概論熱工學(xué)發(fā)展課件

課程任務(wù)

1、掌握該專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)常用的物理量的基本概念、測量技術(shù)和方法。2、能夠在該專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)正確選擇和使用測量儀器，合理組建測量系統(tǒng)。3、掌握誤差分析與數(shù)據(jù)處理方法。熱工儀表與測量開課方式

課堂講授與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合總學(xué)時34，其中課堂講授學(xué)時28（包括考試2學(xué)時），實(shí)驗(yàn)學(xué)時6學(xué)時。熱工儀表與測量考核方式：考試課按照以下兩個方面表現(xiàn)評分：1、課堂表現(xiàn)、平時作業(yè)、實(shí)驗(yàn)完成情況占30%。2、期末考試占70%。熱工儀表與測量預(yù)備知識工程熱力學(xué)，傳熱學(xué)，流體力學(xué)，電工電子學(xué)、電子工藝學(xué)熱工儀表與測量

熱科學(xué)早期發(fā)展的概況

人們對熱的本質(zhì)及熱現(xiàn)象的認(rèn)識，經(jīng)歷了一個漫長的、曲折的探索過程。在古代，人們就知道熱與冷的差別，能夠利用摩擦生熱、燃燒、傳熱、爆炸等熱現(xiàn)象，來達(dá)到一定的目的。

熱科學(xué)的歷史可以追溯到17世紀(jì)。在1592—1600年間，伽利略制作了人類第一個空氣溫度計(jì)，開始了對物體的冷熱程度（溫度）進(jìn)行定量測定的研究，可作為“測溫學(xué)”的開端。伽利略1564-1642在18世紀(jì)中，“測溫學(xué)”有較大的突破。其中最有價值的是，1714年法倫海脫所建立的華氏溫標(biāo)，以及1742年攝爾修斯所建立的攝氏溫標(biāo)（即百分溫標(biāo)）。1760—1830年間的工業(yè)革命，有力地推動了生產(chǎn)力的發(fā)展及社會的進(jìn)步，科技方面的成就也是空前輝煌的。力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及數(shù)學(xué)都有豐碩的成果。特別是蒸汽機(jī)的發(fā)明和應(yīng)用，直接促進(jìn)了熱機(jī)理論的研究。1848年，開爾文根據(jù)卡諾原理，建立了與工質(zhì)性質(zhì)無關(guān)的熱力學(xué)溫標(biāo)，并提出采用一個定義點(diǎn)的建議。開爾文溫標(biāo)的建立，使“測溫學(xué)”與熱力學(xué)基本定律之間建立了聯(lián)系，是“測溫學(xué)”的一個重要進(jìn)展。開爾文傳熱學(xué)讓-巴蒂斯特·畢奧1774-1862讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅里葉1768年-1830雷諾1842～1912路德維?！て绽侍?875-1953努賽爾斯特潘玻爾茲曼流體力學(xué)的發(fā)展埃萬杰利斯塔·托里拆利1608～1647艾薩克·牛頓1643—1727卡布萊士·帕斯卡1663-1662老尼古拉·伯努利1623～1708第一講測量的基本知識測量的重要意義及范圍測量的重要意義及范圍“沒有測量，就沒有科學(xué)”——門捷列夫自量體裁衣到高樓大廈，可以說沒有一個行業(yè)不用測量技術(shù)。評價一個國家的科技水平或狀態(tài)，最快捷的辦法就是審視那里所進(jìn)行的測量以及由測量所積累的數(shù)據(jù)是如何被利用的.熱工測量的概念指壓力、溫度等熱力狀態(tài)參數(shù)的測量，通常還包括一些熱力生產(chǎn)過程密切相關(guān)的參數(shù)的測量，如溫度、壓力、流量、液位、振動、位移、轉(zhuǎn)速和煙氣成分等。真值、約定真值、相對真值的概念真值是一個變量本身所具有的真實(shí)值。它是一個理想的概念，一般是無法得到的。約定真值是一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計(jì)。實(shí)際測量中，以在沒有系統(tǒng)誤差的前提下，足夠多次的測量值之平均值作為約定真值。相對真值是當(dāng)高一級標(biāo)準(zhǔn)器的誤差僅為低一級的1/3~1/20時，可以認(rèn)為高一級的標(biāo)準(zhǔn)器或儀表的示值為低一級的相對真值。示值x本測量器具指示的被測量的量值，也稱測量值。什么是測量？測量是人們借助專門工具，通過試驗(yàn)和對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，將被測量以測量單位的倍數(shù)顯示出來的過程。用公式表示成：

X0=μUX0：被測量；

U：標(biāo)準(zhǔn)量（測量單位）；

μ：比值（測量值）；測量過程的三要素測量方法測量單位測量工具測量方法(1)

按測量結(jié)果的獲取方式分：1、直接測量：直接從測量儀表的讀數(shù)獲取被測量的方法，如電流、電壓等。

測量方法(1)2、間接測量：利用直接測量的量與被測量之間的函數(shù)關(guān)系得到被測量量值。如電功率P=IU等。

在測量一個截面為圓的劣弧的幾何量所在圓的直徑D。由于無法直接測量，可以間接測量圓的直徑。1測量該劣弧的弦長b以及相應(yīng)的弦高h(yuǎn)2通過公式計(jì)算出直徑D。測量方法(1)3、組合測量：同時測量多個參數(shù)，通過改變測量條件進(jìn)行多次測量，通過解方程組的方式求得這些參數(shù)。測量方法(1)3、組合測量各種導(dǎo)體的電阻隨著溫度的變化而變化，在通常溫度下，電阻與溫度之間存在如下關(guān)系。采用直接測量的方法，測量出不同溫度下的電阻值，解聯(lián)立方程，求解電阻的溫度系數(shù)測量方法(2)按被測量與測量單位的比較方式分：1、偏差式測量法：用儀器儀表指針的偏移表示被測量的大小。如指針式儀表、水銀溫度計(jì)等。測量方法(2)2、零位式測量法：用指零儀表表示被測量與標(biāo)準(zhǔn)量相等。如電橋、天平等。電橋原理測量方法(2)3、微差式測量法：為以上兩種方法的組合。通過測量被測量與標(biāo)準(zhǔn)量之差來求得被測量。測量方法的選擇原則選擇測量方法時要考慮下列因素：被測量本身的特性 （大小、動態(tài)特性） 所要求的測量準(zhǔn)確度測量環(huán)境現(xiàn)有的測量設(shè)備30示例-不同測量方法的誤差內(nèi)阻120K的萬用表測量時相對誤差40%內(nèi)阻10M的萬用表測量時相對誤差0.8%rERM電池電量測量測量儀表什么是測量儀表？

1、測量儀表是將被測量轉(zhuǎn)換成可供觀察的指示值或等效信息的器具。

2、利用電子技術(shù)對各種待測量進(jìn)行測量的設(shè)備統(tǒng)稱電子測量儀表。

測量儀表的基相構(gòu)成（1）敏感元件（Sensor）：感受件直接與被測對象相聯(lián)系，感受被測量的量值，并將感受到的被測信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號輸出。一般有位移、壓差、電阻、電容、電壓等，在性質(zhì)上、強(qiáng)弱上總是與顯示元件所能接收的信號有所差異。敏感元件變換元件顯示元件傳輸元件yy1y2Y測量儀表的基相構(gòu)成（2）敏感元件：1)輸出信號必須隨被測量變化，他們的關(guān)系是穩(wěn)定的，可復(fù)現(xiàn)的。2)輸出信號只能隨被測量變化而變化。3)輸出信號與被測量之間必須是單值關(guān)系，最好是線性關(guān)系。測量儀表的基相構(gòu)成（2）變換元件（Transducer）：將y1信號按要求變換成顯示元件可以接受的y2。包括信號物理性質(zhì)上的變換和幅值上的變換。測量儀表的基相構(gòu)成（3）顯示元件（Display）將y2按人們的要求量值Y顯示出來。

模擬式儀表：指針，刻度

數(shù)字式儀表：

LED（LightEmittedDiode)發(fā)光二級管

LCD（LiquidCrystalDisplay)液晶顯示器

LCM（LiquidCrystalModule)液晶顯示模塊

VFD（VacuumFluorescentDisplay)真空熒光顯示器測量儀表的類型模擬式儀表：對模擬量直接進(jìn)行連續(xù)測量、顯示或記錄的儀表。數(shù)字式儀表：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再對數(shù)字量進(jìn)行處理的儀表。復(fù)習(xí)－模擬量與數(shù)字量（1）

示例-溫度計(jì)及讀取溫度計(jì)的過程

采樣-離散化復(fù)習(xí)－模擬量與數(shù)字量（2）

示例-溫度計(jì)及讀取溫度計(jì)的過程

01T2T3T4T5T135268380410420415量化復(fù)習(xí)-模擬量與數(shù)字量（3）

定義模擬量（Analog）時間上和幅值上連續(xù)變化的物理量。如溫度計(jì)液柱高度的變化。數(shù)字量（Digital）變化不連續(xù)而總發(fā)生在一系列離散的瞬間；它們的數(shù)值的大小和每次增減變化都是某一個最小數(shù)量的整數(shù)倍，小于這個最小數(shù)量單位的數(shù)值沒有任何物理意義。這個最小量叫最低有效位LSB（LeastSignificantBit）。從廣義上講，人讀取溫度計(jì)的過程就是模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化過程。測量儀表的基本構(gòu)成（4）傳輸元件（Transmitter）：傳輸元件的作用是將感受件輸出的信號，根據(jù)顯示件的要求，傳輸給顯示件。測量儀表的基相構(gòu)成（5）傳感器：是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。變送器：為了使各種感受件的輸出信號便于與顯示儀表和調(diào)節(jié)裝置配接，要通過傳送件把信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信號。例如在單元組合儀表中，各種感受件的輸出信號都被轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)值范圍的氣、電信號，這時的傳送件常成為變送器。一般指的是4-20mA模擬信號傳輸。儀表內(nèi)信號傳輸過程開環(huán)系統(tǒng)直接變換式儀表，要保證儀表的指示準(zhǔn)確，必須保持每個環(huán)節(jié)的靈敏度不變。閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)中儀表的傳遞系數(shù)只與反饋環(huán)節(jié)的傳遞系數(shù)相關(guān)。儀表內(nèi)信號傳輸過程儀表的質(zhì)量指標(biāo)1、準(zhǔn)確度表征儀表指示值接近被測量真值程度的質(zhì)量指標(biāo)。

儀表的質(zhì)量指標(biāo)

精密度：測量的重復(fù)性程度

1、準(zhǔn)確度

正確度：測量值偏離被測量真值

的程度

正確度高，精密度低正確度低，精密度高正確度高，精密度高絕對誤差

式中，x為測量值，A0為真值，A為相對真值√相對誤差

實(shí)際相對誤差用溫度計(jì)測量一爐子溫度，溫度計(jì)指示值為1645℃，爐子真實(shí)溫度為1650攝氏度，示值絕對誤差？相對誤差？如果測量100℃的水，溫度計(jì)示值為95℃，示值的絕對誤差，相對誤差？滿度相對誤差（最大引用誤差）測量儀器量程內(nèi)的最大絕對誤差（儀表的基本誤差）與儀器滿度值的百分比。式中，下標(biāo)m表示滿度值，滿度是指量程上下限的差。儀表的準(zhǔn)確度等級

等級為滿度誤差去掉百分號。譬如滿度誤差不超過0.5%，它的準(zhǔn)確度為0.5級，即︱m︱

≦0.5，通常也可寫作±m(xù)=0.5%我國大部分儀表按照滿度誤差分級，依次劃分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、5.0級等7個等級。等級度越高，儀器越準(zhǔn)確。0.1、0.2是精密儀器。一測量范圍為0-10MPa的彈簧管壓力計(jì)經(jīng)校驗(yàn)，在其量程上各點(diǎn)處最大示值絕對誤差則該表的最大引用誤差？若該表的準(zhǔn)確度等級為1.5級，該表是否合格？2、線性度儀表的輸出特性。表示輸出量隨輸入量的變化規(guī)律。多數(shù)儀表都是按線性處理的，由于非線性引起的誤差稱為非線性誤差。3、回差（變差）輸入量上升和下降時，同一輸入量相應(yīng)的兩輸出量平均值之間的最大差值與量程之比。造成回差的原因通常是由于儀表運(yùn)動系統(tǒng)的摩擦、間隙、彈性元件的彈性滯后等原因。4、重復(fù)性和重復(fù)性誤差同一工作條件下，多次按同一方向輸入信號作全量程變化時，對應(yīng)于同一輸入信號，儀表輸出值的一致程度稱為重復(fù)性。對于全范圍行程，在同一工作條件下從同方向?qū)ν惠斎胫颠M(jìn)行多次連續(xù)測量所獲得的輸出兩極限之間的代數(shù)差或均方根誤差稱為重復(fù)性誤差。5、分辨率引起儀表示值可察覺的最小變動所需要輸入的信號的變化，稱為儀表的分辨率。測量儀表所能分辨的最小變化量。指針式儀表為表頭的最小刻度儀表。數(shù)字式儀表一般為最末位的一個字。6、靈敏度儀表輸出增量與被測量增量之比。7、穩(wěn)定性

也稱穩(wěn)度誤差。有時用時漂移（隨時間漂移）來表示。8、動態(tài)特性表示儀表的輸出響應(yīng)隨輸入變化的能力。也就是儀表的輸出信號能否正確地重現(xiàn)輸入信號的能力。分為瞬態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性兩方面。常從時域方面通過傳遞函數(shù)法，研究測量系統(tǒng)對典型信號的響應(yīng)來了解系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。計(jì)量計(jì)量

利用技術(shù)和法制手段實(shí)現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測量。國家建立的這么一套體系，如果你的測量方法正確，它保證你的測量結(jié)果正確且可以被公眾接受。計(jì)量的內(nèi)容計(jì)量基準(zhǔn)量值傳遞單位制國際單位制

包括以下三個部分基本單位彼此獨(dú)立加以規(guī)定的物理量單位長度單位、時間單位、質(zhì)量單位、電流單位、熱力學(xué)溫度、發(fā)光強(qiáng)度（坎德拉，cd)、物質(zhì)量單位導(dǎo)出單位由基本單位通過定義、定律及其他函數(shù)關(guān)系派生出來的單位稱為導(dǎo)出單位輔助單位既可作為基本單位又可以作為導(dǎo)出單位的單位平面角的單位弧度、立體角的單位球面角。7個基本單位定義如下：1.長度單位——米(m)

光在真空中于1／299792458s時間所經(jīng)過的距離(1983年第17屆國際計(jì)量大會通過)。2.質(zhì)量單位——千克(kg)

質(zhì)量單位、等于國際千克原器的質(zhì)量(1901年第3屆國際計(jì)量大會規(guī)定)。國際單位制基本單位中唯一保留的實(shí)物基準(zhǔn)。3．時間單位——秒(s)

銫-133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間(1967年第13屆國際計(jì)量大會決定)。4.電流強(qiáng)度單位——安[培](A)

一恒定電流，若保持在處于真空中相距1m的兩無限長而截面可以忽略的平行直導(dǎo)線內(nèi)，則此兩導(dǎo)線之間產(chǎn)生的力在每米長度上等于2×l0-7N(1948年第9屆國際計(jì)量大會確定)。

5.熱力學(xué)溫度單位——開[爾文](K)

水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1／273.16(1967年第13屆國際計(jì)量大會通過)。6．物質(zhì)的量的單位——摩[爾](mol]

一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元數(shù)與0.012kg碳-12的原子數(shù)目相等(1971年第14屆國際計(jì)量大會決定增加的基本單位)。在使用摩時，應(yīng)指明基本單元是原于、分子、離子、電子及其它粒子，或是這些粒子的特定組合。7．發(fā)光強(qiáng)度單位——坎[德拉]（cd）發(fā)出頻率為540×l012Hz單色輻射的光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度。而且在此方向上的幅射強(qiáng)度為(1／683)w／sr[1979年第16屆國際計(jì)量大會規(guī)定)。計(jì)量基準(zhǔn)主基準(zhǔn)原始基準(zhǔn)，國家基準(zhǔn)副基準(zhǔn)地位僅次于主基準(zhǔn)，平時用來代替國家基準(zhǔn)使用或驗(yàn)證國家基準(zhǔn)的變化工作基準(zhǔn)地位僅在主基準(zhǔn)和副基準(zhǔn)之下，實(shí)際用來檢驗(yàn)下屬計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)置工作基準(zhǔn)的目的是不使主基準(zhǔn)或副基準(zhǔn)頻繁使用而損壞基準(zhǔn)本身并不一定剛好等于一個計(jì)量單位，例如，銫-133原子頻率基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)的時間不是1s，而是(919261770)-1s計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具定義準(zhǔn)確度低于計(jì)量基準(zhǔn)，用于檢定計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或者工作計(jì)量器具（實(shí)際使用的測量儀器）種類社會公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)縣以上政府計(jì)量部門建立，統(tǒng)轄本地區(qū)部門使用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)省級以上政府有關(guān)部門建立，統(tǒng)轄本部門企事業(yè)單位自己在單位內(nèi)部使用的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)比對、檢定、校準(zhǔn)比對同準(zhǔn)確度等級的同類基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具之間進(jìn)行比較，考核量值的一致性檢定高一等級準(zhǔn)確度的計(jì)量器具對低一等級的計(jì)量器具進(jìn)行比較，以評定被檢計(jì)量器具是否全格。計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度為被檢者的1/3到1/10校準(zhǔn)高一等級準(zhǔn)確度的計(jì)量器具對低一等級的計(jì)量器具進(jìn)行比較，以確定被檢計(jì)量器具示值誤差。測量儀器在制造時必須按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)（儀器、設(shè)備）又要