熱能與動力工程測試技術(shù)主講人陳威第一章測量系統(tǒng)概論及誤差分析第一節(jié)測量的根本概念第二節(jié)誤差分析第一節(jié)測量的根本概念測量技術(shù)是一門實(shí)用性很強(qiáng)學(xué)科，探求事物之間量、質(zhì)關(guān)系的科學(xué)，與其他學(xué)科有著廣泛而密切的聯(lián)系。其次，根據(jù)測量的復(fù)雜程度合理組成測量系統(tǒng)。因此其可分為簡單測量系統(tǒng)和復(fù)雜測量系統(tǒng)。再次，任何測量都不可防止地含有誤差。誤差理論是測量技術(shù)的核心，它能夠分析和判斷結(jié)果的可靠性和有效性。一.測量意義無論在科學(xué)實(shí)驗(yàn)還是在生產(chǎn)過程中都離不開測量技術(shù)，否那么會給工作帶來巨大的盲目性.只有通過可靠的測量，然后用誤差理論正確判斷測量結(jié)果的可靠性和有效性，才能進(jìn)一步解決工程技術(shù)上提出的問題。由此可見，測試技術(shù)水平上下，將直接影響科技的開展。二.測量方法1按照獲得測量結(jié)果的方法不同分類1)直接測量：將被測量直接與測量單位進(jìn)行比較，或用預(yù)先標(biāo)定好的測量儀器進(jìn)行測量其測量結(jié)果可直接從測量儀表上獲得，稱為直接測量。A直讀法：直接從儀表上讀出測量結(jié)果。如：壓力表溫度計(jì)等。B比較法：與某一量或標(biāo)準(zhǔn)量具進(jìn)行比較，其測量精度比直讀法高。--直接測量：采用儀器、設(shè)備、手段測量被測量，直接得到測量值測量結(jié)果：20.1mm--相對測量：將被測量直接與基準(zhǔn)量比較，得到偏差值特點(diǎn)：簡單、直觀、明了；測量精度不高基準(zhǔn)量：20.00mm測量值：+0.08mm結(jié)果：20.08mm特點(diǎn)：精度高；復(fù)雜、本錢高、要求高2)間接測量：

：在工程上許多測量參數(shù)往往不能用直接測量法得到，如內(nèi)燃機(jī)功率P=M*N/9550,這種通過直接測量量與被測量有確定函數(shù)關(guān)系的各變量，然后將所測得的數(shù)值代入函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，從而求得測量值的方法，稱為間接測量法。

按照測量狀態(tài)和條件分1)按等精度和非等精度分：在完全相同條件〔測量者、儀器、測量方法、環(huán)境等〕下，進(jìn)行一系列重復(fù)測量稱為：等精度測量。2)按動態(tài)和穩(wěn)態(tài)分：對穩(wěn)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測量，稱為穩(wěn)態(tài)測量〔如：環(huán)境、溫度、大氣溫度、壓力…〕。3)按接觸和非接觸被測物體：接觸測量和非接觸式測量測量方法的選擇應(yīng)取決于測試工作的具體條件和要求。三.測量系統(tǒng)為了測量某一被測量的值，根據(jù)測量精度要求，將假設(shè)干測量設(shè)備,按照一定的方式連接起來，這種連接組合即構(gòu)成了一種測量系統(tǒng)。根據(jù)測量復(fù)雜程度，可分為：1簡單測量系統(tǒng)2復(fù)雜測量系統(tǒng)四.測量元件1感受元件感受被測量的變化，隨之內(nèi)部產(chǎn)生變化，并向外發(fā)出一個相應(yīng)的信號?！才e例：水銀溫度計(jì)感受元件作用〕包括兩個功能：拾取信息和把拾取的信息進(jìn)行變換，一般是將其變換成另一種物理量，如：位移、壓差、電壓等。主要有兩種變換方式：a非電信號變換〔如：水銀柱位移信號〕b將感受到的被測信號直接變換成電信號輸出〔如：熱電偶〕需具備的條件：a變換速度快；b抗干擾能力強(qiáng)；c良好的線性變換；d盡量不干擾被測介質(zhì)的狀態(tài)。2傳遞元件將感受元件發(fā)出的信號，經(jīng)加工或變換成顯示元件易于接收的信號〔作用〕〔舉例：電阻應(yīng)變片〕假設(shè)感受元件發(fā)出的信號過小〔或過大〕，傳遞元件應(yīng)將信號放大〔或衰減〕；轉(zhuǎn)換和處理一般也有兩種形式：1非電量的轉(zhuǎn)換；2電量的轉(zhuǎn)換和處理。這些經(jīng)處理后的信號一般是模擬信號，可直接送到顯示局部，也可通過A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，當(dāng)然也可送到數(shù)字式儀表。3顯示元件根據(jù)傳遞元件傳來的信號向觀測人員顯示出被測量在數(shù)量上的大小和變化。一般可分為模擬顯示和數(shù)字顯示。微機(jī)的CRT顯示屏既能顯示模擬信號，又能顯示數(shù)字信號和文字。

五.測量儀表的主要性能1量程一般測量系統(tǒng)能測量的最大輸入量稱為測量上限，其最小輸入量稱為測量下限。測量上、下限代數(shù)差的模，稱為量程，即測量范圍。例：某溫度計(jì)：-40～+80℃2精度〔準(zhǔn)確度〕指測量某物理量時(shí)，測量值與真值的符合程度。儀表精度的表示方法常用滿量程時(shí)儀表所允許的最大相對誤差的百分?jǐn)?shù)來表示。測量精度精度：測量結(jié)果與真值吻合程度定性概念測量精度舉例不精密〔隨機(jī)誤差大〕準(zhǔn)確〔系統(tǒng)誤差小〕精密〔隨機(jī)誤差小〕不準(zhǔn)確〔系統(tǒng)誤差大〕不精密〔隨機(jī)誤差大〕不準(zhǔn)確〔系統(tǒng)誤差大〕精密〔隨機(jī)誤差小〕準(zhǔn)確〔系統(tǒng)誤差小〕3靈敏度靈敏度表示測量系統(tǒng)在作靜態(tài)測量時(shí)，輸出變化量與輸入變化量的比值。靈敏度有量綱，它是輸出、輸入量的量綱之比。4分辨率與靈敏度有關(guān)的另一性能指標(biāo)，是指測量系統(tǒng)能夠檢測出的最小輸入變化量。5穩(wěn)定性指在規(guī)定的工作環(huán)境條件和時(shí)間內(nèi)，儀表性能的穩(wěn)定程度，它用觀測時(shí)間內(nèi)的誤差來表示。6重復(fù)性在相同測量條件下，對同一被測量進(jìn)行屢次重復(fù)測量，測量結(jié)果的一致程度，用重復(fù)性誤差Rn來表示。7溫度誤差輸出特性隨溫度變化而不同，當(dāng)環(huán)境溫度偏離儀表的定標(biāo)溫度〔20〕，其輸出值的變化稱溫度誤差。8零點(diǎn)溫漂在一定環(huán)境和工作條件下，測量系統(tǒng)的輸入量固定不變時(shí)，其輸出量發(fā)生變化，這種變化稱為漂移。在系統(tǒng)零點(diǎn)產(chǎn)生的漂移，那么為零漂。漂移往往是由于測量系統(tǒng)〔儀表〕內(nèi)部溫度變化或零件性能不穩(wěn)定引起的。把主要由于溫度引起輸出量的變化的漂移稱作溫漂。9動態(tài)誤差與頻響特性動態(tài)誤差，亦稱動態(tài)特性，在測量某些隨時(shí)間變化而變化的物理量時(shí)，儀表在動態(tài)下的讀數(shù)，和它在同一瞬間相應(yīng)量值的靜態(tài)讀數(shù)之間的差值。一個儀表可看成一個振動系統(tǒng)，在動態(tài)測量中，要求儀表具有良好頻響特性，也就是說要求它的幅值比，在所要求的頻率范圍內(nèi)變化不大，即動態(tài)誤差小，同時(shí)在這個頻率范圍內(nèi)相位差也很小，相位差太大將會導(dǎo)致儀表失真。可通過拉普拉斯變換求解微分方程，獲得傳遞函數(shù)。第二節(jié)誤差分析-一誤差存在的絕對性“誤差是不可防止的〞無論使用多么精密的儀器，無論測量方法多么完善，無論操作多么細(xì)心。通過測量系統(tǒng)對被測物理量進(jìn)行測量，所得到的數(shù)值稱為測量值X，而被測物理量具有客觀存在的量值，稱為真值X0，但遺憾的是，在任何方式下測得的值X都不可能是真正的被測量值真值X0，只能對X0的近似。近似程度的大小，就是誤差的大小?？傊瑴y量結(jié)果都具有誤差，誤差自始至終存在于一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)和測量過程中。二研究誤差的目的雖然每次得到的測量值不是真值，而是近似值，我們所關(guān)心的是每次測量，其測量誤差是否在允許范圍內(nèi)。我們研究方向是：1〕找出測量誤差產(chǎn)生的原因，并設(shè)法防止或減少產(chǎn)生誤差的因素，提高測量精度；2〕求出測量誤差大小或其變化規(guī)律，修正測量結(jié)果，并判斷測量可靠性。

三誤差表達(dá)形式一般有兩種表達(dá)形式：絕對誤差和相對誤差1絕對誤差2相對誤差絕對誤差只能表示出誤差量值的大小，而不能表示出測量結(jié)果的精度相對誤差可以表示測量精度，δ小，精度越高。

四測量誤差分類1根據(jù)誤差出現(xiàn)規(guī)律〔誤差性質(zhì)及其產(chǎn)生原因〕a)系統(tǒng)誤差定義：在相同條件下，對某個量進(jìn)行屢次測量時(shí)，誤差的絕對值和符號或均保持恒定，或按照一定規(guī)律變化。產(chǎn)生原因：一類原因可能是儀表制造，安裝，或使用不正確或試驗(yàn)裝置受外界干擾；另一類原因是試驗(yàn)理論和試驗(yàn)方法不完善。如何消除：系統(tǒng)誤差是客觀存在的，有時(shí)難以消除，這就只能通過修正測量值才能到達(dá)測量精度，而修正值是從專門的試驗(yàn)中求得的。b)過失誤差〔粗大誤差〕定義：在測量過程中，完全由于人為過失而明顯造成了歪曲測量結(jié)果的誤差；產(chǎn)生原因：測量人員粗心大意，讀錯，記錯，算錯或錯誤操作等；判斷方法：最簡單的方法是拉伊特法，即殘差大于3σ時(shí)就可以判定它是過失誤差；如何消除：剔除

c)隨機(jī)誤差定義：在對同一個量進(jìn)行屢次測量時(shí)，由于受到某些不可知隨機(jī)因素的影響，測量誤差時(shí)小時(shí)大，時(shí)正時(shí)負(fù)地變化，沒有一定的規(guī)律，并且無法估計(jì)。但也同時(shí)發(fā)現(xiàn)測量次數(shù)足夠多時(shí)，這種誤差的分布服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，把它稱為隨機(jī)誤差或偶然誤差。產(chǎn)生原因：a儀表內(nèi)部零件之間存在間隙和摩擦，其變化不規(guī)那么；b測量人員對模擬指示型儀表最末一位估計(jì)不準(zhǔn)，在數(shù)字式儀表中，計(jì)數(shù)脈沖造成±1數(shù)字誤差；c周圍環(huán)境不穩(wěn)定對測量對象和測量儀器的影響。特點(diǎn)：與測量次數(shù)有關(guān)，當(dāng)測量次數(shù)增加時(shí)，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值將逐漸減小，并趨近于零。2.按照測量誤差產(chǎn)生的來源a)人為誤差〔操作誤差〕；b)環(huán)境誤差；c)方法誤差；d)動態(tài)誤差；e)儀表誤差〔裝置誤差〕俗稱:人,機(jī),料,法,環(huán)

五誤差理論根底在測量結(jié)果中，在修正好系統(tǒng)誤差，剔除過失誤差后，所得數(shù)值測量精度就取決于隨機(jī)誤差了。所以有必要對隨機(jī)誤差進(jìn)行研究。

1.隨機(jī)誤差分布的性質(zhì)有界性：在一定測量條件下，測定值總是相當(dāng)窄的范圍內(nèi)變動，故而隨機(jī)誤差也是在一定的，相當(dāng)窄的范圍內(nèi)變動，絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率為零，即隨機(jī)誤差不會超過一定的界限。對稱性：當(dāng)測量次數(shù)足夠多時(shí)，大小相等，符號相反的正負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相同，即隨機(jī)誤差的概率密度曲線是對稱的。抵償性：全部隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值在測量次數(shù)不斷增加趨向于無窮時(shí)趨于零。單峰性：誤差的絕對值越小，出現(xiàn)的次數(shù)就越大，當(dāng)誤差為零〔測量值等于算術(shù)平均值時(shí)〕，出現(xiàn)概率最大，即：隨機(jī)誤差概率密度曲線的單峰性。2.隨機(jī)誤差概率密度分布曲線從上述4點(diǎn)性質(zhì)充分說明，大多數(shù)測量的隨機(jī)誤差都服從正態(tài)分布規(guī)律。分布密度函數(shù)一定是隨機(jī)誤差x的平方的函數(shù)。這個分布是1796年高斯提出的，所以也稱為高斯分布，其函數(shù)分布形式為：如圖1-2:式中，x--測量值與真值之差〔＝X-X0〕；Y--概率密度〔誤差等于x〕；--均方根誤差或稱標(biāo)準(zhǔn)誤差該正態(tài)分布主要由兩個特征參數(shù)決定，即：X0，X0代表被測量參數(shù)的真值，完全由被測參數(shù)本身決定，當(dāng)測量次數(shù)趨于無窮大時(shí)，子樣平均值等于真值。圖1-2back：那么表示測定值在真值周圍的散布程度，由測量條件決定：點(diǎn)概率：區(qū)間概率：※誤差分布曲線性質(zhì)：a)曲線關(guān)于y軸對稱：；b)當(dāng)x＝0時(shí)，y到達(dá)最大值＝；c)當(dāng)時(shí)，，最大誤差存在概率極小。如圖1-3:3誤差表示方法〔測量結(jié)果誤差評價(jià)〕無論是直接測量，還是間接測量，其目的都是要求出某一物理量的真值，但即使是熟練的實(shí)驗(yàn)者用高精度儀表，仔細(xì)地測量，也不可防止會有誤差。因此，必須在給定條件下，找出測量值與真值的關(guān)系，從一組測量數(shù)據(jù)中確定最正確值，用它來代表所測物理量。標(biāo)準(zhǔn)誤差〔均方根誤差〕當(dāng)測量次數(shù)足夠多時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)誤差為：back為絕對誤差＝Xi-X；其意義是：當(dāng)進(jìn)行屢次測量后，測量誤差在范圍內(nèi)的概率是68.3％，即：

=0.683當(dāng)測量次數(shù)為有限屢次時(shí)，此時(shí)我們用有限次測量求得的算術(shù)平均值近似地看成真值。此時(shí)樣本方根差：，其中為殘差b〕或然誤差γ在一組測量中，當(dāng)時(shí)，隨機(jī)誤差的絕對值大于或然誤差或小于或然誤差出現(xiàn)的概率各占一半，即：＝0.5得：對于置信度1-α＝50％時(shí)，置信區(qū)間，γ＝0.6745對于屢次測量，那么有：測量結(jié)果＝子樣平均值或然誤差〔P＝50％〕c)極限誤差定義極限誤差范圍〔即置信區(qū)間〕是均方根誤差的三倍，記為3對應(yīng)于置信區(qū)間的3置信度為99.7％即：測量誤差落在[-3,+3]范圍內(nèi)的概率為99.7％也就是說：被測量真值落在范圍之內(nèi)的概率已接近100％，而落在這個范圍之外的概率極小，可認(rèn)為不存在，所以將此誤差定義為極限誤差，一般的儀表都是采用極限誤差來定義精度的。d)平均誤差測量列平均誤差指該測定值全部隨機(jī)誤差絕對值的算術(shù)平均值。與標(biāo)準(zhǔn)誤差的關(guān)系：測量誤差落在范圍內(nèi)的概率為57.5％，置信度57.5％。4.各種誤差與標(biāo)準(zhǔn)誤差關(guān)系

如圖1-4:back六．間接測量中的誤差分析間接測量：是指被測量的數(shù)值是由測得的與被測量有一定函數(shù)關(guān)系的直接測量量經(jīng)計(jì)算求得。所以可知，間接測量誤差不僅與直接測量量的誤差有關(guān)，而且還與它們之間的函數(shù)關(guān)系有關(guān)。一次測量，間接測量誤差的計(jì)算由于手條件限制，試驗(yàn)時(shí)只對被測量進(jìn)行一次測量，這樣的情況我們是經(jīng)常遇到的。如何來分析誤差呢？1〕這時(shí)我們只能根據(jù)所采用的測量儀表的允許誤差來估算測量結(jié)果中所包含的極限誤差，看它是否超過所規(guī)定的誤差范圍。其中，δ：儀表精度等級；A0：儀表量程；A：實(shí)測時(shí)儀表讀數(shù)；儀表所允許最大相對誤差Δmax＝δA0，精度：δ％從上式可知，采用一定量程的儀表，測量小示值的相對誤差比測量大示值的相對誤差要大。因此，選擇測量儀表的量程，應(yīng)盡可能使示值接近于滿刻度，這樣可得到較為精確的測量結(jié)果。設(shè)：間接測量量Y，隨機(jī)誤差為y直接測量量為X1，X2，…，Xn，〔設(shè)有n個〕，相互獨(dú)立，隨機(jī)誤差為x1，x2，…，xn函數(shù)關(guān)系：Y＝f〔X1，X2，…，Xn〕考慮誤差后，變成：Y+y＝f[〔X1+x〕，〔X2+x〕，…，〔Xn+xn〕]將等式右邊用泰勒級數(shù)展開，并忽略高階項(xiàng)，得：

＝f(X1,X2,…,Xn)+可完成兩方面工作：用直接測量量誤差來計(jì)算間接測量量誤差根據(jù)所給出的被測量的允許誤差來分配各直接測量量誤差〔舉例〕屢次測量，間接測量誤差的計(jì)算設(shè)：間接測量量Y，隨機(jī)誤差為y直接測量量為X1，X2，…，Xn，〔設(shè)有n個〕，相互獨(dú)立，隨機(jī)誤差為x1，x2，…，xn函數(shù)關(guān)系：Y＝f〔X1，X2，…，Xn〕Y1＝f(X11,X21,…,Xn1)Y2＝f(X12,X22,…,Xn2)…Yn＝f(X1n,X2n,…,Xnn)每次測量誤差分別為：…根據(jù)誤差分布規(guī)律，等值，正負(fù)誤差的數(shù)目相等，故上述n式各項(xiàng)平方和中的非平方項(xiàng)可抵消。那么:兩邊同除以n，變成，那么：間接測量值屢次測量時(shí)的極限誤差為：第二章溫度測量溫度是我們經(jīng)常要接觸的一個參數(shù)，也是制冷空調(diào)中需要經(jīng)常測量的一個參數(shù)。例如冷卻水溫度，制冷劑溫度，空氣溫度等。溫度是一個很重要的物理量，它是表征物質(zhì)性質(zhì)的重要參數(shù)，物質(zhì)的熱物理性質(zhì)及某些特征參數(shù)均與溫度有著密切聯(lián)系。還有，它是國際單位制〔SI〕七個根本物理量之一測溫的熱力學(xué)原理溫度物理概念“溫度〞這個物理量主要是用來描述人們對周圍環(huán)境或物體的冷熱感覺。熱感覺說明溫度高，冷感覺說明溫度低。換句話說，溫度是衡量物體冷熱程度的物理量。但是，它不可能用直接的方式來獲得，而只能借助于冷熱不同的物體之間熱交換以及物體的某些物理性質(zhì)隨冷熱程度變化的特性來間接地加以測量。下面繼續(xù)從宏觀和微觀兩個角度來說明“溫度〞這個概念。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。溫度的微觀概念是大量分子運(yùn)動平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動愈劇烈其溫度表現(xiàn)越高。溫標(biāo)是“溫度標(biāo)尺〞的簡稱，溫度數(shù)值的表示方法，用來衡量物體溫度的標(biāo)尺。“溫標(biāo)〞規(guī)定了溫度的起始點(diǎn)〔零點(diǎn)〕和測量溫度的根本單位。二、溫標(biāo)1攝氏溫標(biāo)〔℃〕較早出現(xiàn)，應(yīng)用較廣泛的一種溫標(biāo)。其原理是規(guī)定汞隨溫度的體膨脹是線性的。分度方法：規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點(diǎn)是攝氏零度，沸點(diǎn)是100℃，把汞柱在這兩點(diǎn)之間變化的液柱長度分為100等分。每一等分代表1攝氏度，用符號℃記之。2華氏溫度〔F〕其選用原理和攝氏一樣，差異在于固定點(diǎn)，華氏溫標(biāo)規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點(diǎn)為華氏32度，沸點(diǎn)為華氏212度，然后把這兩點(diǎn)之間變化的汞柱長度劃分成180等分，每等分為1華氏度，用F表示。3熱力學(xué)溫標(biāo)〔K〕又稱絕對溫標(biāo)或開爾文溫標(biāo)，是以熱力學(xué)為根底建立起來的，表達(dá)溫度僅與熱量有關(guān)而與工質(zhì)無關(guān)的理想溫標(biāo)。由卡諾定理，我們可知，對于一個理想的卡諾機(jī)，如它工作在溫度為T2的熱源和溫度為T1的冷源之間，它從熱源中吸收熱量Q2，在冷源放出熱量Q1，那么溫度與熱量之間有如下關(guān)系：可見溫度只與熱量有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。如果我們指定了一個定點(diǎn)T2的數(shù)值，就可由熱量的比例求得未知量T1。絕對溫標(biāo)規(guī)定水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的三相點(diǎn)溫度為273.16K。但實(shí)際上，理想卡諾循環(huán)無法實(shí)現(xiàn)，所以熱力學(xué)溫標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)，使用中是以氣體溫度計(jì)經(jīng)過示值修正后來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的?！惨?yàn)槔碚撟C明熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)一致，再某些惰性氣體的性質(zhì)與理想氣體近似，故利用它來制成氣體溫度計(jì)。〕4國際實(shí)用溫標(biāo)IPTS-901990年元旦開始實(shí)施的國際實(shí)用溫標(biāo)〔最新〕它規(guī)定熱力學(xué)溫度是根本的物理量，符號為T，單位：開爾文K。它規(guī)定水的三相點(diǎn)溫度為273.16K，定義熱力學(xué)溫度開爾文等于水三相點(diǎn)溫度的1/273.16國際實(shí)用開爾文溫度和攝氏溫度關(guān)系為：t＝(T-273.15)℃a該溫標(biāo)包圍溫度范圍：0.65K～單色輻射高溫計(jì)實(shí)際可測量的最高溫度〔2000℃〕b定義固定點(diǎn)和溫度點(diǎn)共有17個。〔其中14個為高純度物質(zhì)的三相點(diǎn)，熔點(diǎn)，凝固點(diǎn)；3個是用蒸汽或氣體測定的溫度點(diǎn)；c在不同溫度范圍內(nèi)，選擇穩(wěn)定性較高的溫度計(jì)來作為復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。d更為實(shí)用，更為科學(xué)第二節(jié)熱電偶測溫技術(shù)熱電偶是目前溫度測量中應(yīng)用最廣泛的溫度傳感元件之一。一般用于測量高溫。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，準(zhǔn)確度高，熱慣性小，它將輸入的信號轉(zhuǎn)換成電勢信號輸出，便于信號遠(yuǎn)傳和轉(zhuǎn)換。一,熱電偶測溫原理要追溯到1821年，著名科學(xué)家塞貝克偶然發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象，叫熱電現(xiàn)象。也就是說，由兩種不同導(dǎo)體A，B組成的閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電流，既而就會有熱電動勢產(chǎn)生，而且溫度差越大，產(chǎn)生的熱電動勢也越大，這就是著名的熱電現(xiàn)象,又稱為塞貝克效應(yīng)。我們把導(dǎo)體A、B稱為熱電極；產(chǎn)生的電流稱熱電流；產(chǎn)生的電動勢稱熱電勢；將放置在被測對象中的接點(diǎn)，稱為測量端，熱端，工作端；而將另一端，稱為參考端、冷端、自由端。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱電勢是由溫差電勢和接觸電勢組成。1溫差電勢定義：由于導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。從溫度微觀概念知道，它是反映導(dǎo)體內(nèi)部自由電子平均運(yùn)動動能大小的標(biāo)志。所以溫度高的一端的電子能量往往比溫度低的一端電子能量大，那么從高溫端跑到低溫端電子數(shù)比低溫端跑到高溫端的要多。那這樣會造成什么結(jié)果呢？造成的結(jié)果是，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負(fù)電。從而在溫度不同的導(dǎo)體兩端之間形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場。該靜電場有兩個作用：a阻止高溫端電子跑向低溫端；b加速低溫端電子跑到高溫端。這樣，最后就到達(dá)動態(tài)平衡狀態(tài)。那么在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生一個相應(yīng)的電位差。稱為溫差電勢，其方向是由低溫端指向高溫端，其大小只與導(dǎo)體性質(zhì)和導(dǎo)體兩端溫度有關(guān)。其中―――NA：導(dǎo)體A的電子密度，它是溫度函數(shù)；e：單位電荷；k：波爾茲曼常數(shù)；t：導(dǎo)體各斷面的溫度；T,T0：導(dǎo)體兩端溫度。2接觸電勢定義：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A、B相接觸，由于二者不同的電子密度而產(chǎn)生的一種電動勢。從擴(kuò)散原理，可知由于導(dǎo)體間接觸處的電子數(shù)不同，那么電子在向兩個方向擴(kuò)散速率肯定也會不同，假設(shè)：導(dǎo)體A電子密度NA大于導(dǎo)體B電子密度NB，這樣導(dǎo)體A的電子擴(kuò)散速率比導(dǎo)體B要來的大，從而A失去電子而帶正電，B得到電子而帶負(fù)電，在A、B接觸面上就會形成一個方向由A向B的靜電場。它和溫差電勢中的靜電場功能相似，將阻止電子進(jìn)一步從A向B擴(kuò)散，當(dāng)擴(kuò)散力和電場力平衡時(shí)，在A、B之間形成了一個固定的接觸電勢，其方向：又B指向A，其大小取決于A、B材料的性質(zhì)和接觸點(diǎn)的溫度，可用下式表示。如圖2-3(a):其中，NAT：導(dǎo)體A在溫度為T時(shí)，電子密度；NBT：導(dǎo)體B在溫度為T時(shí)的電子密度。3回路總熱電勢

一個由A、B兩種均勻?qū)w組成的熱電偶，接點(diǎn)溫度分別為T、T0，且NA>NB，那么回路中的總電勢:

假設(shè)A、B材料已定，那么NA、NB只是溫度的函數(shù)，那么上式可表示為：通過上式可得出如下結(jié)論：1熱電偶回路熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，與熱電偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關(guān)；2只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會產(chǎn)生熱電勢；3熱電偶的兩個電極材料確定之后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端接點(diǎn)的溫度有關(guān)。如果T0且恒定，那么f(T0)為常數(shù)。回路總熱電勢只是溫度T的單值函數(shù)。二熱電偶回路的根本定律及其應(yīng)用在實(shí)際測溫時(shí)，熱電偶回路中必然要引入測量熱電勢的顯示儀表和連接導(dǎo)線，因此理解了熱電偶的測溫原理之后還要進(jìn)一步掌握熱電偶的一些根本規(guī)律，并能在實(shí)際測溫中靈活而熟練地運(yùn)用這些規(guī)律。1均質(zhì)導(dǎo)體定律任何一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不管其各處的截面積如何，不管其是否存在溫度梯度，都不可能產(chǎn)生熱電勢。反之，如果回路中有熱電勢存在那么材料必為非均質(zhì)。應(yīng)用：a檢驗(yàn)熱電極材料的均勻性b要求組成熱電偶的兩種材料A、B必須各自都是均質(zhì)的，否那么會由于沿?zé)犭娕奸L度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢，從而因熱電偶材料不均勻性引入誤差。因此，要進(jìn)行均勻性檢驗(yàn)和退火處理。2.中間導(dǎo)體定律如下圖，將A、B構(gòu)成的熱電偶的T0端斷開，接入第三種導(dǎo)體C，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，接入導(dǎo)體C后對回路總電動勢無影響。3中間溫度定律兩種不同材料A和B組成熱電偶，其接點(diǎn)溫度分別為t和t0時(shí)的熱電勢等于熱電偶在連接點(diǎn)溫度為〔t，tn〕和〔tn，t0〕時(shí)相應(yīng)的熱電勢和的代數(shù)和。其中tn為中間溫度，即。如圖2-8:應(yīng)用：a提供了冷端溫度不是零度時(shí)如何應(yīng)用熱電偶分度表的方法；b連接導(dǎo)線定律〔當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與材料A、B有同樣熱電性質(zhì)的材料A’，B’，即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線，相當(dāng)于將熱電偶延長而不影響熱電偶的熱電勢。如圖2-9:back幾種常用的熱電偶及其性能熱電極材料要求:1，在測溫范圍內(nèi)，物理化學(xué)性能穩(wěn)定2，熱電特性好，熱電勢與溫度的關(guān)系呈線性關(guān)系。3，溫度變化時(shí)，熱電勢變化應(yīng)足夠大4，電阻溫度系數(shù)要小，導(dǎo)電率要高5，復(fù)制性能好。熱電偶分類a按熱電勢－溫度關(guān)系是否標(biāo)準(zhǔn)化可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶；b按熱電極材料的性質(zhì)可分為：金屬熱電偶，半導(dǎo)體熱電偶，非金屬熱電偶三類；c按熱電極材料的價(jià)格可分為：貴金屬熱電偶和賤金屬熱電偶；d按使用溫度范圍分：高溫?zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕家髮W(xué)生從以下幾個方面掌握：分度號；材料貴賤；使用溫度范圍；優(yōu)缺點(diǎn)〔特點(diǎn)〕；適用條件等。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指生產(chǎn)工藝成熟、能成批生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表，并已列入國際專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的熱電偶。按慣例正極成分一般寫在前面。常見的有以下6種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。1鉑銠10－鉑熱電偶分度號為S，，為貴金屬熱電偶，其準(zhǔn)確度在所有熱電偶中是最高的，常用于科學(xué)研究和準(zhǔn)確度要求比較高的場合。物理化學(xué)性能良好，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化和惰性氣氛中連續(xù)使用。缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，電極絲直徑通常很細(xì)，機(jī)械強(qiáng)度較低，與其它熱電偶相比，其熱電勢偏小，熱電勢率也較小，因此靈敏度低。2鉑銠13－鉑熱電偶分度號為R，為貴金屬熱電偶，其性質(zhì)與鉑銠10-鉑熱電偶根本相同，唯一的差異是正極中銠的含量略高一些，這樣熱電勢也稍大一些，大15％左右，而且比S型熱電偶穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好。問題：是不是銠的含量再高一點(diǎn)更好呢？答：也不是，如果合金極中銠的含量到達(dá)20％，那么在高溫下會發(fā)脆，影響熱電偶的壽命。3鉑銠30－鉑銠6熱電偶〔雙鉑銠熱電偶〕分度號為B，屬于貴金屬熱電偶正極：含銠30％的鉑銠合金；負(fù)極：含銠6％的鉑銠合金是60年代開展起來的一種用于測量高溫的熱電偶。使用溫度范圍：1600℃〔長期〕，1800℃〔短期〕特點(diǎn)：由于其兩極都是由合金構(gòu)成的，因而提高了抗玷污能力和機(jī)械強(qiáng)度，其壽命比R,S型熱電偶要大得多。性能穩(wěn)定，但不如R,S型熱電偶好。測量準(zhǔn)確度高，其熱電勢率比鉑銠10－鉑還要小，但同時(shí)帶來的好處是可不用補(bǔ)償導(dǎo)線，但須配用靈敏度高的儀表。適用條件：適于氧化性質(zhì)和中性介質(zhì)中使用，不能在復(fù)原性氣氛及含有金屬或非金屬蒸汽氣氛中使用。4鎳鉻－鎳硅熱電偶分度號為K，是廉價(jià)金屬熱電偶，應(yīng)用十分廣泛，在我國它的產(chǎn)量占了所有賤金屬熱電偶產(chǎn)量的一半左右。這種熱電偶的測量范圍很寬，從-270℃到1300℃；使用溫度范圍：1000℃〔長期〕，1300℃〔短期〕。特點(diǎn)：熱電勢率大，靈敏度比較高；熱電特性近乎線性，線性度好，使得顯示儀表的刻度均勻；穩(wěn)定性和均勻性很好；高溫下抗氧化，抗腐蝕能力都很強(qiáng)，比其它廉金屬熱電偶好；化學(xué)穩(wěn)定性好。適用條件：適用于氧化性和中性介質(zhì)中使用，在復(fù)原性氣體中易被腐蝕。在500℃到1300℃溫區(qū)的氧化性、惰性氣氛中，廣泛為用戶所采用。5鎳鉻－銅鎳〔康銅〕熱電偶分度號為E，熱電勢率是目前各類金屬熱電偶中最高的，靈敏度最高，靈敏度比鎳鉻－鎳硅高一倍。使用溫度范圍〔-200～800〕：600℃〔長期〕，800℃〔短期〕。特點(diǎn)：最大的特點(diǎn)是在常用熱電偶中，熱電勢率最大，即靈敏度最高。熱電特性線性度較好，價(jià)廉；耐熱和抗氧化性要比銅－康銅強(qiáng)。缺點(diǎn)是其負(fù)極難以加工，而且熱電均勻性也比較差。適用條件：適宜在氧化和惰性氣氛中使用，但不能用于復(fù)原氣氛或硫氣氛中。6銅－銅鎳〔康銅〕熱電偶分度號為T，使用溫度范圍：-200～350℃特點(diǎn)：熱電性能穩(wěn)定，特別是在0～-200℃下使用，穩(wěn)定性更好。在廉價(jià)金屬中準(zhǔn)確度最高的；價(jià)格廉價(jià)，是標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶中最廉價(jià)的一種；能抵抗?jié)駳獾那治g，可用在真空，氧化，復(fù)原及中性氣氛中，但不能超過300℃，因銅在高溫下易被氧化。7鎳鉻－金鐵熱電偶適用于一些特定溫度測量場合低溫下仍有很大的熱電勢，可在2～273K低溫范圍內(nèi)使用，熱電勢穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，易于加工成絲。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶熱電偶結(jié)構(gòu)1普通工業(yè)用熱電偶主要由：熱電極，絕緣套管〔多采用氧化鋁管或工業(yè)陶瓷管，其作用是防止兩個熱電極短路〕，保護(hù)套管〔1000℃以下用金屬管，1000℃以上用工業(yè)陶瓷甚至氧化鋁保護(hù)套管，其作用防止熱電偶不受化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷〕以及接線盒〔用鋁合金制成，供熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接之用〕等組成。缺點(diǎn)：體積大，笨重，熱慣性大等。普通熱電偶：1。熱電極；2。絕緣套管3。保護(hù)套管；4。接線盒；5。盒蓋2鎧裝熱電偶主要是由熱電偶絲，耐高溫的金屬氧化物粉末〔如：Al2O3等〕絕緣物，以及不銹鋼套管三者組合冷加工，由粗坯逐步拉制而成。其結(jié)構(gòu)形式有以下四種，具體見以下圖所示：a碰底型；b不碰底型；c露頭型；d帽型。其突出優(yōu)點(diǎn)：測量端熱容小，動態(tài)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)緊湊，耐壓，抗震，可撓，使用方便。熱電偶參考端溫度補(bǔ)償熱電偶材料選定后，熱電勢只與熱端和冷端溫度有關(guān)。所以，只有當(dāng)冷端〔參考端〕溫度保持恒定時(shí)，熱電偶的熱電勢和熱端〔測量端〕溫度才有單值函數(shù)關(guān)系，而且我們知道，熱電偶分度表均以冷端溫度等于攝氏零度的條件下制定的。在實(shí)際測溫中，冷端溫度往往既不穩(wěn)定，也不一定是攝氏零度，故：必須對冷端溫度進(jìn)行修正，消除冷端溫度影響。1保持冷端溫度恒定的方法〔當(dāng)冷端溫度恒定，但不是零度時(shí)〕a冰浴法這是一種實(shí)驗(yàn)室常用的方法，即：使冷端直接置于0℃下，采取的措施是將冷端直接置于裝有冰水混合物的保溫容器中，冰點(diǎn)槽法是一個準(zhǔn)確度很高的參比端處理方法?！灿脠A球法測導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)用熱電偶測溫時(shí)〕b熱電勢修正法由中間溫度定律：式中就是冷端溫度t0℃，而為恒值時(shí)的引入誤差。只要測出冷端溫度t0值，并由相應(yīng)的熱電偶分度表查出的值，將其加到測得的熱電勢上，得到其冷端溫度等于零攝氏度時(shí)的熱電勢的值攝氏度時(shí)的熱電勢值，然后便可從分度表求得熱端溫度即被測溫度真值。c儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法在tn時(shí)，可先斷開測量線路，然后把儀表起始點(diǎn)調(diào)到tn處，相當(dāng)于在測溫之前就給儀表輸入電勢，這樣在進(jìn)行測量時(shí)，輸入儀表的熱電勢為，因此，儀表的指針就能指出熱端溫度t。2參考端溫度t0波動時(shí)的補(bǔ)償方法a補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際中使用的熱電偶，尤其是貴金屬熱電偶往往是長度一定，結(jié)構(gòu)固定的，由于測溫現(xiàn)場溫度波動不定，這就往往需要將其參考端移至遠(yuǎn)離被測對象，且溫度場較穩(wěn)定的場合。這可以采用在一定溫度范圍內(nèi)其熱電特性與所配的熱電偶根本一致，而且價(jià)格較廉價(jià)的補(bǔ)償導(dǎo)線來作為熱電偶絲的延伸局部。根據(jù)中間溫度定律，補(bǔ)償導(dǎo)線的引入并不會影響熱電偶的熱電勢。b參比端溫度補(bǔ)償器是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶因參考端溫度變化而引起的熱電勢變化。橋臂電阻R1、R2、R3、RCu與熱電偶參考端處于相同的環(huán)境溫度，其中：R1=R2=R3=1Ω，由錳銅絲繞制。E(4V)為橋路直流電源，Rs為限流電阻，一般選擇Rcu在20℃時(shí)使電橋處于平衡狀態(tài)，即：RCu20=1Ω，此時(shí)橋路補(bǔ)償U(kuò)ab＝0，即電橋無補(bǔ)償作用。當(dāng)參考端溫度變化時(shí)，在電橋?qū)蔷€輸出一個不平衡橋壓Uab和E(t,t0)疊加，適中選取Rs，可使電橋產(chǎn)生的電壓剛好補(bǔ)償由于參考端溫度變化而引起的熱電勢變化，即：Uab=E(t0,0)，這時(shí)儀表就能正確指示測量端的溫度。如電橋平衡時(shí)的溫度為20℃，那么在使用時(shí)，與其配接的指示儀表的機(jī)械零點(diǎn)應(yīng)調(diào)至20℃。熱電偶測溫回路由熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、普通導(dǎo)線和直流電測儀表構(gòu)成。1多支熱電偶共用一臺電測儀表圓球法測導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在測量圓球內(nèi)外外表溫度時(shí)，我們就用到這樣的測溫電路。為了節(jié)省顯示儀表，將假設(shè)干條熱電偶通過切換開關(guān)共用一臺電測儀表。使用這樣的回路條件：a各支熱電偶的型號相同；b測溫范圍均在顯示儀表的量程內(nèi)。應(yīng)用1采用這種接線方式時(shí)，所有主熱電偶可共用一個輔助熱電偶來進(jìn)行參比端溫度補(bǔ)償?！怖涠搜a(bǔ)償〕應(yīng)用2用于現(xiàn)場中，大量測點(diǎn)不需要連續(xù)測量，而只需要定時(shí)檢查的場合?？纱蟠蠊?jié)省顯示儀表的數(shù)量。2一支熱電偶配用兩個電測儀表有時(shí)，需要將一支熱電偶產(chǎn)生的熱電勢輸?shù)絻蓚€顯示儀表上?！踩纾阂粋€就地顯示，一個在控制室顯示〕a如G1、G2均為動圈儀表時(shí)，在這種情況下，由于I=I1+I2，所以輸入到每個動圈儀表的電流均比總電流低。所以G1、G2讀數(shù)偏低，在測量中一般不宜采用。b如G1為電位差計(jì)，G2為動圈儀表采用這樣測量方法，在穩(wěn)定時(shí)，I1=0,故電位差計(jì)G1的存在并不影響G2的指示值，但在調(diào)整電位差計(jì)過程中，由于,且在變化，因此要引起G2指針跳動現(xiàn)象，從而造成讀數(shù)的不準(zhǔn)確，所以一定要待電位差計(jì)調(diào)整好前方可讀數(shù)。c如G1、G2均為電位差計(jì)由于在電位差計(jì)調(diào)整穩(wěn)定時(shí)，在測量回路中無電流流過，即I=I1=I2=0，故G1、G2彼此影響很小，其測量準(zhǔn)確度與一個二次儀表時(shí)相同。3熱電偶的并聯(lián)、串聯(lián)和反接a熱電偶并聯(lián)見圖為：三支同型號熱電偶的并聯(lián)線路輸入顯示儀表的毫伏值為三支熱電偶輸出電勢的平均值，即：E=(E1+E2+E3)/3。正極與正極，負(fù)極與負(fù)極分別連接在一起。如果n支熱電偶的熱電勢相差不多，且偶絲電阻相等，那么并聯(lián)測量線路的總熱電勢等于n支熱電偶熱電勢的平均值。熱電勢小，但其相對誤差也小，僅為單支熱電偶的，且其中一支熱電偶斷路時(shí)，不影響整個系統(tǒng)工作。多用于溫場的平均溫度測量，或需準(zhǔn)確測量溫度場合。b熱電偶的串聯(lián)線路將n支熱電偶〔同型號〕依次按正、負(fù)極相連接的線路這可以得到較大的熱電勢，可提高測溫靈敏度顯示儀表的示值反映的是兩支熱電偶測量端溫度的總和：E＝E1+E2+E3多用于小溫差測量或需要較高靈敏度場合。優(yōu)點(diǎn)：熱電動勢大，測溫準(zhǔn)確度比單支熱電偶高，根據(jù)串聯(lián)原理，可制成熱電堆，可感受微弱信號，或相同條件下，可配用靈敏度較低顯示儀表。缺點(diǎn)：只要有一支熱電偶斷路，整個系統(tǒng)不能工作。c熱電偶反接將兩支同型號熱電偶反向連接可測量兩點(diǎn)之間的溫差，它也是要考慮參考端溫度一致，那么輸入儀表電勢：熱電勢測量線路熱電偶輸出的信號是熱電勢，熱電勢大小需要通過測溫儀表來指示，從而反映出被測溫度的上下，熱電勢測量有以下幾種方法：1動圈式儀表測熱電勢熱電勢與回路電流I關(guān)系其中——Re：線路總電阻，統(tǒng)一規(guī)定為15Ω，它包括導(dǎo)線電阻，熱電偶電阻，補(bǔ)償導(dǎo)線電阻和調(diào)整電阻Rc；Rs：動圈儀表內(nèi)部串聯(lián)電阻，用來改變儀表量程；R：是電阻RB,RT,RD,RP的綜合，RT：熱敏電阻〔68Ω，20℃，它與RB并聯(lián)，用來補(bǔ)償儀表動圈電阻RD隨溫度的變化〕；RD：儀表動圈電阻；RP：阻尼電阻〔用來減少動圈轉(zhuǎn)動的阻尼時(shí)間〕RB、RP、RS、RC為錳銅繞制，阻值不隨溫度的變化而變化。因?yàn)椋剩簝x表表盤刻度可直接用溫度刻度冷端補(bǔ)償方法是：用冷端補(bǔ)償器的方法，如圖2-15，page272電位差計(jì)測電勢a直流電位差計(jì)采用把被測量與標(biāo)準(zhǔn)量比較后的差值調(diào)至零的零差測量方法原理圖，見書有三個回路，即工作電流回路I，標(biāo)準(zhǔn)回路II，測量回路III測量時(shí)，先把K鍵撥向“標(biāo)準(zhǔn)〞位置，此時(shí)由標(biāo)準(zhǔn)電池EN，標(biāo)準(zhǔn)電阻RN及檢流計(jì)G組成的校準(zhǔn)回路，開始工作，根據(jù)回路電壓定律：調(diào)節(jié)Rs改變工作回路電流I1，當(dāng)EN=I1*RN時(shí)，IN=0，即檢流計(jì)G指零。因?yàn)镋n，Rn幾乎不變，所以I1不變，這樣就將工作電流標(biāo)準(zhǔn)化然后，將K鍵撥向“測量〞位置，由E,Rab，檢流計(jì)G組成的測量回路開始工作，同樣，由回路電壓方程：，其中Re為熱電偶及其連接導(dǎo)線的等效電阻調(diào)整電阻盤上用毫伏進(jìn)行刻度直接讀出熱電勢值b電子電位差計(jì)有多種功能：I具有較高精度；II能連續(xù)自動記錄并自動顯示被測溫度；III自動補(bǔ)償熱電偶參考端溫度；IV參數(shù)超限報(bào)警；V對被測參數(shù)進(jìn)行自動控制。原理與直流電位差計(jì)相似，與其不同的是：它用可逆電機(jī)及一套機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)代替人的手進(jìn)行電壓平衡操作；用放大器代替檢流計(jì)來檢查不平衡電壓，并控制電機(jī)可逆工作。恒值電流I通過滑線變阻，假設(shè)RP上的分壓，那么電子放大器的輸入偏差電壓，經(jīng)放大后有足夠的功率去驅(qū)動可逆電機(jī)SM，使它根據(jù)或，作正向或反向轉(zhuǎn)動，經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)帶動RP上的滑動點(diǎn)B作或左或右轉(zhuǎn)，直到Et和UAB相平衡。第三節(jié)熱電阻測溫技術(shù)一般熱電偶在500℃以下工作時(shí)，熱電勢小，靈敏度較低，故目前在測量-200～600℃范圍的溫度時(shí)，多采用電阻溫度計(jì)，尤其是低溫測量中，電阻溫度計(jì)用得較為普遍。電阻溫度計(jì)特點(diǎn)：精度高，測量范圍廣，輸出信號大，靈敏度高，不需冷端。一電阻測溫原理利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而改變的性質(zhì)，將電阻值的變化用二次儀表把它測量出來，從而到達(dá)測溫的目的。即：通過測量電阻值大小來反響溫度的上下，可見，電阻溫度計(jì)包括兩個局部：敏感元件熱電阻和測量電阻值變化的儀表。敏感元件〔熱電阻〕要求常用金屬和半導(dǎo)體材料制造，其材料應(yīng)滿足：a電阻溫度系數(shù)大且與溫度無關(guān)，才能保證其良好靈敏度和線性度金屬熱電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但不嚴(yán)重，尤其在較窄的溫度范圍內(nèi)，線性還是比較好的；半導(dǎo)體電阻的電阻溫度系數(shù)是非線性的，但嚴(yán)重，但在低溫時(shí)靈敏度高，電阻溫度系數(shù)大。b電阻率大由,ρ大，可使電阻體體積較小，因而熱慣性也較小，對溫度變化的響應(yīng)快；c材料復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好；d價(jià)格廉價(jià)根據(jù)熱電阻所用的材料，主要可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻。熱電阻溫度傳感器金屬式熱電阻；〔鉑、銅、鐵、鎳等〕半導(dǎo)體式熱敏電阻二.金屬熱電阻溫度計(jì)電阻溫度系數(shù)：用溫度變化1℃時(shí)，金屬熱電阻值的相對變化量來描述，用α表示。，單位：實(shí)際上，α表示了電阻溫度計(jì)的相對靈敏度，因?yàn)槭请娮璧南鄬ψ兓浚皇墙^對變化量；二、金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及參數(shù)1.常見的金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式：絲式：由金屬電阻絲盤繞或焊接而成。箔式：由金屬電阻箔采用光刻技術(shù)制造。它主要由粘合層1、3，基底2、蓋片4，敏感柵5，引出線6構(gòu)成金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵，那么是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng)變性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)見圖金屬導(dǎo)體電阻一般是隨溫度的升高而升高的，大多數(shù)金屬當(dāng)溫度升高1℃時(shí)，其阻值增加〔0.4～0.6〕％，即α，對于同一金屬材料α也可以不相同，其大小與該金屬純度有關(guān)，純度越高，α越大。金屬熱電阻純度常用表示，：100℃時(shí)金屬熱電阻的阻值，：0℃時(shí)金屬熱電阻的阻值。越大，純度越高。1鉑熱電阻使用最廣泛的一種熱電阻。特點(diǎn)：a物理化學(xué)性能穩(wěn)定；b準(zhǔn)確度高；c穩(wěn)定性好；d性能可靠鉑電阻使用溫度范圍：-200℃～850℃在0～850℃，電阻與溫度關(guān)系：在-200～0℃，電阻與溫度關(guān)系：我國工業(yè)上使用的鉑電阻規(guī)定：目前，全國統(tǒng)一設(shè)計(jì)后，鉑電阻分度有三種.當(dāng)愛在靠近

分別為：Pt50〔R0=50Ω〕；Pt100〔R0=100Ω〕；Pt300〔R0=300Ω〕選取R0數(shù)值大小的一般原那么是從減小引出線和連接導(dǎo)線電阻變化所引起的測量誤差考慮。R0大，熱電阻引出線和連接導(dǎo)線的阻值可忽略，所以就希望R0大為好。R0小，測量時(shí)流過電阻體的電流加熱電阻絲所產(chǎn)生的熱量就小，這對減小熱容量和熱慣性，提高電阻對溫度的響應(yīng)速度有利，為此就希望R0小為好。因此在實(shí)際選用時(shí)必須綜合考慮。2銅熱電阻優(yōu)點(diǎn)：a價(jià)格廉價(jià)；b電阻溫度系數(shù)大；c易獲得高純度銅絲；d互換性好；e電阻溫度系數(shù)幾乎線性；缺點(diǎn)：電阻率小，易被氧化；使用溫度范圍：-50～150℃電阻與溫度關(guān)系：尤其在0～100℃范圍內(nèi)，可用

其中α0：銅電阻在0℃時(shí)的α，α0＝4.25×10-3℃-1目前我國工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅電阻分度號，有兩種:Cu50和Cu100；。三，熱電阻結(jié)構(gòu)普通熱電阻，外形與熱電偶相似，主要由：保護(hù)套管，電阻體，骨架和引線等部件組成a電阻體也就是溫度敏感元件，其材料性能對傳感器的好壞有關(guān)鍵性的影響；b骨架作用是用來纏繞，支撐或固定熱電阻絲的支架對骨架材料要求：i絕緣性能好；ii比熱?。籭ii導(dǎo)熱系數(shù)大；iv物理化學(xué)性能穩(wěn)定；v膨脹系數(shù)小；vi有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。常用材料：云母，玻璃，石英，陶瓷，塑料等。c引線測量熱電阻所必需的但因其有一定的阻值，并隨溫度變化而變化，而且熱量通過引線也會造成損失，這些都會引起測量誤差。所以要求：i材料電阻溫度系數(shù)小；ii電阻率?。籭ii熱導(dǎo)率低；iv和電阻體接觸產(chǎn)生的熱電勢小；v化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；常用引線材料：鉑，金，銀銅絲等。d保護(hù)套管主要作用：使電阻體免受腐蝕和機(jī)械損傷鎧裝熱電阻將陶瓷或玻璃骨架上的感溫元件，裝入不銹鋼細(xì)管內(nèi)，其周圍用氧化鎂粉牢固充填；它的三根引線同保護(hù)管之間，以及引線相互之間要絕緣良好。優(yōu)點(diǎn)：a外徑小；b測溫響應(yīng)快；c抗震；d可撓；e使用方便；f使用壽命長；半導(dǎo)體電阻溫度計(jì)〔熱敏電阻〕相比于金屬熱電阻具有如下優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)：1電阻溫度系數(shù)比金屬導(dǎo)體大，靈敏度高；2電阻率高〔可制成極小的敏感元件，熱慣性小，且導(dǎo)線電阻的影響很小，特別適用于測量點(diǎn)溫度及動態(tài)溫度〕缺點(diǎn)：1線性及互換性差，測量范圍，僅為-50～300℃2性能不穩(wěn)定，測溫精度低不過，隨著半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)的開展，半導(dǎo)體溫度計(jì)特性將會得到進(jìn)一步改善。測溫原理：半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，具有負(fù)的溫度系數(shù)。電阻與溫度系數(shù)，其中T――被測溫度，單位K；RT――溫度為T時(shí)的電阻值；A,B――常數(shù)，與溫度無關(guān)。一般是用鐵、鎳、錳、鉬、鈦、鎂、銅等一些金屬氧化物做原料制成

三熱電阻測溫線路測量熱電阻阻值的常用儀表：直流電位差計(jì)，直流平衡電橋，動圈式儀表，自動平衡電橋及數(shù)字式儀表。下面主要介紹三種測量線路。1和直流電位差計(jì)配套線路圖如以下圖所示，主回路：熱電阻Rt，標(biāo)準(zhǔn)熱電阻RN，可變電阻Rp，和具有穩(wěn)定電壓的電源E串聯(lián)成閉合回路。P是電位差計(jì)；K是切換開關(guān)；通過改變可變電阻Rp大小調(diào)節(jié)通過RN、Rt電流。首先，可用電位差計(jì)測得標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓UN，從而得到回路中的電流強(qiáng)度I：然后，把切換開關(guān)反向接通，用電位差計(jì)測得熱電阻Rt兩端的電壓Ut，那么從而測得熱電阻阻值Rt。這種測量方法具有較高測量精度，為什么？由于測量時(shí)連接電位差計(jì)的導(dǎo)線內(nèi)無電流通過，熱電阻也不受連接導(dǎo)線電阻影響。2不平衡電橋――和動圈式儀表配套測量原理圖不平衡電橋：由Rt、R1、R2、R3、R4和線路電阻ra、rb組成；其中Rt被測電阻。當(dāng)Rt變化時(shí)，電橋平衡被破壞，AB兩端會產(chǎn)生不平衡橋壓，會在動圈中形成電流，使動圈在磁場中受力而偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動指針在標(biāo)尺指示相應(yīng)的被測溫度。注意：采用XCZ－10Z動圈式儀表測量熱電阻時(shí)，其連接線電阻必須嚴(yán)格控制，〔一般有兩種規(guī)定：5Ω和10Ω〕否那么會對結(jié)果產(chǎn)生影響，所以無論在儀表與熱電阻之間采用二線制連接還是三線制，均要在每根導(dǎo)線上加上附加電阻Re，使其滿足規(guī)定要求，不允許在斷開熱電阻時(shí)接通儀表電源，否那么會因電流過大而損壞儀表。3和平衡電橋配套是測量熱電阻最常用的方法二線制：其中：R2=R3用錳銅繞制〔比例臂〕；R1可變電阻〔可變臂〕；Rt：熱電阻；ra、rb：連接導(dǎo)線和引線電阻；G為檢流計(jì)；E為電池。當(dāng)電橋平衡時(shí)，檢流計(jì)中無電流通過，→。由于導(dǎo)線分布電阻ra、rb：會隨環(huán)境溫度變化；R1：可通過觸點(diǎn)位置讀數(shù)電阻值；Rt：即可求得→只與R1有關(guān)，可在R1上進(jìn)行電阻或溫度刻度。由于導(dǎo)線分布電ra、rb在同一橋臂上，當(dāng)環(huán)境溫度改變將引起ra、rb變化，無法精確測出Rt值，會給測量帶來較大的誤差。三線制：其中：R2=R3用錳銅繞制；R1可變電阻；Rt：熱電阻；ra、rb、rc：連接導(dǎo)線電阻〔一般情況下，三根導(dǎo)線材料、直徑、長度相同〕；G為檢流計(jì)；E為電池。電橋平衡時(shí)，，且ra=rb，所以有Rt＝R1。由于ra=rb，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)兩橋臂阻值同方向、同增量變化，這樣有效地消除連接導(dǎo)線電阻的影響。使rc和ra、rb相等是為了防止過失，方便使用。

第五節(jié)溫度計(jì)的選擇，安裝，與標(biāo)定選擇必須根據(jù)被測對象的情況，測量的要求，被測介質(zhì)的性質(zhì)，和周圍的環(huán)境來選擇。安裝低溫測量1測量壁面溫度時(shí)，保證溫度計(jì)與被測物體有良好的熱接觸2用熱電偶或熱電阻測溫時(shí)，通常是在被測物體上鉆出與溫度計(jì)相適應(yīng)的孔，將溫度計(jì)的測量端埋入孔內(nèi)，然后用低溫膠密封好；3低溫測量時(shí)，要考慮測量引線的傳熱給測量帶來的誤差靠近溫度計(jì)局部的引線，必須與被測物體到達(dá)同一溫度采取措施：a先把引線繞在比室溫低的一個金屬零件上，減少室溫引線漏熱b選擇細(xì)的，導(dǎo)熱性能差的材料作引線；c防止室溫對低溫溫度計(jì)的熱輻射，如加裝輻射屏標(biāo)定出廠前，安裝前，或經(jīng)過一段時(shí)間使用后，須對溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。工業(yè)用溫度計(jì)的標(biāo)定方法主要有兩種：比較法，定點(diǎn)法。1比較法將具有高一級準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)和被標(biāo)定的溫度計(jì)都置于同一介質(zhì)中，比較二者的溫度測量指示值，確定被標(biāo)定溫度計(jì)的根本誤差。標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)：高溫時(shí)，用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；低溫時(shí)，用水銀溫度計(jì)；比較法標(biāo)定溫度計(jì)的根本要求：營造一個均勻的溫度場〔標(biāo)準(zhǔn)和被標(biāo)定可感受到同樣溫度〕，并具有足夠大小〔由測溫元件產(chǎn)生導(dǎo)熱損失可忽略〕，那么如何去營造一個均勻溫度場呢？a中、低溫液體槽〔帶攪拌裝置〕根據(jù)被標(biāo)定溫度計(jì)范圍不同，常用液槽有：液氮槽：檢定溫度可達(dá)-150℃酒精槽：利用固體CO2冷卻，可達(dá)-80℃水槽：用電加熱，可用于：1～100℃范圍油槽：用電加熱，可用于：80～300℃范圍b管式電爐常用在溫度大于400℃以上場合，有時(shí)也可用于低溫場合，但精度較液體槽低為了保證內(nèi)部溫度分布均勻，要求電爐：內(nèi)腔長度與直徑之比至少是：20:1；在電爐內(nèi)管中心，放置一鎳金屬塊，然后在塊上鉆一孔，便于插入熱電偶。2定點(diǎn)法就是：用需檢定的溫度計(jì)測量某些固定點(diǎn)溫度〔如：凝固點(diǎn)，沸點(diǎn)，三相點(diǎn)〕，求得讀數(shù)，再與這些固定點(diǎn)在國際溫標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)值相比較，根據(jù)它們之間的差異程度評定其根本誤差大小，主要用以下幾個易獲得、常見的固定點(diǎn)：a沸點(diǎn)：水沸點(diǎn)，但同時(shí)測量當(dāng)?shù)卮髿鈮簲?shù)值，并據(jù)此進(jìn)行溫度指示值的修正；b凝固點(diǎn)：水冰點(diǎn)，受大氣壓影響非常小，但受純度影響。第三章壓力測量第一節(jié)壓力的根本概念一.壓力定義：垂直作用在物體單位面積上的力，對應(yīng)物理學(xué)中的壓強(qiáng)。1法向壓力作用在一個定點(diǎn)上的壓力p是由垂直施加在以該點(diǎn)為中心的單位面積dA上的力確定的，即在連續(xù)介質(zhì)中，任取一個平面將介質(zhì)分成兩局部，所分成的兩局部介質(zhì)相互推擠時(shí)產(chǎn)生的法向應(yīng)力稱為壓力，整個作用在連續(xù)介質(zhì)上的力稱為全壓力，其中包括固體內(nèi)部的壓力，固體間接觸面的壓力，以及流體內(nèi)部的壓力。本書所研究的壓力是流體壓力。對于靜止的流體，任何一點(diǎn)的壓力與在該點(diǎn)所取的面的方向無關(guān)，在所有方向上壓力大小相等，這種具有各向同性的壓力稱為流體靜壓力；靜止流體中的壓力僅僅取決于流體所處的時(shí)間和空間的位置，是一標(biāo)量值，與所取的作用面方向無關(guān)。2運(yùn)動流體內(nèi)的壓力運(yùn)動流體中，任何一點(diǎn)的壓力是所取平面方向的函數(shù)。當(dāng)所取平面的法向與流動方向一致時(shí)，所得到的壓力最大，這個壓力最大值稱為該點(diǎn)的總壓力；當(dāng)二者方向垂直時(shí)，即作用在與流體流動方向平行的面上的壓力稱為流體靜壓力，總壓力與靜壓力之差稱為動壓力，而動壓力是流速的函數(shù)。假定流體為無粘性的理想流體，并忽略流體的壓縮性，且流體成水平方向穩(wěn)定流動，由流體能量守恒定律可知：常數(shù)式中，ps是靜壓；是動壓；ρ是流體密度；c是流體速度?？梢姡?dāng)流體沿水平方向穩(wěn)定流動時(shí)，其靜壓力與動壓之和沿著同一流線保持不變。對于實(shí)際流體，總壓力不可能保持常數(shù)，沿流動方向逐漸減小，主要是由于有粘滯阻力引起的能量損失。二.壓力表示方法〔不同場合采用不同的表示方法〕絕對壓力；表壓力〔壓力：表壓力為正；負(fù)壓力或真空：表壓力為負(fù)〕；壓差。單位1工程大氣壓1工程大氣壓等于每平方厘米的面積上垂直并均勻分布著1千克力作用的壓力，千克力/厘米2或kgf/cm2；2物理大氣壓地球大氣圈內(nèi)的空氣柱因自重在地球外表上產(chǎn)生壓力，是一個隨時(shí)間、地點(diǎn)變化而變化的量，使用不方便。規(guī)定：1物理大氣壓等于0℃時(shí)，水銀密度為13.6g/cm3和重力加速度為9.80665m/s2時(shí)，高度為760毫米水銀柱在海平面上所產(chǎn)生的壓力，稱為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，記為atm；3mmHg4mmH2O在工程測量中，通入表的壓力為絕對壓力，而在壓力表上顯示的是表壓力。三.壓力分類根據(jù)壓力測量原理不同可分為三種：1重力與被測壓力平衡該方法是按照壓力的定義，通過直接測量單位面積所承受的垂直方向力的大小來檢測壓力，如液柱式壓力計(jì)；2彈性力與被測壓力平衡彈性元件感受壓力作用后會產(chǎn)生彈性變形，形成彈性力，當(dāng)彈性力與被測壓力平衡時(shí)，彈性元件變形多少那么反映了被測壓力的大小，如彈性式壓力計(jì)；3利用物質(zhì)其它與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)測量壓力一些物質(zhì)受壓后，其某些物理性質(zhì)會發(fā)生變化，通過測量這種變化就能測量出壓力，如各種壓力傳感器〔精度高，體積小，動態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)〕。從測量角度：可分為1靜定壓；2變動壓〔非周期連續(xù)變化<波動壓力>；不連續(xù)且變化大<沖擊壓力>〕；3脈動壓〔周期性變化〕；第二節(jié)穩(wěn)態(tài)壓力測量一.測量的根本原理流體沿水平方向穩(wěn)定流動時(shí)，其靜壓與動壓之和沿流線不變，即常數(shù)；其中，p0是總壓力，或稱滯止壓力；ps：流體靜壓力。假設(shè)一物體處于流體中，它外表上某一點(diǎn)流體的靜壓力為ps1，速度c1，那么：引入壓力系數(shù)，由流體力學(xué)可知，在任何被流體繞流的物體上，都存在流體速度為零的一些點(diǎn)，這些點(diǎn)稱為臨界點(diǎn)，這些點(diǎn)上的壓力稱為滯止壓力p0。

此時(shí)壓力系數(shù)Kp＝1；同樣，在被繞流物體外表上也存在流體的壓力等于流體靜壓力，即：ps1=ps，此時(shí)Kp＝0。如圖3-13-2:backnextback對于圓柱形物體，當(dāng)，即圓柱外表的A點(diǎn)是臨界點(diǎn)；，但曲線斜率大，這一點(diǎn)Kp值不穩(wěn)定；，雖然，但卻是穩(wěn)定。對于球形物體，臨界點(diǎn)為處的點(diǎn)；當(dāng)，即：

對于頭部為半球形的圓柱體，其臨界點(diǎn)位置與圓柱體和球體一樣，臨界點(diǎn)在x＝0的點(diǎn)，即在其端部；而Kp＝0的壓力分布的點(diǎn)在離半球端部3d處的圓柱外表上。

二流體靜壓測量及靜壓探針講述流體靜壓與流體速度有關(guān)，且流道橫截面上各點(diǎn)的流體靜壓是不相等的。由于在穩(wěn)態(tài)運(yùn)動流體中，靜壓與動壓之和沿流線不變，而流體的動壓是速度的函數(shù)，所以流體的靜壓也與流體的速度有關(guān)。由于流體在流道橫截面上的速度分布是非線性的，所以流道橫截面上各點(diǎn)的流體靜壓是不相等的。靜壓測量分兩種情況：a測量作用于流道壁面上的靜壓力；b測量流體中某一點(diǎn)的靜壓力。1對于流道壁面上的靜壓力測量可在流道壁面上開靜壓孔的方法進(jìn)行測量，測壓孔應(yīng)滿足以下條件：a測壓孔應(yīng)開在直線形管壁上；b軸線應(yīng)在壁面垂直〔作用在與流體流動方向平行的面上的壓力稱為靜壓力〕；c直徑為0.5mm左右，最大不能超過1.5mm；d孔邊緣應(yīng)整齊，光潔〔無毛刺，無倒角，保持鋒利等〕。特點(diǎn)：簡單，方便，對流體干擾小，具有較高精度。實(shí)際上，壁面孔必然對流過壁面的流體有些干擾，由此造成測量誤差，流體流經(jīng)孔口時(shí)，流線會向孔內(nèi)彎曲，并在孔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，從而引起靜壓測量的誤差，孔徑越大，流線彎曲越嚴(yán)重，因而誤差也越大，所以孔徑應(yīng)小一點(diǎn)，但孔徑小會使制造困難，使用時(shí)也容易被灰塵堵塞，會引起測量反響緩慢，延長試驗(yàn)時(shí)間。2流體中一點(diǎn)的靜壓力可用靜壓探針來測量，置于流體中，對流體干擾較大，為減小測量誤差，在滿足剛度要求前提下，希望它們幾何尺寸應(yīng)盡量小。要求探針在插入流體內(nèi)時(shí)應(yīng)與流線平行，且不改變測壓區(qū)的流線，對氣流方向變化盡量不敏感，靜壓孔的軸線應(yīng)垂直于氣流方向。下面介紹幾種常用的靜壓探針：aL形靜壓探針用細(xì)管彎成“L〞形制成，頭部呈半球形，測壓孔應(yīng)開在什么地方呢？氣流流過靜壓管頭部獲得加速，靜壓降低；支桿對氣流有阻礙作用，流速降低，靜壓升高，在L型靜壓管頭部和支桿之間選擇適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置靜壓孔，可以得到接近真實(shí)靜壓的測量值。根據(jù)繞流原理，測壓孔應(yīng)開在距端部3倍管徑處的探針的側(cè)外表；測壓孔中心距支桿距離為8倍管徑?？梢?，該探針特點(diǎn)：感受局部的軸向尺寸較大，對流體的方向變化不靈敏角較小。適用于流道尺寸較大，且旋流不大的場合，如：壓縮機(jī)進(jìn)、出口流體靜壓的測量。b圓柱形靜壓探針由一根圓柱形細(xì)管做成，根據(jù)繞流原理，測壓孔應(yīng)開在管子背向流體流動方向的一面。在100°<α<270°范圍內(nèi)，測出靜壓ps保持不變；由于探針的軸線與流線垂直，因此對流場擾動較大，又：我們從繞流物體上壓力分布曲線可見，其外表上沒有穩(wěn)定的壓力系數(shù)為零的點(diǎn)，只有近似等于零的點(diǎn)。所以用該探針c碟形靜壓探針優(yōu)點(diǎn)：其所獲得的測量值與流體在x-y平面內(nèi)的方向角α無關(guān)，所以該探針?biāo)鶞y的壓力值是各向同性的，也就是流體靜壓力；缺點(diǎn)：對流體在z軸上的方向變化角δ很敏感，要盡量保持碟盤與流線平面平行，所以對碟盤的加工精度要求很高，從而增加本錢和加工難度。d導(dǎo)管式靜壓探針測壓孔開在一個導(dǎo)管上，相當(dāng)于將流體中某一點(diǎn)靜壓測量變成流道壁面上流體靜壓測量。缺點(diǎn)：導(dǎo)管加工精度高，工藝復(fù)雜，探針體積較大，應(yīng)用受到限制。e雙孔葉片形靜壓探針與碟形靜壓探針相似，與其不同之處在于它的兩個側(cè)面的中心各有一個測壓孔，每個測壓孔連接各自的壓力計(jì)〔或壓力傳感器〕，當(dāng)兩個儀表給出同樣的示值時(shí)，認(rèn)定探頭在流體中定位良好。它的缺點(diǎn)：也是加工精度高，尺寸大，安裝要求嚴(yán)格f吉勒德－吉也納靜壓探針由一根頭部壓扁成二面角形的管子做成，二面角每個面上有一個測壓孔，原理近似于雙孔葉片形靜壓探針，與其相比好處是對流體方向角變化不敏感，因此測量較為準(zhǔn)確可靠。三滯止壓力的測量及總壓探針1總壓探針的原理總壓物理意義：在沒有外功作用下，流體速度等熵地減速為零時(shí)所產(chǎn)生的壓力。測量總壓時(shí)，只要在氣流中放入一根管子，其孔口軸線必須對準(zhǔn)氣流方向，孔口必須無毛刺，外表光滑〔減少摩擦損失〕，然后管子與壓力指示表連通。當(dāng)氣流進(jìn)入管孔后，被滯止下來，測出的靜壓值誤差較大。壓力指示器所指示的壓力即為管孔口局部處的總壓，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于通道及管道中氣流的運(yùn)動情況很復(fù)雜，氣流方向往往不可能確切知道，而且隨著工況變化，氣流方向變化較大，即使知道氣流方向，要保證總壓管軸線對準(zhǔn)氣流方向，對安裝的要求要提高，因此，實(shí)用上希望總壓管對氣流方向有一定不敏感性，也就是說，總壓管孔口軸線對氣流方向雖然偏離了一定角度，還能夠正確地感受到總壓。由繞流理論可知，流體中某一點(diǎn)的總壓等于流體中被繞流物體上臨界點(diǎn)的滯止壓力。2總壓探針類型aL形總壓探針形式與“靜壓探針〞一樣，區(qū)別在于測壓孔的位置不同總壓探針測壓孔是開在探針的端部，正對流體流動方向上。它對于流向偏斜角的靈敏度主要由：探針端部的形狀，以及管子外徑d1/測壓孔徑d2決定。對于端部為半球形，d2/d1＝0.3的總壓探針，其α角不靈敏度在5~15范圍內(nèi)。補(bǔ)充：選用總壓管，要根據(jù)氣流的速度范圍，流道的條件，和對氣流方向不敏感性，決定所用總壓管的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)具有較小的尺寸，減小對流場干擾。b圓柱形總壓探針結(jié)構(gòu)示意圖見書page62圖3-11其測壓孔開在正對流向的側(cè)面上。它對流體偏斜不靈敏度角α隨增加而增加特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，體積小，便于安裝。c套管式總壓探針在套管內(nèi)腔有一個進(jìn)口收斂器和流導(dǎo)管，使得套管內(nèi)流體的方向能保持不變。優(yōu)點(diǎn)：對流體偏斜角αδ的不靈敏度范圍增大缺點(diǎn)：加工精度高，尺寸較大，安裝，使用受到一定限制。四壓力探針的測量誤差分析1探針對流場的擾動為減少它對氣流擾動，應(yīng)將探針的尺寸做的足夠小。2測壓孔對測量值的影響測壓孔的不規(guī)那么，孔的軸線與流線不垂直，孔徑過大等都會導(dǎo)致靜壓測量誤差原因：流體經(jīng)過測壓孔時(shí)，流線要發(fā)生彎曲，流線沉到孔里產(chǎn)生離心力場，并增加了孔的壓力，而使所測得的壓力超過流體的靜壓力。靜壓孔過小易堵塞，過大會增加由速度頭引起的誤差，一般為0.5～1mm。3Re對測量值的影響Re>30時(shí)可忽略。4速度梯度對測量值影響第三節(jié)穩(wěn)態(tài)壓力指示儀表這里主要介紹兩種壓力指示儀表一液柱式壓力計(jì)利用液柱所產(chǎn)生的壓力與被測壓力平衡，并根據(jù)液柱高度來確定被測壓力大小的壓力計(jì)所用液體，常用的有：酒精、水、水銀〔封液)常用的結(jié)構(gòu)形式：如圖3-15:U型管壓力計(jì)單管壓力計(jì)和斜管微壓計(jì)如圖3-17:誤差分析：1環(huán)境溫度變化影響2重力加速度變化修正3毛細(xì)現(xiàn)象造成誤差二.彈性式壓力計(jì)利用各種型式的彈性元件作為敏感元件來感受壓力，并且以彈性元件受壓變形后發(fā)生的反作用力與被測壓力相平衡的原理制成的。1彈簧管式壓力計(jì)主要由：彈簧管，齒輪傳動機(jī)構(gòu)，指針，刻度盤組成。使用彈簧管壓力計(jì)本卷須知：a選用i儀表應(yīng)工作在正常允許范圍內(nèi)，靜壓力下不應(yīng)超過測量上限值的70％，波動壓力下，60％；ii工業(yè)用壓力表應(yīng)在環(huán)溫為-40～60℃，相對濕度大于80％條件下使用；iii如測量有爆炸、腐蝕、有毒的氣體的壓力時(shí)，應(yīng)使用特殊的儀表；b使用i在振動情況下，使用儀表時(shí)，要裝減震裝置；ii測量結(jié)晶或粘度較大的介質(zhì)時(shí)，要加裝隔離器；iii儀表必須定期校驗(yàn)，合格的表才能使用；c安裝i儀表安裝處與測定點(diǎn)間的距離應(yīng)盡量短，以免指示緩慢；ii儀表必須垂直安裝，防止泄漏；iii儀表的測定點(diǎn)與儀表安裝處應(yīng)處于同一水平位置上，否那么將產(chǎn)生附加高度誤差，必要時(shí)須加修正值。2膜片式壓力計(jì)利用金屬膜片作為感壓元件制成的。膜片：圓形薄片，四周固定；當(dāng)膜片兩側(cè)面受到不同壓力時(shí)，膜片中部將產(chǎn)生變形，彎向壓力低的一面，使中心產(chǎn)生一定的位移，通過傳動機(jī)構(gòu)，使指針轉(zhuǎn)動。分為：平面膜片和波紋膜片，波紋膜片靈敏度較高用途：一般可用于測量腐蝕性介質(zhì)或粘性介質(zhì)的壓力。3膜盒式壓力計(jì)用兩個金屬膜片相對焊接而制成的與膜片相比，可增加中心位移量，提高靈敏度，其靈敏度是單個膜片的兩倍假設(shè)想進(jìn)一步提高靈敏度，可用多個膜盒串聯(lián)組合制成多膜盒式壓力計(jì)用途：常用于測量氣體的微壓和負(fù)壓4波紋管式壓力計(jì)用波紋管作為感壓元件工作原理：在壓力或軸向力的作用下，波紋管將伸長或縮短，由于它在軸向容易變形，所以通常以其軸向位移量作為其輸出量，當(dāng)波紋管在用作壓力敏感元件時(shí)，將波紋管開口的一個端面焊接在固定的基座上，壓力由此傳至管內(nèi)，在壓力差作用下，壓力由開口處導(dǎo)入波紋管的內(nèi)腔，在波紋管內(nèi)外壓力差作用下，波紋管伸長或壓縮，管的自由端產(chǎn)生位移，通過傳動放大機(jī)構(gòu)，使指針在刻度盤上偏轉(zhuǎn)，它受壓時(shí)線性輸出范圍比受拉時(shí)大，故常在壓縮狀態(tài)下使用。波紋管：一種外表上有許多同心環(huán)狀波形皺紋的薄壁圓管，分為單層和多層兩種。由于波紋管在軸向容易變形，靈敏度較高，在測量低壓時(shí)比彈簧管和膜片靈敏得多。缺點(diǎn)：遲滯誤差大5彈性壓力計(jì)誤差及改善途徑由于環(huán)境的影響，儀表的結(jié)構(gòu)，加工和彈性材料性能的不完善，會給壓力測量帶來各種誤差。1〕相通壓力下，同一彈性元件正反行程的變形量不一樣，產(chǎn)生遲滯誤差；2〕彈性元件的變形落后于被測壓力變化，引起彈性后效誤差；3〕儀表各種活動部件之間有間隙，示值與彈性元件的變形不完全對應(yīng)，引起間隙誤差；4〕儀表活動部件運(yùn)動時(shí)，相互間有摩擦力，產(chǎn)生摩擦誤差；5〕環(huán)境溫度改變會引起金屬材料彈性模量變化，造成溫度誤差。主要途徑：1〕采用無遲滯誤差或遲滯誤差極小的“全彈性〞材料，和溫度誤差很小的“恒彈性〞材料制造彈性元件；2〕采用新的轉(zhuǎn)換技術(shù)，減少或取消中間傳動機(jī)構(gòu)，以減少間隙誤差和摩擦誤差，如：電阻應(yīng)變技術(shù)。第四節(jié)動態(tài)壓力測量對于動態(tài)壓力測量，通常是用壓力傳感器，將其轉(zhuǎn)變成電信號來進(jìn)行測量。常用壓力傳感器有：電阻式傳感器根本原理是利用電阻元件，把被測量〔如：壓力〕的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，通過測量電阻的變化來確定被測量值。分類：根據(jù)電阻變化方式的不同，可分：壓阻式：改變導(dǎo)體的內(nèi)部接觸電阻；應(yīng)變式：改變導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)部應(yīng)力；變阻式：改變導(dǎo)體的長度；熱敏電阻式：由于溫度變化引起電阻變化。如：應(yīng)變式、壓電式，壓阻式等。電感式傳感器電容式傳感器下面主要介紹各種傳感器原理，結(jié)構(gòu)，及性能。一應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變效應(yīng)原理：主要由彈性元件和應(yīng)變片組成，通過粘結(jié)在彈性元件上的應(yīng)變式的阻值變化來反映被測壓力值〔“應(yīng)變效應(yīng)〞〕。由物理學(xué)有：全微分：兩邊除以R：由材料力學(xué)有：叫軸向應(yīng)變，簡稱應(yīng)變叫橫向應(yīng)變二者關(guān)系：〔μ為泊松系數(shù)〕而對于電阻率ρ，它的變化是由壓阻效應(yīng)引起的，和應(yīng)力F之間的關(guān)系：〔為壓阻系數(shù)〕由材料力學(xué)虎克定律可知應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系：〔E為彈性模量〕綜合上述幾式，那么〔1〕式變成，令：那么：〔k稱為應(yīng)變絲的靈敏度系數(shù)〕對于金屬：k＝1~2；對于半導(dǎo)體：k＝60～170可見，半導(dǎo)體靈敏度較高，但由于它受溫度變化影響較大，性能不穩(wěn)定。所以一般還是采用金屬材料制作應(yīng)變片。只要測量出應(yīng)變片電阻值的相對變化，就可以直接知其應(yīng)變量，進(jìn)而求得被測壓力。結(jié)構(gòu)及其性能：應(yīng)變片由應(yīng)變敏感元件、基片〔用來固