一、热工测量基础

1、基本概念

测量：为准确获得被测对象特征参数的定量信息，利用专门的量具，运用适当的实验方法，将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，从而准确获取表征被测对象特征的某些参数的定量信息，即找到被测量数值大小的过程。

检测基本方法：接触式测量与非接触式测量；直接测量、间接测量与组合测量；偏差式、零位式与微差式测量。

热工检测仪表的组成：传感器、变换器、显示仪表、传输通道。

检测主要性能指标：测量范围与量程、准确度（又称精确度）、线性度、变差、重复性。www.zhangpeng.info

准确度=^{仪表的允许误差}/_{仪表的量程} ；我国的自动化仪表精度等级分为：0.005、0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等级别，一般工业仪表精度等级为0.5~4.0级。

仪表的分类：按被测参数性质：过程参数、电气参数与机械参数检测仪表；按使用性质：实用型、范型和标准型仪表；按工作原理：模拟式、数字式和图像式；按仪表功能：指示仪、记录仪、计算仪；按组成方式：基地式和电动单元组合式。

2、测量误差及处理

测量误差：绝对误差与与相对误差。绝对误差表示与真值的差值，有正负；相对误差值绝对误差与约定值百分比，又分为实际相对误差、给出值相对误差、引用误差。

误差分类按出现规律：系统误差、随机误差、粗大误差。

系统误差的减小或消除：检定修正法、直接比较法、置换法、差值法、交换比较法

粗大误差处理：通常把3σ称极限误差，超过的则剔出重算

随机误差的处理：算数平均值：x=¹/_nΣx ; 残差V_i=X_i-x ； 总体标准偏差；实验标准偏差；算数平均值标准偏差；置信区间与置信概率。

测量不确定度：分为标准不确定度μ，合成不确定度与扩展不确定度；标准不确定度有A类和B类两类评定方法。A类标准不确定度中，不确定度=算数平均标准偏差。

二、温度检测仪表

温度是表示物体冷热程度的物理量，温度的数值表示叫做温标。通常把温度计、固定点和内插方程叫做温标的三要素。温标分为经验温标（华氏、摄氏）、热力学温标、国际温标（与热力温标同样使用K做单位）

1、热电偶（使用最广的测温仪表）

热电偶测温原理：两种不同金属组成闭合回路，当接触点温度不同时，回路中将产生电动势，这种现象叫热电效应或者塞贝克效应。温差电势由接触电势和温差电势组成。

热电偶特点 ：热电偶回路电势的大小只于材料及材料接触点温度有关，与热电偶丝的几何尺寸无关；只有两种不同性质的材料才能组成热电偶；热电偶的电极材料确定后，热电势的大小只与温度有关

热电偶基本定律：均质材料定律；中间导体定律；中间温度定律。中间温度定律和连接导线定律是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。

热电偶的冷端补偿：根据热电偶测温原理，只有当参比温度为定值且已知时，才能得到热电势和被测温度的单值函数关系，此外，实际使用的热电偶分度表中热电势和温度的对应值是以参比端温度为0度为基础的，但在实际测温中，由于环境和现场条件等原因，参比端温度往往不稳定，也不一定恰好等于0度，因此需要冷端温度补偿。补偿方法有：冰点法，热电势修正法，冷端补偿器法和补偿导线法。www.zhangpeng.info

热电偶测温线路：正向串联（总电势，增加输出，提高灵敏度）；反向串联（测量温差）；并联（测量多点平均温度）。

热电偶检定：热电偶经过一段时间使用后，由于氧化、还原、腐蚀等，使他与原分度表偏离增大，导致误差较大，精度下降，因此需要定期检定。

2、热电阻

接线方式：二线、三线、四线制，三线可减少连接导线电阻的影响；四线可完全消除导线电阻影响。

3、非接触式温度计

非接触式测温原理：利用物体的辐射能随其温度变化的原理测温

非接触式测温仪表分类：光学辐射式（光学高温计、光电高温计、全辐射高温计、比色高温计）；红外辐射式（全红外线辐射式、单色红外辐射、比色型）

比色式测温仪表测量单色辐射亮度比值即可知相应温度

三、压力测试及仪表

1、常用压力检测仪表

霍尔效应：把半导体单晶薄片置于磁场中，当晶片通以一垂直于磁场方向的电流时，在晶片垂直于电流与磁场的方向上的两个端片间将出现电势，这种现象称为霍尔效应

压电效应：压电材料在沿一定方向受到压力或拉力作用时而发生变形，并在其表面产生电荷，而去掉压力后，又回到不带电状态

2、差压变送器

电容式压力传感器：电容式压力变送器是通过弹性膜片的位移引起电容量的变化从而测出压力的（结合图描述）

3、压力仪表选用

仪表类型的选择必须满足生产过程要求；量程选择，通常测量范围在仪表量程的1/3到2/3之间；仪表精度的选择，实用经济为原则，实用之后尽可能选便宜的

四、流量检测与仪表

1、节流式流量计

节流式流量计原理：流体流经节流件时，流束收缩引起压头转换而在节流件前后产生静压差，该压差于流量之间存在一定关系，通过测量压差求出流量

标准节流装置：标准孔板、标准喷管、标准文丘里管

取压装置：角接取压、法兰取压、径距取压、缩流取压和管接取压

2、均速管流量计

3、电磁流量计

原理：当被测流体垂直于磁力线方向流动而切割磁感线时，会产生感应电势，通过测量感应电势大小即可得流量

4、容积式流量计

5、质量流量计

科里奥利流量计原理

五、物位与厚度检测仪表

法兰式差压变送器计算

六、应变与重量检测仪表

应变效应：金属的电阻值取决于它的长度和截面积，受到拉压力时其长度与面积都将改变，引起电阻变化。半导体受拉压力后，载流子迁移率发生变化。www.zhangpeng.info

七、过程分析仪器

1、红外气体分析仪

原理：利用不同气体对红外辐射能选择性吸收的原理工作。

2、氧化锆氧量分析仪

原理为浓差电池原理

3、色相色谱分析仪

八、显示（记录）仪表

电子电位差计工作原理，结合电路图说明操作步骤。

在这种改进的尤拉格式中，先用尤拉方法求得一个初步的近似值，记y_n+1，这一步即预报，然后再通过梯形方法对这一预报值进行修正，得到较为精确的y_n+1值，这是一种热工数值计算中常用的方法。

这一方法可以表示为以下的两式：

• 预报: y_n+1 = y_n + hf (x_n , y_n )
• 校正: y_n+1 = y_n + h*[f (x_n , y_n )+f (x_n+1 , y_n+1 )]/2

在计算机求解的时候，我们需要给出一个y关于x的函数，同时设定步长h，这个函数不管是显式或者隐式的函数都可以。

Matlab中利用改进尤拉方法计算传热问题举例：

尤拉格式计算传热问题

题：薄壁物体温度响应的数值求解。如图所示，T_∞=1500℃，T_w=500 ℃。从某时刻起，T₀=20℃，直径1mm的热电偶结点置于高温气体中，气流对热电偶的表面换热系数 h=200W(m²/K)，结点表面发射率 ε=0.2，高温气流对金属的氧化作用使热电偶结点产生一定的热量，其强度为 q=1000W/m3，求热电偶结点的温度响应。结点材料：ρ=8000kg/m³，c=0.38kJ/(kg*K)，λ=50W/(m*K)

解：我们在这里使用改进尤拉方法进行热工数值计算。www.zhangpeng.info

Matlab源代码如下：

function [x,y]=eulerg(x,y,h,N)
x=zeros(1,N+1);
y=zeros(1,N+1);
x(1)=0;
y(1)=293;
for n=1:N
x(n+1)=x(n)+h;
ybar=y(n)+h*dyfun(x(n),y(n));
y(n+1)=y(n)+(h/2)*(dyfun(x(n),y(n))+dyfun(x(n),ybar));
end
plot(x,y,'red');
function m=dyfun(x,y)
m=1/304+75/19*(1773-y)+(6.804e-8)/304*(1773^4-y^4);

在 matlab 中新建文件写入代码保存后，输入例如：eulerg(0,293,0.001,1000) 即可以得出热电偶温度y随时间x的变化规律曲线。

那么以下张鹏就这一现象做一简单说明，来看一下水温是否真的降低了。

在我认为,这个现象的产生主要有三个原因：www.zhangpeng.info

1、手上皮肤温度比头皮低，那么你的手就“欺骗”了你；

2、在流水中的传热明显强于静止的水中；

3、水温在从水龙头到盆中这一距离中是逐渐降低的。

首先说一下生物学原因。

根据生物知识，皮肤感知温度的实质就是感知皮肤与环境的温差。也就是说，皮肤温度和环境温度相同时，你的感觉神经将不能感知温度，那么就算是70度你也不会觉得热。那么,当你手上的皮肤温度比头皮更低的时候,同样温度下你的手就会感觉到比较温暖.在冷天,通常我们的手比头皮冷,这也就是为什么你用手感知的水温度更高的一个原因.当你试过一次之后,你手部皮肤已经被加热了一些,这也就导致你第二次试水温觉得水温低了.

其次,我们来计算一下强制对流中的换热.

对流换热即是指流体流过固体表面的换热.

根据牛顿冷却公式:

Q=h(T_w-T_f)

其中:

Q. 换热过程中的热量传递

h. 对流换热系数

Tw. 物体表面温度

T_f. 流体温度

在强制对流中,h通常是自然对流的数十倍.

而流动的水从你手上掠过是一个强制对流过程.当你把手放在流水的下面,Q就会比较大,也就是说,你的手上皮肤温度升高的比较快,那么你就会认为水温已经比较合适了.而在盆中,是一个自然对流,Q比较低,那么你皮肤上的感觉器官就会告诉你水温比流水要低.

最后,在流入盆中的过程中因为对流换热和辐射换热,水温确实是降低了.

在水流进盆中的这一短短的路程中,是一个强制对流,根据之前的讨论,温度确实会有所降低.

又根据黑体辐射定律:

Q=δ(T_f⁴-T₀⁴)

其中

Q. 热量损失

T_f. 水温

T_0。 环境温度

那么在流入盆中的过程中水温也会由于辐射换热而降低.也就是说,真实的情况是水从水龙头出来到盆中的过程中,水温确实是降低了的.www.zhangpeng.info

通过以上的讨论,张鹏的结论是这个有趣的现象一定程度上是由于你的感觉欺骗了你,但事实上,水温确实也是有所降低的.

怎样改善次此过程?

有三个方法.第一,测试水温之前让你的手暖和一些.第二,水龙头关小点,减少强制对流换热.第三,接水时尽量把盆子靠近水龙头.

还有一个最简单的方法,那就是记住下次洗头发的时候,记住把水倒热一点.