熱能與動(dòng)力工程整理課件.doc

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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)可分為若干分支，如力學(xué)測(cè)量、電學(xué)測(cè)量、熱工測(cè)量等。 u 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，把被測(cè)量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定兩者的比值，從而得到被測(cè)量的量值。 u 使測(cè)量結(jié)果有意義的要求： u 用來(lái)進(jìn)行比較的標(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。 u 進(jìn)行比較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? l 因?yàn)镾較大，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(yīng)合理選擇； l S不能太大，因?yàn)镾，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) v 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。 v 標(biāo)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)：①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。 ②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％。 ③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％。 ④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)：①大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性； ②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℃以下，國(guó)外多用150℃以下，如采用水冷或溫度補(bǔ)償措施，工作溫度可達(dá)500℃。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、成本較高等。 第二節(jié).非水分子親和力型濕敏傳感器 測(cè)量原理：利用潮濕空氣和干燥空氣的熱傳導(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)楦袘?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10～1000Hz)，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）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（ＮＴＣ）：多用于溫度測(cè)量和補(bǔ)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(guān)； （３）臨界溫度系數(shù)的熱敏電阻（ＣＴＲ）：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： ①電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約是熱電阻的１０陪 ②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可測(cè)量點(diǎn)溫度 ③電阻率高，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量 ④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，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(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，否則將影響光照效應(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)一般是在基礎(chǔ)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表面上，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)反應(yīng)，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 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)變化的生化反應(yīng) 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 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(chǔ)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要條件。 u 溫度的微觀概念表明：物體溫度的高低標(biāo)志著組成物體的大量分子無(wú)規(guī)則運(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： u 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。 u 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。 u 應(yīng)有較寬的測(cè)量范圍。 u 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)量溫度的基本單位。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)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℃。 2. 熱電偶的檢定 比較法和定點(diǎn)法。 u 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，然后比較兩者示值，以確定被檢電偶的基本誤差等質(zhì)量指標(biāo)，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(cè)量誤差 溫度為386℃ 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，瞥道及套管外露部分保溫，溫度計(jì)示值為 386℃；(a)采用鉑熱電阻溫度計(jì)，垂直于氣流方向插入，套管外露部分較長(zhǎng)，且管道及套管外露部分未保溫，溫度計(jì)示值為341℃,其誤差為-45 ℃；(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 ℃,其誤差為- 15℃。 第六章 壓力測(cè)量 u 一、壓力表示方式 絕對(duì)壓力PJ 大氣壓力PD u 表壓力PB ：PB= PJ －PD u 真空度PZ（負(fù)壓）：PZ＝ PD－ PJ u 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) u 脈動(dòng)壓：周期變化的動(dòng)壓，非周期性為變動(dòng)壓 u 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 u 三、壓力測(cè)量?jī)x表的分類 u 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) u 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 u 可測(cè)負(fù)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(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α。習(xí)慣上取使測(cè)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(dāng)然αp的范圍越大對(duì)測(cè)量越有利。 2).管口型式與αp n 半園型、平直型和帶導(dǎo)流套型 n 半圓型的αp最小 n 帶導(dǎo)流套的最大，亞聲速區(qū)達(dá)40～ 45 3).總壓管角度特性 n 在使用總壓管時(shí)，如果偏流角α超過(guò)不敏感偏流角時(shí)，縱坐標(biāo)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(shí)， Ma數(shù)的影響不顯著；當(dāng)α增大時(shí)，隨著Ma的增大，總壓的測(cè)量誤差也越來(lái)越大。 n 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)基本上不再采用，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。 n 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。 n 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，便可測(cè)出液位高低。 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。 雙探頭式則使用兩個(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)： u 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)； u 超聲波傳播速度比較穩(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、腐蝕性或高粘度等特殊場(chǎng)合的液位測(cè)量； u 不僅可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和定點(diǎn)測(cè)量，還能方便地提供遙測(cè)或遙控信號(hào)； u 能測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)或有傾斜晃動(dòng)的液體的液位，如置于汽車、飛機(jī)、輪船中的液位。 超聲波液位測(cè)量也有缺點(diǎn)： u 超聲波儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)昂貴； u 當(dāng)超聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對(duì)此超聲波液位計(jì)應(yīng)有相應(yīng)的補(bǔ)償措施，否則嚴(yán)重影響測(cè)量精度； u 有些物質(zhì)對(duì)超聲波有強(qiáng)烈吸收作用，選用測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器時(shí)要充分考慮液位測(cè)量的具體情況和條件。 第六節(jié) 料位檢測(cè)方法 重錘探測(cè)法 稱重法 電磁法 聲學(xué)法 光學(xué)法