温度计量基础知识

温度计量2020/7/71温度计量基础123456温度计量的基础知识膨胀式温度计电阻式温度计热电偶温度计温度计量检定标准装置目录2020/7/72温度计量基础温度计量的基础知识一、基本概念温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。2020/7/73模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！温度计量基础二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标、国际实用温标等。2020/7/74温度计量基础经验温标华氏温标1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计。选取氯化铵和冰水的混合物的冰点温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度。在标准大气压下，冰的熔点为32℉，水的沸点为212℉，中间有180等分，每等分为华氏1度，记作“1℉”。2020/7/75温度计量基础经验温标摄氏温标1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。2020/7/76温度计量基础热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。是国际单位制七个基本物理量之一，单位为开尔文，简称开（符号为K），其描述的是客观世界真实的温度，同时也是制定国际协议温标的基础，是一种标定、量化温度的方法。热力学温度又被称为绝对温度，是热力学和统计物理中的重要参数之一。一般所说的绝对零度指的便是0K，对应零下273.15℃。2020/7/77威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像温度计量基础几种温标的对比2020/7/78正常体温为37C，相当于华氏温度多少度？温度计量基础1990国际温标(ITS-90)从1990年1月1日开始在全世界范围内采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K（0.01C）等。2020/7/79温度计量基础国际实用温标指导思想：尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，制作较容易，性能稳定，使用方便；1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS一90。2020/7/710温度计量基础ITS一90基本内容为：重申国际实用温标单位仍为K；国际摄氏温度和国际实用温度关系为：把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下：①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计；②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计；③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计；④961.78℃以上，用光学或光电高温计；新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。如下表所示：9090273.15tT2020/7/711温度计量基础2020/7/712温度计量基础三、温度测量及传感器分类温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。2020/7/713温度计量基础各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围2020/7/7温度计量基础14测温方法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，这是感温元件的某一物理参效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。2020/7/715温度计量基础热电偶2020/7/716温度计量基础2、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度变化的温度。2020/7/717温度计量基础红外温度计2020/7/718温度计量基础接触式与非接触式测温特点比较2020/7/719方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300℃以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2～3秒钟其它特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置温度计量基础123456温度测量的基础知识膨胀式温度计电阻式温度计热电偶温度计温度计量检定标准装置目录2020/7/720温度计量基础2020/7/7温度计量基础21温度检测方法及仪表应用热膨胀原理测温测量原理测量原理物体受热时产生膨胀液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计玻璃管温度计双金属温度计膨胀式温度计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。2020/7/722温度计量基础2020/7/723温度计量基础2020/7/7温度计量基础24玻璃液体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。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。压力温度计原理：压力式温度计的原理是基于密闭测温系统内蒸发液体的饱和蒸气压力和温度之间的变化关系，而进行温度测量的。当温包感受到温度变化时，密闭系统内饱和蒸气产生相应的压力，引起弹性元件曲率的变化，使其自由端产生位移，再由齿轮放大机构把位移变为指示值。这种温度计具有温包体积小，反应速度快、灵敏度高、读数直观等特点，几乎集合了玻璃棒温度计、双金属温度计、气体压力温度计的所有优点，它可以制造成防震、防腐型，并且可以实现远传触点信号、热电阻信号、0-10mA或4-20mA信号。是目前使用范围最广、性能最全面的一种机械式测温仪表。2020/7/7温度计量基础251、温包：它是直接与被测介质相接触来感受温度变化的元件，因此要求它具有高的强度，小的膨胀系数，高的热导率以及抗腐蚀等性能。根据所充工作物质和被测介质的不同，温包可用铜合金、钢或者不锈钢来制造。2020/7/7温度计量基础26压力式温度计主要构造2、毛细管：它是用铜或钢等材料冷拉成的无缝圆管，用来传递压力的变化。其外径为（1.5~5）mm,内径为（0.15~0.5）mm。如果它的直径越细，长度越长，则传递压力的滞后现象就越严重。也就是说，温度计对被测温度的反应就越迟钝。然而，在同样的长度下，毛细管越细，仪表的精度就越高。毛细管容易被破坏，折断，因此，必须加以保护。对不经常弯曲的毛细管可用金属软管做保护套管。2020/7/7温度计量基础27压力式温度计主要构造3、弹簧管：它是一般压力表用的弹性元件。压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。2020/7/7温度计量基础28压力式温度计主要构造2020/7/7292、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。t=t0tt0温度计量基础双金属温度计固体长度随温度变化的情况可用下式表示：基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件，当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。下图是双金属温度计原理图：10101LLktt2020/7/730温度计量基础双金属温度计原理图2020/7/731温度计量基础双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80℃—600℃，精度等级通常为1.5级左右。双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。2020/7/7温度计量基础32123456温度测量的基础知识膨胀式温度计电阻式温度计热电偶温度计温度计量检定标准装置目录2020/7/733温度计量基础定义：根据导体电阻随温度而变化的规律来测量温度的温度计。最常用的电阻温度计都采用金属丝绕制成感温元件，主要有铂电阻温度计和铜电阻温度计，在低温下还有碳、锗和铑铁电阻温度计。大多数金属在温度升高1C时电阻将增加0.4％～0.6％。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1C，电阻约减小2％～6％。2020/7/7温度计量基础34电阻温度计薄膜型及普通型铂热电阻小型铂热电阻防爆型铂热电阻电阻温度计2020/7/7温度计量基础38工业上广泛应用电阻温度计来测量-200℃～500℃之间的温度。电阻温度计的特点是准确度高；在中低温下（500℃以下）测温,它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。电阻温度计由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘管和保护套管等主要部件组成。特点：1、工业使用广泛，－200C～＋500C的测量范围特殊情况下可以测量3.4K甚至1K的低温，高温可到1000C。2、精度高，适合测量低温，常使用电桥电路作为测量电路3、为消除导线随环境温度变化而引起的误差，常使用三线法和四线法。2020/7/7温度计量基础39电阻温度计dtdRRdtRdR12020/7/7温度计量基础40电阻温度系数的定义是：温度变化1℃时电阻值的相对变化量，用α来表示，单位是℃-1，根据定义，α用下式表示：一般材料的温度系数α并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此常用（R100－R0）／（R0×100）代表0℃～100℃之间的平均温度系数，其中R100表示100℃时的电阻值，R0表示0℃时的电阻值。电阻温度系数越大，热电阻的灵敏度越高，测量温度时就越容易得到准确的结果。电阻温度计2020/7/7温度计量基础41测温热电阻材料必须满足：1）电阻温度系数大材料的纯度越高，温度系数越大，灵敏度越高（纯金属比合金高）。热电阻丝有内应力时，引起α的改变，电阻丝在制成热电阻前，须进行退火、老化处理消除应力。电阻温度计2020/7/7温度计量基础42测温热电阻材料必须满足：2）在测温范围内物理及化学性质稳定。3）有较大的电阻率。因为电阻率大，热电阻的体积可做小，热容量和惯性小，对温度变化响应快。4）电阻值与温度的关系近似为线性，