热工测量及仪表电子教案于广松DOC.docx
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热工测量及仪表电子教案于广松DOC
总课时
1、2
课型
新授
课题
绪论、测量及测量误差概述
教学目的
1、理解被测量、标准量与测量值之间的区别与联系
2、熟悉国际单位制的7个基本单位
3、能恰当应用三种表示方法来表达测量误差
教学重点
理解测量的概念、掌握三种误差表示方法
教学难点
三种误差表示方法之间的关系
教学方法
多媒体教学
复习旧课
导入课题
讲解新课
绪论
一、热工测量的意义
1、测量的意义：
取得各事物之间的定量关系，是人们认识事物的一种手段
2、热工测量的范围
3、火力发电厂热工测点
4、热工测量的意义：
了解和控制火电生产过程，确保生产过程安全、正常、高效进行
二、测量技术的发展概况
三、测量技术的发展趋势
四、传感器简介
1、根据现象所属领域不同分为：
物理、化学、生物传感器
2、根据所用敏感元件的材料分为：
半导体、陶瓷、有机高分子、光纤传感器
3、根据功能分为：
单功能、多功能、智能、仿生传感器等
第一章测量及测量误差
§1-1测量的定义及方法
一、测量概述
1、定义
2、公式：
L=
式中x——被测量b——标准量（测量单位）L——所得的测量值
二、测量方法
1、根据获得测量结果的程序不同可分为：
直接测量、间接测量和组合测量
2、根据检测装置工作原理不同可分为：
直读法、零值法和微差法
3、根据仪表是否与被测对象接触可分为：
接触测量法和非接触测量法
§1-2测量误差
一、误差的表示方法
1、定义：
被测量的测量值与被测量的真实值之间存在偏差，称测量误差
2、测量误差的表示方法：
绝对误差、相对误差
小结
热工测量是指在热工过程中对各种热工参数，如温度、压力、流量、物位、烟气含氧量及各种机械量的测量。
测量工作是一种实验性工作，测量过程会产生测量误差（测量结果与其真值的差异），根据误差的性质不同，测量误差可分为系统误差、随机误差和疏忽误差。
系统误差表明了测量结果的“正确度”，而随机误差则表明了一个测量系统的测量“精密度”，但不论哪种误差，都有绝对误差、相对误差、折合误差三种表达方式。
课堂练习
课后思考
思考：
试指出在热工参数测量中哪些测量用到了直接测量，哪些用到了间接测量？
日常使用的仪表中哪些用到了直读法，哪些用到了零值法？
作业
教学后记
总课时
3、4
课型
新授
课题
测量误差的分类及处理
教学目的
1、了解不同类误差产生的原因以及它们的特点
2、掌握减小或消除系统误差、随机误差、粗大误差的方法
3、能对测量结果进行评价
4、具有对多次测量进行准确度判别的能力
教学重点
减小或消除系统误差、随机误差和粗大误差的处理方法
教学难点
多次测量的置信度判别，坏值的判别
教学方法
多媒体教学
复习旧课
测量是将被测量与同性质的标准量（即测量单位）进行比较，以确定被测量是标准量的多少倍数的过程，测量过程会产生测量误差（测量结果与其真值的差异），测量误差可用三种方式表达：
绝对误差（δ=x-x0）、相对误差（相对误差=
×100%）、折合误差（也称引用误差，γ=
×100%）。
导入课题
测量误差对于测量结果的真实性和可靠性是不利的，但由于各方面原因它又不可避免的存在，既然这样我们就要对测量误差进行处理，使它对测量结果的影响减小到最小。
这次课我们就来探讨测量误差如何处理的问题。
讲解新课
§1-2测量误差
一、误差的分类
1、按测量误差的来源不同分为：
装置误差、环境误差、方法误差、人为误差
2、按对测量误差的掌握程度不同分为：
已知误差、未知误差
3、按误差的性质不同分为：
系统误差、随机误差、粗大误差
方法误差：
测量原理和方法本身存在缺陷和偏差
装置误差：
测量仪器、设备、装置导致的测量误差
环境误差：
测量环境、条件引起的测量误差
人为误差：
读数误差、违规操作
（一）系统误差
1、特点：
有规律、可再现、可预测
2、原因：
（1）测量仪器或测量系统本身不够完善
（2）仪表使用不当
（3）外界环境条件变化
3、处理：
（1）消除误差产生的根源
（2）在测量结果中加修正值
（3）采取补偿措施
（4）采用消除系统误差的典型测量技术
（二）随机误差
1、特点：
单峰性、有界性、对称性、抵偿性
2、原因：
装置误差、环境误差、使用误差
3、处理：
（1）用算术平均值作为测量结果
（2）通过求标准偏差估计测量最大误差
（三）粗大误差
1、性质：
偶然出现，数值误差很大，异常数据与有用数据混在一起
2、原因：
装置误差、使用误差
3、处理：
判断坏值，进而剔除
（1）判断坏值的方法
（1）拉依达准则
（2）格拉布斯准则
（3）狄克逊准则
小结
误差对于测量结果的真实性和可靠性是不利的，所以在实际的测量工作中应注意采用各种方法和手手段，尽量减小测量误差，有必要对测量数据进行分析和处理。
对于系统误差，我们可以通过采用正确的使用方法，对测量仪表或测量系统进行完善，或对测量结果加修正值等措施，来设法予以消除；对于随机误差，要利用数学的概率统计中的正态分布理论或t分布理论计算出一定置信概率下测量结果的实际值；对于疏忽误差，则必须予以剔除，剔除的方法是先利用拉依达检验准则、格拉布斯检验准则或t分布检验准则，找出含有疏忽误差的测量值并将其剔除，然后计算出测量结果的实际值。
课后思考
思考：
三种测量误差各有什么特点？
如何减小随机误差的值？
总课时
5、6
课型
新授
课题
热工仪表的组成、仪表的质量指标及仪表的使用
教学目的
1、能画出热工仪表的组成方框图
2、准确理解仪表的质量指标
3、会根据校表结果判断仪表合格与否
4、了解仪表校验的几种方法
教学重点
仪表的质量指标
教学难点
仪表的变差指标
教学方法
多媒体教学
复习旧课
导入课题
通过上一章的学习，我们知道，装置误差是产生测量误差的原因之一，也就是说如果仪表本身就不合格，用不合格的仪表去测量，那么测量结果肯定会偏离真实值。
通过哪些指标、怎样判断仪表是否合格就是我们这次课要学习的内容。
讲解新课
第二章热工仪表概述
§2-1热工仪表的组成及分类
一、热工仪表的组成
1、组成方框图
2、各部件的特点
（1）感受部件
（2）中间部件
（3）显示部件
二、热工仪表的分类
1、按被测参数分：
温度、压力、流量、物位、成分分析及机械量（转速、振动、位移）
2、按用途分：
标准表、实验用仪表和工程用仪表
3、按显示特点分：
指示式、记录式、积算式、数字式及屏幕式
4、按工作原理分：
机械式、电气式、电子式、化学式、气动式
5、按安装地点分：
就地安装、盘用仪表
6、按使用方式分：
固定式、便携式
7、按使用能源分：
电动式、气动式、液动式
§2-2热工仪表的质量指标
一、基本误差
仪表的基本误差应小于或等于允许误差
二、准确度（精确度）等级
1、允许误差
2、准确度（精确度）等级
三、变差
仪表的变差小于或等于允许误差
四、灵敏度
五、不灵敏区
六、时滞
除了以上六个常用的指标外，还有修正值、线性度（或非线性误差）、重复性、飘移等指标
§2-3仪表的使用
一、仪表的选用
1、量程的选择
2、准确度等级的选择
二、仪表的校验
1、示值比较法
2、标准状态法
小结
热工仪表有质量好坏之分，判断仪表质量好坏的标准是仪表的品质指标。
仪表的品质指标主要包括仪表的基本误差、准确度等级、变差、重复性、灵敏度和不灵敏区以及时滞等。
课堂练习
课后思考
思考：
仪表的质量指标有哪些？
仪表的允许误差与准确度等级有什么关系？
变差产生的原因是什么？
仪表合格有哪些条件？
总课时
7、8
课型
新授
课题
温度测量概述及膨胀式温度计
教学目的
1、了解温度与温标的概念及二者之间的区别
2、知道各类温度计的特点及使用范围
3、能说出各种膨胀式温度计的测温原理
教学重点
双金属温度计的测温原理
教学难点
温标及其定义
教学方法
多媒体教学
复习旧课
导入课题
温度测量的意义，温度测量在火电厂生产过程中的作用，火电厂通常的测温点数和安装位置，火电厂测温的特点（测温范围大，测温环境复杂）
讲解新课
第三章、温度测量
§3-1温度测量概述
一、温度与温标
1、温度：
表示物体冷热程度的物理量
（1）温度测量的意义
（2）温度的含义：
体现热平衡，体现物质分子热运动的剧烈程度
2、温标
（1）定义：
衡量温度高低的标尺称温度标尺，也称温标。
（2）几种温标
1）经验温标：
摄氏温标、华氏温标、列氏温标
2）热力学温标
单位符号
摄氏温标（t）摄氏度℃
热力学温标（T）开尔文K
3）国际温标
1990国际温标（ITS—1990）的特点
我国目前采用“1990国际温标（ITS——1990）
二、测温仪度表分类
1、分类：
接触式：
热电偶温度计、热电阻温度计、玻璃管水银温度计、玻璃管酒精温度计
非接触式：
高温光学温度计、辐射高温温度计
2、特点
§3-2膨胀式温度计
膨胀式温度计
一、液体膨胀式温度计
1、玻璃液体温度计
测温原理：
利用感温液体随温度变化而体积发生变化与玻璃随温度变化而体积发生变化之差测量温度
2、工作用玻璃液体温度计
3、贝克曼温度计
4、使用注意事项
二、压力式温度计
1、测温原理：
利用充灌式感温系统测量温度
2、分类
三、双金属温度计
测温原理：
利用不同膨胀系数的双金属元件测量温度
小结
温度是表示物体冷热程度的物理量，而温标则是用来衡量温度高低的标尺，我国现在使用的是“1990国际温标（ITS-1990）”。
温度测量仪表有很多，目前火电厂使用最多的是热电偶和热电阻。
课后思考
思考：
温度与温标有什么差别？
热电偶、热电阻属于哪类测温仪表？
总课时
9、10
课型
新授
课题
热电偶测温原理、热电偶的基本定律、热电偶的结构与类型
教学目的
1、能说出热电偶的测温原理
2、能说出温度对热电势的影响方向
3、能应用热电偶的基本定律解释热电偶测温系统的组成
4、能运用中间温度定律进行热电偶冷端温度的修正计算，提出冷端温度的修正补偿思路
5、能说出不同类型的热电偶的分度号和应用范围
6、了解不同结构的热电偶的使用场合
教学重点
热电偶测温定律的应用
教学难点
仪表起始点的设定与其对测量结果的影响
教学方法
多媒体教学
复习旧课
温标种类，测温仪表的分类，双金属温度计的测温原理。
导入课题
通过上次课的学习，我们知道，温度测量仪表有很多，目前火电厂使用最多的是热电偶温度计和热电阻温度计。
下面我们就学习热电偶温度计的相关知识。
讲解新课
§3-3热电偶温度计
一、热电偶的测温原理
1、热电偶：
将两根不同的导体或半导体线状材料A和B的一端焊接起来形成的双极结构的测量件。
2、基本概念：
热电极、热电偶的热端、热电偶的冷端（参考端、自由端）、热电效应、热电势
3、接触电势
4、温差电势
5、热电偶回路中的热电势：
eAB（t，t0）=fAB（t）-fAB（t0）
所以，热电偶回路中的热电势与材料及两端温度有关
二、热电偶的基本定律
1、均质导体定律
定律内容
定律应用
2、中间导体定律
定律内容
定律应用
3、中间温度定律
定律内容
定律应用
（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分读，只要引入适当的修正，就可以在其他冷端温度下使用。
例2-1
（2）为使用补偿导线提供了依据。
例2-2
4、参考电极定律
三、热电偶的结构与类型
1、对热电偶的电极材料要求
2、热电偶的种类
1）标准化热电偶
七种，特性见P22表2-3所示，会查分度表，会在仪表上识别是什么类型的热电偶
2）非标准热电偶（了解，不做详细介绍）
3、热电偶的结构形式
1）对结构的要求
2）分类：
※普通型热电偶（也称装配型热电偶）
※铠装型热电偶热电极、绝缘材料、金属保护套管组合后用整体拉伸工艺加工而成很细的电缆式线材，外径在0.25～12mm间，可自由弯曲
※热套式热电偶专用于主蒸汽温度测量
※薄膜式热电偶适合测量微小面积上的瞬变温度
※快速消耗型热电偶专用于测量钢水及熔融金属温度的特殊热电偶
小结
热电偶的均质导体定律、中间导体定律和中间温度定律为制造和使用热电偶奠定了理论基础。
热电偶根据材料可分为S、K、E、B、R、J、T七种标准热电偶，目前火电厂使用较多的是K型和E型两种。
热电偶根据结构又可分为普通型、铠装型、热套式、薄膜式和快速消耗型。
课后思考
思考：
什么情况下仪表的示值会比实际温度值低，什么时候会高？
常用的几种热电偶线性最好的是？
准确度最高的是？
热电势率最大的是？
总课时
11、12
课型
新授
课题
热电偶冷端的温度补偿及热电偶的校验与安装
教学目的
1、知道热电偶冷端温度常用的几种补偿方法
2、学会根据实际情况选择恰当的冷端温度补偿方法
3、知道热电偶的检验项目合所用的校验仪表
4、学会热电偶的校验方法
5、了解热电偶的安装要求和注意事项
6、了解热电偶常见故障原因，知道处理方法
教学重点
热电偶冷端温度的补偿方法
教学难点
热电偶校验中的误差修正
教学方法
多媒体教学
复习旧课
热电偶测温的三个定律是确保热电偶测温准确的理论基础，热电偶按其规范性可分为标准化热电偶和非标准化热电偶，按材料可分为铂铑10—铂（S）、铂铑30—铂铑6（B）、镍铬—镍硅（K）、铁—康铜（J）、铂铑13—铂（R）、镍铬—康铜（E）、铜—康铜（T）。
按结构可分为普通型、铠装型、热套式、薄膜式、快速消耗型。
导入课题
不同的测温环境使用不同材料和结构的热电偶，热电偶的热电势是可以测量的，但在测量中为了保证准确性，需要采取一些措施，包括冷端温度补偿、热电偶的检验、安装等。
讲解新课
§2-2热电偶
四、热电偶冷端温度的补偿
1．恒温法2．公式修正法3．显示仪表的机械零点调整法
4、补偿导线法5、补偿装置法6．辅助热电偶法
五、热电偶的校验与安装
（一）热电偶校验
热电偶在使用前、使用后定期校验
1、校验项目
1）外观检查、2）允许误差校验：
采用比较法、3）校验用仪表
2、校验方法
（二）热电偶全自动检定系统
1、系统工作原理
2、系统操作
3、检定热电偶：
系统检查，参数设置，启动运行，报表档案，退出系统控制
（三）热电偶安装
主要考虑：
1、安装部位及插入深度
2、金属壁表面测温热电偶的安装
1）焊接安装：
球形焊、交叉焊、平行焊；2）压接安装：
挤压安装、紧固安装
3、外界干扰防范措施
1）导线屏蔽、2）测量装置屏蔽、3）合理接地、4）热电偶悬空
六、热电偶常见故障原因及其处理方法
1、热电势偏小
2、热电势偏大
3、热电势输出不稳定
1、热电偶热电势误差大
小结
为了减小或消除热电偶冷端温度变化对测量影响，可采用恒温法（恒温器）、计算法（中间温度定律）、补偿法（补偿导线、补偿装置、仪表机械零点调整）对热电偶的冷端温度进行修正和补偿。
在现场测温中，一般都是通过相应的补偿导线使热电偶的冷端远离热源，再利用冷端温度补偿器或铜电阻对热电偶的冷端温度进行自动补偿。
为了保证测量准确，热电偶在使用前和使用一段时间后要进行周期性的检验，工业用热电偶的检验项目主要有外观检查和允许误区差检验两项。
课堂练习
课后思考
作业
教学后记
总课时
13、14
课型
新授
课题
热电阻
教学目的
1、能说出热电阻的测温原理，材料的纯度表达方式
2、会区分不同类型的热电阻，会查其分度表
3、掌握热电阻的校验两种方法，
4、会根据故障现象判断故障原因并能说出处理方法
5、会进行热电阻选型
教学重点
热电阻的测温原理及测温系统的组成
教学难点
线路电阻对热电阻测温系统的影响
教学方法
多媒体教学
复习旧课
热电偶测温具有系统简单、测量准确、测温范围广等优点，热电偶测温时要注意冷端温度的处理，保持冷端温度恒定才能确保其测量准确，常用的热电偶有分度号为S、B、K、E、T等五种标准化热电偶；有普通型、铠装型、热套式等常用结构；冷端温度的处理方法一般可分为恒温法（恒温器）、补偿法（补偿导线、补偿装置、仪表机械零点调整）、计算法（中间温度定律）。
导入课题
在实际生产过程中，热电偶一般用于300℃以上温度的测量，当温度低于300℃可考虑使用其他测温元件，如热电阻。
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，通常用于测量-200℃～500℃。
火电厂中锅炉给水、轴瓦回油、循环水等温度都可采用热电阻测量。
这次课我们就来学习有关热电阻方面的知识。
讲解新课
§2-3热电阻
一、热电阻的测温原理
1、热电阻测温原理：
热电阻是利用金属导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化特性来进行温度测量的。
2、金属导体的纯度系数
材料的纯度系数，其越大，材料纯度越高，金属导体的α为正，而半导体的α为负。
二、标准热电阻的种类与结构
1、种类
（1）对热电阻的材料要求
（2）分类：
A．铂电阻：
测温范围-200～500℃，物理化学性质稳定，测量准确度高
B．铜电阻：
测温范围-50～150℃，只能在低温无腐蚀介质中使用
2、结构
（1）普通型热电阻
（2）铠装热电阻（3）端面热电阻（4）隔爆型热电阻
3、热电阻测温系统的组成
热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。
三、热电阻的校验
1、比较法2、两点法3、自动校验
四、故障及处理
详细内容见P37表2-8
五、热电阻的选择与误差分析
1、选择原则：
测温范围，测温准确度，测温环境，成本
2、误差分析：
线路电阻的影响，显示仪表的消耗
小结
热电阻是利用金属导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化特性来进行温度测量的。
根据材料可分为铂电阻和铜电阻标准热电阻，根据结构则可分为普通型、铠装型、端面型和隔爆型。
选用热电阻时要考虑测温范围、测温准确度、测温环境以及成本等方面。
为消除连接导线电阻的影响一般采用三线制或四线制。
课堂练习
课后思考
思考：
为什么热电阻测温系统要采用三线制或四线制接入热电阻？
铂电阻和铜电阻各有什么特点
作业
教学后记
总课时
15、16
课型
新授
课题
模拟显示仪表
教学目的
1、能看懂动圈表与热电偶、热电阻配合测温的线路图，并能说出测量中要注意的事项
2、能画出手动电位差计配热电偶的测量线路并能说出其工作过程
3、能化除手动电子平衡电桥测电阻的线路图能说出其测量过程
4、能区分自动电位差计与自动平衡电桥的区别与联系
5、了解小型温度巡测仪的工作原理
教学重点
配热电偶、热电阻的二次测温仪表的测量原理
教学难点
不同的二次仪表测量线路有所不同
教学方法
多媒体教学
复习旧课
热电阻是利用金属导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化特性来进行温度测量的。
根据材料可分为铂电阻和铜电阻标准热电阻，根据结构则可分为普通型、铠装型、端面型和隔爆型。
为消除连接导线电阻的影响一般采用三线制或四线制。
导入课题
热电偶和热电阻都是测温一次元件，它们将被测温度信号转换成电势和电阻信号，必须要用一些二次仪表测出这些电势和电阻信号，才能将被测温度显示出来，按信号的处理方式分为模拟显示仪表、数字显示仪表，如果要采用通用仪表显示，则必须要将一次元件输出的信号转换成统一范围的连续信号，这就需要温度变送器。
讲解新课
§2-4模拟显示仪表
一、动圈式指示仪表
1、动圈表概述
2、配热电偶的动圈表测量线路
（1）测量原理
（2）测量线路
3、配热电阻的动圈表测量线路
（1）测量原理
（2）测量线路
4、XFZ系列动圈表（强力矩动圈仪表）
（1）应用
（2）特点
二、平衡式显示仪表
1、电位差计显示仪表
（1）测量原理
（2）手动电位差计
（3）自动电位差计
2、平衡电桥
（1）测量原理：
利用桥路平衡时对臂电阻乘积相等的原理来测量热电阻的阻值。
（2）测量线路
（3）电子自动平衡电桥
三、小型温度巡测仪
使用一台显示仪器自动检测多个温度测点，如XSW-10型数字温度巡测仪，测量原理如图2-31所示。
小结
模拟显示仪表有动圈式和平衡式两种。
动圈式又分与热电偶配套使用和与热电阻配套使用的动圈表；动圈式模拟显示仪表工作原理：
被测温度经热电偶（或热电阻）转换为直流毫伏（或电阻值）信号，输入仪表的测量线路并转换成电流。
该电流流经处于永久磁场中的动圈时，动圈受力，产生偏转，其偏转角与电流大小成正比，固定在动圈上的指针便反映出温度的数值。
平衡式则分电位差计和平衡电桥，电位差计与热电偶配套使用，平衡电桥与热电阻配套使用。
电位差计是利用不平衡电桥的输出电压与被测热电势相比较，当二者差值为零时，被测热电势与桥路的输出电压相等。
平衡电桥是利用电桥平衡时相邻臂电阻比值相等的关系式，求出被测热电阻的阻值。
课后思考
思考：
动圈表测量与平衡仪表测量最大区别是什么？
试比较三种模拟仪表优缺点。
教学后记
总课时
17、18
课型
新授
课题
数字显示技术
教学目的
1、了解模拟仪表存在的问题
2、知道数字仪表的优点
3、知道数字仪表的特性指标
4、能画出数字仪表的构成框图
5、知道数字仪表的发展方向
教学重点
数字仪表的构成
教学难点
数字仪表的工作过程分析
教学方法
多媒体教学
复习旧课
模拟显示仪表有动圈式和平衡式两种。
动圈式又分与热电偶配套使用和与热电阻配套使用的动圈表；平衡式则分电位差计和平衡电桥，电位差计与热电偶配套使用，平衡电桥与热电阻配套使用。
导入课题
模拟显示仪表是二次仪表，二次仪表除了模拟显示仪表，还有数字显示仪表，下面我们就来学习数字显示仪表。
讲解新课
§2-5数字显示仪表
一、概述
1、模拟仪表的局限性
（1）进一步提高仪表的准确度较困难；
（2）存在读数误差；
（3）测量速度受限制；
（4）不利于信息处理（加工）；
（5）信号传输易受环境因素的影响且不利于远距离传送。
2、数字仪表的优点
（1）数字式仪表准确度高；
（2）数字仪表灵敏度高；
（3）显示清晰直观，读数准确；
（4）测量范围宽；
（5）扩展能力强；
（6）测量速度快；
（7）输入阻抗高；
（8）集成度高，微功耗；
（9）抗干扰能力强；
（10）后期数据处理方便，可以自动检查故障，报警以及完成预定的逻辑动作。
3、数字仪表的特性
（1）显示位数
（2）分辨率（3）测量速率
二、数字显示仪表
1、定义
2、构成：
前置放大器、A/D信号转换器、非线性补偿，标度变换，显示装置组成。
3、构成方式
三、数字仪表的发展趋势
1、广泛采用新技术，不断开发新产品
2、模块化的发展方向
3、多重显示仪表
4、安全性
5、操作简单化
小结
数字显示仪表由前置放大器、A/D信号转换器、非线性补偿、标度变换及显示装置五部分组成。
与模拟显示仪表相比，具有测量准确度高、无读数误差、测量速度快、便于信息处理等优点。
课堂练习
课后思考
思考：
数字仪表的指标与模拟仪表有什么不同？
数字仪表为什么测量精度高、测量范围广、测量速度快？
作业
教学后记
总课时
19、20
课型
新授
课题
温度变送器
教学
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