熱能與動力工程整理課件.doc

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第一章 1測量的意義： 測量是人類對自然界中客觀事物取得數(shù)量概念的一種認識過程。在這一過程中，人們借助于專門工具，通過試驗和對試驗數(shù)據(jù)的分析計算，求得被測量的值，獲得對于客觀事物的定量的概念和內在規(guī)律的認識。 2測量技術可分為若干分支，如力學測量、電學測量、熱工測量等。 u 動力機械測量是指溫度、濕度、壓力、流量、煙氣成分等參數(shù)的測量。 3．應用方面 （1）過程監(jiān)測：對過程參數(shù)的監(jiān)測。 （2）過程控制：為生產(chǎn)過程的自動控制提供依據(jù)。 （3）試驗分析與系統(tǒng)辨識：解決科學上的和過程上的問題，一般需要綜合運用理論和實驗的方法。測量技術應用于實驗分析，是測量技術的一個典型應用。 4測量的定義：就是用實驗的方法，把被測量與同性質的標準量進行比較，確定兩者的比值，從而得到被測量的量值。 u 使測量結果有意義的要求： u 用來進行比較的標準量應該是國際上或國家所公認的，且性能穩(wěn)定。 u 進行比較所用的方法和儀表必須經(jīng)過驗證 5靈敏度的選取 一般希望測試系統(tǒng)的靈敏度高，且在滿量程范圍內是恒定的。這是因為： l 因為S較大，同樣的輸入可有較大的輸出； l 但是，并不是靈敏度越高越好，而應合理選擇； l S不能太大，因為S，測量范圍，同時穩(wěn)定性差，難以讀數(shù)。 6.線性度(非線性度) v 理想狀態(tài)下，希望輸出值與輸入值間成正比關系，實際上，往往不成正比而輸出量為一曲線，這一曲線稱為標定曲線。理想上那條直線稱為擬合曲線。 v 標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 電阻應變式傳感器的優(yōu)缺點 優(yōu)點：①由于應變片的尺寸小，重量輕，因而具有良好的動態(tài)特性，而且應變片粘貼在試件上對其工作狀態(tài)和應力分布沒有影響。適用于靜態(tài)測量和動態(tài)測量。 ②測量應變的靈敏度和精確度高，可測1－2微應變，誤差小于1％。 ③測量范圍大，既可測量彈性變形，也可測量塑性變形，變形范圍從1％－20％。 ④能適應各種環(huán)境，可在高（低）溫、超低壓、高壓、水下、強磁場以及輻射和化學腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。 缺點：①大應變狀態(tài)下具有較明顯的非線性； ②輸出信號較弱。 二、半導體壓阻式傳感器優(yōu)點： 1).靈敏度高：是金屬絲式的50-100倍 2).固有頻率高，響應快 3).結構簡單，可實現(xiàn)微型化 4).精度高 缺點： 電阻和靈敏度系數(shù)的熱穩(wěn)定性差，國內都在100℃以下，國外多用150℃以下，如采用水冷或溫度補償措施，工作溫度可達500℃。此外，其量程小，在測量大應變時，非線性較嚴重。受腐蝕性氣體影響大、工藝復雜、要求嚴格、成本較高等。 第二節(jié).非水分子親和力型濕敏傳感器 測量原理：利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導之差來測定濕度；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以此來測定濕度；利用水蒸汽能吸收特定波長的紅外線來測定空氣中的濕度。 第五節(jié) 壓電式傳感器特點: 工作頻帶寬，靈敏度高，結構簡單，體積小，重量輕，工作可靠。 應用范圍： 各種動態(tài)力、機械沖擊、振動測量、生物醫(yī)學、超聲、通信、宇航等領域。 第六節(jié) 磁電式傳感器 1磁電式傳感器簡稱感應式傳感器，也稱電動式傳感器。它把被測物理量的變化轉變?yōu)楦袘妱觿?，是一種機-電能量變換型傳感器，不需要外部供電電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應范圍(一般為10～1000Hz)，適用于振動、轉速、扭矩等測量。 這種傳感器的尺寸和重量都較大。 2在大多數(shù)情況下，對溫度傳感器的選用，需考慮以下幾個方面的問題： （1）被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動控制，是否需要遠距離測量和傳送。 （2）測溫范圍的大小和精度要求。 （3）測溫元件大小是否適當。 （4）在被測對象溫度隨時間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應測溫要求。 （5）被測對象的環(huán)境條件對測溫元件是否有損害。 （6）價格如何，使用是否方便。 3.金屬熱電阻 鉑、銅為廣泛應用的熱電阻材料。 半導體熱敏電阻 半導體熱敏電阻是利用某些半導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）負溫度系數(shù)的熱敏電阻（ＮＴＣ）：多用于溫度測量和補償； （２）正溫度系數(shù)的熱敏電阻（ＰＴＣ）：用于恒溫、加熱控制或溫度開關； （３）臨界溫度系數(shù)的熱敏電阻（ＣＴＲ）：用于溫度開關。 4負溫度系數(shù)熱敏電阻與熱電阻相比： ①電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約是熱電阻的１０陪 ②結構簡單，體積小，可測量點溫度 ③電阻率高，適宜動態(tài)測量 ④便于遠距離控制，使用壽命長,但互換性差，非線性嚴重。 第八節(jié) 光電轉換元件 (一)光電管 特性主要取決于光電陰極的材料，基本特性是光譜特性、光電特性和伏安特性 1.光譜特性 在入射光照度一定時，光電元件的相對靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種 材料只對一定波長范圍的入射光敏感，這就是光譜特性 不同波長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，不僅要根據(jù)不同型號的具體參數(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，否則將影響光照效應 光電開關管：識別有無物體通過，主要測量轉速光電開關以其結構和工作方式的不同，可分為溝式、對射式、反光板反射式、擴散反射式、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所具有的高度選擇性，來識別待測生物化學物質的一類傳感器。 生物傳感器的原理：生物傳感器的結構一般是在基礎傳感器(電化學裝置）上再耦合一個生物敏感膜（稱為感受器或敏感元件）。生物敏感膜緊貼在探頭表面上，再用一種半滲透膜與被測溶液隔開。當待測溶液中的成分透過半透膜有選擇地附著于敏感物質時，形成復合體，隨之進行生化和電化學反應，產(chǎn)生普通電化學裝置能感知的O2、H2、 NH4+、CO2等，并通過電化學裝置轉換為電信號。 生物敏感膜 利用生物體內具有奇特功能的物質制成的膜 與被測物質接觸時伴有物理、化學變化的生化反應 可以進行分子識別 生物敏感膜是生物傳感器的關鍵元件，它直接決定著傳感器的功能與質量 第五章 溫度測量 一、溫度與溫標 1溫度 u 溫度是表征物體冷熱程度的物理量 u 溫度是描述系統(tǒng)不同自由度能量分布狀況的物理量 u 溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量 u 溫度的宏觀概念是建立在熱平衡基礎上的。任意兩個冷熱程度不同的物體相互接觸，它們之間必然會發(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，這種熱傳遞現(xiàn)象才能停止。這也就是熱力學第零定律所描述的，系統(tǒng)溫度相等是建立熱平衡的充要條件。 u 溫度的微觀概念表明：物體溫度的高低標志著組成物體的大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度，即對其分子平均動能大小的一種量度。顯然物體的物理化學特性與溫度密切相關。 選作溫度計的物質，其性質必須滿足以下條件： u 物質的某一屬性G僅與溫度T有關，即G = G(T)，且必須是單調函數(shù)，最好是線性的。 u 隨溫度變化的屬性應是容易測量的，且輸出信號較強，以保證儀表的靈敏度和測量精確度。 u 應有較寬的測量范圍。 u 有較好的復現(xiàn)性和穩(wěn)定性。 2溫標 溫標是溫度數(shù)值化的標尺。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點和測量溫度的基本單位。各種溫度計的刻度數(shù)值均由溫標確定。 1．經(jīng)驗溫標 它是借助于某一種物質的物理量與溫度變化的關系，用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫標。 攝氏溫標:攝氏溫標規(guī)定標準大氣壓下純水的冰融點為0度，水沸點為100度，中間等分為100格，每格為攝氏1度，符號為℃。 2. 熱電偶的檢定 比較法和定點法。 u 用被校熱電偶和標準熱電偶同時測量同一對象的溫度，然后比較兩者示值，以確定被檢電偶的基本誤差等質量指標，這種方法稱為比較法。 有壓力為3 MPa，流速為30 m/s， 五、接觸式溫度測量誤差 溫度為386℃ 的蒸汽流過管道，采用四種不同的安裝方式測溫： (b)采用鉑熱電阻溫度計，安裝在管道的拐彎處，播入足夠的深度，溫度計迎著氣流，瞥道及套管外露部分保溫，溫度計示值為 386℃；(a)采用鉑熱電阻溫度計，垂直于氣流方向插入，套管外露部分較長，且管道及套管外露部分未保溫，溫度計示值為341℃,其誤差為-45 ℃；(c)采用玻璃管水銀溫度計，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，溫度計示值為 371 ℃,其誤差為- 15℃。 第六章 壓力測量 u 一、壓力表示方式 絕對壓力PJ 大氣壓力PD u 表壓力PB ：PB= PJ －PD u 真空度PZ（負壓）：PZ＝ PD－ PJ u 差壓：兩個壓力之差，以大氣壓以外的任何壓力 為零標準 u 脈動壓：周期變化的動壓，非周期性為變動壓 u 沖積壓：不連續(xù)而變化大的動壓 二、壓力檢測方法 1.平衡法：通過儀表使液柱高度的重力或砝碼的重量與被測壓力相平衡的原理測量壓力 2.彈性法：利用各種形式的彈性元件，在被測介質的表壓力或負壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形來反映被測壓力的大小 3.電氣式：用壓力敏感元件直接將壓力轉換成電阻、電荷量等電量的變化 u 三、壓力測量儀表的分類 u 壓力傳感器從其原理及結構來看可分為：液柱式、機械式及電氣式 (一)彈簧管壓力計 u 結構簡單，使用方便，價格低廉，使用范圍廣，測量范圍寬 u 可測負壓、微壓、低壓、中壓和高壓 u 精度有0.5、1.0、1.5、2.5等 氣流總壓 1).不敏感偏流角αp n 在實際測量時，使感受孔軸線始終完全對準氣流方向不大可能，因此在實用上允許感受孔軸線與氣流方向有一定的偏角α。習慣上取使測量誤差為速度頭1％的偏流角作為總壓管的不敏感偏流角，記αp，當然αp的范圍越大對測量越有利。 2).管口型式與αp n 半園型、平直型和帶導流套型 n 半圓型的αp最小 n 帶導流套的最大，亞聲速區(qū)達40～ 45 3).總壓管角度特性 n 在使用總壓管時，如果偏流角α超過不敏感偏流角時，縱坐標示值開始下降。 n 各種總壓管的不敏感偏流角αp，還不同程度地受馬赫數(shù)Ma的影響。偏流角α不大時， Ma數(shù)的影響不顯著；當α增大時，隨著Ma的增大，總壓的測量誤差也越來越大。 n 選用總壓管時，要根據(jù)氣流的速度、流道的條件和對氣流方向的不敏感性來決定所用總壓管的結構形式。在滿足要求的前提下，其結構形式應越簡單越好；同時在保證結構剛度的情況下，應使總壓管具有較小的尺寸，以減少對流場的干擾。 二 內燃機氣缸動態(tài)壓力測量方法 機械方法測量示功圖已經(jīng)基本上不再采用，普遍采用的是用電測方法測量動態(tài)壓力。把氣缸壓力、曲軸轉角等非電量通過適當?shù)膫鞲衅鬓D換為電量。 n 在這種測量方法中，運動部件的質量和位移很小，自振頻率很高，因而能滿足高速內燃機測量的要求。 n 在內燃機氣缸動態(tài)壓力測量中，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 超聲波液位計利用波在介質中的傳播特性。 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，測出超聲波從發(fā)射到接收的時間差，便可測出液位高低。 超聲波液位計按傳聲介質不同，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的方案。 222單探頭液位計使用一個換能器，由控制電路控制它分時交替作發(fā)射器與接收器。 雙探頭式則使用兩個換能器分別作發(fā)射器和接收器，對于固介式，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超聲波液位測量有許多優(yōu)點： u 與介質不接觸，無可動部件，電子元件只以聲頻振動，振幅小，儀器壽命長； u 超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質粘度、濕度、介電常數(shù)、電導率、熱導率等對檢測幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場合的液位測量； u 不僅可進行連續(xù)測量和定點測量，還能方便地提供遙測或遙控信號； u 能測量高速運動或有傾斜晃動的液體的液位，如置于汽車、飛機、輪船中的液位。 超聲波液位測量也有缺點： u 超聲波儀器結構復雜，價格相對昂貴； u 當超聲波傳播介質溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對此超聲波液位計應有相應的補償措施，否則嚴重影響測量精度； u 有些物質對超聲波有強烈吸收作用，選用測量方法和測量儀器時要充分考慮液位測量的具體情況和條件。 第六節(jié) 料位檢測方法 重錘探測法 稱重法 電磁法 聲學法 光學法