1、,化工原理實驗基礎(chǔ)知識,李 玉 化工與能源學(xué)院,第一部分 化工原理實驗簡介,課程簡介 化工原理實驗是一門以化工單元操作過程原理和設(shè)備為主要內(nèi)容，以處理工程問題的實驗研究方法為特色的實踐性課程。 化工原理實驗不同于基礎(chǔ)實驗課，具有典型的工程實踐特點，其實驗設(shè)備、工藝流程、操作條件和參數(shù)變量，都接近于工業(yè)生產(chǎn)實際。研究問題的方法是用工程的觀點去分析、觀察和處理數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果可以直接用于或指導(dǎo)工程計算和設(shè)計。,課程特點,1、單獨設(shè)課，必修，12 學(xué)時，0.5 個學(xué)分。 2、具有明顯的工程特點：實驗裝置設(shè)計的較大，且操作點較多，比較接近工程實際，可是學(xué)生在實驗過程中獲得一些化工操作的感性認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生

2、的工程概念。,實驗?zāi)康呐c要求,1、驗證、鞏固、加深理解有關(guān)理論：提高利用基本理論、分析解決化工實際問題的能力。 2、熟悉實驗流程、設(shè)備以及儀器儀表的原理和使用方法：基本掌握化工實驗的基本技能。 3、正確對實驗數(shù)據(jù)進行分析整理，總結(jié)出規(guī)律：學(xué)習(xí)處理數(shù)據(jù)的方法，培養(yǎng)化工實驗的研究能力。 4、通過實驗使同學(xué)們初步建立基本的工程概念。,實驗性質(zhì)：,基本實驗：這部分實驗有學(xué)生自己動手操作，測取數(shù)據(jù)。,兩類：演示實驗、基本實驗,演示實驗：目的是將課堂教學(xué)中提到的公式和概念，通過實驗使之形象化和具體化，以加深同學(xué)們對抽象公式和概念的理解。,完成基本實驗步驟：,預(yù)習(xí)： （以大班為單位）,課堂集體預(yù)習(xí)：了解實驗

3、目的、原理、設(shè)備流程、操作步驟和注意事項。 現(xiàn)場分班預(yù)習(xí)：（以小班為單位）現(xiàn)場弄清楚流程、操作、所測取的數(shù)據(jù)及方法，并預(yù)分工。,實驗操作： （以小組為單位）,1、實驗前的提問檢查：筆試（提問分，7） 2、操作：組長按預(yù)分工情況對組員合理分工，按預(yù)定方案分組操作。（操作分，5分） 3、數(shù)據(jù)檢測：不符合規(guī)律的要求重做。（實驗質(zhì)量，2）,完成基本實驗步驟：,實驗報告：,實驗總結(jié)：,要按時上交，并按學(xué)號排整齊。（不按時要扣分）,下一個實驗預(yù)習(xí)之前總結(jié)。,實驗報告書寫格式,封皮：見實驗報告封皮-阻力 紙張要求：優(yōu)質(zhì)稿紙或B5打印紙,實驗報告書寫格式,1、實驗?zāi)康?不能按照講義上的死搬照抄，具體實驗，具體

4、分析。（照抄扣分） 如：實驗一：流體流動阻力的測定中實驗?zāi)康亩毫私獠⒄莆樟鹘?jīng)直觀和管件引起的壓降（阻力損失）及阻力系數(shù)的變化規(guī)律。但實驗裝置是分為三種情況設(shè)計的，即流體流經(jīng)直管和閥門、直管和彎頭、直管和突縮引起的阻力損失，每個組作的情況是不同的，所以不能照抄講義。,實驗報告書寫格式,2、實驗原理,以集體預(yù)習(xí)時教師講的為準(zhǔn)。（照抄扣分）,實驗報告書寫格式,3、流程圖,通過流程圖可以了解我們是采用什么樣的方法以及利用什么儀器、儀表來實現(xiàn)試驗?zāi)康??？闪私饬黧w的走向。 （1）、按合適的比例畫出流程示意圖。用稿紙時，線條不能與稿紙橫線重疊，可用白紙或稿紙的背面。 （2）、要用序號列出主要的儀器、設(shè)備。

5、 （3）、流程描述：即用箭頭將操作步驟表示出來,實驗報告書寫格式,4、計算示例,每位同學(xué)選擇一組數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)不能重復(fù)，利用公式或原理，手算出結(jié)果。即原始數(shù)據(jù)公式/原理結(jié)果,5、結(jié)果表示：,三種方法：表格、坐標(biāo)圖、回歸（不要求）,實驗報告書寫格式,6、對實驗結(jié)果的分析與討論：,（1）從理論上對實驗所得結(jié)果進行分析和解釋,說明其必然性 ； （2）對實驗中的異常現(xiàn)象進行討論; (3)分析誤差的大小以及產(chǎn)生的原因，如何提高測量精度; (4)本實驗結(jié)果在生產(chǎn)實踐中的價值和意義; (5)由實驗結(jié)果提出進一步的研究方向或?qū)嶒炑b置和實驗方法等提出改進意見。,實驗報告書寫格式,6、實驗結(jié)論,結(jié)論是根據(jù)實驗結(jié)果

6、所做出的最后判斷,得出的結(jié)論要從實際出發(fā),要有理論根據(jù).,五、單個實驗成績評定,單個成績（100）=實驗現(xiàn)場成績（40）+ 實驗報告成績（60）,1現(xiàn)場成績 （40）,實驗現(xiàn)場（40）= 紀(jì)律（5）+ 預(yù)習(xí)報告（5）+ 筆試考察（10）+操作（15）+ 實驗質(zhì)量（5）,2實驗報告（60）,實驗報告（60）=原理（10）+流程成圖（10）+計算示例（10）+結(jié)果表示（10）+ 分析（10）+整潔度（10） 整潔度指報告整體情況，包括封皮、條理、思路、整潔及裝訂等多方面考察。,3總成績：,每個實驗打出分?jǐn)?shù)，F(xiàn) = F現(xiàn)場 + F報告 最后按實驗個數(shù)進行算術(shù)平均，即為最終成績： F = F（現(xiàn)場+報

7、告）/n,第二部分: 實驗結(jié)果的兩種表示方式,表 格,分橫表和豎表，本實驗要求用豎表。 在列表時，應(yīng)包括記錄表和結(jié)果綜合表兩部分。 記錄表部分包括原始數(shù)據(jù)記錄表、中間和最終計算結(jié)果記錄表。原始記錄表應(yīng)在實驗前擬就，包括序號、各測量點的讀數(shù)，當(dāng)時大氣壓力和溫度條件。 計算結(jié)果綜合表也應(yīng)包括序號、必要的中間運算結(jié)果和最終結(jié)果。它們應(yīng)按先后次序順序列出。實驗結(jié)果綜合表反映變量間的依從關(guān)系，表達實驗過程中得出的結(jié)論。該表應(yīng)簡明扼要，只包括所研究變量之間的關(guān)系。,表 格,如 Re=du/=4/d,1表頭：項目用符號表示，并標(biāo)注單位，如P/Pa ，h/mm 2數(shù)字要注意有效數(shù)字：有效數(shù)字4位即可。,表 格

8、,3數(shù)字較大或較小時應(yīng)當(dāng)用科學(xué)計數(shù)法；將階數(shù)寫在表頭，如51000=5.100104 ，表格中填寫5.100，而在表頭中應(yīng)注明10-4。再如：0.0003246，表格中應(yīng)填寫3.246，而在表頭中應(yīng)注明104。 4對實驗中的常數(shù)項，例如管長、管徑應(yīng)在表格上方注明，而不能寫在表頭中。 5、數(shù)據(jù)要求：同一行代表同一個實驗條件，同一列中數(shù)據(jù)小數(shù)點應(yīng)照齊。,實驗結(jié)果的兩種表示方式,坐標(biāo)圖,分為直角坐標(biāo)、半對數(shù)坐標(biāo)、雙對數(shù)坐標(biāo),作圖原則：既要保證按預(yù)定準(zhǔn)確度從圖上標(biāo)出數(shù)值，又要使全部數(shù)據(jù)大體均勻分布在整個圖面上。習(xí)慣上常以橫坐標(biāo)表示自變量，縱坐標(biāo)表示因變量。盡量使標(biāo)繪在圖紙上的圖線越簡單越好，最好為一條

9、直線。,坐標(biāo)圖,兩個軸的標(biāo)度按均勻分度。 一般情況下符合線形關(guān)系的函數(shù)可采用，也可用于標(biāo)繪常見的曲線關(guān)系，如：圓、拋物線、雙曲線等。,1、直角坐標(biāo),坐標(biāo)圖,2、雙對數(shù)坐標(biāo),是由兩個均以對數(shù)標(biāo)度的坐標(biāo)軸構(gòu)成的。一般適用于冪函數(shù)方程，如：y = axb 用雙對數(shù)坐標(biāo)表示則成一條直線。 兩邊取對數(shù)，則得：logy=loga+blogx 令 Y= logy, A= loga, X=logx 則 Y= A+bX 原點可以選擇10，102，103，104，具體情況具體分析。 實驗 1 流體流動阻力的測定，實驗 2 離心泵特性曲線的測定，實驗 5 傳熱測定實驗要求用雙對數(shù)坐標(biāo)。,雙對數(shù)坐標(biāo),在下列情況下，建

10、議用雙對數(shù)坐標(biāo)： （1）所研究的函數(shù) y 和自變量 x 均發(fā)生了幾個數(shù)量級的變化； （2）需要將曲線開始部分劃分成展開的形式； （3）需要將某種曲線函數(shù)關(guān)系變換為直線函數(shù)關(guān)系。,坐標(biāo)圖,3、半對數(shù)坐標(biāo)：,半對數(shù)坐標(biāo)系是按以下方法制成的：一個軸的標(biāo)度按均勻分度，另一個軸的標(biāo)度是對數(shù)標(biāo)度。 一般適用于指數(shù)函數(shù)方程，如y = abx 兩邊取對數(shù)，則得：logy = loga + xlogb 令 Y = logy, A= loga, B=logb 則 Y= A+BX 實驗3：流量計的標(biāo)定要求用半對數(shù)坐標(biāo),半對數(shù)坐標(biāo),在下列情況下，建議用半對數(shù)坐標(biāo)： （1）變量之一在所研究的范圍內(nèi)發(fā)生了幾個數(shù)量級的變化

11、； （2）在自變量由零開始逐漸增大的初始階段，當(dāng)自變量少許變化會引起因變量極大變化時。此時，用半對數(shù)坐標(biāo)，曲線最大變化的范圍可伸長，使圖形輪廓清楚； （3）需要將某種曲線函數(shù)關(guān)系變換為直線函數(shù)關(guān)系。,坐標(biāo)圖,特別注意，使用對數(shù)坐標(biāo)時應(yīng)明確的是： （1）標(biāo)在對數(shù)坐標(biāo)紙上的數(shù)值是真數(shù)，而不是對數(shù)； （2）由于log1= 0，故普通坐標(biāo)紙上x = 0 處的垂線（即軸線），在對數(shù)坐標(biāo)紙上則為 x = 1處的直線； （3）由于0.001，0.1，1，10，100，等的距離相等。因此，即使數(shù)據(jù)范圍很大（幾個數(shù)量級），這種坐標(biāo)紙還可以容納得下。這是采用雙對數(shù)坐標(biāo)紙的優(yōu)點之一。,第三部分：誤差計算,科學(xué)是從測

12、量開始的，對自然界各種現(xiàn)象的定量研究，都需要借助與實驗和測量手段。但由于認(rèn)識水平和數(shù)據(jù)處理本身的限制，測量值和真值并不一致，這就是誤差。誤差理論是在實驗基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。這里只闡述那些與我們實驗處理結(jié)果有關(guān)的的一些概念和方法。 誤差是指測量值和真值之差。偏差是指測量值與平均值之差。在測量次數(shù)足夠多時，誤差與偏差很接近。習(xí)慣上，常將兩者混用。,誤差分析的應(yīng)用,誤差分析理論不但用于計算測量結(jié)果的誤差，確定實驗的精度，同時由誤差分析可以找到誤差的主要來源及每一個因素所引起的誤差大小，從而可以改進研究方法和實驗方案。在實驗前，也可根據(jù)這些概念選用實驗方案和使用儀表。,一、誤差的分類：,按表達方式分為三

13、類： 絕對誤差 相對誤差 標(biāo)準(zhǔn)誤差（均方根誤差）,一、誤差的分類,絕對誤差：,它是測量值x與真值x0之間的差值，可表示為 = x - x0 一般真值很難測出，所以往往用殘差V= x - xp表示。 根據(jù)誤差的性質(zhì)及產(chǎn)生的原因，可將誤差分為： 偶然誤差 系統(tǒng)誤差 粗大誤差。,一、誤差的分類,相對誤差：,是指絕對誤差和真值x0 的比值，即=/ x0 但誤差較小時，可近似等于/ x 。通常用百分?jǐn)?shù)來表示。,絕對誤差和相對誤差都可用來判斷測試的準(zhǔn)確程度，但在比較不同類量或同類量但不同值下的測試情況，相對誤差較為有用。,如測量工具 A 測試xA = 100mm的長度時，其極限誤差為0.1mm；而另一種測

14、量工具B測試xB = 10mm的長度時，其極限誤差為0.05mm. 若按絕對誤差，則B由于A ，但若比較其相對誤差則， SA =A / xA = 0.1/100 = 0.1 % SB =B / xB = 0.05/10 = 0.5 % 則前一種測試，準(zhǔn)確度更高。 因此，在進行一種測試時，既要考慮測試工具的精度，又要注意到被測量值的大小，只有兩者匹配才能減小測量結(jié)果的相對誤差。,一、誤差的分類,一、誤差的分類,標(biāo)準(zhǔn)誤差（均方根誤差） ：,方差 的大小反映的是各個測量值對其平均值的分散程度。 值越小，說明是小的誤差占優(yōu)勢，精度愈高。,二、直接測量中誤差的估計,1、有儀表精度等級直接測量值的誤差的估

15、算：,儀表的精度:所得測量值接近真實值的準(zhǔn)確程度. 儀表的精度等級常用的有0.25，0.4，1.5，2.5，4.0等，它們都用一個小圈印在儀表面板上。圈內(nèi)的數(shù)字既代表相對誤差，也表示儀表的精度等級。若某儀表為s級，說明該儀表在出廠時規(guī)定的條件下，此儀表的最大引用誤差不會超過s%。若儀表的測量點為X測，則該儀表在X測的示值誤差應(yīng)為：絕對誤差：=滿量程s% 相對誤差：=最大/X測 由此可見X測越接近滿量程，其準(zhǔn)確度越高。一般情況下，取 X測=滿量程3/4,2、無儀表精度等級直接測量值的誤差的估算,最大讀數(shù)誤差： 最大 = 最小刻度的一半,長度、重量、時間,數(shù)顯儀表,最大 = 最小顯示數(shù)字5,如溫度

16、數(shù)顯儀表0.1，其最小刻度為1，則最大讀數(shù)誤差為0.5； 功率顯示儀表0.01KW，其最小刻度為0.1KW，則最大讀數(shù)誤差為0.05KW；,（1）長度 誤差估算,如在實驗流體流動阻力的測定中,要測定液位的高度，高度的單位為 mm，那么 其最大讀數(shù)誤差 = 0.5 mm 在讀取高度的過程中要讀兩次讀數(shù)，所以 =0.52/X測=1/X測 若1%，那么X測100mm,（2）時間誤差估算,機械秒表： 最小刻度是0.1s 最大的讀數(shù)誤差=0.1s =0.01/X測=0.1/X測 若 1%，那么X測10 s （雖只讀一次，卻卡兩次表）,（3）壓差計讀數(shù)誤差估算,形管壓差計每一小格代表10 Pa,則 最大讀

17、數(shù)誤差 = 5 Pa，則 = 52/P = 10/P 若 1%，那么P1000Pa,三、間接測量中誤差的估計,誤差傳遞：由于直接測量值存在誤差，會給計算結(jié)果（即間接測量值）帶來誤差，其誤差大小取決于各直接測量值的誤差及相互間的函數(shù)關(guān)系，這就是所謂的誤差傳遞。,1、誤差傳遞的一般公式,若間接測量值y 是各等精度的直接測量值x1，x2， xm的函數(shù)，表示為y = (x1，x2，xm)，直接測量值的絕對誤差分別為x1，x2， xm，將函數(shù)式求全微分得：,1、誤差傳遞的一般公式,（1）,將上式中的微分換成差分表示，則有：,（2）,其極限誤差為：,（3）,1、誤差傳遞的一般公式,其中，,-稱為誤差傳遞系數(shù)；,-直接測量值的絕對誤差；,-間接測量值的極限誤差。,其相對誤差為：,2、誤差均分原則,在設(shè)計一套實驗測試裝置時，若要求間接測量值的相對誤差 ，又知其系數(shù)，因此可以求出相對誤差間的關(guān)系，例如：,式中n1，n2，n3為系數(shù)。,假設(shè)：,，各直接測量值的相對誤差相等。,則有：,此即為誤差均分原則。,誤差的計算，是根據(jù)最保險的