4温度测量

上海理工大学新能源科学与工程所第四章温度测量1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.测温技术第四章温度测量4.1温度和温标温度（物体的冷热程度）宏观：热平衡状态系统的宏观性质。微观：分子平均动能大小的量度。温度测量的基本依据--热力学第零定律如果两个热力系的每一个都与第三个热力系处于热平衡，则它们彼此也处于热平衡。物理概念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℃。国际普遍使用的温标有四种：热力学温标、国际实用温标、摄氏温标、华氏温标。温标三要素：温度计、固定点、内插方程温标：表示温度的尺度4.1温度和温标Q1/Q0=T1/T0假设一卡诺热机工作在温度为T0的低温热源和未知温度的高温热源之间，如果该卡诺热机向低温热源放出的热量为Q0，从高温热源吸收的热量为Q1T0T1卡诺热机Q0Q10011T/QQT热力学温度的内插方程1、热力学温标（开尔文1848年）开尔文引出此温标后，于1854年建议用一个固定点来确定此温标。人们发现水的三相点(273.16K)的稳定性能长期维持在0.1mK范围内。因此，1954年第10届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温际的基本固定点．此温标的表达式为：2273.161QTKQ这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基准。1、热力学温标（开尔文1848年）现实中热力学温标是应用气体特性方程实现的。理想气体的P、V、T之间的关系式为：恒量TPV16.273参PTP（气体定容温度计）1、热力学温标（开尔文1848年）选用水的三相点温度为273.16，定义水三相点温度的1/273.16为1度，单位为K，就建立了热力学温标。只要确定一个基准点，整个温标就确定了。2、国际实用温度计（温标的二级标准）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11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。3、摄氏温标--℃摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为0度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“oC”。摄氏温标和热力学温标的换算关系可表示为：t=T-273.15应用最为广泛的温标之一。华氏温标：按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF,中间分为180分，每一份为1度，单位为“oF”。4、华氏温标--oF华氏温标与摄氏温标的换算关系为：tF=32+9/5t现在许多英语国家仍采用华氏温标。华伦海特（Fahrenheit，1686——1736）出生于德国但泽（今波兰的格但斯克）。青年时代移居荷兰阿姆斯特丹学习商业，以制造气象仪器为业。1714年华伦海特用水银代替酒精作为测温物质，制作了自己的温度计。他令水的沸点为212度，纯水的冰点为32度，人体体温为98.6度。这套计温体系就是华氏温标。1724年华伦海特公布了他的温度计，并在当年当选为皇家学会会员。1742年，瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius，1707——1744）提出一个新的测温系统。他以水银为测温物质，将水的沸点定为0度，冰的溶点定为100度。八年以后，摄尔修斯的同事建议把标度倒过来，于是形成了今日广为采用的摄氏温标。华氏温标和摄氏温标的来历1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.测温技术第四章温度测量工作原理：•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。44.2玻璃管液体温度计4.2玻璃管液体温度计玻璃管温度计玻璃温度计使用时注意点:a、玻璃易破碎，因此不能受到撞击、折拗以及骤冷骤热等。b、必须等待温度计与被测物体间达到热平衡、水银柱液面不再移动后方可读数，一般情况下温度计浸在被测物体中约1~6分钟才能达到热平衡。c、为了防止液体在毛细管壁上的粘附；在读数前常常必须轻轻敲击温度计，这一点在使用精密温度计时尤其必须注意。4.2玻璃管液体温度计d、读数时，液柱液面，刻度和眼睛应保持在同一水平面上，以避免读数误差。e、由于温度计制作上的问题或者温度计使用日久可能造成温度计玻璃球变形而使温度计读数与真实温度不符，此时温度计必须进行校正。4.2玻璃管液体温度计1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.测温技术第四章温度测量4.3热电偶所形成的热电势包括两部分：接触电势和温差电势。一、热电偶的工作原理热电效应：将两种不同材料的导体或半导体组成一个闭合回路，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。BTAT04.3.1热电偶原理A、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。（指向电子密度大）BAABNNeKTTEln)(11式中EAB(T1)为A、B两种材料在温度为T1时的接触电动势；K为玻耳兹曼常数；e为电子电荷：NA、NB为A、B两种材料在温度T1时的自由电子密度。一一一一一一一一一一一一一一一一一一+-电子e运动方向接触电动势EAB(T1)AB电子e运动方向与电动势方向相反。4.3热电偶10101),(TTAAdTTTE10101),(TTBBdTTTE——A，B材料的汤姆逊系数ABB、温差电势（汤姆逊温差电势）:由于导体或半导体两端温度不同而产生的一种电动势。（指向高温）+-高温T1低温T0EA(T1,T0)4.3热电偶4.3热电偶C、回路总热电势:10101010101)(ln)(),(),()()(),(10dTNNTTeKTTETTETETETTEATTBBAABABABAB)()(),(),(010101TfTfTTfTTEAB如果T0=const.，则EAB=f(T1)，即总热电势是T1的单值函数。),()(),()(),(10001101TTETETTETETTEABABABAB),()(),()(010011TTETETTETEAABBABBEAB（T1）EAB（T0）EA（T1，T0）EB（T1，T0）A4.3热电偶推论：1、当A、B同种材料，EAB(t1，t0)=02、材料不同，若t1=t0，则EAB(t1，t0)=03、热电势仅与材料种类、两节点温度有关，与热电偶的长短、粗细、形状、沿热电偶线的温度分布无关。4.3.2热电偶的基本定理（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。可检验热电偶丝的均匀性。4.3热电偶（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。),(),(00TTETTEABCAB4.3热电偶思考题:ABCDEFT1T1T1T1T2T2六种不同的导体组成如图回路，写出回路中总的热电势。（假设A~F电子密度逐渐下降，T2T1）21(,)BDETT4.3热电偶（三）热电偶的中间温度定律—补偿导线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TT0TNABBA4.3热电偶结论：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。)0,20()20,()0,(ABABABETETEmV811.0143.0668.0)0,25()25,()0,(sssetete例：用铂铑10—铂热电偶测温，冷端温度为25℃，输出电势为0.668mV，试求被测对象的温度。查表得被测温度为122℃。查表得25℃时输出电势为0.143mV，所以有4.3热电偶锅炉mVTT0’T0’T0T0参考点温度不易保证锅炉mVTT0T0T0’T0’贵AB4.3热电偶长度有限，冷端温度不易恒定-----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。4.3热电偶锅炉mVTT0’T0’T0T0补偿导线：将热电偶全用补偿导线代替行吗？热电极材料的基本要求:性质稳定（在测量范围不易氧化或不发生其它变化）温差系数大（温度每变化一度产生的温差电势较大）4.3热电偶性能：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。补偿导线4.3热电偶4.3.3热电偶的种类及结构形式（一）热电偶种类：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。名称分度号名称分度号名称分度号铂铑10-铂S铜-康铜T镍铬-镍硅K铂铑30-铂铑6B镍铬-康铜E铂铑13-铂R铁-康铜J4.3热电偶4.3热电偶标准热电偶的热电势与温度的曲线关系（二）热电偶结构类型（1）普通热电偶（2）铠装热电偶（3）快速反应薄膜热电偶（4）快速消耗微型热电偶1.普通热电偶结构：热电极，绝缘套管，接线盒，保护套管4.3热电偶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。4.3热电偶3.小惯性热电偶（快速反应薄膜热电偶）特点：响应快，时间常数小，可作温度变化的动态测量。4.3热电偶4.3.4热电偶冷端温度的补偿4.3热电偶（1）冷端恒温（2）补偿导线（3）冷端补偿器1.冷端恒温冰浴法，精度高,多用于实验室；工业则常用冷端恒温器。4.3热电偶2.计算补偿法),(),(),(00TTETTETTENABNABABTT0TNABBA4.3热电偶例用镍铬-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℃)=1mVEAB(T，0℃)=40.347+1.00＝41.347mV由分度表知，T＝1002℃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。电桥也叫毫伏发生器。),(),(),(00TTETTETTENABABNAB),(),(0TTEVTTEABNAB),(0TTEVNAB4.3热电偶•R1=R2=R3=1Ω,不随温度变化•热电阻20℃时，RCU=1Ω，Vab=0•环境不等于20℃时，电桥失去平衡，产生电势Vab与E(Tn,T0)相等，叠加补偿•使用时，注意零点是20℃4.3热电偶热电偶的连接方式（1）单点连接（2）并联连接（3）串联连接（4）反接与热电偶配套的测温仪表直流电位差计、自动电子电位差计、热电偶温度变送器4.3热电偶热电偶测温的主要优点（1）结构简单，使用方便，制造容易，热电偶的大小和形状可按照需要自行配置；（2）测量温度范围广，低温用热电偶可达-270℃，高温用热电偶可达3000℃；（3）测量精确度较高；（4）属于自源传感器，无须外加电源；（5）易于实现远距离传输和测量。4.3热电偶1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.