析理論進(jìn)行測溫結(jié)果分析。2）手動(dòng)數(shù)據(jù)采集的操作步驟步驟（1）和（2）與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集步驟一樣。（3）打開恒溫水浴電源，按下“加熱”，“水泵”按鈕。設(shè)定恒溫水浴溫度，待溫度比較穩(wěn)定的時(shí)候，選擇量程適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)溫度測量出水浴溫度，采用電位差計(jì)測量各熱電偶通道電勢，采用萬用表測量熱電阻的電阻值，并做好記錄。（4）實(shí)驗(yàn)者根據(jù)需要重復(fù)步驟3。（5）完成實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉恒溫水浴電源。（6）根據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析與處理，最終得到不同溫度情況下電勢與電阻值。（7）應(yīng)用誤差分析理論進(jìn)行測溫結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐結(jié)果處理1.記錄熱電阻、熱電偶溫度傳感器校驗(yàn)數(shù)據(jù)；2.繪制熱電阻、熱電偶傳感器校驗(yàn)曲線。六、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐注意事項(xiàng)1.實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將加熱主體加入適量的水或油。2.工作環(huán)境應(yīng)無強(qiáng)磁場，溫度0~35℃，相對濕度不大于85%。3.采用高精度玻璃溫度計(jì)測量溫度，注意溫度測量范圍，以免導(dǎo)致溫度計(jì)損毀。當(dāng)恒溫水槽溫度低于25℃時(shí)，采用0-25℃范圍的標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)；當(dāng)恒溫水槽溫度在25~50℃之間時(shí)，采用25-50℃范圍的標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)；當(dāng)恒溫水槽溫度在50~75℃之間時(shí)，采用50-75℃范圍的標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)；當(dāng)恒溫水槽溫度在75~100℃之間時(shí)，采用75-100℃范圍的標(biāo)準(zhǔn)玻璃溫度計(jì)。4.當(dāng)水槽溫度比較高的時(shí)候，注意防止?fàn)C傷。5.防止水槽的水濺出影響其他電氣設(shè)備。七、預(yù)習(xí)與思考題1.本實(shí)驗(yàn)誤差主要來源哪里？如何減小實(shí)驗(yàn)誤差？2.能否得到實(shí)際溫度的真值？如何設(shè)計(jì)高精度溫度傳感器？3.如何設(shè)計(jì)精度更好的恒溫水槽？需要哪些措施？4.為什么熱電偶可以做為溫度計(jì)？5.熱電偶溫度計(jì)與普通溫度計(jì)測溫各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？6.如何確定熱電偶的正負(fù)極？7.電位差計(jì)作為第三種導(dǎo)體接入熱電偶的兩種導(dǎo)體之間，為什么對測量結(jié)果無影響？實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐二：流速、流量測量實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐類型：綜合型實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐學(xué)時(shí)：2實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐要求：6人/組一、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐目的1.學(xué)習(xí)皮托管測速技術(shù)，掌握皮托管的測量原理及其測量系統(tǒng)組成，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力；2.了解皮托管的組成結(jié)構(gòu)、安裝方法和使用條件；3.掌握幾種常用壓力測量儀表的工作原理及使用方法；4.學(xué)習(xí)皮托管流量測量原理和特征速度點(diǎn)選取原則，掌握常用方法的特征速度點(diǎn)的位置；5.掌握皮托管測量數(shù)據(jù)的處理方法。二、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐內(nèi)容1.熟悉L型和S型皮托管的組成結(jié)構(gòu)、安裝方法和使用條件；2.選用合適的儀表組成皮托管測量系統(tǒng)；3.對管道中某截面上不同位置的被測介質(zhì)流速進(jìn)行測量，繪出管道內(nèi)介質(zhì)流速分布曲線；4.按照常用特征速度點(diǎn)選取原則，測量在其特征速度點(diǎn)上的被測介質(zhì)流速，計(jì)算介質(zhì)流量。三、儀器設(shè)備皮托管1支，U型管壓力計(jì)1臺，傾斜微壓計(jì)YYT-2000B1臺，補(bǔ)償微壓計(jì)YJB-2501臺，數(shù)字微壓計(jì)SYT-20001臺，數(shù)字漩渦流量計(jì)DY型1臺，離心風(fēng)機(jī)1臺，連接導(dǎo)管和支架若干，直尺1把，記號筆1支，水銀溫度計(jì)1支。四、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐原理、方法、手段和步驟1.實(shí)驗(yàn)原理（1）流速測量皮托管是一種基于伯努利方程的流速測量裝置，是以其發(fā)明者、法國工程師HenriPitot的名字命名的，它由總壓探頭和靜壓探頭組成，利用流體總壓與靜壓之差，即動(dòng)壓來測量流速，故也稱動(dòng)壓管。由于其主要測量對象為氣體，因此又有風(fēng)速管之稱。皮托管的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造使用方便，價(jià)格低廉，而且只要精心制造并經(jīng)過嚴(yán)格標(biāo)定和適當(dāng)修正，即可在一定的速度范圍內(nèi)達(dá)到較高的測量精度。所以雖然皮托管的出現(xiàn)已歷時(shí)兩個(gè)多世紀(jì)，但至今仍是熱能與動(dòng)力機(jī)械中最常用的流速測量手段。皮托管測取的是流場空間某點(diǎn)的平均速度。由于是接觸式測量，因而探頭的頭部尺寸決定了皮托管測速的空間分辨率。受工藝、剛度、強(qiáng)度和儀器慣性等因素的限制，目前最小的皮托管頭部直徑約為0.1~0.2mm。（2）流量測量為了得到流量值，需要測量管道截面上的平均流速。由于皮托管僅能測量特定點(diǎn)上的流速，所以要用皮托管測量流量可通過對多個(gè)特征速度點(diǎn)進(jìn)行測量并進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算以得到管道的平均流速。通常的做法是將管道截面分成面積相等的若干個(gè)部分，測量每一部分特征點(diǎn)上的流速作為該部分的平均流速，再乘以面積得到該部分的平均流量，最后把通過各個(gè)部分面積的流量累加起來就是通過整個(gè)管道的流量。這種測量方法叫做速度面積法，是皮托管測量流量的一種基本方法。如果將管道截面A分成n份，每份的截面積為Ai，每一份上的特征點(diǎn)流速為vi，則流過整個(gè)管道的體積流量Q為：Q=2.實(shí)驗(yàn)步驟（1）選擇實(shí)驗(yàn)皮托管，記錄該皮托管的編號和校準(zhǔn)系數(shù)，填入表2；（2）按照所選用的特征速度點(diǎn)確定原則（等環(huán)面法、對數(shù)直線法和切比雪夫法三者選其一）對皮托管的豎直測量桿進(jìn)行刻度；（3）開啟離心風(fēng)機(jī)；（4）調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)閥門的開度，等待3分鐘，使風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定；（5）記錄大氣溫度填入表2；（6）從標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)（旋渦流量計(jì)）中讀取被測流量值，填入表2；（7）插入皮托管，按照所選用的特征速度點(diǎn)確定原則，分別測量對應(yīng)該方法在三個(gè)位置上的差壓（即動(dòng)壓值）填入表2；（8）調(diào)整調(diào)風(fēng)閥門的開度，重復(fù)步驟4~7兩次，再測量兩個(gè)不同流量下的值，填入表2；（9）測完三個(gè)不同流量下的數(shù)據(jù)后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。五、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐結(jié)果處理1.按照皮托管特征速度點(diǎn)的常用確定原則，分別計(jì)算出位置1、2和3處的流速v1、v2和v3繪出管道內(nèi)同一截面內(nèi)的流速分布曲線；2.用它們的算術(shù)平均值作為管道的平均流速計(jì)算流量，分析計(jì)算的流量值和標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)的相對百分誤差。表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表法