特殊环境下的温度测试5R.ppt

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 67 K C F R 1 2 3 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 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 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 eAB T 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 15 2 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 A T 电场 T0 eA T T0 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 16 1821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 A B 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 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 B K N E T J 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 22 Nanmac快速E型热电偶 中北大学 23 中北大学 24 辐射测温技术 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 暗红色 600摄氏度左右 深红色 700摄氏度左右 橘红色 1000摄氏度左右 纯橘色 1100摄氏度左右 金橘色 1200摄氏度左右 金黄色 1300摄氏度左右 金白色 1400摄氏度左右 纯白色 1500摄氏度左右 白蓝色 1500摄氏度以上 中北大学 27 辐射测温技术 普朗克函数曲线图 辐射测温技术 中北大学 29 辐射测温技术 中北大学 30 实际物体的热辐射特性 同一T 下 2 实际物体的发射率 同一T下 1 实际物体在波长 下的光谱发射率 实际物体的 随波长 而变化 但总小于1 多数非金属 而多数金属 若某物体的 不随波长 而变化 灰体 辐射测温技术 31 中北大学 32 WGG2型光学高温计 可用于冶金 化工和机械等工业生产过程中 测量冶炼 烧铸 轧钢 玻璃熔窖 锻打 热处理的温度 测量范围 700 2000 3 使用注意事项 1 非全体辐射 的影响 物体 不是常数 它的波长 物体表面情况及温度高低有关 是最大误差源 为消除其影响 可人为创造全辐射体的条件 2 中间介质的影响 3 反射光的影响 4 光电高温计 1 既可使用可见光 又可使用红外光谱 有利于测低温 2 准确度高 灵敏度高 3 可以连续 自动测量和记录 信号可以远传 中北大学 35 三 比色高温计 中北大学 36 2 双通道比色高温计 1 物镜 2 反射镜 3 倒像镜 4 目镜 5 人眼 7 分光镜 9 场镜 10 视场光栏 6 红外滤光片 硅光电池E1 8 可见光滤光片 硅光电池E2 中北大学 37 中北大学 38 四 全辐射高温计 1 测温原理依据全辐射定律 2 全辐射高温计的结构 中北大学 39 中北大学 40 中北大学 41 多光谱测试 Keypoints Keypoints 中北大学 46 接触式测温 非接触式测温 标准热电偶 钨铼热电偶 辐射法 长期测温极限 1600 C 长期测温极限 2000 C 美国Nanmac公司 英国LANDS4红外测温仪0 2600 DNF模块化红外测温仪测温范围 1500 3000 美国IRCON公司 热电势 热电势率较小 灵敏读低 高温下机械强度下降 对污染非常敏感 钨铼热电偶极易氧化 适于在惰性或干燥氢气中使用 受环境因素影响大只能测定目标表面上确定面积的平均值只限于测量物体表面温度受物体发射率影响大 两种测温方式比较 中北大学 47 中北大学 48 光纤测温 中北大学 49 光纤测温 光纤温度传感器1 采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的新型测温仪表 它有接触式和非接触式等多种型式2 特点 灵敏度高电绝缘性能好 可适用于强烈电磁干扰 强辐射的恶劣环境体积小 重量轻 可弯曲可实现不带电的全光型探头等 光纤之父 高锟 中北大学 50 非接触式光纤测温 接触式光纤测温 黑体腔光纤传感器 光纤测温 中北大学 51 耐高温光纤黑体腔制备 激光加热基座法晶纤生长示意图 高温光纤特点 物理化学性能稳定 熔点高 强度大 热膨胀小 导热性好 具有很好的光传输特性 典型耐高温光纤 蓝宝石单晶光纤 氧化锆单晶光纤 光纤测温 中北大学 52 1 镀层2 蓝宝石光纤 光纤黑体腔 单晶光纤 氧化锆粉末 黑体腔镀膜原理 镀膜 碳化硅粉末 镀膜材料 光纤测温 中北大学 53 黑体腔镀膜工艺 1磁控溅射 两大特点 沉积速率比化学气相沉积法 CVD 高出一个数量级 所需气压不高 成膜粘附性好 光纤测温 中北大学 54 2等离子体喷涂 原理 等离子弧通常靠高频放电火花引燃 粉末形式的喷涂材料由惰性气体携带注入射流后 射流将其加速 加热到熔化或半熔化状态 喷射到基体的表面 飞行的高温粒子因冲击变形以及随后的快速凝固和冷却 成为激冷薄片 粘附在经过处理的基体表面上 这些激冷薄片的不断堆积形成了层状结构涂层 等离子体热喷涂工艺原理 特点 等离子射流具有高焓 高温和高速等能量特征 最难熔的材料 如碳化钽 熔点为3875 也能在等离子射流中熔化并喷涂成形 等离子弧温度高 可熔化目前已知的任何固体材料 喷射出的微粒速度快 温度高 形成的喷射涂层质量好 结合强度高 光纤测温 中北大学 55 蓝宝石黑体腔光纤传感器测温原理 根据普朗克定律 黑体单色辐射能力与波长和温度的关系 式中C1为第一辐射常数 C2为第二辐射常数 T为黑体的热力学温度 在温度T 1 普朗克定律可以由维恩近似公式代替 原理 蓝宝石光纤传感器 光纤测温 中北大学 56 蓝宝石光纤传感器温度测试系统 光纤测温 中北大学 57 光纤传感器性能测试 响应时间测试装置 采用阶跃上升的高功率CO2激光束经反射镜后聚焦到涂敷蓝宝石黑体腔温度传感头上 成为周期性的热信号 感温介质膜层吸收CO2激光束能量产生热辐射 用示波器记录窄带光电探测器的输出 其输出温度电压信号随阶跃激光信号变化而变化 得出传感器的时间相应性能 蓝宝石光纤传感器响应时间波形图 20 0ms 光纤测温 中北大学 58 某导弹发射箱前框表面温度测量 1465 56 光纤传感器瞬态表面测温 火箭发动机温度 时间曲线 1900 56 导弹发射瞬间 光纤测温 中北大学 59 光纤传感器飞机发动机总温测量 中国J 20战斗机 太行发动机 T0 总温 单位为K T 静温 单位为K k 常数 总温与静温 光纤测温 中北大学 60 几种典型的总温热电偶结构示意图 1 滞止罩 2 气流进口 3 热电偶热端 4 排气口 5 热电偶套管 光纤测温 中北大学 61 传感器附近局部温度分布图 流体域模型 光纤测温 中北大学 62 反射光波波长与栅距 的关系 式中neff为光栅的等效折射率 当光栅插入温度场时 引起 或neff变化 从而调制反射光波波长 同时 由于热膨胀也引起栅距的变化 不考虑波导效应 光纤光栅具有以下温度响应特性 其中 为光纤的热膨胀系数 为光纤光栅的热光系数 所以 光纤光栅波长的变化与环境温度的变化呈线性变化关系 光纤光栅测温 光纤测温 中北大学 63 分布式光纤测温 分布式光纤测温系统是近年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统 它是一种分布式的 连续的功能型光纤测温技术 其中光纤既是传输介质也是传感介质 利用光纤后向拉曼散射的温度效应 可以对光