制冷与低温测试技术知识点整理

制冷与低温测试原理要点

2017.6

（个人理解，仅供参考）

1、300K-常温、120K-低温上限、90K-氧液化点、77K-氮液化点、20K-氢液化点、4.2K-氦液化点、2.17K-超流氦转化点<1937年卡皮查发现，特点为：无流动阻力和超强导热性>。

2、制冷技术发展两个阶段：天然冷源应用（到十八世纪中期），主动的机械制冷阶段（十八世纪中期至今）。

3、常用的低温工质：空气、氧、氮、氩、氖、氢、氦（对应1中液化温度）。

4、测量：利用某种测量工具或仪器，通过一定的方法，直接或间接地得到所需要的量值的过程。

5、数据处理：利用统计学的方法，从理论上估计随机误差对测量结果的影响，也就是首先从测量序列中得一个最优概值，然后对最优概值的测量误差做出估计，得到测量值的过程。

6、测量条件：人、仪表和外界条件。

7、仪表系统：传感器、调理传输器和数据显示器。

传感器：将感受到的被测量信号转换成相应信号输出（影响单一、单值函数关系、反应快延迟小、少干扰）。

调理传输器：根据数据获取与相应部件的要求调理与传送感受件输出的信号（要求：信号稳定、精确度高、信息损失小）。

数据显示：实验者观察被测参量的数值和变化（模拟式、数字式、屏幕式）。

8、测量仪表的质量指标

绝对误差、相对误差、基本误差（规定工作条件下，仪表的最大误差与量程之比）。

量程：仪表能够测量的最大输入量与最小输入量间的范围。（最好使测量值落在仪表量程的三分之二左右）

精度：仪表在规定的工作条件下允许的最大相对百分误差，表征指示值与真值接近的程度。

灵敏度：稳态条件下输出变化对输入变化的比值。表征仪表对被测参数变化的敏感程度。

分辨率：仪表响应或分辨输入量微小变化的能力。表征引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。不灵敏区称为死区。

线性度：传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差对满量程输出的百分比。表征校准曲线接近规定直线的吻合程度。

重复性：在全量程范围内对应于同一输入值，输出的最大值与最小值之差对量程的百分比。表征同一条件下，对同一输入值，仪表输出值的一致程度。

9、测量误差：测量所得数据同其真值之差

绝对误差、相对误差

真值：被测量的真实值（无限次测量时，测量值的平均值机位真值）

测量误差的来源：测量装置误差、测量环境误差、测量方法误差、测量人员误差。

测量误差分类：系统误差（测量仪表和方法造成，有规律。采用一定技术措施可以削弱或消除）、粗大误差（过失误差，操作不当引起误差。利用来伊特准则剔

除，3σ）、随机误差（随机分布，有界性、对称性、抵偿性。多次测量求平均值可以削弱）。

算数平均值标准误差：有限次测量的算数平均值与实际真值的偏差（μδ=，

无限次测量时趋向于0）。<有限次测量和无限次测量标准差不同的根源> 标准差

：无限次σ==

σ== 一般函数的误差传递：1212f f dy dx dx x x ∂∂=+∂∂，

y σ=（多

元函数泰勒展开得到）

误差综合：代数合成、绝对值合成、均方根合成。

作业：

1、 简述误差分析对指导获得准确数据的作用。

正确认识误差的本质，分析误差产生的原因（从根本上减小和消除误差）、正确组织实验过程，合理设计、选用仪器和测量方法（根据测试目标确定最佳测试系统）、正确处理测量和试验数据，获得有效试验结果（通过计算得到更接近真值的数据）。

2、 推导出商的函数误差传递式。

11122112121211222222222()x x x x x x x x x x x x x x x y y x x x x x x +∆+∆+∆+∆∆∆+∆+∆===++∆+∆

3、 谈谈你对无限次测量和有限次测量标准误差公式的理解。

无限次：222221

111()2n n n n i i i i i i i i x M x M x nM δ=====-=-+∑∑∑∑ 有限次： 2

22221111()2n n n n i i i i i i i i x x x n δμμμ=====-=-+∑∑∑∑

两者的差距为算数平均值标准误差，无限次测量时，算数平均值误差为0. 动态测量：

10、测量系统静态特性指标：

基本指标：灵敏度（单位输入的系统响应量大小）、分辨率（单位响应对应的系统输入量）、测量范围（测试系统具备覆盖被测输入量的区间）。

质量指标：线性度（特性曲线或称校准曲线与拟合直线的接近程度）、准确度（线性度、迟滞和重复性之和）、稳定性（不受时间变化影响的能力）。 动态特性：测量系统扥输出对随时间快速变化的输入量的响应特性。

动态测量和数据采集的特点：特别关注时间变量对测量过程及试验数据的影响。

采样定理：根据采样信号复现原有连续信号所必须的最小采样频率应当是2fmax ，其中fmax 是被采集信号频率范围的最高频率。

温度测量

1、温度：衡量冷热程度的一种参数（对于平衡系统，温度是描述系统不同自由

度之间能量分布的基本物理量）

2、温度测量基本依据（热力学第零定律）：如果两个热力系统同时与第三个热

力系统达到热平衡，则这两个系统也将彼此热平衡。

3、温标：温度数值的定义和表示方法。（三要素：固定点、内插仪器、内插方法）

4、理想气体温标：在压力一定时，温度每升高一度，一定量气体的体积的增加

值是一个定值，体积膨胀率与温度呈线性关系。（PV nRT

=）（只用一个固定点确定温标，与测温介质无关）<绝对温标>

5、热力学温标：在两个温度的热源间工作的可逆热机与热源所交换的热量的比

值等于温度之比（

11

22

Q T

Q T

=

）。

6、三种温标换算：T（K）=T（℃）-273.15，T（F）=1.8T（℃）+32。

7、现行国际温标ITS-90

内插仪器：0.65K-5.0K（3He和4He蒸气压温度计）、3.0K-24.5561K（3He和4He定容气体温度计）、13.8033K-961.78K（标准铂电阻温度计）、961.78K以上（普朗克辐射定律）。

思考题：1、什么是温标？什么是热力学温标？（见3、5）

2、什么时候需要测量热力学温度？

8、温度计选择主要考虑因素：覆盖温区（准确度，稳定性）；元件尺寸、保护管；灵敏度、对测量仪表的要求；热响应时间；经济型；可靠性；耐久性。

9、常用温度计：膨胀式温度计（玻璃液体温度计、双金属温度计、气体温度计、蒸气压温度计）、电阻性温度计（铂电阻、铜电阻、热敏电阻）、热电偶、辐射温度计。

10、水银温度计：针对水银受热膨胀的特性利用温泡与毛细管容积之差异，直接

观测液柱顶端为止测定温度（化学性能稳定、容易提纯，温区-60℃-500℃，环境

污染，有毒）。（酒精温度计-114-78）

11、双金属温度计：两个膨胀系数不同的金属压在一起，制成环形弯曲状或螺旋卷状，一段固定，温度变化时自由端受热膨胀，带动指针旋转。（与双金属压力计原理基本相同）（简单，方便，便宜，可靠性高，温区-80℃-500℃）

12、蒸气压温度计：利用物质液态与气态两相平衡。

13、铂电阻温度计：利用铂丝电阻随温度变化特性，测量电阻计算温度（线性度好，温区宽-260℃-960℃，灵敏度高，机械性能好，容易加工）

14、热电偶温度计：两种成分不同的导体或半导体组成闭合回路，当两个节点温度不同时，电路中将产生电流。（接触电势和温差电势，热电偶主要利用不同种导体的温差电势差异）

中间温度定律：热电势只产生于有温度梯度的区间，若同一种材料两端温度相同，不会有电势差。

中间材料定律：如果插入第三种材料，若这种材料两端温度相同，不会产生电势