热能与动力工程测试技术要点.docx

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热能与动力工程测试技术要点

JIANGSUUNIVERSITY

热能与动力工程测试技术要点简析

主编：

邝锡金

副主编：

代冲

主审：

邝锡金

第1章概述.......................................3

第二章测量系统的动态特性........................4

第三章测量系统误差分析及处理....................5

第四章传感器的基本类型及工作原理.................6

第五章温度测量...................................8

第六章压力测量...................................10

第七章流速测量...................................11

第八章流量测量...................................12

第一章概述

1、在热能与动力工程领域中，需要测量的物理量主要有？

温度、压力、流量、功率、转速等。

2、按照得到最后结果的过程不同，测量方法可以分为哪几类？

简述各类方法的定义。

1）直接测量：

凡被测量的数值可以直接从测量仪器上读得的测量：

2）间接测量：

被测量的数值不能直接从测量仪器上读得，而需要通过直接测得与被测量有一定函数关系的量，然后经过运算得到被测量的数值：

3）组合测量：

测量中使各个未知量以不同组合形式出现（或改变测量条件以获得不同的组合），根据直接测量或间接测量所得数据，通过求解联立方程组求得未知量的数值。

3、按工作原理，任何测量仪器都应包括哪三部分？

各部分的功能和作用？

包括感受器、中间件和效应件三个部分。

1）感受器或传感器：

它直接与被测对象发生关系（但不一定直接接触），感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号;

2）中间件或传递件：

最简单的中间件是单纯起“传递”作用的元件，它将传感器的输出信号原封不动的传递给效应件；

3）效应件或显示元件：

显示元件的功能是把被测信号显示出来，按显示原理与方法不同，又可分为模拟显示和数字显示两种。

4、测量仪器按照用途可以分为哪两类？

其特点为？

范型仪器和实用仪器两种。

范型仪器精确度很高，对它的保存和使用有较高要求：

实用仪器使用起来方便、可靠，测量结果只要在工程测量允许范围内即可。

5、测量仪器的主要性能指标包括？

各指标的含义？

测量仪器的性能指标主要有：

精确度、恒定度、灵敏度、灵敏度阻滞、指示滞后时间等。

精确度：

表示测量结果与其真值一致的程度，它是系统误差与随机误差的综合反映。

恒定度：

仪器多次重复测量时，其指示值的稳定程度，称为恒定度。

灵敏度：

它以仪器指针的线位移或角位移与引起这些位移的被测量的变化值之间的比例

来表示

式中，

为指针的线位移或角位移：

为被测量的变化值。

灵敏度阻滞：

又称为感量，此量是足以引起仪器指针从静止到做极微小移动的被测量的变化值。

指示滞后时间：

从被测参数发生变化到仪器指示出该变化值所需时间，称为指示滞后时间，或称时滞。

第二章测量系统的动态特性

1、测量仪器或测量系统的动态特性分析就是研究动态测量时所产生的动态误差，它主要用以描述在动态测量过程中输出量和输入量之间的关系。

2、简述传递函数的定义和表达式。

传递环数是用输出量与输入量之比表示信号间的传递关系。

3.某测量系统由串连环节（或并联环节、或反馈联接）组成，试推导出其传递函数。

串联环节：

并联环节：

反馈联接：

（正、负反馈）

4.推导出零阶测量系统的传递函数，其特点是？

零阶，除

外，其与系数都为零，则传递环数为：

，即

。

该系统的特点是，不管

随时间如何变化，系统输出不受干扰也没有时间滞后。

5.以测温热电偶为例，推导出该一阶测量系统的系统传递函数以及阶跃响应函数。

一阶，除了

外，其余系数为零，则得：

，经拉普拉斯变化后可得：

。

得出传递函数为：

。

阶跃响应函数：

。

6.对于二阶测量系统的阶跃相应函数，评价该系统动态特性的指标？

二阶传递函数为：

评价该系统动态特性的指标：

稳定时间

和最大过冲量

。

7.通过试验测定动态参数的方法有哪些？

频率响应法、阶跃响应法、随机信号法。

第三章测量系统误差分析及处理

1、绝对误差和相对误差的定义。

绝对误差=测量值-真值

2、简述测量误差的分类。

1）系统误差：

在测量过程中，出现某些规律性的以及影响程度由确定因素所引起的误差，成为系统误差。

2）随机误差：

是由许多未知的或微小的因素综合影响的结果。

3）过失误差：

由于测量者粗心、过度疲劳或操作不正确所引起的误差。

3、简述系统误差的分类和特征？

分类：

仪器误差、安装误差、环境误差、方法误差、操作误差、动态误差。

特征：

在同一条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持不变称为恒值系统误差；当误差的大小和符号按一定规律变化时，称为变值系统误差，它又可分线性和非线性系统误差。

4、简述常用消除系统误差的具体方法。

1）交换抵消法;将测量中某些条件相互交换，使产生系统误差的原因互相抵消。

2）替代消除法：

在一定的测量条件下，用一个精度较高的已知量，在测量系统中取代被测量，而使测量仪器的指示值保持不变。

3）预检法：

是一种检验和发现测量仪器系统误差的常用方法。

5、系统误差的综合包括代数综合法、算数综合法和几何综合法。

6、简述随机误差正态分布规律的特性。

1）单峰性：

概率密度的峰值只出现在零误差附近。

2）对称性：

符号相反绝对值相等的随机误差出现的概率相等。

3）有限性：

在一定测量条件下，误差的绝对值一般不超出一定范围。

4）抵偿性：

由随机误差的对称性可以推论出：

当

时，

，即由于正负误差的互相抵消，即一列等精度测量中各个误差的代数和趋于零。

7、随机误差的计算。

（例3-5）

8、非等精度测量随机误差的计算。

（例3-6）

9、多参数间接测量随机误差的计算。

（例3-8）

10、常用的剔除可疑测量数据的准则有哪几种？

并简述其选择原则。

（P35）略

11、应用格拉布斯准则剔除可疑测量值。

（例3-2）

12、应用t检验准则剔除可疑测量值。

（例3-3）

13、应用狄克逊准则剔除可疑测量值。

（例3-4）

14、在闭环系统中引入负反馈，可使测量系统的精度显着提高。

15、用最小二乘法对测得的数据进行一元线性回归。

（例3-11）

第四章传感器的基本类型及工作原理

1、简述电阻式传感器的基本原理。

将物理量的变化转换为敏感元件电阻值的变化，再经相应电路处理后，转换为电信号输出。

2、金属应变式电阻传感器温度补偿的方法有？

桥路补偿、应变片自补偿。

3、简述电感式传感器的基本原理。

它是利用线圈自感或互感的变化，把被测物理量如位移、振动、压力、流量等转换为线圈电感量变化的传感器。

4、自感式电感传感器分为那几种？

常见的自感式电感传感器有变气隙式、变截面式和螺管式三种。

5、简述电容式传感器基本原理。

电容式传感器是把位移、压力、振动、液面位置等物理量变化转换为电容量变化的传感器。

6、根据电容器参数变化特性，电容式传感器可分为哪三种？

变极板间隙型电容传感器、变面积型电容传感器、变介电常数型电容传感器。

7、简述压电式传感器的基本原理。

基于某些物质的压电效应，这些物质在外力作用下表面会产生电荷，经过电荷放大器放大，可以实现电测的目的。

8、简述磁电式传感器的基本原理。

磁电式传感器是以导线在磁场中运动产生电动势的原理为基础，把被测参数的变化转换为感应电动势的传感器。

9、热电偶测温基于什么效应？

简述其基本原理。

热电偶是利用“热电效应”制成的一种感温元件，两种不同的导体A和B组成闭合回路，两连接点温度不同，产生热电动势，形成电流。

电动势的大小取决于金属的性质和两端的温度，所以可以用来测温。

10、用作热电偶标准电极的材料为？

如何计算不同金属相配后的热电势。

金属铂为标准热电极。

根据热电偶的标准电极定律，如果材料A与B和B与C之间的热电动势已知，则材料A与C之间的热电动势也就已知。

因此，如果已知各种材料与铂相配后的热电动势，则可求出各种材料相互间的热电动势。

11、简述热电偶测温的中间温度定律。

在两种不同材料组成的热电偶回路中，接点温度

分别为

，热电动势

等于热电偶在连接

点温度为

和

时相应的热电动势

和

之和，即

.

12、热电偶测温时，当冷端温度不为0℃时，如何计算实际温度？

（提示：

基于中间温度定律）（略）

13、简述光电效应及其分类。

当具有一定能量E的光子投射到某些金属或半导体物质的表面时，具有辐射能量的微粒将透过受光的表面层，赋予这些物质的电子以附加能量，或改变物质的电阻大小，或使其产生电动势，导致与其连接的闭合回路中电流变化，从而实现了光-电转换过程。

分为三类;

1）在光线作用下能使电子逸出物质表面的称为外光电效应。

2）在光线作用下使物体电阻率改变的称为内光电效应。

3）在光线作用下使物体产生一定方向电动势的称为光生伏特效应。

14、常见的光电转换元件包括哪几种？

光电管、光敏电阻、光电池、光敏晶体管。

15、简述光电池的光伏效应。

光电池是一种直接把光能转换成电能的元件，它有一个大面积的PN结，当光线照到PN结上时，便在其两端出现电动势，P区为正极，N区为负极，这称为光生伏特效应。

16、简述霍尔效应。

如图，一块长为

宽为

，厚度为

的半导体薄片，

若在薄片的垂直方向上加一磁感应强度为B的磁场，

当在薄片的两端有控制电流

流过时，在此薄片

的另两端会产生一个大小与控制电流

和

磁感应强度

乘积成正比的电压，这一现象

称为霍尔效应。

所产生的电压称为霍尔电压。

.

17、简述霍尔传感器用来测量转速和位移的原理。

转速原理：

将霍尔元件固定在永磁体附近，而永磁体粘贴在旋转的物体上，当被测物体旋转时，霍尔电压随霍尔元件距永磁体的距离变化而发生变化，从而测量出速度。

位移原理：

霍尔元件处在机性相反、磁场强度相同的两个磁钢气隙，当元件的控制电流恒定时，则在一定的范围内，沿x方向的磁感应强度的变化梯度d为一常数，其霍尔电动势的变化与位移量成线性关系。

第5章温度测量

1.简述常用温标及其相互换算关系？

目前用的较多的温标有热力学温标、国际实用温标、摄氏温标和华氏温标。

摄氏温标和华氏温标关系：

摄氏温标与热力学温标关系：

2.接触法测温和非接触法测温各有什么特点？

1）由于接触式温度计必须将感温元件与被测物体接触，因此容易破坏被测温度场，非接触式温度计则无此问题。

2）接触式温度计感温元件与被测物体达到热平衡需要一定时间，所以产生的时间滞后比较大；非接触式温度计直接测量被测物体的热辐射，响应速度快。

3）由于感温元件难以承受很高的温度，所以接触式温度计测量高温时受到限制，非接触式温度计则无此问题。

4）由于低温时物体热辐射很小，所以非接触式温度计不适合测量低温

5）一般来说，接触式温度计的测量精度比接触式温度计高

3.热电偶冷端温度补偿的方式有哪些？

各有什么特点？

1）冷端恒温法,通常将冷端放入冰水混合物的保温容器中，使其温度保持不变。

这种方法比较精确。

2）冷端补偿器法，在很多情况下，没有长期保持0

的条件。

冷端补偿器用不平电桥，是冷端温度自动处于0

，达到补偿的目的。

3）冷端温度校正法根据温度定律：

，查热电偶分度表，即可得测量的实际温度。

4）补偿导线法，将热电偶冷端引到已知的地方。

这种方法对于一般热电偶是可行的，但对于贵金属热电极当导线来使用则不经济。

4.简述热电偶测温的误差来源。

1）感温元件传热的基本情况

2）安装误差

3）辐射引起的误差

4）热传导引起的误差

5）高速气流的温度测量误差

6）感温元件的响应

5.如何进行热电偶标定。

6.简述亮度温度。

在波长为

的单色辐射中，若物体在温度

时的亮度

和绝对黑体的温度为

时的亮度

相等，则把

称为被测物体的亮度温度。

7.简述辐射温度。

温度为T的物体全辐射出射度M等于温度为

的绝对黑体全辐射出射度

时，则温度

称为被测物体的辐射温度。

8.简述比色温度。

当温度为T的物体在两个波长下的亮度比值等于温度为

的黑体在同样波长下的亮度比值时，

就称为被测物体的比色温度。

9.简述红外热像仪的工作原理。

红外热像仪利用红外扫描原理测量物体的表面温度分布，它摄取来自被测物体各部分射向仪器的红外辐射通量的分布，利用红外探测器的水平扫描和垂直扫描，按顺序直接测量被测物体各部分发射出的红外辐射，综合起来就得到物体发射的红外辐射通量的分布图像，这种图像称为热像图或温度场图。

第6章压力测量

1、根据测压原理不同，压力测量可以分为几类？

简述之。

1）重力与被测压力的平衡法。

此方法是按照压力的定义，通过直接测量单位面积上所承受的垂直方向上力的大小来测量压力，常见有液柱式压力计和活塞式压力计等。

2）弹性力与被测压力的平衡法。

弹性元件受压后会产生弹性变形，产生弹性力，当弹性力与被测压力平衡时，弹性元件变形的大小即反映被测压力的大小。

3）利用物质某些与压力有关的物理性质进行测压。

一些物质受压后，它的某些物理性质会发生变化，测量这些变化技能测量出压力。

2、简述液柱式压力计的误差来源。

环境温度变化、重力加速度变化、毛细现象、其他误差。

3、简述弹簧管压力计的测压原理。

弹簧管是弹簧管压力计的感压原件，弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形，是一根空心的金属管，其一端封闭为自由端，另一端固定在仪表的外壳上，并用与被测介质相同的管接头连接。

当具有压力的介质进入管的内腔后，在压力作用下，弹簧会发生变形。

当变形引起的弹性力与被测压力平衡时，变形停止，指针指示出被测压力值。

4、可用于压力测量传感器有哪些？

石英晶体压电传感器、电容式压差传感器。

5、简述总压、静压、动压，以及三者关系。

总压等于静压加上动压。

6.测量气流总压主要使用什么设备？

有哪些形式？

主要使用总压管，有L形总压管，圆柱形总压管，带导流套的总压管。

7.测量气流静压主要使用什么设备？

有哪些形式？

（一）测量固体壁面的静压则用壁面静压孔。

（二）测量流场的静压时，用静压管，有有L形静压管，带导流套的静压管。

8.测量气流静压可在哪些位置进行？

对于L形静压管，在头部和支杆之间选择适当的位置；对于圆盘形静压管，静压孔应垂直圆盘；对于带导流套的静压管，类似L形，在头部和支杆之间选择适当的位置。

第7章流速测量

1.可采用哪些设备测量流速？

皮托管、热线风速仪、激光多普勒测速技术、粒子图像测速技术

2.简述皮托管测速的原理。

皮托管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。

3.对于含尘量较高的气流，可以采用哪些形式的皮托管测速。

可采用吸收式、遮板式或靠背式皮托管。

4.简述热线（膜）风速仪的工作原理。

热线风速仪是根据通电的探头在气流中的热量损失强度与气流速度之间的关系来测量流速的。

假定热线在流体中的热量散失主要靠其与流体间的强迫对流换热，由热平衡：

，

即为被测流体的温度。

h为表面换热系数。

5.简述热线（膜）风速仪工作方式。

1）恒流式：

工作过程中保持加热电流不变，热线的表面温度岁流体流体流速而变化，电阻值也随之变化。

测速公式改写为：

。

热线尚未进入流场时，电桥处于平衡状态，检流计执向零点。

当热线放入流场中后，发生热交换，电桥失去平衡，检流计偏离零点。

当检流计达到稳定状态后，调节可变电阻，抵消

的减小之，使电桥重新恢复平衡。

2）恒阻式：

通过调节热线两端的电压以保持热线的电阻不变，这样就可以根据电压值的变化，测出热线电流的变化，从而计算流速。

。

与恒流式工作方式不同之处在于：

当热线因对流换热电阻减小，导致电桥失去平衡时，可以调节可变电阻来增大供电电压，直至电桥平衡。

6.激光多普勒测速技术主要依据什么效应？

简述其测速原理。

主要依据激光多普勒效应，即当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，微粒散射的散射光频率将偏离入射光频率，其中散射光与入射光之间的频率偏离量称作多普勒频移。

多普勒频移与微粒的运动速度成正比，由此可求得流体的速度。

7.简述粒子图像测速（PIV）技术的测速原理。

PIV的基本原理是通过测量流场中示踪粒子在某一时间微元

内的位移来计算流体速度，其中作为粒子位移信息载体的是

和

时刻的粒子图像。

第8章流量测量

1.简述流量计的类型

1.容积型流量计2.速度型流量计3.质量型流量计

2.简述流量计的选用原则。

1.根据被测流体的性质选择2.根据用途选择3.根据工况选择4.其他原则

3.简述节流式流量计的组成和测量原理。

节流式流量计有节流装置、差压信号管道和压差计三部分组成。

流体通过节流元件所产生的压差信号经导压管传入压差计，压差计根据具体的测量要求把压差信号以不同的形式传递给显示仪表。

4.节流式流量计的节流装置有哪几种结构形式？

5.节流式流量计的有哪些主要参数？

这些参数受哪些因素影响？

1）流量系数

受流动状态、管壁表面粗糙度值、孔板磨损等因素影响

2）流体膨胀校正系数

受节流元件前后压力比、被测流体的等熵指数以及直径比

等因素影响。

6.简述涡轮流量计的工作原理。

被测流量转速电脉冲

当被测流体经涡轮时，推动涡轮转动，高导磁性的涡轮叶片随之周期地通过磁电转换器的永久磁铁，使磁路的磁阻发生相应的变化，导致通过磁感线线圈的磁通量改变，在线圈中产生交变的感应电动势，从而获得交流电脉冲信号的输出。

7.简述影响涡轮流量计测量结果的主要因素。

1.流体粘度的影响2.流体密度的影响3.流体压力和温度的影响4.流动状态的影响