热物理量测技术复习

1、绪论1、 测量系统的基本概念、基本组成传感器、信号处理、信号调理器应该对其他的信号输入不敏感。2、 误差的性质和分类误差是指“测量值”与所测量“真实值”的差异。系统误差：在相同条件下的多次测量，其误差的绝对值和符号保持恒定，或误差随条件的改变而按某一确定的规律变化。用准确度表征。随机误差：在相同条件下多次测量同一量，其误差的绝对值和符号的变化，时大时小、时正时负，具有低偿性，但没有规律性。用精度表征。过失误差：在相同条件下多次测量同一量，其误差的绝对值和符号具有偶然性，没有低偿性，也没有规律性。如记录数据错误产生的误差。3、 测量结果的精密度：对统一被测量进行多次测量所得的测定值重复一致的程度

2、，或者说测定值分布的密集程度 , 称为测量的精密度。精(密)度反映随机误差的影响 , 随机误差愈小 , 精密度愈高。测量结果的准确度：对同一被测量进行多次测量 , 测定值偏离被测量真值的程度称为测量的准确度。准确度反映了系统误差的影响 , 系统误差愈小 , 准确度愈高。测量结果的精确度：准确度+精密度4、 误差估计方法： 5、 计算机数据采集系统的组成：模数转换器（ADC）：精度、仪器可测范围、信号范围信号调理模块计数器定时器6、 静态响应、动态响应。温度1. 温度描述的是什么？为什么是内涵量？温度是表征物体的冷热程度的物理量；描述系统不同自由度间能量分布的物理量；描述分子无序运动的平均动能。

3、内涵量：不具有叠加性。2. 温标、90国际。温标：用来衡量温度的标准尺度。三要素：固定点定义、内插公式和内插仪器。目前实行：1990年国际温标ITS-90.3. 膨胀式温度计。原理：物体热胀冷缩玻璃液体温度计：感温泡+毛细管+刻度标尺。压力式温度计：温泡+毛细管+弹性元件。双金属温度计：热膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起。4. 电阻温度计。热敏电阻温度计：热敏电阻（电阻值随其温度呈指数变化的半导体热敏感元件） 金属热电阻：1）铂热电阻（化学稳定性、线性关系与重复性好）13.8033K961.78；2）铜热电阻（价格低）-50150；3）镍热电阻（无互换性）5. 热电偶温度计：工作原理：导

4、体的热电效应（塞贝克效应）包含哪些电势：接触电势（电子密度大的导体的自由电子向电子密度小的导体扩散 ，珀尔帖电势）；温差电势（温度高的一端电子能量大，则电子从高温端跑向低温端的数量多，而返回的数量少，最后达到平衡，汤姆逊电势）总热电势计算方法：四个应用定则：1）均质导体定则（内容：由一种均质导体(或半导体)所组成的闭合回路,不论导体的截面积和长度如何，及导体各处温度分布如何, 都不能产生热电势。应用：热电势大小只取决于材料、冷热端温度,而与热电极材料的长短与其上温度分布无关。）2）中间导体定则（内容：在热电偶回路中接人中间导体(第三种导体)，只要中间导体两端温度相等，则中间导体的接入对回路总电

5、动势没有影响。）3）组合定则（参考电极定则）（内容：若给出AC(如铜-铁)和CB(如铁-康铜)热电偶的热电势，则可推导出AB(铜-康铜)热电偶的热电势。）4）中间温度定则（应用：为参考端修正和使用补偿导线提供了理论基础）测温线路图：串并联测温原理：热电偶分类：标准化热电偶+非标准化热电偶；贵金属热电偶+贱金属热电偶。8种中5种(含T和K型)标准热电偶的类型、名称、正负极材料：S型：铂铑10-铂，单铂铑热电偶；准确度最高、稳定性最好；灵敏度低。R型：铂铑13-铂。B型：铂铑30-铂铑6，双铂铑热电偶；最高使用温度1800摄氏度。K型：镍铬-镍硅热电偶；目前用量最大的贱金属热电偶。N型：镍铬硅-镍

6、硅热电偶。J型：铁-铜镍热电偶。E型：镍铬-铜镍热电偶；电动势最大，灵敏度最高。T型：铜-铜镍热电偶；最佳的测量低温的贱金属热电偶。特点：互换性好，性能稳定，结构简单，使用方便，经济耐用，体积小和容易维护的优点；-20018006. 普通工业用热电偶由哪几部分组成，每部分的功能？热电极：绝缘管：固定热电极、绝缘保护管：保护热电极接线盒：7. 铠装热电偶铠装热电偶是将热电偶丝和绝缘材料一起紧压在金属保护管中制成的、可以弯曲的热电偶。特点：挠性好、可以弯曲；长度可以很长；机械强度、耐压抗震性能好。8. 补偿导线、参考端及相关测温电路。补偿导线：中间温度定则。参考端：冰点式参考端；恒温槽式参考端；室

7、温式参考端9. 辐射测温的优势。高温物体或对象；无法接触物体或运动物体；导热系数小或热容量很小的物体；响应时间很短；极小表面或极大表面；不会破坏温度场；军事；医学诊断。10. 红外大气窗口。大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对35微米和814微米等波段的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。11. 黑体及实际物体的辐射亮度表达。；12. 宽波段辐射温度计的温度修正关系。（T实际物体的辐射温度；TT显示值）；13. 红外探测器，不同类型的原理。【热探测器】原理：基于入射辐射与探测器相互作用时引起探测元件的温度变化，进而引起探测器中与温度有关的电学性质的热电效应。类

8、型：热电堆型；热敏电阻型；热释电型。【光探测器】原理：基于入射辐射与探测器相互作用时，激发电子跃迁而产生的光电效应。类型：光导型（光敏电阻，灵敏度高，响应快，探测器必须冷却）；光生伏特型（光电池，相应时间更短，不需冷却）。14. 接触式温度测量引起测温误差的原因：破坏原有的温度场；存在热流；M>0.2时气动加热；动态误差；化学（贵金属铂的催化作用）【低速气流温度测量】温度计的导热对测量的影响（，其中，；mL的物理意义：换热量/导热损失）。减小温度计导热误差的措施：1）增大长径比；2）提高温度计根部温度；3）强化h，弱化；4）采用放气式热电偶。辐射屏蔽罩。粗细双测量端热电偶：+。【高速气流

9、温度测量】插入气流的温度计是扰动源，测得的是升高了的温度。静温：气流无序动能。动温：气流有向动能。总温>有效温度>静温。【动态温度测量】忽略导热和辐射误差后：时间常数定义：动态相应方程：=>减小动态误差的方法：减小时间常数15. 光谱辐射温度计只测量狭窄波长范围下的辐射能。将光谱辐射亮度用维恩公式表示。感知的是被测物体的亮度温度。；16.思考题：X1.不论测量高速气流还是低速气流的温度，只要流过温度计的气流速度足够大，测量误差就小？答：否。只是增大了对流h，还有导热误差、辐射误差、气动发热误差。X2.高速气流的静温T、总温T*与有效温度Tg之间存在关系：T>T*>

10、Tg？X3.测量固体表面温度时，等温线布置热偶丝的主要目的是为了减小温度测量的导热误差？X4.三种红外温度计的响应速度从快到慢的排列顺序为：热偶型红外温度计、光生伏特型(光电池)红外温度计、光导型(光敏电阻)红外温度计？X5.大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对35微米和814微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。X6.采用裸露的热电偶测量燃烧产物的温度，若热电极材料为贵金属，应注意什么？答：铂有催化作用。X7. 质量、时间、长度等物理量为“内涵量”，温度比较特殊而是“广延量”。不论该命题对或错，均须简要说明原因。X8. 说明热电偶测温中的中间导体定则的物

11、理含义。有何应用？X9. 补偿导线的作用是什么？X10. 热电偶串联接法，又称什么？画出热电偶串联接法的测温线路图，并说明所画的图中由几对热电偶组成？请举两个例子说明热电偶串联接法的应用场所。X11. 如何理解高速气流温度测量中的有效温度Tg。答：气流滞止：动能=> 温度升高=> 散热(通过导热、对流与辐射)=> 减少温升=> 最后平衡于Tg。X12. 在接触式温度测量中，有哪些误差来源。X13. 给出了低速气流温度测量的导热误差，其中m2L2 =hPL2/(kA)，而h、P、A、L、k分别为温度计对气流的对流换热系数、横截面的周长和面积、温度计长度、材料导热系数。说明

12、mL的物理含义，采取哪些措施可以减小温度测量的导热误差。X14. 列举出8种标准热电偶，并注明分度号与热电极材料的正负。X15. 热电偶测温的基本线路是什么？热电偶并联测温线路有何用处，制作时有何要求？(要求给出线路图)X16. 目前，温度测量中采用的国际温标？X17. 请列举出四种测温用热电阻名称，它们可用于测量温度的共同点是什么X18. 给出热电偶测温的四个定则的名称，并说明T型热电偶可以采用焊锡焊接的依据。X19. 给出速度误差和复温系数的基本定义。答：恢复系数：动能恢复为热能的程度速度误差：X20. 说明热电偶的测温原理，画出包含补偿导线的测温线路图，测温回路中的总热电势由哪些电势组成

13、？这些电势的形成机理？若参考端的温度不是0，如何根据参考端温度及测温回路的热电势计算被测温度？在热电偶测温中要注意哪些误差来源？答：误差来源？X21. 什么是导体的“热电效应”？用文字和图说明热电偶热电势中接触电势与温差电势的产生机理。试说明均质导体定则与中间导体定则的实际应用价值。解：导体的热电效应亦称塞贝克(SeeBeck)效应，由两种不同的导体A和B构成回路，回路中的两端温度不同，即TT0时，回路中会产生热电势，热电势与两端温度存在一定的关系。其中测温线路见下图。(在一定温度范围内，与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线，称为补偿导线。) 补偿导线的作用是将热电偶的参考端延伸到

14、远离热源或环境温度比较稳定的地方。热电偶热电势中接触电势与温差电势的产生机理，请同学参考课件。根据均质导体定则，热电偶的热电势大小只取决于材料、冷热端温度，而与热电极材料的长短与其上温度分布无关。因此在实际应用中，只需关心热端和冷端温度，而不需关注两端的具体温度分布，同时可以使用同样材质的导体将两热电极连接至测温仪表。根据中间导体定则，焊接热电偶热端时形成了第三种导体，但其两端温度相同，对测温准确度没有影响。当然，热电偶的两热电极材料可以焊接于导电材料的两个不同的点，而且离开一定的距离，只要两点的温度相同，对测温准确度亦没有影响。X22. 铂电阻传感器被用于测量0200之间的温度。阻值R()随

15、温度t ()的关系为，温度为0、100和200时的电阻值分别为100.0、138.50和175.83。计算温度系数和。X23. 用金属热电阻测量温度时，为什么所用的电桥接线方式要采用补偿导线电阻的连接方式？提示：温度测量点与电桥的间距可能达到百米。答：看材料力学书X24. 举例说明家庭中有哪些场所或设备需要进行温度测量，分别选用哪一种温度传感器较为合理，其用途或目的又是什么？解：一个典型的家庭在以下场所和设备中需要进行温度测量，以下也列出了相应的用途或目的：室内气温，玻璃水银(酒精或煤油)液体温度计，测量室内气体温度；体温计，玻璃水银液体温度计，体温测量专用温度计；空调机室内机，热敏电阻，测量

16、室内机进气温度用于控制室内空气温度；电冰箱，压力式温度开关(我国早期采用双金属温度开关)，测量储藏柜温度以控制制冷机的启停；燃气热水器，K型热电偶，作为温度开关监测热水器火焰，当火焰熄灭后立即切断燃气以提供安全保护；燃气炉灶，K型热电偶，作为温度开关监测炉灶火焰，当火焰熄灭后立即切断燃气以提供安全保护；中高档电饭煲，采用热敏电阻的偏多，监测饭粥温度(位于外侧壁或上盖)，为饭粥温度提供程序控制，获得更香的米饭。X25. 测温用热电阻有哪几种？它们各有何特点？试比较金属热电阻与(半导体)热敏电阻的异同。X26.可以利用热电偶的哪个定则检查热电极材料的均匀性。如何操作？X27. (a) T型和K型热

17、电偶亦称为什么？热电极材料分别是什么，正负极呢？(b) 在0100范围内，T型和K型热电偶的灵敏度非常接近，大约0.04mV/，用其中一种热电偶测量保温瓶内的开水温度，热电偶与电压表相连接，电压表接线端温度25，电压表显示的电压值为2mV，保温瓶内的开水温度是多少？X28. 膨胀式温度计包括哪三类具体的温度计？X29. 铂、铜和镍等金属常用来制作测温用热电阻的材料，从化学稳定性和测温上限等方面的性能考虑，哪一种金属最适合用作测温材料？X30. 工业生产过程的三大检测参数包括了哪些被测量？答：X31. 在动态温度测量中，减小动态测量误差的最有效方法是减小温度计的结构尺寸，为什么？X32. 请举出

18、三个红外温度计应用的场所。答：医疗：测体温；飞行器检测；电路板检测；远程监视；军事上目标识别。X33. 在接触式温度测量过程中，是否必须使温度计与被测对象达到能量平衡？为什么？X34. 哪一种测温方法不会破坏被测对象的温度场？X35. 在高速气流温度测量中，采用滞止罩或辐射屏蔽罩中的哪一种，可以减小速度误差？X36. 是否可以设计出一种复温系数等于或大于1.01的用于测量高速气流的温度计。请说明原因。解：复温系数(恢复系数)定义为：动能恢复为热能的程度。事实上，只有部分的动能转换为热能，但不可能全部地转换为热能；温度计受到气动加热后，同时也通过辐射和导热的形式向外散热，即复温系数是大于0且小于

19、1的值，因此，不可能设计出一种复温系数等于或大于1.01的用于测量高速气流的温度计。X37. 已知为细长杆型温度计的能量平衡方程，符号定义如下：r材料密度；V微元体的体积；cp材料比热；T微元体温度；t时间；材料的导热系数；x长度尺度；h对流换热换热系数；S微元体的表面积；Tg被测气流的温度；e微元体发射率；s斯蒂芬-玻尔兹曼参数；Tw壁面温度。(1) 给出动态误差、导热误差、辐射误差的表达式；(2) 给出时间常数的定义式，分析有哪些措施可以减小动态误差。解：(1)对下式进行整理得则动态误差、导热误差、辐射误差各项的表达式分别为、 、 (2) 给出时间常数的定义式为：则因此，减小动态误差的关键

20、是设计温度计时使其结构尺寸尽可能地小，其次是将温度计放置于表面传热系数大的地方。X38. 用带钢套管的热电偶来测量烟道中的烟气温度，若热电偶感受到的温度为，气流温度为，管壁温度为，如要求，问热电偶最小插入深度应当多大？(忽略套管顶部的对流换热)热电偶套管外径为15mm热电偶套管内径为10mm钢的导热系数54W/m，h=100W/m2解：由得 ch(mL)>200则mL>5.99即所以热电偶的最小插入深度应为20.1cm。X39. 用两热偶材料相同、发射率均为e的粗细双测量端热电偶测量高温气流(已知热电偶垂直与气流)。其两对热电偶直径分别为d1= 0.2mm和d2=0.8mm，显示温

21、度值分别为Tj1和Tj2。推导粗细双测量端热电偶测温关系式，并求修正后的气流温度。(1)当壁面温度远小于热偶温度时，Tj1=792K，Tj2=720K。(2)当壁面温度远大于热偶温度时，Tj1=720K，Tj2=792K。解：对于热偶由平衡方程：（1） （2）而 ，则 （3）由式（1）、（2）和（3）联立可以得到（4）(1) 当时，（4）可以化为，将Tj1=792K，Tj2=720K，d1= 0.2mm和d2=0.8mm代入上式有Tg=989K (2) 当时，式（4）可以化为，将Tj1=720K，Tj2=792K，d1= 0.2mm和d2=0.8mm代人上式有Tg=648KX40. 用一裸丝热

22、电偶测量气流的温度，在流速为100m/s时测得热电偶的时间常数为0.1s，若流速减小到25m/s，问热电偶的时间常数为多大？若此时温度突然呈线性变化T=20t，问当时间分别为0.2s及1.0s时，其动态误差多大？解：由(若考虑偶丝与气流平行时，暂且考虑偶丝与气流垂直情况)和得则流速减小到25m/s时热电偶的时间常动态误差当时间分别为0.2s时当时间分别为1.0s时流量1. 流出系数，流量范围、量程，量程比。流出系数：C=q实/q理 ，实际流量与理论流量之比。流量范围：由流量计在允许误差内所能测量的最大流量和最小流量所限定的范围。量程：测量范围上限值和下限值的代数差。量程比：最大流量和最小流量的

23、比值，如100:1.2. 容积式流量计（齿轮容积式流量计）。原理：利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积。型式：转子型，刮板型，活塞型，湿式气表（转筒式，量程比大20:1，精度高），干式气表（膜式，煤气表）优点：是流量仪表中精度最高的一类；在旋转流和管道内流场畸变时，对计量精确度没有影响，没有前置直管段要求；用于高粘度流体的测量；量程比大（10:1到5:1，甚至30:1）；直读式仪表，清晰简便。缺点：结构较复杂，有活动部件，一般只适用于中小口径；安全性差，如检测活动部件卡死，流体就无法通过；会给流动带来脉动，

24、产生噪声，甚至使管道振动；对被测介质种类、介质工况有要求，只适用洁净单相流体，一般不适用于高低温场合，适用范围窄。3. 叶轮/速度式流量计（涡轮流量计）。原理：利用叶轮因流体流动而旋转，转速与流体的平均流速成一定的函数关系型式：涡轮流量计，水表和叶轮风速计。【涡轮流量计】原理： 信号检测：电磁感应式，笛簧管式，光电感应式。4. 浮子流量计（转子流量计、变面积流量计）。受力分析： 体积流量： 特点：用于小管径和低流速；对上游直管段要求不是特别高；量程比10：1，最低5:1最高25:1，压力损失较低；金属管浮子流量计，使用温度和压力范围宽；大部分只能用于自下向上垂直流的管道安装。5. 差压流量计（

25、孔板差压流量计）。原理：节流效应 （）=u2修正：取压系数，速度修正 流量公式：（可压缩流体）系数：流束收缩系数；节流装置的直径比 节流件类型：标准孔板，标准喷嘴，文丘里管，文丘里喷嘴标准节流装置：标准节流件+取压装置（D,D/2；角接取压，法兰取压）+节流件前后直管段（10D，5D）差压计：U型管，斜管微差压计优点：是系列化、通用化、标准化程度很高的一大类流量计，标准孔板结构应用最普遍（易于复制，简单牢固，性能稳定可靠，寿命长价格低）；应用范围极广泛（单相混相各种工况）缺点：中等重复性和精确度；量程比小（差压和流量成平方关系，3:1-4:1）；安装条件要求较高，需较长的直管段；引压管线易泄漏

26、、堵塞、冻结、信号失真；压损大（孔板、喷嘴）。6. 电磁流量计。原理：法拉第电磁感应定律 => 优点：结构简单，无运动部件，无流动干扰和压力损失；非接触式测量，可测固液两相流体及腐蚀性流体；前置直管段要求低；量程比20:1-50:1；管道口径范围宽，可测正反双向流量、脉动流量。缺点：不能测电导率低的流体；不能测量气体、蒸汽和含有较多气泡的液体；不能用于高温流体；易受电磁干扰。7. 涡街流量计。原理：涡脱落频率； 流量 信号检测：检测钝体的振动频率（应力应变，电容电磁）；检测涡旋的变化频率（热敏、光电、超声）优点：结构简单牢固，安装维护方便；适用流体种类多（气、液、混相）；精确度较高；量程

27、比10:1或20:1；压力损失小（孔板的1/4_1/2）；输出与流量成正比的脉冲信号；一定Re数范围内，受流体物性和组分的影响小缺点：不适于低Re数的测量；涡旋分离的稳定性受流速分布畸变及旋转流的影响，需设前直管段或整流器；力敏检测法不适于强振动场所；分辨率低，口径越大越低；8. 科氏力流量计。原理：利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力，测量该力即可获得质量流量。优点：质量流量直接测量方法，精度高，量程比大；与管内流速分布、流态无关，不需整流；适用的流体介质面宽，非牛顿、少固少气的混相；可靠性高，无活动部件和阻碍物。缺点：不能测密度太低的物质；对外界振动敏感

28、；不能用于大管径测量；压力损失较大，体积重量大；零点漂移；价格昂贵。9. 皮托管原理：，皮托管系数（流量系数），可膨胀性系数速度面积法：10. 热线（膜）测速。应用：平均流速测量，脉动流速测量。在湍流脉动速度测量中占垄断地位。热线金属丝：要求电阻温度系数高，强度高。常用镀铂钨丝（铂耐高温不易氧化，钨强度好耐冲击易氧化）。最大可能的长径比和最高的空间分辨率。长径比一般在100-200之间。原理：能量平衡。 实用公式：，得到：（热线静态响应方程）方向特性：优点：惯性小，频率响应宽，适于湍流测量；灵敏度高；对流场干扰小。缺点：极低和极高速度测量不完善；只能测量单点；价格较高。11. PIV测速基本原

29、理。粒子图像测速。原理：理论假设：示踪粒子跟随流体运动且均匀分布，判读区内有唯一的速度，时间间隔内，微团内粒子的相对位置变化不大。关键：粒子的跟随性，片光源，流场速度的可视化方法系统组成：脉冲激光器，CCD，采集卡，同步控制器，计算机优点：定量，非接触，信息量丰富缺点：示踪粒子的跟随性，空间分辨率及总视场受限，光路要求12. 流场可视化原理：在流场中加入一定量的粒子(示踪粒子),粒子完全跟随流体运动；或者利用流体本身就携带跟随性很好的粒子；或流场自身对光产生的散射、反射，通过观察、拍摄粒子的运动轨迹，从而定性(有时也可以定量)确定流场的速度分布状况，这种方法称作流场可视化方法。系统组成：光源（

30、普通光源、激光、片光源）、观察记录系统（直接观测，相机，高速摄像机）、示踪粒子（烟雾、颗粒、颜料）。示踪粒子：要求：密度与流体相同；直径尽量小；对光的散射性好；添加的粒子颗粒密度均匀，不会对流体的物性产生影响。选择：气体流场（烟、雾），液体流场（空心玻璃珠，空心陶瓷珠，颜料，荧光粒子），两相流（麸皮，三氧化二铝）优点：直观；非接触式测量；信息量丰富缺点：一般不能定量测量；测量区域有光学要求。思考题：X1.简要介绍PIV(粒子成像测速)技术的基本测速原理。X2.一般情况下，科氏力质量流量计、涡街流量计和涡轮流量计，哪一种流量计的压力损失最小？答：涡轮还是涡街？X3.涡街流量计能否应用于层流管道中

31、的流量测量？X4. 推导转子流量计的流量计算公式。X5. 用图与文字详细说明涡街流量计、电磁流量计和科氏力质量流量计的工作原理。X6. 非导电流体，如空气，能否利用电磁流量计测量其流量，为什么？X7. 孔板差压式流量计与科氏力流量计相比，哪种流量计的量程比大？X8. 涡轮流量计的工作原理？X9. 工业生产过程的三大检测参数包括了哪些被测量？X10. 流量计有哪些分类原则？答：ü 测量对象：封闭管道流量计和敞开流道(明渠)流量计ü 测量目的：总量测量(总量表)和瞬时流量(流量计)ü 测量物质的形态:气体、液体、固体、两相流、ü 所利用的物理原理：按物理学科分类ü 按测量方法和结构分类：工程上最通用的分类方法ü 检测信号：体积流量计和质量流量计X11. 定排量流量计指的是哪种流量计，又是如何工作的？压力与气体成分1. 压力测量方法液柱式压力测量：U形管，单管，斜管弹性元件及弹性压力表电阻应变式压力传感器：原理：压力作用=>产生应变(弹性材料)=>尺度变化=>(长度、截面积变化)=>阻值变化；电桥形式：【扩散硅压阻式压力传感器】：原理：压阻效应（压力作用=>电阻率变化（半导体材料）=>电阻变化）；特点：结构简单，可微型化；频带宽；灵敏度高；温度影响大；量程小，一般