《氢能源动力实验原理与指导》课件 第3章 温度测量

第3章温度测量目录温度和温度标尺接触式测温方法非接触式测温方法010203温度和温度标尺01温度的定义热平衡与温度冷热不同的物体接触时，热量从热物体传向冷物体，最终达到热平衡达到热平衡的物体具有相同的温度——这是温度计测温的理论依据温度计与被测物体达到热平衡时，温度计指示的温度即被测物体的温度"温度是驱动热量传递的"势"—核心定义宏观与微观理解宏观驱动热量传递的宏观性质，温度高低确定热量传递方向微观描述热平衡系统冷热程度的物理量，是分子热运动激烈程度的标志温度标尺概述热力学温标K国际实用温标ITS-90摄氏温标℃华氏温标°F热力学温标建立在热力学基础上的理论温标与工质性质无关科学基准T(K)国际实用温标克服气体温度计实用不便尽可能接近热力学温标现行国际通用标准ITS-90摄氏温标工程上最通用冰点0℃，沸点100℃日常生活首选t=T-273.15华氏温标英美国家常用冰点32°F，沸点212°F180等分刻度F=1.8t+32热力学温标与国际实用温标热力学温标T=273.16(Q₁/Q₂)基于卡诺定理规定水三相点为273.16K，其1/273.16为一度与工质性质无关，是理想温标，但无法直接实现与理想气体温标完全一致，可通过气体温度计复现ITS-90基本内容定义固定点：水三相点热力学温度为273.16K划分四段温区，各温区采用不同基准仪器各固定点之间依据内插公式联系，保证温标连续性四段温区与基准仪器温区范围基准仪器0.65~5.0K氦蒸气压温度计3.0~24.5561K氦定容气体温度计13.8033K~961.78℃铂电阻温度计961.78℃以上光学或光电高温计ITS-90国际实用温标标准定义ITS-9017个定义固定点序号定义固定点规定值（K）1氦蒸气压点3~52平衡氢三相点13.80333平衡氢蒸气压点≈174平衡氢蒸气压点≈20.35氖三相点24.55616氧三相点54.35847氩三相点83.80588汞三相点234.31569水三相点273.1610镓熔点302.914611铟凝固点429.748512锡凝固点505.07813锌凝固点692.67714铝凝固点933.47315银凝固点1234.9316金凝固点1337.3317铜凝固点1357.77所有固定点均为纯物质的相平衡点，数值高度可复现，是国际实用温标校准的基准。温标换算典型例题解析例题1摄氏温度换算为开尔文与华氏温度已知室温为25℃，求对应的热力学温度（开尔文）和华氏温度。T=t+273.15=25+273.15F=1.8t+32=1.8×25+32298.15K77°F例题2开尔文温度换算为摄氏温度已知某高温炉内热力学温度为1273.15K，求对应的摄氏温度。t=T-273.15=1273.15-273.151000℃例题3华氏温度换算为摄氏温度已知某设备工作温度为140°F，求对应的摄氏温度。t=(F-32)/1.8=(140-32)/1.860℃接触式测温方法02接触式测温方法的特点优点测温准确度相对较高感温元件与被测物体充分接触，达到热平衡系统结构简单，测温仪表价格较低设备成本可控，易于部署和维护可测量任何部位温度灵活适应不同测量位置需求便于多点集中测量和自动控制支持分布式监测与系统集成缺点测温有较大滞后热平衡建立需要时间，响应速度受限易破坏被测对象的温度场分布和热平衡状态接触过程本身干扰被测环境较难测量移动或太小的物体物理接触限制适用场景范围测温上限受温度计材质限制高温环境需特殊材料支撑易受被测介质腐蚀，恶劣环境需外加保护套管腐蚀性介质影响传感器寿命接触式测温仪表分类膨胀式温度计利用物质热胀冷缩原理测温液体膨胀固体膨胀压力式温度计封闭介质受热压力变化测温充液式充气式蒸汽式热电阻温度计电阻随温度变化特性测温-200~850℃热电偶温度计热电动势与温度单值函数关系-200~1300℃膨胀式温度计01液体膨胀玻璃管温度计，液体与玻璃管壁膨胀系数不同02固体膨胀杆式温度计、双金属温度计，不同固体线膨胀系数不同压力式温度计封闭容器中液体/气体/蒸汽受热后压力变化来测温充液式充气式蒸汽压力式热电阻温度计导体或半导体电阻随温度变化来测温测温范围-200~850℃常用：铂热电阻铜热电阻镍热电阻热电偶温度计热电动势与热端温度有单值函数关系测温范围-200~1300℃特点：结构简单准确度高热惯性小热电阻的测温原理利用导体电阻值随温度变化的特性测量温度电阻-温度关系通式Rt=R0(1+At+Bt²+Ct⁴)其中A、B、C为分度常数铂热电阻-200~850℃铜热电阻-50~150℃镍热电阻-60~180℃三种热电阻对比类型测温范围电阻-温度关系特点铂-200~850℃A=3.96847×10-3℃-1精度高铜-50~150℃α≈4.25×10-3℃-1线性好镍-60~180℃100+At+Bt²+Ct⁴灵敏度高热电阻优点测温准确度高性能稳定灵敏度高可远距离测温温度自动控制和记录热电阻的接线方式精度最低连接导线电阻RL1、RL2被计入热电阻值产生附加误差结构最简单，但精度最低仅适用于精度要求不高的场合结构最简单最常用第三根导线L3补偿连接导线电阻引起的测量误差要求三根导线材质、线径、长度一致且工作温度相同L3接入高输入阻抗电路，IL3≈0最理想L3、L4接入高输入阻抗电路IL3≈0，IL4≈0V4-V3等于热电阻两端电压不受连接导线电阻影响连接导线较多，成本较高一般在实验室使用实验室使用教学实验：热电阻三线制接线与温度测量01实验目的02实验器材03实验步骤04思考题实验目的1掌握热电阻测温的基本原理2熟练掌握热电阻三线制接线方法3分析二线制与三线制的测量误差差异实验器材Pt100铂热电阻1支直流稳压电源、数字万用表、恒温水浴锅三根等长等截面铜导线实验步骤1二线制连接，测量0℃、50℃、100℃电阻值，记录误差2改为三线制连接，重复上述温度点测量，记录误差3对比两种接线方式的测量结果4分析误差产生原因，撰写实验报告实验思考题为什么工业场景普遍采用三线制接线？若三根导线长度不一致，会对测量结果产生什么影响？热电偶测温原理EEAB(T,T0)=f(T)-f(T0)冷端温度恒定时，热电势是热端温度的单值函数热电效应（塞贝克效应）两种不同导体组合成闭合回路接点温度不同产生热电势驱动电流双电势叠加接触电势+温差电势接触电势电子密度差异扩散高密度→低密度导体扩散与静电平衡形成固定接触电动势取决于材料与温度A、B材料性质决定大小温差电势高温端→低温端扩散同一导体两端温差驱动方向由低温指向高温与接触电势叠加构成总电势热电偶回路性质

定律一均质导体定律回路无热电势均质导体闭合回路，不论截面积、长度、温度梯度，均不产生热电势应用：检验材料均匀性用于判断导体材料是否均质，是热电偶材料筛选的重要依据第三导体不影响总电势接入第三种均质导体，两端温度相等时，对回路总热电势无影响三大应用场景任意导线连接接入测量仪表开路热电偶测温

定律二中间导体定律

核心

定律三中间温度定律EAB(t1,t3)=EAB(t1,t2)+EAB(t2,t3)补偿导线理论基础工业热电偶使用补偿导线的理论依据冷端温度误差修正对热电偶冷端温度误差进行修正计算扩展分度表应用扩展热电偶分度表的应用范围热电偶冷端补偿方法冷端温度不为0℃导致测量偏差，必须补偿热电偶分度表以0℃为基准，实际冷端温度变化将直接影响测量精度0℃恒温法将冷端置于冰水混合物恒温容器中，保持冷端温度恒为0℃测量精度最高，仅适用于实验室校准场景补偿导线法采用与热电偶热电特性一致的廉价导线，将冷端延伸到温度稳定的控制室工业现场最常用，需注意补偿导线与热电偶型号匹配、极性不能接反计算修正法测得冷端温度为t₀，利用中间温度定律计算真实热电势EAB(t,0)=EAB(t,t₀)+EAB(t₀,0)适用于冷端温度稳定且已知的场景补偿电桥法串联随温度变化的不平衡电桥，电桥输出电势抵消冷端误差自动补偿，工业测温仪表普遍集成该功能常用标准热电偶类型正极材料负极材料温度特点与应用铂铑10-铂铂铑合金(90%Pt,10%Rh)铂丝1300℃精度高，可做标准热电偶；贵金属成本高；热电势较弱镍铬-镍硅镍铬合金镍硅合金1000℃价格便宜，应用广泛；抗氧化能力强；热电势大镍铬-康铜镍铬合金康铜合金(60%Cu,40%Ni)600℃价格便宜；常用热电偶中热电势最大；适用于还原性介质铂铑30-铂铑6铂铑合金(70%Pt,30%Rh)铂铑合金(94%Pt,6%Rh)1600℃性能稳定，精度高；冷端50℃以下可不补偿；成本高铠装式热电偶•惯性小：响应速度快，适合动态测温•结构紧凑：外径可小至0.25mm，满足小型化需求•抗震可挠：机械强度高，安装灵活薄膜式热电偶•热端极薄：接点厚度0.01~0.1μm，热容极小•壁面测温：适用于表面温度快速测量•测温范围：300℃以下，适合中低温场景热电阻与热电偶性能对比与选型热电阻RTD测温范围-200~850℃信号类型电阻值精度±0.1℃更高响应速度几秒到几十秒稳定性好，适合长期测量接线要求二线/三线/四线制≤500℃优先选用热电阻热电偶TC测温范围-200~1300℃特殊可达2800℃信号类型毫伏级电压信号精度±0.5℃左右响应速度毫秒级较快稳定性需定期校准，高温易老化接线要求二线制，无需供电>500℃优先选用热电偶教学实验：热电偶测温与冷端补偿实验目的3项要点实验器材3类设备实验步骤4个环节思考题2道问题实验目的1理解热电偶热电效应的基本原理2掌握热电偶冷端补偿的常用方法3学会使用热电偶进行实际温度测量实验器材K型镍铬-镍硅热电偶、补偿导线冰水混合物、恒温水浴锅、数字毫伏表热电偶分度表实验步骤1冷端置室温，测50℃、100℃热电势，查表得温度，计算误差2冷端置冰水混合物（0℃恒温），重复测量，计算误差3用补偿导线延伸冷端，计算修正法补偿，计算误差4对比三种情况误差，分析冷端补偿作用实验思考题若补偿导线极性接反，会对测量结果产生什么影响？为什么补偿导线只能延伸冷端，不能直接消除冷端温度不为0的误差？其他接触式温度计玻璃管温度计原理：液体体积随温度升高而膨胀常用液体：水银（-30~750℃）、甲苯、乙醇、石油醚、戊烷优点：读数直观、测量准确、结构简单、造价低廉缺点：易碎、不能自动记录、信号无法远传分类：标准（一等/二等）、实验室用、工业用、特殊用途双金属温度计原理：线膨胀系数相差较大的两种金属薄片接合制成，利用热膨胀差异实现温度测量结构：温度变化时双金属片曲率发生变化，通过偏转角反映被测温度压力式温度计组成：由温包、传压毛细管和弹簧管压力表三部分组成特点：结构简单、可靠性高，但动态性差工作距离：最大不超过60m测温范围：-50~500℃刻度特性：饱和气压与温度呈非线性，刻度不均匀玻璃管温度计工作液体参数表工作液体测温范围(℃)备注水银-30~750或更高上限通过向管内充加压氮气获得，石英玻璃材质可测更高温度甲苯-90~100适用于中低温测量，成本低乙醇-100~75常用于低温环境下的民用、工业测温石油醚-130~25超低温场景适用戊烷-200~20可实现极低温测量，多用于实验室特殊场景玻璃管温度计按精度分为一等标准、二等标准、实验室用、工业用四个等级，其中二等标准温度计常用于校验工业测温仪表。非接触式测温方法03非接触式测温方法概述基于辐射原理，利用热接收器接收被测物体辐射能量确定温度测量运动物体的温度测量极高的温度不宜或无法接触被测对象的场合光学高温计利用单色辐射强度随温度升高而增大的原理辐射高温计以全辐射定律为原理比色高温计利用两种波长下辐射强度比值测量温度光电高温计用光感元件代替肉眼感受亮度变化，可自动连续记录光学高温计与辐射高温计光学高温计01测量原理黑体单色辐射强度E₀λ随温度升高而增大，遵循普朗克定律/维恩公式02刻度基准按黑体亮度刻度，测量灰体时需进行黑度修正03亮度温度Tb定义物体在温度T时的亮度等于黑体在温度Tb时的亮度04温度修正真实温度T需通过单色黑度系数ελ进行修正计算辐射高温计全辐射高温计01测量原理基于黑体全辐射强度，遵循斯蒂芬-波尔兹曼定律02辐射公式黑体：E₀T=σT⁴；灰体：ET=εTσT⁴03仪器结构对物透镜聚集辐射热能至热电堆，补偿光栏调节辐射能力04辐射温度TP定义物体全辐射强度等于黑体温度TP时的全辐射强度05温度修正真实温度T需通过全辐射黑度系数εT进行修正计算接触式与非接触式测温方法对比选型对比维度接触式测温非接触式测温测温原理热平衡原理热辐射原理测温范围中低温为主-200~1300℃中高温为主可达数千℃测量精度较高较低响应速度慢（秒级）快（毫秒级）是否破坏温度场是否可否测量运动物体不可以可以校准维护简单复杂成本低高1被测对象可接触、测温≤1000℃、要求精度高优先选接触式2被测对象不可接触、运动、温度极高、要求快速响应优先选非接触式3非接触式测温需提前获取被测物体的黑度系数参数，以修正测量结果比色高温计与光电高温计比色高温计光学/辐射高温计共同缺点：物体黑度对测量带来较大误差比色原理：利用两种不同波长下辐射强度的比值测量温度，有效降低黑度影响比值函数特性：单色辐射强度比值是温度的单值