热能与动力工程测试技术完整版

热能与动力工程测试技
术
HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
1、何为动压静压总压P129
答：静压是指运动气流里气体本身的热力学压力。

总压是指气流熵滞止后的压力，又称滞止压力。

动压为总压与静压之差。

2、试画出皮托管的结构简图，说明皮托管的工作原理，并导出速度表达式（条件自拟，不考虑误差）。

P143~P144
3、某压力表精度为级，量程为0~，测量结果显示为，求精确度、最大绝对误和差示值相对误差δ
4、在选用仪器时，应在满足被测要求的前提下，尽量选择量程较小的仪器，一般应使测量值在满刻度要求的2/3为宜。

P5
5、测量误差可分为系统误差、随机（偶然）误差、过失误差。

6、随机误差正态分布曲线的四个特性为单峰性、对称性、有限性、抵偿性。

7、热电偶性质的四条基本定律为均质材料定律、中间导体定律、中间温度定律、标准电极定律。

8、流量计可分为：容积型流量计、速度型流量计、质量型流量计。

P161
9、除利用皮托管测量流速外，现代常用的测速技术有：热线（热膜）测速技术、激光多普勒测速技术（LDV）、粒子图像测速技术。

10、简述金属应变式传感器的工作原理。

答：金属应变式传感器的工作原理是基于金属的电阻应变效应，即导体或半导体在外力作用下产生机械形变时，电阻值也随之产生相应的变化。

P63
11、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。

12、按照得到最后结果的过程不同，测量方法可以分为直接测量，间接测量和组合测量。

13. 按工作原理，任何测量仪器都应包括感受件，中间件和效用件。

14. 测量误差按照产生误差因素的出现规律以及它们对测量结果的影响程度来区分可以将测量误差分为系统误差，随机误差和过失误差。

15. 系统误差的综合包括代数综合法、算术综合法和几何综合法。

16. 金属应变式电阻传感器温度补偿的方法有桥路补偿（补偿片法）和应变片自补偿。

17. 自感式电感传感器分为变气隙式、变截面式和螺管式。

18. 光电效应分为三类：外光电效应（元件有光电管、光电倍增管）、内光电效应（元件有光敏电阻、光导管）、光生伏特效应（元件光电池、光敏晶体管）
19. 使用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。

20. 热力学温标T和摄氏温标t的转换关系T=t+
21. 可用于压力测量的传感器有压阻式传感器、压电式传感器和电容式差压传感器。

22. 流量计的类型有容积型流量计、速度型流量计和质量型流量计。

24
①易于实现集中检测、控制和远距离测量②响应速度快，可以测量瞬时值及动态过程③使热动测试的连续测量、自动记录和自动控制成为可能④测量的准确度和灵敏度高，可以测量微弱信号并将其放大与长距离传输⑤易于和计算机等进行连接，记录和处理数据方便
25、电阻式传感器原理—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
26、金属应变式传感器原理—导体或半导体在歪理作用下产生机械变形时，电阻值也
---------应变片结构：基底，敏感栅，覆盖层，引出线
应变片的温度补偿：1）桥路补偿2）应变片自补偿：选择特定的应变片，采用双金属敏感栅自补偿应变片，热敏电阻补偿。

27、半导体压阻式传感器：压阻效应—固体材料在受到应力作用后，电阻率都会发生变化的效应；
28、电感式传感器—在电磁感应基础上，利用线圈自感或互感变化，把被测量转换为
感量变化的传感器。

分为自感式和互感式
两种
（1）自感式：①变气隙式—电感量L=
N2N0N
2N ；δ:气隙厚度A:气隙截面积μ
:
真空磁导率。

δ越小，灵敏度越高。

②变
截面式；③螺管式：结构简单、制作容易，但由
于磁阻较大因而灵敏度低，主要用于测量大位移的场合
（2）互感式电感传感器：又称差动变压器，他把被测位移变化转化为传感器互感变化。

目前用的最多的就是螺管形差动变压器，由线圈和铁芯组成。

29、电容式传感器—功率小、阻抗高、动态性能好、结构简单，可用于非接触式测量两极板间的电容
量C=NN
N =N N N
N
×8.854×10−12；A：面积，N：介电常数，N=N N N N，N N=N.NNN×
NN−NN N N
⁄；d：极板间距，改变其中任意一个，C都会变化，因此可再分为：变极板间隙型、变面积型、变介电常数型
30、压电式传感器—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
过电荷放大器的放大，可实现电测的目的；
压电效应：某些结晶物质，当沿它的某个结晶轴施力时，内部会出现极化现象，从而在表面形成电荷集结，电荷量大小和作用力大小成正比
逆压电效应：在晶体某些表面之间施加电场，在晶体内部会出现极化现象，促使晶体变形
31、磁电式传感器—转速测量时最常用的传感器之一，也称感应式传感器。

32、热电式传感器是将温度变化转为电量变化的传感器；
（1）热电阻式传感器→热
电阻效应：电阻率随本身温
度变化而变化的现象；电阻
随温度变化导体或半导体称为热电阻器件。

金属随温度升高电阻增大，半导体随温度升高电阻下降。

（2）热电偶式传感器→热电现象：两种不同的导体A和B组成闭合回路，若两连接点温度T和T
不同，则在回路中产生热电动势，形成热电流的现象。

A和B两导体称为热电极，他们组合称为热电偶。

接触热场的一端（温度为T）为工作端，另一端称为自由端。

热电偶输出电动势的大小只取决于两种金属的性质和两端温度。

热电偶四大基本定律：
①均质材料定律：一种材料组成的闭合回路不会产生热电动势
②中间导体定律：插入第三种（多种），只要插入材料的两端温度相同，就不会使热电偶的热电动势发生变化
③中间温度定律：E
AB (t,t
)=E
AB
(t,t
n
)+EAB(t
n
,t
)
④标准电极定律:E
AB (t,t
)=E
AC
(t,t
)-E
BC
(t,t
)
对热电极材料的要求：①测量结果不随时间变化②足够的物理化学稳定性③热电动势应尽可能大并与温度成单值线性或近似于线性关系④电阻温度系数小，电导率高⑤材料复制性好，制造简单，价格便宜
33 1.在光线的作用下能使电子溢出物质表面的称为外光电效应，有光电
2.在光线作用下使物体电阻率改变的称为内光电效应，有光敏电阻和由光敏电阻制成的光导管等；
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，有光电池和光敏晶体管等。

34、霍尔传感器：利用半导体的霍尔效应进行测量的传感器
35、温标：用来度量温度高低的尺度称为温度标尺，简称温标，它规定了温度的零点和基本
36
1)
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，响应速度较快。

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非接触式温度计高。

37、（1）膨胀式温度计：利用物质体积随温度升高而膨胀的特性制作的温度计。

具体有三种：玻璃管液体温度计、压力式温度计、双金属温度计。

玻璃管液体温度计：常用水银温度计，水银不粘玻璃，不易氧化，在相当大的温度范围内
（-38~356℃）保持液体，在200℃以下，膨胀系数几乎与温度呈线性关系，所以可做精密标准温度计。

使用玻璃管温度计注意两个问题：①零点漂移②露出液柱校正
压力式温度计：基于密闭系统内的气体或液体受热后压力变化的原理而制成，由温包、毛细管和弹簧管组成。

双金属温度计：线膨胀系数不同的两金属构成的金属片作为感温元件，当温度变化时，由于两种金属的线膨胀系数不同，双金属片就产生与被测温度大小成比例的变形，这种变形通过相应的传动机构由指针指示出温度数值，分为螺旋形和盘形双金属温度计两种。

（2）热电阻温度计：利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而变化的特性制成。

（3）热电偶温度计：利用热电效应而制成的感温元件（见热电偶传感器）。

（4）温度计的校验①热电阻温度计的校验：a、比较法 b、两点法。

（5）接触式温度计的感温元件正确反映物体温度，必须满足的两个条件：①热力平衡条件，使感温元件与被测对象组成孤立的热力学系统，并经历足够的时间，使两者完全达到热平衡。

②当被测对象温度变化时，感温元件的温度能实时的跟着变化，即使传感器的热容和热阻为零
（6）造成温度计时滞的两个因素：①感温元件的热惯性②指示仪表的机械惯性。

38、非接触式温度计：基于热辐射原理。

39、气体温度计：常用于测量热力学温度。

根据热力学原理，理想气体的状态方程pV=nRT，用理想气体温度计测出的温度就是热力学温度。

气体温度计分为三种：定容气体温度计、定压气体温度计、测温泡定温气体温度计。

40、压力——流体对单位面积上的垂直作用力，即压强。

绝对压力：以完全真空作为
仪表上指示的压力，其数值为绝对压力减当地大气压；绝对压力=表压力+当地大气压常用单位有Pa（帕）、at（工程大气压）、atm
（毫米汞柱）
1bar=1×105 Pa；1atm=101325 Pa；1at= Pa；1mmHg= Pa；1mmH
O= Pa
2
压力测量方法：重力与被测压力的平衡法；弹性力与被测压力的平衡法；利用物质某些与压
力有关的物理性质进行测压
41、液柱式测压仪表：利用工作液（又称封液，常用的有水、酒精、水银）的液柱重力与被测压力平衡，根据液柱高度确定被测压力大小的压力计。

①U型管压力计②单管压力计③斜管微
压计
（1）液柱式压力计的测量误差及修正
A、环境温度变化的影响：环境温度偏
离规定20℃时的修正公式
B、重力加速度变化的影响
C、毛细现象的影响：封液引起的误差，误差大小取决于封液种类、温度、管径等，实际中，可以加大管径减小毛细现象，封液为酒精时，管内径d≥3mm；水或水银则≥8mm
D、水和酒精读数，应与凹面持平；水银与凸面持平
（2）弹性测压仪表：弹簧管压力计、膜式压力计（膜片和膜盒两种）、波纹管式压差计（单波纹管和双波纹管两种）
（3）弹簧管压力计（属于弹性测压仪表）：由弹簧管、齿轮传动机构、指针和刻度盘组成；弹簧管的横截面呈椭圆形或扁圆形，是一根空心金属管，其一端封闭为自由
端，另一端固定在仪表的外壳上，并用与被测介质相通的管接头联接。

原理：当具有压力的介质进入管内腔后，在压力的作用下，弹簧管会发生变形，由于椭圆形短轴方向的内表面积比长轴方向大，因此受力也大，管子截面趋于变圆，产生弹性变形，使弯成圆弧状的弹簧管向外伸张，在自由端产生位移，通过拉杆带动齿轮传动机构，使指针相对于刻度盘转动。

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。

为了提高弹簧管的灵敏度，可采用螺旋形弹簧形（回形）弹簧管。

齿轮传动机构的作用是把自由端的位移转换成指针
（4）弹性压力计（弹性测压仪表）误差分析：①迟滞误差（主要原因），同一元件在相同压力下正反行程的变形量不一样，而且元件变形远远落后于压力的变化，可采用迟滞误差极小的全弹性材料，如熔炼石英；②温度误差，仪表精度标定是在标准温度下进行的，当使用环境的温度偏离标准温度很多时，弹性元件的弹性模量会产生变化，因而误差，可采用恒弹性材料做弹性元件，如合金Ni42CrTi等；间隙和摩擦误差，传动系统机构间的间隙和摩擦阻力或仪表安装不当会引起附加误差，可采用新传动技术，减小或取消中间传动机构，如采用电阻应变转换技术，还可以采用无感摩擦弹性支承或磁悬浮支承。

42、（1）气流压力是指气流单位面积上所承受的法向表面力。

在静止气体中，不存在切向力，这个表面力与所取面积的方向无关，该压力称为静压。

在流动气体中，静压是指运动气流里气体本身的热力学压力，当感受器在气流中与气流以相同的速度运动时，感受到的就是静压。

总压是指气流熵制止后的压
动压=总压-静压
体的伯努利方程；为了得到满意的测量结果，必须使总压管口无毛刺且壁面光滑，并要求感受孔轴线对准来流方向。

习惯上取测量误差为速度头1%的偏流角α作为总压管
的不敏感偏流角，记作α
p ，α
p
越大越好。

半圆形感受
头α
p 角最小，带导流套的总压管α
p
角最大。

总压管的类型：L形总压管、圆柱形总压管、带导流套的总压管、多点总压管、边界层总压管。

静压管的类型：L形静压管、圆盘形静压管、带导流套的静压管。

43、容腔效应：由于测压元件前的空腔和导压管存在，必然导致压力信号的幅值衰减和相位滞后，这种效应称为动态压力测量的容腔效应。

44、上止点位置的确定：磁电法、气缸压缩线法、电容法。

曲轴转角信号的测定：磁电法、光电法、上止点基准法。

45、（1）皮托管测流速
皮托管：由总压探头和静压探头组成，利用总压和静压之差，即动压来测流速。

又称动压管、风速管。

它的优点是：结构简单，价格低廉，制造使用方便，较高测量精度。

皮托管测取的是流场空间某点的平均速度。

皮托管测速原理：p+1
2NN2=N0；p：静压；p0：总压；1
2
NN2：动压；ρ：流体
密度，v：流速；∴流速N=√2（N0−N）
N
；这就是皮托管的基本测速原理。

最终用马赫数Ma表示气体流速，
Ma=
ζ√2（N0−N）
NN（1+N）
；ζ皮托管校准系数，一般1.01~1.02；κ气体等熵指数，空气κ= 1.40；ε压缩性修正系数，查表可得。

（2）三孔测速管：主要由三孔感压球形探头、干管、传压管和分度盘组成。

在三个感压孔中，居中一个为总压孔，两侧孔用于探测方向，故称方向孔。

当两个方向孔压力相等时，认为气流方向与总压孔轴线重合。

设两孔中心线（轴线）夹角为2；即要求cos2=0，故=45°。

可见，当两方向孔在同一平面内呈90°夹角布置，对气流方向最为敏感，同时总压孔布置在两个方向孔的角平分线上。

最终，气流流速N=
√N2−N1
N ；p
2
为总压，p
1
为任一方向孔静压，ρ为流体密度。

46、流量的测量
（1）流体是指具有流动性质的物质，一般可认为是气体和液体的总称。

（2）流量是指单位时间内通过某有效流通截面的流体数量，称瞬时流量。

有质量流
量q
m （kg/s）和体积流量q
v
（m3/s），满足q
m
=ρq
v
；ρ：流体密度（kg/m3）。

（3）累计流量：某一段时间间隔t内通过某流通截面的流体总量。

平均流量=累计流量
N （4）流量计的类型
①容积型流量计：单位时间内被测流体充满或排出某一定容容器V的次数来计算流
量。

即q
v
=nV；属于这种的流量计有：椭圆齿轮流量计、罗茨流量计等P161
②速度型流量计：当流通截面确定时，流体的体积流量与截面上的平均流速成正比。

属于这种流量计的有节流式流量计、转子流量计、涡轮流量计等P162
③质量型流量计：以测量与流体质量有关的物理效应为基础。