建筑环境测试技术-3-温度测量讲解课件

3温度测量

?温度测量概述

?膨胀式温度计

?热电偶测温

?热电阻测温

?非接触式测温

3.1温度测量概述

3.1.1温度与温标

一、温度

?温度是表征物体冷热程度的物理量。

?温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量，标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度。

二、温标

温标是温度数值化的标尺。它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。

温标的三要素：温度计、固定点和内插函数。

?经验温标

?热力学温标

?国际温标

?经验温标

华氏温标

以水银为测温介质，规定水沸点为212度，氯化氨和冰的混合物为0度，两固定点间等分212格，每格为华氏1度，符号为℉。

1714Fahrenheit摄氏温标

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℃。1740Celsius??5CF329???类似的经验温标还有兰氏、列氏等

?经验温标的缺点在于它的局限性和随意性

?热力学温标

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。它建于热力学基础，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，已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。

热力学中卡诺定理指出：一个理想的卡诺机，当它工作于温度为T2的热源与温度为T1的冷源之间，它从热源中吸收的热量Q2与向冷源中放出的热量Q1，应遵循以下关系：

这就是建立热力学温标的物理基础。如果指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比求得未知温度值。热力学温标规定水在标准大气压下的三相点为273.16K。

2211TQQT??1122TQTQ?ssTQQT???

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，这就是国际温标的由来。

?具备的条件：

?尽可能接近热力学温标

?复现精度高，各国均能以很高的准确度复现同样的温标，确保温度量值的统一

?用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定

?

国际温标

?

ITS-27，第七届国际计量大会决定

?ITS-48?IPTS-68?ITS-90

1）固定点

2）标准仪器

?0.65~5.2K，3He和4He蒸气压温度计

?3.0~24.6K，3He或4He气体温度计

?13.8K~962℃，铂电阻温度计

?~962℃以上，光学或光电高温计

3）内插公式

?温度不能“直接”

测量，而是借助于物质的某些物理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变化量的测量“间接”

地获得温度值。

?按工作原理来划分，也根据温度范围（高温、中温、低温等）或仪表精度（基准、标准等）来划分。

?根据温度测量仪表的使用方式，通常可分类为接触法与非接触法两大类。

3.1.2温度测量方法及测量仪表的分类

一、

接触法

?当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。

?特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，使两者达到热平衡。

接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。

优点：结构简单、可靠，测温精度较高。

缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。

不适于直接对腐蚀性介质测量。

二、非接触法

?利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。

?特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。

?通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。

非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。

优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。

缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。

3.2膨胀式温度计

膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。

3.2.1液体膨胀式温度计

一、测温原理

液体膨胀系数远比玻璃的膨胀系数大，因此当温度变化时，引起工作液体在玻璃管内体积的变化，进而表现为液柱高度的变化。

玻璃棒式温度计

留点水银温度计

铜套温度计

二、主要特点

直观，测量准确，结构简单，造价低廉

三、分类

标准温度计，实验室用温度计，工业用温度计，电接点温度计

四、测温误差分析

玻璃材料的热滞后效应导致温度计零点漂移

插入深度不够引起测温不准

3.2.1液体膨胀式温度计

?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

?工作介质是气体、液体或蒸气

3.2.2压力式温度计

?简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性

?动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度

双金属片式

3.2.3固体膨胀式温度计

3.3.1热电偶的测温原理

两种不同的导体（或半导体）相接的两个接点温度不同时，回路中会产生电势，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电势，通常称为热电势。

热电偶产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。

热电极B热电极ATT0参考端

冷端

工作端

热端

3.3热电偶测温

两种不同材料接触处会产生电势

EAB（T）

原因：

A、B材料不同，自由电子浓度不同，设NA>NB在结点处要发生电子扩散，且在两个方向上扩散的速率不同。

总体是：A的浓度高，其扩散的速率大。

∴A失去的电子比得到的多，故带“+”电荷

∴B失去的电子比得到的少，故带“-”电荷

一、接触电势(帕尔贴电势)

接触电势：

式中e——单位电荷，4.802×10-10C；

K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；

NA(T)、NB(T)——材料A、B在温度T时的自由电子密度；

T——A、B接触点的温度，K。

AABBN(T)KTE(T)lneN(T)??从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。

?温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。

一、接触电势(帕尔贴电势)

温差电势：

0TA0ATAK1E(T,T)d(NT)eN???高温端：自由电子活动能力强

低温端：自由电子活动能力弱

二、温差电势（汤姆逊电势）

∴热端失去的电子比得到的多，故带“+”电荷

∴冷端失去的电子比得到的少，故带“-”电荷

三、热电偶闭合回路的总热电势

AB0ABAB0B0A0E(T,T)E(T)E(T)E(T,T)E(T,T)????TT0AB

设T>T0，NA>NB；那么回路中存在两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)EB（T，T0）

EA（T，T0）

EAB（T）

EAB（T0）

三、热电偶闭合回路的总热电势

AB0ABAB0B0A0E(T,T)E(T)E(T)E(T,T)E(T,T)????TT0ABEB（T，T0）

EA（T，T0）

EAB（T）

EAB（T0）

代入前述公式，可得：

0TAAB0TBN(T)KE(T,T)lndTeN(T)??材料A和B确定，可简化：

EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)

冷端温度恒定，可简化：

EAB(T,T0)=f(T)－C

TT0ABEB（T，T0）

EA（T，T0）

EAB（T）

EAB（T0）

代入前述公式，可得：

0TAAB0TBN(T)KE(T,T)lndTeN(T)??3.3.2热电偶的基本定律

——均质导体定律

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，都不能产生热电势。反之，若回路中存在热电势则材料必为非均质的。

若闭合回路由一种均质导体组成，

TT0ABEB（T，T0）

EA（T，T0）

EAB（T）

EAB（T0）

3.3.2热电偶的基本定律

TT0ABC0A0AB0B0KTN(T)E(T)lneN(T)?0A0AC0C0KTN(T)E(T)lneN(T)?0C0CB0B0KTN(T)E(T)lneN(T)?AB0AC0CB0E(T)E(T)+E(T)?回路中引入第三种导体不改变回路总电势。

——中间导体定律

TT0AB3.3.2热电偶的基本定律

——中间温度定律

TTnABTnT0AB0TAAB0TBN(T)KE(T,T)lndTeN(T)??nTAABnTBN(T)KE(T,T)lndTeN(T)??n0TAABn0TBN(T)KE(T,T)lndTeN(T)??EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0)

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，对热电偶回路的总电势没有影响。

?热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要所处的环境温度稳定，回路热电势将不受影响。

?热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借助均质等温的导体加以连接。

3.3.2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，都不能产生热电势。

同理，热电偶回路中接入多种导体后，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。

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，对回路总电势没有影响。

3.3.2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，都不能产生热电势。

中间温度定律：热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的热电势，等于接点温度为T、TN和TN、T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。

EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0)?当热电偶参比端温度t0≠0℃时，只要能测得热电势E(t,t0)，且t0已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度t值。

例：用热电偶测量金属壁面温度有两种方案，如下图所示，当热电偶具有相同的参考端温度t0时，问在壁温相等的两种情况下，仪表的示值是否一样？为什么？

例：用两支分度号为K的热电偶测量A区和B区的温差，连接回路如右图所示。当热电偶参考端温度t0为0℃时，仪表指示200℃。问在参考端温度上升25℃时，仪表的指示值为多少？为什么？

?热电偶结构

3.3.3热电偶的结构与分类

两个

热电极

热电偶接点

铠装热电偶

表面热电偶

?热电偶的分类

根据热电偶的材质和结构的不同，可分为标准热电偶和非标准热电偶。

国际电工委员会（IEC）推荐了七种标准化的热电偶：

非标准化热电偶

：钨-铼系热电偶(max:2600~3000oC)、

钨-铱系热电偶(max:2200oC)

?廉金属热电偶

1）T型（铜－康铜）热电偶

-20~350oC，在廉金属热电偶中准确度最高，热电势较大

2）K型（镍铬－镍铝或镍硅）热电偶

-200~1100oC，在廉金属热电偶中测温范围最宽，温度-毫

伏信号接近线性，热电势较大

3）E型（镍铬－康铜）热电偶

灵敏度最高，氧化气氛中可使用到1000oC4）J型（铁－康铜）热电偶

0~750oC（氧化气氛），0~950oC（还原气氛），在很多国家工业上最通用，价廉、灵敏

?贵金属热电偶

1）S型（铂铑10－铂）热电偶

0~1600oC，准确度等级最高，热电势小，热电特性曲线非线性较大

2）R型（铂铑13－铂）热电偶

0~1600oC，热电势稍大

3）B型（铂铑30－铂铑6）热电偶

0~1800oC，抗污染能力强，具有较好稳定性，热电势极小

3.3.4热电偶测温系统

热电偶测温系统是由热电偶、补偿导线、显示仪表及相应的电路构成的。

?补偿导线

型号

分度号

补偿导线合金丝

100℃时允差(℃)

200℃时允差(℃)

正极

负极

普通级

精密级

普通级

精密级

SCSSPC(铜)SNC(铜镍)±5±3±5－

KCKKPC(铜)KNC(铜镍)±2.5±1.5－

－

KXKKPX(镍铬)KNX(镍硅)±2.5±1.5±2.5±1.5EXEEPX(镍铬)ENX(铜镍)±2.5±1.5±2.5±1.5JXJJPX(铁)JNX(铜镍)±2.5±1.5±2.5±1.5TXTTPX(铜)TNX(铜镍)±2.5±1.5±2.5±1.5?显示仪表（变送器）

变送器

直流电源

转换电阻

补偿导线

补偿导线

?参考端温度的处理

1）冷端恒温及计算修正法

?原理：用补偿导线把热电偶的冷端延长到某一温度T0处（通常是环境温度），然后再对冷端温度进行修正。

中间温度定律：

EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)例：用分度号为K的镍铬镍硅热电偶及毫伏表刻度的显示仪表测量炉温，在自由端温度为20oC时，测得的热电势Et=39.17mV问炉温为多少度？

解：由

??????00,,,,ttEttEtttEnABnABnAB??得

????????mV968.39798.017.390,2017.390,,0,11???????ABABABABEtEttEtE则根据插值法得

C967703.39096.40703.39968.39960970960????????tt4）补偿电桥法

?原理：在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥，此电桥输出的电压随热电偶冷端温度变化而变化，从而修正热电偶冷端温度波动引入的误差。

假定0oC度时电桥平衡，温度升高后a、b点间的电势如何变化？

?热电偶的检定

?为了保证热电偶的测量精度，必须定期进行检定。热电偶的检定方法有两种，比较法和定点法。

1）分度误差：指检定时产生的误差，其值不得超过允许误差。

2）冷端温度引起的误差。

3）补偿导线的误差：由于补偿导线的热电特性与所配热电偶不完全相同所造成的

4）热交换所引起的误差

5）测量线路和显示仪表的误差

6）其他误差

?热电偶的误差分析

?热电偶的使用与安装

流体温度测量

管道上测温元件斜插安装

测表面温度的热电偶安装

带防腐蚀套管的热电偶

热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温元件。导体或半导体的电阻率与温度有关，利用此特性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。

3.4热电阻测温

3.4.1热电阻的特性

0000()ttttRRRRttRt???????电阻温度系数：

电阻比：

9090()()(273.16)RTWTRK?百度电阻比：

???(100)(100)(0)RCWRC01ddtRRt?单位为1/℃

3.4.2常用热电阻元件

常用的热电阻有铂热电阻、铜热电阻、镍热电阻和半导体热电阻。

铂热电阻和铜热电阻属国际电工委员会推荐的，也是我国国标化的热电阻。

一、铂热电阻

?特点：精度高，稳定性好，性能可靠。有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。电阻温度系数较小，价格较贵。

?电阻温度关系：

－200℃~0℃：Rt=R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]

0~650℃：

Rt=R0(1+At+Bt2)

式中，A（3.96847×10-3）、B（-5.847×10-7)、C（-4.22×10-12)。

?百度电阻比W（100）=1.387~1.390?纯度越高，W（100）越高。

二、铜热电阻

?特点：它的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系数也比较大，而且材料易提纯，价格比较便宜，但它的电阻率低，易于氧化。

?在－50℃~150℃范围内，铜的电阻温度关系为

Rt=R0

(1+αt)

式中，α—

铜的电阻温度系数，α＝4.25×10-3~4.28×10-3℃-1?测温范围-50~150

三、

镍热电阻

?特点：电阻温度系数较铂大，约为铂的1.5倍。

?在－50～150℃内，其电阻与温度关系为

Rt=100+0.5485t+0.665×10-3t2+2.805×10-9t4

?200℃左右具有特异点，故多用于150℃以下

四、半导体热敏电阻

大多数半导体热敏电阻具有负的温度系数，其电阻值与温度的关系为：

RT=AeB/T

测温范围：-40~350℃

优点：

?具有较大的负电阻温度系数

?电阻率远比金属材料大得多

缺点是电阻温度特性分散性大，非线性严重，元件性能不稳定，因此互换性差，精度较低。

3.4.3热电阻测温电路

?平衡/不平衡电桥测温

3.4.3热电阻测温电路

?平衡/不平衡电桥测温

321RRRRx?三线制的优势？

比较热电阻与热电偶两种测温方法的异同？

接触式测温方法的共同特点？

3.5非接触测温

非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度，与被测对象无直接的物理接触。

控制室光端机RS485网线网线RS485球机控制24V球机12VDC光端机RS485网线光纤24VAC电器箱12V热像仪控制器定位装置?普朗克定律

1512[exp1]CC0(/T)E???????3.5.1热辐射基本定律

式中，C1=3.74×10-16W·m2，普朗克第一辐射常数;C2=1.4388×10-2m

·K，普朗克第二辐射常数;λ辐射波长，m；T黑体绝对温度，K；E0λ光谱辐射强度，W/m3。

任何物体都会有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。

绝对黑体的单色辐射强度：

3.5.1热辐射基本定律

任何物体都会有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。

式中，C1=3.74×10-16W·m2，普朗克第一辐射常数;C2=1.4388×10-2m

·K，普朗克第二辐射常数;λ辐射波长，m；T黑体绝对温度，K；E0λ光谱辐射强度，W/m3。

1512[exp1]CC0(/T)E???????绝对黑体的单色辐射强度：

?普朗克定律

?维恩公式

温度在3000K以下普朗克公式可用维恩公式代替。

512expTCC0(/)E???????维恩位移定律

热辐射电磁波中包含着各种波长．物体峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成以下关系：

32.89710mKmT?????斯忒潘—玻耳兹曼定律

物体的总的辐射出射度E与温度的四次方成正比。

4TE???式中，E—某物体在温度T时单位面积和单位时间的辐射总能量；σ—斯忒藩-玻尔兹曼常数，等于5.67×10-8W/(m2·K4)；ε—辐射率

0.65微米单色光辐射强度

全辐射能量

3.5.2单色辐射温度计

?????521exp(c/)ccT????????521exp(c/)ccBT对于灰体：

高温物体会明显发出可见光，具有一定亮度。

???cBE亮度温度

同样温度下黑体与灰体哪个亮度更高？

同样亮度下黑体与灰体哪个温度更高？

亮度温度和实际温度之间的关系？

一、光学高温计

光学高温计结构原理图

1-物镜；2-吸收玻璃；3-高温计灯泡；4-目镜；5-红色虑光片；6-显示仪表；7-滑线电阻

二、光电高温计

光电高温计用光电器件作为敏感元件感受辐射源的亮度变化，并将其转换成与亮度成比例的电信号，再经过电子放大器放大，最后输出被测温度值，并将自动记录下来。

光学高温计

光电高温计

使用单色高温计应注意的事项？

使用单色高温计应注意的事项

①

非黑体辐射的影响

由于被测物体均为非黑体，其ελ随波长、温度、物体表面情况而变化，使被测物体温度示值可能具有较大的误差。

②

中间介质的吸收

其间的灰尘、烟雾、水蒸气和二氧化碳等对热辐射均可能有散射效应或吸收作用而造成测量误差，一般在1～2m比较合适。

③被测对象

光学高温计不宜测量反射光很强的物体；不能测量不发光的透明火焰。

使用单色高温计应注意的事项？

根据绝对黑体全辐射定律的原理设计的高温计称为全辐射高温计。当测出黑体全辐射强度E0后就可知温度T。

4TE???全辐射高温计是按绝对黑体对象进行分度的，则温度Tp称为被测物体的辐射温度。

??41/pTT1物镜；2光栏；3玻璃泡；4热电堆；5