热工测量与自动控制

热工测量与自动控制任课教师:

教学大纲说明：（一）课程的基本要求初步掌握工程的测量方法以及误差分析与数据处理，能够正确选择和使用安装测量仪表、仪器，合理组建常用的测量系统，了解自动控制的基本原理，能准确地提出本专业对自动控制的要求正确绘制自动控制原理示意图，并能配合自控人员进行工程调试。（二）本课程与其它课程的关系本课程是本专业的一门专业课，与其它课程有横向联系，在学生对于其它专业课的内容有所了解的基础上，开设本课使学生对于该专业各参数是如何测量的有所认识。（三）教学要求、重点、深广度和教学方法建议要求学生掌握教学大纲要求的内容、重点是各热工参数的测量和自动测量的基本知识和术语，对于各种仪表的制造原理有所了解，重点掌握各种的仪表使用方法和各专业运行调试的方法。对于自动控制部分的内容作为了解。绪论TC1M温度传感器控制器恒温室热工测量----测量与测量仪表的基本知识、误差的基本性质与处理、各种热工参数测量仪表的结构、原理与使用测量热工参数:温度、湿度、压力、流量、流速、液位、热量自动控制----自动控制原理、自动控制仪表、自动控制系统、自动控制在暖通工程上的应用20℃温度计恒温室20±

1℃第一章测量的基本知识（授课4学时）

§1-1测量的意义及方法一、测量的概念测量就是用专门的技术工具依靠实验和计算找到测量值1、测量的定义：以同性质的标准量与被测量比较，并确定被测量对标准量的倍数。被测量：X=aU

两者的比值（测量值）测量单位（SI）测量方法测量仪器与设备测量过程的三要素玻璃感温包毛细管标尺(1-1)标准量（测量单位）测量的基本方程式X=aU2、测量过程及变换（转换）：测量过程包括调零、对比、示差、调平衡、读数五个动作。测量变换的定义是指把被测量按一定的规律变换成另一个物理量的过程。实现该过程的元件称为测量元件。变换是测量的核心。二、测量的方法(如何实现被测量与标准量比较的方法)（一）按照获取测量结果的程序分（二）按照仪表特点分（三）按照被测对象在测量过程中的状态分（四）按照测量精度分直接测量间接测量组合测量非零测量法零位法微差法等精度测量不等精度测量接触测量法非接触测量法静态(稳态)动态点测量

场测量等精度测量—测量条件完全相同的情况下进行测量，其精度相同。热水热量指示积算仪测量过程包括调零、对比、示差、调平衡、读数五个动作铂热电阻caRRtbEGdR0R2R4R3I1I2caRRtbEGdRt0R2R4R3Rpr1求解联立方程，得出常数A、BAB213dd0Dh1h2hH01020300203020101010203030封液(水、酒精、水银)ρU形管压力计φ6～10mm时间室内温度0室外温度0时间PAPB流量

§1-2测量系统

----为完成测量任务而被组合在一起的整体。

一、测量系统的基本功能二、测量系统的组成变换功能选择功能比较和运算功能显示和记录功能传感器中间变换器显示装置传感器中间变换器显示(记录)电源y=f(x)x被测信号控制器玻璃感温包毛细管标尺在实际应用中，一般用干、湿球温度计来测量出湿球温度，近似代替热力学湿球温度。并且得到相对湿度。v＞2.5m/s为常数湿球温度干球温度t-ts纱布水变换元件Xg1g2gmY=f(X,g1,g2……gm)风扇变换功能选择功能比较和运算功能显示和记录功能三、热工测量仪表的分类（一）按被测参数分类----温度、湿度、压力、流量、流速、液位、热量（二）按显示记录形式分类

（三）工作原理分类:机械式/电子式/气动式/液动式（四）其他分类模拟式仪表记录仪表指针指示仪表数字显示仪表屏幕显示仪表模拟式信号记录仪表数字打印记录仪表记录仪表指示仪表按显示功能分类用途：标准/实验/工程用仪表装置地点：就地安装仪表和盘用仪表使用方法：固定式仪表和便携式仪表§1-3测量误差与测量精度被测量的真值：一、测量误差：测量结果与被测量的真值之间的差系统误差（系差）随机误差（偶然误差）粗大误差（过失误差）.按误差产生的原因及性质的不同分为按误差的表示方法分绝对误差△=X-X0(1-3)相对误差测量结果表达式：X0=aUX0为一不确定值，在一区间范围内。只有当给出了测量结果X、误差范围±△max

及其单位，测量才算完成。（一）系统误差:在多次等精度测量同一恒定值时，误差的绝对值和符号保持不变，或当条件改变时也按某种规律变化的误差，简称系差。产生原因：五条P.11（二）随机误差:在多次等精度测量同一恒定值时，其绝对值和符号无规则变化的误差，测量次数足够多时，服从统计规律，误差的平均值趋近于零。又称偶然误差。产生原因：三条P.11（三）粗大误差:在一定的测量条件下，测量值明显地偏离实际值所形成的误差，简称粗差，又称过失误差。产生原因：粗心失误毛细管标尺标准温度计6780100200二、测量精度(a)弹着点分散而偏斜,测量中既不精密,也不正确,即精确度很低。(b)弹着点仍较分散，但大致围绕靶心，属于正确而欠精密。(c)弹着点密集，但明显偏向一方，属于精密高而正确度差(准星(d)弹着点相离很近且都围绕靶心，有问题)属于即精密高又正确，精确度很高。B点为坏值，应予以剔除。保证精确度高应满足三个方面的条件：●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●(a)(b)(c)(d)靶心---测量的真值靶上的弹着点---测量的结果随机误差小--精密度高系统误差小--正确度高粗大误差--坏值精确度高三、随机误差的特性与处理（一）随机误差的特性剔出粗差，消除系差，对同一量值进行无数次等精度测量，得到的测量值Xi叫测量列：X1、X2、……、Xn被测参数的真值组别x1x2x3x4x5x6xmax-xminA6.256.306.366.246.356.300.1237.806.300.05B6.006.306.606.206.406.300.6037.806.300.20n次测量的最佳值或最优概值(算术平均值)：5676.30保证精确度高应满足三个方面的条件：（1）性能优良的测量仪表（2）正确的测量方法（3）正确细心的测量操作要实现准确测量必须做到:尽量避免过失误差（粗差）尽量减少系统误差到可以忽略的程度仔细地设计测量，并尽可能地进行多次（多次测量的平均值，其随机误差比单个测量值的随机误差小）1.正态分布：若一系列测量值中不含系统误差和粗大误差，随机误差：图1-4正态分布的随机误差概率密度曲线(1-7)---标准偏差的最佳估计值（1-9）算术平均值的标准偏差（1-10）σ---标准偏差（教材上称标准误差）0

正态分布函数为:(随机误差落在到△的概率)（1-8）分布密度函数：

正态分布函数为：0（1-8）2、正态分布的随机误差具有的特性：（1）随机误差的正负值分布具有对称性（2）随机误差数值分布的规律性（3）随机误差绝对值的有限性（4）曲线的对称性（二）随机误差的处理：随机误差△i落在△到△的概率为：随机误差△i落在-△到△的概率为令：令：

正态分布积分表（表1-1）P.14：随机误差△i落在（-σ，+σ）区间的概率为0-σσ2σ-2σ3σ-3σ标准正态分布的分布函数随机误差△i落在（-σ，+σ）区间的概率为：

随机误差绝对值大于3σ的可能性（概率）仅为0.0027，实际出现的可能性极小，因此定义3σ为极限误差（或叫最大误差、随机不确定度）。在多次等精度测量中，通常将的测量值判为坏值，删除掉。△i落在（-2σ，+2σ）区间的概率为：△i落在（-3σ，+3σ）区间的概率为：0-σσ2σ-2σ3σ-3σ有限次等精度测量最终结果表达式(消除系差，剔出粗差)(可信度99.7%)的误差叫粗大误差i12345678910Xi90.991.291.590.291.891.391.692.190.791.4△i-0.4-0.10.2-1.10.500.30.8-0.60.1△2i0.160.010.041.210.2500.090.640.360.01(1)最优概值(3)极限误差(2)标准偏差(4)最优概值标准偏差(5)有限次等精度测量最终结果表达式(消除系差，剔出粗差)将【例1-1】所列的等精度测量结果进行处理，并导出其最终结果表达式（P.14）（无粗大误差）(可信度99.7%)i12345678910Xi105.30104.94105.63105.24104.84104.97105.35105.16105.71105.36△i0.05-0.31-0.38-0.01-0.39-0.280.10-0.090.460.11△2i0.00250.09610.14440.00010.15210.07840.010.00810.21160.0121(1)最优概值(3)极限误差(2)标准偏差(4)最优概值标准偏差(5)有限次等精度测量最终结果表达式(消除系差，剔出粗差)P18.11题求测量标准偏（误）差，最优概值标准偏（误）差；置信度分别为95.5%，99.7%的测量结果。（无粗大误差）(可信度99.7%)【作业1-1】将下列两组等精度测量结果进行处理，并导出最终结果表达式。（单位℃）x1x2x3x4x5x6A仪器6.256.306.366.246.356.30B仪器6.006.306.606.206.406.30组别测量列作业P18.11题

≠三位有效数字两位有效数字最后一位数字为欠准数字567010206.306.3误差理论：6.256.356.2956.305注意测量时几位有效数字的取值，计算结果要和给出的数字取同样多的位数，运算过程中至多要比给出的数字取多一位的位数或相同位数，多了也没用。≠1000kPa1Mpa0.5MPa1.5MPa999.5kPa1000.5kPa=1.000MPa0.9995MPa1.0005MPa＝i123456XiA6.256.306.366.246.356.30XiB6.006.306.606.206.406.30△iA-0.0500.06-0.060.050△iB-0.3000.30-0.1000(1)最优概值(3)极限误差(2)标准偏差(4)最优概值标准偏差（5）有限次等精度测量最终结果表达式（消除系差，剔出粗差）【作业1-1】将下列两组等精度测量结果进行处理，并导出最终结果表达式。(单位：℃）（无粗大误差）(可信度99.7%)§1-4测量仪表的基本技术指标

允许误差限内，测量仪表的被测量值的范围叫作测量范围。测量范围上限值(最高值)与下限值(最低值)之差称作量程Xm一、仪表的精度与稳定性1、测量误差（1）示值绝对误差△=X-X0(1-16)（2）示值相对误差（3）引用误差（4）基本误差（5）允许误差：基本误差不超过某一规定值。2、仪表的精度---允许误差去掉百分号的数值称作仪表的精度等级0100单位KPa精度:1级2、仪表的精度基本误差不超过某一规定值，此规定值叫允许误差。允许误差去掉百分号的数值称作仪表的精度等级。0.005、0.01、0.02、（0.035）、0.04、0.05、0.10.2、（0.35）、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0掌握仪表的精度要注意的几点（P15）：（1）用户只可降级使用不可升级使用。（2）在测量中使用同一精度（1.0级），量程又相同的仪表(50～100℃),所测值的绝对误差(±0.5℃)与被测参数的数值无关。(3)两块同一精度的仪表（1.0级），量程不等(一块0～50℃,另一块0～100℃），则在测量中可能产生的绝对误差是不相同的(±0.5℃、±1℃)科学研究用工业检测用(3)两只同一精度的仪表（1.0级），量程不等(一只0～50℃,另一只0～100℃），测同一环境温度为40℃，用那一块更好？结论：尽量选择量程小的仪表，并使测量值在上限至量程的三分之二左右。两块仪表，精度、量程均不等，测同一参数用那一块更好？

【作业1-2】测90℃温度，现有两只温度计，一只精度0.5级，量程0～300℃；另一只精度1.0级，量程0～100℃，问用那一只温度计测量更好？测量中可能产生的最大绝对误差为：用第一块更好,可能产生的最大绝对误差更小。0100单位KPa精度:1级0100单位KPa精度:1级0100单位KPa精度:1级【作业1-2】测90℃温度，现有两只温度计，一只精度0.5级，量程0～300℃；另一只精度1.0级，量程0～100℃，问用那一只温度计测量更好？可能产生的最大绝对误差为：用1.0级，量程0～100℃的温度计更好,可能产生的绝对误差更小。结论：精度低、量程小的仪表可能产生的绝对误差更小，而且降低成本。测量值在上限至量程的三分之二左右。3、稳定性稳定度各环境影响系数0100单位KPa精度:1级二、仪表的特性（静态特性：与时间无关的参数描述测量仪表的特性）1、灵敏度2、灵敏限（分辨率）3、线性度4、变差5、温度误差三、动态特性:仪表对随时间变化的参数的响应特性YX0图1-5仪表的静特性曲线图1-6仪表的变差示意图△X、△Y----被测量的输入增量、输出增量YX0（其他温度测量值与20℃时测量值的差值）Ymax—仪表量程三、动态特性:仪表对随时间变化的参数的响应特性0τt实际值测量值最大绝对误差小于测量最大允许误差4℃，所以是合适的。作业P67.10【例1-1】精度0.5级，量程为600～1200

℃。测量最大允许误差为4

℃【解】最大绝对误差为：作业P67.10标准表读数（MPa）0246810被校表正行程读数（MPa）01.993.975.957.989.98被校表反行程读数（MPa）02.034.036.058.0210.02【解】（1）变差＜因为基本误差允许误差所以该仪表符合1.0级精度。(2)如果该压力表的精度等级为1.0级，则允许误差为1.0%基本误差第二章温度测量（本章授课6学时）

§2-1测温仪表的分类一、温度和温标（一）摄氏温标(代号t):1atm纯水冰点0℃,沸点100℃，之间100等份，其中1等份=1℃（二）华氏温标(代号F):1atm纯水冰点32°F，沸点212°F,之间180等份,其中1等份=1°F摄氏温标与华氏温标换算关系：（三）热力学温标：纯理论不能付诸实用。（四）国际实用温标(代号T）：单位K（开尔文）水三相点热力学温度(温标的唯一基准点)的1/273.16=1KT=t+273.15(2-1)273.15K=0℃=T0------标准大气压下冰的熔化温度二、温度的检测方法的主要方法和分类（表2-1）P20（测温介质为水银）（测温介质为水银）§2-2双金属片温度计α=f（t-t0）（2-3）应用范围-80～600℃，精度0.5～1级，常作为恒定温度的控制元件。抗震性能好，结构简单，牢固可靠，读数方便，精度不高，测量范围不大。α绝缘体调节螺钉双金属片温度计ZJ继电器加热器灯泡电源电源§2-3玻璃液柱温度计

一、玻璃液柱膨胀式温度计的分类、结构形式和特点玻璃温包毛细管标尺水银有机液体普通型温度计精密型温度计贝克曼温度计电接点温度计棒式{图2-2(b)}内标式{图2-2(a)}可调式电接点温度计固定式电接点温度计分类感温液体用途结构形式水银凸面有机液体凹面表2-3P.23分度值小于0.01℃(图2-3)（表2-2）ZJ继电器加热器灯泡电源电源二、玻璃液柱膨胀式温度计的使用（一）允许示值误差（表2-3）示值误差=显示值-真实值（二）误差原因及处理（表2-4）（避免或减少误差）

§2-4压力式温度计密闭容器中液体或气体受热后压力的升高来反映被测温度。此温度计结构简单，强度较高，抗震性能好。(图P.24\P.58)一、充气体的压力温度计PV=mRT二、充蒸汽的压力温度计蒸汽的饱和蒸汽压温度充氮气测温<500～550℃充氢气测温>-120℃§2-5热电偶温度计热电偶温度计是目前最为广泛的温度传感器，结构简单、测温范围广（-100～1600℃），准确度高，惯性小，输出为电信号，便于远传与转换的优点。一、热电偶温度计的测温原理++++----A（T）B（T）NA>NBEAB(T)接触电势(帕尔贴电势)电子扩散方向T>T0EA(T,T0)AT0T温差电势(汤姆逊电势)----+T0参比(考)端［自由端或冷端］一般恒定在0℃T测量端［工作端或热端］ABEA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T0)EAB(T)T>T0NA>NB热电偶回路的热电势:（一）接触电势(帕尔贴电势)（二）温差电势(汤姆逊电势)e----单位电荷，e=1.6×10-9Ck----玻耳兹曼常数，k=1.38×10-23J/KNA，NB----材料A、B的自由电子密度，是温度的函数。σA、σB----导体A、B的汤姆逊系数，与材料的性质和两端温度有关。（三）热电偶回路的热电势若冷端温度固定(常数)(2-6)’(2-7)(2-8)ABEAB(T,T0)TT0=0℃令T0=0℃，根据分度表（例如表2-6），电势和温度的对应值，得出T值来。(热电偶种类：表2-5)【例2-1】用铂铑10-铂热电偶测温，热电偶冷端温度为0℃，测得热电势一次为0.173mV，另一次为2.58mV,求两次所测点的温度。解：查表2-6（P29）(1)0.173mV30℃(2)0.258mVt=?t=300+28=328℃【作业2-1】用铂铑10-铂热电偶测温，热电偶冷端温度为0℃，测得热电势为1.00mV，求所测点的温度。℃mV0t1t2tV1VV2TT0BT0T/0T/0AB/A/1、热电偶（感温元件）2、连接导线（铜导线或补偿导线）毫伏计。。。。TnBABATnTT0。。TnBAB/A/TnTT0(二)中间导体定律(三)中间温度定律(四)连接导体定律二、热电偶基本定律P.27(一)均质导体定律。。TnCBABTnT0TP30补偿导线BATnTT0BABATT0【例2-2】用铂铑10-铂热电偶测温，热电偶冷端温度为30℃，测得热电势为0.699mV，求所测点的温度。解：查表2-6（P29）t=130℃【作业2-2】用铂铑10-铂热电偶测温，热电偶冷端温度为20℃，测得热电势为0.682mV，求所测点的温度。⑴连接导体定律的应用补偿导线P30，表2-7⑵中间温度定律的应用。。TnBABATnTT0三、热电偶的材料、分类与构造（一）材料：满足四点要求P.28（二）分类（三）构造四、热电偶冷端温度的补偿标准非标准普通型铠装型薄膜型冰浴法(四，图2-14)校正法(二,中间温度定律计算)仪表机械零点调整法(五)补偿电桥法(三，图2-13)0t0caRRtbEGdR0R2R4R3I1I2Rt为热电阻平衡电桥和不平衡电桥1、不平衡电桥测温度

c、d两点间的电位相等，检流计G中没有电流通过时，电桥平衡：电桥对边的电阻值乘积相等，电桥就平衡。温度升高，热电阻Rt变大，IG变大，根据检流计指针的偏移得知热电阻所测量的温度。或（可取）IG=0I

G

==0不平衡电桥Rt为热电阻,Rp为滑线电阻，在测量温度下限时Rt有最小阻值Rt0

,电阻滑动触点应在Rp的左端，此时让电桥平衡,即：caRRtbEGdRt0R2R4R3Rpr12、平衡电桥测温度若IG=0调整滑线电阻，使IG=0滑线电阻中触点位置反映了热电阻阻值的变化，也就反映了热电阻所在环境温度的变化。（所测温度t大于测量温度下限t0）§2-6热电阻温度计金属或半导体的电阻值随温度的变化而变化一、金属热电阻（铂电阻、铜电阻、镍电阻等）传感器（一）铂热电阻（二）铜热电阻（非国际标准）二、半导体热敏电阻温度计热电阻温度计由热电阻或半导体热敏电阻、显示仪表和连接导线组成。

要求热电阻⑴稳定；⑵复现性好，互换；⑶电阻温度系数大，灵敏度高；⑷电阻率大，体积小；⑸线性；⑹价格低。特点：⑴中低温，精度高于热电偶温度计；⑵灵敏度高,温度升高1℃，金属热电阻阻值增（0.4%～0.6%）；半导体热敏电阻阻值减少（3%～6%）

⑶体积比热电偶大。（2-14）（2-15）铂丝的纯度用R100/R0表示，越大越好,越纯。R0表示0℃电阻值,越小越纯。愈纯、稳定性愈高、复现性好、精度愈高。实验室：，0℃电阻值，Pt50、Pt100、Pt300工业用：表2-8，表2-9P34一、金属热电阻传感器（一）铂热电阻（二）铜热电阻（非国际标准）-50～150℃Cu50和Cu100（表2-10，P34）Cu100分度表（表2-11）[等于Cu50的分度值乘以2]即Cu50分度表是将Cu100分度表中的阻值除以2【例2-3】用Cu100热电阻测出的阻值为78.49，所测点的温度是多少？若用Cu50热电阻测出的阻值也为78.49，所测点的温度又是多少？78.49x2=156.98查Cu100分度表得Cu50热电阻所测温度133.05℃【作业2-3】用Cu100热电阻测出的阻值为81.20，所测点的温度是多少？若用Cu50热电阻测出的阻值也为81.20，所测点的温度又是多少？二、半导体热敏电阻温度计和金属热电阻相比优点：⑴具有大的负温度系数，灵敏度高；⑵电阻率大，体积小，惯性小，可测点温度和动态温度。特点：非线性严重，元件性能不稳