第五章温度测量

热能与动力工程测试技术天津大学机械学院内燃机燃烧学国家重点实验室StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity温度测量概述；接触式温度计；非接触式温度计；气体温度计；红外技术在温度测量中的应用。本章主要内容学习要求：☆掌握采用热电偶温度计、电阻温度计测温的基本原理、测量方法、计算方法及有关电路。☆熟悉几种常用的热电偶及电阻温度计。☆能正确地选用温度计并了解温度计的标定方法。☆了解几种其它形式温度计的原理。第五章温度测量StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity第一节温度测量概述一.温度和温标温度：是表示物体冷热程度的物理量，从分子运动论的观点看，温度也是物体内部分子运动平均动能大小的一个量度标志。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。国际普遍使用的温标有四种：摄氏温标、华氏温标、热力学温标、国际实用温标。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity1)摄氏温标摄氏温标的物理基础是水银温度变化与体膨胀成线性关系。分度方法是把标准大气压下水的冰点定为零度（0℃），把水的沸点定为100度（100℃），用这两个固定点分度玻璃水银温度计，在这两固定点间划分100等分，每一等分为摄氏一度，计为1℃。2)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：oo5CF329StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity3)热力学温标热力学温标是一种与工质无关的温标，它以热力学第二定律为基础。开尔文温度规定水在标准大气压下的三相点温度为273.16K；1K等于水的三相点的热力学温度的1/273.16；将三相点以下273.16K定为绝对零度，记为0K，符号：T。热力学温标所确定的温度数值称为热力学温度(单位为K)。4)国际实用温标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。依据物质的某些定义固定点所确定的温标，定义固定点：水的三相点、氧和水的沸点、金和银的凝固点等等。单位用摄氏度(℃)表示，符号：t。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity绝对零度•绝对零度(absolutezero)是热力学的最低温度，但此为仅存于理论的下限值。热力学温标的单位是开尔文（K），绝对零度就是开尔文温标定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15度，也就是-459.67华氏度。物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子动能越高，物质温度就越高。理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。然而，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。•由于水的三相点温度是0.0076℃，因此绝对零度比水的三相点温度低273.16℃。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity热力学基本定律StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity二.温度计分类温度计可以按测头的测温原理、测头的材料和测头是否必须与被测介质接触进行分类。按照测头是否必须与被测介质接触可以分为接触式和非接触式。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。优点：直观、可靠。缺点：①容易破坏温度场；存在负载效应，测温受限；②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。③热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。(动态误差）StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity2.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。固体膨胀式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玻璃管液体温度计StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity第二节接触式温度计一.膨胀式温度计膨胀式温度计包括水银温度计，有机液体温度计，双金属温度计。(液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计)1.玻璃管液体温度计利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。应注意两个问题：1)零点漂移：玻璃的热胀冷缩也会引起零点位置的移动，因此使用玻璃管液体温度计时，应定期校验零点位置。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity2)露出液柱的校正：使用时必须严格掌握温度计的插入深度，因为温度刻度是在温度计液柱全部浸入介质中标定的，而使用时液柱可按下式求其修正值。)(attnt式中，n:露出部分液柱所占的刻度数，: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。例：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℃StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity液体玻璃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。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity使用时，如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入，部分浸入式温度计露出部分的环境温度与标定时不一致，就会产生测量误差，故必须进行修正。方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液柱部分的平均温度，并按式估算温度修正量t，即t测为温度计的读数值；t环为露出汞柱的平均温度，由辅助温度计读出;n为露出待测体系外部的水银柱长度，以温度差值表示；为水银相对于玻璃的膨胀系数，使用摄氏度时，=0.00016K-1)(环测ttntStateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversityStateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversityt真=t观+△t)(12ttnt对部分浸入式温度计为标定时露出部分液柱的温度。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity2压力式温度计压力式温度计由温包、毛细管和弹簧管所构成的密闭系统及传动指示机构组成。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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。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity3双金属温度计（固体膨胀式）双金属温度计是用线胀系数不同的两种金属构成的金属片作为感温元件，当温度变化时，两种金属的膨胀不同，双金属片就产生与被测温度大小成比例的变形，这种变形通过相应的传动机构由指针指示出温度数值。根据感温双金属片结构形状的不同，有螺旋形双金属温度计和盘形双金属温度计两种。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity二.电阻式温度计电阻式温度计利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性所制成的测温仪表。电阻温度计的电阻和温度之间的关系。包括铂电阻温度计，热敏电阻温度计。TRt铂电阻热敏电阻优点：测温准确度高，信号便于传送。缺点：不能测太高的温度，需外部电源供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300℃)隔爆热电阻StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity三.热电偶温度计热电偶是利用“热电效应”制成的一种测温元件。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。它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。并且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。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity热电偶的类型1）S型（铂铑10—铂）热电偶一种贵金属热电偶，它的特点是精度高，物理化学性能稳定，测温上限高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。另外，它的热电势较小，灵敏度较低，价格昂贵。它不仅可用于工业和实验室测温，更为重要的是它可以保存为基准热电偶和传递为各级标准热电偶。2）B型（铂铑30—铂铑6）热电偶一种贵金属热电偶，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。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity3）K型（镍铬—镍硅）热电偶一种贱金属热电偶，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。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity标准化热电偶（1）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（2）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StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity四.温度计的校验1．压力表式温度计的标定标定设备：恒温器、标准温度计、盛有冰水共存的容器。标定方法：把温度计垂直挂在支柱上，将温包全部浸在恒温器内(或浸有冰水共存的容器内)，调整温度计到等于恒温器内温度的刻度点(或0℃)。一般标定点不少于三点，即刻度标尺的起点、中点和终点。对每一刻度点的标定，均要在恒温器的温度上升和下降时进行，并取其平均值。指示值的读数要进行两次，一次是在不敲表壳的情况下读出，一次是在轻敲一下表壳之后读出，轻敲表壳后的指针变化不应超过允许误差的一半。StateKeyLaboratoryofEngines,TianjinUniversity2．热电阻的标定标定设备：标准热电阻温度计(标准热电阻温度计所用的材料与被标定的一样)、加热恒温器、冰水共存容器、标准电位计或不低于0.05级双臂电桥一只。校验方法：有两个点必须进行标定，即0℃时的电阻值R0和100℃时的电阻