热工测试技术课程实验指导书

《热工测试技术》课堂实验/实践指导书课程中文名称：热工测试技术课程英文名称：EnergyandPowerEngineeringTesting课程编号：041956100适用专业：新能源科学与工程学时数：总学时32，其中：理论28、实验4学分数：2课程类别：专业课程应开课学期：第五学期实验/实践一：温度测量和热电偶校正实验实验/实践类型：综合型实验/实践学时：2实验/实践要求：6人/组一、实验/实践目的1.了解热电阻和热电偶温度计的测温原理；2.学会热电偶温度计的制作与校正方法；3.了解二线制、三线制和四线制热电阻温度测量的原理；4.掌握电位差计的原理和使用方法；5.了解数据自动采集的原理；6.应用误差分析理论于测温结果分析。二、实验/实践内容1.了解热电阻测温原理，练习热电阻二三线制接法；2.做出被校热电阻与标准温度计之间的曲线关系，通过查标准热电阻温度与阻值关系进行分析；3.了解热电偶的测温原理、温度补偿方法，练习热电偶连线与测温；4.做出被校热电偶温度与电势曲线，通过查标准热电偶与电势关系进行分析；5.练习电位差计测量电势方法，了解校验实验台自动采集原理。三、仪器设备热电偶实验装置主要由恒温水浴、电位差计、热电偶、热电阻、冰点仪、数据采集装置、低电势转换开关和标准玻璃温度计等组成。恒温水浴上具有搅拌、加热与温度控制装置，可根据要求将温度稳定在设定值附近。采用标准玻璃温度计测量的温度作为标准温度，用于校准热电偶和热电阻。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤1.实验原理1）热电阻（1）热电阻原理热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的。它不仅广泛应用于工业测温，―而且被制成标准的基准仪。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在0-630.74℃以内，电阻Rt与温度t的关系为：Rt=R0(1+At+Bt2)R0系温度为0℃时的电阻，铂电阻内部引线方式有两线制、三线制、和四线制三种。两线制中引线电阻对测量的影响最大，用于测温精度不高的场合，三线制可以减小热电阻与测量仪之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响，用与高精度温度检测。本实验是三线制连接，其中一端接二根引线主要是消除引线电阻对测量的影响。热电阻的校验热电阻的校验一般在实验室中进行，除标准铂电阻温度计需要作三定点（水三相点，水沸点和锌凝固点）校验外，实验室和工业用的铂或铜电阻温度计的校验方法有采用比较法。比较法是将标准水银温度计或标准铂电阻温度计与被校电阻温度计一起插入恒温水浴中，在需要的或规定的几个稳定温度下读取标准温度计和被校验温度计的示值并进行比较，其偏差不超过最大允许偏差。在校验时使用的恒温器有冰点槽，恒温水槽和恒温油槽，根据所校验的温度范围选取恒温器。但比较法所用的恒温器规格多，一般实验室多不具备。因此，工业电阻温度计可用两点法进行校验，这种校验方法只需要有冰点槽和水沸点槽，分别在这两个恒温槽中测得被校验电阻温度计的电阻，然后检查是否满足规定的技术数据指标，以确定温度计是否合格。热电阻的类型普通型热电阻。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。铠装热电阻。铠装热电阻是由感温元件(电阻体)、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体。它的外径一般为φ2—φ8mm。与普通型热电阻相比，它具有体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装；使用寿命长等优点。端面热电阻。端面热电阻感温元件由特殊必理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。隔爆型热电阻。隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引起爆炸。隔爆型热电阻可用于Bla--B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。2）热电偶（1）热电偶原理将两种不同材质的金属导线连接成闭合回路，如果两接点的温度不同，由于金属的热电效应，在回路中就会产生一个与温差有关的电动势，称为温差电势。在回路中串接一毫伏表，就能粗略地测出温差电势值。温差电势的大小只与两个接点的温差有关，与导线的长短粗细和导线本身的温度分布无关。这样一对导线的组合就称为热电偶温度计。（2）热电偶标定将热电偶做为温度计，必须先将热电偶的温差电势与温度值T之间的关系进行标定。一般不用内插式计算，而是用实验方法。用表格或T-E(或E-T)特性曲线形式表示。标定方法，一般采用：固定点法：即测量已知沸点或熔点温度的标准物质在沸点或熔点时的温差电势值。标准热电偶法：将待标热电偶与标准热电偶一起置于恒温介质中，逐点改变恒温介质的温度，待热电偶处于热平衡状态下测出每一点的温差电势。（3）热电偶的分类热电偶的种类繁多，各有其优缺点。可根据不同的用途选择不同型号的热电偶。目前我国已经标准化的常用商品热电偶，有以下几种：表1热电偶分类热电偶分类型号新分度号旧分度号使用温度℃长期短期铁-康铜/JTK400800镍铬-镍硅WREUKEU-210001300铜-康铜WRCKTCK6008002.实验步骤1）计算机自动采集数据的操作步骤（1）恒温水浴内加好水，冰瓶内放入冰水混合物。（2）将连接好的实验设备中的热电偶冷端放入冰瓶，并保证热电偶连线在冰瓶内10分钟以上。检查热电阻、热电偶的高温探头是否都浸在恒温水浴里。热电偶和热电阻高温探头头部要在同一水平面，以使两者温度尽可能一致。（注意：待需要测量恒温水浴精准温度时，才将温度计插入恒温水浴，以免误操作造成标准温度计损坏。且标准温度计也要和热电偶、热电阻高温探头在同一水平面）。（3）打开恒温水浴电源按钮，按下“加热”，“水泵”按钮，设定恒温水浴温度。（4）打开控制柜的开关，打开电脑并启动热电偶热电阻校验系统软件，然后新建实验，实验完成后启动软件“开始”按钮，进行数据采集。（5）加热恒温水浴到设定温度，待软件提示“恒温水浴状态稳定”后，点击“采集稳态数据”按钮，选择量程适当的标准温度计温度测量出水浴温度，并写入计算机后，计算机自动采集当前传感器的电势值或电阻并予以保存。（6）实验者根据需要重复步骤5。（7）完成实验时，点击计算机软件按钮“停止”，终止实验，并将数据导出。（8）退出测控软件，关闭电脑、控制箱以及恒温水槽。（9）根据记录的实验数据，进行分析与处理，最终得到不同温度情况下电势与电阻值。（10）应用误差分析理论进行测温结果分析。2）手动数据采集的操作步骤步骤（1）和（2）与计算机数据采集步骤一样。（3）打开恒温水浴电源，按下“加热”，“水泵”按钮。设定恒温水浴温度，待温度比较稳定的时候，选择量程适当的标准温度计温度测量出水浴温度，采用电位差计测量各热电偶通道电势，采用万用表测量热电阻的电阻值，并做好记录。（4）实验者根据需要重复步骤3。（5）完成实验时，关闭恒温水浴电源。（6）根据记录的实验数据，进行分析与处理，最终得到不同温度情况下电势与电阻值。（7）应用误差分析理论进行测温结果分析。实验/实践结果处理1.记录热电阻、热电偶温度传感器校验数据；2.绘制热电阻、热电偶传感器校验曲线。六、实验/实践注意事项1.实验之前应将加热主体加入适量的水或油。2.工作环境应无强磁场，温度0~35℃，相对湿度不大于85%。3.采用高精度玻璃温度计测量温度，注意温度测量范围，以免导致温度计损毁。当恒温水槽温度低于25℃时，采用0-25℃范围的标准玻璃温度计；当恒温水槽温度在25~50℃之间时，采用25-50℃范围的标准玻璃温度计；当恒温水槽温度在50~75℃之间时，采用50-75℃范围的标准玻璃温度计；当恒温水槽温度在75~100℃之间时，采用75-100℃范围的标准玻璃温度计。4.当水槽温度比较高的时候，注意防止烫伤。5.防止水槽的水溅出影响其他电气设备。七、预习与思考题1.本实验误差主要来源哪里？如何减小实验误差？2.能否得到实际温度的真值？如何设计高精度温度传感器？3.如何设计精度更好的恒温水槽？需要哪些措施？4.为什么热电偶可以做为温度计？5.热电偶温度计与普通温度计测温各有什么优缺点？6.如何确定热电偶的正负极？7.电位差计作为第三种导体接入热电偶的两种导体之间，为什么对测量结果无影响？实验/实践二：流速、流量测量实验实验/实践类型：综合型实验/实践学时：2实验/实践要求：6人/组一、实验/实践目的1.学习皮托管测速技术，掌握皮托管的测量原理及其测量系统组成，提高学生的实验技能和动手能力；2.了解皮托管的组成结构、安装方法和使用条件；3.掌握几种常用压力测量仪表的工作原理及使用方法；4.学习皮托管流量测量原理和特征速度点选取原则，掌握常用方法的特征速度点的位置；5.掌握皮托管测量数据的处理方法。二、实验/实践内容1.熟悉L型和S型皮托管的组成结构、安装方法和使用条件；2.选用合适的仪表组成皮托管测量系统；3.对管道中某截面上不同位置的被测介质流速进行测量，绘出管道内介质流速分布曲线；4.按照常用特征速度点选取原则，测量在其特征速度点上的被测介质流速，计算介质流量。三、仪器设备皮托管1支，U型管压力计1台，倾斜微压计YYT-2000B1台，补偿微压计YJB-2501台，数字微压计SYT-20001台，数字漩涡流量计DY型1台，离心风机1台，连接导管和支架若干，直尺1把，记号笔1支，水银温度计1支。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤1.实验原理（1）流速测量皮托管是一种基于伯努利方程的流速测量装置，是以其发明者、法国工程师HenriPitot的名字命名的，它由总压探头和静压探头组成，利用流体总压与静压之差，即动压来测量流速，故也称动压管。由于其主要测量对象为气体，因此又有风速管之称。皮托管的特点是结构简单，制造使用方便，价格低廉，而且只要精心制造并经过严格标定和适当修正，即可在一定的速度范围内达到较高的测量精度。所以虽然皮托管的出现已历时两个多世纪，但至今仍是热能与动力机械中最常用的流速测量手段。皮托管测取的是流场空间某点的平均速度。由于是接触式测量，因而探头的头部尺寸决定了皮托管测速的空间分辨率。受工艺、刚度、强度和仪器惯性等因素的限制，目前最小的皮托管头部直径约为0.1~0.2mm。（2）流量测量为了得到流量值，需要测量管道截面上的平均流速。由于皮托管仅能测量特定点上的流速，所以要用皮托管测量流量可通过对多个特征速度点进行测量并进行相关的计算以得到管道的平均流速。通常的做法是将管道截面分成面积相等的若干个部分，测量每一部分特征点上的流速作为该部分的平均流速，再乘以面积得到该部分的平均流量，最后把通过各个部分面积的流量累加起来就是通过整个管道的流量。这种测量方法叫做速度面积法，是皮托管测量流量的一种基本方法。如果将管道截面A分成n份，每份的截面积为Ai，每一份上的特征点流速为vi，则流过整个管道的体积流量Q为：Q=2.实验步骤（1）选择实验皮托管，记录该皮托管的编号和校准系数，填入表2；（2）按照所选用的特征速度点确定原则（等环面法、对数直线法和切比雪夫法三者选其一）对皮托管的竖直测量杆进行刻度；（3）开启离心风机；（4）调节调风阀门的开度，等待3分钟，使风机运转稳定；（5）记录大气温度填入表2；（6）从标准流量计（旋涡流量计）中读取被测流量值，填入表2；（7）插入皮托管，按照所选用的特征速度点确定原则，分别测量对应该方法在三个位置上的差压（即动压值）填入表2；（8）调整调风阀门的开度，重复步骤4~7两次，再测量两个不同流量下的值，填入表2；（9）测完三个不同流量下的数据后，实验结束。五、实验/实践结果处理1.按照皮托管特征速度点的常用确定原则，分别计算出位置1、2和3处的流速v1、v2和v3绘出管道内同一截面内的流速分布曲线；2.用它们的算术平均值作为管道的平均流速计算流量，分析计算的流量值和标准表读数的相对百分误差。表2实验数据记录表法