能源与动力工程测试技术（穆林）

《能源与动力工程测试技术》是石油和化工行业“十四五”规划教材（普通高等教育），书中系统地介绍了能源与动力工程测试技术的基础理论、基本概念、测试原理和方法以及应用技术等内容。全书共11章，内容包括：绪论，测量技术的基本知识，误差分析与测量不确定度，温度测量，压力测量，流速测量，流量测量，液位测量，气体成分及颗粒物测量，转速、转矩与功率测量以及振动与噪声测量。本书系统性强，信息量大，学科交叉特色显著，在强化基础理论、力求通俗易懂、简明扼要的同时，适当引入本领域的新技术和新内容。本书可作为普通高等学校能源与动力工程专业以及相关工科专业的本科或研究生教材和教学参考书，同时也可供相关专业和领域从事设计、制造、安装、运行、检测的工程技术人员参考使用。

穆林教育经历：2007年9月-2013年5月，大连理工大学，能源与动力学院，工学博士2005年9月-2007年7月，大连理工大学，能源与动力学院，硕博连读2001年9月-2005年7月，大连理工大学，动力工程系，工学学士科研与教学工作经历：2021年9月-今 大连理工大学，能源与动力学院，博士生导师2016年12月-今，大连理工大学，能源与动力学院，副教授2013年6月-2016年12月，大连理工大学，能源与动力学院，讲师2013年6月-2015年8月，大连理工大学，环境学院，师资博士后（只列省部级以上情况）申请人在教学、教研方面，聚焦立德树人，以学生为中心，不断提升教学质量，探索教学改革，承担了多项教育教学改革项目，持续巩固育人成效：1. 承担的教学任务以及一*流课程建设情况1）主讲大连理工大学能源与动力学院专业必修课《热工测试技术（新版培养计划改名为先进热动力测试技术）》（32学时），年授课人数60余人，该课程于2021年获批辽宁省第*一批一*流本科课程；2）主讲大连理工大学机械学院大类平台课《工程热力学/热流体》（32/40学时），年授课人数120余人。3）多次担任大连理工大学能源与动力学院热能工程专业本科的生产实习、认识实习的带队教师。4）指导国*家级大学生创新创业项目3项2023年，航天飞行器高热流密度电子元件高效冷却换研究。2020年，基于大数据的我国能源发展趋势的预测模型。 2018年，污水污泥理化性能参数研究。2. 承担的教育教学改革项目1）2021年，热能工程教研室建设，国家本科教学工程项目，基层教研室建设计划，主持。2）2021年，热工测试技术一*流课程建设，国家本科教学工程项目，辽宁省线下一*流课程，主持。3）2020年，能源与动力工程，国家本科教学工程项目，一*流专业建设（国*家级），主持。4）2018年，基于工业废热回收供暖的《热力发电厂》课程教学模式改革，产学合作协同育人项目，参与。5）2018年，宽口径理实交融的能源与动力工程专业人才培养，质量工程项目，参与。6）2022年，OBE理念下热动力循环虚拟实验课程体系建设，辽宁省教育教学改革项目，参与。7）2021年，基于工程教育专业认证体系下能源与动力工程专业课程体系优化，辽宁省教育教学改革项目，参与。3. 科研项目1）基于AAEMs赋存和载氧体微观晶格结构的生物质化学链气化过程调控机理，国家自然科学基金面上项目，主持。2）富盐有机废液焚烧灰组分形成过程与演变机理研究，国家自然科学基金面上项目，主持。3）基于数字孪生的供热系统全网动态优化及低碳智慧调控关键技术研究，国家重点研发计划，政府间国际科技创新合作重点专项，参与。4）基于轻量化点阵结构的加力冲压燃烧室先进热防护系统设计方案，先进航空动力创新工作站项目，参与。4. 教育教学获奖情况1）能源与动力工程一*流专业建设与实践，教学成果奖，辽宁省教学成果奖一等奖（辽宁省*高等级）。2）《我国未来能源发展趋势的预测分析》，辽宁省能源研究会，2021年度优秀论文。3）《新工科背景下能源动力类本科实践教学改革探索》，2019年能动专业教指委会议暨全国能动专业教学研讨会，优秀论文。

第1章绪论1
1.1测量的概念1
1.1.1测量与测试1
1.1.2与测量有关的其他术语2
1.2现代测试技术发展及其在能源动力领域的应用2
1.3未来测试技术的发展趋势3

第2章测量技术的基本知识5
2.1测量方法5
2.2测量系统6
2.2.1测量系统的组成6
2.2.2测量环节的功能7
2.3测量系统的静态特性8
2.4测量系统的动态特性12
2.4.1传递函数12
2.4.2单位阶跃响应函数15
2.4.3频率响应函数18
2.4.4实现不失真测量条件20
2.4.5测量系统动态参数的测定21
思考题与习题23

第3章误差分析与测量不确定度25
3.1测量误差的概念及分类25
3.1.1测量误差的概念25
3.1.2测量误差的分类26
3.1.3测量的准确度、精密度和精确度28
3.2测量误差分析29
3.2.1随机误差分析与处理29
3.2.2系统误差分析与处理33
3.2.3粗大误差的剔除37
3.3测量误差计算42
3.3.1直接测量误差计算42
3.3.2间接测量误差计算46
3.4测量数据的处理和表达51
3.4.1有效数字及其运算规则51
3.4.2测量数据的图示处理53
3.4.3测量数据的曲线拟合54
3.4.4计算机绘图软件57
3.5测量不确定度的评定60
3.5.1测量不确定度定义61
3.5.2测量误差与测量不确定度的区别62
3.5.3标准不确定度的评定63
3.5.4标准不确定度的合成66
3.5.5扩展不确定度的确定67
3.5.6不确定度评定实例68
思考题与习题70

第4章温度测量72
4.1概述72
4.1.1温标72
4.1.2温度测量方法74
4.2膨胀式温度计75
4.2.1液体膨胀式温度计75
4.2.2固体膨胀式温度计76
4.2.3压力式温度计77
4.3热电偶测温技术77
4.3.1热电偶测温原理77
4.3.2热电偶回路的基本定律79
4.3.3热电偶结构及分类81
4.3.4热电偶参比端温度补偿85
4.3.5热电偶测温的应用86
4.4热电阻测温技术88
4.4.1热电阻测温原理88
4.4.2金属热电阻温度计89
4.4.3金属热电阻的结构90
4.4.4半导体电阻温度计90
4.5接触式温度测量仪表校验与误差分析91
4.5.1温度测量仪表校验91
4.5.2接触式温度测量的误差分析93
4.6非接触式温度测量技术100
4.6.1热辐射理论基础100
4.6.2单色辐射式光学温度计101
4.6.3全辐射高温计104
4.6.4比色高温温度计105
4.6.5红外测温仪及红外热像仪106
4.7先进温度测量技术及应用108
4.7.1光纤温度计108
4.7.2噪声温度计112
4.7.3锅炉炉膛温度场测量技术113
4.7.4航空发动机高温测试技术115
思考题与习题117

第5章压力测量118
5.1概述118
5.1.1压力的概念与表示方法118
5.1.2压力测量方法119
5.2液柱式压力计120
5.2.1U形管压力计120
5.2.2单管式压力计121
5.2.3斜管式压力计121
5.2.4多管式压力计122
5.2.5液柱式压力计误差分析122
5.3弹性式压力计123
5.3.1弹性元件123
5.3.2弹簧管压力表124
5.3.3膜片（盒）压力计126
5.3.4波纹管压力计127
5.4动态压力测量128
5.4.1电阻式压力传感器129
5.4.2电感式压力传感器133
5.4.3压电式压力传感器135
5.4.4电容式压力传感器138
5.4.5霍尔式压力传感器141
5.5压力传感器及压力系统的标定143
5.5.1静态压力标定系统143
5.5.2动态压力标定系统144
思考题与习题147

第6章流速测量148
6.1皮托管测速技术148
6.1.1皮托管测速原理148
6.1.2皮托管的形式149
6.1.3皮托管的使用152
6.2热线（热膜）测速技术155
6.2.1热线风速仪的结构155
6.2.2热线风速仪测速原理155
6.2.3热线风速仪测速的应用158
6.3流速测量仪表的校准161
6.3.1皮托管的校准161
6.3.2热线风速仪的校准162
6.4激光多普勒测速技术163
6.4.1激光多普勒测速原理163
6.4.2激光多普勒测速仪的光学部件167
6.4.3激光多普勒测速仪的信号处理系统174
6.4.4激光多普勒测速技术的应用176
6.5粒子图像测速技术177
6.5.1粒子图像测速原理177
6.5.2粒子图像测速系统的组成和信号处理178
6.5.3示踪粒子的选择180
6.5.4粒子图像测速技术的应用181
思考题与习题183

第7章流量测量185
7.1概述185
7.2差压式流量计186
7.2.1差压式流量计测量原理186
7.2.2节流装置189
7.2.3转子流量计194
7.3涡轮流量计195
7.3.1涡轮流量计测量原理195
7.3.2涡轮流量计的基本特性196
7.3.3涡轮流量计的特点和安装要求197
7.4涡街流量计198
7.4.1涡街流量计测量原理198
7.4.2旋涡发生体结构类型199
7.4.3旋涡频率检测器200
7.4.4涡街流量计的特点及安装要求201
7.5电磁流量计201
7.5.1电磁流量计测量原理201
7.5.2电磁流量计结构组成202
7.5.3电磁流量计的特点及选用要求204
7.6容积式流量计205
7.6.1容积式流量计测量原理205
7.6.2容积式流量计工作过程205
7.6.3容积式流量计的特点及安装要求207
7.7超声波流量计208
7.7.1超声波流量计测量原理208
7.7.2传播速度法超声波流量计209
7.7.3超声波流量计的特点和安装要求211
7.8质量型流量计213
7.8.1直接式质量流量计213
7.8.2间接式质量流量计217
7.9气液两相流的流量测量219
7.9.1气液两相流概述219
7.9.2气液两相流测量基本参数219
7.9.3气液两相流测量基本原理222
7.9.4气液两相流流量测量的典型技术224
思考题与习题228

第8章液位测量229
8.1概述229
8.2浮力式液位计230
8.2.1浮子式液位计230
8.2.2浮筒式液位计233
8.3差压式液位计233
8.3.1差压式液位计测量原理233
8.3.2锅炉汽包的水位测量235
8.4电容式液位计239
8.4.1电容式液位计测量原理239
8.4.2测量导电介质的电容式液位计240
8.4.3测量非导电介质的电容式液位计242
8.4.4电容式液位计的特点243
8.5电阻式液位计244
8.5.1电接点液位计244
8.5.2热电阻液位计245
8.6其他类型的液位计246
8.6.1磁翻板液位计246
8.6.2光纤液位计247
8.6.3超声液位计249
8.6.4雷达液位计250
思考题与习题252

第9章气体成分及颗粒物测量253
9.1概述253
9.2气相色谱分析法254
9.2.1色谱分析仪的基本原理254
9.2.2组分定性分析256
9.2.3工业气相色谱分析仪的组成257
9.3红外气体分析仪260
9.3.1红外气体分析原理260
9.3.2红外气体分析仪的结构261
9.4氧量分析仪265
9.4.1氧化锆氧量分析仪的基本工作原理265
9.4.2氧化锆氧量分析仪测量系统267
9.5化学发光气体分析仪267
9.6颗粒物排放测量269
9.6.1颗粒的基本知识269
9.6.2颗粒粒径的测试技术273
9.6.3几种常见的粒径谱仪278
9.6.4烟度测量280
思考题与习题282

第10章转速、转矩及功率测量284
10.1转速测量284
10.1.1转速测量概述284
10.1.2常用的转速测量仪器284
10.2转矩测量288
10.2.1转矩测量方法分类288
10.2.2常用的转矩测量仪器289
10.3功率测量294
10.3.1功率测量的基本方法294
10.3.2测功器295
思考题与习题299

第11章振动与噪声测量300
11.1振动测量概述300
11.2振动测量传感器302
11.2.1振动位移传感器303
11.2.2振动速度传感器305
11.2.3振动加速度传感器306
11.3振动测试仪器与振动测量309
11.3.1振动测试仪器309
11.3.2测频系统313
11.3.3激振设备315
11.3.4振动测试实例318
11.4噪声测量概述321
11.4.1噪声测量的基本概念322
11.4.2声级的计算325
11.4.3人对噪声的主观量度328
11.5噪声测量仪器331
11.5.1传声器331
11.5.2声级计333
11.5.3噪声分析仪335
11.6噪声测量技术336
11.6.1测试环境对噪声的影响336
11.6.2噪声级的测量336
11.6.3声功率级的测量338
11.6.4声强的测量340
思考题与习题341

附录343
附录A.1铂铑10-铂热电偶分度表343
附录A.2镍铬-镍硅热电偶分度表348
附录A.3分度号为Cu50的铜热电阻分度表353

参考文献355

近年来，随着工程教育认证在能源与动力工程专业的逐步深入，以及“卓越工程师培养计划2.0”的实施，我国的普通高等教育，特别是高等工程教育开始进入一个新的时代。工程科技进步和创新成为推动人类社会发展和工程教育创新的重要引擎，也对新时代工程创新人才的培养提出了更高的要求。
教材建设是打造“金课”、培养创新型人才、推进教育教学创新改革的基本要素之一，在推动学科专业发展、促进教学方式转变、提高人才培养质量等方面起着重要作用。“能源与动力工程测试技术”是面向能源动力类各专业方向，并兼顾机械类、航空航天类等工科专业部分方向的专业基础课程之一。该课程是一门与工程实践结合非常紧密的课程，具有极强的应用性和学科交叉特色，需要学生们学习本课程后，提高学生解决复杂的科研和工程技术问题的创新能力，未来可解决科研、生产、国防建设所面临的实验以及工程实践的测量问题。
本书是能源与动力工程专业基础课“先进热动力测试技术”（原名：热工测试技术）的配套教材，能源与动力领域的测试技术课程是“能源动力类教学质量国家标准”中规定的核心课程。该课程历经30余年的发展和建设，在国家本科教学工程项目、辽宁省教育教学改革项目的支持下，于2021年获批辽宁省线下一流本科课程。
本书在内容的选择、组织和编排上，更加注重知识体系的逻辑性，从测量的基本概念、基础理论入手，涉及了动态和静态测量分析，涵盖了不同热工参数以及测试装置和系统的定量描述、分析和设计；更加重视内容的适应性，学习和掌握有关物理量的测量，其最终目的是能够正确选择和使用合适的测量仪器，完成有关的测量测试任务。因此，希望学生通过本书的学习，能够做到“会选、会用、会分析”，包括结合不同测量仪表的动静态特性、使用规范、操作手册，实现亲自动手使用和操作，能够根据所获得的测量结果，按照一定的数据分析方法和策略，得到满足测量要求的结果。
从现代测试技术的发展来看，包括能源与动力工程测试技术在内的各类测试技术是综合运用其他多学科的内容与成果而发展起来的。科学技术的进步不仅对测试任务提出了更高的要求，也有力地促进了测试技术向智能化、集成化、网络化方向不断延伸，各种高性能、高灵敏度、高精度、高可靠性以及高环境适应性的先进测试技术和测试仪器广泛应用于科研、生产和生活的各个领域。因此本书还加强了对国内外在能源与动力工程测量技术方面的新成就、新发展和新趋势等的介绍，以便于扩展读者的知识面，开阔思路，提高解决实际技术问题的能力。
本书也更重视学生的实践能力的培养，这是因为能源与动力工程测试技术这门课程本身就是一门具有实验性质的课程。学生不仅要学习有关的理论知识，更需要在学习中密切联系实际，加强实操性和实践性，只有通过足够和必要的实验才能得到应有的实验能力的训练，才能获得关于测试工作的比较完整的概念，也只有这样才能初步具有分析和处理实际测试工作的能力。因此，本书的内容也尽可能与相关专业在实验、实践课程中的教学内容契合，实现理论教学和实践教学的有机结合。
本书设置了一些典型的例题和新颖的测试案例，有助于在课堂上实施引导式、启发式教学活动，丰富课堂教学形式。在每一章的最后，附有一定量的思考题与习题，它们不仅是对该章节内容的高度总结和提炼，也是对重要知识点的回顾，有助于学生开展自主学习。本书力求内容上的精益求精，不过分地延展和讨论。如果读者对书中的某个专题或知识点感兴趣，可以参考相关的资料。
本书共11章，其中，第1～5章由穆林编写，第6～8章由尚妍编写，第9～11章由东明编写，全书由穆林统稿，大连理工大学尹洪超教授审阅全稿并提出了许多宝贵的意见和建议，刘宏升教授、李宏坤教授、刘晓华教授等对本书的编写提供了大量的帮助。在教材的编写和修改过程中，作者参考并引用了本专业和相关专业领域的专家、学者的教材、论著和文献，在此一并表示衷心感谢。
由于时间仓促和编者水平有限，书中不妥之处在所难免，敬请读者和同行不吝指教，并提出建议，以期再版时修订和完善。

编著者
2024年1月