特殊环境下的温度测试5R

特殊条件下的高温测试技术报告人：王高教授单位：中北大学测试技术研究所联系电话：[phone]中北大学2整体思路高温测试引言热电偶测温技术辐射测温技术光纤测温技术超声测温技术红外测温技术研究背景导弹发射瞬间战斗机火箭发射临近空间飞行器核反应堆爆炸中北大学4测温原理1、温度是国际单位制(SI)7个基本物理量之一。2、温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。3、温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。测温方法及温标中北大学5测温方法及温标世界上实际通用的温标是国际实用温标，由其来统一各国之间的温度计量，这是一种协议温标。•第一个国际实用温标自1927年开始采用，随着科学技术的发展，对国际实用温标也在不断地进行改进和修订，使之更符合热力学温标，有更好的复现性和能够更方便地使用。•目前推行的国际实用温标定义为1990年国际温标ITS—90。中北大学6测温方法及温标温标为了客观地计量物体的温度，必须建立一个衡量温度的标尺，简称温标。建立温标就是规定温度的起点及其基本单位。早期建立的华氏温标和摄氏温标都是根据物体体积的热胀冷缩现象制定的，通常称为经验温标。华氏温标规定，冰点为32℉，水沸点为212℉，两者中间分180等份。摄氏温标规定，冰点为0℃，水沸点为100℃，两者中间分100等份。开氏温标规定，冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点为零度，以℉表示之，把冰的熔点定为32℉，把水的沸点定为212℉，在32→212的间隔内均分180等分兰氏温标以273.16K作为491.688°R。中北大学7测温方法及温标四种温标之间的关系1.°C=K-273.152.°F=9/5°C+323.°R=°F+459.67KCFR123中北大学8四个温区1、第一温区为0.65K到5.00K之间,由3He和4He（氦的同位素）的蒸气压与温度的关系式来定义。2、第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间，用氦气体温度计来定义。3、第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之间,由铂电阻温度计来定义。4、第四温区为银凝固点(961.78℃)以上的温区,按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温计。测温方法及温标中北大学9测温方法及温标温标的传递1、国际实用温标系由各国计量部门按规定分别保持和传递，由定义固定点及一整套基准仪表复现温度标准，再通过基准和标准测温仪表逐级传递，各类温度计在使用前均要按传递系统的要求进行检定。2、一般实用工作温度计的检定装置采用各种恒温槽和管式电炉，用比较法进行检定。比较法是将标准温度计和被校温度计同时放入检定装置内，以标准温度计测定的温度为已知，将被校温度计的测量值与其相比较，从而确定被校温度计的精度。恒温槽1700°C高温管式电炉中北大学10温度测量原理温度测量原理就是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质（机械，电学，光学，声学，化学）随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。温度测量方式分为接触式测温和非接触式测温两大类。测温方法及温标接触测温非接触红外测温中北大学11热电偶测温热电势的产生2什么是热电偶1标准和非标准热电偶3中北大学12热电偶测温什么是热电偶热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。它通过将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个接触点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，并在回路中形成热电流，因此，可将温度的变化转变成热电势或热电流的变化。ATBT0EAB(T，T0)TT0钨铼热电偶中北大学13测量精度高；测量范围广；构造简单，使用方便；将温度转换成电信号，便于处理和远传。热电偶优点1、常用的热电偶从-5～+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃，最高可达+2800℃（钨-铼）。2、热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。热电偶测温中北大学14热电势的产生热电势＝接触电势＋温差电势1、接触电势：金属导体的材料不同，导体内部自由电子密度不同→自由电子扩散→若A导体的自由电子密度较大，则→较多的自由电子由A至B，而返回较少→平衡时，A导体失去电子带正电，B导体得到电子带负电→A、B接触处形成一定的电位差，即接触电势（帕尔帖电势）。热电偶测温lnAABBNkTeTeNeAB(T)－ABT+-－－－－k：玻尔兹曼常数（k=1.38×10－23J/K）e：电子电荷量（e＝1.602×10－19）NA：导体A电子密度NB：导体B电子密度T：接触点绝对温度帕尔帖中北大学152、温差电势：单一导体两端温度不同，导体内部自由电子高温端具较大动能→自由电子向低温端扩散→高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电→导体内部形成静电场，阻止电子继续扩散→动态平衡时，在导体两端产生一个电位差，即温差电势（汤姆逊电势）。热电偶测温－AT+-－－－－电场T0eA(T，T0)00,TATeTTdTδ:汤姆逊系数，表示温差为1℃时所产生的电动势值，与导体材料的性质有关。汤姆逊中北大学161821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应。1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热（制冷）量的多少与电流的大小成正比。1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（Thomsoneffect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectriceffect）。历史轨迹热电偶测温中北大学17热电偶测温结论热电势的大小只与两种导体材料A、B及冷热端温度有关,与热电极的形状、大小、长短，以及两导体接触面积无关。若T0＝0，则EAB(T，T0)＝f（T）,热电势和温度之间为唯一对应的单值函数关系。若T=T0，则EAB(T，T0)≡0，即产生热电势的条件是两接点温度不同；导体接触面积无关。若两个电极为同种导体，则NA=NB，δA=δB，则EAB(T,T0)≡0，即热电偶必为两种材料组成；!中北大学18热电偶测温标准和非标准热电偶任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足：1、电势值大，随温度单调上升，最好线性2、材料易获得，有较好的延展性，易于加工3、热电性质稳定；复现性好，价格低，物理、化学性稳定4、电极的电阻小，温度系数小按照工业标准化要求，可将热电偶分为标准化和非标准化热电偶两种。标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产，性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶，标准化热电偶可以互换，精度有一定的保证，并有配套的显示和记录仪表可供选用。非标准化热电偶：虽然已有产品，也能够使用，但没有统一的标准，使用前仍需个别标定来确定热电势和温度之间的关系的热电偶，其存在的主要目的是进一步扩展高温和低温的范围。中北大学19热电偶测温热电偶名称分度号热电极性识别E(100，0)（mV）测温范围（℃）对分度表允许偏差新极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10－铂S氧化正亮白较硬0.6460～13001600Ⅲ≤600±1.5℃负亮白较软600±0.25％t铂铑13－铂R正较硬0.6470～13001600Ⅱ600±1.5℃负柔软1100±0.25％t铂铑30－铂6B正较硬0.0330～16001800Ⅲ600～800±4℃负较软800±0.5％t镍铬－镍硅K正不亲磁4.096-200～12001300Ⅱ-40～1300±2.5℃或±0.75％t负稍亲磁Ⅲ-200～40±2.5℃或±1.5％t镍铬硅－镍硅N正不亲磁2.774-200～12001300Ⅰ-40～1100±1.5℃或±0.4％t负稍亲磁Ⅱ-40～1300±2.5℃或±0.75％t镍铬－康铜E正暗绿6.319-200～760850Ⅱ-40～900±2.5℃或±0.75％t负亮黄Ⅲ-200～40±2.5℃或±1.5％t铜－康铜T正红色4.279-200～350400Ⅱ-40～350±1℃或±0.75％t负银白色Ⅲ-200～40±1℃或±1.5％t铁－康铜J正亲磁5.269-40～600750Ⅱ-40～750±2.5℃或±0.75％t负不亲磁标准化热电偶技术数据中北大学20优点：热电特性稳定，抗氧化性强，使用寿命长，测温范围广，测量精度高缺点：热电势小，灵敏度低，线性差，高温情况下机械强度下降，对污染敏感用途：可做为基准热电偶，用于精密测量S与S型热电偶的综合性能相当，但稳定性和复现性优于S型，热电势比S型大15％主要用于进口设备的附带测温装置R优点：测量上限高，稳定性好，在冷端温度低于100℃时不用考虑温度补偿问题，缺点：热电势小，线性较差，线性差，高温情况下机械强度下降，抗污染能力差BKNETJ热电势大，灵敏度高、线性好，性能稳定，复现性好、价格较便宜，广泛用于高温测量，是目前用量最大的廉金属热电偶在相同条件下，特别是1100～1300℃高温条件下，高温稳定性和使用寿命较K型有成倍提高，价格远低于S型热电偶，而性能相近，在－200～1300℃范围内，有全面代替廉价金属热电偶和部分S型热电偶的趋势准确度较高，灵敏度是所有标准热电偶中最高的，稳定性好，价格便宜，广泛用于低温测量，可用于湿度较大的环境中热电势较大，灵敏度高，线性度和复现性好，中低温稳定性好，耐磨蚀，价格便宜，广泛用于中低温测量价格便宜，耐H2和CO2气体腐蚀，在含碳或铁的条件下使用也很稳定，可用于真空、氧化、还原和惰性气氛中，适用于化工生产过程的稳定测量热电偶测温中北大学21热电偶测温非标准化热电偶1、贵金属热电偶：铂铑系列（最高测温1850℃，热电势为线性，稳定性好）铱铑系列（最高测温2250℃，热电势大，线性好）铂－金（稳定性好，主要用于航天技术和高精度测量领域）2、贵－廉金属混合式热电偶：金铁合金（主要用于低温测量，测温范围－270～0℃）双铂钼系列（正负极均为铂钼合金，但合金中元素比例不同，如铂5钼－铂1钼热电偶可用于核辐射场合中，也可在真空和惰性气体中长期使用，最高温度为1600℃）3、难熔金属热电偶：钨铼合金热电偶（熔点高于3000℃，最高测温2500～2800℃，在冶金、建材、航空航天和核能工业中应用广泛）钨钼热电偶（最高测温2000℃，价格便宜，但热电势小）4、非金属热电偶：目前处于研究阶段，瓶颈问题是复现性和机械强度差，但热电势非常大，如碳－硅碳热电偶在1700℃可达508mV，是金属热电偶的近百倍，测温上限可达3000℃中北大学22Nanmac快速E型热电偶中北大学23？中北大学24辐射测温技术全辐射高温计4比色高温计3辐射测温基本原理1单色辐射高温计2中北大学25非接触式测温方法利用物体辐射能随温度变化的性质，通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量。用这种方法测温时，感受件不需与被测介质相接触。非接触式测温方法的优点（1）感受件不需与被测介质相接触，仪表不会破坏被测介质的温度场；（2）从理论上讲仪表的测温上限不受限制，可达3000℃以上；（3）测温过程中，仪表的滞后小，动态性能好，反应快；（4）输出信号大、灵敏度和准确度高。辐射测温技术Observecolour暗红