太阳能工程 温度测量-XXXX-3-2

1第二章温度测量第一节温度测量概述一、温度与温标（一）温度温度是表征物体冷热程度的物理量温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量2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，这时热传递现象才能停止。这也就是热力学第零定律所描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。3温度的微观概念表明：物体温度的高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度。显然物体的物理化学特性与温度密切相关。4温度的测量当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时，则它们就具有相同的温度。因此可以从一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就是测温的依据。如果事先已经知道一个物体的某些性质或状态随温度变化的确定关系，就可以以温度来量度其性质或状态的变化情况，这就是设计与制作温度计的数学物理基础。5虽然有不少物体的某些性质或状态（如电阻、体积、电势等）会随温度的变化而变化，但并不是所有的物质都可制作成温度计。选作温度计的物质，其性质必须满足以下条件：物质的某一属性G仅与温度T有关，即G=G(T)，且必须是单调函数，最好是线性的。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。应有较宽的测量范围。有较好的复现性和稳定性。6（二）温标温标是温度数值化的标尺。它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。71.经验温标它是借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。摄氏温标摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为℃。8华氏温标华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为℉。它与摄氏温标的关系为：5CF3299类似的经验温标还有兰氏、列氏等经验温标的缺点在于它的局限性和随意性102．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。11热力学中卡诺定理指出：一个理想的卡诺机，当它工作于温度为T2的热源与温度为T1的冷源之间，它从热源中吸收的热量Q2与向冷源中放出的热量Q1，应遵循以下关系：这就是建立热力学温标的物理基础。如果指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比求得未知温度值。1122TQTQ12热力学温标规定水在标准大气压下的三相点为273.16K，沸点与三相点之间分为100等分，每等分1K，将水的三相点以下273.16K定为绝对零度（0K）。133．国际实用温标ITS-90简介国际实用温标是在1927年采用的，目的在于提供一种容易准确的复现，并且尽可能给出接近热力学温标的实用温标。自1927年建立国际温标以来，为了使它更好地符合热力学温标，曾先后对它做了多次修改。最新的是1990年国际实用温标（ITS-90），它规定热力学温度是基本的物理量，符号为T，单位开尔文，符号为K。它规定水的三相点热力学温度为273.16K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的1/273.16。国际实用开尔文温度和摄氏温度的关系为：t=(T-273.15)(℃)14二、温标的传递与国际实用温标有关的基准仪器均由国家指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存，并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行校验。15三、温度测量方法及测量仪表的分类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。根据温度测量仪表的使用方式，通常可分类为接触法与非接触法两大类。161.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地热接触，使两者达到热平衡。172.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。183.测量仪表的分类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19非接触式测温仪表是采用感温元件与被测物体不直接接触的方法来测量温度。在高温范围内，用直接接触测温法非常困难，可采用非接触式测温法，利用物体的热辐射特性对物体的温度进行非接触式测量。光学高温计、比色高温计、辐射高温计20第二节膨胀式温度计膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。21一、液体膨胀式温度计1.测温原理2.主要特点构造简单使用方便准确度高价格低廉22二、固体膨胀式温度计它是利用固体受热膨胀原理制成的温度计，可分为杆式温度计和双金属温度计，后者使用较多，它是由两种线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成的。23三、压力式温度计它是利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。24工作介质是气体、液体或蒸气简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度25第三节热电偶温度计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。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。26既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。27一、热电偶的测温原理由两种不同的导体A和B组成闭合回路称为热电偶，如下图所示。导体A、B为热电极，当两个接点温度不同时，回路中将产生电流，称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势。这种现象称为热电现象。热电势用符号EAB（T，T0）表示。BATT0参比端冷端工作端热端28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的一端称为参比端或冷端。T0通常为环境温度，当T0恒定时，热电势是T的函数，因此，可以用热电势表示温度。热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。291．接触电势当两种不同的导体A和B相接触时，假设A的电子密度NA大于NB，由于两者有不同的电子密度，故电子在两个方向上扩散的速率不同，A失去电子而带正电，B得到电子而带负电，在A、B的接触面上就形成了一个由A向B的静电场，它将阻止电子的进一步扩散，当扩散力和电场力达到平衡时，在A、B间就形成了一个固定的接触电势。30接触电势用EAB(T)表示，其数值可用下式表示式中e——单位电荷，4.802X10-10静电单位；K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；NAT、NBT——材料A、B在温度为T时的自由电子密度；T——A、B接触点的温度，K。ATAB(T)BTNKTElneN31从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。322．温差电势是由于导体两端温度不同而产生的一种电动势。由于导体两端温度不同，则两端电子的能量也不同。由于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果，高温端因失去电子而带正电荷，低温端因失去电子而带负电荷，从而在高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场，静电场将阻止高温端电子跑向低温端，同时加速低温端电子跑向高温端，最后达到一动态平衡状态，在导体两端便产生一个相应的电位差，该电位差称为温差电势，其方向由低温端指向高温端，此电势只与导体性质和导体两端温度有关，温差电势可表示为：0TA0ATAK1E(T,T)d(Nt)eN333．热电偶闭合回路的总热电势对于由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AB0ABAB0B0A0E(T,T)E(T)E(T)E(T,T)E(T,T)34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)－C0TAAB0TBNKE(T,T)lndteN35两个热电极36热电偶接点37从以上式子可以得到如下结论：热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒定，则f（T0）为常数，回路总热电势EAB（T，T0）只是温度T的单值函数。38二、热电偶的基本定律1．均质导体定律任何一种均质导体组成的闭合回路，不论其各处的截面积如何，不论其是否存在温度梯度，都不可能产生热电势。利用此定理可以检验热电极材料的均匀性。392．中间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。40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。413．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)42该定律说明当热电偶参比端温度t0≠0℃时，只要能测得热电势E(t,t0)，且t0已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度t值。434.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)44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。45三、常用热电偶的材料、结构和分类1．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）两种材料所组成的热电偶应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势和温度之间尽可能呈线性的函数关系。46（2）能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能。（3）要求热电偶材料有高导电率和低电阻温度系数。（4）