测试技术 温度测量 温度测量 流速测量ppt课件

第五章温度测量 第一节温标第二节接触式温度计第三节非接触式温度计第四节气体温度计第五节红外技术在温度测量中的应用 一 温标度量温度高低的尺度 规定了温度的零点和基本测量单位 热力学温标 国际实用温标 摄氏温标和华氏温标 华氏温标 规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度 水的沸点为212华氏度 中间等分为180份 每一等份称为华氏一度 符号用 摄氏温标 规定标准大气压下纯水的冰融点为0度 水沸点为100度 中间等分为100格 每格为摄氏1度 符号为 第一节概述 由卡诺循环 工质在温度T1时吸收热量Q1和在温度T2时放出热量Q2 通过理想气体的关系式表达 热力学温标 符号T 单位开尔文 K 热力学温标T与摄氏温标t的关系为 热力学温标是国际单位制中7个基本物理单位之一 几种温标的对比 正常体温为37 C 相当于华氏温度多少度 98 6 热力学温标实用时不方便 1990年国际温标 ITS 90 指导思想是应尽量与热力学温标接近 温度的复现性要好 该温标有17个定义基准点 国际实用温标 二 温度计分类 接触式 非接触式 比较 1 接触式容易破坏被测温度场 2 接触式时间滞后大 3 接触式测量高温时受到限制 4 非接触式不适合测量低温 5 接触式测量精度高 第二节接触式温度计 一 膨胀式温度计 1 玻璃管液体温度计常用水银 200 以下可作为精密标准温度计 1 玻璃温包 2 毛细管 3 刻度标尺 4 膨胀室 特点 精度较高 读数直观 结构简单 价格便宜 缺点 信号不能远程传输 不能用于自动测量系统 使用玻璃管液体温度计应注意 1 零点漂移 玻璃的热胀冷缩 2 露出液柱的校正 n为露出部分液柱所占的度数 为工作液体在玻璃中的视膨胀系数 tB为标定时外露部分空气温度 tA为使用条件下外露部分空气温度 全浸入式在使用时未能全浸 式中tB为温度计测量时的示值 部分浸入式 液柱只插入一定深度 外露部分处于环境温度下 按下式修正 2 压力式温度计 1 充气压力式 常用氮气 测温范围为 80 550 压力与温度接近线性关系 2 工质为低沸点液体 如氯甲烷 氯乙烷等 测量范围 20 200 饱和蒸气压和饱和温度呈非线性关系 刻度不均匀 3 工质为液体 如水银 二甲苯 甲醇等 测温范围 40 200 使用时 必须将温包全部浸入被测物质中 结构简单 价格便宜 抗振动 精度差 示值滞后时间长 毛细管易损坏 检测内燃机油温或水温 3 双金属温度计测量范围 60 500 按结构形状 分螺旋形和盘形 二 热电阻温度计测量精度高 响应速度快 可以实现远距离测量显示和自动记录 常用铂热和铜热电阻 铂热 200 500 铜热 30 100 WZC 111 12 1000mmCu50铜热电阻 WZPK2 103 B级 6 515mm 0 300 铂热电阻 WZP2 240 A级3线300 150mmE 0 300 隔爆 装配式热电阻的型号含义 三 热电偶温度计 一 常用热电偶的材料 1 铂铑10 铂热电偶贵金属 特点 精度高 理化性能稳定 测温上限1600 适于在氧化或中性气氛中使用 缺点 在高温还原介质中容易被侵蚀和污染 热电动势较小 灵敏度低 2 铂铑30 铂铑6热电偶贵金属 特点 测量精度高 测温上限1800 适于在氧化或中性气氛中使用 缺点 灵敏度较低 价格昂贵 3 镍铬 镍硅热电偶贱金属 特点 价格低廉 灵敏度较高 测温重复性好 高温下抗氧化能力强 测温上限可达1300 缺点 在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀 4 铜 康铜热电偶贱金属 测温范围 200 400 特点 价格低 精度高 灵敏度高 5 镍铬 康铜热电偶贱金属 测温上限800 特点 灵敏度最高 价格最便宜 缺点 抗氧化及抗硫化物的能力较差 适于在中性或还原性气氛中使用 测量特高温度的铱锗 铱热电偶 2000 以上 测量特低温度的镍铬 金铁热电偶 2 273K 钢包温度测试 二 常用热电偶结构1 普通工业热电偶保护绝缘套管在测量高温时用金属套管 低于1000 时用工业陶瓷或氧化铝 两个热电极 热电偶接点 普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰 常见普通工业装配式热电偶的外形结构 装配式热电偶的型号意义 2 缆式热电偶单芯和双芯 热惯性小 牢固 抗振 适合微小 狭窄场合 缆式热电偶工作端结构 a 单芯结构 b 双芯碰底型 c 双芯不碰底型 d 双芯露头型 e 双芯帽型 法兰 缆式热电偶可长达上百米 薄壁金属保护套管 缆式 常见铠装热电偶的外形结构 铠装热电偶示例 3 隔爆型热电偶 厚壁保护管 压铸的接线盒 电缆线 接线盒采用压铸而成的防爆结构 当接线盒内有放弧时 不会与外界环境的危险气体传爆 用于化学工业自控系统 易燃 易爆等气体或蒸汽 4 薄膜热电偶很薄可直接粘贴在被测物表面 快速测表面温度 热电极为镍铬 镍硅 铜 康铜等 温度范围300 以下 热电偶的插入方式 5 热电偶的安装与测试 热电偶 热电阻 选用步骤流程图 四 温度计的校验 一 热电阻温度计的校验 1 比较法将标准温度计 水银 铂电阻 与被校热电阻温度计一起插入恒温源 在规定的几个温度点下进行比较 2两点法工业热电阻温度计只校验0 时的R0和1O0 时R100 并检查R100 R0是否符合规定 校验R100 R0时 把标准热电阻温度计 材料与被校验温度计一样 的电阻作标准电阻 被标定热电阻作为未知电阻 采用半桥方式 R100 R0 B为标准热电阻值 由标准查得 AK为水沸点槽内时的电桥读数 A0为冰点槽内时电桥读数 先在冰点槽内放置30min进行电桥平衡 然后在水沸点槽内放置30min再进行电桥平衡 用下式计算R100 R0 二 热电偶温度计的校验标准铂铑10 铂热电偶进行三点 金 银 锌凝固点温度 分度 其余热电偶在下表温度点校验 调节电炉温度 稳定各校验点 10 内 每个温度点应至少测量4次 五 接触式温度测量误差 二 安装误差1 感温元件安装的基本要求感温元件应迎着被测介质的流向插入 图a 或迎着被测介质的流向斜插 图b 至少正交 图c 避免形成顺流 不用保护管时 插入深度不应小于热电偶丝直径的50倍 测定液体时 插入深度应是保护管直径的9 12倍 在直径小的管道上安装感温元件时 可装置扩大管 2 安装方式不同引起误差实例 a插入过浅 误差最大 b可测得真实温度 c和d介于两者之间 3 热电偶与被测表面接触方式不同引起的误差点接触式 测量误差最大 面接触式 接点与金属薄片焊接后 与被测面接触 等温线接触式 接点固定后沿被测表面等温线绝缘敷设至少20倍线径的距离 测量误差最小 分立接触式 两热电极分别与被测表面接触 三 辐射引起的误差感温元件辐射传热产生的误差 tf为 Tk 感温元件的热力学温度 T0 容器内壁的热力学温度 C 辐射传热系数 h 气体向感温元件表面的传热系数 减少测量误差措施 采用表面光滑的保护套管 以减少辐射传热系数C 改善对流传热条件 以增大气体向感温元件表面的传热系数h 当Tk T0时 tf 0 故在感温元件周围应加一热容量小的薄防辐射隔离罩 以减小误差 四 热传导引起的误差保护套管顶部热量会流向温度较低的管壁 存在热传导误差 tp t为被测介质温度 t0为保护套管座处的管壁温度 L为插入深度 h为被测介质向感温元件的传热系数 为感温元件材料的热传导率 S为感温元件外周围长 f为感温元件截面积 coshx为x的双曲余弦 五 高速气流的温度测量误差 感温元件的指示值介于静温T0和总温T 之间 称有效温度Tr 定义恢复系数r 因气流运动引起的温度测量误差为 为气体的等墒指数 Ma为气流的马赫数 恢复系数越低 马赫数越高 测温误差越大 提高恢复系数 接近于1 可减小误差 恢复系数的测定 1 稳压箱 2 待测热电偶 3 总温热电偶 4 总压管 5 压力计 6 冰瓶 7 切换开关 8 电位差计 9 喷管 六 感温元件的响应接触式靠热交换测温 因热惯性而存在时滞1 感温元件的热惯性 2 指示仪表的机械惯性 当t 时感温元件感受的温度T 为 影响时间常数的因素 感温元件的质量 比热容 插入的表面积和表面传热系数等 感温元件的质量和比热容越小 响应越快 在测量瞬时温度时必须用时间常数小的感温元件 其他一些温度测量方法 示温涂料 变色涂料 装满热水后图案变得清晰可辨 变色涂料在电脑内部温度中的示温作用 CPU散热风扇 低温时显示蓝色 温度升高后变为红色 第三节非接触式温度计 接触式温度计 结构简单 可靠性好 测量精度高 传感器须受被测介质腐蚀 氧化等作用 且会破坏被测温度场分布 非接触式 基于热辐射 不会破坏被测介质温度场 动态响应好 适于非稳态热力过程测量 高温测量 红外线辐射温度计外形 激光仅用于瞄准 热辐射基本概念 低温时 物体辐射能量小 主要发射红外线 温度升高 辐射能量增加 辐射光谱向短波方向移动 500 左右时 辐射光谱包括部分可见光 800 时可见光大大增加 即呈现 红热 3000 时 辐射光谱包括更多的短波成分 使得物体呈现 白热 辐射测温的基本原理 观察灼热物体表面的 颜色 来大致判断物体的温度 辐射能的分配 当物体接受到辐射能量以后 根据物体本身的性质 会发生部分能量吸收 透射和反射 吸收率 透射率 反射率 Q 辐射能单位焦耳 J 物体分类 黑体 绝对黑体 照射到物体上的辐射能全部被吸收 既无反射也无透射 透明体 照射到物体上的辐射能全部透射过去 既无吸收又无反射 镜体 白体 照射到物体上的辐射能全部反射出去 镜体 若物体表现平整光滑 反射具有一定规律 绝对白体 若反射无一定规律 在自然界中黑体 白体和透明体都是不存在的 一般固体和液体的透射率 值很小或等于零 气体的 值较大 一般工程材料 0而 1 称为灰体 从传热学角度看 可以人为制造黑体 一 热辐射理论基础 由普朗克定律 绝对黑体的单色辐射出射度M0 为 c1为普朗克第一辐射常量 c2普朗克第二辐射常量 为波长 T为黑体的热力学温度 当波长 确定后 只要测定相应波长的M0 值 便可求出温度T 温度升高 单色辐射出射度增加 峰值向短波长方向移动 所有波长全部辐射出射度M0的总和为 0为斯忒藩 玻耳兹曼常数 上式为绝对黑体全辐射定律 二 单色辐射式光学高温计利用亮度比较测温 温度高于700 会发出可见光 其单色亮度B0 与单色辐射出射度M0 成正比 代入维恩位移公式式 得 当温度为Ts黑体的亮度B0 与温度为T实际物体的亮度B 相等时 得 Ts为被测物体亮度温度 亮度温度要比物体的实际温度低 须根据单色黑度系数 用上式修正或根据光学高温计修正曲线修正 单色辐射式 灯丝隐灭式和光电高温计 1 灯丝隐灭式光学高温计精度高 用作基准仪器 可调电阻7调整灯丝电流改变灯丝亮度 调整目镜4的位置以清晰地看到灯丝 调整物镜1使被测物体成像在灯丝平面上 若灯丝亮度比被测物体的亮度低 则灯丝在背景上呈现暗的弧线 图a 反之 显现出亮的弧线 图b 当亮度相等时 灯丝隐灭在物像的背景里 c 2 光电高温计隐丝式易有误差 且测量不连续 无法自动记录 采用光电器件作为敏感元件感受辐射的亮度变化 被测物体辐射能量 物镜聚焦 遮光板孔 滤光片 光电器件 反馈灯 遮光板孔 光电器件 遮光板前的调制片交替打开和遮住上 下两孔 使被测物体和反馈灯的辐射能量交替地投射到光电器件上 当两辐射能量不相等时 光电器件就产生一个脉冲光电流I 与两个单色辐射能量之差成比例 当反馈灯的亮度与被测物体的亮度相等时 I为零 主要特点 采用光器件代替人眼的观察 可使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度 参考辐射源选用钨丝灯泡 能保持较高的稳定性 故具有较高的精度和连续测量的特性 设计了手动值修正环节 可显示物体的真实温度 采用新型光敏元件 测量范围宽 200 1600 三 全辐射高温计根据绝对黑体全辐射定律 基准温度T1的黑体辐射出射度 M0 1与未知温度Ts的黑体辐射出射度M0关系 温度为T的物体全辐射出射度M等于温度为Ts的绝对黑体全辐射出射度M0时 温度Ts为被测物体的辐射温度 发射率 M M0 所有波长全辐射能 物镜聚焦 光阑 热电堆 多只微型热电偶串连 由目镜观察瞄准物体 适于环境条件恶劣的工业现场中使用 如烟雾 水蒸气 灰尘比较严重的钢铁 焦化和炉窑等应用现场 红色 黄色 四 比色高温计 比色温度计 维恩定律 波长 1和 2的亮度比值随温度而变化 测量亮度比确定黑体的温度 比色温度Ts 测得两个波长下的亮度比B0 1和B0 2 可求出Ts 物体实际温度和比色温度的关系为 1 单通道光电比色高温计被测物体辐射能 物镜组1聚焦 通孔成像镜2 硅光电池5 同步电机4带动调制盘3转动 盘上两种不同颜色滤