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第2章温度测量及仪表2.1国际温标与温标传递2.1.1温度和温标1．温度从宏观上看，温度是表示物体冷热程度的物理量从微观上看，温度标志着物质分子热运动的剧烈程度温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们之间必然会发生热交换现象，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。热力学第零定律2．温标温标是温度数值化的标尺。各种温度计的刻度数值均由温标确定。华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。热力学温标热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。3．国际温标为了使用方便，国际上经协商，决定建立一种既使用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这就是国际温标的由来。2.1.2温度标准的传递我国的温标量值传递建立的是三级传递系统：由国家级掌握的基准器具和工作基准器具向省级一等标准器进行检定属一级量值传递；由省级掌握的一等标准器向厂级二等、三等标准器具进行检定属二级量值传递；由厂级二等、三等标准器具向工业现场仪表进行检定的属三级量值传递；2.2温度测量仪表的分类温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变化量的测量间接地获得温度值。根据温度测量仪表地使用方式，通常可分类为接触法与非接触法两大类。2.2.1选作温度计的物质1）物质的某一属性仅与温度T有关，且必须是单调函数，最好是线性的。2）随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强，以保证仪表的灵敏度和测量精确度。3）应有较宽的测量范围。4）有较好的复现性和稳定性。2.2.2温度测量仪表的分类1.接触法当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。特点：温度计要与被测物体有良好的热接触，使两者达到热平衡。2.非接触法利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被测介质接触，感受被测物体或被测介质的温度变化。膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计2.3膨胀式温度计2.3.1双金属温度计（1）原理（2）结构型号WS-图2-2WSS型双金属温度计的结构1-指针；2-刻度盘；3-保护套管；4-细轴；5-感温元件；6-固定端；7-自由端；8-紧固装置[实验演示1]双金属温度计测温设备、工具：两只同型号双金属温度计，一只保温桶步骤：1）展示一只双金属温度计，注意指针起始位2）将感温元件插入保温桶中，注意观察指针的偏转方向3）将感温元件移出保温桶外，注意观察指针的偏转方向4）将两只同型号双金属温度计同时插入保温桶中，一只插入较深，一只插入较浅，注意观察两支温度计指针指示是否相同实验结果讨论：1）接触式测温方法，仪表指示值的动态变化趋势如何？反应如何？2）插入深度不同，为何指示值有差异？（3）安装与使用②安装前要进行标定，简单的办法是用一支标准水银温度计对照检查它的室温示值⑦仪表经常工作的温度最好能在刻度范围的1/2～3/4处。2.3.2压力式温度计图2-3WT型压力表式温度计的结构1-温包；2-毛细管；3-弹簧管；4-刻度盘；5-齿轮传动机构；6-示值指针；7-表壳[实验演示2]压力式温度计测温设备、工具：两只压力式温度计，一只保温桶步骤：1）展示一只压力式温度计，注意指针在起始位2）将温包插入保温桶中，注意观察指针的偏转方向3）将温包移出保温桶外，注意观察指针的偏转方向4）将两只同型号压力式温度计同时插入保温桶中，一只温包全部插入，一只温包部分插入，注意观察两支温度计指针指示是否相同5）将两只同型号压力式温度计同时插入保温桶中，一只毛细管弯折，注意观察两支温度计指针指示是否相同实验结果讨论：1）接触式测温方法，仪表指示值的动态变化趋势如何？读数时注意什么？2）插入深度不同，为何指示值有差异？3）毛细管弯折，指示值是否正确？（1）充气体的压力温度计气体状态方程式pV=mRT（2）充蒸汽的压力温度计lgp=-a/t+1.75lgt–bt+c2.4热电偶热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。结构简单标准化量程广精度较高适用性好远传2.4.1热电偶测温原理热电效应SeebackeffectBATT0参考端冷端工作端热端一、热电偶测温原理两种不同的导体（或半导体）A和B组成闭合回路，当A和B相接的两个接点温度T和T0不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电势，通常称为热电势。图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称为热电偶的热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T）中的接点称为工作端或热端，温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。1．接触电势5AABBN(T)KTE(T)lneN(T)式中e——单位电荷；K——波尔兹曼常数；NA(T)、NB(T)——材料A、B在温度为T时的自由电子密度；2．温差电势温差电势可表示为式中符号同前式。0TA0ATAK1E(T,T)d(NT)eN63．热电势对于由A和B两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接点温度分别为T和T0，且TT0，NANB；那么回路中存在两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为进行推导整理后，可得对于确定的材料A和B，NA和NB与T的关系已知，则上式可简写成下面的形式EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)如果冷端温度T0保持恒定，这个热电势就是热端温度T的单值函数，即EAB(T,T0)=f(T)－C0TAAB0TBN(T)KE(T,T)lndTeN(T)2.4.2热电偶的基本定律1．均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。这条规律还要求热电偶的两种材料必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。(1)热电偶必须由两种材料不同的均质热电极组成；否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。(2)热电势与热电极的几何尺寸(长度、截面积)无关(3)由一种导体组成的闭合回路中存在温差时，如果回路中产生了热电势，那么该导体一定是不均匀的。由此可检查热电极材料的均匀性。(4)两种均质导体组成的热电偶，其热电势只决定于两个接点的温度，与中间温度的分布无关2．中间导体定律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。第三种导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，该导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借助均质等温的导体加以连接。3．中间温度定律热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的热电势，等于接点温度为T、Tn和Tn、T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)连接导体定律在热电偶回路中，如果热电偶的电极材料A和B分别与连接导体A’和B’相连接，各有关接点温度为t，tn和t0，那么回路的总热电势等于热电偶两端处于t和tn温度条件下的热电势EAB(t,tn)与连接导线A’和B’两端处于tn和t0温度条件下的热电势EA’B’(tn,t0)的代数和。EABB’A’(t,tn,t0)=EAB(t,tn)+EA’B’(tn,t0)中间温度定律和连接导体定律是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。补偿导线原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导线为补偿导线。补偿导线回路总热电势为E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0)2.4.3热电偶的种类及结构形成热电偶的材料虽然任意两种导体或半导体材料都可以配对制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求却是多方面的。(1)能应用于较宽的温度范围，物理性质稳定，在测温范围内，热电特性不随时间变化；(2)化学性质稳定，不易被氧化、还原和腐蚀；(3)组成的热电偶产生的热电势率大，以得到较高的灵敏度，热电势与被测温度成线性或近似线性关系；(4)有高导电率和低电阻温度系数。这样，热电偶的内阻随温度变化就小；(5)具有较好的工艺性能，便于成批生产。复制性好，即同样材料制成的热电偶，它们的热电特性基本相同；便于采用统一的分度表。(6)材料来源丰富，价格便宜。（1）标准化热电偶廉金属热电偶1）T型（铜－康铜）热电偶2）K型（镍铬－镍铝或镍硅）热电偶3）E型（镍铬－康铜）热电偶4）J型（铁－康铜）热电偶贵金属热电偶1）S型（铂铑10－铂）热电偶2）R型（铂铑13－铂）热电偶3）B型（铂铑30－铂铑6）热电偶（2）非标准化热电偶（1）钨－铼系热电偶（2）钨－铱系热电偶（3）其他非标准化热电偶（2）B型（铂铑30—铂铑6）热电偶这是一种贵金属热电偶，它的特点是测温上限短时可达1800℃，测量精度高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。但不宜在还原气氛中使用，灵敏度较低，价格昂贵。（3）K型（镍铬—镍硅）热电偶这是一种贱金属热电偶，它的特点是价格低廉，灵敏度高，复现性较好，高温下抗氧化能力强，是工业和实验室中大量采用的一种热电偶。但在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀。（4）T型（铜—康铜）热电偶这是一种贱金属热电偶，测量精度高，稳定性好，低温时灵敏度高，价格低廉。（5）E型（镍铬—康铜）热电偶这是一种贱金属热电偶，在以上几种热电偶中它的灵敏度最高，但抗氧化及抗硫化物介质的能力较差，适于在中性或还原性气氛中使用。2.4.4热电偶冷端的温度补偿1.恒温法（1）把冷端引至冰点槽内，维持冷端始终为0℃，但使用起来不大方便。（2）把冷端用补偿导线引至电加热的恒温器内2.公式修正法当用补偿导线把热电偶的冷端延长到某一温度T0处（通常是环境温度），然后再对冷端温度进行修正。3.补偿装置法补偿电桥法是在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥，此电桥输出的电压随热电偶冷端温度变化而变化，从而修正热电偶冷端温度波动引入的误差。4．机械零点调整法要注意冷端温度变化后，必须及时重新调整机械零点。在冷端温度经常变化的情况下，不宜采用这种方法。2.4.5热电偶的结构(1)普通型热电偶(2)铠装热电偶(3)热套式热电偶(4)薄膜式热电偶铠装热电偶图型WRTK2-434/ⅡΦ8*1000mm铠装固定卡套法兰热电偶WRSK-143/ⅡΦ6*1000mmGh3030铠装防爆热电偶WRNK-332/ⅠΦ4*1000mmGh2520铠装可动卡套螺纹热电偶2.4.6热电偶的安装（1）测温元件的基本安装形式（2）测温元件的安装方法2.4.7热电偶的校验热电偶的校验为了保证热电偶的测量精度，必须定期进行检定。热电偶的检定方法有两种，比较法和定点法。用被校热电偶和标准热电偶同时测量同一对象