自动检测技术--温度测量(及课后答案)

5温度测量接触式测温技术与误差分析5.4概述5.1热电偶测温5.2热电阻测温5.3主要内容：辐射式测温法5.5红外测温仪与红外热像仪5.65.1概述5.1.1温度的概念①宏观上：是物体冷热程度的表示。②微观上：是物体内部分子运动平均动能的表示。21322kmvkT分子平均平动动能；k玻尔兹曼常数；k温度不具有叠加性。热平衡的主要条件：系统温度相等。5.1.2温标温标三要素：①可实现的固定点温度；②表示固定点之间温度的内插仪器；③确定相邻固定温度点之间的内插公式；（1）经验温标为了保证温度测量的精确性和一致性，需定量描述温度，即建立科学的、统一的标尺，称为“温标”。温标主要有：经验温标、热力学温标和国际实用温标摄氏温度和华氏温度称为经验温标。经验温标的温度特性取决于所选测温物质的性质，具有一定的局限性和任意性。摄氏温标：①水银玻璃温度计；②水的冰点为0℃、沸点为100℃；③100等份。举例：五种温度计，测温质分别是氢气、空气、铂丝、电偶和水银，其测温的物理性质分别为气体的压强、电阻、电动势和水银的长度；基准点都是以冰的熔点和水的沸点为0度和100度。结论:对应同一个冷热程度，各种温度计的读数是不一样的。华氏温标：选取氯化铵和冰水混合物的温度为0℉，水的沸点为212℉，冰点为32℉，中间均等分为180份，每一份为1℉华氏度tF与摄氏度tC的换算关系：532100953221232329CFCFFCtttttt（2）热力学温标温度为T1的热源给予热机Q1的热量；热机传给温度为T2的冷源Q2的热量；卡诺定理：1122TQTQ定义T2为水的三相（固、液、气）共存温度（0.01℃），为273.16K。任意点温度为：12273.16QTQ——热力学温标注：仅与传热量有关，与工质无关。建立在热力学基础上的经验温标。卡诺循环：开尔文K12273.16QTQ——仅具物理意义，因为理想可逆过程无法实现，故热力学温标也无法实现。理想气体温标（等价于热力学温标）理想气体状态方程（V一定时）33PTnRPTV恒量333273.16PPTTPP任意点温度：技术上可实现，但不方便。经验温标热力学温标理想气体温标国际温标定容式气体温度计：通过压强的变化测出温度的变化。（3）国际温标:ITS-90（InternationalTemperatureScale-1990）t90:摄氏温度T90:热力学温度或绝对温度9090273.15tTITS-90定义的固定点ITS-90定义的内插仪器①0.65~5.0K间为He3和He4蒸汽温度计；②3.0~24.556K间为He3和He4定容气体温度计；③13.8033K~961.78℃间为铂电阻温度计；④961.78℃以上为光学或光电温度计。为了克服气体温度计在实用上的不便，国际上建立了一种用内插公式表示的与热力学温度很接近，又使用方便的协议温标——国际温标。开尔文K5.1.3温度标准的传递温度标准定期逐渐地校验比较过程称为温度标准的传递。①基准温度计，工作基准温度计；②一等标准温度计和二等标准温度计；③工业用温度计。5.1.4测温方法与测温仪表的分类按测量范围分：按用途分：高温计、温度计标准仪表、实用仪表按工作原理分：膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计按测量方式分：接触式与非接触式温度计量仪按精度等级可分为3类：液体膨胀式膨胀式固体膨胀式气体膨胀式接触式热电偶热电阻辐射式非接触式红外线测温方式温度计种类测温范围／℃优点缺点接触式测温仪表膨胀式玻璃液体-50～600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录远传双金属-80～600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体气体蒸汽-30～600-20～3500～250结构简单，耐震，防爆能记录、报警，价格低廉精度低，测温距离短，滞后大热电偶铂铑-铂镍铬-镍硅镍铬-考铜0～1600-50～1000-50～600测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低热电阻铂铜-200～600-50～150测量精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测高温，需注意环境温度的影响非接触式测温仪表辐射式辐射式光学式比色式400～2000700～3200900～1700测温时，不破坏被测温度场低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度红外线光电探测热电探测0～3500200～2000测温范围大，适于测温度分布，不破坏被测温度场，响应快易受外界干扰，标定困难常用温度计的种类及优缺点ThomasJohannSeebeck（1780～1831）5.2.1热电效应(Seebeckeffect)5.2热电偶测温1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属导线连接在一起，组成闭合回路。并用酒精灯加热其中一个接触点而另一个结点保持低温。他突然发现，放在旁边的指南针发生了偏转。为什么会产生磁场？温度梯度导致了电势，继而在闭合回路中形成变化的电流，由此产生了磁场。回路周围产生了磁场！这说明了什么？用毫伏表代替指南针，来演示Seebeck的实验注意观察两个现象：1.用酒精灯给其中一个结点加热时,回路中是否有电势出现？注意指针偏转的方向。2.如果对两个结点同时加热，毫伏计的偏转角会发生怎样的变化?AB用毫伏表代替指南针，来演示Seebeck的实验结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。AB热电效应热电效应——将的导体或半导体连接成,如果时,则在该回路里就会，这种物理现象称为热电效应（塞贝克效应）。两种不同闭合回路两接点的温度不同产生热电势塞贝克效应(Seebeckeffect)的反效应塞贝克效应：结论：两端温度不同时产生热电势条件：两个不同的金属丝，闭合回路塞贝克效应的反效应条件：两个不同的金属丝，闭合回路结论：回路中接入电源。。。课外思考:1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现…帕尔帖效应（Peltiereffect）塞贝克效应(Seebeckeffect)的反效应课外思考:（重点+难点）温度差热电偶热电势（热电效应）热电偶的测温原理定义：接触电势是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种电势。ABeAB(t)T()lnAtABBtktNeteNkt:接触点的温度；e：单位电荷电量；NAT、NBT：温度为t时,导体A、B的自由电子密度公式：由上式可知：接触电势取决于两种导体的性质和接触点的温度，与导体的形状及尺寸无关。_+ANBN（1）接触电势A定义：温差电势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电势。tt0eA(t,t0)tt000(,)tAAtettdtA为导体的汤姆逊系数，表示温差为1℃时所产生的电动势数值。由上式可知：温差电势只与导体的材料性质和两端的温度有关，与导体的长度、截面大小及温度场分布无关。（2）温差电势定义：热电偶回路中总的热电势是接触电势与温差电势之和。0000(,)()()(,)(,)ABABABBAEttetetettett接触电势温差电势00(,)()()ABABABEttetet下标A表示正电极，B表示负电极。由于温差电势比接触电势小很多，常常把它忽略不计，因而热电偶的热电势可表示为：（3）热电偶回路的总热电势本节小结:1.热电效应(Seebeckeffect)2.热电偶的测温原理00(,)()()ABABABEttetet练习题：热电偶中热电势的大小与和有关，而与热电极尺寸、形状及分布无关。5.2.2热电偶基本定律（1）均质导体定律一种均质导体组成闭合回路：00,lnTAABTBnKETTdten不产生热电势。ABnn00,ln0TAABTBnKETTdten回路中总的热电势：（2）中间导体定律图3-58热电偶测温系统连接图因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，是否会对热电偶回路产生影响呢？答：不会产生影响的。如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和:tABCt0t0ABtt0000(,)()()()ABCABBCCAEttetetet当t＝t0时，有00000(,)()()()0ABCABBCCAEttetetet于是可得000(,)()()(,)ABCABABABEttetetEtt同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种……导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。tt0ABCC毫伏计（3）标准电极定律TT0TT0TT0000,,,ABACCBETTETTETTABABCC000000000000,,,,,ACACACACCBCBCBCBACACCBCBACCBACCBABABABETTeTeTETTETTETTeTeTeTeTeTeTeTeTeTeTeTeTETT4）连接导体定律与中间温度定律''0''0,,,,ABBAnABnABnETTTETTETT连接导体定律：在热电偶回路中，若导体A和B分别与导线A’和B’相接，接点温度分别为T、Tn、T0，如图所示，则回路总电势等于热电偶电势与连接导线电势之和。,ABnETT''0,ABnETT意义：工业上运用补偿导线进行测量的理论基础。4）连接导体定律与中间温度定律''0''0,,,,AABBnABnABnETTTETTETT''0'''0',,ABBAnABBBnBAAAnETTTeTeTeTeT''''''''lnlnlnlnnnnnnnnnBTATATBTnnBBnAAnBTATBTATABnABnnnnnKTKTeTeTennenneTeT中间温度定律：当A与A’、B与B’材料分别相同时，则有00,,,,ABnABnABnETTTETTETT意义：只要得到参考端温度T0=0℃时的热电势，则通过测量中间温度的热电势，将两者直接求和，即可反映出测量端温度。这为热电势分度奠定了理论基础。,ABnETT''0''0,,,,AABBnABnABnETTTETTETT重要性质：1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路中的总热电势为零；2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也为零；3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的。(,)()()=0ABABABEttetet00(,)()()=0AAAAAAEttetet''00(,)(,)ABABEttEtt①两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成线性关系；②能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）；③具有较高的导电率和较低电阻温度系数；④材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好，便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。5.2.3常用热电偶的材料、特点和结构工业上对热电极材料的要求热电偶名称代号分度号热电极材料测温范围/℃新旧正热电极负热电极长期使用短期使用铂铑30-铂铑6铂铑10