熱工測量與自動控制任課教師:

教學大綱說明：（一）課程的基本要求初步掌握工程的測量方法以及誤差分析與數據處理，能夠正確選擇和使用安裝測量儀表、儀器，合理組建常用的測量系統，了解自動控制的基本原理，能準確地提出本專業對自動控制的要求正確繪制自動控制原理示意圖，并能配合自控人員進行工程調試。（二）本課程與其它課程的關系本課程是本專業的一門專業課，與其它課程有橫向聯系，在學生對于其它專業課的內容有所了解的基礎上，開設本課使學生對于該專業各參數是如何測量的有所認識。（三）教學要求、重點、深廣度和教學方法建議要求學生掌握教學大綱要求的內容、重點是各熱工參數的測量和自動測量的基本知識和術語，對于各種儀表的制造原理有所了解，重點掌握各種的儀表使用方法和各專業運行調試的方法。對于自動控制部分的內容作為了解。緒論TC1M溫度傳感器控制器恒溫室熱工測量----測量與測量儀表的基本知識、誤差的基本性質與處理、各種熱工參數測量儀表的結構、原理與使用測量熱工參數:溫度、濕度、壓力、流量、流速、液位、熱量自動控制----自動控制原理、自動控制儀表、自動控制系統、自動控制在暖通工程上的應用20℃溫度計恒溫室20±

1℃第一章測量的基本知識（授課4學時）

§1-1測量的意義及方法一、測量的概念測量就是用專門的技術工具依靠實驗和計算找到測量值1、測量的定義：以同性質的標準量與被測量比較，并確定被測量對標準量的倍數。被測量：X=aU

兩者的比值（測量值）測量單位（SI）測量方法測量儀器與設備測量過程的三要素玻璃感溫包毛細管標尺(1-1)標準量（測量單位）測量的基本方程式X=aU2、測量過程及變換（轉換）：測量過程包括調零、對比、示差、調平衡、讀數五個動作。測量變換的定義是指把被測量按一定的規律變換成另一個物理量的過程。實現該過程的元件稱為測量元件。變換是測量的核心。二、測量的方法(如何實現被測量與標準量比較的方法)（一）按照獲取測量結果的程序分（二）按照儀表特點分（三）按照被測對象在測量過程中的狀態分（四）按照測量精度分直接測量間接測量組合測量非零測量法零位法微差法等精度測量不等精度測量接觸測量法非接觸測量法靜態(穩態)動態點測量

場測量等精度測量—測量條件完全相同的情況下進行測量，其精度相同。熱水熱量指示積算儀測量過程包括調零、對比、示差、調平衡、讀數五個動作鉑熱電阻caRRtbEGdR0R2R4R3I1I2caRRtbEGdRt0R2R4R3Rpr1求解聯立方程，得出常數A、BAB213dd0Dh1h2hH01020300203020101010203030封液(水、酒精、水銀)ρU形管壓力計φ6～10mm時間室內溫度0室外溫度0時間PAPB流量

§1-2測量系統

----為完成測量任務而被組合在一起的整體。

一、測量系統的基本功能二、測量系統的組成變換功能選擇功能比較和運算功能顯示和記錄功能傳感器中間變換器顯示裝置傳感器中間變換器顯示(記錄)電源y=f(x)x被測信號控制器玻璃感溫包毛細管標尺在實際應用中，一般用干、濕球溫度計來測量出濕球溫度，近似代替熱力學濕球溫度。并且得到相對濕度。v＞2.5m/s為常數濕球溫度干球溫度t-ts紗布水變換元件Xg1g2gmY=f(X,g1,g2……gm)風扇變換功能選擇功能比較和運算功能顯示和記錄功能三、熱工測量儀表的分類（一）按被測參數分類----溫度、濕度、壓力、流量、流速、液位、熱量（二）按顯示記錄形式分類

（三）工作原理分類:機械式/電子式/氣動式/液動式（四）其他分類模擬式儀表記錄儀表指針指示儀表數字顯示儀表屏幕顯示儀表模擬式信號記錄儀表數字打印記錄儀表記錄儀表指示儀表按顯示功能分類用途：標準/實驗/工程用儀表裝置地點：就地安裝儀表和盤用儀表使用方法：固定式儀表和便攜式儀表§1-3測量誤差與測量精度被測量的真值：一、測量誤差：測量結果與被測量的真值之間的差系統誤差（系差）隨機誤差（偶然誤差）粗大誤差（過失誤差）.按誤差產生的原因及性質的不同分為按誤差的表示方法分絕對誤差△=X-X0(1-3)相對誤差測量結果表達式：X0=aUX0為一不確定值，在一區間范圍內。只有當給出了測量結果X、誤差范圍±△max

及其單位，測量才算完成。（一）系統誤差:在多次等精度測量同一恒定值時，誤差的絕對值和符號保持不變，或當條件改變時也按某種規律變化的誤差，簡稱系差。產生原因：五條P.11（二）隨機誤差:在多次等精度測量同一恒定值時，其絕對值和符號無規則變化的誤差，測量次數足夠多時，服從統計規律，誤差的平均值趨近于零。又稱偶然誤差。產生原因：三條P.11（三）粗大誤差:在一定的測量條件下，測量值明顯地偏離實際值所形成的誤差，簡稱粗差，又稱過失誤差。產生原因：粗心失誤毛細管標尺標準溫度計6780100200二、測量精度(a)彈著點分散而偏斜,測量中既不精密,也不正確,即精確度很低。(b)彈著點仍較分散，但大致圍繞靶心，屬于正確而欠精密。(c)彈著點密集，但明顯偏向一方，屬于精密高而正確度差(準星(d)彈著點相離很近且都圍繞靶心，有問題)屬于即精密高又正確，精確度很高。B點為壞值，應予以剔除。保證精確度高應滿足三個方面的條件：●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●(a)(b)(c)(d)靶心---測量的真值靶上的彈著點---測量的結果隨機誤差小--精密度高系統誤差小--正確度高粗大誤差--壞值精確度高三、隨機誤差的特性與處理（一）隨機誤差的特性剔出粗差，消除系差，對同一量值進行無數次等精度測量，得到的測量值Xi叫測量列：X1、X2、……、Xn被測參數的真值組別x1x2x3x4x5x6xmax-xminA6.256.306.366.246.356.300.1237.806.300.05B6.006.306.606.206.406.300.6037.806.300.20n次測量的最佳值或最優概值(算術平均值)：5676.30保證精確度高應滿足三個方面的條件：（1）性能優良的測量儀表（2）正確的測量方法（3）正確細心的測量操作要實現準確測量必須做到:盡量避免過失誤差（粗差）盡量減少系統誤差到可以忽略的程度仔細地設計測量，并盡可能地進行多次（多次測量的平均值，其隨機誤差比單個測量值的隨機誤差小）1.正態分布：若一系列測量值中不含系統誤差和粗大誤差，隨機誤差：圖1-4正態分布的隨機誤差概率密度曲線(1-7)---標準偏差的最佳估計值（1-9）算術平均值的標準偏差（1-10）σ---標準偏差（教材上稱標準誤差）0

正態分布函數為:(隨機誤差落在到△的概率)（1-8）分布密度函數：

正態分布函數為：0（1-8）2、正態分布的隨機誤差具有的特性：（1）隨機誤差的正負值分布具有對稱性（2）隨機誤差數值分布的規律性（3）隨機誤差絕對值的有限性（4）曲線的對稱性（二）隨機誤差的處理：隨機誤差△i落在△到△的概率為：隨機誤差△i落在-△到△的概率為令：令：

正態分布積分表（表1-1）P.14：隨機誤差△i落在（-σ，+σ）區間的概率為0-σσ2σ-2σ3σ-3σ標準正態分布的分布函數隨機誤差△i落在（-σ，+σ）區間的概率為：

隨機誤差絕對值大于3σ的可能性（概率）僅為0.0027，實際出現的可能性極小，因此定義3σ為極限誤差（或叫最大誤差、隨機不確定度）。在多次等精度測量中，通常將的測量值判為壞值，刪除掉。△i落在（-2σ，+2σ）區間的概率為：△i落在（-3σ，+3σ）區間的概率為：0-σσ2σ-2σ3σ-3σ有限次等精度測量最終結果表達式(消除系差，剔出粗差)(可信度99.7%)的誤差叫粗大誤差i12345678910Xi90.991.291.590.291.891.391.692.190.791.4△i-0.4-0.10.2-1.10.500.30.8-0.60.1△2i0.160.010.041.210.2500.090.640.360.01(1)最優概值(3)極限誤差(2)標準偏差(4)最優概值標準偏差(5)有限次等精度測量最終結果表達式(消除系差，剔出粗差)將【例1-1】所列的等精度測量結果進行處理，并導出其最終結果表達式（P.14）（無粗大誤差）(可信度99.7%)i12345678910Xi105.30104.94105.63105.24104.84104.97105.35105.16105.71105.36△i0.05-0.31-0.38-0.01-0.39-0.280.10-0.090.460.11△2i0.00250.09610.14440.00010.15210.07840.010.00810.21160.0121(1)最優概值(3)極限誤差(2)標準偏差(4)最優概值標準偏差(5)有限次等精度測量最終結果表達式(消除系差，剔出粗差)P18.11題求測量標準偏（誤）差，最優概值標準偏（誤）差；置信度分別為95.5%，99.7%的測量結果。（無粗大誤差）(可信度99.7%)【作業1-1】將下列兩組等精度測量結果進行處理，并導出最終結果表達式。（單位℃）x1x2x3x4x5x6A儀器6.256.306.366.246.356.30B儀器6.006.306.606.206.406.30組別測量列作業P18.11題

≠三位有效數字兩位有效數字最后一位數字為欠準數字567010206.306.3誤差理論：6.256.356.2956.305注意測量時幾位有效數字的取值，計算結果要和給出的數字取同樣多的位數，運算過程中至多要比給出的數字取多一位的位數或相同位數，多了也沒用。≠1000kPa1Mpa0.5MPa1.5MPa999.5kPa1000.5kPa=1.000MPa0.9995MPa1.0005MPa＝i123456XiA6.256.306.366.246.356.30XiB6.006.306.606.206.406.30△iA-0.0500.06-0.060.050△iB-0.3000.30-0.1000(1)最優概值(3)極限誤差(2)標準偏差(4)最優概值標準偏差（5）有限次等精度測量最終結果表達式（消除系差，剔出粗差）【作業1-1】將下列兩組等精度測量結果進行處理，并導出最終結果表達式。(單位：℃）（無粗大誤差）(可信度99.7%)§1-4測量儀表的基本技術指標

允許誤差限內，測量儀表的被測量值的范圍叫作測量范圍。測量范圍上限值(最高值)與下限值(最低值)之差稱作量程Xm一、儀表的精度與穩定性1、測量誤差（1）示值絕對誤差△=X-X0(1-16)（2）示值相對誤差（3）引用誤差（4）基本誤差（5）允許誤差：基本誤差不超過某一規定值。2、儀表的精度---允許誤差去掉百分號的數值稱作儀表的精度等級0100單位KPa精度:1級2、儀表的精度基本誤差不超過某一規定值，此規定值叫允許誤差。允許誤差去掉百分號的數值稱作儀表的精度等級。0.005、0.01、0.02、（0.035）、0.04、0.05、0.10.2、（0.35）、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0掌握儀表的精度要注意的幾點（P15）：（1）用戶只可降級使用不可升級使用。（2）在測量中使用同一精度（1.0級），量程又相同的儀表(50～100℃),所測值的絕對誤差(±0.5℃)與被測參數的數值無關。(3)兩塊同一精度的儀表（1.0級），量程不等(一塊0～50℃,另一塊0～100℃），則在測量中可能產生的絕對誤差是不相同的(±0.5℃、±1℃)科學研究用工業檢測用(3)兩只同一精度的儀表（1.0級），量程不等(一只0～50℃,另一只0～100℃），測同一環境溫度為40℃，用那一塊更好？結論：盡量選擇量程小的儀表，并使測量值在上限至量程的三分之二左右。兩塊儀表，精度、量程均不等，測同一參數用那一塊更好？

【作業1-2】測90℃溫度，現有兩只溫度計，一只精度0.5級，量程0～300℃；另一只精度1.0級，量程0～100℃，問用那一只溫度計測量更好？測量中可能產生的最大絕對誤差為：用第一塊更好,可能產生的最大絕對誤差更小。0100單位KPa精度:1級0100單位KPa精度:1級0100單位KPa精度:1級【作業1-2】測90℃溫度，現有兩只溫度計，一只精度0.5級，量程0～300℃；另一只精度1.0級，量程0～100℃，問用那一只溫度計測量更好？可能產生的最大絕對誤差為：用1.0級，量程0～100℃的溫度計更好,可能產生的絕對誤差更小。結論：精度低、量程小的儀表可能產生的絕對誤差更小，而且降低成本。測量值在上限至量程的三分之二左右。3、穩定性穩定度各環境影響系數0100單位KPa精度:1級二、儀表的特性（靜態特性：與時間無關的參數描述測量儀表的特性）1、靈敏度2、靈敏限（分辨率）3、線性度4、變差5、溫度誤差三、動態特性:儀表對隨時間變化的參數的響應特性YX0圖1-5儀表的靜特性曲線圖1-6儀表的變差示意圖△X、△Y----被測量的輸入增量、輸出增量YX0（其他溫度測量值與20℃時測量值的差值）Ymax—儀表量程三、動態特性:儀表對隨時間變化的參數的響應特性0τt實際值測量值最大絕對誤差小于測量最大允許誤差4℃，所以是合適的。作業P67.10【例1-1】精度0.5級，量程為600～1200

℃。測量最大允許誤差為4

℃【解】最大絕對誤差為：作業P67.10標準表讀數（MPa）0246810被校表正行程讀數（MPa）01.993.975.957.989.98被校表反行程讀數（MPa）02.034.036.058.0210.02【解】（1）變差＜因為基本誤差允許誤差所以該儀表符合1.0級精度。(2)如果該壓力表的精度等級為1.0級，則允許誤差為1.0%基本誤差第二章溫度測量（本章授課6學時）

§2-1測溫儀表的分類一、溫度和溫標（一）攝氏溫標(代號t):1atm純水冰點0℃,沸點100℃，之間100等份，其中1等份=1℃（二）華氏溫標(代號F):1atm純水冰點32°F，沸點212°F,之間180等份,其中1等份=1°F攝氏溫標與華氏溫標換算關系：（三）熱力學溫標：純理論不能付諸實用。（四）國際實用溫標(代號T）：單位K（開爾文）水三相點熱力學溫度(溫標的唯一基準點)的1/273.16=1KT=t+273.15(2-1)273.15K=0℃=T0------標準大氣壓下冰的熔化溫度二、溫度的檢測方法的主要方法和分類（表2-1）P20（測溫介質為水銀）（測溫介質為水銀）§2-2雙金屬片溫度計α=f（t-t0）（2-3）應用范圍-80～600℃，精度0.5～1級，常作為恒定溫度的控制元件。抗震性能好，結構簡單，牢固可靠，讀數方便，精度不高，測量范圍不大。α絕緣體調節螺釘雙金屬片溫度計ZJ繼電器加熱器燈泡電源電源§2-3玻璃液柱溫度計

一、玻璃液柱膨脹式溫度計的分類、結構形式和特點玻璃溫包毛細管標尺水銀有機液體普通型溫度計精密型溫度計貝克曼溫度計電接點溫度計棒式{圖2-2(b)}內標式{圖2-2(a)}可調式電接點溫度計固定式電接點溫度計分類感溫液體用途結構形式水銀凸面有機液體凹面表2-3P.23分度值小于0.01℃(圖2-3)（表2-2）ZJ繼電器加熱器燈泡電源電源二、玻璃液柱膨脹式溫度計的使用（一）允許示值誤差（表2-3）示值誤差=顯示值-真實值（二）誤差原因及處理（表2-4）（避免或減少誤差）

§2-4壓力式溫度計密閉容器中液體或氣體受熱后壓力的升高來反映被測溫度。此溫度計結構簡單，強度較高，抗震性能好。(圖P.24\P.58)一、充氣體的壓力溫度計PV=mRT二、充蒸汽的壓力溫度計蒸汽的飽和蒸汽壓溫度充氮氣測溫<500～550℃充氫氣測溫>-120℃§2-5熱電偶溫度計熱電偶溫度計是目前最為廣泛的溫度傳感器，結構簡單、測溫范圍廣（-100～1600℃），準確度高，慣性小，輸出為電信號，便于遠傳與轉換的優點。一、熱電偶溫度計的測溫原理++++----A（T）B（T）NA>NBEAB(T)接觸電勢(帕爾貼電勢)電子擴散方向T>T0EA(T,T0)AT0T溫差電勢(湯姆遜電勢)----+T0參比(考)端［自由端或冷端］一般恒定在0℃T測量端［工作端或熱端］ABEA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T0)EAB(T)T>T0NA>NB熱電偶回路的熱電勢:（一）接觸電勢(帕爾貼電勢)（二）溫差電勢(湯姆遜電勢)e----單位電荷，e=1.6×10-9Ck----玻耳茲曼常數，k=1.38×10-23J/KNA，NB----材料A、B的自由電子密度，是溫度的函數。σA、σB----導體A、B的湯姆遜系數，與材料的性質和兩端溫度有關。（三）熱電偶回路的熱電勢若冷端溫度固定(常數)(2-6)’(2-7)(2-8)ABEAB(T,T0)TT0=0℃令T0=0℃，根據分度表（例如表2-6），電勢和溫度的對應值，得出T值來。(熱電偶種類：表2-5)【例2-1】用鉑銠10-鉑熱電偶測溫，熱電偶冷端溫度為0℃，測得熱電勢一次為0.173mV，另一次為2.58mV,求兩次所測點的溫度。解：查表2-6（P29）(1)0.173mV30℃(2)0.258mVt=?t=300+28=328℃【作業2-1】用鉑銠10-鉑熱電偶測溫，熱電偶冷端溫度為0℃，測得熱電勢為1.00mV，求所測點的溫度。℃mV0t1t2tV1VV2TT0BT0T/0T/0AB/A/1、熱電偶（感溫元件）2、連接導線（銅導線或補償導線）毫伏計。。。。TnBABATnTT0。。TnBAB/A/TnTT0(二)中間導體定律(三)中間溫度定律(四)連接導體定律二、熱電偶基本定律P.27(一)均質導體定律。。TnCBABTnT0TP30補償導線BATnTT0BABATT0【例2-2】用鉑銠10-鉑熱電偶測溫，熱電偶冷端溫度為30℃，測得熱電勢為0.699mV，求所測點的溫度。解：查表2-6（P29）t=130℃【作業2-2】用鉑銠10-鉑熱電偶測溫，熱電偶冷端溫度為20℃，測得熱電勢為0.682mV，求所測點的溫度。⑴連接導體定律的應用補償導線P30，表2-7⑵中間溫度定律的應用。。TnBABATnTT0三、熱電偶的材料、分類與構造（一）材料：滿足四點要求P.28（二）分類（三）構造四、熱電偶冷端溫度的補償標準非標準普通型鎧裝型薄膜型冰浴法(四，圖2-14)校正法(二,中間溫度定律計算)儀表機械零點調整法(五)補償電橋法(三，圖2-13)0t0caRRtbEGdR0R2R4R3I1I2Rt為熱電阻平衡電橋和不平衡電橋1、不平衡電橋測溫度

c、d兩點間的電位相等，檢流計G中沒有電流通過時，電橋平衡：電橋對邊的電阻值乘積相等，電橋就平衡。溫度升高，熱電阻Rt變大，IG變大，根據檢流計指針的偏移得知熱電阻所測量的溫度。或（可取）IG=0I

G

==0不平衡電橋Rt為熱電阻,Rp為滑線電阻，在測量溫度下限時Rt有最小阻值Rt0

,電阻滑動觸點應在Rp的左端，此時讓電橋平衡,即：caRRtbEGdRt0R2R4R3Rpr12、平衡電橋測溫度若IG=0調整滑線電阻，使IG=0滑線電阻中觸點位置反映了熱電阻阻值的變化，也就反映了熱電阻所在環境溫度的變化。（所測溫度t大于測量溫度下限t0）§2-6熱電阻溫度計金屬或半導體的電阻值隨溫度的變化而變化一、金屬熱電阻（鉑電阻、銅電阻、鎳電阻等）傳感器（一）鉑熱電阻（二）銅熱電阻（非國際標準）二、半導體熱敏電阻溫度計熱電阻溫度計由熱電阻或半導體熱敏電阻、顯示儀表和連接導線組成。

要求熱電阻⑴穩定；⑵復現性好，互換；⑶電阻溫度系數大，靈敏度高；⑷電阻率大，體積小；⑸線性；⑹價格低。特點：⑴中低溫，精度高于熱電偶溫度計；⑵靈敏度高,溫度升高1℃，金屬熱電阻阻值增（0.4%～0.6%）；半導體熱敏電阻阻值減少（3%～6%）

⑶體積比熱電偶大。（2-14）（2-15）鉑絲的純度用R100/R0表示，越大越好,越純。R0表示0℃電阻值,越小越純。愈純、穩定性愈高、復現性好、精度愈高。實驗室：，0℃電阻值，Pt50、Pt100、Pt300工業用：表2-8，表2-9P34一、金屬熱電阻傳感器（一）鉑熱電阻（二）銅熱電阻（非國際標準）-50～150℃Cu50和Cu100（表2-10，P34）Cu100分度表（表2-11）[等于Cu50的分度值乘以2]即Cu50分度表是將Cu100分度表中的阻值除以2【例2-3】用Cu100熱電阻測出的阻值為78.49，所測點的溫度是多少？若用Cu50熱電阻測出的阻值也為78.49，所測點的溫度又是多少？78.49x2=156.98查Cu100分度表得Cu50熱電阻所測溫度133.05℃【作業2-3】用Cu100熱電阻測出的阻值為81.20，所測點的溫度是多少？若用Cu50熱電阻測出的阻值也為81.20，所測點的溫度又是多少？二、半導體熱敏電阻溫度計和金屬熱電阻相比優點：⑴具有大的負溫度系數，靈敏度高；⑵電阻率大，體積小，慣性小，可測點溫度和動態溫度。特點：非線性嚴重，元件性能不穩