第三章温度测量-2014.

第3章温度测量及仪表本章主要内容膨胀式温度计测温热电偶测温热电阻测温温标非接触测量接触测量温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。温度是与人类生活息息相关的物理量。在2000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系。工业生产自动化流程,温度测量点要占全部测量点的一半左右。温度是反映物体冷热状态的物理参数。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。温度计物质（水银，铂电阻）特性（体积膨胀，阻值）基准点刻度温标温度的测量方法第1节温度测量概述什么是温标？衡量温度的标准尺度。譬如规定什么样的温度是150℃，什么样的温度是200℃一、温标国际普遍使用的温标有四种：热力学温标、国际实用温标、摄氏温标、华氏温标。温标三要素：固定点、温度计、内插方程1.摄氏温标定义水银体膨胀是线性水银为测量物质标准大气压下纯水的冰点是0摄氏度，沸点为100摄氏度，而将汞柱在这两点间等分为100格，每等分格为1摄氏度，标记为℃。1742年瑞典天文学家摄尔修斯(A.Celsuis)2.华氏温标定义以水银为测温介质，制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为212度，冰点温度为32度，中间等分为180份，每一份为1度，记作℉，称为华氏温标。05(F32)9℃1714年德国物理学家法伦海脱（Fahrenheit）1848年开尔文提出的3、热力学温标以热力学第二定律为基础，建立温度仅与热量有关，而与物质性质无关的热力学温标，又称开尔文温标，用符号T表示，单位是开尔文（K）。它是国际基本单位之一。如果式中再规定一个条件，就可以通过卡诺循环中的传热量来完全地确定温标。1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16K，这样热力学温标就完全确定了，即T1=273.16(Q1/Q0)由卡诺定理可知，如果在温度T1的高温热源与温度为T0的低温热源之间实现了卡诺循环，则存在下列关系式Q1——卡诺热机从高温热源的吸热量Q0——卡诺热机向低温热源的放热量1100TQTQT0T1卡诺热机Q0Q1假设一标准热源热力学温度为100K，热力学温标如何规定300K的温度？以标准热源作为低温热源，另一热源作为高温热源，让一卡诺热机在两热源之间运转，如果从高温热源吸收的热量Q1与向标准热源放出的热量Q0之比等于3，那么高温热源温度等于300K现实中热力学温标是应用理想气体特性来实现的。理想气体的P、V、T之间的关系式为：恒量TPV以水的三相点作为参考点，这样可根据气体压力变化测温16.273参PTP（气体定容温度计）绝对(K)摄氏(℃)华氏(℉)100373.150.01273.160273.15-17.80-273.1521237.8100032-459.67冰点水三相点盐水冰点发烧水沸点[][]273.15TKt℃05[]([F]32)9tt℃4.国际温标三个基本条件尽可能与热力学温标一致复现精度高，各国都能准确地复现同一温标规定复现温标的温度计使用方便，性能稳定基本内容确定一些可复现的平衡态的给定温度值（定义固定点）在这些温度点上分度有关计量的标准仪器（内插仪器）确定各定义固定点温度间的内插公式国际温标ITS-90指导思想:应尽量与热力学温标接近，温度的复现性要好。内容定义了固定点，共有17个规定不同温区内的标准仪器建立标准仪器示值与国际温标之间的插补公式国际温标低温高温-38.8344℃汞三相点0.01℃水三相点29.7646℃镓熔点156.9585℃铟凝固点231.928℃锡凝固点100℃标准内插仪器+内插公式在29.7646K~156.9585℃之间用铂电阻作标准内插温度计，某一温度Tx=f(Rx)，f:内插公式，Rx：电阻值国际温标指出，热力学温度为基本物理量，规定水的三相点温度为273.16K，1k的大小为水的三相点热力学温度的1/273.16，由于摄氏温标将冰点定义为0℃，而冰点比水的三相点低0.01k，那么冰点温度为273.15k，即:15.2739090Tt℃特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化；除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低；特性随时间变化要小；重复性好，没有滞后和老化；灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小；机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好；能大批量生产，价格便宜；无危险性，无公害等。.温度传感器应满足的条件二、温度仪表分类与选择玻璃管液体温度计固体膨胀式温度计压力式温度计膨胀式温度计测温热电偶测温热电阻测温接触法非接触法测温方法温度测量方法的分类光学高温计光电高温计比色高温计红外温度计全辐射高温计优点：直观、可靠。测温准确度高缺点：存在负载效应，反应速度慢受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测元件温度与被测对象温度不一致热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。（动态误差）1．接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度2、非接触法测温：利用物体的热辐射能随温度变化的原理测温的方法。检测部分与被测对象不直接接触优点：不破坏原有温度场。通常用来测量1000℃以上的移动、旋转或反映迅速的高温物体。缺点：准确度较差，20℃左右，可以高达5℃防爆热电阻温度传感器室外温度传感器装配式热电偶第2节膨胀式温度计测温敏感元件在温度变化后尺寸或体积发生变化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或体积变化的大小。分类：液体膨胀式、固体膨胀式、压力式（一）工作原理利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理组成：液体存储器、毛细管、标尺、安全泡四部分液体可为：水银、酒精、甲苯等。当温度超过300℃时，应采用硅硼玻璃，500℃以上要采用石英玻璃一、玻璃管液体温度计4（二）结构与类型利用水银的热胀冷缩和水银的导电性。功能：（1）指示温度（2）恒温自动控制﹡棒式玻璃温度计﹡内标式玻璃温度计﹡外标式玻璃温度计﹡电接点式温度计1-磁钢2-指示铁3-螺旋杆4-钨丝引出端5-钨丝6-水银柱7-钨丝接点8-调节控制温度值的铁心9-引出接线柱电接点式液体温度计玻璃式温度计按使用时浸没方式：全浸式：使用时要求温度计插入被测介质的深度应当接近液柱顶端弯月面所指示的位置。特点：受环境温度影响很小，测量精度较高。一般标准温度计和精密温度计都是全浸式局浸式：使用时要求将温度计插入到温度计的局浸线或温度计本身所标志的固定的浸没位置。特点：液柱大部分露点于被测介质之上，受环境温度影响较大，精度低于全浸式全浸式液柱应全部浸入被测介质中。若只有部分液柱被浸没时，应对指示值进行修正：)(attnt某水银温度测量水温为90℃，插入处刻度为10℃，环境温度为10℃，则测量误差为1.024℃n:露出液体部分所占的刻度数，:工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（汞0.00016，酒精0.000103），t:温度计的示值，ta:露出液柱部分所处的环境温度局浸式若外露部分的环境温度与分度规定的条件温度不同时，应对指示值进行如下修正：()atntt某水银温度测量水温为90℃，插入处刻度为10℃，环境温度为10℃，分度时空气温度为20℃，则测量误差为0.128℃t’:分度条件下外露部分空气温度玻璃管液体温度计使用注意事项温度计与被测介质应接触足够长的时间，以使温度计与被测介质达到热平衡。读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱于同一水平面上，手持温度计顶端的小耳环，不可触摸标尺。（三）．误差分析玻璃材料有较大的热滞后效应温度计插入深度不够将引起误差非线性误差工作液的迟滞性读数误差二、固体膨胀式温度计工作原理主要指双金属温度计，利用两种线膨胀系数不同的金属片牢固地结合在一起制成特点：抗震性能好，坚固，结构简单、可靠，但精度较低（1～2.5级）可作温度继电控制、极值温度控制信号固定端自由端BBAA双金属温度计三、压力式温度计（一）工作原理与结构形式1.原理压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力随温度变化来测温2.分类按所充物质相态分：充气式、冲液式、蒸发式按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等3.组成温包、毛细管、感压元件（弹簧管、波纹管等）（二）使用方法与特点对毛细管采取保护措施，防止损坏；注意安装方式与位置对精度的影响。特点：结构简单，价格便宜，读数方便清晰，信号可以远传。防爆性、抗震性好。准确度不高，示值滞后时间长，毛细管易损坏第3节热电偶测温1.热电效应：将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端点的温度不同，则回路中将产生一定大小的电流，这个电流的大小同材料的性质以及接点温度有关，上述现象称为热电效应。这个现象是1821年Seebeck发现的故又称为塞贝克效应。BTAT0一、热电偶的工作原理2.接触电势：当两种不同的导体接触时，由于两者有不同的电子密度而产生的电势。()lnATABBTNkTETeN0000()lnATABBTNkTETeN珀尔贴电势接触电动势EAB(T)+ABT-001(,)()TAAtTAtkETTdNteN温差电动势汤姆逊温差电势3.温差电势（汤姆逊温差电势）001(,)()TBBtTBtkETTdNteNE(T,To)一一一高温低温0lnTAtTBtNkdteN000(,)(,)()()ABETTfTTfTfT如果T0=const，则EAB=f(T)热电偶回路中总热电势0000(,)()(,)()(,)ABABAABBETTETETTETETT00000(,)(,)lnlnTTATATBATTBTBBTANkTNdNtdNtkTeNNeNNBEAB(T)EA（T,T0）EB（T,T0）AEAB(T0)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所处的温度有关，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(T)为常数，回路总热电势EAB(T,T0)只是温度T的单值函数。工程上所使用的各种类型的热电偶均把E(t)和t的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。（一）热电偶均质导体定律检验热电偶丝的均匀性由均质定律知：如果由两种均质导体组成的热电偶，其热电势仅与两接点的温度有关，与热电极的中间温度分布无关由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭合回路中，不论导体的截面、长度以及温度分布如何，均不产生热电势。二、热电偶的基本定律（二）中间导体定律在热电偶回路中接入第三导体，只要与第三种导体相连接的两端温度相同，接入第三种导体后，对热电偶回路中的总热电势没有影响。),(),(00TTETTEABCAB),()(),()(),()(),(0000000TTETETTETETTETETTEACACBCBABABC00000000()()lnlnBTCTBCCACTATNNkTkTETETeNeN000()ln()ABkTNTeNT),()(),()(),()(),(0000000TTETETTETETTETETTEACACBCBABABC0000()(,)()()(,)ABBBCCAAETETTETETETTT0TACBT0000lnBTATNkTeN0()ABET作用：1）热电偶闭合回路接测量仪表、导线的理论依据2）可采用开路热电偶测量金属壁面的温度T热电偶热端开路测温例1ABCDEFT1T1T1T1T2T2六种不同的导体组成如图回路，写出回路中总的热电势？EBD（T1,T2）（三）中间温度定律),(),(),(00TTETTETTE