热力测试技术基础习题解答

热力测试技术基础习题

第二章测量的基本概念

名词：测量、直接测量、间接测量、等精度测量，误差、误差分类（绝对误差和相对误差）、系统误差、随机误差、标准误差，残差、有效数字、极限误差。 简答：

1. 简述测量的分类，直接测量方法的分类（直读、差值、零位、替代） 测量方法分为直接测量法、间接测量法、组合测量法； 直接测量法分为直读法、差值法、零位法、替代法；

2. 误差按表示方法、按性质和按产生原因分类与含义 按误差的表示方法分为绝对误差、相对误差； 按误差的性质分为系统误差、随机误差、过失误差；

3. 理解精密度、准确度、精确度三者的关系 精密度高的准确度不一定高； 准确度高的精密度不一定高； 但精度高的，精密度和准确度都高；

4. 系统误差的特点和来源 系统误差的特点：测量条件中所引起的误差，是由于某些出现规律及影响程度都可以确定的因素引起。 判断：正确的测量结果中不应包含系统误差（X ） 系统误差的来源：仪器误差，环境误差，测量者误差，测量方法误差

5. 随机误差分布规律与四个特点

随机误差分布规律：正态分布

随机误差四个特点：单峰、有界、对称、相互补偿 计算：有限测量次数中的随机误差计算（间接、直接） 第三章测试仪表基本知识

名词：测试仪表、仪表精度、灵敏度、灵敏度阻滞、时滞，传递函数，动态误差 简答：

1. 测试仪表的组成和功能 测试仪表的组成：传感器、传输元件和处理元件、显示器； 测试仪表的功能：变换功能、传输功能、显示功能；

2. 仪器传感器满足的三个条件是什么 随被测参数的变化而发生相应的内部变化（即输出信号）； 只能随被测参数变化而发出信号或其输出为被测信号的函数； 变换器输出信号与被测参数这间必须是单值的函数关系；

3. 仪表精度定级与选用原则，并举例说明 数字小，相对误差小，精度高；数字大，相对误差大，精度低； 仪表精度等级规定了在满量程使用条件下，最大误差不得超过的数值； 定级原则取上限（精度低的）；选用原则取下限（精度高的）；

4. 测量精度与仪表精度的区别，举例说明 测量精度：

仪表精度： y m

m

A δ?=

Δm ：最大绝对误差

Am ：仪表测量范围

l ：被测量值估计量 m y m A A l δδ?=

5. 测量仪表的动态特性与动态误差 动态特性：指当输入信号随时间变化时，输出与输入信号之间的关系； 动态误差：仪表在动态下读数值和在同一瞬间被测量真值之间所存在的差值；

6. 什么是阻尼比？为什么多选为0.707（

2

2

） 二阶仪器动态特性的数学描述：)(t f ky y c y

m =++ 定义ω0：

定义二阶仪器的阻尼比ζ：

7. 画出一阶仪器阶跃输入的响应图并分析时间常数的作用

8. 给出二阶系统的正弦输入的频率响应图，并会简单分析

计算：仪表精度的选用，仪表精度定级，测量次数计算

第四章温度测量 名词：热电效应，电阻温度系数

简答：

1. 摄氏温标、华氏温标、绝对温标三种温标的概念以及如何换算

华氏温标： 32°——标准大气压下冰的熔点； 212°——标准大气压下水的沸点；

32~212°—分成180分，每一等分为华氏1度，以符号°F 表示； t ℃=(T-273.15)K=（1.8t+32）°F ； 2. 常用测温方法及特点 玻璃管式液体温度计：工作液体的热膨胀：水银、酒精、甲苯等；

压力式温度计：气体或液体受热后压力变化的原理而制成的； 热电偶温度计：利用两种不同金属的热电效应的原理来测量； 热电阻温度计：利用导体和半导体受热后电阻值变化性质；

光学高温计和辐射高温计：高温物体热辐射→光学设备分析光谱→辐射强度→温度 3. 热电效应四个定律名称及内容 均匀导线定律：同一材料不管截面或温度梯度如何，其内部不会产生热电势；

S =lim 3S

λ=lim lim 100%

L λδ=?lim

lim (1)L L λδ±±

(P=99.73%) ?

=

0ω=

中间导体定律：热电偶回路若有中间导体，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路的总热电动势无影响； 中间温度定律：在热电偶回路中，如果热端温度为t ，冷端温度为t 0，中间温度为t n ，则热电偶回路的总电势（t,t 0）等于t 与t n 热电势（t,t n ）和t n 与t 0热电势（t n ,t 0）的代数和：E （t,t 0）=E （t,t n ）+E （t n ,t 0）； 标准电极定律：如果两种导体AB 分别与第三种导体C 组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知；

()()()()()()()()()

0000000,,,,,t t E t t E t t E t e t e t t E t e t e t t E BC AC AB BC BC BC AC AC AC -=-=-=

4. 为什么要进行冷端补偿？四种补偿方法

热电偶的分度是在冷端温度为0℃时进行的，科学工作者将各种材料的热电势均进行测试，制成图表供使用；实际使用时，难于保证0℃，需采取措施消除冷端实际温度与分度时0℃不同而引起的误差；

冷端恒温法：冷端放入冰水混合物的容器中，容器温度保持0℃不变. 冷端温度校正法：如果冷端温度固定为t 0时进行的，就可从分度表中查出E(t,0)，E(t 0，0)，即可按前述进行校正。

补偿导线法:常将冷端和测量仪表放置在远离热源的地方，这需要将热电偶的一段延伸出来，这种方法对贵金属制成的热电偶不经济，因此用热电性能与主热电偶相同或接近的补偿来代替昂贵的热电偶电极实现。

补偿电桥法:采用电桥式冷端温度补偿器，可使冷端温度变化自动得到补偿 5. 热电偶三种保护结构与特点

露头式：响应快； 绝缘型：防护好；

接地型：介于两者之间； 6. 热电阻工作原理与温度系数 原理：导体或半导体的电阻值随着温度变化而变化； 导体热电阻特性：)1(0t R R t α+=

Rt ：温度t 时的电阻； R0：温度0℃时的电阻； α：导体的电阻温度系数； 电阻温度系数：在某温度间隔内，温度变化单位温度时的电阻相对变化量，单位为Ω/℃ 7.

热电偶和热电阻大致测温范围 热电偶：-200~1800℃； 热电阻：-120~500℃

8. 热电阻易于产生误差的原因

热电阻受热后产生内应力而造成误差：热电阻丝很细，受热后不能自由膨胀就会产生内应力，因而使其电阻值发生变化而造成误差，避免方法：定期校正； 热电阻引线造成的误差：引线电阻限制在一定范围内；

电阻线圈因有电流流过而引起的误差：控制通过电阻线圈的电流； 由于绝缘不好而造成的误差：定期检查电阻引线的绝缘电阻； 9. 简述辐射式测温的几种方法和原理

单色辐射式光学温度计：利用亮度代表辐射能，700℃以上发可见光；

全辐射高温计：测全部辐射能；

比色高温计：两种不同波长辐射强度的比值；

红外测温仪：测红外光，700以下无可见光，同光电高温计；

10.接触式温度计的误差来源及改进措施

安装误差；

热电偶与被测表面接触方式不同引起的误差

热幅射引起的误差；

感温器热传导引起的误差；

气体流动所引起的测温误差；

接触式靠热交换测温，因热惯性而存在时滞；

第五章压力测量

名词：表压力、真空度、压电效应、压电常数、居里点、静压、动压

简答：

1.三种压力概念及如何换算（表压力、绝对压力、负压力）

表压力：Pa=P-P0（P：绝对压力；P0：大气压）；

负压力：Pb=P0-P（P：绝对压力；P0：大气压）；

2.简述压力传感器分类、工作原理

液柱式压力计：利用液柱高度测压；

机械式弹性压力计：以各种形式的弹性元件受；

电子式压力传感器：结构→外力变形→电荷、电阻、电容、电感的变化→放大器→显示装置；

3.简述上止点测试的几种方法

静态测定法：停机划线法；磁电法；接触法；光点法；闪电停像法；

动态测定法：电容法；

压缩线法；

4.简述示功图测试的误差分析

测压通道引起的误差（改变了发动机原有工作状态，滞后和腔振）；

上止点位置引起的误差（是根据示功图进行放热率、平均指示压力）；

温度变化引起的误差（压力传感器对温度的变化很敏感，尤其是压电元件的压电常数因温度的变化而改变，是测量时的输出发生飘移。传感器在测试时的冷却条件，可采用带温度补偿片的压电传感器，以消除气缸内燃气高温带来的影响）；

第六章流速测量

1.流速测量常用仪器、原理

动压管（皮托管）可压缩气体等熵流动的能量方程：

()

2

12

v

P

P

ε

+

+

=式中：P0—气

体总压；P—气体静压；ρ—气体密度；v—液体或气体流速；ε—压缩修正系数，对于液体：ε=0；

热线风速仪：利用被电流加热而置于气流中的感受元件“热线”的热量散失强度与气流速度大小之间的关系来测定流速；

多普勒激光测速仪：当激光照射到跟随被测气体一起流动的微粒上时，激光被运动的粒子所散射，其散射光对入射光的频率偏移与流体速度成正比，测定散射光的频率偏移量，便可求得被测流体速度；

粒子图像测速技术：测量示踪粒子在△t 内的位移来计算流体速度，位移信息是t 和t+△t 时刻的粒子图像，采用激光器发射的脉冲光照明流场，利用示踪粒子的散射光成像，并拍摄粒子图像；

2.什么是恒温法、恒流法热线风速仪 恒流法：v=f(Tw)电源以恒值电流对热线加热，使热线的过热度比周围被测气流温度约高100~200℃，因此热线向测量点周围气流散热，其散热量的大小，当其它条件保持固定不变时，仅为气体流速的单值函数； 恒温法v=f(I)：测量过程中，通过伺服机构，使热线的温度始终保持在比测量上周围气流温度高某一恒定值。随着被测气流流速的变化，热线向气体的散热量也必然发生相应的改变，为使热线的温度始终保持为给定的恒定值，通过伺服机构随时调节流径热线的电流值；

3.简述多普勒测速的几种方法和原理 参考光束；单光束（双散射）；双光束（单散射）； 第七章流量测量

1.流量计的分类及典型仪器 容积式：单位时间充满某一定容积的次数，即qv=nV=f(n)：椭圆齿轮，腰轮(罗茨)，刮板式，伺服式容积，皮模式，转筒流量计； 速度型：根据流体一元流动的连续方程，通过测量流速或与流速有关的物理量来计算流量，即qv= f(v)：差压式，转子式，涡轮式，电磁式，超声波流量计，靶式，涡街，层流, 明渠； 质量型：测量与流体质量有关的物理效应为基础：直接式，推导式，温度压力补偿式； 流速法测量流量；

2.压差、浮子、涡轮等流量计的原理与特点 压差：流体通过测量管道中节流元件时，流线和流速发生变化，在节流元件前后产生压差，该压差与流量流速成正比。测得压差，通过计算可得到流量； 转子：通过改变节流面积，使得流体的动压不变，即总静压差不变，也叫浮子式； 涡轮：涡轮叶片受流动冲击而转动，测转速；

3.压差式流量计的流量系数与谁有关，如何变化

其中：d-节流元件的孔径（m ）；α-流量系数与22

D

d 有关；ρ-节流元

件入口前的空气密度（kg/m3）；ΔP-节流元件前后压力差（Pa ）；ε—膨胀校正系数，由ΔP 和P0决定。

第八章液位测量 1.液位计的典型仪器 电容式液位计； 电阻式液位计：电接点液位计；热电阻液位计； 光纤液位计：全反射型光纤液位计；浮沉式光纤液位计； 2.电容式液位计工作原理 液位变化，电极间充填液体的介电常数发生变化，引起电容变化； 3.了解电阻式液位计和光纤液位计的典型种类 电阻式液位计： 电接点液位计：利用物质液态和气态的电阻率相差悬殊的特性指示液位； 热电阻液位计：利用热电阻丝在液体和气体中的换热系数不同温度不同导致电阻改变来指示液位；

4

v q d

π

αε=

光纤液位计：

全反射型光纤液位计：在空气中符合全反射条件，接受光强大；在液体中不符合全反射条件。棱镜一浸入液体，大部分入射光进入液体，接受光强骤减；

浮沉式光纤液位计：浮子，重锤，钢索，计数齿盘。齿盘转过的齿数与液位成正比；第九章转速、扭矩和功率测量

1.水力、电力、电涡流测功的工作原理与工作特性描述与分析（画图）

水力测功器：利用运动物体与水之间摩擦阻力来吸收发动机的功率；

电力测功器：定子由电源激磁转子，产生电流，转子受相反力矩，外壳固定，电流带走能量；

电涡流测功器：激励绕组通直流电流，形成的闭合磁路，感应子外圆为齿状，旋转时磁通密度不断变化，在涡流环表面产生涡电流，变成热量由冷却水带走，转子受到一个与转向相反的力，形成制动力矩；

2.简述测功机与发动机配合工作的稳定条件

测功器扭矩曲线越陡，其稳定性越好；

3.测功机的选型依据

如图所示→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→

4.了解常用扭矩测量仪的工作原理

钢铉转矩仪：根据弹性扭曲的变形引起钢铉伸缩，从而使钢铉振动的固有频

率发生变化来测量转矩；

相位差式：在弹性变形范围内，利用弹性轴间隔一定长度的两个端面上所产

生扭转角的转矩成正比；

应变式：利用应变原理，当被测轴承受转矩时，其产生切应力，而最大应力发生在轴的外圆周面上。两个主应力轴线成45°和135 °夹角，通过测量粘贴在主应力方向上的应变片的应变值来测量转矩；

磁致伸缩式：利用铁磁物体的磁导率在机械力的作用下发生显著变化，拉应力下，其磁导率增加，压应力下磁导率减小；

5.光电、磁电和霍尔测速方法的原理与特点

磁电式转速表：利用电磁感应原理将转速转换为电脉冲信号。被测轴旋转齿轮上每个齿经过磁电式测速传感器感应线圈时，输出一个脉冲信号，由电子计数器接受信号，并对其实行放大整形、控制、记数及显示等；

光电式转速表：利用光电转换原理将转速转换为电脉冲信号，分为①透光式，②反射式；

霍尔传感器式转速表：通电的霍尔元件有磁场作用时在另两端产生电压；

第十章内燃机排气成分测定与分析

1.常用的发动机尾气取样方法

直接取样法：取样探头插入发动机排气管内直接采集部分废气，然后进行分析的方法，叫直接取样法，连续直接采样与非连续直接采样；

全量取样法； 稀释取样法； 定容取样法：CVS 法是一种稀释取样法，它利用一定比例的周围空气对汽车排气进行连续稀释，因而一种接近于汽车排气向大气中扩散的实际过程的取样方法； 2. 简述各气体成份的测试方法及原理（CH 、CO 、CO 2、NOx 、O 2） O 2含量测量：顺磁分析仪，氧化锆氧量分析仪； CH 的测量：氢火焰电离检测器； CO 、CO 2的测量：不分光红外分析仪； NOx 的测量：化学发光检测器；

3. 烟度测量有几种方法，原理是什么？典型烟度仪有哪些？ 透光度法；利用烟气对光的吸收作用，即通过测量光从烟气中的透过度来确定烟度； 滤纸法：用滤纸收集一定量的烟气，再通过比较滤纸表面对光的反射率的变化来测量烟度的，这种方法也叫反射法； 哈特里奇烟度计：让部分排放气体连续不断地流经测量管；是一种典型的透光式烟度计，其烟度分度方式为：0表示无烟（通常用干净空气的透光度标定），100表示全黑（透光度为0）； PHS 烟度计：是一种透光式烟度计，不同的是，它将被测对象的全部排放气体都导入其检测部分； 波许烟度计：是一种典型的滤纸式烟度计，由定容采样泵（抽气泵）和检测仪两部分组成，抽气泵从排放气体中抽取固定容积的气样，并让气样通过装在夹具上的滤纸，使气样中的碳烟沉积在滤纸上，由于抽取的气样数量（容积）恒定，故滤纸被染黑的程度（简称黑度）能够反映气样中所含碳烟的浓度； 冯布兰德烟度计：是一种滤纸式烟度计，不同的是，冯布兰德烟度计采用带状滤纸，通过相应的滤纸传送装置，可以实现碳烟的连续测量，通过调节滤纸的传送速度和取样喷嘴的尺寸，可以调整烟度计的灵敏度，分度是以洁白滤纸为0，全黑滤纸为100；

4. 微粒成分和粒度分析方法有哪些

微粒成分：热解质量分析法，真空挥发法，索氏萃取法；

微粒粒度：串联冲击器，扩散分选器，电淌度分析仪，光子相关粒谱仪； 第十一章振动和噪声的测量

名词：振动烈度、当量振动烈度、声场、声压、声压级、声功率、频程、频谱图、响度级、频程声压级 简答：

1. 振动测量的基本工作原理

t

x y y y km

c

m k kx ky y c y

m ωωω?ω?ωsin 22,2

02000=++==

=++ 2. 内燃机振动产生的原因与分类 原因： 如在气缸内反复的压缩、膨胀，所产生的以燃烧周期为基础的多谐波复杂激振力； 曲柄连杆机构由于不平衡质量的存在，所产生的不平衡惯性力和惯性力矩，引起以内燃机转速为基础的谐波振动；

配气机构、喷油系统引起的振动和冲击，各摩擦副之间的间隙，在运动过程中产生的冲击以及配套中负荷不均匀所引起的振动；

分类：

内燃机整体的刚体振动：内燃机有沿Z、Y、Z三个方向的振动和绕三个轴的回转振动，共六个自由度的振动系统；

曲轴系的扭振：内燃机气缸内燃气压力和曲柄连杆机构运动件惯性力周期性变化形成的综合转矩，在经曲轴传给负载的过程中，会在曲轴与整个轴系中引起扭转振动；

曲轴的弯曲振动：内燃机周期变化的气体压力和惯性力，同样会造成曲轴的弯曲振动，从而引起曲轴的弯曲疲劳损坏；

其他振动：其他振动主要指配气机构振动、活塞和缸套间的敲击引起的振动等。此外，还有内燃机附件及附件支座的振动等；

3.了解典型测振仪的工作原理与特点

电磁式测振仪，电感式测振仪，电容式测振仪，压电式测振仪