第一章绪论

介绍本课程的性质和任务，能源与动力工程领域基本热工参数的测试方法与手段。

●1.1绪论

介绍测量和测试的含义及其关联与区别。以火力发电厂为例说明测试技术在能源与动力工程中的重要性和普遍性。简述测试技术与相关学科的关系及其发展趋势。最后，提出了本课程的学习任务和要求。

●1.2测量方法与手段

测量方法取决于测量对象与测量要求，可分为直接测量、间接测量与组合测量；接触测量与非接触测量；稳态测量与动态测量；手动测量与远动、运动、自动测量；点的测量与场的测量。测量手段可分为力学测量手段、电学测量手段和光学测量手段等。

第二章测量系统的基本特性

测量系统的性能在很大程度上决定着测量结果的质量。对于测量系统的性能认识越全面、深刻越有可能获得有价值的测量结果。本章将讨论测量系统的一般特性及表征测量过程品质优劣的主要性能指标。
测量系统的一般特性，通常分为静态特性与动态特性两个方面。在静态测量条件下，测试系统的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系。但在动态测量时，由于测量系统具有一定的惯性，使得系统的输出量不能够正确地反映同一时刻输入量的真实情况。此时，必须考虑测量系统的动态特性。因此，本章重点学习在动态测量过程中输出量与输入量之间的关系，或是反映系统对于随时间变化的输入量响应特性，从而能够选择合适的测量系统并与所测参数相匹配，使测量的动态误差限制在试验要求的允许范围内。

●2.1测量仪器的静态特性

静态特性反映的是当信号为定值或变化缓慢时，系统的输出与输入的关系。以静态关系为基础，通常可以定义一组性能指标来描述静态测量过程的品质。本节讲解几个常用来衡量测试系统静态特性的指标：包括精确度、灵敏度、迟滞、线性度。

●2.2动态特性的数学模型

为了描述动态测量过程中输出量与输入量之间的关系，一般都忽略测量系统的非线性和随机变化等复杂因素，视测试系统的输入和输出关系为线性关系。用常系数线性微分方程进行描述输入量x（t）与输出量y（t）之间的关系。对于线性系统，它有两个重要性质: 一是服从叠加原理，二是频率保持性。

●2.3传递函数

为了研究测量系统或环节的动态响应特性，引入自动控制系统中常用的一个概念，即传递函数，求解常系数线性微分方程。本节内容包括传递函数的定义，特点以及零阶、一阶、二阶测量系统传递函数的表示形式。

●2.4热电偶测量系统的动态特性

任何一种测试仪器或系统的指示和记录部分，或是由具有一定质量的弹性系统组成，这些系统不可避免地存在“惯性”和“阻尼”，因而出现种种衰减和滞后现象，这就使得测量的结果与真实物理量之间存在幅值和相位的差异，甚至使所记录的变化曲线完全失真。本节以最常见的热工测量仪器热电偶举例来说明其动态响应过程。

●2.5动态响应

测量仪器或测量系统动态特性的分析就是研究动态测量时所产生的动态误差，反映系统对于随时间变化的输入量响应特性。我们在学习了动态特性的数学模型和传递函数的基础之后，对测量系统施加典型信号，使系统的状态发生变化，在变化中体现出一阶/二阶测量系统 “动态响应”的特性。

第三章测量误差分析及处理

在任何测量中，误差存在都不可避免，因此对所得的每一测量结果必须指出其误差范围，否则该测量结果就无价值。测量误差分析就是研究在测量中所产生误差的大小、性质及产生的原因，寻求减小误差的方法，以便对测量精度作出评价。

●3.1随机误差

随机误差也称为偶然误差，是由于在测定过程中一系列有关因素微小的随机波动而形成的具有相互抵偿性的误差。在相同条件下，确保测量方法和测试仪器精确的条件下，只要对单个测量值重复测量次数足够多，测量值的随机误差都服从正态分布规律。本节讲解随机误差的正态分布规律的特征以及标准误差和概率积分的概念和关系。

●3.2可疑测量数据的剔除

在测量结果中常常混入一些似乎不合情理的过大或过小的数据，如将这些弥散性大的可疑数据和正常测量数据混在一起带入误差计算过程，势必会影响测量结果的准确性。为此，应采用一些合理的方法来找出这些可疑的数据，加以剔除，这对提高测量结果的置信度和准确度有重要的意义。本节学习最常见的两种可疑数据剔除的判别方法莱依特准则和格拉布斯准则。

●3.3直接测量误差

直接测量表示可以用测量仪器和待测量进行比较，直接得到结果。在没有系统误差存在的情况下，理论上需测量次数无限多时，所得的平均值接近真值。但实际测量中只能进行有限次测量，本节学习有限测量次数时的误差计算表达式和直接测量误差的计算步骤。

●3.4间接测量误差

间接测量是指被测量的数值不能直接从测量仪器上读得，而是需要通过测取与被测量有一定函数关系的直接测量的量。因此，间接测量误差计算是由已知的直接测量误差的大小和函数关系加以确定。本节学习了单次测量和多次测量的间接误差的计算，为实验数据的误差处理提供了基础方法。

●3.5有效数字

为了取得准确的分析结果，不仅要准确测量，而且还要正确记录与计算。所谓正确记录是指记录数字的位数。因为数字的位数不仅表示数字的大小，也反映测量的准确程度。所谓有效数字，就是实际能测得的数字。本节学习有效数字的修约规则和运算规律。

●3.6试验数据的图示法

图示法就是将因变量随自变量变化测得的数据点在所选定的坐标系中，然后描绘成光滑曲线。本节学习图示法的步骤以及应遵循的规则，为后续使用相关的绘图软件处理试验图形奠定基础方法。

●3.7回归分析

回归分析的主要内容是采用数理统计方法，从大量试验数据中寻求变量之间相关关系的数学表达式。最小二乘法在统计学的线性回归分析中是使用最广和最常见的方法。本节主要讲最小二乘法在一元线性回归中的推算过程， 并介绍两种可以使用最小二乘法进行曲线拟合的Origin软件和Matlab软件。

第四章压力测量

压力的测量方法可根据测量装置的变换原理分为两种方法。一种是将被测压力量变换成气、液柱或活塞的位移或者弹性元件的变形等力学量输出的测量方法，称之为压力的力学测量方法；另一种方法就是将被测压力量变换成电学量输出，称之为压力的电学测量方法。其中最有代表性的是利用某些物质在被测压力作用下，其物理性质会发生与压力定量的变化变成电量输出，测量该电量就可精密测量出压力。

●4.1压力测量概述

主要来介绍压力测量的起源、基本概念及压力测量在能源动力领域的应用。主要包括：（1）绝对压力、表压力、负压力或真空度的概念和相互关系；（2）按照压力测试转换原理的不同，压力测量仪表的分类。

●4.2弹簧式压力表

主要介绍压力力学测量的方法中常见的一种仪表——弹簧式压力表。主要包括弹簧式压力表的分类、本体结构及工作原理。

●4.3压力量的电测系统

主要介绍压力电学测量的方法中的基础知识——压力量的电测系统。主要包括：（1）介绍解决动态压力测量的问题，其核心技术就是采用压力的电测技术；（2）介绍了压力量的电测方法，就是把非电学量的压力量转换成与之有确定对应关系的电学量之后再进行测量的方法；（3）介绍压力量电测量系统由传感器、测量电路、记录和显示器组成。

●4.4电阻应变片的工作原理

主要介绍电阻应变片的结构及工作原理。主要包括：（1）电阻应变片为什么可以用来制作压力传感器；（2）电阻应变片的基本结构由基底、电阻丝、引出线、覆盖层和粘结剂等组成；（3）按制作形式电阻应变片分为：金属丝式、箔式及薄膜式 ；（4）简介采用电阻应变片制作的称重传感器。

●4.5电阻应变片的温度特性

主要介绍电阻应变片的温度特性。主要包括：（1）产生应变片温度误差的主要因素:电阻温度系数的影响；材料与应变片之间膨胀系数不同带来的影响；（2）常见的温度误差补偿方法：单丝自补偿法、双金属自补偿法 及桥路补偿法。其中，全桥连接法不仅可以使温度效应得到补偿，还可以将得到输出放大的信号。

●4.6半导体应变片的工作原理

主要介绍压阻式压力传感器的敏感元件——半导体应变片。主要包括：（1）压阻效应概念介绍；（2）半导体应变片的特点；（3）半导体应变片主要分为贴式半导体应变片和扩散型压阻应变片，并对两种应变片的结构及工作原理进行了介绍。

●4.7石英晶体受力带电

主要介绍压电式压力传感器中的石英晶体受力带电问题。主要包括：（1）压电效应的概念；（2）压电式传感器的工作原理及常见的压电材料介绍；（3）压电效应的微观机理分析。

●4.8压力传感器的等效电路

主要介绍压电式压力传感器中的等效电路知识点。主要包括：（1）解释压电器件实际是一个电荷发生器：当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷；（2）介绍电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，也可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路；（3）完整等效电路中压电器件的输出信号分别为电压和电荷时，相互之间的关系。

●4.9激波管标定法

介绍压力传感器的标定及使用中的激波管标定法。主要包括：（1）常用激波管法产生的阶跃压力来标定压力传感器的原因；（2）介绍激波管标定装置系统由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统及气源等四部分组成；（3）激波的产生过程及阶跃压力的求解。

第五章温度测量

本章介绍温度测量的基本原理和方法，主要介绍温度的电学测量方法和光学方法，讨论接触式测温过程中各种误差来源及其确定与减小的方法。

●5.1基本概念

介绍温度的概念以及常用温标；按历史发展的脉络，回顾一些标志性事件与人物，梳理了人类温度测量技术的发展概况。

●5.2温度测量的力学方法

简要介绍玻璃管液体温度计、双金属温度计和压力式温度计等温度的力学测量仪表。

●5.3热电偶温度计

介绍热电偶的概念及其测温原理，详述接触电势、温差电势和热电偶回路总热电势的概念与计算方法；介绍均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律和连接导体定律等四条热电偶的基本定律及其在热电偶测温中的应用；介绍热电偶测温时的几种冷端处理方法，包括冰点法、热电势修正法、冷端补偿器法和补偿导线法；演示了利用热电偶偶丝以及实验室简单设备自行焊接、制作热电偶的方法。

●5.4热电阻测温

介绍工业中常用的铂热电阻和铜热电阻以及半导体热敏电阻的测温原理及其特性；介绍热电阻测温电路中电阻测量的平衡电桥法；采用三线制接线对测温误差的补偿方法；简要介绍自动电子平衡电桥的基本原理。

●5.5接触式测温技术

简述接触式测温过程中的误差来源，包括传热、气动力、温度动态变化以及被测对象存在化学反应等因素引起的误差；建立接触式测温元件的能量平衡方程，分析得到接触式测温元件测温时传热误差的数学描述；以套管式热电偶为例，导出其测量低速气流（速度误差可忽略）温度时的测量误差表达式，并讨论其物理意义；从套管式热电偶测温误差的数学表达式出发，讨论减小测温传热误差的具体措施；导出考虑测温过程辐射换热影响时的测量误差表达式，介绍减小辐射传热误差的一般措施；介绍高速气流温度测量中气流静温、动温和总温，以及测温传感器有效温度、恢复系数的概念，导出高速气流温度测量的速度误差表达式；导出热电偶测温的动态特性方程，给出时间常数的定义，讨论热电偶在阶跃信号和正弦信号输入条件下的动态响应特性，介绍减小动态测温误差的常用措施；介绍采用热电偶测量壁面温度时不同接触形式对测量误差的影响，同时也讨论了诸如被测表面导热能力等其他影响因素。

●5.6非接触式测温技术

简述非接触式测温技术的几种代表方法，重点介绍了基于热辐射测温的原理、分类和系统构成；介绍测量固体表面温度的三类辐射温度计，即隐丝式高温计、比色高温计和全辐射高温计；介绍红外热像仪的工作原理、系统组成及其应用；以纹影法、阴影法和干涉法为例，介绍温度场的折射率显示技术的基本原理和光路构成。

第六章流速及流量测量

流体速度是指流体质点（或微团）的速度。它是描绘流场的重要参数。流体速度的测量包括流体质点的平均速度和方向，流体脉动速度的均方根以及脉动速度的相关参数。流速测量的方法有多种，可大致分为力学、电学和光学方法。力学和电学方法通常都是接触式测量。速度测量的光学方法是一种非接触式的测量方法。
流量是指在单位时间内流体通过一定截面积的量，为瞬时流量。这个量用流体的体积来表示称为瞬时体积流量，简称体积流量；用流量的质量来表示称为瞬时质量流量，简称质量流量。流量测量常用方法大致分为：差压式、容积式、速度式和质量式。

●6.1速度测量的力学方法

速度测量的力学方法，包括皮托管和探针流速计，速度测量的力学方法实质上是将以较高速度流动的流体所呈现出的压力用测压管感受出来通过微压计上的液柱高低示值测量出来，这种将速度测量转换为液柱差的方法称为速度测量的力学方法。

●6.2速度测量的电学方法

速度测量的电学方法是指将非电量速度量转换成电学量的测量方法，常用的是热线风速仪。热线风速仪探头的几何尺寸小，时间常数小，对流体影响小，而且精度高，可以测窄流道及非稳态流速。热线风速仪是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的；热线风速仪的静态特性和动态特性，包括恒流型和恒温型热线风速仪的静态特性和动态特性，重点是恒流型和恒温型热线风速仪的动态特性。

●6.3速度测量的光学方法

速度测量的光学方法主要是以多普勒效应作为理论基础。激光多普勒测速仪LDV是将光照射在流动的流体上，通过流体自带粒子或外加辅助粒子的对入射光的散射作用，捕捉并检测出包含这些粒子散射信息的散射光的频率，进而检测出粒子速度或流体速度。LDV测速中就会用到光学多普勒效应。目前有三种比较常见的外差检测模式的激光多普勒测速光路系统，它们分别是参考光束系统、单光束双散射系统、双光束双散射系统。双光束双散射系统分为前向双散射光路和后向双散射光路，包括激光光源、入射光学单元、测量点、收集系统与光检测器，以及激光多普勒信号处理系统这五大部分。凡是在流体中投放粒子，并利用粒子的图像来测量流体速度的这一类技术，都可以称为粒子图像测速技术，简称PIV。它是通过测量流场中示踪粒子在某一时间微元Δt内的位移来计算流体速度，其中作为粒子信息载体的是t和t+Δt时刻的粒子图像。

●6.4差压式流量计

差压式流量计利用了伯努利定律的原理来测量流量。可将差压式流量计分为两大类。第一种类型是节流变压降流量计，节流变压降流量计管道中有节流元件，可以控制流动截面的变化，导致节流元件前后流体静压不同，静压差与流体的流量有关，因此可以通过这种方法测得流量。第二种类型是恒压降变截面流量计，常见的有转子流量计。

●6.5容积式流量计

容积式流量计的基本原理是：被测流体周期性地充满一定容积的空间，再排出等量体积的流体从而测量流量,它的特点包括，测量精度高、安装方便、压力损失大、传动机构比较复杂。常用的容积式流量计有椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计、湿式气体流量计等。

●6.6速度式流量计

速度式流量测试技术是以直接测量管道内的流速v为流量测量依据，若测得管道截面上的平均速度，则可以得出体积流量qV = 流速v乘以截面积A。常用的速度式流量计有涡轮式、涡街式、电磁式、超声波式等等。

●6.7质量流量计

在之前的章节中，我们学习到的各种流量计的输出信号或者反映体积流量，如容积流量计，或者与流体密度直接相关，如差压式流量计。而本节学习的质量流量计输出不受密度变化的影响。质量流量计可以分为三种类型。有直接式，推导式，和温度、压力补偿式这三类。

第七章液位测量

液位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变化的现象。这些物理参数可能是电量的或非电量的，如电阻、电容、电感、差压以及声速和光能等，它们的共同特点是能够反映相应的液位变化并易于检测。

●7.1差压式液位计

主要介绍液位测量中的差压式液位计工作原理。主要包括：（1）常见水位计的种类及特点介绍：连通式云母水位计、双色水位计、平衡式差压水位计、电接点水位计；（2）常见的差压式液位测量方法介绍：单法兰式液位测量、双法兰式液位测量及平衡式差压液位测量。

●7.2电容式液位计

主要介绍液位测量中的电容式液位计工作原理。主要包括：（1）电容式液位计测量原理及结构形式：利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量，常见结构形式很有平极板式、同心圆柱式等等：（2）分别介绍导电液体和非导电液体的电容式液位测量方法；（3）电容式液位计的三种工作方式及适用范围。

●7.3电阻式液位计

主要介绍液位测量中的电阻式液位计工作原理。主要包括：（1）介绍电阻式液位计的分类：一类是电接点液位计，它根据液体与其蒸汽之间导电特性（电阻值）的差异进行液位测量；另一类是热电阻液位计，它利用液体和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；（2）讲解电接点液位计的作用及测量原理；（3）讲解热电阻液位计的作用及测量原理。

●7.4光纤液位计

主要介绍液位测量中的光纤液位计工作原理。主要包括：（1）光纤传感技术在液位测量中的应用概况：光纤传感技术的有效应用，一方面缘于高灵敏度，另一方面是由于它还具有优异的电磁绝缘性能和防爆性能，从而为易燃易爆介质的液位测量提供了安全的检测手段；（2）介绍全反射型光纤液位计的工作原理；（3）介绍浮沉式光纤液位计的工作原理。

第八章成分分析

本章主要介绍：（1）气体成分分析方法：可分为化学分析法、物理分析法及物理化学分析法。本章主要介绍采用化学分析法的奥氏烟气分析器、烟气全分析器，采用电化学传感器及采用物理化学分析法的气相色谱分析仪、红外线气体分析仪: （2）液相成分分析：在电解质溶液中，带电离子在电场的作用下定向迁移形成电流而导电。以测量溶液导电能力的强弱为基础来确定物质含量的分析方法，称为电导分析法。主要介绍电导率仪表在电厂热力设备中的应用概况及基本原理，并分析了影响电导率测量的主要因素。

●8.1色谱分离原理

主要介绍气相成分分析中的色谱分离原理。主要包括：（1）介绍色谱分离的原理：混合物在两相间经过反复多次的分配平衡，使得各组分被固定相保留的时间不同，从而按一定次序由固定相中流出。与适当的柱后检测方法结合，实现混合物中各组分的分离与检测；（2）介绍气相色谱仪的系统组成：载气系统、进样系统、色谱柱分离系统及温度控制系统、检测器、记录系统；（3）结合动画介绍气相色谱的虚拟操作流程。

●8.2电导率仪表在电厂热力设备中主要应用

主要介绍水质分析中的电导率仪表在火力发电厂的应用概况。主要包括：（1）介绍电导率的基本概念。电解质溶液中导电能力的大小常用电导率这个物理量来表示，电导率越低，水的纯度越高；（2）电导率仪表在热力设备中主要作用。

第九章实验测试方案设计

试验台设计和传感器选择

●9.1试验台设计和传感器选择

以管内对流换热表面传热系数的测量为例，介绍如何根据基本热物理过程的原理来设计试验台，选取合适的测量方法和对应的测试仪器，最终构建起一个试验系统来完成测试目标。