建筑环境测试技术教案

课程名称： 建筑环境测试技术

教 案

2008~ 2009 学年第 1 学期

院 （部） 热能工程学院 教 研 室 基础教研室 授 课 专 业 班 级 暖本061- 065 主 讲 教 师 李慧 教 师 职 称 副教授 教 材 名 称 建筑环境测试技术

热 能 工 程 学 院

第 1 次课的教学整体安排

填写说明：1.每项页面大小可自行添减；

2.教学内容与讨论、思考题、作业部分可合二为一。

第一章 测量的基本知识

这一章是本课程的基础，主要讲授测量、测量仪表的基本概念、测量方法及测量方法的选择、测量仪表的类型、功能和性能指标。

第一节

一．测量的定义

测量的基本概念

1．概念：测量是运用专门的工具，根据物理、化学、生物等原理，通过实验和计算找到被测量的量值。

2. 定义：测量是以同性质的标准量与被测量比较，并确定被测量相对标准量的倍数。

表达式： L=X/U

说明：①标准量应是国际或国家公认的。②采用的方法或仪器需经验证。

二．测量方法

按测量手段分类

1．直接测量：通过测量能直接得到被测量数值的测量。

y=x

2．间接测量：被测量不能通过直接测量的方法得到，而必须通过一个或多个直接测量值利用一定的函数关系运算才能得到。 yf(x1,x2xn)

3．组合测量：被测量不能通过直接测量或间接测量得到，而必须通过直接测量的测得值或间接测量的测得值建立联立方程组，通过求解联立方程组的办法才能得到最后结果。 公式： f1(y1,y2ym,x11,x21xn1)0 f2(y1,y2ym,x12,x22xn2)0 fm(y1,y2ym,x1m,x2mxnm)0

举例：电阻器温度系数的测量。

RtR20(t20)

(t20)2

在此，温度系数αβ为被测量，可通过测得在两个不同温度下的电阻值，即通过得到t1、t2、Rt1、Rt2四个直接测量值建立方程组通过计算即可得到。

Rt1R20(t120)(t120)2

Rt2R20(t220)(t220)2

若R20未知，则可联立三个方程即可。•按测量方式分类

1．偏差法：用仪器仪表的指针的位移表示被测量大小的方法。

2．零位法：亦叫平衡法。测量时用被测量与标准量比较，不断调整标准量的大小，当指零器为0时，即可根据标准量的大小得到被测量的大小。

3．微差法：偏差法与零位法相结合即构成微差法。通过测量被测量与标准量之差来得到待测量的值。

除了以上分类方法以外，还可分为精密测量与工程测量、等精度测量与不等精度测量、本地测量与远地测量等。

三．测量方法的选择原则

①被测量本身的特性；②被测量的准确度；③测量环境；④现有测量设备。在此基础上选择合适的测量仪表和正确的测量方法。 举例：电压表测量高内阻电路端电压。 若电路输出等效内阻为80kΩ，当电压表内阻分别为10MΩ、120 kΩ，对应的数字电压表测得的电压为：

10000

U54.96V 18010000

120

U53V 280

120

所以当测量电路的内阻较大时，要测量电路的端电压需要选用内阻高的数字电压表。

第二节

一．测量系统的组成

测量仪表

测量系统由被测对象和测量设备组成，测量设备一般由传感器、变换器、显示装置、传输通道组成。对应的系统框图如下。

1．传感器：是测量系统与被测对象直接发生联系的部分。对传感器的要求： ①输入与输出有稳定而准确的单值函数关系。②非被测量对传感器作用时，应使其对输出的影响小到忽略。③负载效应小。（负载效应：被测量受到的仪表的干扰而产生的偏离。） 2．变换器（变送器）：将传感器的输出信号转换成显示装置易于接受的信号。包括机械放大，电信号放大，电信号转换

3．显示装置：分为模拟式、数字式、屏幕式。

4．传输通道：是各仪表之间输入与输出联系的纽带。传输通道可以是导线、管道、光缆、无线电通讯等。

二．测量误差与测量精度

1．测量误差：测量值与被测量真值之差。

A 表示方法： 绝对误差： x  x 

x

A100%

相对误差： A

x

x

100%

示值相对误差： x

被测量真值一般无法得到，在实际中通常以实际值代替。 •分类：

①系统误差：凡是误差的数值是固定的或者按照一定规律变化的误差。②随机误差：在测量过程中存在许多随机因素对测量造成干扰，使测得值带有大小和方向都难以预测的测量误差。③粗大误差：明显歪曲测量结果的误差。2．测量精度：描述测量值偏离真值的程度，与测量误差有着密切联系。由测量误差决定。①准确度—反映系统误差大小的程度。②精密度—反映随机误差大小的程度。③精确度—反映系统误差和随机误差合成大小的程度。对于测量者来说，准确度高的精密度不一定高，反之亦然。但精确度高的准确度和精密度都高。

三．测量仪表的主要性能指标

1．量程范围：仪表能够测量的最大输入量与最小输入量之间的范围称作仪表的量程范围。在数值上等于仪表上限减去仪表下限Lm。

2．仪表精度（仪表精度等级）

LA仪表误差

100%引用误差：y

Lm



基本误差： jm100%

Lm

允许误差：仪表出厂之前仪表厂家规定的仪表基本误差不能超过某一个值。 仪表精度等级：允许误差去掉百分号的值定义为仪表的精度等级。

•精度等级的国家系列一般为0.01、0.02、0.04、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0等。

结论：同一精度仪表窄量程仪表产生的绝对误差小于同一精度宽量程仪表产生的绝对误差。

举例：仪表1：量程范围0～500℃，0.5级； 仪表2：量程范围0～100℃，1.0级。•

15000.5%2.5C21001%1C

3．稳定性（稳定误差）：是指在规定的时间、区间和其他外界条件恒定不变的情况下，仪表示值变化的大小。例如某数字温度表的稳定度为0.008%Lm+0.003Lx/8h。

4．输入电阻：例如对于数字电压表对输入阻抗有一定要求。 5．灵敏度：稳态下输出变化量对输入变化量的比值。

L2L1

100%

X2X1

灵敏度的另一种表示方法为分辨率。例如某一数字温度表的分辨率为0.1℃，即该温度表能区分的最小温度变化为0.1℃。跳变一个字温度变化0.1℃。通常分辨率为允许绝对误差的1/3即可。

6．线性度：实际示值与理论示值差值的最大值与仪表量程的比值。 7．动态特性：仪表的输出响应随输入变化的能力。

S

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第三章 温度测量

3.1 概述

一. 什么是温标？

衡量温度的标准尺度。譬如规定什么样的温度是150℃，什么样的温度是200℃

1.摄氏温标

1740年瑞典人摄氏 定义

水银体膨胀是线性；

标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度，沸点为100度，而将汞柱在这两点间等分为100格，每等分格为摄氏1度，标记为℃。

2.华氏温标 定义

1714年德国人法伦海脱以水银为测温介质，制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为212度，氯化铵与冰的混合物为0度，中间等分为212份，每一份为1

3.热力学温标

选用水的三相点温度为273.16，定义水的三相点温度的1/273.16为1度，单位为k，这样就建立了热力学温标。只要确定一个基准点，则整个温标就确定了。

4.国际温标ITS-90

指导思想: 应尽量与热力学温标接近，温度的复现性要好。 内容

（1）定义了固定点，共有17个。 （2）规定不同区域内的基准仪器。

（3）建立基准仪器示值与国际温标之间的插补公式。

国际实用温标指出，热力学温度为基本物理量，规定水的三相点温度为273.16，单位为k，1k的大小为水的三相点热力学温度的1/273.16，由于摄氏温标将冰点定义为0℃，而冰点比水的三相点低0.01k，那么冰点温度为273.15k，即 t90   273 .15 单位℃。 T 90

二、温度仪表分类与选择 测温方法分类：

1．接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度。 优点：直观、可靠。

缺点：①存在负载效应， ②受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测元件温度与被测对象温度不一致。 ③热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。（动态误差）

2．非接触法测温：检测部分与被测对象不直接接触，所以不破坏原有温度场。通常用来测量1000℃以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体。

3-2 膨胀式温度计

一.玻璃管液体温度计 （一）工作原理

利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。 组成：液体存储器、毛细管、标尺、安全泡四部分。 液体可为：水银、酒精、甲苯等。

当温度超过300℃时，应采用硅硼玻璃，500℃以上要 采用石英玻璃。

（二）结构与类型  棒式玻璃温度计  内标式玻璃温度计  电接点式温度计

（三）．误差分析

（1）玻璃材料有较大的热滞后效应。 （2）温度计插入深度不够将引起误差， （3）非线性误差 （4）工作液的迟滞性 （5）读数误差

（四）. 玻璃管液体温度计使用注意事项

温度计与被测介质应接触足够长的时间，以使温度计与被测介质达到热平衡。

读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱于同一水平面上，手持温度计顶端的小耳环，不可触摸标尺。

二.固体膨胀式温度计

（一）类型及工作原理

利用固体受热膨胀原理制成的温度计 1. 杆式温度计

利用固体（一般采用膨胀系数较大的金属） 材料构成

2 双金属温度计

它的感温元件是由膨胀系数不同的两种金属 片牢固地结合在一起制成。

三.压力式温度计

（一）工作原理与结构形式 1 原理

压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力 随温度变化来测温； 2 分类

按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式

按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等

3 组成

温包、毛细管、感压元件（弹簧管、波纹管等）

（二）使用方法与特点

对毛细管采取保护措施，防止损坏；注意安装方式与位置对精度的影响。 特点：结构简单，价格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，示值滞后时间长，毛细管易损坏。

3-3 热电偶温度计

一．热电偶的工作原理

1．热电效应：将两种不同材料的导体或半导体组成一个闭和回路，如果两端点的温度不同，则回路中将产生一定大小的电流，这个电流的大小同材料的性质以及节点温度有关，上述现象称为热电效应。这个现象是1821年Seebeck发现的故又称为塞贝克效应。

2．接触电势：当两种不同的导体接触时，由于两者有不同的电子密度而产生的电势。

3．温差电势（汤姆逊温差电势）

4．输出表达式

第 3 次课的教学整体安排

第三章 温度测量

3-3 热电偶温度计

二、热电偶的基本定律

利用热电偶来检测温度，必须引入变换器和显示器。

（一）热电偶均质导体定律

由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭合回路中， 不论导体的截面、长度以及温度分布如何，均不产生热电势。

 由均质定律知：如果热电偶的两电极是由两种均质导体组成，那么热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，与热电极的中间温度分布无关

 检验热电偶丝的均匀性

（二）中间导体定律

在热电偶回路中接入第三导体，只要与第三种导体

相连接的两端温度相同，接入第三种导体后，对热电

偶回路中的总热电势没有影响。

EAB(T,T0)EABC(T,T0)

证明： EABCEABC(T(T,T,0T))EE((TT))EEB(T,T0)EEBC(TT))EE(T(T,0T))ECAECA(T())EAE(T,TT),T)ABABB(BC(00CC0,T0TA0(

EBC(T0)ECA(T0)

 0B00C00B0lnlnlneNC(T0)eNA(T0)eNA(T0)kTN(T)0lnA0EAB(T0)eNB(T0)

EAB(T,T0)EABC(T,T0)

（三）热电偶的中间温度定律

热电偶在两接点温度为T、T0时热电势等于该热电偶在两接点温度分别为T、

TN时TN、T0时相应热电势的代数和。

EAB(T,T0)EAB(T,TN)EAB(TN,T0)

结论：

（1）已知热电偶在某一冷端温度下进行分度，只要引入适当的修正就可在另一冷端温度下使用。

热电偶分度表中冷端温度为0℃，在实际测量中若热电偶的冷端温度为20℃，则可应用中间温度定律进行计算。

EAB(T,0)

EAB(T,20)EAB(20,0)

（2）补偿导线

如果在T0~T0 ’ 范围内，某对廉价导线的热电性能与贵金属热电偶相同，则可以用这对导线代替从T0’ 点到T0点一段的热电偶线，而不影响热电偶的热电势值，同时降低热电偶测量成本。

性能 在一定温度范围和误差范围内与热电偶的热电性能相同

作用 使热电偶冷端远离热源

注意:

 两个接点温度不能超过规定温度

 两个接点温度应当相同。否则，由于热电偶与补偿导线的热电特性并不完全

相同，可能会引起较大的测量误差。

 正负极不能接反

三、热电偶的种类及结构形式

（一）种类：国际电工委员会（ICE）对热电偶公认性能比较好的材料制定了统一的标准，ICE推荐的标准化热电偶7种。

（二）热电偶的结构类型

1.普通工业热电偶

结构：热电极，绝缘套管，接线盒，保护套管

2.铠装热电偶

结构：热电极，绝缘材料，保护套管

特点：测量端热容量小，动态响应快，

机械强度高，挠性好，耐高压，耐振

动，寿命长，适用各种工业测量。

3.小惯性热电偶

特点：响应快，时间常数小，可作温度变化的动态测量。

四、热电偶冷端温度的补偿方法

1.冰点法

精度高，多用于实验室

2.计算补偿法：利用热电偶的中间温度定律

EAB(T,T0)EAB(T,TN)EAB(TN,T0)

例用镍铬-镍硅热电偶测温，冷端Tn=25℃，EAB(T，Tn)=40.347mV，求被测对象的实际温度。  由分度表知： EAB(25 ℃ ，0 ℃)=1mV

EAB(T， 0 ℃)=40.347+1.00mV＝41.347mV

由分度表知，T＝1002 ℃

3.校正仪表机械零点法

当热电偶与动圈仪表配套使用时，如果冷端相对恒定，测量精度要求不高，可将仪表的机械零点调到热电偶冷端温度Tn，这就相当于在输入电势之前，就有一个补偿电势EAB(Tn， 0 ℃)输入。 EAB(T,TN)EAB(TN,0)EAB(T,0)

3.补偿电桥法

利用电桥不平衡原理，桥臂热电阻随温度变化，

产生补偿电压V

 R1=R2=R3=1Ω 与温度无关

 热电阻20℃，RCU= 1Ω，Vab=0；

环境不等于20 ℃，电桥失去平衡，产

生电势Vab与E(Tn,T0)相等，叠加补偿

 电桥又叫毫伏发生器

 使用时，注意零点是20 ℃

五、热电偶误差及校验

（一）热电偶测量误差

1.热电偶分度误差

2.补偿导线与热电偶的热电特性不完全相同带来的误差

3.冷端温度变化引起的误差

4.热电极变质产生的误差

5.绝缘不良引起的误差

6.二次仪表的基本误差

（二）热电偶的校验

热电偶出厂使用一段时间后，或热电偶重新焊制后，应进行校验

高于300℃热电偶的校验原理与方法：采用管式电炉

3-4电阻温度计

一、热电阻测温原理

对于一个给定电阻，其电阻值是温度的单值函数，因而可以通过测量电阻值来推算温度。

两个基本概念

电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变化1℃时的电阻相对变化量，单位为1/ ℃。

1dR Rt0dt

 金属导体电阻温度系数一般为正值,纯金属一般为0.38~0.68%，金属纯度越高，其电阻温度系数越大

 半导体材料的电阻温度系数一般为负值

R电阻比：W（100）100

R0

金属导体纯度越高，电阻比越大。

二、热电阻的类型

 金属热电阻

铂热电阻

铜热电阻

镍热电阻

 半导体热敏电阻

1. 铂热电阻

特点：准确度高，稳定性好、性能可靠、有较高电阻率，广泛应用于基准、标准化仪器中，是目前测温复现性最好的一种。

使用范围：-200～850℃，在90年国际温标中规定平衡氢三相点13.8k到银凝固点961.78℃标准仪器应用铂电阻。

电阻纯度：W（100）= 1.3850

规格型号：Pt100、Pt10、Pt1000。

结构：电阻丝、绝缘管、保护套管、接线盒

2 铜热电阻

特点：线性度高、电阻温度系数高、价格便宜、

电阻率低、易氧化。

使用范围：-50～180℃。

3、半导体热敏电阻

随着温度的增高阻值降低，具有负的温度系数，

测温范围-40～350℃。

电阻值随温度按指数曲线变化，

与金属热电阻比较：

①电阻温度系数大，热敏电阻的电阻温度系数约为-（3～6）%，金属热电阻约为0.4～0.6%。

②电阻率大，可将电阻作的很大而体积很小，电阻阻值大，连接导线所用的电阻可忽略不计。

③结构简单，体积小，可用于测量点温度

④热惯性小

⑤工艺和互换性差。

4、热电阻的分类

(1) 普通型热电阻

(2) 铠装热电阻

(3) 薄膜铂热电阻

（4）厚膜铂热电阻

三、热电阻测温电路

分类：平衡电桥 不平衡电桥

二线制、三线制、四线制

1 平衡电桥

平衡电桥二线法

(RRRRRH)2RR（RRRR(RtRRR)R（RRRWW221H1）33W11W22H11）3R（RR）2)ttRW1WH221HH1 RRRR（R1R1R）RR /RRRRR（R） RRttW11WW22HH13/R2/WHH132RR（RR）R22tW1W2H21H132 Rtt（RR）R3R/3R2RR -R2H - （RR）R/2RRRH2 11H1W1W2R（RR）/RRR RRH1W1W2 -Rt1H132W1W2H2 电源电压和稳定性一般不影响测量结果

 如果不计RW随温度的变化，Rt与RH 触点

位置成线性关系

 连接导线的电阻随温度变化引起测量误差

平衡电桥三线法

（R1RH1）(R3RW2)/R2 RtRW1RH2

Rt（R1RH1）（R3/R2RW2/R2）RW1RH2  电源电压和稳定性一般不影响测量结果

 连接导线的电阻随温度变化引起测量误差被削弱

2. 不平衡电桥法

二线制 Rtf(I)

 连续自动显示，结构简单，价格便宜

 Rt与I成非线性关系

 电源电压的稳定性对测量结果有影响，

应该使用稳压电源

 连接导线电阻随温度变化会引起测量误差，

三线接法可以削弱

三线制

 连续自动显示，结构简单，价格便宜

 Rt与I成非线性关系

 电源电压的稳定性对测量结果有影响，应该使用稳压电源  三线制可抵消引线电阻对测量的影响

数字表法（四线接法）

 高精度恒流源

 电压表回路中无电流，热电阻两端电压不受影响

 自热→电流很小

电流不大于6mA，高精度电流源不大于1mA，热敏电阻不大于100A。

四、三种测温方法的比较

三种测温方法适用场合

铜-康铜（T型）热电偶 一般精度，要求动态特性较好或者要求对原温度场影响较小的场合。可以自动记录测量结果。测头布置方便。多用于实验室测量。 铂热电阻 稳态或者温度变化速度不大，要求高精度测量的场合。可自动记录测量结果。

热敏电阻 稳态或者温度变化速度不大，要求精度不高。多用于工业测量。 玻璃液体温度计 稳态，测量精度不高。不能自动记录测量结果，因而不能用于测量频度过快的场合。测头布置受到限制。

3－5 温度计的选择与安装

一、温度计的选择

满足精度要求>价钱适中>记录方便、操作简单

二、温度传感器的安装

1.测点的布置，避免死区

2.有良好的换热条件

3.减少传感器与周围物体的散热

4.便于维修

第 4 次课的教学整体安排

第四章 湿度测量

第一节 湿度测量概述

一．湿度的表示方法

1.绝对湿度：每m3湿空气在标况下（0℃，1大气压）所含湿空气的重量，即水蒸气密度。单位为g/m3。

由气体状态方程： PVnnRnT PPPn1nn10002.169 VnRnT461T273.15w

所以测得被测空气的水蒸气分压力，及干球温度即可求得绝对湿度。

2相对湿度 空气中水蒸气分压力Pn与同温度下饱和水蒸气分压力Pb的比值 Pn100% Pb

PnP b.sA(ws)B

Pb.s—相应于湿球温度的饱和水蒸气压力；

Pb—干球温度对应的饱和水蒸气压力；

B—大气压力；

A—与风速有关的系数。

f(w,s,v,B)

3. 含湿量

空气由干空气和湿空气组成，每kg干空气所含水蒸气的量，称为含湿量。符号d，单位g/kg

mmSSmSPVPVRRTTwPP287287PnPPnP nndd10001000d1000nnnnwww1000nn622622622622622 mRnRTTnPPVVwPwP461PwPBPnBPBmwwmwnnwwww461wn mSPVRTP287PPPbd1000 1000nnww1000n622n622n622mwRnTnPwVwPw461PwBPnBPb

所以，当大气压力为定值，含湿量是水蒸气分压力的函数。

二．气体湿度测量方法

1．干湿球法

简单干湿球湿度计，通风干湿球湿度计（阿斯曼）

2．露点法

光电式露点湿度计

3．吸湿法

氯化锂电阻式，加热式氯化锂法

高分子电阻式，高分子电容式

金属氧化物陶瓷电阻式，金属氧化物膜电阻式

第二节 干湿球与露点法湿度检测

一．干湿球法湿度测量

PPA(ws)B n100% b.s

PbPb

• 测得干球温度和湿球温度可计算相对湿度。

• 适用范围：大于0℃，测量误差1～2%。

1．普通干湿球温度计

（1）构造 同精度温度计两支、脱脂纱布、蒸馏水

（2）特点 无风速控制，无屏蔽辐射

水易污染

测量误差较大

注意：

①湿球温度计安装时，要求温度计的球部离开水杯上沿至少2～3cm， ②应使湿球温度计周围空气流速保持在2.5m/s以上，使A为常数。

2．通风干湿球温度计（阿斯曼）

*构造

温度计置于金属套管内

微型风机，

特点

- 湿球附近风速固定在2.5m/s

- 金属套管屏蔽辐射

- 蒸馏水随时滴入

3．电动干湿球温度计

将湿信号转换成电信号，有利于远传。

构造：轴流风机、镍电阻、湿球纱布、盛水杯、测量桥路。

测量桥路：两个桥路通过电阻R连接，构成双电桥。

UCEfCE(tw)

UABfAB(tS)

通过调节可调电阻R的滑动触头，使检流计为0，可得UDE=UAB。 f(t)UUABURDEDEUCERABRABS

• 根据这一关系计算出RDE和相对湿度的关系，在可调电阻上进行分度，实现相对湿度的测量。

二．露点法湿度测量

露点温度：将被测空气冷却，当湿空气冷却到水蒸气达到饱和并开始凝结出水分时所对应的温度。

先测定露点温度tL，根据tL确定该温度下饱和水蒸气压力PL。PL即为被测空气的水蒸气分压力Pn。

P L100% Pb1．露点湿度计

采用两只玻璃棒温度计，一只测量干球温度，

另一只放入黄铜盒内测量露点温度。根据测

得的露点温度和干球温度通过查表得到对应

的露点温度下的饱和蒸气压力和干球温度下

的饱和蒸气压力。

缺点：露点温度不易测准。

2．光电式露点湿度计

 影响测量精度的因素：

高度光洁的露点镜；

高精度的光学与热电制冷调节系统；

采样气体需洁净。

第三节 氯化锂电阻湿度计

*属于吸湿法测量，

*根据氯化锂的吸湿特性和氯化锂吸湿后电阻变化特性。

一．传感器

形式：梳状、柱状。

注意：

1.为了避免氯化锂溶液发生电解，电极两端

应接交流电。

2.量程窄，一般为15%～20%，例如，0.05%

的浓度对应感湿范围为80%-100%，0.2%的

浓度对应的感湿范围为60%-80%。

3.环境温度对输出影响较大，因此要进行温

度补偿。

4. 最高使用温度55℃，当大于55℃，氯化

锂溶液容易蒸发。

扩大氯化锂湿度计的测量范围

]

二．变送器

将氯化锂湿度测头接入交流电桥，此电桥将传感器的电阻信号转变为交流电压信号。此电压经放大、检波整流变成与相对湿度成一定函数关系的直流电压，

再经电压-电流转换器转换成标准0-10mA的电流信号。

第四节 高分子湿度传感器

一．高分子电容式湿度传感器

特点：迅速吸湿、脱湿，滞后小，响应快，不受气流速度影响，测量范围宽，抗污染能力强，稳定性好。

CS/d

根据电容公式可知，在电容两个极板的面积和间距不变的情况下，当介电常数发生变化时将引起电容值的变化。

二．高分子电阻式湿度传感器

使用高分子固体电解质材料制作感湿膜，当相对湿度大时，膜中的可移动离子浓度增大，电阻减少，当相对湿度降低时，膜中的可运动离子浓度减少，电阻阻值增大。这样可通过电极间的电阻值的变化测量相对湿度。

第五节 金属氧化物湿度传感器

一．金属氧化物陶瓷湿度传感器

由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成。烧结体上有微孔，可使湿敏层吸附或释放水分子，造成其电阻值的改变。

二．金属氧化物膜湿度传感器

原理：将调制好的金属氧化物的糊状物加工在陶瓷基片及电极上，采用烧结或烘干的方法使之固化成膜。这种膜的含湿量随着外界空气的含湿量的变化而变化，含湿量的变化又引起电阻阻值的变化，通过测量电阻之间的阻值即可测量相对湿度。

特点：传感器电阻的对数值与湿度成线性关系，测湿范围、工作温度范围宽。

第七节 饱和盐溶液湿度校正装置

关键：①实现不同范围内维持恒定的相对湿度空间，

②可作基准的高精度标定仪器，

• 水的饱和蒸气压是温度的函数，温度愈高，饱和蒸气压也愈高。

• 当向水中加入盐类，溶液中的水分蒸发受到限制，使其饱和蒸气压降低，降低的程度与盐类的种类有关。

• 根据不同的盐类对应的饱和蒸气压不同，即对应的相对湿度不同实现湿度传感器的标定。

第 5 次课的教学整体安排

填写说明：1.每项页面大小可自行添减；

2.教学内容与讨论、思考题、作业部分可合二为一。

第五章 压力测量

本章主要讲授液柱式压力计、弹性性压力计、电气式压力压差变送器及压力表的选择与校验。压力仪表的应用非常广泛，一方面一般的热工系统都涉及压力或压差测量；另一方面压力或压差的测量还可以实现其他参数的测量。如毕托管测流速、孔板流量计、差压液位计等。

第一节 概述

一、压力的基本概念

压力 垂直作用于物体表面上的力

压强 垂直作用于单位面积物体表面上的力

在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和 压强。通常所说的压力实际上是指压强。 压差 测量两个压力之差称压差 表压力 压力仪表指示的压力值

缺省情况下，所说的压力值即指表压力 表压力可正可负，为负时其绝对值称为真空度。 单位：

*帕(Pa) N/m2，国际单位 *兆帕(MPa) 106Pa

*工程大气压， kgf/cm2 ，98070 Pa

约等于一个大气压（1.013e+5 Pa) ，“自来水压头是5公斤”，用的就是这个单位。

*mmH2O， 9.81 Pa *mmHg ，133 Pa

二．压力测量仪表的分类 1．液柱式压力计 2．弹性式压力计 3．电气式压力计 4．活塞式压力计

第二节 液柱式压力计

分类

U型管压力计 单管压力计 斜管式微压计

特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、 负压、差压。

缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。 一．U型管压力计

假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。 根据流体静力学原理可得：

PP1P2g(h1h2)

U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径一般不 少于10mm，

二．单管式压力计

h2A2h2A2A2A2

Pg(hhP)g(ghh()g(h))gg((1)h2121222

AA1A1A11

因为A1、A2为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当A2/A1很小时，h1可忽略，公式简化为： P

gh2

三、斜管式压力计

主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。

AAAA

Pg((hhhh)gg((22lllsinsinaa))gg((22sinsina)a)l 1122)

AAA1A111

A2A2

Pg(h h)g(llsina)g(sina)l12

A1A1

问题？

1.斜管式微压计用水作介质，可以吗？

2.液柱式压力计，水作工作介质，为了便于读数，在水中加入红墨水，可以吗？ 3.斜管式微压计，调零时，总调不到，可能的原因是什么？ 4.斜管式微压计，测量时看不到液柱，是怎么回事？

四．液柱式压力计的测量误差及其修正 1．环境温度变化的影响及修正

对于一般的工业测量，主要考虑工作液密度变化对压力测量的影响。修正公式为：

ht0ht1(tt0)

2. 重力加速度变化的影响及修正

g

hnh

gn

3．毛细现象的影响

为了减少该误差，要求测量管的内径一般不小于10mm

第三节 弹性式压力计

一、 概述 原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表

特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传

常用弹性压力表：弹簧管式、膜片（盒）式、波纹管式

二．弹性元件及其特性

1．膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。

2．波纹管：开口端固定，封闭端的位移作为输出， 由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于 测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级1.5级。

3. 弹簧管：

问题：弹簧管是怎样产生形变的呢？

假设被测压力大于外界大气压力，产生短轴变长，长轴变短的弹性形变，使管子在弯曲方向上的刚度增大，自由端向管子伸直的方向运动。对应的几何分析如下： R1R1''

''

R2R2

弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为7-8o，弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针最大转角为180o，通常作成90度的回转角。最常用的传动机构为杠杆

270o。

电接点压力表：不仅可实现压力的测量，而且可实现压力的报警和控制。

第四节 电气式压力检测

一．位移式压力压差变送器： 将弹性元件的位移转变成电信号。

特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25，稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。

1．电容式压力压差变送器：采取差动电容方式。 膜片d7.5—75，δ0.05—0.2，maxΔd=0.1mm。

• 特点：灵敏度高、精度高，精度可达0.2、0.25，稳定可靠。尤适用于测高静压微压差的场合。

2. 霍尔压力变送器

（1B中， 如果在它的两个纵向面上通以一定大小的电流，则在 晶体的两个横向端面之间出现电势UH，叫霍尔效应， 产生的电势称为霍尔电势。

VHRHIB

(2)霍尔电势的产生：

将固定在弹性元件上的霍尔片放置在一非均匀磁场中，在这区间，磁场强度具有均匀的梯度，当霍尔片在弹性元件的带动下偏离正中位置，通过霍尔片的磁场强度发生变化，霍尔片就有正比于位移的霍尔电势产生。

注意：

①RH受温度影响较大，在实际当中常采用恒温措施或采用温度补偿措施，例如在电势输出回路中串一温度补偿电桥。

②要注意减少由于霍尔片两电极不对称焊接引起的不等位电势，因不等位电势的存在，是霍尔片处于正中时，电势输出不为0。

二．压电式压力传感器 压电效应：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。

压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等

多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百倍。

特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠， 具有线性度高量程范围大等优点。

缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需 加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在 漏电现象，因此不能用于稳态测量。

三．固体压阻式压力压差传感器 1．原理： RL/S

电阻的尺寸发生变化，例如电阻的长度、横截面积发生变化将引起电阻的变化。

电阻的电阻率发生变化也将引起电阻阻值的变化。

分类：①应变片：受压时，电阻的尺寸L、S发生变化，引起电阻的变化。

通常半导体扩散硅电阻变化的灵敏度要远远高于应变片，大约为100倍。

2．膜片的应力分析

其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应力（假设应力为正），周边区受压应力（应力为负），在R=0处应力达到正的最大值，而在大约距中心60%的地方应力为0。

3．电阻分布及测量桥路

测量电路优点：①温度补偿，

②使输出信号加倍。

注意：供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出电压为10-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。

第五节 压力检测仪表的选择与校验

一．压力检测仪表的选择

①测压范围，②被测介质的物理化学性质，③测试精度要求。 1.仪表量程选用

•为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力不超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作压力不超过仪表量程的2/3。

•为保证准确度，最小工作压力不低于满量程的1/3。 2．仪表精度的选择

根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表，可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能引起的最大示值绝对误差。

另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只要满足测量精度要求即可。 弹簧管压力表量程和精度系列

我国目前弹簧管压力表量程系列，1, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0kPa以及10n倍 精度系列，精密表 0.1, 0.16, 0.25, 0.4 工业表 1.0, 1.5, 2.5

例题：有一压力容器，压力范围0.4~0.6MPa，压力变化速度较缓，不要求远传。试选择压力仪表（给出量程和精度等级）测量该压力，测量误差不大于被测压力的4%。

解：根据最大工作压力 根据最小工作压力

3．仪表类型选择

①被测介质压力大小，

②被测介质的性质，例如，氧气、乙炔都有专门的测量仪表，对腐蚀性介质要采用不锈钢或其他耐腐蚀的材料，

③对仪表输出信号的要求，例如是否需要为电信号， ④使用环境。

二．压力表的安装 1．取压口的选择

取压口位置

稳定无涡流区（直线管段，避开拐弯、分叉等）。 除了被测介质以处，不接触其它物质 不易堵塞 取压孔形状

孔径要小

要与壁面垂直 孔口应无毛刺

2．导压管的敷设，为了使导压管正确传递压力或压差，应作到： ①导压管长度小于50m，内径为6-10mm。

②对于水平敷设，导压管要有1：10～1：20的坡度，测量液体介质时下坡，测量气体介质时上坡。

3．当被测介质易冷凝或冻结，必须加装伴热管后再行保温；当测量腐蚀性介质时，应加装隔离罐；当测量高温蒸气压力时，应加装冷凝盘管；测量含尘气体时，应加装灰尘捕集器；测量高于60度的介质时，应加装环行圈；

4．当测量液体压力时，在导压管系统最高处应安装集气瓶；当测量气体压力有可能有液体冷凝时，在导压管系统最低处应加装水分离器；当被测介质有可能产生沉淀时，应在仪表前安装沉降器。 5．取压口与压力表之间应加装隔离阀。

6．在测量较小压力时，若仪表与取压口不在同一水平高度，则应对测压进行校正。

1．工作原理：加压泵压缩活塞内的介质，使其具有压力P，这个压力作用到活塞的有效面积F上形成向上的作用力FP，当此力与活塞、承重盘、砝码的总重量G平衡时，那么介质的压力P=G/F，F为有效面积，计算公式为： fF(R2Rh)

其中，R为活塞半径，h为活塞与活塞缸之间的径向间隙。活塞压力计的有效面积在铭牌或检定书上给出，一般为1cm2、0.1cm2。

注意：活塞与活塞缸、承重盘、砝码必须配套使用，不能与其他压力计互换。

第 6 次课的教学整体安排

第六章 物位测量

物位包括液位、料位、界位，这一章主要讲授液位测量。主要内容有静压式、浮力式、电气式、超声波、射线式液位检测。在静压式液位测量要重点搞清楚开口容器采用压力式液位计，密闭容器采用差压式液位计，二者不可混淆。

第一节 静压式物位检测

一．静压法测量原理

若液位的高度位h，则液体底部的压力为：

PBgh

pPBgh

ph

g

所以测得表压力p即可求得液位高度h。

二．压力式液位计（开口容器得液位测量） 1．用压力表测量液位：

2．法兰式压力变送器测量液位：用于粘度大、有沉淀、易结晶、易凝固或具有腐蚀性的介质，为防止导压管堵塞或腐蚀仪表，采用法兰式压力变送器。

三．差压式液位计（密闭容器的液位测量）

Pp1ghPp1

PPPgh

抵消了容器上部压力变化对测量的影响。

安装方式:导压管、法兰式。

四．量程迁移：

同时改变量程的下限和上限而量程保持不变。

1．无迁移：

Pgh

2．负迁移：

形成原因：加隔离罐或采用法兰式测压差。

为了使变送器的输出不受固定压差的影响，采用零点迁移法，进行负迁移，迁移量为Pg。

解：液位高度变化形成的差压值为

gH12009.8335280gH12009.8335280PaPa 1

所以可选择差压变送器量程为40kPa

Pg(hh)g(51)9509.837240Pa212

所以负迁移量为37.240kPa，即将差压变送器的零点调为-37.240kPa。

6．正迁移：变送器位置低于液面基准面。

第二节 浮力式液位检测

一．恒浮力式液位检测：

基本原理：浮于液面上的浮子随着液位上升或下降，根据浮子的位置实现液位的检测。

浮球式液位控制器：

与电机启动控制装置配套，用以控制工业或民用水槽、水箱、水塔和各种酸碱、贮液槽的液位。

控制范围：200～8000mm（超出4000mm时分节装）

输出信号：干簧触点AC380V、2A，寿命5×104次

二．变浮力式液位检测（浮筒式液位计）

将一质量为m的浮筒悬挂在弹簧上，弹簧的下端被固定，

当测量桶内无水时，浮筒的重力与弹簧力达到平衡时，有：

mgCx0当测量筒内有一定高度的液位H时，浮筒受到液体

的浮力上浮，

Hhx

根据力平衡：

mgAghC(x0x)

一般： hxCx从而被测液位H可表示为 HAg

即弹簧的位移量与液位成正比。弹簧的顶端连接有一铁芯，

铁芯

随着弹簧的位移在差动变压器内上下移动输出位移信号。

样本举例：BW25浮筒式液位计

产品特点

全金属结构，简洁耐用

使用M7指示器线性指示被测液位

最高使用温度可达400℃

最高工作压力可达70MPa

最多可安装两个限位开关

4～20mA电流输出，提供本安和隔爆型

主要技术参数

测量范围：0.3～6 m

测量精度：±1.5% F.S

第三节 电气式物位检测

以电容式液位检测为例：

当两圆筒间充以介电常数为ε1的气体时，圆筒的电容量为：

21L C0 ln r

如果圆筒形电极间的一部分被介电常数为ε2的液体所浸没，被浸没的电极长度为H，此时的电容量为：

21((LLHH))22H2HCCC1C2 C1lnlnlnln rrrr()21L2 21HC0C lnln rr

当圆筒形电容器几何尺寸一定，电容器电容增量与液位高度H成正比。同时，两种介质的介电常数的差值越大，C 越大，灵敏度高。

适用对象：非导电液体或固体。

对于导电液体，电极要用绝缘物覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。

第四节 声学式物位检测

一．超声波检测原理：

超声波物位检测方法通过测量声波从发射至接受反射回波的时间间隔来确定物位高低。

20kHz以上频率的机械波称为超声波。

当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波在其中的传播速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射。反射系数与声阻抗（ v ）有关，

超声波物位检测方法通过测量声波从发射至接受反射回波的时间间隔来确定物位高低。

当超声波传播速度已知，可根据时间求得物位。

H1 2vt

二．超声波物位计的接收和发射

基于压电效应、和逆压电效应。 发射器：将交变电压转换成向外发射的机械波。 接收器：把声能转换成电能。 实现方法：检测时一般采用较高频率的超声脉冲。

这样可减少了单位时间超声波的发射能量，又可

提高超声脉冲的幅值。 好处：前者有利于减少空化效应，温升效应，后

者可提高测量精度。

三. 超声波传播速度的补偿方法

1.温度补偿

2.设置校正具

第 7 次课的教学整体安排

第七章 流速及流量的测量

这一章分为流速和流量两个参数的测量。流速测量有机械式风速仪、热线风速仪、毕托管。流量测量主要有差压式流量计、叶轮式流量计、电磁流量计、超声波流量计、涡街流量计、容积流量计。这一章仪表种类较多，且在实际中都有应用，各有千秋。

重点：毕托管测流速、孔板测流量、电磁流量计、超声波流量计。

难点：孔板流量计的公式推导，超声波流量计的测量方法。

第一节 流速测量

一．机械法测量流速

1．：翼式、杯式

适用范围：

以前：风速范围为15—20m/s以内，只能测量流速的平均值，不能测量脉动流。通过机械仪表用指针指示。

目前：测速范围为0.25—30m/s，并且可测量流速的瞬时值。可将叶轮的转速转换成电信号。

2．测量原理

空气通过转杯时，推动叶片转动。根据叶片的角位移推算流过的空气量

二．散热率法测量流速 原理：散热率与流体的流速成正比。

1．热线风速仪 测量方法：恒电流法、恒温法

三．动力测压法测量流速

1．原理

当气流速度较小，可不考虑流体的可压缩性，并

认为他的密度为常数，建立伯努利方程：

2Pj1vP002

2动力测压法基本公式 v(P0Pj)

结论：测出全压和静压即可测得流体流速。

对于可压缩性气体来说，总压和静压之间的关系式为：

2P0Pjv(1)2

在通风空调工程中，气体流速一般低于40m/s，空气温度为20℃，常温下音速为 343m/s， VM0.12（1+ε）=1.0034 C

所以气体的可压缩性程度对于动压的影响很小，一般情况下可忽略。

国标中规定：测压管的使用上限流体马赫数M200。上限或下限的规定都是为了避免造成过大的测量误差。

2．静压的测量

（1）测量原理：

（2）静压管：用细管弯成L形，头部为圆球形，

在水平测量断的表面上均匀布置测压孔，一般至

少为6个，另一端接压力表，用来测量静压。

注意：

①在不影响静压管强度的前提下，减少静压管直径D，从而减少对气流的影响。 ②测压孔开在距离管柱8—10D，距离端部3—6D。使测得的静压不受管柱和端部的影响。

③静压管尽可能放置的与气流方向一致，偏离方向应在不灵敏度范围之内。

④测压孔一般为0.5—1.0mm，太小易堵，太大则加入部分动压。

（3）壁面测量静压

测压孔直接开在管壁上，要求测量孔附近的壁面要光滑平整，孔轴要与壁面垂直，孔径一般为0.5mm。

3．总压的测量

测量仪器：L形毕托管。

4．毕托管

将测量的全压和静压用引出管引出，与差压计相接即可测量动压。实际应用的毕 kp校正系数。

分类：

（1）L

（2）T形毕托管：迎着流体的开口端测量流体的总压，

背着流体的开口端测量流体的静压。一般用于测量含尘

浓度较高的空气流速，速度校正系数一般为0.83—0.87。

例如测量烟气流速。

四．激光多普勒测速技术

激光多普勒测速仪是利用随流体运动的微粒散射光的多普

勒效应来获得速度信息，静止的激光光源发射的激光照射到

随流体运动的粒子上，同时粒子又将接收到的光波向外散射，当静止的光接收器接收散射光时，光接收器所收到的散射光

频率fs与静止光源的光波频率f0之差与运动粒子的速度成正比。这个差值就叫多普勒频率。

第二节 流量测量概述

一．定义

1

2的积分。

3

二．表达方式

qm—质量流量 kg/s

qw—重量流量 kgf/s

qv—体积流量 m3/s qwqmqv转换关系： g 标准体积流量：温度为20℃，压力为一标准大气压测得的体积流量为标准体积流量。

三、分类

1．

2．轮流量计。

3．内，并一份份推送出去，根据单位时间内推送出去的体积数实现流速的测量。

4：电磁流量计、涡街流量计、超声波流量计、质量流量计等。

第三节 差压式流量计

一．利用毕托管测量流量

问题？

利用毕托管可以测得管道内流体的流速，但毕托管所测得的是点流速，而由于流体的粘性作用，管道内截面上各点的分布并不均匀，而要想得到管道内流体的流量需要得到管道内的平均流速，而管道内哪一点的流体流速等于平均流速呢？

（1）层流： r21VVV1V0ro R

r0=0.7071R

（2）紊流： 1r VVrVo12V0 R

r0=0.762R

所以如果知道被测流体的状态，可根据流体的流速分布情况布置测点， 测点的选择

• 以等环面法为例：

圆形管道

1. 将截面分成面积相等的数个同心圆环。一般n>=5，

直径小于300mm时，n=3

2. 按中间矩形法布置测点。在每一个圆环内布置测点，

测点所在圆周恰将圆环面积平分，推荐均布四个。

也可按切比雪夫法布置测点。

3. 平均流速等于各点平均V1

V0

二．利用节流装置进行流量测量

1．组成：节流装置、导压管、显示仪表