建筑环境测试技术第3章温度测量

1第2篇测量仪表第四章湿度测量第五章压力测量第六章物位测量第三章温度测量第七章流速及流量测量第八章热量测量第九章建筑环境测量第十章其它参数的测量第十一章电动显示仪表2第三章温度测量3.1温度测量概述3.2膨胀式温度计3.3热电偶测温3.4热电阻测温3.5接触式测温3.6非接触式测温3.7集成型传感器测温33.1温度测量概述3.1.1温标用来衡量温度的标准尺度。确定温度的单位。1、经验温标2、热力学温标3、国际温标华氏温标摄氏温标4华氏温标℉1714年，德国人法伦海脱(Fahrenheit)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度记作℉。称为华氏温标。摄氏温标℃水银体膨胀是线性的；标准大气压下纯水的冰点是0℃，沸点为100℃。将水银柱在这两点之间等分为100格，每一格为1℃。经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。TC=59(TF32)TF=32+9TC55热力学温标K经验温标具有局限性和随意性，不能适用于任何地区或场合。开尔文定律（1848年）：在可逆条件下，工作于两个热源之间的卡诺热机与两个热源的关系：T0T1卡诺热机Q0Q1Q1：卡诺热机从高温热源T1吸收的热量Q0：卡诺热机向低温热源T0放出的热量Q1/Q0=T1/T00011T/QQT1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即：T=273.16(Q1/Q2)6热力学温标是一种理想温标。为了实用方便，国际温标同时使用国际开尔文温度（K）和国际摄氏温度（℃）。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15.2739090Tt国际温标ITS-907温度计固定点：给定的温度值。–华氏温标：规定水的沸点为212度，氯化铵与冰的混合物为0度。–摄氏温标：标准大气压下纯水的冰点是0度，沸点为100度。–热力学温标：选定水的三相点为273.16K。温标三要素内插方程：确定各点温度间的计算公式。–华氏温标：0-212度等分为212份，每一份为1℉。–摄氏温标：标准大气压下纯水的冰点是0℃，沸点为100℃。0-100度等分为100分，每一份为1℃。–热力学温标：以1/273.16定为1K。83.1.2温度测量方法、测量仪表分类液体膨胀式压力式固体膨胀式膨胀式温度计测温热电偶测温热电阻测温接触法非接触法测温方法9接触式测温与非接触式测温接触式非接触式特点1、测量热容量小、移动物体测温有困难2、可测量物体的任何部位3、便于多点集中测量和自动控制1、不改变被测物体的温度2、可测量移动物体3、通常测量表面温度测量条件1、测量元件与被测对象良好接触。2、接触测量元件不能改变被测对象的温度由被测对象发出的辐射能充分照射到检测元件。因此需要获知被测对象的有效发射率。测量范围容易测量1000℃以下的温度，测量1200℃以上的温度有困难可测量-30℃以上的温度准确度0.5%-1%。根据测量条件，可达到0.01%一般误差较大响应速度1-2min2-3s103.2膨胀式温度计原理：物体受热膨胀。液体膨胀式温度计压力式温度计固体膨胀式温度计113.2.1液体膨胀式温度计原理：玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀。优点：直观、测量准确、结构简单、造价低廉。缺点：不能自动记录、不能远传、易碎、延迟。41-水银储存器2-毛细管3-标尺4-膨胀室工作液体测温范围（℃）水银-30~750或更高甲苯-90~100乙醇-100~75石油醚-130~25戊烷-200~20玻璃材料：300℃以上，使用特殊的硅硼玻璃；500℃以上，使用石英玻璃。12玻璃棒温度计13液体膨胀式玻璃管温度计的误差分析（1）玻璃材料有较大的热滞后效应——造成零点漂移。)(attnt（2）温度计插入深度不够。若只有部分液柱被浸没时，应对指示值进行修正：其中：n——露出液体部分所占的刻度数（℃）——工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（1/℃，汞0.00016，酒精0.000103）t——温度计的示值（℃）ta——露出液柱部分所处的环境温度（℃）ttt指14（3）非线性误差：水银随着温度变化，体积膨胀看成完全的线性关系。事实并非完全如此，存在一定的非线性度。（4）工作液的迟滞性：水银与玻璃管壁面之间的表面吸附力，造成水银流动的迟滞性，甚至出现液柱中断的情况——温度计与被测介质应接触足够长的时间；轻弹温度计。（5）读数误差：视线与刻度不垂直——视线应与刻度垂直，并与液柱处于同一水平面上。例：使用水银温度计测量蒸汽温度。温度计的指示值为280℃。温度计插入处的刻度是60℃，液柱漏出部分的环境平均温度为30℃。求真实温度。8.28830-28000016.060-280280）（）（)(280attnttt指153.2.2压力式温度计原理：密封系统中工作介质的压力随温度变化。工作过程：弹簧管4一端焊接在基座3上，内腔与毛细管2相通，另一端封死，为自由端。温度变化时，弹簧管4内的压力发生变化，带动自由端变化。自由端通过拉杆、齿轮传动机构与指针相连，指针的转角在刻度盘上指示出温度。弹簧管温包毛细管基座自由端指针工作距离不超过60m，温度范围-50~550℃。特点：抗振性能好。动态性能差、示值滞后较大，不能测量迅速变化的温度。163.2.3固体膨胀式温度计原理：将两种具有不同线膨胀系数的金属片焊成一体，构成双金属片温度计。工作过程：双金属片的一端固定，另一端为自由端。温度变化时，由于两种金属线膨胀系数不同，双金属片发生弯曲变形。弯曲的偏转角α反映了被测温度值。)(3600ttLK特点：结构简单、可靠；测量精度不高。K：比弯曲(℃-1)L：双金属片的有效长度(mm)δ：双金属片总厚度(mm)t,t0：被测温度和起始温度(℃)173.3热电偶测温热电偶温度计：以热电偶作为测温元件，用热电偶测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出温度。工作原理：基于1821年塞贝克(Seebeck)发现的热电现象。两种不同的导体A、B连接在一起，构成一个闭合回路。当两个接点1和2的温度不同时，如TT0，在回路中就会产生电动势EAB——热电效应。导体A、B称为热电极。测量时，接点1置于待测温度场中，称为被测量端。接点2要求温度恒定，称为参考端。热电极测量端参考端18电动势：接触电动势+温差电动势一一一一一一一一一一一一一一一一一一+-电子密度大电子密度小接触电动势AB1、接触电动势导体内部的电子密度是不同的。当两种电子密度不同的导体A和B互相接触时，就会发生自由电子电子扩散现象。自由电子从电子密度高的导体A流向电子密度低的物体B。导体A因为失去电子，带正电。导体B因为得到电子，带负电。形成电位差。帕尔贴电势：接触电动势BTATABNNekTTEln/)(K——玻尔兹曼常数；e——电荷单位；NAT、NBT——温度为T时，A和B的电子密度；T——接触处的温度1900ln/)(00BTATABNNekTTEBTATABNNekTTEln/)(接触电动势：00ln/-ln/)(-)(00BTATBTATABABNNekTNNekTTETE注：脚标A、B的顺序代表电位差的方向。如果改变脚标顺序，E前面的符号也相应改变。接触电动势的大小只与接触点的温度、导体A和B的电子密度N有关。20电动势：接触电动势+温差电动势2、温差电动势由于导体两端温度不同而产生的电势。由于温度梯度，改变了电子的能量分布。高温端(T)电子向低温端(T0)迁移。使得高温端带正电，低温端带负电。导体A、B分别产生的温差电动势为：NAt、NBt——A和B在温度为t时的电子密度。一一一+-高温低温温差电动势汤姆逊温差电势TTAtAtAtNdNekTTE0)(1),(0)(1),(00tNdNekTTEBtTTBtB21热电偶回路中总热电势=接触电动势+温差电动势),(-),()(-)(),(0000TTETTETETETTEABABABABA与B相接触产生的接触电动势B的温差产生的温差电动势A的温差产生的温差电动势减号：在任何温度下，如果A的电子密度高于B，电子都是从A流向B，A总是正电，B总是负电。EAB的方向都是A→B，在整个循环回路中，是两个相反的方向。所以需要用减号。测量端参考端课本图错误！EB的方向与EAB一致，而EA的方向与EAB相反。22结论任意两种不同性质的导体材料都可制成热电偶。对于两种材料A和B，热电偶所产生的电动势，仅与T和T0有关，与A和B的形状与尺寸无关。热电偶的参考端温度T0必须保持恒定。一般保持在0℃。231、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。),(),(00TTETTEABCAB3.3.2热电偶的应用定则A、B必须为不同的导体材料2、中间导体定则在热电偶回路中接入第三种导体C，只要A、B与C相连接的两端温度相同，则不会对热电偶回路的总电势造成影响。243、中间温度定则热电偶在两接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在两接点温度分别为T、TN和TN、T0时相应热电势的代数和。),(),(),(00TTETTETTENABNABAB意义：如果实际应用中，T0的温度不是0℃而是某一个中间温度TN，则仪表显示的电动势EAB(T,TN)，通过查分度表获得EAB(TN,0)，就可以通过上式计算EAB(T,0)。25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。)0,20()20,()0,(ABABABETETEmV781.0113.0668.0)0,20()20,()0,(EtEtE举例：用铂铑10—铂热电偶测温，冷端温度为20℃，输出电势为0.668mV，试求被测对象的温度。再查表得被测温度为122℃。（附录3只是分度表的整数部分数据）查表263.3.3热电偶的结构和标准化按照结构分类：铠装热电偶、薄膜式热电偶1、铠装热电偶“铠装”：在产品的最外面加装一层金属保护，以免内部的有效层在运输和安装时受到损坏，例如铠装电缆……热电极4：直径由材料的价格、机械强度、导电率、用途、测温范围决定。热电极绝缘套管保护套管接线盒热电极271、铠装热电偶282、薄膜式热电偶采用真空蒸镀或者化学涂层等制造工艺，将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶。热极点非常薄，约0.01~0.1微米。适用于表面温度的快速测量，响应时间约为数毫秒。测温范围在300℃以下。引出线热电极热极点绝缘基板293.3.4热电偶的分类1、标准化热电偶：工艺成熟、成批生产、性能优良且已列入工业标准文件中的热电偶，具有统一的分度表（附录3）。国际电工委员会（ICE）推荐了7种标准化热电偶：标准化热电偶、非标准化热电偶分度号名称特点廉金属热电偶T铜-康铜准确度高K镍铬-镍铝或镍硅测温范围最宽E镍铬-康铜灵敏度高J铁-康铜最通用贵金属热电偶S铂铑10-铂准确度等级最高R铂铑13-铂仅引进，不大量生产B铂铑30-铂铑16稳定性高，灵敏度低303.3.5热电偶测温系统1、热电偶参考端温度的处理（1）补偿导线法（2）计算修正法（3）冷端恒温法（4）补偿电桥法2、热电偶的校准和误差（1）热电偶的校准（2）热电偶测温误差311、热电偶参考端温度的处理在热电偶的分度表中，冷端温度T0保持在0℃。实际使用时，由于现场条件的限制，冷端温度无法维持在0℃，使得热电偶输出的电势值产生误差。因此，需要对热电偶的冷端温度进行处理。（1）补偿导线法原理：A’、B’为补偿导