热能与动力工程测试技术(附答案)

1.测量方法：直接测量：凡是被测量的数值可以从测量仪器上读出，常用方法１．直读法２．差值法3.替代法4.零值法

间接测量：被测量的数值不能直接通过测量仪器上读出，而直接测量与被测量有一定函数

关系的量，通过运算被测量的测值。

组合测量：测量中各个未知量以不同的组合形式出现，根据直接测量与间接测量所得的数

据，通过方程求解未知量的数值

2.测量仪器：可分为范型仪器和实用仪器

一、感受件：它直接与被测对象发生联系，感知被测参数的变化，同时对外界发出相应的信号。应满足条件：1.必须随测量值的变化发生相应的内部变化 2.只能随被测参数的变化发出信号 3.感受件发出的信号与被测参数之间必须是单值的函数关系

二、中间件：起传递作用，将传感器的输出信号传给效用件常用的中间件：导线，导管

三、效用件：把被测信号显示出来。分为模拟显示和数字显示

3.测量仪器的主要性能指标：

一、精确度：测量结果与真值一致的程度，系统误差与随机误差的综合反映

二、恒定度：仪量多次重复测量时，其指示值的稳定程度

三、灵敏度：认仪器指针的线位移或角位移与引起变化值之间的比例

四、灵敏度阻滞：在数字测量中常用分辨率表示

五、指示滞后时间：从被测参数发生变化到仪器指示出现该变化值所需时间

4.传递函数是用输出量与输入量之比表示信号间的传递关系。H（s）（s）（s）作用：传递函数描述系统的动态性能，不说明系统的物理结构，只要动态特性相似，系统可以有相似的传递函数串联环节：H（s）1（s）H2（s）并联环节H（s）1(s)2（s）反馈环节H（s）(s)/1(s)(s)

5.测量系统的动态响应：通常采用阶跃信号和正弦信号作为输入量来研究系统对典型信号的响应，以了解测量系统的动态特性，依次评价测量系统

测量系统的阶跃响应：一阶测量系统的阶跃响应二阶测量系统的阶跃响应

测量系统的频率响应：一阶测量系统的频率响应二阶测量系统的频率响应

7.误差的来源：每一参数都是测试人员使用一定的仪器，在一定的环境下按一定的测量方法和程序进行的，由于受到人们的观察能力，测量仪器，方法，环境条件等因素的影响，所得到的测量值只能是接近于真值的近似值，测量值与真值之差称为误差。

8．误差分类; 一、系统误差：出现某些规律性的以及影响程度由确定因素所引起的误差特点：1随机性，不确定性 2.必然存在性 3.服从统计规律 4.误差与测量的次数有关

二、随机误差：由许多未知的或微小的因素综合影响的结果特点：1.必然存在与测量结果之中 2.完全服从统计规律 3.大小正负误差有频率决定 4.误差与测量的次数有关

三、过失误差：主要由测量者粗心，过度疲劳或操作不正确引起的。特点：1.无规律可循2包含过失误差的测量结果不可用

9．系统误差的由来：仪器误差，它是由于测量仪器本身不完善或老化所产生的误差

安装误差，它是由于测量仪器安装和使用不正确而产生的误差

环境误差，它是由于测量仪器使用环境条件与仪器使用规定的条件不符而引起的

方法误差，它是由于测量方法或计算方法不当所形成的误差，

操作误差，也称人为误差，它是由于观察者天使缺陷或观察位置习惯偏向一方等引起的

动态误差，在测量瞬变值时，由于仪器指示系统的固有频率、阻尼等所反映的测量仪器的动态特性与被测瞬变量之间不匹配，而产生的振幅和相位误差

10.系统误差的特征：系统误差是由固定不变的因素按确定的规律变化的因素造成的

消除系统误差的方法：一、消除产生系统误差的根源二、用修正法消除系统误差

三、常用消除系统误差的具体方法：1交换抵销法2替代消除法3预检法

系统误差的综合：1.代数综合法 2.算术综合法 3.几何综合法

13.随机误差正态分布曲线的特点：1.单值性：概率密度的峰值只出现在零误差附近

2.对称性：符号相反，绝对值相等的随机误差出现概率相等。

3.有限性：误差的绝对值不超过一定范围

4.抵偿性：一列等精度测量中各个误差的代数和趋向于零

14.可疑测量数据的剔除:多半是由于过失或疏忽所引起的误差。

四大准则：一、莱依特准则二、格拉布斯准则三、t检验准则四、狄克逊准则

选择：1.当测量次数N趋近于无穷大时，采用莱依特准则，若次数较少采用其他三种，要从测量列中迅速判别粗大误差时，可采用狄克逊准则。 2.最多只有一个异常值，采用格拉布准则来判别坏值的效果最佳。 3.有可能存在多个异常值时，应用两种以上的准则来交叉判别，否则效果不佳。

15.传感器是能感受被测量并按一定规律换成电信号的器件或装备，由敏感元件和转换元件组成。分类方法：一、按被测物理量分类：压力传感器，温度传感器，速度传感器

二、按测量原理分类：电阻式传感器，电感式传感器，电容式传感器。

三、按输出信号分类：模拟式传感器，数字式传感器

16.电阻式传感器：将物理量的变换转换为敏感元件电阻值的变化，再经电路处理后，转换成电信号输出。分类：1.金属应变式传感器2.半导体压阻式传感器3.电位计式传感器

4.气感传感器

5.湿敏电阻传感器

17.应变片的温度补偿：1.温度变化也会使应变片电阻发生变化，由此带来的测量误差为温度误差，2.温度的变化会引发应变片敏感栅的电阻变化和附加变形 3.试件材料与敏感栅材料膨胀系数不同，会产生不同的附加应变为此必须采用温度补偿来消除有温度变化引起的误差，以求出真实应力。方法:桥路补偿和应变片补偿。

18.电感式传感器：建立在电磁感应的基础上，利用线圈自感或互感的变化，把被测物理量转换为线圈电感量变化的传感器。

原理：电磁感应原理：振荡器产生一个交变磁场，当金属目标接近交变磁场达到感应距离时，产生涡流，从而导致金属震荡器衰减，以至停振，之后，触发驱动控制器具，从而达到非接触式之检测目的。

19.电容式传感器：把位移，压力，振动等物理量变化转换为电容量变化的传感器。

变化原理：电容式传感器中，倒E、d和A三个参数都会影响电容量C，改变任意一个，都会引起电容量的变化。

20.电阻式传感器机工作原理：将物理量的变换转化为敏感元件电阻值的变化，再经相应电

路处理后，转换为电信号输出.

21.磁电式传感器：是把被测参数的变化转换成感应电动势的传感器，它是以导线在磁场中运动产生电动热的原理为基础

22.热电式传感器：把温度变化转换成电量变化的传感器分为热电阻传感器和热电偶

电动势分为接触式电动势和温差电动势

23.热电偶的基本特性：1.均质材料定律2.中间导体定律3.中间温度定律4.标准电极定律

24.为什么进行冷端补偿：由于冷端温度t0受周围温度的影响，难以自行保持，为减小误差，应对其进行冷端补偿，使其温度恒定。

热电偶冷端温度补偿：1.冷端恒温法2.冷端补偿器法3.冷端温度校正法4.补偿导线法

25.对于热电极材料的要求：1.在测温范围内热电耗稳定 2.在测温范围内，电极材料有足够的物理化学稳定性。不易被氧化腐蚀 3.热电动势应尽可能地大并与温度成单值线性关系 4.电阻温度系数小，电导效高5材料复制性好，制造简单，价格便宜

26.光电效应：1.在光线的作用下能使电子逸出物质表面的称为外光电效应（光电管，光电倍增器） 2.在光线的作用下使物体电阻率改变的称为内光电效应（光敏元件，光电管）

3.光线作用下物体产生一定方向电动势称为光电伏特效应（光电池，光敏晶体管）

27.霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过导体时，垂直于电流和电磁场方向会产生一附加电场，从而在导体两端产生一附加电场。例子：1.转速测量2.位移测量4.接近开关

第五章

28.温标：热力学温标，国际实用温标，摄氏温标和华氏温标。5/9(32) 273.15

26.接触式温度测量反应被测物体的温度，必须满足以下条件：1.热力学平衡条件

2.当被测对象温度变化时，感温元件的温度能实时的跟着变化即传感器的热容和热阻为零

27.温感原件的安装条件：1.安装时应迎着被测介质的流向插入。2.若无法做到这一点，可采

用迎着被测介质的流向斜的方式，至少也须与被测介质正交（即900），应尽量避免与被测介质形成顺流。3.安装时，要使感温元件处于管道中心，即应使它处于流速最大处。

4.在感温元件插入处附近的管道或容器壁外，要有足够的绝热层，以减少由于辐射和导热损失引起的误差。

28.压力式温度计的工作原理：是基于密闭系统内的气体或液体受热后压力变化的原理而制成的。它由温包、毛细管和弹簧管所构成的密闭系统和传动指示机构组成。

29.

27.温度计的时滞：1.感温元件的热惯性，由感温元件本身原来的温度T1过渡到T2时需要

一定的时间 2.指示仪表的机械惯性：感温元件将所获得的热信号送到仪表的指示

位置所需要一定时间

28.压力测量方法：1.重力与被测压力的平衡法2.弹性力与被测压力的平衡法3.利用物质某

些压力相关的物理性质进行测压

29.液柱式压力计的测量误差来源：1.环境温度变化的影响2.重力加速度的修正3.毛细现象

的影响4.其他误差

弹性压力计的测量误差来源：1.迟滞误差 2.温度误差 3.间隙和摩擦误差

31.压阻式传感器：结构特点：结构简单，可实现微型化，灵敏度高，固有频率高，响应快

精度高 应用范围：广泛的应用在航天航空，石油化工，动力机械等各个领域。

但在温度变化范围大的环境中使用时，必须进行温度补偿。

压电式传感器：为了增加输出信号，由于压片晶体有极性，有串联组合和并联组合两种。 应用领域：并联组合中适用于电荷作为输出的场合，串联组合适用于电压作为输出

的场合

电容式压力传感器：结构简单，耐振动冲击，测量范围宽，可靠性强和精度高 应用：适用高工作压力，低压差的测量。

34.总压管：1形总压管。制造简单，安装和使用比较方便，支杆对测量结果影响较小，不

敏感偏流α较小 2.圆柱形总压管：可以做成很小的尺寸，且工艺性能好，使用方

便，不敏感偏，流角较小 3.带导流套的总压管：实际是L 形总压管的管口处加一

导流套，不敏角αp 大大提高，αp 随变化较明显，头部尺寸较大，对流场影响较

大 4.多点总压管;各单点总压管沿支杆轴向分布，组成梳状总压管，各单点总压杆

沿支杆径向分布，组成耙状总压管 5.边界层总压管：边界层内气流总压比主流内

的总压小得多，且边界非常薄，气流总压的总压管是非常特殊的。

第 七 章

（一）皮托管测速技术原理

1、组成：总压探头和静压探头利用流体总压和静压之差即动压来测量流速故也称动压管。 测量对象：主要是气体

测速原理：根据不可压缩流体的伯努力方程，流体参数在同一直线上得02v 2

1p p =+ρ ρν）

（p -p 20=

可见通过测量流体和总压0p 和静压p 或它们的压差p -p 0就可以根据上式计算流体后流速。这就是皮托管测速的基本原理。

2、对于平面流动，可采用三孔测速管测量其流速的大小和方向。

三孔测速管主要由三孔感应球形探头，干管，传压管和分度盘等组成。在探头的感应孔中，居中一个为总压孔，两侧的孔用于探测气流方向，故也称方向孔。

工作原理：实际测量时，将上述测速管探头插入气流之中，慢慢转动干管直到两个方向孔的压力相等。这时，气流方向与总压孔的轴线平行。总压孔和两个方向孔的压力分别为：

202212

21-454sin -121p -p 21p -p ρνρνρν===

）（ → 13p p = 或 ρνρν12212p -p p -p == （二）热线（热膜）测速技术

1、构造：探头，信号，数据处理系统构成。

探头分为：热线探头和热敏探头

热线探头：铂丝或钨丝。直径3.8—5微米，长度1—2

热膜探头：铬或铂金属薄膜，用熔焊的方法固定在楔形或圆柱形的石英骨架上。 热膜探头响应速度没有热线探头高。

2、热线风速仪是根据通电的探头在气流中的热量散失强度与气流强度之间的关系来测量流速的。

①恒流式：工作过程中保持加热电流不变，热线的温度随流体流速而变化，电阻值也随之变化。测速公式：）（ωνR f =

②恒温（恒电阻）式：工作过程中通过调节热线两端的电压以保持热线的电阻不变，这样就可以根据电压的变化，测出热线电流的变化，进而计算流速：）（I f =ν

3、恒流式因热线热惯性的影响，存在灵敏度随被测流体流动变化频率减小而降低，而且会产生相位滞后等缺点。

第 八 章

1、流量通常指单位时间内通过某有效流通截面的流体数量，称为瞬时流量 流量： 质量

流量：）（kg/s q m qv q m ρ= 体积流量：）（/s m q 3v

2、流量计类型

①容积式流量计：通过单位时间内被测流体充满或排出某一定容容器v 的次数来计算流量，即nv q v =。适用于高粘度，低雷诺数的流体。不宜高温高压与脏污介质。

②速度型流量计：当流通截面确定时，流体的体积流量与截面上的平均流速成正比。可用于高温高压流体测量。

③质量型流量计：与质量有关的物理效应为基础

（1）直接型：利用与质量有关的直接原理（如牛顿第二定律）

（2）温度压力补偿型：利用温度，压力与密度之间的关系，将其转化为密度，再与体积流量进行运算而得到质量流量。

（3）推导型：同时测取流体的密度和体积流量。

3、流量计的选用原则

①根据被测流体的性质选择：不同类型的流量计对被测流体的适应性不同。选择时需要明确了解被测流体的物态及其特性。

②根据用途选择：不同流量计的功能，测量精度和价格不同，而不同的使用场合对流量计的这些要求有所侧重。

③根据工况条件选择：工况包括被测流体的流量变化范围，温度和压力高低等。

④其他选择流量计还应考虑流量计的安装条件，包括安装位置，安装尺寸以及流通管路的振动情况等。

（二）节流式流量计

1、测量原理：当流体流经管道中急骤收缩的局部截面时，将产生增速降压的节流现象，流体的流速越大，即在相同流通截面积条件下的流量越大，节流压降也越大。这种节流现象作为流量测量依据的仪表简称为节流式流量计。其输出信号为差压。

结构：由节流装置，差压信号导管（导压管）和压差计三部分组成。

2、节流装置

①基本组成：节流元件，取压装置，节流元件上下游的局部阻力元件和直管段以及连接法兰等组成。

②常用的节流元件：孔板，喷嘴，文丘利管等。

③取压装置由取压方式决定。视取压孔的位置不同，取压方式有角接取压、法兰取压、径距取压、理论取压和管接取压等。

2、根据流量计的工作原理和误差分析理论，说明为什么对同一节流式流量计测量流量的上下限比值有一定的范围要求。

答：根据反映流量与节流压降的关系的流量方程为： ραεβπ

ρπ

αεp

2D 4p

2d 4q 222v ?=?=

式中流量系数α与流动状态（雷诺数e0R ）有关。流量发生改变。则流速发生变化。雷诺数e0R 也随之变化。当雷诺数变化较大时，流量测量就不准确。

（三）涡轮流量计

1、基本特性：线性特性，压力损失特性

2、影响涡轮流量计特性的主要因素：被测流体的性质、工作状态与标定条件关系。

3、影响涡轮流量计测量结果的主要因素

①流体粘度的影响：涡轮流量计的仪表常数k 与流体的粘度密切相关。随着流体年度的增加，流量计的线性范围缩小。

②流体密度的影响：推动涡轮转动的力矩与流体的密度成正比，流体密度的变化也引起涡轮转速的变化因而引起误差。

③流体压力和温度的影响：当被测流体的压力和温度与流量计标定时的状态有较大偏离时，将使涡轮变速器的结构尺寸及其内部流体体积发生变化从而影响到流量计的特性。

④流动状态的影响：进口处流速突变和流体的旋转可使测量误差达到不能忽略的程度。

四．光纤流量计

1。工作原理：在节流元件前后分别安装一组敏感膜片和Y 形光纤，膜片感受流体压力和作用而产生位移，Y 形光纤是一种光纤位移传感器，它根据输入输出光强的相对变化测量膜片位移的大小。

特点：利用光纤传感技术检测节流元件前后的压差?p

2.光纤膜片式流量计

工作原理：直接把流量信号转变为膜片上的位移信号，即流量越大，膜片受力而产生内向的变形（位移）越大，测量膜片的位移光就可以确定被测流量的大小。

3.光纤卡门涡街流量计

特点：采用了光纤传感器技术测量涡流频率

工作原理：利用了压力变化感测原理.当卡门涡街中的漩涡按左右交替的规律，从漩涡发生体表面剥离出来时，在其左右两边形成的压力差的正负也随之交替变化

测量装置中的左右两膜片感受这种压力的变化，通过Y 形光纤传感器输出相应的光脉冲信号

五．超声波流量计

1.基本原理：基于超声波在介质中传插速度与介质的流动速度有关这一现象。

2.特点：1.非接触测量，不扰动流体的流动状态，不产生压力损失

2.不受被测流体物理化学特性的影响

3.输出特性呈线性

3.常用方法：时间差法，相位差法，频率差法。

第 九 章

（一）1、从本质上讲，液压测量是一门检测液体—液体，气体—液体，或者固体—液体之间的分界面的技术。

2、液压测量的技术主要基于相界面两侧物质的物性差异或液位改变引起有关物理参数的变化现象。

（二）差压式液位计

1、基本原理：通过测量液体静压力p 或差压?p 就可以确定相应的液位高度H 。理论依据：不可压缩流体的静力学原理。

2、根据差压式液位计的基本工作原理。说明为什么对于密闭容器的液位测量，当其中的液体及其蒸汽密度变化较大时。不能直接利用图9—16和式9—2的测量方法？ 答：g

gH p s s s )(H ρρρ--?=。仅适用于密度ρ和s ρ变化不大的场合。否则液位与差压的关系将变化不定，差压的变化不能完全反映液位的变化。

（二）电阻式液位计

1、电接点液压计

特点：利用液体与其蒸汽之间的导电特性（电阻值）的差异进行液位测量。

工作原理：通过测定与容器相连的测量筒内处于汽水介质中的各电极间的电阻，来判别汽水界面的位置。

2、热电阻液压计

特点：利用液体与蒸汽对热敏材料传热特性不同而引起热敏电阻变化的现象进行液位测量。 工作原理：通电的电阻丝与液气之间传热系数的差异及其电阻变化值随温度变化的特点进行液位测量。电阻丝在液体中的电阻值比空气中大。则灯泡较暗，当电阻丝在空气中时，灯泡较亮。在这种检测回路中，灯泡从暗变亮时，表示液位已低于预定高度。

第十一章

（一）色谱分析仪

1、基本原理：被分析的混合物在流动气体或液体的推动下。流经一根装有填充物的管子。由于固定相对不同的组分具有不同的吸附或溶解能力，因此混合物经过色谱柱后。各种组分在流动相和固定相中形成的含量分配关系不同。最终导致从色谱柱流出的时间不同，从而达到组分分离的目的。

2、作用：对混合物的各种组分进行定性或定量分析。

3、应用时应注意的问题：

①环境条件：在湿度过大时要采取必要措施

②气体纯度：气源纯度要求在99.99％以上

③气流比例选择：合适的气流速度

④气路的捡漏种清洗：对装置进行密封性和清洁度的检查，提高气体纯度。

（二）红外分光分度计

1、基本原理：在燃气或排放气体所含的主要成分种（如等、、222O N H ）。除同原子的双原子气体外，其他非对称分子气体。在红外区均有特定的吸收带（波段）。（如等、、NO CO O H 22）根据特定的吸收带，可以鉴别分子的种类。

用途特点：①对混合气体所含组分种类进行定性分析。鉴别的理想检测器。 ②不适用于连续测量

2、不分光红外气体分析仪

基本原理：通过测量特定吸收带内待测组组分队红外辐射的吸收程度来确定其含量，理论基础是比尔定律，它描述了气体对一定波长的红外辐射的吸收强度与气体含量之间的关系：)(I 0d k p e I αα-=

用途特点：定量分析

（四）涡轮流量计

4、基本特性：线性特性，压力损失特性

5、影响涡轮流量计特性的主要因素：被测流体的性质、工作状态与标定条件关系。

6、影响涡轮流量计测量结果的主要因素

①流体粘度的影响：涡轮流量计的仪表常数k 与流体的粘度密切相关。随着流体年度的增加，流量计的线性范围缩小。

②流体密度的影响：推动涡轮转动的力矩与流体的密度成正比，流体密度的变化也引起涡轮转速的变化因而引起误差。

流体压力和温度的影响：当被测流体的压力和温度与流量计标定时的状态有较大偏离时，将使涡轮变速器的结构尺寸及其内部流体体积发生变化从而影响到流量计的特性。

④流动状态的影响：进口处流速突变和流体的旋转可使测量误差达到不能忽略的程度。

五．光纤流量计

1。工作原理：在节流元件前后分别安装一组敏感膜片和Y 形光纤，膜片感受流体压力和作用而产生位移，Y 形光纤是一种光纤位移传感器，它根据输入输出光强的相对变化测量膜片位移的大小。

特点：利用光纤传感技术检测节流元件前后的压差?p

4.光纤膜片式流量计

工作原理：直接把流量信号转变为膜片上的位移信号，即流量越大，膜片受力而产生内向的变形（位移）越大，测量膜片的位移光就可以确定被测流量的大小。

5.光纤卡门涡街流量计

特点：采用了光纤传感器技术测量涡流频率

工作原理：利用了压力变化感测原理.当卡门涡街中的漩涡按左右交替的规律，从漩涡发生体表面剥离出来时，在其左右两边形成的压力差的正负也随之交替变化

测量装置中的左右两膜片感受这种压力的变化，通过Y 形光纤传感器输出相应的光脉冲信号

六．超声波流量计

1.基本原理：基于超声波在介质中传插速度与介质的流动速度有关这一现象。

2.特点：1.非接触测量，不扰动流体的流动状态，不产生压力损失

2.不受被测流体物理化学特性的影响

3.输出特性呈线性

3.常用方法：时间差法，相位差法，频率差法。