8动态测试技术_温度测试

动态测试技术 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 吴义鹏yipeng wu 温度测试 机械结构力学及控制国家重点实验室 2 本章主要内容 温度与温标温度标准的传递温度测量方法温度测量仪表分类 机械结构力学及控制国家重点实验室 3 动态测试技术 温度测试 温度测试 温度是工农业生产 科学试验中需要经常测量和控制的主要参数 也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物理量 国际测量系统只设立了4个基本量的独立标准 温度是其中之一 其它所有量基本都由这4个量导出 机械结构力学及控制国家重点实验室 4 本章主要内容 温度与温标温度标准的传递温度测量方法温度测量仪表分类 机械结构力学及控制国家重点实验室 5 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 温度表征物体冷热程度的物理量 描述系统不同自由度能量分布状况的物理量 描述热平衡系统冷热程度的物理量 机械结构力学及控制国家重点实验室 6 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 热力学定律任意两个冷热不同的物体相互接触 它们之间必然会发生热交换现象 热量要从温度高达物体传向温度低的物体 直到两物体之间的温度完全一致 这种热传递现象才能停止 机械结构力学及控制国家重点实验室 7 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 用于制作温度计的物质必须满足以下条件 1 物质的某一属性G仅与温度T有关 且必须是单调函数 最好是线性的 2 随温度变化的属性是容易测量的 3 应有较宽的测量范围 4 有较好的复现性和稳定性 机械结构力学及控制国家重点实验室 8 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 温标温标是温度数值化的标尺 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 1 测温仪器 2 确定基准点 3 划分温度值 机械结构力学及控制国家重点实验室 9 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 摄氏温标标准大气压下纯水的冰融点为0度 纯水的沸点为100度 两点之间划分100等份 每一等份为1度 符号为 机械结构力学及控制国家重点实验室 10 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 华氏温标标准大气压下纯水的冰融点为32度 纯水的沸点为212度 两点之间划分180等份 每一等份为1度 符号为 机械结构力学及控制国家重点实验室 11 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 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 由热力学基础建立 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 国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标 机械结构力学及控制国家重点实验室 12 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 热力学温标定义纯水的三相点的热力学温度是273 16K 该点到绝对零度之间1 273 16为热力学温标1度 机械结构力学及控制国家重点实验室 13 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 热力学温标1927年国际度量衡委员会选定纯水的冰点为热力学温标的基准点 定为273 15K 但是纯水的冰点是在1大气压下被空气饱和的水的液 固平衡的温度 它受外界大气压或进行测量的地理位置影响 并且与水被空气饱和的状况有关 因此科学界对它的重视性和精度提出过怀疑 机械结构力学及控制国家重点实验室 14 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 热力学温标因此物理化学界企图并已开始测定水的三相点 即水在其饱和蒸气压力下气 液 固三相成平衡的温度 以代替冰点作为热力学温标的基准点 机械结构力学及控制国家重点实验室 15 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 国际温标为了使用方便 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 因此出现了国际温标 1 尽可能接近热力学温标 2 复现精度高 各国均能以很高的准确度复现 3 用于复现温标的标准温度计使用方便 性能稳定 机械结构力学及控制国家重点实验室 16 动态测试技术 温度测试 8 1温度与温标 国际温标第一温区为0 65K到5 00K之间 T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义 第二温区为3 0K到氖三相点 24 5661K 之间 T90是用氦气体温度计来定义 第三温区为平衡氢三相点 13 8033K 到银的凝固点 961 78 之间 T90是由铂电阻温度计来定义 银凝固点 961 78 以上的温区 T90是按普朗克辐射定律来定义的 复现仪器为光学高温计 机械结构力学及控制国家重点实验室 17 本章主要内容 温度与温标温度标准的传递温度测量方法温度测量仪表分类 机械结构力学及控制国家重点实验室 18 动态测试技术 温度测试 8 2温度标准的传递 由于各个传感器的原理 结构各不相同 即使是同种传感器 他的精度和使用条件等也各不相同 所以校准的方法也各不一样 我国计量部门规定 与国际实用温标有关的基准仪器均由国家指定机构 中国计量科学研究所 保存 并通过下级计量机构进行传递 通常采用较高级对较低级进行校验 机械结构力学及控制国家重点实验室 19 动态测试技术 温度测试 8 2温度标准的传递 将国家计量基准所复现的温度计量单位值通过各级计量标准传递到工作温度计量器具上 以保证被计量的对象的温度量值准确一致的全部过程就称之为温度量值的传递 机械结构力学及控制国家重点实验室 20 动态测试技术 温度测试 8 2温度标准的传递 热力学温标的温标方程 选用卡诺热机作为测温质 选用热量比作为测量量 只要用卡诺热机测出的值 就可以求出被测热源的热力学温度T 机械结构力学及控制国家重点实验室 21 动态测试技术 温度测试 8 2温度标准的传递 热力学温标的温标方程 T为被测热源的热力学温度 Q为其热量值 Q3为标准热源 即水电三相点的热量值 273 16为标准热源的热力学温度值 单位为K 机械结构力学及控制国家重点实验室 22 本章主要内容 温度与温标温度标准的传递温度测量方法温度测量仪表分类 机械结构力学及控制国家重点实验室 23 动态测试技术 温度测试 8 3温度测量方法 温度不能直接测量 而是借助于物质的某些物理特性变化量的测量间接地获得温度值 机械结构力学及控制国家重点实验室 24 动态测试技术 温度测试 8 3温度测量方法 接触式测温 直接接触式 外推法直接接触测温法 把测量温度用的传感器置于被测介质中 使两者直接接触 进行热交换 根据热力学定律 当两者达到热平衡时 传感器所反映的温度就是被测介质的温度 机械结构力学及控制国家重点实验室 25 动态测试技术 温度测试 8 3温度测量方法 接触式测温 直接接触式 外推法外推法 在身管测温部位开一个盲孔 将测温传感器安装在距被测的膛内壁一定距离处 取该处的温度 然后利用传热学原理所推导的计算公式 再将该处所得的温度逆推算称被测表面的温度 机械结构力学及控制国家重点实验室 26 动态测试技术 温度测试 8 3温度测量方法 非接触式测温利用物体的辐射能随其温度变化的原理来检测 优点 测量不干扰被测对象的温场 不影响其温度分布 测量范围宽 探测器响应时间短 反应速度快 不必接触被测物体 操作方便 可以确定微小目标的温度 机械结构力学及控制国家重点实验室 27 动态测试技术 温度测试 8 3温度测量方法 非接触式测温早期应用并不广泛 随着红外和电子技术的发展 非接触式测温方法有了较快的发展 测温下限移至常温区甚至是负温区 目前新的非接触测温法还在不断涌现 热辐射法 抽气法 电涡流法 电感 电容法等等 机械结构力学及控制国家重点实验室 28 本章主要内容 温度与温标温度标准的传递温度测量方法温度测量仪表分类 机械结构力学及控制国家重点实验室 29 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 膨胀式温度计 利用物体受热膨胀的原理制成的温度计液体膨胀式温度计固体膨胀式温度计压力式温度计 机械结构力学及控制国家重点实验室 30 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 膨胀式温度计 液体膨胀式温度计 利用液体受热膨胀的原理制成 水银 乙醇 甲苯 戊烷等 测量范围 80 500 结构形式 棒式 内标尺式 外标尺式优点 构造简单 使用方便 准确度高 价格低廉缺点 不能自动记录 无法动态测量 机械结构力学及控制国家重点实验室 31 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 膨胀式温度计 固体膨胀式温度计 利用两种线膨胀系数不同的材料制成杆式双金属片式 机械结构力学及控制国家重点实验室 32 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 膨胀式温度计 压力式温度计 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 简单可靠 抗振性能好 具有良好的防爆性 机械结构力学及控制国家重点实验室 33 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 目前应用最普遍的温度测量元件 能够直接将温度信号转换为电动势 mV 配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度信号的测量或转换 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 响应时间短等优点 机械结构力学及控制国家重点实验室 34 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 测温原理 两个不同的导体 或半导体 A和B组成闭合回路 当A和B相接的两个接点温度T0和T1不同时 回路中会产生一个电势 这种现象称为热电效应 机械结构力学及控制国家重点实验室 35 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 测温原理 T1 工作端 测量端 热端T0 参考端 冷端 机械结构力学及控制国家重点实验室 36 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 测温原理 电势 接触电势 温差电势 机械结构力学及控制国家重点实验室 37 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 测温原理 接触电势 机械结构力学及控制国家重点实验室 38 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 测温原理 温差电势 机械结构力学及控制国家重点实验室 39 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 测温原理 热电偶闭合回路的总电势 机械结构力学及控制国家重点实验室 40 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 测温原理 对于确定的材料 总电势为 机械结构力学及控制国家重点实验室 41 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 测温原理 对于确定的材料 如果参考端T0保持温度恒定 总电势为 机械结构力学及控制国家重点实验室 42 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 1 热电偶的回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端点连接处所处的温度有关 2 只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶 3 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 机械结构力学及控制国家重点实验室 43 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 热电偶的基本定律 均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中 不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何 都不能产生电势 反之若有热电势存在 则材料必为非均质的 机械结构力学及控制国家重点实验室 44 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 热电偶的基本定律 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 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 机械结构力学及控制国家重点实验室 45 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 热电偶的基本定律 中间温度定律在热电偶回路中 两接点温度分别为T1 T0时的热电势 等于接点温度为T1 TN和TN T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和 该定律说明当热电偶参比端温度T0不等于0 时 只要能测得热电势E T1 T0 且T0已知 仍可以采用热电偶分度表求得被测温度T1值 机械结构力学及控制国家重点实验室 46 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 热电偶的基本定律 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分别连接导体A 和B 各有关接点温度为T1 TN和T0 那么回路的总电势等于热电偶两端处于T1和TN温度条件下的热电势EAB T1 TN 与连接导线两端处于TN和T0温度条件下的热电势EA B T1 TN 的代数和 机械结构力学及控制国家重点实验室 47 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 常用热电偶材料结构 热电偶的材料为保证工程技术中的可靠性及足够的测量精度 一般来说 1 两种材料所组成的热电偶应输出较大的电动势 且与温度之间尽可能呈线性关系 2 能应用于较宽的温度范围 物理化学性能稳定 3 具有高导电率和低电阻温度系数 4 具有较好的工艺性能 便于成批生产 5 具有满意的复现性 便于采用统一的分度表 机械结构力学及控制国家重点实验室 48 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 常用热电偶材料结构 热电偶的材料铂铑合金 铂铁 铜 镍铬合金 镍硅合金铱 钨 锌 机械结构力学及控制国家重点实验室 49 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 常用热电偶材料结构 热电偶的结构 1 普通型热电偶 机械结构力学及控制国家重点实验室 50 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 常用热电偶材料结构 热电偶的结构 1 普通型热电偶 机械结构力学及控制国家重点实验室 51 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 常用热电偶材料结构 热电偶的结构 2 铠装热电偶 机械结构力学及控制国家重点实验室 52 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 常用热电偶材料结构 热电偶的结构 2 铠装热电偶 机械结构力学及控制国家重点实验室 53 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 热电偶温度计 常用热电偶材料结构 热电偶的结构 3 薄膜热电偶 机械结构力学及控制国家重点实验室 54 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 电阻温度计 导体或半导体的电阻率与温度有关 因此利用该特性可以制成电阻温度感温件 它与测量电阻阻值的仪表配套组成电阻温度计 测温准确度高 信号便于传送 不能测太高的温度 需要外部电源供电 易受环境温度影响 机械结构力学及控制国家重点实验室 55 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 电阻温度计 电阻温度系数 在某一温度间隔内 温度变化1 时电阻相对变化量单位为1 对于大多数金属热电阻 温度升高1 时 电阻值增加0 4 0 6 其具有正的温度系数 机械结构力学及控制国家重点实验室 56 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 电阻温度计 对于大多数金属热电阻 温度升高1 时 电阻值增加0 4 0 6 其具有正的温度系数 机械结构力学及控制国家重点实验室 57 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 电阻温度计 铂热电阻 精度高 稳定性好 性能可靠 化学性质稳定 易于提纯 复现性好 具有良好的工艺性 在 200 0 机械结构力学及控制国家重点实验室 58 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 电阻温度计 铂热电阻 精度高 稳定性好 性能可靠 化学性质稳定 易于提纯 复现性好 具有良好的工艺性 在0 650 机械结构力学及控制国家重点实验室 59 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 电阻温度计 铜热电阻 电阻值与温度关系是线性的 电阻温度系数较大 材料易提纯 价格比较便宜 但电阻率低 易氧化 在 50 150 机械结构力学及控制国家重点实验室 60 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 电阻温度计 镍热电阻 电阻温度系数大 在 50 150 机械结构力学及控制国家重点实验室 61 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 电阻温度计 热敏电阻 利用电阻值随温度变化这一特性制成 灵敏度高 体积小 使用方便 负温度系数热敏电阻器 NTC 正温度系数热敏电阻器 PTC 临界温度电阻器 CTR 机械结构力学及控制国家重点实验室 62 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 非接触式测温 依据原理为热辐射理论 任何物体总是以一定的电磁波波长辐射能量 能量的强度取决于该物体的温度 通过计算这种在已知波长上发射的能量 便可获知物体的温度 机械结构力学及控制国家重点实验室 63 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 举例 把钢铁放到炉子里烧 发出暗红色光 500 发出红色光 600 发出亮红色光 1000 发出橙色光 白亮光 1430 1540 机械结构力学及控制国家重点实验室 64 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 举例 把钢铁放到炉子里烧 由此可知 在500 1540 的温度范围上 能量时以可见光的形式从钢铁上辐射出来的 当低于500 或者室温时 刚块仍在辐射能量或热 而此时是以红外辐射的形式辐射能量或热 机械结构力学及控制国家重点实验室 65 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 上述的能量时以电磁波或光波的形式以光速进行的 所有物质发送和吸收辐射能的速度取决于物质本身的绝对温度和物理性质 到达一种材料表面的辐射部分被吸收 部分被反射 部分被透射 因此 机械结构力学及控制国家重点实验室 66 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 根据基尔霍夫定律 具有最大吸收本领的物体 在其受热后 也具有最大的辐射本领 绝对黑体的吸收率为1 反射率为0 理想的绝对黑体是不存在的 人们为科学研究和实验所需已能设计出吸收率为0 99土0 01的近似黑体 机械结构力学及控制国家重点实验室 67 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 绝对黑体在任何温度下都能全部吸收辐射到其表面的全部辐射能 同时它在任何一个温度上向外辐射的辐射出射度 简称辐出度 亦最大 其它物体的辐出度总小于绝对黑体 定义全辐射率 或称黑度系数 其值在0 1之间 机械结构力学及控制国家重点实验室 68 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 辐射测温的物理基础是普朗克 Ptanck 热辐射定律和斯蒂芬 玻耳兹曼 Stefan Boltzmann 定律 真空中 单位面积黑体的单色辐射能量Eb T 与其波长 的分布规律如下 机械结构力学及控制国家重点实验室 69 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 如果波长 与温度T满足C2 T 1 则可把普朗克公式简化为维恩 Wien 公式 在温度低于3000K 对于波长较短的可见光 用维恩公式替代普朗克公式 产生的误差 1 机械结构力学及控制国家重点实验室 70 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 通过对普朗克公式进行全波长范围内的积分 可得到单位面积黑体在所有波长范围内辐射的能量总和Eb0 称为斯蒂芬 玻耳兹曼定律 机械结构力学及控制国家重点实验室 71 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 斯蒂芬 玻耳兹曼定律对于一般物体 W 物体单位面积所发射的辐射功率 物体的全辐射率 斯蒂芬 玻耳兹曼常数 5 67 10 8 W m2 K4 T 物体的绝对温度 机械结构力学及控制国家重点实验室 72 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 特点 1 非接触测温 适合用于较远距离的高速运动物体 带电体 高温及高压物体的温度测量 2 反应速度快 无需与物体达到热平衡的过程 只要接收到目标的红外辐射即可测定温度 反映时间在毫秒级甚至微秒级 3 灵敏度高 辐射能量与温度的四次方成正比 因此温度微小的变化就会引起辐射能量较大的变化 4 准确度较高 由于是非接触测量 不会破坏物体原来温度分布状况 其测量准确度可达到0 1 甚至更小 机械结构力学及控制国家重点实验室 73 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 特点 5 测温范围广 101 103 6 几乎可用在所有的温度测量场合 如 工业窑炉 热处理炉的温度测量 感应加热过程中的温度测量 尤其是钢铁工业中的高速线材 无缝钢管轧制 有色金属连铸 热轧等过程的温度测量等 军事方面的应用如各种运载工具发动机内部温度测量 导弹红外 测温 制导 夜视仪等 在一般社会生活方面如快速非接触人体温度测量 防火监测等等 机械结构力学及控制国家重点实验室 74 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐射式温度计 光学高温计 上海自动化仪表厂WGG2 201系列 人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断 调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量 机械结构力学及控制国家重点实验室 75 动态测试技术 温度测试 8 4温度测量仪表分类 辐