第二章 温度测量.ppt(修改)

2020/1/20measuretechnology第二章温度的测量§2.1温度的基本概念和测量方法温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。2020/1/20measuretechnology§2.1温标1.经验温标–经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。–按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标。2020/1/20measuretechnology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，水的冰点为零度，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“华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。分成180份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。摄氏温度和华氏温度的关系为2020/1/20measuretechnology热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.16K，水的凝固点，即相当摄氏温标0℃，相当华氏温标32℉的开氏温标为273.15K。热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。.热力学温标2020/1/20measuretechnology273.15tTCK2020/1/20measuretechnology§2.3测温方法与测温仪器的分类按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。1.接触式测温接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。2020/1/20measuretechnology2、非接触式测温非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。2020/1/20measuretechnology§2.4测温仪器对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。接触式仪器又可分为:膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)、电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)、热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。2020/1/20measuretechnology按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温一般是指0～10K，低温指10～800K，中温指800～1900K，高温指1900～2800K的温度，2800K以上被认为是超高温。2020/1/20measuretechnology§2.5膨胀式温度计1.液体膨胀式温度计这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计，典型结构如图所示。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制．为了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。2020/1/20measuretechnology2020/1/20measuretechnology液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。全浸是指测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。部分浸入是把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。如图(b)所示。全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测量精度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。2020/1/20measuretechnology使用时，如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入，如图(a)所示，部分浸入式温度计露出部分的环境温度与标定时不一致，就会产生测量误差，故必须进行修正。方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液柱部分的平均温度，如图9—2所示，并按下式估算温度修正量t，即2020/1/20measuretechnology21()tttn2020/1/20measuretechnology2020/1/20measuretechnology2、固体膨胀式温度计这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为杆式和双金属式两大类。图9—3所示为杆式温度计的原理图。由于芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。2020/1/20measuretechnology2020/1/20measuretechnology§2.6热电偶测温一、热电偶的测温原理热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000～3000℃。如电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量，1、热电现象热电偶接触电势产生将两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路称之为热电偶。A、B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。此热电势由接触电势和温差电势两部分组成的（1）接触电势:接触电势的大小可用下式表示：式中e—一单位电荷，等于4.802×10-10绝对静电单位；K—一波尔兹曼常数，等于1.38×10-28J/K；NA(t),NB（t）——金属A、B在温度t时的自由电子密度；T——A、B金属接触处的绝对温度，K。（2）温差电势:温差电势是同一金属体两端温度不同而产生的。式中NA（t）——金属A的电子密度，它是温度函数。为了分析方便，温差电势可由下面函数差来表示：)()(ln)(tNtNeKTteBAABttAAAtdNNeKtte0)(1),(0)()(),(00tetetteAAA(3)热电偶回路热电势温差电势的产生回路电势热电偶回路中，如果t＞t0，NA（t）＞NB（t），则在回路内便产生两个接触电势eAB(t)和eAB(t0)，两个温差电势eA（t，t0）和eB（t，t0），各电势的方向如图所示。回路的总电势EAB(t,t0)等于回路中各电势的代数和。即上式表明热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。如果保持热电偶冷端温度to恒定不变，对一定材料的热电偶其eAB（t0）亦为常数，设为C，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关，若测得EAB(t,t0)值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即EAB(t,t0)=eAB(t)–C),()(),()(),(0000ttetettetettEAABBABAB)()()()()()(),(0000tetetetetetettEABABABABAB二、热电偶的基本定律1、均质导体定律该定律内容是：由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。该定律已在理论分析中得到证明，并可得出如下结论：（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。2、中间导体定律该定律内容是：由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。根据中间导体定律还可以得出如下结论：（1）在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温度相同，就不会影响热电偶的热电势。图2－6是两种接入中间导体的热电偶回路。根据中间导体定律，只要保证连接导线和显示仪表接入热电偶回路时两连接端的温度相同，就不会改变热电势。另外，热电偶的热端焊接点也相当于第三种金属，只要它与热电极接触良好，整个接点温度一致，也不会影响热电偶回路的热电势。（2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即EAB（t，to）=EAC（t，to）＋ECB（t,to）参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成，若已知各种电极与标准电极配成热电偶的热电特性，便可按此结论计算出任意两电极A、B配成热电偶后的热电特性，这样大大简化了热电偶的选配工作。3、中间温度定律热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和，即EAB（t1，t3）＝EAB（t1，t2）＋EAB（t2，t3）由此定律可得如下结论：（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t0=0℃时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。可得出EAB（t，0）＝EAB（t，tn）＋EAB（tn，0）（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。该定律为应用补偿导线提供了理论依据。我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。三、标准化热电偶所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换性、使用十分方便。•铂铑10-铂热电偶（分度号S）•铂铑13-铂热电偶（分度号R）•铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）•镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号K）•镍铬一康铜热电偶（分度号E）•铁一康铜热电偶（分度号J）•铜一康铜热电偶（分度号T）•镍铬一金铁热电偶（分度号NiCr－AuFe0.07）及铜一金铁热电偶（分度号Cu－AuFe0.07）四、热电偶的构造1、普通型热电偶常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝（热电极）。考虑到两根热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电偶一般都有绝缘管和保护套管。在个别情况下，如果被测介质对热电偶不会发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后。热电偶的结构1-热电偶热端；2-热电极；3-绝缘管；4-保护套管；5-接线盒2、铠装热电偶铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组合体，其结构如图