熱工測試技術課程實驗指導書

《熱工測試技術》課堂實驗/實踐指導書課程中文名稱：熱工測試技術課程英文名稱：EnergyandPowerEngineeringTesting課程編號：041956100適用專業(yè)：新能源科學與工程學時數(shù)：總學時32，其中：理論28、實驗4學分數(shù)：2課程類別：專業(yè)課程應開課學期：第五學期實驗/實踐一：溫度測量和熱電偶校正實驗實驗/實踐類型：綜合型實驗/實踐學時：2實驗/實踐要求：6人/組一、實驗/實踐目的1.了解熱電阻和熱電偶溫度計的測溫原理；2.學會熱電偶溫度計的制作與校正方法；3.了解二線制、三線制和四線制熱電阻溫度測量的原理；4.掌握電位差計的原理和使用方法；5.了解數(shù)據(jù)自動采集的原理；6.應用誤差分析理論于測溫結(jié)果分析。二、實驗/實踐內(nèi)容1.了解熱電阻測溫原理，練習熱電阻二三線制接法；2.做出被校熱電阻與標準溫度計之間的曲線關系，通過查標準熱電阻溫度與阻值關系進行分析；3.了解熱電偶的測溫原理、溫度補償方法，練習熱電偶連線與測溫；4.做出被校熱電偶溫度與電勢曲線，通過查標準熱電偶與電勢關系進行分析；5.練習電位差計測量電勢方法，了解校驗實驗臺自動采集原理。三、儀器設備熱電偶實驗裝置主要由恒溫水浴、電位差計、熱電偶、熱電阻、冰點儀、數(shù)據(jù)采集裝置、低電勢轉(zhuǎn)換開關和標準玻璃溫度計等組成。恒溫水浴上具有攪拌、加熱與溫度控制裝置，可根據(jù)要求將溫度穩(wěn)定在設定值附近。采用標準玻璃溫度計測量的溫度作為標準溫度，用于校準熱電偶和熱電阻。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟1.實驗原理1）熱電阻（1）熱電阻原理熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的。它不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，―而且被制成標準的基準儀。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應用最多的是鉑和銅。此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。常用鉑電阻和銅電阻，鉑電阻在0-630.74℃以內(nèi)，電阻Rt與溫度t的關系為：Rt=R0(1+At+Bt2)R0系溫度為0℃時的電阻，鉑電阻內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制、和四線制三種。兩線制中引線電阻對測量的影響最大，用于測溫精度不高的場合，三線制可以減小熱電阻與測量儀之間連接導線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對測量的影響，用與高精度溫度檢測。本實驗是三線制連接，其中一端接二根引線主要是消除引線電阻對測量的影響。熱電阻的校驗熱電阻的校驗一般在實驗室中進行，除標準鉑電阻溫度計需要作三定點（水三相點，水沸點和鋅凝固點）校驗外，實驗室和工業(yè)用的鉑或銅電阻溫度計的校驗方法有采用比較法。比較法是將標準水銀溫度計或標準鉑電阻溫度計與被校電阻溫度計一起插入恒溫水浴中，在需要的或規(guī)定的幾個穩(wěn)定溫度下讀取標準溫度計和被校驗溫度計的示值并進行比較，其偏差不超過最大允許偏差。在校驗時使用的恒溫器有冰點槽，恒溫水槽和恒溫油槽，根據(jù)所校驗的溫度范圍選取恒溫器。但比較法所用的恒溫器規(guī)格多，一般實驗室多不具備。因此，工業(yè)電阻溫度計可用兩點法進行校驗，這種校驗方法只需要有冰點槽和水沸點槽，分別在這兩個恒溫槽中測得被校驗電阻溫度計的電阻，然后檢查是否滿足規(guī)定的技術數(shù)據(jù)指標，以確定溫度計是否合格。熱電阻的類型普通型熱電阻。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。鎧裝熱電阻。鎧裝熱電阻是由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體。它的外徑一般為φ2—φ8mm。與普通型熱電阻相比，它具有體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后??；機械性能好、耐振，抗沖擊；能彎曲，便于安裝；使用壽命長等優(yōu)點。端面熱電阻。端面熱電阻感溫元件由特殊必理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。隔爆型熱電阻。隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引起爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險場所的溫度測量。2）熱電偶（1）熱電偶原理將兩種不同材質(zhì)的金屬導線連接成閉合回路，如果兩接點的溫度不同，由于金屬的熱電效應，在回路中就會產(chǎn)生一個與溫差有關的電動勢，稱為溫差電勢。在回路中串接一毫伏表，就能粗略地測出溫差電勢值。溫差電勢的大小只與兩個接點的溫差有關，與導線的長短粗細和導線本身的溫度分布無關。這樣一對導線的組合就稱為熱電偶溫度計。（2）熱電偶標定將熱電偶做為溫度計，必須先將熱電偶的溫差電勢與溫度值T之間的關系進行標定。一般不用內(nèi)插式計算，而是用實驗方法。用表格或T-E(或E-T)特性曲線形式表示。標定方法，一般采用：固定點法：即測量已知沸點或熔點溫度的標準物質(zhì)在沸點或熔點時的溫差電勢值。標準熱電偶法：將待標熱電偶與標準熱電偶一起置于恒溫介質(zhì)中，逐點改變恒溫介質(zhì)的溫度，待熱電偶處于熱平衡狀態(tài)下測出每一點的溫差電勢。（3）熱電偶的分類熱電偶的種類繁多，各有其優(yōu)缺點。可根據(jù)不同的用途選擇不同型號的熱電偶。目前我國已經(jīng)標準化的常用商品熱電偶，有以下幾種：表1熱電偶分類熱電偶分類型號新分度號舊分度號使用溫度℃長期短期鐵-康銅/JTK400800鎳鉻-鎳硅WREUKEU-210001300銅-康銅WRCKTCK6008002.實驗步驟1）計算機自動采集數(shù)據(jù)的操作步驟（1）恒溫水浴內(nèi)加好水，冰瓶內(nèi)放入冰水混合物。（2）將連接好的實驗設備中的熱電偶冷端放入冰瓶，并保證熱電偶連線在冰瓶內(nèi)10分鐘以上。檢查熱電阻、熱電偶的高溫探頭是否都浸在恒溫水浴里。熱電偶和熱電阻高溫探頭頭部要在同一水平面，以使兩者溫度盡可能一致。（注意：待需要測量恒溫水浴精準溫度時，才將溫度計插入恒溫水浴，以免誤操作造成標準溫度計損壞。且標準溫度計也要和熱電偶、熱電阻高溫探頭在同一水平面）。（3）打開恒溫水浴電源按鈕，按下“加熱”，“水泵”按鈕，設定恒溫水浴溫度。（4）打開控制柜的開關，打開電腦并啟動熱電偶熱電阻校驗系統(tǒng)軟件，然后新建實驗，實驗完成后啟動軟件“開始”按鈕，進行數(shù)據(jù)采集。（5）加熱恒溫水浴到設定溫度，待軟件提示“恒溫水浴狀態(tài)穩(wěn)定”后，點擊“采集穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)”按鈕，選擇量程適當?shù)臉藴蕼囟扔嫓囟葴y量出水浴溫度，并寫入計算機后，計算機自動采集當前傳感器的電勢值或電阻并予以保存。（6）實驗者根據(jù)需要重復步驟5。（7）完成實驗時，點擊計算機軟件按鈕“停止”，終止實驗，并將數(shù)據(jù)導出。（8）退出測控軟件，關閉電腦、控制箱以及恒溫水槽。（9）根據(jù)記錄的實驗數(shù)據(jù)，進行分析與處理，最終得到不同溫度情況下電勢與電阻值。（10）應用誤差分析理論進行測溫結(jié)果分析。2）手動數(shù)據(jù)采集的操作步驟步驟（1）和（2）與計算機數(shù)據(jù)采集步驟一樣。（3）打開恒溫水浴電源，按下“加熱”，“水泵”按鈕。設定恒溫水浴溫度，待溫度比較穩(wěn)定的時候，選擇量程適當?shù)臉藴蕼囟扔嫓囟葴y量出水浴溫度，采用電位差計測量各熱電偶通道電勢，采用萬用表測量熱電阻的電阻值，并做好記錄。（4）實驗者根據(jù)需要重復步驟3。（5）完成實驗時，關閉恒溫水浴電源。（6）根據(jù)記錄的實驗數(shù)據(jù)，進行分析與處理，最終得到不同溫度情況下電勢與電阻值。（7）應用誤差分析理論進行測溫結(jié)果分析。實驗/實踐結(jié)果處理1.記錄熱電阻、熱電偶溫度傳感器校驗數(shù)據(jù)；2.繪制熱電阻、熱電偶傳感器校驗曲線。六、實驗/實踐注意事項1.實驗之前應將加熱主體加入適量的水或油。2.工作環(huán)境應無強磁場，溫度0~35℃，相對濕度不大于85%。3.采用高精度玻璃溫度計測量溫度，注意溫度測量范圍，以免導致溫度計損毀。當恒溫水槽溫度低于25℃時，采用0-25℃范圍的標準玻璃溫度計；當恒溫水槽溫度在25~50℃之間時，采用25-50℃范圍的標準玻璃溫度計；當恒溫水槽溫度在50~75℃之間時，采用50-75℃范圍的標準玻璃溫度計；當恒溫水槽溫度在75~100℃之間時，采用75-100℃范圍的標準玻璃溫度計。4.當水槽溫度比較高的時候，注意防止燙傷。5.防止水槽的水濺出影響其他電氣設備。七、預習與思考題1.本實驗誤差主要來源哪里？如何減小實驗誤差？2.能否得到實際溫度的真值？如何設計高精度溫度傳感器？3.如何設計精度更好的恒溫水槽？需要哪些措施？4.為什么熱電偶可以做為溫度計？5.熱電偶溫度計與普通溫度計測溫各有什么優(yōu)缺點？6.如何確定熱電偶的正負極？7.電位差計作為第三種導體接入熱電偶的兩種導體之間，為什么對測量結(jié)果無影響？實驗/實踐二：流速、流量測量實驗實驗/實踐類型：綜合型實驗/實踐學時：2實驗/實踐要求：6人/組一、實驗/實踐目的1.學習皮托管測速技術，掌握皮托管的測量原理及其測量系統(tǒng)組成，提高學生的實驗技能和動手能力；2.了解皮托管的組成結(jié)構(gòu)、安裝方法和使用條件；3.掌握幾種常用壓力測量儀表的工作原理及使用方法；4.學習皮托管流量測量原理和特征速度點選取原則，掌握常用方法的特征速度點的位置；5.掌握皮托管測量數(shù)據(jù)的處理方法。二、實驗/實踐內(nèi)容1.熟悉L型和S型皮托管的組成結(jié)構(gòu)、安裝方法和使用條件；2.選用合適的儀表組成皮托管測量系統(tǒng)；3.對管道中某截面上不同位置的被測介質(zhì)流速進行測量，繪出管道內(nèi)介質(zhì)流速分布曲線；4.按照常用特征速度點選取原則，測量在其特征速度點上的被測介質(zhì)流速，計算介質(zhì)流量。三、儀器設備皮托管1支，U型管壓力計1臺，傾斜微壓計YYT-2000B1臺，補償微壓計YJB-2501臺，數(shù)字微壓計SYT-20001臺，數(shù)字漩渦流量計DY型1臺，離心風機1臺，連接導管和支架若干，直尺1把，記號筆1支，水銀溫度計1支。四、實驗/實踐原理、方法、手段和步驟1.實驗原理（1）流速測量皮托管是一種基于伯努利方程的流速測量裝置，是以其發(fā)明者、法國工程師HenriPitot的名字命名的，它由總壓探頭和靜壓探頭組成，利用流體總壓與靜壓之差，即動壓來測量流速，故也稱動壓管。由于其主要測量對象為氣體，因此又有風速管之稱。皮托管的特點是結(jié)構(gòu)簡單，制造使用方便，價格低廉，而且只要精心制造并經(jīng)過嚴格標定和適當修正，即可在一定的速度范圍內(nèi)達到較高的測量精度。所以雖然皮托管的出現(xiàn)已歷時兩個多世紀，但至今仍是熱能與動力機械中最常用的流速測量手段。皮托管測取的是流場空間某點的平均速度。由于是接觸式測量，因而探頭的頭部尺寸決定了皮托管測速的空間分辨率。受工藝、剛度、強度和儀器慣性等因素的限制，目前最小的皮托管頭部直徑約為0.1~0.2mm。（2）流量測量為了得到流量值，需要測量管道截面上的平均流速。由于皮托管僅能測量特定點上的流速，所以要用皮托管測量流量可通過對多個特征速度點進行測量并進行相關的計算以得到管道的平均流速。通常的做法是將管道截面分成面積相等的若干個部分，測量每一部分特征點上的流速作為該部分的平均流速，再乘以面積得到該部分的平均流量，最后把通過各個部分面積的流量累加起來就是通過整個管道的流量。這種測量方法叫做速度面積法，是皮托管測量流量的一種基本方法。如果將管道截面A分成n份，每份的截面積為Ai，每一份上的特征點流速為vi，則流過整個管道的體積流量Q為：Q=2.實驗步驟（1）選擇實驗皮托管，記錄該皮托管的編號和校準系數(shù)，填入表2；（2）按照所選用的特征速度點確定原則（等環(huán)面法、對數(shù)直線法和切比雪夫法三者選其一）對皮托管的豎直測量桿進行刻度；（3）開啟離心風機；（4）調(diào)節(jié)調(diào)風閥門的開度，等待3分鐘，使風機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定；（5）記錄大氣溫度填入表2；（6）從標準流量計（旋渦流量計）中讀取被測流量值，填入表2；（7）插入皮托管，按照所選用的特征速度點確定原則，分別測量對應該方法在三個位置上的差壓（即動壓值）填入表2；（8）調(diào)整調(diào)風閥門的開度，重復步驟4~7兩次，再測量兩個不同流量下的值，填入表2；（9）測完三個不同流量下的數(shù)據(jù)后，實驗結(jié)束。五、實驗/實踐結(jié)果處理1.按照皮托管特征速度點的常用確定原則，分別計算出位置1、2和3處的流速v1、v2和v3繪出管道內(nèi)同一截面內(nèi)的流速分布曲線；2.用它們的算術平均值作為管道的平均流速計算流量，分析計算的流量值和標準表讀數(shù)的相對百分誤差。表2實驗數(shù)據(jù)記錄表法