第2章 温度测量.ppt

第2章温度测量,2.1温标与测温方法,2.2膨胀式与压力式温度计,2.3热电偶温度计,2.4热电阻温度计,2.5接触式测温误差及对策,2.6非接触式测温,2.7新型温度传感器,2020/5/20,1,2.1温标与测温方法,一、基本概念,温度,宏观上，表征物体冷热程度的物理量；,温标,衡量温度高低、表示温度数值的一套规则。,微观上，表征物体内部分子无规则运动的剧烈程度。,建立现代温标必具备的条件：固定的温度点（基准点）测温仪器温标方程（内插公式）,2020/5/20,2,热平衡,两个冷热程度不同的物体相接触后会产生热交换，热交换结束后两物体处于热平衡状态，此时它们的温度相同,温标,经验温标,热力学温标,理想气体温标,国际实用温标,由特定的测温质和测温量确定的温标。,华氏温标,摄氏温标,由热力学第二定律确定的温标。,特点：与选用的测温介质的性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷,由玻意耳马略特定律确定的温标。,2020/5/20,3,摄氏温度和华氏温度的关系：,这是一种协议温标，用来统一各国之间的温度计量。具备的条件：尽可能的接近热力学（开氏）温度；复现精度高，各国均能以很高的精度复现同样的温标；用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。发展：第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的，“1927国际温标”,后来又不断改进修订，相继有1948国际温标、1968国际实用温标和1990国际实用温标。,国际实用温标,2020/5/20,4,目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90：热力学温度用符号T90表示，单位为开尔文，符号为K。摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度，符号为。,温标的传递,2020/5/20,5,利用物体的某一物理性质（物理性质随温度变化的特性）将其作成温度敏感元件，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，即可间接的获取被测对象的温度值。,温度测量原理,2020/5/20,6,二、测温方法的分类1.接触式测量测温元件直接与被测对象相接触，依靠传热和对流进行热交换，当传热量为零时，二者温度相等。优点：测温精度相对较高；直观可靠；测温仪表价格相对较低缺点：感温元件影响被测温度场的分布；接触不良会带来测温误差；具有腐蚀性或温度太高的被测介质对感温元件性能和寿命会产生不利影响。热电偶、热电阻、热膨胀式、集成温度传感器,2020/5/20,7,2.非接触式测量感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换优点：不改变被测物体的温度分布；具有较高的测温上限；热惯性小，便于测量运动物体的温度及快速变化的温度。电涡流式、辐射式,2020/5/20,8,接触式与非接触式测温特点比较,2020/5/20,9,三、测温仪器的分类,按物理性质分：物质的热膨胀与温度的关系液体膨胀温度计（玻璃水银）、固体膨胀温度计（双金属）、气体膨胀温度计（压力表式）利用热电效应热电偶（两种不同金属导体在两个端点上互相接触，当其两个接点温度不同时，回路中会产生热电势）利用金属或半导体阻值与温度的关系热电阻（铂、铜等）利用物体的辐射能与温度的关系辐射温度计（辐射能与温度存在一定的关系，如光电高温计）,2020/5/20,10,按温度计感温部分是否与被测物体相接触分：,接触式温度计非接触式温度计,按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温一般是指010K，低温指10800K，中温指8001900K，高温指19002800K的温度，2800K以上被认为是超高温。,注意,2020/5/20,11,2.2膨胀式与压力式温度计,一、膨胀式温度计,利用物质热胀冷缩现象，通过测量物质膨胀或收缩量来反映被测温度的温度计,液体膨胀式温度计利用液体的热胀冷缩现象典型应用：玻璃管温度计玻璃管温度计是由液体储囊，毛细管，刻度标尺和膨胀室四部分组成。,1-液体储囊2-毛细管3-刻度标尺4-膨胀室,2020/5/20,12,某液体在温度为t1时的体积为Vt1，在温度为t2时的体积为Vt2，由于温度变化引起的体积变化可以用下式表示：,液体在温度t1到t2下的平均体膨胀系数,V0液体在0C时的体积,液体在玻璃管内的视膨胀系数：,常见液体的体膨胀系数和相对玻璃的视膨胀系数见表2-2,2020/5/20,13,温度计的灵敏度：,温度计上对应刻度每1C，液体在毛细管中的长度,液体在0100C间的视膨胀系数,液体储囊的容积,毛细管的横截面积,2020/5/20,14,按照基本结构形式不同，玻璃液体温度计可分为：棒式、内标式、外标式,根据所填充的工作液体不同，可分为水银温度计和有机液体温度计两类。,玻璃管液体温度计的特点：优点：测量准确、读数直观、结构简单、价格低廉，使用方便缺点：易碎、不能远传信号和自动记录等,玻璃管液体温度计的分类：,水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当大的范围内（38356）保持液态，在200以下，其膨胀系数几乎和温度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。,2020/5/20,15,电接点温度计：,1-细长螺钉；2-椭圆形螺母；3-细导线；4-磁钢帽；5-扁平铁块；6、7-外引线,如何实现接点的变化，即温度额定值的设置？,优点：结构简单、使用方便，既可指示温度，也可控制温度缺点：易碎，且破碎后水银会污染环境。,应用：恒温水槽、油槽及空调系统,2020/5/20,16,固体膨胀式温度计：应用固体线膨胀原理测温典型应用：双金属片温度计。原理：利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，在温度变化时因弯曲变形而使其另一端有明显位移，借此带动指针在温度刻度盘上移动。,应用,2020/5/20,17,二、压力式温度计,根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理,1-温包；2-毛细导管；3-压力计,根据工作物质的不同，可分为气体、液体、蒸汽式压力温度计。气体式，一般充氮气，测温上限可达500，线性刻度，但是温包体积大，热惯性大。液体式，一般充二甲苯、甲醇等，温包小些，测温范围分别为40200和40170，蒸汽式，一般充丙酮、乙醚等，利用低沸点蒸发液体的饱和压力随被测温度而变的原理，用于50200。刻度呈非线性关系，温度计刻度是不均匀的。,2020/5/20,18,2.3热电偶温度计,特点：应用广泛；灵敏度好；精度高；易保证单值函数关系；稳定性、复现性好；响应时间较快、材料易得到；互换性好，价格较低；测温范围宽（-2962800）。,2020/5/20,19,一.测温原理热电效应thermoelectricityeffect（或塞贝克效应）：将两种不同的导体或半导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度（T和T0）不同时，回路中将产生热电动势的现象。,两种不同导体（或半导体）组成的闭合回路称为热电偶。导体A或B称为热电极。两个接点中，置于温度为T的被测对象中的称为测量端（工作端或热端），温度为参考温度T0的接点称为参比端或参考端，也叫自由端或冷端。,2020/5/20,20,闭合回路的热电动势由两种电动势组成：温差电动势（同一导体）和接触电动势（两种不同导体）,在热电偶回路中接一毫伏表，测量发现，热电势与热电极的材料和两端的温差有关：热电势=接触电势+温差电势,2020/5/20,21,接触电动势(珀尔帖电动势)：指两种不同的导体相接触时，因各自的自由电子密度不同而产生电子扩散，当达到动态平衡后所形成的电势。,接触电势的大小与温度和热电极的电子密度差（导体的材料）成正比：温度越高，接触电势越大；电子密度差越大，接触电势也越大。,注意,2020/5/20,22,温差电动势（汤姆逊电动势）：同一导体两端因温度不同而产生的电势。,温差电动势的大小，取决于热电极两端的温差：温差越大，温差电动势越大；,注意,2020/5/20,23,热电偶回路中总的热电势为：,1.A、B为同一种材料，（NANB，A=B），则EAB（T,T0)=0,2.T=T0，则EAB（T,T0)=0,2020/5/20,24,1.热电动势是温度的函数之差，不是温差的函数；若T0=const，则热电动势与T一一对应。,2.热电动势大小只与导体材质和接点温度相关，而与形状、接触面积无关。,2020/5/20,25,4.在热电偶回路中，接触电势比温差电势大得多，因此总热电势的极性总是取决于接触电势的极性。,3.热电偶中电子密度高的导体称正电极，电子密度低的导体称为负电极；热电动势的符号EAB(T,T0)规定了正、负电极顺序和高温、低温端顺序，若电极和或温度顺序互换，热电动势的极性就反相。,例：,2020/5/20,26,二.热电偶的基本定律,1、均质导体定律同种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及温度分布如何，都不能产生热电势。说明：（1）一种均质材料不能构成热电偶，必须由两种不同材料的均质导体构成；（2）若热电极材料不均匀，由于温度梯度的存在，将产生附加热电动势应用：检查热电极材料的均匀性（两极用同一种材料）检验热电极材料成分是否相同,2020/5/20,27,2、中间导体定律在热电偶回路中接入中间均质导体后，只要中间导体两端的温度相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。,应用：采用仪表测量热电偶的热电动势用热电偶开路测量金属壁温、液态金属温度,热电偶回路中还可以加入第四、五种导体，只要加入导体的两接点温度相等，回路的总热电势就与原回路的热电势相同。,注意,2020/5/20,28,3、标准电极定律如果A、B对标准电极C材料的热电动势已知，则A、B构成热电偶时的热电动势是它们分别对C构成热电偶时产生的热电动势的代数和。,说明：只要通过实验获得各电极与标准电极的热电动势，则其中任意两个电极构成的热电偶的热电动势都可通过计算获得一般选择高纯铂丝作为标准电极,2020/5/20,29,例1、已知在热端100C，冷端0C时，铜铂相配热电动势为0.75mv，考铜与铂相配的热电动势为-4.0mv，问铜-考铜热电偶在此温度下的热电动势？解：设铜为A，考铜为B，铂为C由已知EAC(100，0)=0.75mv，EBC(100，0)=-4mv则，EAB(100，0)=EAC(100，0)+ECB(100，0)=4.75mv,2020/5/20,30,4、连接导体定律热电偶回路中，如果热电极A、B分别与导体A、B相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电动势等于热电偶热电动势和连接导体热电动势的代数和。,应用：热电偶补偿导线,2020/5/20,31,5、中间温度定律,两种均质材料A、B构成热电偶，接点温度分别为T、T0，若有一个中间温度Tn，则回路总电动势不受中间温度的影响。,等价形式,应用：使用热电偶分度表,2020/5/20,32,2020/5/20,33,三、热电偶的种类和结构,热电偶材料应满足以下要求：,2热灵敏度高，热电势大，测温范围宽，热电势随温度的变化率要大，热电势与温度尽可能成线性对应关系,1材质要均匀，能耐高温，机械性能好，能加工成丝，化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀,3导体的电阻温度系数要小，电阻率小,4材料复制性和互换性好，便于批量生产，制造简单，价值低廉,2020/5/20,34,按照工业标准化要求：标准化热电偶S型、R型、B型、K型、N型、E型、J型、T型非标准化热电偶贵金属（铂铑系列、铱铑系列，铂-金）贵-廉金属混合式（金铁合金、双铂钼）难熔金属（钨铼合金、钨钼）非金属,统一的分度表，并统一规定热电极材料、热电性质和允许偏差表2-3,热电势-温度特性曲线,热电偶的结构,1、普通装配式热电偶结构,2020/5/20,35,工程上使用的热电偶大多是由热电极、绝缘子、保护套管和接线盒等几部分组成。热电偶与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。典型结构有普通装配式结构和柔性安装的铠装结构。,2、铠装热电偶将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。结构形式多样：碰底型、不碰底型、露头型、帽型。,特点：铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、柔软可弯曲等优点，可安装在狭窄或结构较复杂的装置上。,2020/5/20,36,铠装型热电偶可长达上百米,常用冷端处理方法：1、补偿导线法2、参比端恒温法3、计算修正法4、冷端补偿器法5、软件修正法,2020/5/20,37,三、热电偶的冷端处理,1、补偿导线法,基本原理：,连接导体定律,补偿导线的热电特性在100（或200）以下范围内应与所取代的热电偶丝的热电特性基本一致，且电阻率低，价格必须比主热电偶丝便宜。,2020/5/20,38,补偿导线的连接线路：,随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。,补偿导线分延长型和补偿型两种：延长型(X)：导线的化学成分及热电势标称值与被补偿的热电偶相同。补偿型(C)：导线的化学成分与被补偿热电偶不同；热电势值在100（或200）以下与与被补偿的热电偶相同。,表2-4，2-5.,2020/5/20,39,2020/5/20,40,1、各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用。2、注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差。3、延长线与热电偶连接的两个接点温度必须相同。,注意,2020/5/20,41,2、参比端恒温法,将参比端置于恒温的容器中。,1-冰水混合物；2-保温瓶；3-油类或水银；4-蒸馏水；5-试管；6-盖；7-铜导线；8-热电势测量仪表,一般在实验室中或精密测量中使用。,3、计算修正法,E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0),若参比端温度恒为环境温度T0，测出E(T,T0)，并根据中间温度定则，求：,2020/5/20,42,2020/5/20,43,例：用K型热电偶测温，显示仪表读数为500，且仪表以分度表为依据，但此时冷端温度为50，问实际被测温度为多少？,解：由分度表查得：E(500,0)=20.664mv设被测温度为T，则E(T,50)=20.664mvE(T,0)=E(T,50)+E(50,0)=20.664+2.023=22.667mv查表插值计算T=547.43,注意,在分度表的相邻数据之间可采用线性内插算法求中间值。,利用不平衡电桥产生电势补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。,4、冷端补偿器（补偿电桥法）,2020/5/20,44,当T0,1-热电偶；2-补偿导线；3-铜导线；4-指示仪表；5-冷端补偿器,R1=R2=R3=1R4=1(平衡点),实际的补偿电桥一般是按T020设计。,冷端补偿器要求：不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器冷端补偿器中的铜电阻必须与冷端同温补偿范围有限（一定精度内，一般为050）极性不能接反热电偶的热电特性是非线性，补偿器的输出电压与温度的关系也是非线性，且两个特性曲线不一致，因此，只能是近似补偿,2020/5/20,45,2020/5/20,46,5、软件修正法,对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需使用计算修正法。对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。,四、与热电偶配接的常用仪表,动圈式仪表电位差计数字电压表及数显仪表,2020/5/20,48,以电位差计测量为例,2020/5/20,49,五、热电偶测温的基本误差,分度误差仪表误差冷端处理误差接线误差漏电误差,2.4热电阻温度计,2020/5/20,50,缺点：需要电源激励，有自热现象，影响测量精度。,特点：,优点：灵敏度高，信号可远传，无需参比温度，性能稳定，测量精度高（尤其在中、低温范围内其精度高于热电偶温度计），测温范围较宽（-200850C）。,一、测温原理,根据金属导体或金属氧化物半导体的电阻值随温度变化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。,目前，主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类,2020/5/20,51,2020/5/20,52,绝大多数金属具有正的电阻温度系数，即温度越高，电阻越大，电阻随温度的变化可用多项式表示：,大多数半导体材料具有负的电阻温度系数，其电阻值与热力学温度的关系为,其中RT，RT0分别为温度为T、T0时的电阻值，B为取决于半导体材料和结构的常数,其中，Rt和R0分别为tC和0C的电阻值，A、B、C均为常数，由热电阻的材料决定,温度每改变1度，电阻值的相对变化,2020/5/20,53,材料选择要求：电阻与温度变化成单值连续关系，最好是线性电阻温度系数要尽可能大，以得到高灵敏度,电阻率要大，减小热电阻的体积，减小热惯性在测温范围内物理化学性质稳定复现性好，复制性强，价格低目前使用较多的热电阻材料为铜、铂。,电阻的温度系数：,2020/5/20,54,二、标准热电阻,1、铂热电阻,特点：铂热电阻的精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好，但是价格较贵。,电阻与温度的关系为：,测温范围：-200850，分度号为Pt10和Pt100。,2020/5/20,铂热电阻、铜热电阻比较见表2-6，分度表见附录,55,2、铜热电阻,特点：铜热电阻线性较好，价格低，但电阻率低，因而体积较大，热响应慢。,电阻与温度的关系为：,使用范围：-40140，分度号为Cu50和Cu100。,2020/5/20,56,3、标准热电阻的结构,？与热电偶结构形式有何异同,普通型、铠装型,普通型装配式热电阻,外型相同内部不同：感温元件不同；接线盒内部的接线座不同（热电偶2个，热电阻为了消除引线电阻影响有3个或4个）。,2020/5/20,57,铠装热电阻将铂热电阻感温元件、引线、绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉伸构成坚实整体。优点：坚实、抗震、线径小、使用安装方便。,2020/5/20,58,小型铂热电阻,普通型铂热电阻,2020/5/20,59,4、热电阻引线方式,引线方式有二线制、三线制和四线制三种。,这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。,二线制,2020/5/20,60,三线制,图中Rt的三根连接导线，直径和长度均相同，阻值都为r。,（1）电桥平衡测电阻电桥平衡R1(R3+r)=R2(Rt+r),若设计R1=R2，则Rt=R3，则温度变化时调整R3使电桥平衡，可变电阻R3即可刻度Rt，同时不受连线电阻影响,2020/5/20,61,（2）电桥不平衡测电阻除Rt外，其余电阻均不可变假设设计工况（如0C时）电桥平衡，温度变化时Rt变化，电桥不再平衡，根据检流计中的电流值及其它元件参数，可计算Rt。,此时，测量精度与电路中的所有元件相关，且这些元件均要保持稳定，导线电阻也不能完全补偿。,2020/5/20,62,四线制,热电阻两端各连两根导线，其中两根导线连接恒流源，另两根连接测量仪表（如电位差计）。电位差计是高阻抗，故连线电阻r对电位差U不产生影响。可用于高精度检测。,2020/5/20,63,用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件。,三、热敏电阻温度计,温度系数：有正、负和临界温度系数三种。其温度特性曲线如图。,温度检测用热敏电阻主要是负温度系数热敏电阻。其余两种多用于温度开关器件。,2020/5/20,64,由定义，NTC热敏电阻的温度系数为,可见：热敏电阻的温度系数是随温度T变化的，T越小，B值越大，灵敏度越高。,NTC热敏电阻阻值与温度关系近似表示为：,2020/5/20,65,MF12型NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,贴片式NTC热敏电阻,2020/5/20,66,热敏电阻,热敏电阻体温表,热敏电阻用于电热水器的温度控制,2020/5/20,67,四、热电阻的测温误差分析,分度误差通电发热误差线路电阻不同或变化引入的测量误差附加热电动势,热电偶与热电阻比较,2.5接触式测温误差及对策,接触式测温误差动态温差静态温差（传热误差）,2020/5/20,69,一、接触测温过程中的传热问题,锅炉尾部烟道烟温测量传热过程示意图图2-30,2020/5/20,70,二、导热误差及其对策,导热误差：被测对象通过传感器以导热方式向周围介质散热引起的测温误差例图2-31若仅考虑如下导热：被测介质向传感器内插部分的对流换热、沿传感器向外导热、传感器外露部分向空间的散热导热误差：,改进传感器的结构、尺寸、材料及安装方式等减小误差,2020/5/20,71,三、辐射换热误差及其消除方法,辐射传热误差：传感器向周围冷物体表面辐射传热引起的测温误差。实践证明，辐射传热误差有时甚至比导热误差还要大。例图2-33若仅考虑如下导热：传感器以辐射方式向周围物体传热辐射传热误差：,降低热电偶的黑度系数、增大对流换热系数、传感器远离冷物体或加装遮热罩,2020/5/20,72,四、表面温度测量的传热误差,影响传热误差的因素：热电极的直径、测量端附近气流速度、被测物体面积、被测物体材料的导热系数，以及热电偶在被测物体表面的安装敷设方式图2-34,2.6非接触式测温,测温原理,基于物体的热辐射能量随温度的变化而变化的特性来检测其温度的。也称辐射测温。,常用非接触测量仪表：,光学温度计辐射温度计,2020/5/20,73,2020/5/20,73,只须把温度计对准被测物体，不必与被测物体相接触；不干扰被测介质温度场，可实现遥测和运动物体的测温；不会受被测对象的腐蚀和毒化；测量元件不必与被测对象同温，测量上限不受限制；不必和被测对象达到热平衡，反映速度快，适于快速测量；灵敏度高、精确度好，用于接触式测温仪表无能为力的地方。,非接触测温的特点：,2020/5/20,74,1、热辐射的基本概念热辐射：物体处于绝对零度以上任何温度时，其内部带电粒子的热运动会发出不同波长的电磁波。辐射能(Q)：以辐射形式发射传播或接收的能量辐射通量()：辐射能随时间的变化率。,2020/5/20,75,一、辐射测温物理基础,热辐射实际就是一种电磁波。,2020/5/20,76,低温,高温,T,波长/m,紫蓝青绿黄橙红,2020/5/20,77,辐射出射度(M)：辐射源表面单位面积dA发射出的辐射通量。单色辐射出射度：绝对黑体：在任何温度下，对投射到其上的任何波长的热辐射均能全部吸收的物体。单色辐射黑度（光谱发射率）：在温度T时，物体的单色辐色出射度M(，T)与同温度、同波长的绝对黑体的单色辐色出射度Mb(，T)之比。,全辐射黑度(全发射率)：灰体：光谱发射率不随波长的改变而变化的物体。实际物体：光谱发射率随波长的改变而变化的物体,2020/5/20,78,2、热辐射的基本定律,2020/5/20,79,普朗克定律（单色辐射强度定律）绝对黑体的单色辐射出射度与波长及温度的关系：,C1=3.714810-16Wm2，普朗克第一常数C2=1.438810-12mk，普朗克第二常数,若T3000K，辐射波长在0.40.75m，普朗克公式可简化为维恩公式：,2020/5/20,80,斯蒂芬-玻尔兹曼定律（全辐射定律）绝对黑体的辐射出射度与表面温度的关系,维恩位移定律物体峰值辐射波长与温度的关系,物体峰值辐射波长与温度的关系曲线,峰值波长,2020/5/20,81,3、辐射测温仪表,基本组成：光学系统、检测元件、转换电路和信号处理,2020/5/20,82,辐射测温仪表的分类：按单色辐射原理制成（理论基础普朗克定律）光学高温计、光电高温计、比色高温计、红外测温仪按全辐射原理制成（理论基础斯蒂芬-玻尔兹曼定律）辐射高温计、部分辐射温度计常见仪表种类及性能表2-7,202