热能与动力工程测试技术 第2版 严兆大 主编 _第五章 温 度 测 量新

0723605A第五章温度测量第一节概述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2018/1/1010723605A第一节概述一、温标二、温度计分类2018/1/1020723605A一、温标用来度量温度高低的尺度称为温度标尺，简称“温标”，它规定了温度的零点和基本测量单位。目前用得较多的温标有热力学温标、国际实用温标、摄氏温标和华氏温标。2018/1/1030723605A二、温度计分类1由于接触式温度计必须将感温元件与被测物体接触，因此容易破坏被测温度场，非接触式温度计则无此问题。2接触式温度计感温元件与被测物体达到热平衡需要一定时间，所以产生的时间滞后比较大；非接触式温度计直接测量被测物体的热辐射，响应速度较快。3由于感温元件难以承受很高的温度，所以接触式温度计测量高温时受到限制，非接触式温度计则无此问题。4由于低温时物体热辐射很小，所以非接触式温度计不适合测量低温。5一般来说，接触式温度计的测量精度比非接触式温度计高。2018/1/1040723605A第二节接触式温度计一、膨胀式温度计二、热电阻温度计三、热电偶温度计四、温度计的校验五、接触式温度测量误差2018/1/1050723605A一、膨胀式温度计1玻璃管液体温度计2压力式温度计3双金属温度计2018/1/1060723605A1玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计可充填不同的工作液体，最常用的是水银温度计。水银不粘玻璃，不易氧化，在相当大的温度范围内38356保持液态，在200以下，其膨胀系数几乎和温度成线性关系，所以水银温度计可作为精密标准温度计。2018/1/1070723605A2压力式温度计图51压力式温度计1指针2刻度盘3弹簧管4连杆5传动机构6毛细管7温包8感温工质2018/1/1080723605A3双金属温度计图52铂热电阻温度计示意图1显示仪表2引出线3铂丝4骨架5感温元件2018/1/1090723605A二、热电阻温度计热电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性制成的测温仪表。热电阻温度计的特性已在第四章第七节热电式传感器中作了叙述，此处不再重复。2018/1/10100723605A三、热电偶温度计一常用热电偶的材料二常用热电偶结构2018/1/10110723605A一常用热电偶的材料图53工业热电偶结构图1接线盒2绝缘套管3保护套管4热电偶丝2018/1/10120723605A二常用热电偶结构图54铠装热电偶结构1热电极2绝缘材料3保护套管2018/1/10130723605A二常用热电偶结构图55薄膜热电偶示意图1热电极2热接点3绝缘基板4引出线2018/1/10140723605A四、温度计的校验一热电阻温度计的校验二热电偶温度计的校验2018/1/10150723605A一热电阻温度计的校验热电阻温度计的校验常在实验室内进行，一般有两种校验方法1比较法2两点法2018/1/10160723605A二热电偶温度计的校验表53热电偶校验温度点热电偶在初次使用前需要进行分度，以确定热电动势和温度的对应关系。另一方面，热电偶在使用一段时间后，由于氧化、腐蚀、还原等因素的影响，原分度值会逐渐产生偏差，使测量准确度下降，因此，热电偶需要定期校验。2018/1/10170723605A二热电偶温度计的校验图56热电偶比较式校验装置1管式电炉2被校热电偶3标准热电偶4铜导线5切换开关6直流电位差计7玻璃温度计8试管9冰点槽10稳压电源和调压器2018/1/10180723605A五、接触式温度测量误差1热力学平衡条件。2当被测对象温度变化时，感温元件的温度能实时地跟着变化，即要使传感器的热容和热阻为零。一感温元件传热的基本情况二安装误差三辐射引起的误差四热传导引起的误差五高速气流的温度测量误差六感温元件的响应2018/1/10190723605A一感温元件传热的基本情况感温元件接受的热量基本上来自两个方面一是被测介质传给感温元件的热量，包括介质对感温元件的导热、辐射和对流换热；二是由于感温元件阻挡流动介质而在其附近发生气流绝热压缩，因而使流体的动能转变为热能，这种现象在测量高速气流的温度时应当予以足够重视。2018/1/10200723605A二安装误差图57感温元件的安装2018/1/10210723605A二安装误差图58安装温度计的扩大管2018/1/10220723605A三辐射引起的误差测量时辐射引起的误差与辐射传热系数C成正比，与气体向感温元件表面的传热系数H成反比2018/1/10230723605A四热传导引起的误差当感温元件保护套管顶部的温度与装置保护套管的管道壁的温度不同时，就会有热量沿套管流向温度较低的管壁，由于热传导的存在，温度计的感温元件感受到的温度将低于被测介质的温度。2018/1/10240723605A五高速气流的温度测量误差在高速气流中气体分子同时进行无规则的热运动和有规则的定向运动。2018/1/10250723605A六感温元件的响应接触式温度计是靠热交换来测温的，热惯性的存在必然使传感器感受的温度滞后于介质温度的变化，即存在时滞现象。2018/1/10260723605A第三节非接触式温度计一、热辐射理论基础二、单色辐射式光学高温计三、全辐射高温计四、比色高温计2018/1/10270723605A一、热辐射理论基础任何物体的温度高于热力学温度零度时就有能量释出，其中以热能方式向外发射的那一部分称为热辐射。2018/1/10280723605A一、热辐射理论基础图511辐射出射度与波长和温度的关系曲线2018/1/10290723605A二、单色辐射式光学高温计1灯丝隐灭式光学高温计2光电高温计2018/1/10300723605A1灯丝隐灭式光学高温计图512光学高温计修正曲线2018/1/10310723605A1灯丝隐灭式光学高温计图513隐丝式高温计原理图A电压式B电桥式1物镜2吸收玻璃3标准灯4目镜5红色滤光片6测量电表7可调电阻2018/1/10320723605A1灯丝隐灭式光学高温计图514隐丝式光学高温计的亮度调整A灯丝太暗B灯丝太亮C隐丝正确2018/1/10330723605A2光电高温计图515光电高温计原理图A工作原理示意图B光调制器1电位差计2被测物体3物镜4光阑5反射镜6透镜7观察孔8遮光板9、10孔11反馈灯12光电器件13前置放大器14主放大器15调制片16永久磁钢17励磁绕组2018/1/10340723605A三、全辐射高温计图516全辐射高温计原理图1物镜2光阑3玻璃泡4热电堆5灰色滤光片6目镜7铂箔8云母片9二次仪表2018/1/10350723605A四、比色高温计1单通道光电比色高温计2双通道比色高温计2018/1/10360723605A1单通道光电比色高温计图518双通道比色高温计原理图1物镜2反射镜3倒像镜4目镜5人眼6、10硅光电池7分光镜8物镜9视场光阑2018/1/10370723605A2双通道比色高温计图517单通道光电比色高温计原理图1物镜组2通孔成像镜3调制盘4同步电动机5硅光电池6目镜7倒像镜8反射镜2018/1/10380723605A第四节气体温度计一、气体温度计的基本原理二、气体温度计结构三、气体温度计的修正2018/1/10390723605A一、气体温度计的基本原理图519定容气体温度计原理图A状态1温度为时相应压力为B状态2温度改变为T时相应压力改变为P2018/1/10400723605A一、气体温度计的基本原理图520试验室用气体温度计结构示意图B低温测温泡C德银毛细管G玻璃毛细管W、V玻璃管N针尖阀S微调阀F容器2018/1/10410723605A二、气体温度计结构理论上，气体温度计可用来实现热力学温标，但实际上要制成能够作为温度基准的精密气体温度计是很困难的。2018/1/10420723605A三、气体温度计的修正1工作气体的非理想性修正2毛细管体积修正3测温泡体积冷缩的修正4热分子压差的修正2018/1/10430723605A1工作气体的非理想性修正在低温下，实际气体不能用理想气体状态方程PVNRT来描述的2018/1/10440723605A2毛细管体积修正由于毛细管的上部处于室温中，它的体积可以认为包括在VM中，但它的温度从室温到低温变化很大，要准确计算这段毛细管引起的误差是十分困难的。2018/1/10450723605A3测温泡体积冷缩的修正严格地说，等容气体温度计并不是“等容”的，由于测温泡体积受冷收缩VB引起的测量误差为T3VBVBT536由于VB0，故T30。2018/1/10460723605A4热分子压差的修正当气体的平均自由行程比毛细管直径大时，处在室温T0下的压力读数和低温泡中的实际压力有所差别，这就是热分子压差效应。2018/1/10470723605A第五节红外技术在温度测量中的应用一、红外测温仪二、红外热像仪2018/1/10480723605A一、红外测温仪图521红外测温仪工作原理图S被测物体L光学系统D红外探测器A放大器K相敏整流器C控制放大器R参考源M电动机T调制盘I指示器2018/1/10490723605A二、红外热像仪一红外热像仪的工作原理二红外热像仪系统的组成2018/1/10500723605A一红外热像仪的工作原理图522红外热像仪工作原理图1物空间的视场2探测器在物空间的投影3水平扫描器4垂直扫描器5探测器6信号处理器7视频显示器2018/1/10510723605A二红外热像仪系统的组成图523红外热像仪系统组成框图2018/1/1052