熱能與動(dòng)力工程整理課件

1、第一章1 測(cè)量的意義：測(cè)量是人類對(duì)自然界中客觀事物取得數(shù)量概念的一種認(rèn)識(shí)過(guò)程。在這一過(guò)程中，人 們借助于專門工具，通過(guò)試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，求得被測(cè)量的值，獲得對(duì)于客觀 事物的定量的概念和內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)識(shí)。2 測(cè)量技術(shù)可分為假設(shè)干分支，如力學(xué)測(cè)量、電學(xué)測(cè)量、熱工測(cè)量等。 動(dòng)力機(jī)械測(cè)量是指溫度、濕度、壓力、流量、煙氣成分等參數(shù)的測(cè)量。3應(yīng)用方面1過(guò)程監(jiān)測(cè)：對(duì)過(guò)程參數(shù)的監(jiān)測(cè)。 2過(guò)程控制：為生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制提供依據(jù)。 3試驗(yàn)分析與系統(tǒng)辨識(shí)：解決科學(xué)上的和過(guò)程上的問(wèn)題，一般需要綜合運(yùn)用理論和實(shí)驗(yàn) 的方法。測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)分析，是測(cè)量技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用。4 測(cè)量的定義： 就是用實(shí)驗(yàn)的方法， 把

2、被測(cè)量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比擬， 確定兩者的比值， 從而得到被測(cè)量的量值。使測(cè)量結(jié)果有意義的要求： 用來(lái)進(jìn)行比擬的標(biāo)準(zhǔn)量應(yīng)該是國(guó)際上或國(guó)家所公認(rèn)的，且性能穩(wěn)定。 進(jìn)行比擬所用的方法和儀表必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)證5 靈敏度的選取 一般希望測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度高，且在滿量程范圍內(nèi)是恒定的。這是因?yàn)椋?因?yàn)?S 較大，同樣的輸入可有較大的輸出； 但是，并不是靈敏度越高越好，而應(yīng)合理選擇；S 不能太大，因?yàn)?S ，測(cè)量范圍 ，同時(shí)穩(wěn)定性差，難以讀數(shù)。6.線性度 (非線性度 )? 理想狀態(tài)下，希望輸出值與輸入值間成正比關(guān)系，實(shí)際上，往往不成正比而輸出量 為一曲線，這一曲線稱為標(biāo)定曲線。理想上那條直線稱為擬合曲線。? 標(biāo)

3、定曲線和擬合曲線的最大差值與滿量程之比稱作線性度。第四章 電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：由于應(yīng)變片的尺寸小，重量輕，因而具有良好的動(dòng)態(tài)特性，而且應(yīng)變片粘貼在試 件上對(duì)其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布沒(méi)有影響。適用于靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。 測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和精確度高，可測(cè)1-2微應(yīng)變，誤差小于1%。 測(cè)量范圍大，既可測(cè)量彈性變形，也可測(cè)量塑性變形，變形范圍從1 %-20%。 能適應(yīng)各種環(huán)境，可在高低溫、超低壓、高壓、水下、強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射和化學(xué)腐蝕 等惡劣環(huán)境下使用。缺點(diǎn)：大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性； 輸出信號(hào)較弱。 二、半導(dǎo)體壓阻式傳感器優(yōu)點(diǎn)：1) .靈敏度高：是金屬絲式的 50-100 倍2) .固有頻

4、率高，響應(yīng)快3) . 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)微型化4) .精度高? 缺點(diǎn)：? 電阻和靈敏度系數(shù)的熱穩(wěn)定性差，國(guó)內(nèi)都在100 c以下，國(guó)外多用 150 C以下，如采用水冷或溫度補(bǔ)償措施，工作溫度可達(dá)500 C。此外，其量程小，在測(cè)量大應(yīng)變時(shí)，非線性較嚴(yán)重。受腐蝕性氣體影響大、工藝復(fù)雜、要求嚴(yán)格、本錢較高等。 第二節(jié) .非水分子親和力型濕敏傳感器? 測(cè)量原理：利用潮濕空氣和枯燥空氣的熱傳導(dǎo)之差來(lái)測(cè)定濕度；利用微波在含水蒸 汽的空氣中傳播，水蒸汽吸收微波使其產(chǎn)生一定的能量損耗，傳輸損耗的能量與環(huán) 境空氣中的濕度有關(guān)以此來(lái)測(cè)定濕度；利用水蒸汽能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)測(cè)定 空氣中的濕度。第五節(jié) 壓電式傳感器特

5、點(diǎn) :? 工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，工作可靠。應(yīng)用范圍：? 各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)、超聲、通信、宇航等領(lǐng)域。 第六節(jié) 磁電式傳感器1 磁電式傳感器簡(jiǎn)稱感應(yīng)式傳感器，也稱電動(dòng)式傳感器。它把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)?感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī) -電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍一般為101000Hz，適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。? 這種傳感器的尺寸和重量都較大。2 在大多數(shù)情況下，對(duì)溫度傳感器的選用，需考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題： 1被測(cè)對(duì)象的溫度是否需記錄、報(bào)警和自動(dòng)控制，是否需要遠(yuǎn)距離測(cè)量和傳送。 2

6、測(cè)溫范圍的大小和精度要求。3測(cè)溫元件大小是否適當(dāng)。4在被測(cè)對(duì)象溫度隨時(shí)間變化的場(chǎng)合，測(cè)溫元件的滯后能否適應(yīng)測(cè)溫要求。5被測(cè)對(duì)象的環(huán)境條件對(duì)測(cè)溫元件是否有損害。6價(jià)格如何，使用是否方便。3.金屬熱電阻? 鉑、銅為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料。半導(dǎo)體熱敏電阻? 半導(dǎo)體熱敏電阻是利用某些半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度變化的特性。? 按物理特性，可分為三類：1負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻NTC2正溫度系數(shù)的熱敏電阻PTC3臨界溫度系數(shù)的熱敏電阻CTR：多用于溫度測(cè)量和補(bǔ)償；：用于恒溫、加熱控制或溫度開關(guān)；：用于溫度開關(guān)。4 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻與熱電阻相比：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約是熱電阻的10陪 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可測(cè)

7、量點(diǎn)溫度 電阻率高，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量 便于遠(yuǎn)距離控制，使用壽命長(zhǎng) ,但互換性差，非線性嚴(yán)重。 第八節(jié) 光電轉(zhuǎn)換元件一光電管? 特性主要取決于光電陰極的材料，根本特性是光譜特性、光電特性和伏安特性? 在入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種材料只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的入射光敏感，這就是光譜特性? 不同波長(zhǎng)的光照在光電管上產(chǎn)生大小不同的光電流2 使用光敏晶體管時(shí)，不僅要根據(jù)不同型號(hào)的具體參數(shù)保持其光電流、工作電壓、耗散 功率、環(huán)境溫度等不要超出極限值，而且還要注意保持光的入射方向不變，否那么將影響 光照效應(yīng)? 光電開關(guān)管：識(shí)別有無(wú)物體通過(guò)，主要測(cè)量轉(zhuǎn)速光電開關(guān)以其結(jié)構(gòu)和工作方式的

8、不 同，可分為溝式、對(duì)射式、反光板反射式、擴(kuò)散反射式、聚焦式、光纖式等類型。3 生物傳感器的概念：生物傳感器 Biosensor 是利用某些生物活性物質(zhì)所具有的高度 選擇性，來(lái)識(shí)別待測(cè)生物化學(xué)物質(zhì)的一類傳感器。? 生物傳感器的原理： 生物傳感器的結(jié)構(gòu)一般是在根底傳感器( 電化學(xué)裝置 上再耦合一個(gè)生物敏感膜稱為感受器或敏感元件 。生物敏感膜緊貼在探頭外表上，再用 一種半滲透膜與被測(cè)溶液隔開。當(dāng)待測(cè)溶液中的成分透過(guò)半透膜有選擇地附著于敏 感物質(zhì)時(shí)，形成復(fù)合體，隨之進(jìn)行生化和電化學(xué)反響，產(chǎn)生普通電化學(xué)裝置能感知 的 O2、 H2、 NH4+ 、 CO2 等，并通過(guò)電化學(xué)裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。生物敏感膜?

9、 利用生物體內(nèi)具有奇特功能的物質(zhì)制成的膜? 與被測(cè)物質(zhì)接觸時(shí)伴有物理、化學(xué)變化的生化反響? 可以進(jìn)行分子識(shí)別? 生物敏感膜是生物傳感器的關(guān)鍵元件，它直接決定著傳感器的功能與質(zhì)量 第五章 溫度測(cè)量 一、溫度與溫標(biāo)1 溫度 溫度是表征物體冷熱程度的物理量 溫度是描述系統(tǒng)不同自由度能量分布狀況的物理量 溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量 溫度的宏觀概念是建立在熱平衡根底上的。任意兩個(gè)冷熱程度不同的物體相互接 觸，它們之間必然會(huì)發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量要從溫度高的物體傳向溫度低的物體， 直到兩物體之間的溫度完全一致時(shí)，這種熱傳遞現(xiàn)象才能停止。這也就是熱力學(xué)第 零定律所描述的，系統(tǒng)溫度相等是建立熱平衡的充

10、要條件。溫度的微觀概念說(shuō)明：物體溫度的上下標(biāo)志著組成物體的大量分子無(wú)規(guī)那么運(yùn)動(dòng)的劇 烈程度，即對(duì)其分子平均動(dòng)能大小的一種量度。顯然物體的物理化學(xué)特性與溫度密 切相關(guān)。選作溫度計(jì)的物質(zhì)，其性質(zhì)必須滿足以下條件：物質(zhì)的某一屬性 G僅與溫度T有關(guān)，即G = G(T)，且必須是單調(diào)函數(shù)，最 好是線性的。隨溫度變化的屬性應(yīng)是容易測(cè)量的， 且輸出信號(hào)較強(qiáng)， 以保證儀表的靈敏度 和測(cè)量精確度。應(yīng)有較寬的測(cè)量范圍。 有較好的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性。2 溫標(biāo)? 溫標(biāo)是溫度數(shù)值化的標(biāo)尺。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)和測(cè)量溫度的根本單位。各種 溫度計(jì)的刻度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。1經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)? 它是借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)

11、系，用實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定 的溫標(biāo)。? 攝氏溫標(biāo) : 攝氏溫標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點(diǎn)為0 度， 水沸點(diǎn)為 100 度，中間 等分為100格，每格為攝氏1度，符號(hào)為C。? 2. 熱電偶的檢定 比擬法和定點(diǎn)法。 用被校熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶同時(shí)測(cè)量同一對(duì)象的溫度，然后比擬兩者示值，以確定 被檢電偶的根本誤差等質(zhì)量指標(biāo)，這種方法稱為比擬法。? 有壓力為 3 MPa ，流速為 30 m/s ，五、接觸式溫度測(cè)量誤差溫度為386 C的蒸汽流過(guò)管道，采用四種不同的安裝方式測(cè)溫：? (b) 采用鉑熱電阻溫度計(jì)， 安裝在管道的拐彎處， 播入足夠的深度， 溫度計(jì)迎著氣流， 瞥道及套管外露局部保溫，溫度計(jì)示

12、值為386C； (a)采用鉑熱電阻溫度計(jì)，垂直于氣流方向插入，套管外露局部較長(zhǎng)，且管道及套管外露局部未保溫，溫度計(jì)示值為 341 C，其誤差為-45 C; (c)采用玻璃管水銀溫度計(jì)，垂直于氣流方向插入，溫包處 于管道中心位；d)插入深度不夠，其他與(c)相同，溫度計(jì)示值為 371 C ,其誤差為-15C。第六章 壓力測(cè)量一、壓力表示方式 絕對(duì)壓力 PJ大氣壓力 PD表壓力 PB ： PB= PJ PD真空度PZ負(fù)壓：PZ = PD PJ差壓：兩個(gè)壓力之差，以大氣壓以外的任何壓力 為零標(biāo)準(zhǔn) 脈動(dòng)壓：周期變化的動(dòng)壓，非周期性為變動(dòng)壓沖積壓：不連續(xù)而變化大的動(dòng)壓二、壓力檢測(cè)方法1. 平衡法：通過(guò)儀

13、表使液柱高度的重力或砝碼的重量與被測(cè)壓力相平衡的原理測(cè)量壓力2. 彈性法： 利用各種形式的彈性元件， 在被測(cè)介質(zhì)的表壓力或負(fù)壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形 來(lái)反映被測(cè)壓力的大小3. 電氣式：用壓力敏感元件直接將壓力轉(zhuǎn)換成電阻、電荷量等電量的變化三、壓力測(cè)量?jī)x表的分類 壓力傳感器從其原理及結(jié)構(gòu)來(lái)看可分為：液柱式、機(jī)械式及電氣式(一)彈簧管壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉，使用范圍廣，測(cè)量范圍寬 可測(cè)負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓氣流總壓1) .不敏感偏流角a p在實(shí)際測(cè)量時(shí)，使感受孔軸線始終完全對(duì)準(zhǔn)氣流方向不大可能，因此在實(shí)用上允許感受孔軸線與氣流方向有一定的偏角a。習(xí)慣上取使測(cè)量誤差為速度頭1%的偏

14、流角作為總壓管的不敏感偏流角，記ap,當(dāng)然a p的范圍越大對(duì)測(cè)量越有利。2) .管口型式與a p半園型、平直型和帶導(dǎo)流套型半圓型的a p最小帶導(dǎo)流套的最大，亞聲速區(qū)達(dá)土40 °± 45 °3) .總壓管角度特性在使用總壓管時(shí)，如果偏流角a超過(guò)不敏感偏流角時(shí)，縱坐標(biāo)示值開始下降。各種總壓管的不敏感偏流角a p，還不同程度地受馬赫數(shù) Ma的影響。偏流角a不 大時(shí)，Ma數(shù)的影響不顯著；當(dāng)a增大時(shí)，隨著 Ma的增大，總壓的測(cè)量誤差也越來(lái)越大。選用總壓管時(shí)，要根據(jù)氣流的速度、流道的條件和對(duì)氣流方向的不敏感性來(lái)決定所 用總壓管的結(jié)構(gòu)形式。在滿足要求的前提下，其結(jié)構(gòu)形式應(yīng)越簡(jiǎn)單

15、越好；同時(shí)在保 證結(jié)構(gòu)剛度的情況下，應(yīng)使總壓管具有較小的尺寸，以減少對(duì)流場(chǎng)的干擾。二 內(nèi)燃機(jī)氣缸動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方法 機(jī)械方法測(cè)量示功圖已經(jīng)根本上不再采用，普遍采用的是用電測(cè)方法測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力。把氣 缸壓力、曲軸轉(zhuǎn)角等非電量通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鞲衅鬓D(zhuǎn)換為電量。在這種測(cè)量方法中，運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量和位移很小，自振頻率很高，因而能滿足高速 內(nèi)燃機(jī)測(cè)量的要求。在內(nèi)燃機(jī)氣缸動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量中，最常用的傳感器就是石英晶體壓電傳感器九章 第五節(jié) 超聲波法? 超聲波液位計(jì)利用波在介質(zhì)中的傳播特性。? 因此，在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，便可

16、測(cè)出液位上下。? 超聲波液位計(jì)按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種；? 按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組 合可以得到六種液位計(jì)的方案。222 單探頭液位計(jì)使用一個(gè)換能器，由控制電路控制它分時(shí)交替作發(fā)射器與接收器。? 雙探頭式那么使用兩個(gè)換能器分別作發(fā)射器和接收器，對(duì)于固介式，需要有兩根金屬 棒或金屬管分別作發(fā)射波與接收波的傳輸管道。333 超聲波液位測(cè)量有許多優(yōu)點(diǎn)： 與介質(zhì)不接觸，無(wú)可動(dòng)部件，電子元件只以聲頻振動(dòng)，振幅小，儀器壽命長(zhǎng)； 超聲波傳播速度比擬穩(wěn)定，光線、介質(zhì)粘度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等 對(duì)檢測(cè)幾乎無(wú)影響，因此適用于有毒、腐