热工测量仪表作业参考答案.doc
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第一、二章
一.名词解释
1.测量:
人们借助专门工具,通过试验和对试验数据的分析计算,将被测量X0以测量单位U倍数µ显示出来的过程,即X0＝µU。
2.热工测量:
指压力,温度等热力状态参数的测量,通常还包括一些与热力生产过程密切相关的参数的测量,如测量流量,液位震动,位移,转速和烟气成分等。
3标准量：
即U ，测量单位。
U必须是国际或国家公认的，理论约定的，必须是稳定的可以计量的传递。
4.环节：
在信号传输过程中，仪表中每一次信号转换和传输可作为一个环节。
5.传递函数：
静态下每个环节的输出与输入之比，称为该环节的传递函数。
6.可靠性：
作为仪表的质量指标之一，是过程检验仪表的基本要求，目前常用有效性表示。
7.精密度：
对同一被测量进行多次测量所得测量值重复一致的程度，或者说测定值分布的密集度。
准确度：
对同一被测量进行多次测量，测定值偏移被测量真值的程度。
精确度或者精度：
精密度与准确度的综合指标。
8.绝对误差：
仪表的指示值与实际值的差值。
9.基本误差：
在规定的工作条件下，仪表量程范围内各示值误差中的绝对值最大者称为仪表的基本误差。
10.仪表精度：
仪表在测量过程中所能达到的精确程度。
11.准确度等级：
仪表最大引用误差表示的允许误差ryu去掉百分号后余下的数字称为该仪表的准确度等级。
12.线性度：
对于理论上具有线性“输入—输出”特性曲线的仪表，由于各种原因，实际特性曲线往往偏离线性关系，它们之间最大偏差的绝对值与量程之比的百分数，称之为线性度。
13.回差：
输入量上升和下降时，同一输入量相应的两输出量平均值之间的最大差值与量程之比的百分数称为仪表的回差。
14.重复性：
同一工况下，多次按同一方向输入信号作全量程变化时，对应于同一输入信号值，仪表输入值的一致程度称为重复性。
15.分辨率：
引起仪表示值可察觉的最小变动所需的输入信号的变化，称为仪表的分辨率。
16.灵敏度：
仪表在到达稳态后，输出增量与输入增量之比，称为仪表的灵敏度。
17.粗大误差：
明显歪曲了测量结果，使该次测量失效的误差称为粗大误差。
18.系统误差：
在同一条件下，多次测量同一被测量，绝对值和符号保持不变或按某种确定规律变化的误差称为系统误差。
19.随机误差：
在相同条件下，多次测量同一被测量时，绝对值和符号不可预知地变化着的误差称为随机误差。
20、随即误差传递公式：
=，为间接测量的标准误差和函数对该直接测量值的偏导数乘积的平方和的平方根
21、拉依达准则：
对于大量重复测量值，如果其中某一测量值残差υi的绝对值大于该测量列的标准偏差的3倍，那么可认为该测量值存在粗大误差，也就是说=
22、格拉布斯准则：
将重复测量值按大小顺序重新排列，,用下式计算首尾测量值的格拉布斯准则数Ti=,然后根据子样容量n和所选取的判断显著性水平α,查得T（n,α）,若Ti>=T（n,α）,则可认为xi为坏值,应剔除,每次只能剔除一个测量值。
若T1和Tn都大于或等于T（n，a），则应先剔除两者中较大者，再重新计算算术平均值和标准误差估计值S，这时子样容量只有（n-1），再行判断，直至余下的测量值中再未发现坏值。
23、恒值系统误差：
对同一被测量进行多次测量，误差的大小和符号保持恒定的系统误差。
24、变值系统误差：
测量值中按某种确定规律变化的误差，有：
累积系统误差，周期性系统误差，复杂变化的系统误差。
25、微小误差的取舍原则：
若某个局部误差小于间接测量值标准误差的1/3，则该局部误差是微小误差，可以忽略。
26、马尔科夫准则：
按测量先后顺序排列测量值，用前一半测量值残差之和减去后一半测量值残差之和。
若差值显著地异于零，则认为测量列含有累积系统误差。
实际上，当测量次数n很大时，只要差值不等于零，一般可认为测量列含有累积系统误差。
但当n不太大时，一般认为只有当差值大于测量列中的最大残差时，才能判定为测量列中含有累积系统误差。
27、阿贝准则：
按测量先后顺序排列测量值，求出测量列标准误差估计值s，计算统计量,若，则可认为该测量列中含有周期性系统误差。
二：
.简答
1.简述测量方法的分类
答：
测量方法按测量结果的获取方式来分，可分为直接测量法、间接测量法和组合测量法；按被测量与测量单位的比较方式来分，测量可分为偏差测量法，微差测量法与零差测量法；按被测量在测量过程中的状态来分，测量又可分为静态测量方法和动态测量方法。
2.热工测量仪表按其功能件可以分成哪些?
各部件的功能是什么?
答：
热工测量仪表按其功能可以分为：
感受件，显示件，传递件。
其中感受件直接与被测对象相联系，感受被测量的量值，并将感受到的被测量信号转换成相应的信号输出。
而显示件最终是通过它向观察者反映被测量的变化，其功能可以分为：
①显示被测量瞬间值；②记录被测量随时间变化；③显示被测量对时间的积分结果；④反映被测量是否超过允许限值；⑤根据被测量与规定值的偏差情况，发出对被测对象进行调节的信号。
传递件的功能如下；①单纯起传递作用；②将感受件输出的信号放大，以满足远距离传输以及驱动显示，记录装置的需要；③为了使各种感受件的输出信号便于与显示仪表和调节装置配接，要通过传递件转换成标准化的统一信号。
第四章
一、名词解释：
1、温度：
衡量物体冷热程度的物理量、分子无序运动平均动能的体现。
2、温标：
温标是用来度量物体温度高低的标尺。
3、热力学温标：
绝对温标是以卡诺循环为基础建立起来的。
在卡诺循环中可写出以下方程式：
，它表示工质在温度时吸收热量，而在温度向低温热源放出热量。
如果指定了一个定点的数值，就可由热量的比例求得未知量，由于上述方程式与工质本身的种类和特性无关，所以用这个方法建立起来的热力学温标就避免了分度的“任意性”。
4、三相点：
固、液、气三态同时存在的温度。
5、汤姆逊电势：
又称温差电势，是一根导体上因两端的温度不同而产生的热电动势。
当同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果，高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而在高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。
该电场组织电子从高温端跑向低温端，同时加速电子从低温端跑向高温端，最后达到动平衡状态，即从高温端跑向低温端的电子数等于从低温端跑向高温端的电子数。
动平衡时在导体两端产生一个相应的电位差，该电位差称为温差电势。
6、珀尔帖电势：
在由两种不同导体构成的闭合回路中通有直流电流时，两个交接端子中的一个温度降低（吸热端），而另一个则温度升高（放热端），在两个交接端之间产生了温差，这一效应被称之为珀尔帖效应。
7、均质导体定律：
由一种均质导体（或半导体）组成的闭和回路，不论导体（或半导体）的截面积如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。
8、中间导体定律：
由不同材料组成的闭和回路中，若各种材料接触点温度都相同，则回路中电势的总和等于零。
9、连接（中间）温度定律：
接点温度为t1和t3的热电偶，它的热电势等于接点温度t1、t2和t2、t3的两支同性质热电偶的热电势的代数和。
10、电阻温度系数：
温度变化1时电阻值的相对变化量，用表示，单位为，可以用下式表示：
11.温标是温度的数值的表示方式，经验温标的三要素是什么？
三要素为：
温度计（工质）、固定点、内插函数
12.ITS-国际温标规定温度的单位是什么？
定义其度的数值是多少？
国际温标的构成要素是什么？
ITS-90国际温标规定温度的单位是开尔文，符号为K，它规定水的三相点的热力学温度为273.16K,定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的1/273.16。
国际温标构成的要素是：
固定点、内插函数、工质。
13.普通工业热电偶由哪几部分组成？
由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套管、接线盒等组成
14.在整个测量系统中热电偶，热电阻作为测温元件，其后续仪表可配备哪些？
可配备：
动圈式仪表、自动平衡式显示仪表、数字式显示仪表、带微处理器的数字模拟混合式记录仪。
15.叙述管内流体温度，壁面温度及高温气体温度测量时测量元件安装方法要点
管内流体温度测量：
1、在测温管向外散热的情况下，误差不可能等于零。
2、把露出在管道外的测温管用保温材料包起来，使得露出部分温度提高，减小导热损失，也使露出部分和外面介质的热交换减少。
3、插到管道内的介质部分测温管长度增加。
4、把感受件放在管道流体速度最高的地方。
5、使测温管的壁厚、外径尽量减少。
6、测温管唱常用导热性质不良的材料来制造。
壁面温度测量：
1、热电偶采用平行焊的方式与壁面接触。
2、热电极的直径尽量细。
3、尽量使壁面上方的气流速度小，使得热电极上散失的热量减小。
4、尽量使管壁厚度增加。
高温气体温度测量：
1、将测温管安装在烟道内烟气能流过的地方，同时测温管装设的内壁也要让烟气流过。
2、在测温管装设部位外壁敷以较厚的绝缘层。
3、把测温管和冷的管壁隔离开，使测温管不直接对冷管壁面进行辐射。
在条件许可的情况下，在短时间测量时，可以不用陶瓷管而直接把铂铑-铂热电极裸露使用。
4、采用双热电偶测温，可用计算方法消除热辐射误差。
16、.叙述热流密度的定义（以文字和公式），在工业生产中热流计有什么用途？
答：
热流密度：
单位时间内单位面积上流过的热量。
用途：
1、测量火焰在单位时间内以辐射或辐射和对流两种方式传至某单位面积上的热量。
2、炉墙和热力管道在单位时间单位面积上向外散失的热量等等，保证运行安全。
17.金属片热流计工作原理是什么？
画出金属薄板型热流密度计的简图。
答：
原理：
在金属或合金薄板的两个表面上贴金属箔或镀金属层，把热流测头本体作为一个差动的热电偶，假定通过此薄板的热流密度为q，差动热电偶的电势为E,则有：
q=cE；c为热流测头系数。
金属薄板型热流密度计的简图见书P117图6—17。
二、简答题：
1、热电偶的冷端温度如何补偿？
①计算法
②冰点槽法
③补偿电桥法
④多点冷端温度补偿法
⑤晶体管PN结温度补偿法
2、如何校验热电偶？
校验时，把被校热电偶与标准热电偶（标准热电偶的准确度等级根据被校验热电偶的准确度级要求来确定）的热端放到恒温区中镍块的孔中，比较两者的测量结果，以确定被校热电偶的误差。
校验时，需用铂丝将被校热电偶与标准热电偶的热端（都除去保护套管）绑扎在一起，校验贱金属热电偶时，为了避免被校热电偶对标准热电偶产生有害影响，要将标准热电偶套上石英或氧化铝套管，然后用镍铬丝将两者的热端绑扎在一起。
热电偶放入炉中后，炉口应用石棉绳堵严。
热电偶插入炉中的深度一般为300mm，不得小于150mm。
热电偶的冷端置于冰点槽中以保持0。
用调压器调节炉温，当炉温达到校验温度点10范围内，且每分钟变化不超过0.2时，就可用电位差计测量热电偶的电势。
在每一个校验温度点上对标准和被校热点偶热电势的读数都不得少于三次。
当被校热电偶有n支时，读数顺序为：
标准—>—>—>……—>—>—>……—>—>—>标准。
3、.对金属测温电阻的要求
①电阻温度系数大
②在测量范围内物理及化学性质稳定
③有较大的电阻率
④电阻值与温度的关系近似为线性的，便于分度和读数
⑤复现性好，复制性强，容易得到纯净的物质。
⑥价格便宜
4.半导体热电阻的优点？
半导体热敏电阻的测温范围：
－100到＋300摄氏度，与金属热电阻比优点是：
1、电阻温度系数大，约为－（3～6）％，灵敏度高
2、电阻率很大，可做体积小电阻大的电阻体，这样连接导线电阻的变化影响可忽略
3、结构简单，体积小，可以用来测量点的温度
4、热惯性很小，响应快
5.铠装热电阻的优点？
①外径尺度很小，最小直径可达1mm，因此其热惯性小，响应速度快
②机械性能好，可耐强烈震动和冲击
③除感温元件外，其他部分可以任意弯曲，适合在复杂结构中安装
④由于感温元件与金属套管，绝缘材料形成一密封实体，不易受到有害介质的侵蚀，因此寿命比普通热电阻长
6.如何校验热电阻
定点法：
工作基准或标准热电阻采用，即在几种物质的相平衡点温度下进行校验，国家有统一的规程。
比较法：
工业上常用。
校验常用设备包括：
标准玻璃温度计一套（或标准铂电阻温度计）；加热恒温器一套（－50～＋500摄氏度）；标准电阻（10或100欧姆）一只；电位差计一台；分压器和切换开关各一个。
校验步骤如下：
1）按接线图接好线，并检查是否正确。
（接线图参考图4-5，要求会画）
2）将电阻放进恒温器内，使之达到校验点温度并保持恒温，然后调节分压器使毫安表指示约为4mA（电流不可过大，以免热电阻发热过大影响测量的准确性），将切换开关切向接标准电阻的一边，读出电位差计示值；然后立即将切换开关切向被校验电阻体一边，读出电位差计示值。
按公式求出。
在同一校验点需反复测量几次，计算出几次测量的值（指同一校验点），取其平均值与分度表比较，看其误差是否大于允许误差。
如误差在允许范围内，则认为该校验点的值合格。
3）再取被测温度范围内10%、50%、90%的温度作校验点重复以上校验，如均合格，则此热电阻校验完毕。
7.动圈显示仪表的工作原理？
漆包细铜线绕成的无框架可动线圈助于永久磁铁磁场中，通入电流后，动圈受到的旋转力矩M为：
。
支撑动圈的张丝扭转后可产生反作用力矩。
以上两力矩平衡时，则有：
式中：
，为仪表的电流灵敏度。
由以上可知动圈的转角与流过动圈的电流I成正比关系，即可根据得到电流I的值.
8.电位差计的工作原理
用一个已知的标准电压与被测电势（电压）相比较，二者之差值为零时，被测电势（电压）就等于已知的标准电压。
9.数字显示仪表的工作原理
直接用数字量显示被测值，实现数字显示的关键是把连续变化的模拟量换为数字量。
直接用数字量显示被测值。
实现数字显示的关键是把连续变化的模拟量转换成数字量，完成这一功能的装置称为模数转换（用A/D表示）装置。
由于大多数传感器输入参数和输出参数之间之间呈非线性关系，为了使数字式显示仪表显示出被测参数的绝对数字值，因此还必须要有对被测参数的非线性函数的线性化补偿装置，以及针对各种转换系数的标度变换装置。
10.数字显示仪表和模拟式显示仪表的优缺点
数字式——优点：
测量速度快，准确度高，并且读数准确。
对被测量值可进行数字打印记录，且便于和计算机配接。
缺点：
显示参数的大小不直观，难以反映参数的变化趋势。
模拟式——优点：
简单，可靠，可以表现出参数变化的过程和趋势。
缺点：
测量速度差慢，读数精确性较差。
11.用热电偶测管道流体温度可采取哪些措施提高精度？
答：
（1）为了减少误差，应该把露出在管道外的测温管用保温材料包起来，这样不仅使得露出部分温度提高，减少导热损失，而且也使露出部分与外界介质的热交换减少，放热系数减小，因而可以减小测量误差。
（2）插到管道内介质部分测温管长度增加，露出在管道外的测温管长度减小；
（3）应该把感受件放在管道流体速度最高的地方，即管道中心轴线上。
（4）应该使测温管的壁厚、外径尽量减小，也就是应将测温管做成外形细长而壁厚很薄的形状。
（5）测温管常用导热性质不良的材料如陶瓷、不锈钢等来制造。
12.测量高温气体温度可采用哪些措施减少热辐射带来的误差？
答：
（1）把测温管和冷的管壁隔离开来，使测温管不直接对冷管壁进行辐射，例如可以加隔离罩。
为了减小测量误差，隔离罩的内壁要做的非常光亮（例如镀镍）。
（2）必须减小辐射换热系数，即减小测温管的总辐射发射率。
在条件许可的情况下，为了减小误差，在短时间测温时，可以不用陶瓷管而直接把铂铑-铂热电极裸露使用，铂铑、铂材料在1500~1700℃时的εT=0.20~0.25,比陶瓷管的εT小得多（陶瓷管在1500℃时，εT=0.8~0.9），热辐射误差也就小的多。
（3）采用双热电偶测温，可用计算方法消除辐射误差。
（4）必须增加气流和测温管之间的对流放热系数。
除了前面讲过的把感受件的主要工作部分放在管道中心轴线上外，目前多采用小误差的抽气热电偶；还可以采用气动温度计。
13.导热式、辐射式、及辐射-对流式热流计的工作原理？
答：
（1）导热式热流计是一种有热阻式热流测头、测量以一维空间导热为主的热流计，其基本理论依据傅立叶定理。
在稳态条件下，某一方向上由传导所传递的热流密度q为
式中为热流计材料的热导率，它与材料的性质有关，且是温度的函数；
为垂直于等温面方向的温度梯度。
（2）辐射式热流计只测量辐射热流密度，其传感器采用内表面镀金的铜质椭圆球结构。
从入射孔入射的辐射热流在椭圆球体的内表面进行多次反射，最后都传到表面涂黑的圆柱体不锈钢塞子上，塞子后面为一不锈钢杆，在杆的前后两端上，缠绕并焊上康铜丝，这就形成了康铜-不锈钢热电偶，可用来测量温度差，从而求得热流密度。
传感器通过分布在椭圆球短轴平面上的小孔（2~8个）向椭圆形腔喷射干氮气流，以消除对检测器（不锈钢塞子）的对流传热，保证只测量热辐射；另外还可防止燃烧气体和灰尘颗粒进入椭圆腔内，以防止玷污反射镜，影响反射率。
但是通入的氮气不能过量，否则检测器会被冷却，导致测量误差。
此传感器可用水冷，因此可在高达1600℃的高温条件下使用，它的测量范围可达500KW/m2。
（配合图讲清即可）
（3）辐射-对流热流计是同时测量炉内辐射传热和对流传热热流密度的装置。
这种传感器采用圆柱形铝合金制成。
为了提高对传感器前端射入的辐射能的全吸收率，在受热面上车成许多同心圆沟槽并且涂黑，使其表面上的全发射率接近1。
另外，在传感器的后端面上用水冷却以维持一定的温度。
热电偶设置在圆柱形铝合金中间间隔一定距离的两个点上。
这种热流计的测定范围可达500KW/m2,被测对象温度不超过1600℃。
（配合图讲清即可）
14、光学高温计、辐射温度计及比色高温计的工作原理？
①光学高温计工作原理：
物体在某一波长的光谱辐射出射度与温度有单值函数关系，而且光谱辐射出射度随温度增长的速度非常快。
②辐射温度计工作原理：
辐射温度计是根据全辐射定律制作的温度计。
由可知，当知道全辐射体的辐射出射度后，就可以知道温度T。
③比色高温计工作原理：
比色高温计是根据维恩偏移定律工作的温度计，由维恩偏移定律可知，当温度变化时物体的最大辐射出射度向波长增加或减小的方向移动，使在波长和下光谱辐射亮度比发生遍变化，测量光谱辐射亮度比的变化即可测得相应的温度。
15.简述普朗克定律、斯特藩-波尔兹曼定律和维恩公式。
①普朗克定律：
全辐射体的光谱辐射出射度与波长和温度的关系称为普朗克定律。
即
W/
式中——波长（m）
e——自然对数的底
——普朗克第一辐射常数，3.7413（W/）
——普朗克第二辐射常数,1.4388（mk）
②斯特藩—波尔兹曼定律
全辐射体的辐射出射度和热力学温度的四次方成正比：
W/
式中——斯忒藩—波尔兹曼常数，等于5.67032
③维恩位移定律
光谱辐出射度峰值处的波长和温度T之间的关系由维恩偏移定律所表述：
第五章
1.计示压力（表压力）：
工程上所用的压力计的指示值，即压力计的读数是被测绝对压力与当地大气压力之差
表压力=绝对压力-大气压力
2.绝对压力：
绝对压力=表压力＋大气压力
3.相对压力：
以某一绝对压力作为参照，与其相比得到的压差。
4.正压：
通常称高于大气压力的表压力为正压力
5.负压：
低于大气压力的表压力称为负压
6.真空：
负压的绝对值称为真空
7.弹性特性：
弹性元件在负荷（压力、力或力矩）的作用下，产生相应的变形（位移或转角），此变形与负荷之间的关系称为弹性元件的弹性特性，可以用下式表示：
oror
式中s-------弹性元件的位移
-----弹性元件的转角
P,F,M-----分别为作用在弹性元件上的压力、力与力矩
8.刚度与灵敏度：
使弹性元件产生变形所需要的负荷，称为弹性元件的刚度，用符号K表示
反之，在单位负荷作用下产生的变形，称为弹性元件的灵敏度，用符号S表示，两者互为倒数K=
9.弹性滞后和弹性后效
弹性元件在其变形范围内，加负荷与减负荷时表现的弹性特性不相重合的现象，称为弹性滞后，因此而产生的误差称为滞后误差用符号表示
当负荷停止或完成卸负荷后，弹性元件不是立刻完成相应的变形，而是在一段时间内继续变形，这种现象称为弹性后效。
10.霍尔效应:
把半导体单晶薄片置于磁感应强度为B的磁场中,如在它的两个纵向端面上通仪一定大小的控制电流I,则在晶体的两个横向端面之间出现电势EH,为霍尔效应.
11、气流的总压：
是指气流在等熵滞止后的压力，也叫滞止压力。
12、气流的静压：
是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，感受到的就是气流的静压。
13、金属的应变效应：
一段长为L，截面积为A的电阻，=
式中：
——电阻的纵向应变，=
因而，K==，式中，K的物理意义为单位纵向应变所引起电阻变化率，称为应变片的纵向灵敏度。
对于金属材料来说，式中后面的一项压阻效应很小，电阻变化主要是由几何应变效应引起的，即K，称为金属材料的应变效应。
14、半导体的压阻效应：
一段长为L，截面积为A的电阻，=
式中：
——电阻的纵向应变，=
因而，K==，式中，K的物理意义为单位纵向应变所引起电阻变化率，称为应变片的纵向灵敏度。
对于半导体来说，由于压阻效应很大，几何应变效应可以忽略，因此，即半导体的压阻效应。
二、简答题
1.液柱式压力计的误差及其改善途径？
答：
1环境温度变化的影响——
当环境温度偏离规定温度时，封液密度、标尺长度都会发生变化。
对于一般工业测量，主要考虑温度变化引起的封液密度变化对压力测量的影响，而精密测量时还需要对标尺长度变化的影响进行修正。
2重力加速度变化的影响
仪器使用地点的重力加速度由下式计算：
式中，——使用地点海拔高度（m）和纬度（）；——9.80665，标准重力加速度；——6356766，地球的公称半径（纬度海平面处）。
式中——标准地点封液液柱高度；——测量地点封液液柱高度
3毛细现象造成的误差——加大管径
4刻度、读数、安装等方面的误差——读数时，根据封液的特性，眼睛应与封液弯月面的最高点或最低点持平，并沿切线方向读数，U型管压力计和单管压力计量都要求垂直安装。
2、.弹性压力计的误差及其改善途径？
答，弹性压力计存在迟滞误差，弹性后效误差，间隙误差，摩擦误差，温度误差。
（1）采用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件。
（2）采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和摩擦误差。
（3）限制弹性元件的位移量，采用无摩擦的弹性支撑或磁悬浮支撑
（4）采用合适的制造工艺，使材料的优良性得到充分的发挥。
3、.比较几种液柱式压力计和弹性压力计的测量范围？
答：
液柱式压力计：
斜管式微压计的使用范围一般为
弹性压力计：
1）弹簧管压力计测量范围从真空到。
2）膜片压力计适用于真空或。
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