概论热工学发展课件

课程任务课程任务 1、掌握该专业领域内常用的物理量的基本概念、测量技术和方法。2、能够在该专业领域内正确选择和使用测量仪器，合理组建测量系统。3、掌握误差分析与数据处理方法。热工仪表与测量开课方式开课方式 课堂讲授与实验教学相结合总学时34，其中课堂讲授学时28（包括考试2学时），实验学时6学时。热工仪表与测量考核方式考核方式：考试课按照以下两个方面表现评分：1、课堂表现、平时作业、实验完成情况占30%。2、期末考试占70%。热工仪表与测量预备知识预备知识工程热力学，传热学，流体力学，电工电子学、电子工艺学热工仪表与测量 热科学早期发展的概况热科学早期发展的概况 人人们们对对热热的的本本质质及及热热现现象象的的认认识识，经经历历了了一一个个漫漫长的、曲折的探索过程。长的、曲折的探索过程。在在古古代代，人人们们就就知知道道热热与与冷冷的的差差别别，能能够够利利用用摩摩擦擦生生热热、燃燃烧烧、传传热热、爆爆炸炸等等热热现现象象，来来达达到到一一定定的的目的。目的。热科学的历史可以追溯到热科学的历史可以追溯到17 世纪。在世纪。在1592 1600 年间，年间，伽利略制作了人类第一个空气温伽利略制作了人类第一个空气温度计，开始了对物体的冷热程度度计，开始了对物体的冷热程度（温度）进行定量测定的研究，（温度）进行定量测定的研究，可作为可作为“测温学测温学”的开端。的开端。伽利略1564-1642 在在18 18 世世纪纪中中，“测测温温学学”有有较较大大的的突突破破。其其中中最最有有价价值值的的是是，1714 1714 年年法法伦伦海海脱脱所所建建立立的的华华氏氏温温标标，以以及及1742 1742 年年摄摄尔尔修修斯斯所所建建立立的的摄氏温标（即百分温标）摄氏温标（即百分温标）。17601760 1830 1830 年年间间的的工工业业革革命命，有有力力地地推推动动了了生生产产力力的的发发展展及及社社会会的的进进步步，科科技技方方面面的的成成就就也也是是空空前前辉辉煌煌的的。力力学学、热热学学、电电磁磁学学、光光学学及及数数学学都都有有丰丰硕硕的的成成果果。特特别别是是蒸蒸汽汽机机的的发发明明和和应应用用，直直接接促促进进了热机理论的研究。了热机理论的研究。1848 年年，开开尔尔文文根根据据卡卡诺诺原原理理，建建立立了了与与工工质质性性质质无无关关的的热热力力学学温温标标，并并提提出出采采用用一一个个定定义义点点的的建建议议。开开尔尔文文温温标标的的建建立立，使使“测测温温学学”与与热热力力学学基基本本定定律律之之间间建建立立了了联联系系，是是“测测温温学学”的的一一个重要进展。个重要进展。开尔文传热学让-巴蒂斯特毕奥1774-1862让巴普蒂斯约瑟夫傅里叶1768年-1830雷诺18421912路德维希普朗特1875-1953努赛尔斯特潘玻尔兹曼流体力学的发展埃万杰利斯塔托里拆利16081647艾萨克牛顿16431727卡布莱士帕斯卡1663-1662老尼古拉伯努利16231708第一讲 测量的基本知识测量的重要意义及范围测量的重要意义及范围“没有测量，就没有科学”门捷列夫自量体裁衣到高楼大厦，可以说没有一个行业不用测量技术。评价一个国家的科技水平或状态，最快捷的办法就是审视那里所进行的测量以及由测量所积累的数据是如何被利用的.热工测量的概念指压力、温度等热力状态参数的测量，通常还包括一些热力生产过程密切相关的参数的测量，如温度、压力、流量、液位、振动、位移、转速和烟气成分等。真值、约定真值、相对真值的概念真值是一个变量本身所具有的真实值。它是一个真值是一个变量本身所具有的真实值。它是一个理想的概念，一般是无法得到的。理想的概念，一般是无法得到的。约定真值是一个接近真值的值，它与真值之差可约定真值是一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。实际测量中，以在没有系统误差的前忽略不计。实际测量中，以在没有系统误差的前提下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。提下，足够多次的测量值之平均值作为约定真值。相对真值是当高一级标准器的误差仅为低一级的相对真值是当高一级标准器的误差仅为低一级的1/31/20时，可以认为高一级的标准器或仪表时，可以认为高一级的标准器或仪表的示值为低一级的相对真值。的示值为低一级的相对真值。示值x 本测量器具指示的被测量的量值，也称测量值。什么是测量？测量是人们借助专门工具，通过试验和对实验数据的分析计算，将被测量以测量单位的倍数显示出来的过程。用公式表示成：X0=U X0：被测量；U：标准量（测量单位）；：比值（测量值）；测量过程的三要素测量方法测量单位测量工具测量方法(1)按测量结果的获取方式分：1、直接测量：直接从测量仪表的读数获取被测量的方法，如电流、电压等。测量方法(1)2、间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的函数关系得到被测量量值。如电功率P=IU等。在测量一个截面为圆的劣弧的几何量所在圆的直径D。由于无法直接测量，可以间接测量圆的直径。1 测量该劣弧的弦长b以及相应的弦高h2 通过公式 计算出直径D。测量方法(1)3、组合测量：同时测量多个参数，通过改变测量条件进行多次测量，通过解方程组的方式求得这些参数。测量方法(1)3、组合测量各种导体的电阻随着温度的变化而变化，在通常温度下，电阻与温度之间存在如下关系。采用直接测量的方法，测量出不同温度下的电阻值，解联立方程，求解电阻的温度系数测量方法(2)按被测量与测量单位的比较方式分：1、偏差式测量法：用仪器仪表指针的偏移表示被测量的大小。如指针式仪表、水银温度计等。测量方法(2)2、零位式测量法：用指零仪表表示被测量与标准量相等。如电桥、天平等。电桥原理测量方法(2)3、微差式测量法：为以上两种方法的组合。通过测量被测量与标准量之差来求得被测量。测量方法的选择原则选择测量方法时要考虑下列因素：n被测量本身的特性（大小、动态特性）n所要求的测量准确度n测量环境n现有的测量设备30示例-不同测量方法的误差内阻120K的万用表测量时相对误差40%w内阻10M的万用表测量时相对误差0.8%rERM电池电量测量测量仪表什么是测量仪表？1、测量仪表是将被测量转换成可供观察 的指示值或等效信息的器具。2、利用电子技术对各种待测量进行测量 的设备统称电子测量仪表。测量仪表的基相构成（1）敏感元件（Sensor）：感受件直接与被测对象相联系，感受被测量的量值，并将感受到的被测信号转换成相应的信号输出。一般有位移、压差、电阻、电容、电压等，在性质上、强弱上总是与显示元件所能接收的信号有所差异。敏感元件变换元件显示元件传输元件yy1y2Y测量仪表的基相构成（2）敏感元件：1)输出信号必须随被测量变化，他们的关系是稳定的，可复现的。2)输出信号只能随被测量变化而变化。3)输出信号与被测量之间必须是单值关系，最好是线性关系。测量仪表的基相构成（2）变换元件（Transducer）：将y1信号按要求变换成显示元件可以接受的y2。包括信号物理性质上的变换和幅值上的变换。测量仪表的基相构成（3）显示元件（Display）将y2按人们的要求量值Y显示出来。模拟式仪表：指针，刻度 数字式仪表：LED（Light Emitted Diode)发光二级管 LCD（Liquid Crystal Display)液晶显示器 LCM（Liquid Crystal Module)液晶显示模块 VFD（Vacuum Fluorescent Display)真空荧光显示器测量仪表的类型模拟式仪表：对模拟量直接进行连续测量、显示或记录的仪表。数字式仪表：将模拟量转换成数字量再对数字量进行处理的仪表。复习模拟量与数字量（1）示例-温度计及读取温度计的过程 采样-离散化复习模拟量与数字量（2）示例-温度计及读取温度计的过程 01T2T3T4T5T135268380410420415量化复习-模拟量与数字量（3）定义模拟量（Analog）时间上和幅值上连续变化的物理量。如温度计液柱高度的变化。数字量（Digital）变化不连续而总发生在一系列离散的瞬间；它们的数值的大小和每次增减变化都是某一个最小数量的整数倍，小于这个最小数量单位的数值没有任何物理意义。这个最小量叫最低有效位LSB（Least Significant Bit）。从广义上讲，人读取温度计的过程就是模拟量到数字量的转化过程。测量仪表的基本构成（4）传输元件（Transmitter）：传输元件的作用是将感受件输出的信号，根据显示件的要求，传输给显示件。测量仪表的基相构成（5）传感器：是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。变送器：为了使各种感受件的输出信号便于与显示仪表和调节装置配接，要通过传送件把信号转换成标准的统一信号。例如在单元组合仪表中，各种感受件的输出信号都被转换成统一数值范围的气、电信号，这时的传送件常成为变送器。一般指的是4-20 mA模拟信号传输。仪表内信号传输过程开环系统开环系统直接变换式仪表，要保证仪表的指示准确，必须保持直接变换式仪表，要保证仪表的指示准确，必须保持每个环节的灵敏度不变。每个环节的灵敏度不变。闭环系统闭环系统中仪表的传递系数只与反馈环节的传递系数相关。仪表内信号传输过程仪表的质量指标1、准确度表征仪表指示值接近被测量真值程度的质量指标。仪表的质量指标 精密度：测量的重复性程度 1、准确度 正确度：测量值偏离被测量真值 的程度 正确度高，正确度高，精密度低精密度低正确度低，正确度低，精密度高精密度高正确度高，正确度高，精密度高精密度高绝对误差 式中，x为测量值，A0为真值，A为相对真值相对误差 实际相对误差用温度计测量一炉子温度，温度计指示值为1645，炉子真实温度为1650摄氏度，示值绝对误差？相对误差？如果测量100的水，温度计示值为95，示值的绝对误差，相对误差？满度相对误差（最大引用误差）测量仪器量程内的最大绝对误差（仪表的基本误差）与仪器满度值的百分比。式中，下标m表示满度值，满度是指量程上下限的差。仪表的准确度等级 等级为满度误差去掉百分号。譬如满度误差不超过0.5%，它的准确度为0.5级，即m 0.5，通常也可写作m=0.5%我国大部分仪表按照满度误差分级，依次划分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0级等7个等级。等级度越高，仪器越准确。0.1、0.2是精密仪器。一测量范围为0-10MPa的弹簧管压力计经校验，在其量程上各点处最大示值绝对误差 则该表的最大引用误差？若该表的准确度等级为1.5级，该表是否合格？2、线性度仪表的输出特性。表示输出量随输入量的变化规律。多数仪表都是按线性处理的，由于非线性引起的误差称为非线性误差。3、回差（变差）输入量上升和下降时，同一输入量相应的两输出量平均值之间的最大差值与量程之比。造成回差的原因通常是由于仪表运动系统的摩擦、间隙、弹性元件的弹性滞后等原因。4、重复性和重复性误差同一工作条件下，多次按同一方向输入信号作全量程变化时，对应于同一输入信号，仪表输出值的一致程度称为重复性。对于全范围行程，在同一工作条件下从同方向对同一输入值进行多次连续测量所获得的输出两极限之间的代数差或均方根误差称为重复性误差。5、分辨率引起仪表示值可察觉的最小变动所需要输入的信号的变化，称为仪表的分辨率。测量仪表所能分辨的最小变化量。指针式仪表为表头的最小刻度仪表。数字式仪表一般为最末位的一个字。6、灵敏度仪表输出增量与被测量增量之比。7、稳定性 也称稳度误差。有时用时漂移（随时间漂移）来表示。8、动态特性表示仪表的输出响应随输入变化的能力。也就是仪表的输出信号能否正确地重现输入信号的能力。分为瞬态特性及稳态特性两方面。常从时域方面通过传递函数法，研究测量系统对典型信号的响应来了解系统的瞬态特性。计量计量 利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。国家建立的这么一套体系，如果你的测量方法正确，它保证你的测量结果正确且可以被公众接受。计量的内容计量基准量值传递单位制国际单位制 包括以下三个部分基本单位 彼此独立加以规定的物理量单位 长度单位、时间单位、质量单位、电流单位、热力学温度、发光强度（坎德拉，cd)、物质量单位导出单位 由基本单位通过定义、定律及其他函数关系派生出来的单位称为导出单位辅助单位 既可作为基本单位又可以作为导出单位的单位 平面角的单位弧度、立体角的单位球面角。7个基本单位定义如下：1.1.长度单位长度单位米米(m)(m)光在真空中于1299792458s时间所经过的距离(1983年第17届国际计量大会通过)。2.2.质量单位质量单位千克千克(kg)(kg)质量单位、等于国际千克原器的质量(1901年第3届国际计量大会规定)。国际单位制基本单位中唯一保留的实物基准。3 3时间单位时间单位秒秒(s)(s)铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间(1967年第13届国际计量大会决定)。4.4.电流强度单位电流强度单位安安 培培(A)(A)一恒定电流，若保持在处于真空中相距1m的两无限长而截面可以忽略的平行直导线内，则此两导线之间产生的力在每米长度上等于2l0-7N(1948年第9届国际计量大会确定)。5.5.热力学温度单位热力学温度单位开开 尔文尔文(K)(K)水的三相点热力学温度的1273.16(1967年第13届国际计量大会通过)。6 6 6 6物质的量的单位物质的量的单位物质的量的单位物质的量的单位摩摩摩摩 尔尔尔尔(mol(mol(mol(mol 一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg0.012kg碳碳-12-12的原子数目相等的原子数目相等(1971(1971年第年第1414届国际计届国际计量大会决定增加的基本单位量大会决定增加的基本单位)。在使用摩时，应指明。在使用摩时，应指明基本单元是原于、分子、离子、电子及其它粒子，或基本单元是原于、分子、离子、电子及其它粒子，或是这些粒子的特定组合。是这些粒子的特定组合。7 7 7 7发光强度单位发光强度单位发光强度单位发光强度单位坎坎坎坎 德拉德拉德拉德拉 （cdcdcdcd）发出发出频率为频率为540540l0l01212HzHz单色辐射单色辐射的光源在给定方向上的光源在给定方向上的的发光强度发光强度。而且在此方向上的幅射强度为。而且在此方向上的幅射强度为(1(1683)w683)wsr1979sr1979年第年第1616届国际计量大会规定届国际计量大会规定)。计量基准主基准 原始基准，国家基准副基准 地位仅次于主基准，平时用来代替国家基准使用或验证国家基准的变化工作基准 地位仅在主基准和副基准之下，实际用来检验下属计量标准。设置工作基准的目的是不使主基准或副基准频繁使用而损坏 基准本身并不一定刚好等于一个计量单位，例如，铯-133原子频率基准复现的时间不是1s，而是(919261770)-1s计量标准器具定义 准确度低于计量基准，用于检定计量标准或者工作计量器具（实际使用的测量仪器）种类 n社会公用计量标准 县以上政府计量部门建立，统辖本地区n部门使用计量标准 省级以上政府有关部门建立，统辖本部门n企事业单位自己在单位内部使用的计量标准比对、检定、校准比对 同准确度等级的同类基准、标准或工作计量器具之间进行比较，考核量值的一致性检定 高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以评定被检计量器具是否全格。计量标准的准确度为被检者的1/3到1/10校准 高一等级准确度的计量器具对低一等级的计量器具进行比较，以确定被检计量器具示值误差。测量仪器在制造时必须按规定的标准进行校准。该标准（仪器、设备）又要定期地用更高等级的标准进行检定（由计量部门进行），一直到国家工作基准，如此逐步进行。量值传递上一级计量标准器具工作基准工作计量器具检定校准、检验检定计量标准器具检定例1：有一个变化范围为320360kPa的压力，若用下列A，B两台压力变送器进行测量，那么在正常情况下，哪一台的测量准确度高些？压力变送器A：1级，0600kPa；压力变送器B：1级，250500kPa。用变送器A时，测量结果的最大误差 若用变送器B，则显然，用变送器B测量准确度高些。例2：有两台测温仪表，其测量范围分别是0800和6001100，已知其最大绝对误差均为6，试分别确定它们的精度等级。例题3某电压表S=1.5，求它在0-100V量程中的最大绝对误差。=1.5%(100-0)V=1.5V选择仪器准则：选择仪器准则：选择仪器准则：选择仪器准则：应尽使指针偏转位置在靠近应尽使指针偏转位置在靠近应尽使指针偏转位置在靠近应尽使指针偏转位置在靠近满度值的满度值的1/3区域区域内；内；内；内；准确等级度选越高越好。准确等级度选越高越好。准确等级度选越高越好。准确等级度选越高越好。例题4 某1.0级压力表，满度值xm=1.00MPa，求相对真值分别为x1=1.00MPa，x2=0.80MPa，x3=0.20MPa时的绝对误差和相对误差。绝对误差=1.0%(1.00-0.00)MPa=0.01MPa 例题5 要测量100的温度，现有0.5级、测量范围为0300 和1级、测量范围为0100 两种温度计，试分析各自产生的绝对误差和相对误差。1.0级温度计绝对误差（）相对误差0.5级温度计绝对误差（）相对误差