热能与动力工程测试技术白

热能与动力工程测试技术主讲人陈威第一章测量系统概论及误差分析第一节测量的根本概念第二节误差分析第一节测量的根本概念测量技术是一门实用性很强学科，探求事物之间量、质关系的科学，与其他学科有着广泛而密切的联系。其次，根据测量的复杂程度合理组成测量系统。因此其可分为简单测量系统和复杂测量系统。再次，任何测量都不可防止地含有误差。误差理论是测量技术的核心，它能够分析和判断结果的可靠性和有效性。一.测量意义无论在科学实验还是在生产过程中都离不开测量技术，否那么会给工作带来巨大的盲目性.只有通过可靠的测量，然后用误差理论正确判断测量结果的可靠性和有效性，才能进一步解决工程技术上提出的问题。由此可见，测试技术水平上下，将直接影响科技的开展。二.测量方法1按照获得测量结果的方法不同分类1)直接测量：将被测量直接与测量单位进行比较，或用预先标定好的测量仪器进行测量其测量结果可直接从测量仪表上获得，称为直接测量。A直读法：直接从仪表上读出测量结果。如：压力表温度计等。B比较法：与某一量或标准量具进行比较，其测量精度比直读法高。--直接测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：20.1mm--相对测量：将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：简单、直观、明了；测量精度不高基准量：20.00mm测量值：+0.08mm结果：20.08mm特点：精度高；复杂、本钱高、要求高2)间接测量：

：在工程上许多测量参数往往不能用直接测量法得到，如内燃机功率P=M*N/9550,这种通过直接测量量与被测量有确定函数关系的各变量，然后将所测得的数值代入函数关系式进行计算，从而求得测量值的方法，称为间接测量法。

按照测量状态和条件分1)按等精度和非等精度分：在完全相同条件〔测量者、仪器、测量方法、环境等〕下，进行一系列重复测量称为：等精度测量。2)按动态和稳态分：对稳态参数进行测量，称为稳态测量〔如：环境、温度、大气温度、压力…〕。3)按接触和非接触被测物体：接触测量和非接触式测量测量方法的选择应取决于测试工作的具体条件和要求。三.测量系统为了测量某一被测量的值，根据测量精度要求，将假设干测量设备,按照一定的方式连接起来，这种连接组合即构成了一种测量系统。根据测量复杂程度，可分为：1简单测量系统2复杂测量系统四.测量元件1感受元件感受被测量的变化，随之内部产生变化，并向外发出一个相应的信号。〔举例：水银温度计感受元件作用〕包括两个功能：拾取信息和把拾取的信息进行变换，一般是将其变换成另一种物理量，如：位移、压差、电压等。主要有两种变换方式：a非电信号变换〔如：水银柱位移信号〕b将感受到的被测信号直接变换成电信号输出〔如：热电偶〕需具备的条件：a变换速度快；b抗干扰能力强；c良好的线性变换；d尽量不干扰被测介质的状态。2传递元件将感受元件发出的信号，经加工或变换成显示元件易于接收的信号〔作用〕〔举例：电阻应变片〕假设感受元件发出的信号过小〔或过大〕，传递元件应将信号放大〔或衰减〕；转换和处理一般也有两种形式：1非电量的转换；2电量的转换和处理。这些经处理后的信号一般是模拟信号，可直接送到显示局部，也可通过A/D转换，变成数字量，传输到计算机进行信息处理，当然也可送到数字式仪表。3显示元件根据传递元件传来的信号向观测人员显示出被测量在数量上的大小和变化。一般可分为模拟显示和数字显示。微机的CRT显示屏既能显示模拟信号，又能显示数字信号和文字。

五.测量仪表的主要性能1量程一般测量系统能测量的最大输入量称为测量上限，其最小输入量称为测量下限。测量上、下限代数差的模，称为量程，即测量范围。例：某温度计：-40～+80℃2精度〔准确度〕指测量某物理量时，测量值与真值的符合程度。仪表精度的表示方法常用满量程时仪表所允许的最大相对误差的百分数来表示。测量精度精度：测量结果与真值吻合程度定性概念测量精度举例不精密〔随机误差大〕准确〔系统误差小〕精密〔随机误差小〕不准确〔系统误差大〕不精密〔随机误差大〕不准确〔系统误差大〕精密〔随机误差小〕准确〔系统误差小〕3灵敏度灵敏度表示测量系统在作静态测量时，输出变化量与输入变化量的比值。灵敏度有量纲，它是输出、输入量的量纲之比。4分辨率与灵敏度有关的另一性能指标，是指测量系统能够检测出的最小输入变化量。5稳定性指在规定的工作环境条件和时间内，仪表性能的稳定程度，它用观测时间内的误差来表示。6重复性在相同测量条件下，对同一被测量进行屡次重复测量，测量结果的一致程度，用重复性误差Rn来表示。7温度误差输出特性随温度变化而不同，当环境温度偏离仪表的定标温度〔20〕，其输出值的变化称温度误差。8零点温漂在一定环境和工作条件下，测量系统的输入量固定不变时，其输出量发生变化，这种变化称为漂移。在系统零点产生的漂移，那么为零漂。漂移往往是由于测量系统〔仪表〕内部温度变化或零件性能不稳定引起的。把主要由于温度引起输出量的变化的漂移称作温漂。9动态误差与频响特性动态误差，亦称动态特性，在测量某些随时间变化而变化的物理量时，仪表在动态下的读数，和它在同一瞬间相应量值的静态读数之间的差值。一个仪表可看成一个振动系统，在动态测量中，要求仪表具有良好频响特性，也就是说要求它的幅值比，在所要求的频率范围内变化不大，即动态误差小，同时在这个频率范围内相位差也很小，相位差太大将会导致仪表失真。可通过拉普拉斯变换求解微分方程，获得传递函数。第二节误差分析-一误差存在的绝对性“误差是不可防止的〞无论使用多么精密的仪器，无论测量方法多么完善，无论操作多么细心。通过测量系统对被测物理量进行测量，所得到的数值称为测量值X，而被测物理量具有客观存在的量值，称为真值X0，但遗憾的是，在任何方式下测得的值X都不可能是真正的被测量值真值X0，只能对X0的近似。近似程度的大小，就是误差的大小。总之，测量结果都具有误差，误差自始至终存在于一切科学实验和测量过程中。二研究误差的目的虽然每次得到的测量值不是真值，而是近似值，我们所关心的是每次测量，其测量误差是否在允许范围内。我们研究方向是：1〕找出测量误差产生的原因，并设法防止或减少产生误差的因素，提高测量精度；2〕求出测量误差大小或其变化规律，修正测量结果，并判断测量可靠性。

三误差表达形式一般有两种表达形式：绝对误差和相对误差1绝对误差2相对误差绝对误差只能表示出误差量值的大小，而不能表示出测量结果的精度相对误差可以表示测量精度，δ小，精度越高。

四测量误差分类1根据误差出现规律〔误差性质及其产生原因〕a)系统误差定义：在相同条件下，对某个量进行屡次测量时，误差的绝对值和符号或均保持恒定，或按照一定规律变化。产生原因：一类原因可能是仪表制造，安装，或使用不正确或试验装置受外界干扰；另一类原因是试验理论和试验方法不完善。如何消除：系统误差是客观存在的，有时难以消除，这就只能通过修正测量值才能到达测量精度，而修正值是从专门的试验中求得的。b)过失误差〔粗大误差〕定义：在测量过程中，完全由于人为过失而明显造成了歪曲测量结果的误差；产生原因：测量人员粗心大意，读错，记错，算错或错误操作等；判断方法：最简单的方法是拉伊特法，即残差大于3σ时就可以判定它是过失误差；如何消除：剔除

c)随机误差定义：在对同一个量进行屡次测量时，由于受到某些不可知随机因素的影响，测量误差时小时大，时正时负地变化，没有一定的规律，并且无法估计。但也同时发现测量次数足够多时，这种误差的分布服从统计规律，把它称为随机误差或偶然误差。产生原因：a仪表内部零件之间存在间隙和摩擦，其变化不规那么；b测量人员对模拟指示型仪表最末一位估计不准，在数字式仪表中，计数脉冲造成±1数字误差；c周围环境不稳定对测量对象和测量仪器的影响。特点：与测量次数有关，当测量次数增加时，随机误差的算术平均值将逐渐减小，并趋近于零。2.按照测量误差产生的来源a)人为误差〔操作误差〕；b)环境误差；c)方法误差；d)动态误差；e)仪表误差〔装置误差〕俗称:人,机,料,法,环

五误差理论根底在测量结果中，在修正好系统误差，剔除过失误差后，所得数值测量精度就取决于随机误差了。所以有必要对随机误差进行研究。

1.随机误差分布的性质有界性：在一定测量条件下，测定值总是相当窄的范围内变动，故而随机误差也是在一定的，相当窄的范围内变动，绝对值很大的误差出现的概率为零，即随机误差不会超过一定的界限。对称性：当测量次数足够多时，大小相等，符号相反的正负误差出现的概率相同，即随机误差的概率密度曲线是对称的。抵偿性：全部随机误差的算术平均值在测量次数不断增加趋向于无穷时趋于零。单峰性：误差的绝对值越小，出现的次数就越大，当误差为零〔测量值等于算术平均值时〕，出现概率最大，即：随机误差概率密度曲线的单峰性。2.随机误差概率密度分布曲线从上述4点性质充分说明，大多数测量的随机误差都服从正态分布规律。分布密度函数一定是随机误差x的平方的函数。这个分布是1796年高斯提出的，所以也称为高斯分布，其函数分布形式为：如图1-2:式中，x--测量值与真值之差〔＝X-X0〕；Y--概率密度〔误差等于x〕；--均方根误差或称标准误差该正态分布主要由两个特征参数决定，即：X0，X0代表被测量参数的真值，完全由被测参数本身决定，当测量次数趋于无穷大时，子样平均值等于真值。图1-2back：那么表示测定值在真值周围的散布程度，由测量条件决定：点概率：区间概率：※误差分布曲线性质：a)曲线关于y轴对称：；b)当x＝0时，y到达最大值＝；c)当时，，最大误差存在概率极小。如图1-3:3误差表示方法〔测量结果误差评价〕无论是直接测量，还是间接测量，其目的都是要求出某一物理量的真值，但即使是熟练的实验者用高精度仪表，仔细地测量，也不可防止会有误差。因此，必须在给定条件下，找出测量值与真值的关系，从一组测量数据中确定最正确值，用它来代表所测物理量。标准误差〔均方根误差〕当测量次数足够多时，标准误差为：back为绝对误差＝Xi-X；其意义是：当进行屡次测量后，测量误差在范围内的概率是68.3％，即：

=0.683当测量次数为有限屡次时，此时我们用有限次测量求得的算术平均值近似地看成真值。此时样本方根差：，其中为残差b〕或然误差γ在一组测量中，当时，随机误差的绝对值大于或然误差或小于或然误差出现的概率各占一半，即：＝0.5得：对于置信度1-α＝50％时，置信区间，γ＝0.6745对于屡次测量，那么有：测量结果＝子样平均值或然误差〔P＝50％〕c)极限误差定义极限误差范围〔即置信区间〕是均方根误差的三倍，记为3对应于置信区间的3置信度为99.7％即：测量误差落在[-3,+3]范围内的概率为99.7％也就是说：被测量真值落在范围之内的概率已接近100％，而落在这个范围之外的概率极小，可认为不存在，所以将此误差定义为极限误差，一般的仪表都是采用极限误差来定义精度的。d)平均误差测量列平均误差指该测定值全部随机误差绝对值的算术平均值。与标准误差的关系：测量误差落在范围内的概率为57.5％，置信度57.5％。4.各种误差与标准误差关系

如图1-4:back六．间接测量中的误差分析间接测量：是指被测量的数值是由测得的与被测量有一定函数关系的直接测量量经计算求得。所以可知，间接测量误差不仅与直接测量量的误差有关，而且还与它们之间的函数关系有关。一次测量，间接测量误差的计算由于手条件限制，试验时只对被测量进行一次测量，这样的情况我们是经常遇到的。如何来分析误差呢？1〕这时我们只能根据所采用的测量仪表的允许误差来估算测量结果中所包含的极限误差，看它是否超过所规定的误差范围。其中，δ：仪表精度等级；A0：仪表量程；A：实测时仪表读数；仪表所允许最大相对误差Δmax＝δA0，精度：δ％从上式可知，采用一定量程的仪表，测量小示值的相对误差比测量大示值的相对误差要大。因此，选择测量仪表的量程，应尽可能使示值接近于满刻度，这样可得到较为精确的测量结果。设：间接测量量Y，随机误差为y直接测量量为X1，X2，…，Xn，〔设有n个〕，相互独立，随机误差为x1，x2，…，xn函数关系：Y＝f〔X1，X2，…，Xn〕考虑误差后，变成：Y+y＝f[〔X1+x〕，〔X2+x〕，…，〔Xn+xn〕]将等式右边用泰勒级数展开，并忽略高阶项，得：

＝f(X1,X2,…,Xn)+可完成两方面工作：用直接测量量误差来计算间接测量量误差根据所给出的被测量的允许误差来分配各直接测量量误差〔举例〕屡次测量，间接测量误差的计算设：间接测量量Y，随机误差为y直接测量量为X1，X2，…，Xn，〔设有n个〕，相互独立，随机误差为x1，x2，…，xn函数关系：Y＝f〔X1，X2，…，Xn〕Y1＝f(X11,X21,…,Xn1)Y2＝f(X12,X22,…,Xn2)…Yn＝f(X1n,X2n,…,Xnn)每次测量误差分别为：…根据误差分布规律，等值，正负误差的数目相等，故上述n式各项平方和中的非平方项可抵消。那么:两边同除以n，变成，那么：间接测量值屡次测量时的极限误差为：第二章温度测量温度是我们经常要接触的一个参数，也是制冷空调中需要经常测量的一个参数。例如冷却水温度，制冷剂温度，空气温度等。温度是一个很重要的物理量，它是表征物质性质的重要参数，物质的热物理性质及某些特征参数均与温度有着密切联系。还有，它是国际单位制〔SI〕七个根本物理量之一测温的热力学原理温度物理概念“温度〞这个物理量主要是用来描述人们对周围环境或物体的冷热感觉。热感觉说明温度高，冷感觉说明温度低。换句话说，温度是衡量物体冷热程度的物理量。但是，它不可能用直接的方式来获得，而只能借助于冷热不同的物体之间热交换以及物体的某些物理性质随冷热程度变化的特性来间接地加以测量。下面继续从宏观和微观两个角度来说明“温度〞这个概念。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈剧烈其温度表现越高。温标是“温度标尺〞的简称，温度数值的表示方法，用来衡量物体温度的标尺。“温标〞规定了温度的起始点〔零点〕和测量温度的根本单位。二、温标1摄氏温标〔℃〕较早出现，应用较广泛的一种温标。其原理是规定汞随温度的体膨胀是线性的。分度方法：规定在标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度，沸点是100℃，把汞柱在这两点之间变化的液柱长度分为100等分。每一等分代表1摄氏度，用符号℃记之。2华氏温度〔F〕其选用原理和摄氏一样，差异在于固定点，华氏温标规定在标准大气压下纯水的冰点为华氏32度，沸点为华氏212度，然后把这两点之间变化的汞柱长度划分成180等分，每等分为1华氏度，用F表示。3热力学温标〔K〕又称绝对温标或开尔文温标，是以热力学为根底建立起来的，表达温度仅与热量有关而与工质无关的理想温标。由卡诺定理，我们可知，对于一个理想的卡诺机，如它工作在温度为T2的热源和温度为T1的冷源之间，它从热源中吸收热量Q2，在冷源放出热量Q1，那么温度与热量之间有如下关系：可见温度只与热量有关，与工质无关。如果我们指定了一个定点T2的数值，就可由热量的比例求得未知量T1。绝对温标规定水在标准大气压下的三相点温度为273.16K。但实际上，理想卡诺循环无法实现，所以热力学温标无法实现，使用中是以气体温度计经过示值修正后来复现热力学温标的。〔因为理论证明热力学温标与理想气体温标一致，再某些惰性气体的性质与理想气体近似，故利用它来制成气体温度计。〕4国际实用温标IPTS-901990年元旦开始实施的国际实用温标〔最新〕它规定热力学温度是根本的物理量，符号为T，单位：开尔文K。它规定水的三相点温度为273.16K，定义热力学温度开尔文等于水三相点温度的1/273.16国际实用开尔文温度和摄氏温度关系为：t＝(T-273.15)℃a该温标包围温度范围：0.65K～单色辐射高温计实际可测量的最高温度〔2000℃〕b定义固定点和温度点共有17个。〔其中14个为高纯度物质的三相点，熔点，凝固点；3个是用蒸汽或气体测定的温度点；c在不同温度范围内，选择稳定性较高的温度计来作为复现热力学温标的标准仪器。d更为实用，更为科学第二节热电偶测温技术热电偶是目前温度测量中应用最广泛的温度传感元件之一。一般用于测量高温。特点：结构简单，准确度高，热惯性小，它将输入的信号转换成电势信号输出，便于信号远传和转换。一,热电偶测温原理要追溯到1821年，著名科学家塞贝克偶然发现了一种现象，叫热电现象。也就是说，由两种不同导体A，B组成的闭合回路，当两接点处的温度不同时，回路中将产生电流，既而就会有热电动势产生，而且温度差越大，产生的热电动势也越大，这就是著名的热电现象,又称为塞贝克效应。我们把导体A、B称为热电极；产生的电流称热电流；产生的电动势称热电势；将放置在被测对象中的接点，称为测量端，热端，工作端；而将另一端，称为参考端、冷端、自由端。经研究发现，热电势是由温差电势和接触电势组成。1温差电势定义：由于导体两端温度不同而产生的一种电势。从温度微观概念知道，它是反映导体内部自由电子平均运动动能大小的标志。所以温度高的一端的电子能量往往比温度低的一端电子能量大，那么从高温端跑到低温端电子数比低温端跑到高温端的要多。那这样会造成什么结果呢？造成的结果是，高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电。从而在温度不同的导体两端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。该静电场有两个作用：a阻止高温端电子跑向低温端；b加速低温端电子跑到高温端。这样，最后就到达动态平衡状态。那么在导体两端便产生一个相应的电位差。称为温差电势，其方向是由低温端指向高温端，其大小只与导体性质和导体两端温度有关。其中―――NA：导体A的电子密度，它是温度函数；e：单位电荷；k：波尔兹曼常数；t：导体各断面的温度；T,T0：导体两端温度。2接触电势定义：当两种不同的导体A、B相接触，由于二者不同的电子密度而产生的一种电动势。从扩散原理，可知由于导体间接触处的电子数不同，那么电子在向两个方向扩散速率肯定也会不同，假设：导体A电子密度NA大于导体B电子密度NB，这样导体A的电子扩散速率比导体B要来的大，从而A失去电子而带正电，B得到电子而带负电，在A、B接触面上就会形成一个方向由A向B的静电场。它和温差电势中的静电场功能相似，将阻止电子进一步从A向B扩散，当扩散力和电场力平衡时，在A、B之间形成了一个固定的接触电势，其方向：又B指向A，其大小取决于A、B材料的性质和接触点的温度，可用下式表示。如图2-3(a):其中，NAT：导体A在温度为T时，电子密度；NBT：导体B在温度为T时的电子密度。3回路总热电势

一个由A、B两种均匀导体组成的热电偶，接点温度分别为T、T0，且NA>NB，那么回路中的总电势:

假设A、B材料已定，那么NA、NB只是温度的函数，那么上式可表示为：通过上式可得出如下结论：1热电偶回路热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关；2只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势；3热电偶的两个电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0且恒定，那么f(T0)为常数。回路总热电势只是温度T的单值函数。二热电偶回路的根本定律及其应用在实际测温时，热电偶回路中必然要引入测量热电势的显示仪表和连接导线，因此理解了热电偶的测温原理之后还要进一步掌握热电偶的一些根本规律，并能在实际测温中灵活而熟练地运用这些规律。1均质导体定律任何一种均质导体组成的闭合回路，不管其各处的截面积如何，不管其是否存在温度梯度，都不可能产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在那么材料必为非均质。应用：a检验热电极材料的均匀性b要求组成热电偶的两种材料A、B必须各自都是均质的，否那么会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。因此，要进行均匀性检验和退火处理。2.中间导体定律如下图，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。3中间温度定律两种不同材料A和B组成热电偶，其接点温度分别为t和t0时的热电势等于热电偶在连接点温度为〔t，tn〕和〔tn，t0〕时相应的热电势和的代数和。其中tn为中间温度，即。如图2-8:应用：a提供了冷端温度不是零度时如何应用热电偶分度表的方法；b连接导线定律〔当在原来热电偶回路中分别引入与材料A、B有同样热电性质的材料A’，B’，即引入所谓补偿导线，相当于将热电偶延长而不影响热电偶的热电势。如图2-9:back几种常用的热电偶及其性能热电极材料要求:1，在测温范围内，物理化学性能稳定2，热电特性好，热电势与温度的关系呈线性关系。3，温度变化时，热电势变化应足够大4，电阻温度系数要小，导电率要高5，复制性能好。热电偶分类a按热电势－温度关系是否标准化可分为标准化热电偶和非标准化热电偶；b按热电极材料的性质可分为：金属热电偶，半导体热电偶，非金属热电偶三类；c按热电极材料的价格可分为：贵金属热电偶和贱金属热电偶；d按使用温度范围分：高温热电偶和低温热电偶要求学生从以下几个方面掌握：分度号；材料贵贱；使用温度范围；优缺点〔特点〕；适用条件等。标准化热电偶是指生产工艺成熟、能成批生产，性能稳定，应用广泛，具有统一的分度表，并已列入国际专业标准中的热电偶。按惯例正极成分一般写在前面。常见的有以下6种标准化热电偶。1铂铑10－铂热电偶分度号为S，，为贵金属热电偶，其准确度在所有热电偶中是最高的，常用于科学研究和准确度要求比较高的场合。物理化学性能良好，热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化和惰性气氛中连续使用。缺点：价格昂贵，电极丝直径通常很细，机械强度较低，与其它热电偶相比，其热电势偏小，热电势率也较小，因此灵敏度低。2铂铑13－铂热电偶分度号为R，为贵金属热电偶，其性质与铂铑10-铂热电偶根本相同，唯一的差异是正极中铑的含量略高一些，这样热电势也稍大一些，大15％左右，而且比S型热电偶稳定，复现性好。问题：是不是铑的含量再高一点更好呢？答：也不是，如果合金极中铑的含量到达20％，那么在高温下会发脆，影响热电偶的寿命。3铂铑30－铂铑6热电偶〔双铂铑热电偶〕分度号为B，属于贵金属热电偶正极：含铑30％的铂铑合金；负极：含铑6％的铂铑合金是60年代开展起来的一种用于测量高温的热电偶。使用温度范围：1600℃〔长期〕，1800℃〔短期〕特点：由于其两极都是由合金构成的，因而提高了抗玷污能力和机械强度，其寿命比R,S型热电偶要大得多。性能稳定，但不如R,S型热电偶好。测量准确度高，其热电势率比铂铑10－铂还要小，但同时带来的好处是可不用补偿导线，但须配用灵敏度高的仪表。适用条件：适于氧化性质和中性介质中使用，不能在复原性气氛及含有金属或非金属蒸汽气氛中使用。4镍铬－镍硅热电偶分度号为K，是廉价金属热电偶，应用十分广泛，在我国它的产量占了所有贱金属热电偶产量的一半左右。这种热电偶的测量范围很宽，从-270℃到1300℃；使用温度范围：1000℃〔长期〕，1300℃〔短期〕。特点：热电势率大，灵敏度比较高；热电特性近乎线性，线性度好，使得显示仪表的刻度均匀；稳定性和均匀性很好；高温下抗氧化，抗腐蚀能力都很强，比其它廉金属热电偶好；化学稳定性好。适用条件：适用于氧化性和中性介质中使用，在复原性气体中易被腐蚀。在500℃到1300℃温区的氧化性、惰性气氛中，广泛为用户所采用。5镍铬－铜镍〔康铜〕热电偶分度号为E，热电势率是目前各类金属热电偶中最高的，灵敏度最高，灵敏度比镍铬－镍硅高一倍。使用温度范围〔-200～800〕：600℃〔长期〕，800℃〔短期〕。特点：最大的特点是在常用热电偶中，热电势率最大，即灵敏度最高。热电特性线性度较好，价廉；耐热和抗氧化性要比铜－康铜强。缺点是其负极难以加工，而且热电均匀性也比较差。适用条件：适宜在氧化和惰性气氛中使用，但不能用于复原气氛或硫气氛中。6铜－铜镍〔康铜〕热电偶分度号为T，使用温度范围：-200～350℃特点：热电性能稳定，特别是在0～-200℃下使用，稳定性更好。在廉价金属中准确度最高的；价格廉价，是标准化热电偶中最廉价的一种；能抵抗湿气的侵蚀，可用在真空，氧化，复原及中性气氛中，但不能超过300℃，因铜在高温下易被氧化。7镍铬－金铁热电偶适用于一些特定温度测量场合低温下仍有很大的热电势，可在2～273K低温范围内使用，热电势稳定，复现性好，易于加工成丝。非标准化热电偶热电偶结构1普通工业用热电偶主要由：热电极，绝缘套管〔多采用氧化铝管或工业陶瓷管，其作用是防止两个热电极短路〕，保护套管〔1000℃以下用金属管，1000℃以上用工业陶瓷甚至氧化铝保护套管，其作用防止热电偶不受化学腐蚀和机械损伤〕以及接线盒〔用铝合金制成，供热电偶与补偿导线连接之用〕等组成。缺点：体积大，笨重，热惯性大等。普通热电偶：1。热电极；2。绝缘套管3。保护套管；4。接线盒；5。盒盖2铠装热电偶主要是由热电偶丝，耐高温的金属氧化物粉末〔如：Al2O3等〕绝缘物，以及不锈钢套管三者组合冷加工，由粗坯逐步拉制而成。其结构形式有以下四种，具体见以下图所示：a碰底型；b不碰底型；c露头型；d帽型。其突出优点：测量端热容小，动态响应快，结构紧凑，耐压，抗震，可挠，使用方便。热电偶参考端温度补偿热电偶材料选定后，热电势只与热端和冷端温度有关。所以，只有当冷端〔参考端〕温度保持恒定时，热电偶的热电势和热端〔测量端〕温度才有单值函数关系，而且我们知道，热电偶分度表均以冷端温度等于摄氏零度的条件下制定的。在实际测温中，冷端温度往往既不稳定，也不一定是摄氏零度，故：必须对冷端温度进行修正，消除冷端温度影响。1保持冷端温度恒定的方法〔当冷端温度恒定，但不是零度时〕a冰浴法这是一种实验室常用的方法，即：使冷端直接置于0℃下，采取的措施是将冷端直接置于装有冰水混合物的保温容器中，冰点槽法是一个准确度很高的参比端处理方法。〔用圆球法测导热系数时用热电偶测温时〕b热电势修正法由中间温度定律：式中就是冷端温度t0℃，而为恒值时的引入误差。只要测出冷端温度t0值，并由相应的热电偶分度表查出的值，将其加到测得的热电势上，得到其冷端温度等于零摄氏度时的热电势的值摄氏度时的热电势值，然后便可从分度表求得热端温度即被测温度真值。c仪表机械零点调整法在tn时，可先断开测量线路，然后把仪表起始点调到tn处，相当于在测温之前就给仪表输入电势，这样在进行测量时，输入仪表的热电势为，因此，仪表的指针就能指出热端温度t。2参考端温度t0波动时的补偿方法a补偿导线实际中使用的热电偶，尤其是贵金属热电偶往往是长度一定，结构固定的，由于测温现场温度波动不定，这就往往需要将其参考端移至远离被测对象，且温度场较稳定的场合。这可以采用在一定温度范围内其热电特性与所配的热电偶根本一致，而且价格较廉价的补偿导线来作为热电偶丝的延伸局部。根据中间温度定律，补偿导线的引入并不会影响热电偶的热电势。b参比端温度补偿器是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因参考端温度变化而引起的热电势变化。桥臂电阻R1、R2、R3、RCu与热电偶参考端处于相同的环境温度，其中：R1=R2=R3=1Ω，由锰铜丝绕制。E(4V)为桥路直流电源，Rs为限流电阻，一般选择Rcu在20℃时使电桥处于平衡状态，即：RCu20=1Ω，此时桥路补偿Uab＝0，即电桥无补偿作用。当参考端温度变化时，在电桥对角线输出一个不平衡桥压Uab和E(t,t0)叠加，适中选取Rs，可使电桥产生的电压刚好补偿由于参考端温度变化而引起的热电势变化，即：Uab=E(t0,0)，这时仪表就能正确指示测量端的温度。如电桥平衡时的温度为20℃，那么在使用时，与其配接的指示仪表的机械零点应调至20℃。热电偶测温回路由热电偶、补偿导线、普通导线和直流电测仪表构成。1多支热电偶共用一台电测仪表圆球法测导热系数的实验时，在测量圆球内外外表温度时，我们就用到这样的测温电路。为了节省显示仪表，将假设干条热电偶通过切换开关共用一台电测仪表。使用这样的回路条件：a各支热电偶的型号相同；b测温范围均在显示仪表的量程内。应用1采用这种接线方式时，所有主热电偶可共用一个辅助热电偶来进行参比端温度补偿。〔冷端补偿〕应用2用于现场中，大量测点不需要连续测量，而只需要定时检查的场合。可大大节省显示仪表的数量。2一支热电偶配用两个电测仪表有时，需要将一支热电偶产生的热电势输到两个显示仪表上。〔如：一个就地显示，一个在控制室显示〕a如G1、G2均为动圈仪表时，在这种情况下，由于I=I1+I2，所以输入到每个动圈仪表的电流均比总电流低。所以G1、G2读数偏低，在测量中一般不宜采用。b如G1为电位差计，G2为动圈仪表采用这样测量方法，在稳定时，I1=0,故电位差计G1的存在并不影响G2的指示值，但在调整电位差计过程中，由于,且在变化，因此要引起G2指针跳动现象，从而造成读数的不准确，所以一定要待电位差计调整好前方可读数。c如G1、G2均为电位差计由于在电位差计调整稳定时，在测量回路中无电流流过，即I=I1=I2=0，故G1、G2彼此影响很小，其测量准确度与一个二次仪表时相同。3热电偶的并联、串联和反接a热电偶并联见图为：三支同型号热电偶的并联线路输入显示仪表的毫伏值为三支热电偶输出电势的平均值，即：E=(E1+E2+E3)/3。正极与正极，负极与负极分别连接在一起。如果n支热电偶的热电势相差不多，且偶丝电阻相等，那么并联测量线路的总热电势等于n支热电偶热电势的平均值。热电势小，但其相对误差也小，仅为单支热电偶的，且其中一支热电偶断路时，不影响整个系统工作。多用于温场的平均温度测量，或需准确测量温度场合。b热电偶的串联线路将n支热电偶〔同型号〕依次按正、负极相连接的线路这可以得到较大的热电势，可提高测温灵敏度显示仪表的示值反映的是两支热电偶测量端温度的总和：E＝E1+E2+E3多用于小温差测量或需要较高灵敏度场合。优点：热电动势大，测温准确度比单支热电偶高，根据串联原理，可制成热电堆，可感受微弱信号，或相同条件下，可配用灵敏度较低显示仪表。缺点：只要有一支热电偶断路，整个系统不能工作。c热电偶反接将两支同型号热电偶反向连接可测量两点之间的温差，它也是要考虑参考端温度一致，那么输入仪表电势：热电势测量线路热电偶输出的信号是热电势，热电势大小需要通过测温仪表来指示，从而反映出被测温度的上下，热电势测量有以下几种方法：1动圈式仪表测热电势热电势与回路电流I关系其中——Re：线路总电阻，统一规定为15Ω，它包括导线电阻，热电偶电阻，补偿导线电阻和调整电阻Rc；Rs：动圈仪表内部串联电阻，用来改变仪表量程；R：是电阻RB,RT,RD,RP的综合，RT：热敏电阻〔68Ω，20℃，它与RB并联，用来补偿仪表动圈电阻RD随温度的变化〕；RD：仪表动圈电阻；RP：阻尼电阻〔用来减少动圈转动的阻尼时间〕RB、RP、RS、RC为锰铜绕制，阻值不随温度的变化而变化。因为，故：仪表表盘刻度可直接用温度刻度冷端补偿方法是：用冷端补偿器的方法，如图2-15，page272电位差计测电势a直流电位差计采用把被测量与标准量比较后的差值调至零的零差测量方法原理图，见书有三个回路，即工作电流回路I，标准回路II，测量回路III测量时，先把K键拨向“标准〞位置，此时由标准电池EN，标准电阻RN及检流计G组成的校准回路，开始工作，根据回路电压定律：调节Rs改变工作回路电流I1，当EN=I1*RN时，IN=0，即检流计G指零。因为En，Rn几乎不变，所以I1不变，这样就将工作电流标准化然后，将K键拨向“测量〞位置，由E,Rab，检流计G组成的测量回路开始工作，同样，由回路电压方程：，其中Re为热电偶及其连接导线的等效电阻调整电阻盘上用毫伏进行刻度直接读出热电势值b电子电位差计有多种功能：I具有较高精度；II能连续自动记录并自动显示被测温度；III自动补偿热电偶参考端温度；IV参数超限报警；V对被测参数进行自动控制。原理与直流电位差计相似，与其不同的是：它用可逆电机及一套机械传动机构代替人的手进行电压平衡操作；用放大器代替检流计来检查不平衡电压，并控制电机可逆工作。恒值电流I通过滑线变阻，假设RP上的分压，那么电子放大器的输入偏差电压，经放大后有足够的功率去驱动可逆电机SM，使它根据或，作正向或反向转动，经机械系统带动RP上的滑动点B作或左或右转，直到Et和UAB相平衡。第三节热电阻测温技术一般热电偶在500℃以下工作时，热电势小，灵敏度较低，故目前在测量-200～600℃范围的温度时，多采用电阻温度计，尤其是低温测量中，电阻温度计用得较为普遍。电阻温度计特点：精度高，测量范围广，输出信号大，灵敏度高，不需冷端。一电阻测温原理利用导体或半导体的电阻随温度变化而改变的性质，将电阻值的变化用二次仪表把它测量出来，从而到达测温的目的。即：通过测量电阻值大小来反响温度的上下，可见，电阻温度计包括两个局部：敏感元件热电阻和测量电阻值变化的仪表。敏感元件〔热电阻〕要求常用金属和半导体材料制造，其材料应满足：a电阻温度系数大且与温度无关，才能保证其良好灵敏度和线性度金属热电阻的电阻温度系数是非线性的，但不严重，尤其在较窄的温度范围内，线性还是比较好的；半导体电阻的电阻温度系数是非线性的，但严重，但在低温时灵敏度高，电阻温度系数大。b电阻率大由,ρ大，可使电阻体体积较小，因而热惯性也较小，对温度变化的响应快；c材料复现性和稳定性好；d价格廉价根据热电阻所用的材料，主要可分为金属热电阻和半导体热电阻。热电阻温度传感器金属式热电阻；〔铂、铜、铁、镍等〕半导体式热敏电阻二.金属热电阻温度计电阻温度系数：用温度变化1℃时，金属热电阻值的相对变化量来描述，用α表示。，单位：实际上，α表示了电阻温度计的相对灵敏度，因为是电阻的相对变化量，而不是绝对变化量；二、金属电阻应变片的结构及参数1.常见的金属电阻应变片的结构形式：丝式：由金属电阻丝盘绕或焊接而成。箔式：由金属电阻箔采用光刻技术制造。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成金属箔式应变片的敏感栅，那么是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见图金属导体电阻一般是随温度的升高而升高的，大多数金属当温度升高1℃时，其阻值增加〔0.4～0.6〕％，即α，对于同一金属材料α也可以不相同，其大小与该金属纯度有关，纯度越高，α越大。金属热电阻纯度常用表示，：100℃时金属热电阻的阻值，：0℃时金属热电阻的阻值。越大，纯度越高。1铂热电阻使用最广泛的一种热电阻。特点：a物理化学性能稳定；b准确度高；c稳定性好；d性能可靠铂电阻使用温度范围：-200℃～850℃在0～850℃，电阻与温度关系：在-200～0℃，电阻与温度关系：我国工业上使用的铂电阻规定：目前，全国统一设计后，铂电阻分度有三种.当爱在靠近

分别为：Pt50〔R0=50Ω〕；Pt100〔R0=100Ω〕；Pt300〔R0=300Ω〕选取R0数值大小的一般原那么是从减小引出线和连接导线电阻变化所引起的测量误差考虑。R0大，热电阻引出线和连接导线的阻值可忽略，所以就希望R0大为好。R0小，测量时流过电阻体的电流加热电阻丝所产生的热量就小，这对减小热容量和热惯性，提高电阻对温度的响应速度有利，为此就希望R0小为好。因此在实际选用时必须综合考虑。2铜热电阻优点：a价格廉价；b电阻温度系数大；c易获得高纯度铜丝；d互换性好；e电阻温度系数几乎线性；缺点：电阻率小，易被氧化；使用温度范围：-50～150℃电阻与温度关系：尤其在0～100℃范围内，可用

其中α0：铜电阻在0℃时的α，α0＝4.25×10-3℃-1目前我国工业上使用的标准化铜电阻分度号，有两种:Cu50和Cu100；。三，热电阻结构普通热电阻，外形与热电偶相似，主要由：保护套管，电阻体，骨架和引线等部件组成a电阻体也就是温度敏感元件，其材料性能对传感器的好坏有关键性的影响；b骨架作用是用来缠绕，支撑或固定热电阻丝的支架对骨架材料要求：i绝缘性能好；ii比热小；iii导热系数大；iv物理化学性能稳定；v膨胀系数小；vi有足够的机械强度。常用材料：云母，玻璃，石英，陶瓷，塑料等。c引线测量热电阻所必需的但因其有一定的阻值，并随温度变化而变化，而且热量通过引线也会造成损失，这些都会引起测量误差。所以要求：i材料电阻温度系数小；ii电阻率小；iii热导率低；iv和电阻体接触产生的热电势小；v化学性质稳定；常用引线材料：铂，金，银铜丝等。d保护套管主要作用：使电阻体免受腐蚀和机械损伤铠装热电阻将陶瓷或玻璃骨架上的感温元件，装入不锈钢细管内，其周围用氧化镁粉牢固充填；它的三根引线同保护管之间，以及引线相互之间要绝缘良好。优点：a外径小；b测温响应快；c抗震；d可挠；e使用方便；f使用寿命长；半导体电阻温度计〔热敏电阻〕相比于金属热电阻具有如下优缺点，优点：1电阻温度系数比金属导体大，灵敏度高；2电阻率高〔可制成极小的敏感元件，热惯性小，且导线电阻的影响很小，特别适用于测量点温度及动态温度〕缺点：1线性及互换性差，测量范围，仅为-50～300℃2性能不稳定，测温精度低不过，随着半导体工业技术的开展，半导体温度计特性将会得到进一步改善。测温原理：半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减小，具有负的温度系数。电阻与温度系数，其中T――被测温度，单位K；RT――温度为T时的电阻值；A,B――常数，与温度无关。一般是用铁、镍、锰、钼、钛、镁、铜等一些金属氧化物做原料制成

三热电阻测温线路测量热电阻阻值的常用仪表：直流电位差计，直流平衡电桥，动圈式仪表，自动平衡电桥及数字式仪表。下面主要介绍三种测量线路。1和直流电位差计配套线路图如以下图所示，主回路：热电阻Rt，标准热电阻RN，可变电阻Rp，和具有稳定电压的电源E串联成闭合回路。P是电位差计；K是切换开关；通过改变可变电阻Rp大小调节通过RN、Rt电流。首先，可用电位差计测得标准电阻两端的电压UN，从而得到回路中的电流强度I：然后，把切换开关反向接通，用电位差计测得热电阻Rt两端的电压Ut，那么从而测得热电阻阻值Rt。这种测量方法具有较高测量精度，为什么？由于测量时连接电位差计的导线内无电流通过，热电阻也不受连接导线电阻影响。2不平衡电桥――和动圈式仪表配套测量原理图不平衡电桥：由Rt、R1、R2、R3、R4和线路电阻ra、rb组成；其中Rt被测电阻。当Rt变化时，电桥平衡被破坏，AB两端会产生不平衡桥压，会在动圈中形成电流，使动圈在磁场中受力而偏转，同时带动指针在标尺指示相应的被测温度。注意：采用XCZ－10Z动圈式仪表测量热电阻时，其连接线电阻必须严格控制，〔一般有两种规定：5Ω和10Ω〕否那么会对结果产生影响，所以无论在仪表与热电阻之间采用二线制连接还是三线制，均要在每根导线上加上附加电阻Re，使其满足规定要求，不允许在断开热电阻时接通仪表电源，否那么会因电流过大而损坏仪表。3和平衡电桥配套是测量热电阻最常用的方法二线制：其中：R2=R3用锰铜绕制〔比例臂〕；R1可变电阻〔可变臂〕；Rt：热电阻；ra、rb：连接导线和引线电阻；G为检流计；E为电池。当电桥平衡时，检流计中无电流通过，→。由于导线分布电阻ra、rb：会随环境温度变化；R1：可通过触点位置读数电阻值；Rt：即可求得→只与R1有关，可在R1上进行电阻或温度刻度。由于导线分布电ra、rb在同一桥臂上，当环境温度改变将引起ra、rb变化，无法精确测出Rt值，会给测量带来较大的误差。三线制：其中：R2=R3用锰铜绕制；R1可变电阻；Rt：热电阻；ra、rb、rc：连接导线电阻〔一般情况下，三根导线材料、直径、长度相同〕；G为检流计；E为电池。电桥平衡时，，且ra=rb，所以有Rt＝R1。由于ra=rb，当环境温度变化时两桥臂阻值同方向、同增量变化，这样有效地消除连接导线电阻的影响。使rc和ra、rb相等是为了防止过失，方便使用。

第五节温度计的选择，安装，与标定选择必须根据被测对象的情况，测量的要求，被测介质的性质，和周围的环境来选择。安装低温测量1测量壁面温度时，保证温度计与被测物体有良好的热接触2用热电偶或热电阻测温时，通常是在被测物体上钻出与温度计相适应的孔，将温度计的测量端埋入孔内，然后用低温胶密封好；3低温测量时，要考虑测量引线的传热给测量带来的误差靠近温度计局部的引线，必须与被测物体到达同一温度采取措施：a先把引线绕在比室温低的一个金属零件上，减少室温引线漏热b选择细的，导热性能差的材料作引线；c防止室温对低温温度计的热辐射，如加装辐射屏标定出厂前，安装前，或经过一段时间使用后，须对温度计进行标定。工业用温度计的标定方法主要有两种：比较法，定点法。1比较法将具有高一级准确度的标准温度计和被标定的温度计都置于同一介质中，比较二者的温度测量指示值，确定被标定温度计的根本误差。标准温度计：高温时，用标准热电偶；低温时，用水银温度计；比较法标定温度计的根本要求：营造一个均匀的温度场〔标准和被标定可感受到同样温度〕，并具有足够大小〔由测温元件产生导热损失可忽略〕，那么如何去营造一个均匀温度场呢？a中、低温液体槽〔带搅拌装置〕根据被标定温度计范围不同，常用液槽有：液氮槽：检定温度可达-150℃酒精槽：利用固体CO2冷却，可达-80℃水槽：用电加热，可用于：1～100℃范围油槽：用电加热，可用于：80～300℃范围b管式电炉常用在温度大于400℃以上场合，有时也可用于低温场合，但精度较液体槽低为了保证内部温度分布均匀，要求电炉：内腔长度与直径之比至少是：20:1；在电炉内管中心，放置一镍金属块，然后在块上钻一孔，便于插入热电偶。2定点法就是：用需检定的温度计测量某些固定点温度〔如：凝固点，沸点，三相点〕，求得读数，再与这些固定点在国际温标中的标准值相比较，根据它们之间的差异程度评定其根本误差大小，主要用以下几个易获得、常见的固定点：a沸点：水沸点，但同时测量当地大气压数值，并据此进行温度指示值的修正；b凝固点：水冰点，受大气压影响非常小，但受纯度影响。第三章压力测量第一节压力的根本概念一.压力定义：垂直作用在物体单位面积上的力，对应物理学中的压强。1法向压力作用在一个定点上的压力p是由垂直施加在以该点为中心的单位面积dA上的力确定的，即在连续介质中，任取一个平面将介质分成两局部，所分成的两局部介质相互推挤时产生的法向应力称为压力，整个作用在连续介质上的力称为全压力，其中包括固体内部的压力，固体间接触面的压力，以及流体内部的压力。本书所研究的压力是流体压力。对于静止的流体，任何一点的压力与在该点所取的面的方向无关，在所有方向上压力大小相等，这种具有各向同性的压力称为流体静压力；静止流体中的压力仅仅取决于流体所处的时间和空间的位置，是一标量值，与所取的作用面方向无关。2运动流体内的压力运动流体中，任何一点的压力是所取平面方向的函数。当所取平面的法向与流动方向一致时，所得到的压力最大，这个压力最大值称为该点的总压力；当二者方向垂直时，即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，总压力与静压力之差称为动压力，而动压力是流速的函数。假定流体为无粘性的理想流体，并忽略流体的压缩性，且流体成水平方向稳定流动，由流体能量守恒定律可知：常数式中，ps是静压；是动压；ρ是流体密度；c是流体速度。可见，当流体沿水平方向稳定流动时，其静压力与动压之和沿着同一流线保持不变。对于实际流体，总压力不可能保持常数，沿流动方向逐渐减小，主要是由于有粘滞阻力引起的能量损失。二.压力表示方法〔不同场合采用不同的表示方法〕绝对压力；表压力〔压力：表压力为正；负压力或真空：表压力为负〕；压差。单位1工程大气压1工程大气压等于每平方厘米的面积上垂直并均匀分布着1千克力作用的压力，千克力/厘米2或kgf/cm2；2物理大气压地球大气圈内的空气柱因自重在地球外表上产生压力，是一个随时间、地点变化而变化的量，使用不方便。规定：1物理大气压等于0℃时，水银密度为13.6g/cm3和重力加速度为9.80665m/s2时，高度为760毫米水银柱在海平面上所产生的压力，称为标准大气压，记为atm；3mmHg4mmH2O在工程测量中，通入表的压力为绝对压力，而在压力表上显示的是表压力。三.压力分类根据压力测量原理不同可分为三种：1重力与被测压力平衡该方法是按照压力的定义，通过直接测量单位面积所承受的垂直方向力的大小来检测压力，如液柱式压力计；2弹性力与被测压力平衡弹性元件感受压力作用后会产生弹性变形，形成弹性力，当弹性力与被测压力平衡时，弹性元件变形多少那么反映了被测压力的大小，如弹性式压力计；3利用物质其它与压力有关的物理性质测量压力一些物质受压后，其某些物理性质会发生变化，通过测量这种变化就能测量出压力，如各种压力传感器〔精度高，体积小，动态特性好等优点〕。从测量角度：可分为1静定压；2变动压〔非周期连续变化<波动压力>；不连续且变化大<冲击压力>〕；3脉动压〔周期性变化〕；第二节稳态压力测量一.测量的根本原理流体沿水平方向稳定流动时，其静压与动压之和沿流线不变，即常数；其中，p0是总压力，或称滞止压力；ps：流体静压力。假设一物体处于流体中，它外表上某一点流体的静压力为ps1，速度c1，那么：引入压力系数，由流体力学可知，在任何被流体绕流的物体上，都存在流体速度为零的一些点，这些点称为临界点，这些点上的压力称为滞止压力p0。

此时压力系数Kp＝1；同样，在被绕流物体外表上也存在流体的压力等于流体静压力，即：ps1=ps，此时Kp＝0。如图3-13-2:backnextback对于圆柱形物体，当，即圆柱外表的A点是临界点；，但曲线斜率大，这一点Kp值不稳定；，虽然，但却是稳定。对于球形物体，临界点为处的点；当，即：

对于头部为半球形的圆柱体，其临界点位置与圆柱体和球体一样，临界点在x＝0的点，即在其端部；而Kp＝0的压力分布的点在离半球端部3d处的圆柱外表上。

二流体静压测量及静压探针讲述流体静压与流体速度有关，且流道横截面上各点的流体静压是不相等的。由于在稳态运动流体中，静压与动压之和沿流线不变，而流体的动压是速度的函数，所以流体的静压也与流体的速度有关。由于流体在流道横截面上的速度分布是非线性的，所以流道横截面上各点的流体静压是不相等的。静压测量分两种情况：a测量作用于流道壁面上的静压力；b测量流体中某一点的静压力。1对于流道壁面上的静压力测量可在流道壁面上开静压孔的方法进行测量，测压孔应满足以下条件：a测压孔应开在直线形管壁上；b轴线应在壁面垂直〔作用在与流体流动方向平行的面上的压力称为静压力〕；c直径为0.5mm左右，最大不能超过1.5mm；d孔边缘应整齐，光洁〔无毛刺，无倒角，保持锋利等〕。特点：简单，方便，对流体干扰小，具有较高精度。实际上，壁面孔必然对流过壁面的流体有些干扰，由此造成测量误差，流体流经孔口时，流线会向孔内弯曲，并在孔内产生漩涡，从而引起静压测量的误差，孔径越大，流线弯曲越严重，因而误差也越大，所以孔径应小一点，但孔径小会使制造困难，使用时也容易被灰尘堵塞，会引起测量反响缓慢，延长试验时间。2流体中一点的静压力可用静压探针来测量，置于流体中，对流体干扰较大，为减小测量误差，在满足刚度要求前提下，希望它们几何尺寸应尽量小。要求探针在插入流体内时应与流线平行，且不改变测压区的流线，对气流方向变化尽量不敏感，静压孔的轴线应垂直于气流方向。下面介绍几种常用的静压探针：aL形静压探针用细管弯成“L〞形制成，头部呈半球形，测压孔应开在什么地方呢？气流流过静压管头部获得加速，静压降低；支杆对气流有阻碍作用，流速降低，静压升高，在L型静压管头部和支杆之间选择适当的位置设置静压孔，可以得到接近真实静压的测量值。根据绕流原理，测压孔应开在距端部3倍管径处的探针的侧外表；测压孔中心距支杆距离为8倍管径。可见，该探针特点：感受局部的轴向尺寸较大，对流体的方向变化不灵敏角较小。适用于流道尺寸较大，且旋流不大的场合，如：压缩机进、出口流体静压的测量。b圆柱形静压探针由一根圆柱形细管做成，根据绕流原理，测压孔应开在管子背向流体流动方向的一面。在100°<α<270°范围内，测出静压ps保持不变；由于探针的轴线与流线垂直，因此对流场扰动较大，又：我们从绕流物体上压力分布曲线可见，其外表上没有稳定的压力系数为零的点，只有近似等于零的点。所以用该探针c碟形静压探针优点：其所获得的测量值与流体在x-y平面内的方向角α无关，所以该探针所测的压力值是各向同性的，也就是流体静压力；缺点：对流体在z轴上的方向变化角δ很敏感，要尽量保持碟盘与流线平面平行，所以对碟盘的加工精度要求很高，从而增加本钱和加工难度。d导管式静压探针测压孔开在一个导管上，相当于将流体中某一点静压测量变成流道壁面上流体静压测量。缺点：导管加工精度高，工艺复杂，探针体积较大，应用受到限制。e双孔叶片形静压探针与碟形静压探针相似，与其不同之处在于它的两个侧面的中心各有一个测压孔，每个测压孔连接各自的压力计〔或压力传感器〕，当两个仪表给出同样的示值时，认定探头在流体中定位良好。它的缺点：也是加工精度高，尺寸大，安装要求严格f吉勒德－吉也纳静压探针由一根头部压扁成二面角形的管子做成，二面角每个面上有一个测压孔，原理近似于双孔叶片形静压探针，与其相比好处是对流体方向角变化不敏感，因此测量较为准确可靠。三滞止压力的测量及总压探针1总压探针的原理总压物理意义：在没有外功作用下，流体速度等熵地减速为零时所产生的压力。测量总压时，只要在气流中放入一根管子，其孔口轴线必须对准气流方向，孔口必须无毛刺，外表光滑〔减少摩擦损失〕，然后管子与压力指示表连通。当气流进入管孔后，被滞止下来，测出的静压值误差较大。压力指示器所指示的压力即为管孔口局部处的总压，但在实际应用中，由于通道及管道中气流的运动情况很复杂，气流方向往往不可能确切知道，而且随着工况变化，气流方向变化较大，即使知道气流方向，要保证总压管轴线对准气流方向，对安装的要求要提高，因此，实用上希望总压管对气流方向有一定不敏感性，也就是说，总压管孔口轴线对气流方向虽然偏离了一定角度，还能够正确地感受到总压。由绕流理论可知，流体中某一点的总压等于流体中被绕流物体上临界点的滞止压力。2总压探针类型aL形总压探针形式与“静压探针〞一样，区别在于测压孔的位置不同总压探针测压孔是开在探针的端部，正对流体流动方向上。它对于流向偏斜角的灵敏度主要由：探针端部的形状，以及管子外径d1/测压孔径d2决定。对于端部为半球形，d2/d1＝0.3的总压探针，其α角不灵敏度在5~15范围内。补充：选用总压管，要根据气流的速度范围，流道的条件，和对气流方向不敏感性，决定所用总压管的结构形式，应具有较小的尺寸，减小对流场干扰。b圆柱形总压探针结构示意图见书page62图3-11其测压孔开在正对流向的侧面上。它对流体偏斜不灵敏度角α随增加而增加特点：结构简单，制造容易，体积小，便于安装。c套管式总压探针在套管内腔有一个进口收敛器和流导管，使得套管内流体的方向能保持不变。优点：对流体偏斜角αδ的不灵敏度范围增大缺点：加工精度高，尺寸较大，安装，使用受到一定限制。四压力探针的测量误差分析1探针对流场的扰动为减少它对气流扰动，应将探针的尺寸做的足够小。2测压孔对测量值的影响测压孔的不规那么，孔的轴线与流线不垂直，孔径过大等都会导致静压测量误差原因：流体经过测压孔时，流线要发生弯曲，流线沉到孔里产生离心力场，并增加了孔的压力，而使所测得的压力超过流体的静压力。静压孔过小易堵塞，过大会增加由速度头引起的误差，一般为0.5～1mm。3Re对测量值的影响Re>30时可忽略。4速度梯度对测量值影响第三节稳态压力指示仪表这里主要介绍两种压力指示仪表一液柱式压力计利用液柱所产生的压力与被测压力平衡，并根据液柱高度来确定被测压力大小的压力计所用液体，常用的有：酒精、水、水银〔封液)常用的结构形式：如图3-15:U型管压力计单管压力计和斜管微压计如图3-17:误差分析：1环境温度变化影响2重力加速度变化修正3毛细现象造成误差二.弹性式压力计利用各种型式的弹性元件作为敏感元件来感受压力，并且以弹性元件受压变形后发生的反作用力与被测压力相平衡的原理制成的。1弹簧管式压力计主要由：弹簧管，齿轮传动机构，指针，刻度盘组成。使用弹簧管压力计本卷须知：a选用i仪表应工作在正常允许范围内，静压力下不应超过测量上限值的70％，波动压力下，60％；ii工业用压力表应在环温为-40～60℃，相对湿度大于80％条件下使用；iii如测量有爆炸、腐蚀、有毒的气体的压力时，应使用特殊的仪表；b使用i在振动情况下，使用仪表时，要装减震装置；ii测量结晶或粘度较大的介质时，要加装隔离器；iii仪表必须定期校验，合格的表才能使用；c安装i仪表安装处与测定点间的距离应尽量短，以免指示缓慢；ii仪表必须垂直安装，防止泄漏；iii仪表的测定点与仪表安装处应处于同一水平位置上，否那么将产生附加高度误差，必要时须加修正值。2膜片式压力计利用金属膜片作为感压元件制成的。膜片：圆形薄片，四周固定；当膜片两侧面受到不同压力时，膜片中部将产生变形，弯向压力低的一面，使中心产生一定的位移，通过传动机构，使指针转动。分为：平面膜片和波纹膜片，波纹膜片灵敏度较高用途：一般可用于测量腐蚀性介质或粘性介质的压力。3膜盒式压力计用两个金属膜片相对焊接而制成的与膜片相比，可增加中心位移量，提高灵敏度，其灵敏度是单个膜片的两倍假设想进一步提高灵敏度，可用多个膜盒串联组合制成多膜盒式压力计用途：常用于测量气体的微压和负压4波纹管式压力计用波纹管作为感压元件工作原理：在压力或轴向力的作用下，波纹管将伸长或缩短，由于它在轴向容易变形，所以通常以其轴向位移量作为其输出量，当波纹管在用作压力敏感元件时，将波纹管开口的一个端面焊接在固定的基座上，压力由此传至管内，在压力差作用下，压力由开口处导入波纹管的内腔，在波纹管内外压力差作用下，波纹管伸长或压缩，管的自由端产生位移，通过传动放大机构，使指针在刻度盘上偏转，它受压时线性输出范围比受拉时大，故常在压缩状态下使用。波纹管：一种外表上有许多同心环状波形皱纹的薄壁圆管，分为单层和多层两种。由于波纹管在轴向容易变形，灵敏度较高，在测量低压时比弹簧管和膜片灵敏得多。缺点：迟滞误差大5弹性压力计误差及改善途径由于环境的影响，仪表的结构，加工和弹性材料性能的不完善，会给压力测量带来各种误差。1〕相通压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞误差；2〕弹性元件的变形落后于被测压力变化，引起弹性后效误差；3〕仪表各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不完全对应，引起间隙误差；4〕仪表活动部件运动时，相互间有摩擦力，产生摩擦误差；5〕环境温度改变会引起金属材料弹性模量变化，造成温度误差。主要途径：1〕采用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性〞材料，和温度误差很小的“恒弹性〞材料制造弹性元件；2〕采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和摩擦误差，如：电阻应变技术。第四节动态压力测量对于动态压力测量，通常是用压力传感器，将其转变成电信号来进行测量。常用压力传感器有：电阻式传感器根本原理是利用电阻元件，把被测量〔如：压力〕的变化转换成电阻值的变化，通过测量电阻的变化来确定被测量值。分类：根据电阻变化方式的不同，可分：压阻式：改变导体的内部接触电阻；应变式：改变导体或半导体内部应力；变阻式：改变导体的长度；热敏电阻式：由于温度变化引起电阻变化。如：应变式、压电式，压阻式等。电感式传感器电容式传感器下面主要介绍各种传感器原理，结构，及性能。一应变式压力传感器应变效应原理：主要由弹性元件和应变片组成，通过粘结在弹性元件上的应变式的阻值变化来反映被测压力值〔“应变效应〞〕。由物理学有：全微分：两边除以R：由材料力学有：叫轴向应变，简称应变叫横向应变二者关系：〔μ为泊松系数〕而对于电阻率ρ，它的变化是由压阻效应引起的，和应力F之间的关系：〔为压阻系数〕由材料力学虎克定律可知应力和应变之间的关系：〔E为弹性模量〕综合上述几式，那么〔1〕式变成，令：那么：〔k称为应变丝的灵敏度系数〕对于金属：k＝1~2；对于半导体：k＝60～170可见，半导体灵敏度较高，但由于它受温度变化影响较大，性能不稳定。所以一般还是采用金属材料制作应变片。只要测量出应变片电阻值的相对变化，就可以直接知其应变量，进而求得被测压力。结构及其性能：应变片由应变敏感元件、基片〔用来固