第五章温度测量

1、热能与动力工程测试技术,天津大学机械学院 内燃机燃烧学国家重点实验室,温度测量概述； 接触式温度计； 非接触式温度计； 气体温度计； 红外技术在温度测量中的应用。,学习要求： 掌握采用热电偶温度计、电阻温度计测温的基本原理、测量方法、计算方法及有关电路。 熟悉几种常用的热电偶及电阻温度计。 能正确地选用温度计并了解温度计的标定方法。 了解几种其它形式温度计的原理。,第五章 温度测量,第一节 温度测量概述,一.温度和温标 温度：是表示物体冷热程度的物理量，从分子运动论的观点看，温度也是物体内部分子运动平均动能大小的一个量度标志。 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

2、本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。 国际普遍使用的温标有四种：摄氏温标、华氏温标、热力学温标、 国际实用温标。,1)摄氏温标 摄氏温标的物理基础是水银温度变化与体膨胀成线性关系。分度方法是把标准大气压下水的冰点定为零度（0），把水的沸点定为100度（100），用这两个固定点分度玻璃水银温度计，在这两固定点间划分100等分，每一等分为摄氏一度，计为1。 2)华氏温标 华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为。 它与摄氏温标的关系为：,3)热力学温标 热力学温标是一种与工质无关的温标，它以热力学第二定律为基础。 开尔文温度规定

3、水在标准大气压下的三相点温度为273.16K；1K等于水的三相点的热力学温度的1/273.16；将三相点以下273.16K定为绝对零度，记为0K，符号：T。 热力学温标所确定的温度数值称为热力学温度(单位为K)。 4)国际实用温标 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。 依据物质的某些定义固定点所确定的温标，定义固定点：水的三相点、氧和水的沸点、金和银的凝固点等等。单位用摄氏度()表示，符号：t。,绝对零度,绝对零度(absolute zero)是热力学的最低温度，但此为仅存于理论的下限值。热力学温标的单位是开尔文（K），绝对零

4、度就是开尔文温标定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15度，也就是-459.67华氏度。物质的温度取决于其内原子、分子等粒子的动能。根据麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子动能越高，物质温度就越高。理论上，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，不能再低。然而，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行相互转换而不消失。所以绝对零度是不存在的，除非该空间自始即无任何能量热量。 由于水的三相点温度是0.0076，因此绝对零度比水的三相点温度低273.16。,热力学基本定律,二. 温度计分类,温度计可以按测头的测温原理、测头的材料和测头是否必须与被测

5、介质接触进行分类。按照测头是否必须与被测介质接触可以分为接触式和非接触式。 1 接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度。 优点：直观、可靠。 缺点：容易破坏温度场；存在负载效应，测温受限； 受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测元件温度与被测对象温度不一致。 热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。(动态误差）,2.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。,固体膨胀式,压力式温

6、度计,膨胀式温度计测温,热电偶测温,热电阻测温,接触法,非接触法,测温方法,玻璃管液体温度计,第二节 接触式温度计,一. 膨胀式温度计 膨胀式温度计包括水银温度计，有机液体温度计，双金属温度计。(液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计) 1.玻璃管液体温度计 利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。应注意两个问题： 1) 零点漂移：玻璃的热胀冷缩也会引起零点位置的移动，因此使用玻璃管液体温度计时，应定期校验零点位置。,2)露出液柱的校正：使用时必须严格掌握温度计的插入深度，因为温度刻度是在温度计液柱全部浸入介质中标定的，而使用时液柱可按下式求其修正值。,式中，n: 露出部分液

7、柱所占的刻度数， :工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（汞0.00016，酒精0.000103），t: 温度计的示值，ta: 露出液柱部分所处的环境温度。,例：某水银温度测量水温为90，插入处刻度为10，环境温度为10 ，则测量误差为,1.024,液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。全浸是指测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。部分浸入是把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。 全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测量精度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。,使用时，如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入，部分浸入式温度计露出部分的环境温度与标定时不一致，就会产生测量误

8、差，故必须进行修正。方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液柱部分的平均温度，并按式估算温度修正量t，即,t测为温度计的读数值； t环为露出汞柱的平均温度，由辅助温度计读出; n为露出待测体系外部的水银柱长度，以温度差值表示； 为水银相对于玻璃的膨胀系数，使用摄氏度时， =0.00016K-1,t真= t观 + t,对部分浸入式温度计为标定时露出部分液柱的温度。,2 压力式温度计 压力式温度计由温包、毛细管和弹簧管所构成的密闭系统及传动指示机构组成。工作介质是气体、液体或蒸气。 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,它是利用密闭容积内工作介

9、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的一种机械式仪表。,3 双金属温度计（固体膨胀式） 双金属温度计是用线胀系数不同的两种金属构成的金属片作为感温元件，当温度变化时，两种金属的膨胀不同，双金属片就产生与被测温度大小成比例的变形，这种变形通过相应的传动机构由指针指示出温度数值。,根据感温双金属片结构形状的不同，有螺旋形双金属温度计和盘形双金属温度计两种。,二.电阻式温度计 电阻式温度计利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性所制成的测温仪表。电阻温度计的电阻和温度之间的关系。包括铂电阻温度计，热敏电阻温度计。,优点：测温准确度高，信号便于传送。 缺点：不能测太高的

10、温度，需外部电源供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。,WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300)隔爆热电阻,三.热电偶温度计 热电偶是利用“热电效应”制成的一种测温元件。,热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。 它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。 具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。 它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。 并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号

11、传输、自动记录和控制等。,热电偶的类型,1）S型（铂铑10铂）热电偶 一种贵金属热电偶，它的特点是精度高，物理化学性能稳定，测温上限高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。另外，它的热电势较小，灵敏度较低，价格昂贵。它不仅可用于工业和实验室测温，更为重要的是它可以保存为基准热电偶和传递为各级标准热电偶。 2）B型（铂铑30铂铑6）热电偶 一种贵金属热电偶，它的特点是测温上限短时可达1800，测量精度高，适于在氧化或中性气氛介质中使用。但不宜在还原气氛中使用，灵敏度较低，价格昂贵。,3）K型（镍铬镍硅）热电偶 一种贱金属热电偶，特点是价格低廉，灵敏度高，复现性较好，高温下抗氧化能力强，是工业和实验室

12、中大量采用的一种热电偶。但在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀。 4）T型（铜康铜）热电偶 一种贱金属热电偶，测量精度高，稳定性好，低温时灵敏度高，价格低廉。 5）E型（镍铬康铜）热电偶 一种贱金属热电偶，在以上几种热电偶中它的灵敏度最高，但抗氧化及抗硫化物介质的能力较差，适于在中性或还原性气氛中使用。,标准化热电偶 （1）廉金属热电偶 1）T型（铜康铜）热电偶 2）K型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶 3）E型（镍铬康铜）热电偶 4）J型（铁康铜）热电偶 （2）贵金属热电偶 1）S型（铂铑10铂）热电偶 2）R型（铂铑13铂）热电偶 3）B型（铂铑30铂铑6）热电偶 非标准化热电偶 1）钨铼系热电偶

13、 2）钨铱系热电偶 3）其他非标准化热电偶,四.温度计的校验,1压力表式温度计的标定 标定设备： 恒温器、标准温度计、盛有冰水共存的容器。 标定方法： 把温度计垂直挂在支柱上，将温包全部浸在恒温器内(或浸有冰水共存的容器内)，调整温度计到等于恒温器内温度的刻度点(或0)。一般标定点不少于三点，即刻度标尺的起点、中点和终点。对每一刻度点的标定，均要在恒温器的温度上升和下降时进行，并取其平均值。指示值的读数要进行两次，一次是在不敲表壳的情况下读出，一次是在轻敲一下表壳之后读出，轻敲表壳后的指针变化不应超过允许误差的一半。,2热电阻的标定 标定设备： 标准热电阻温度计(标准热电阻温度计所用的材料与被

14、标定的一样)、加热恒温器、冰水共存容器、标准电位计或不低于0.05级双臂电桥一只。 校验方法： 有两个点必须进行标定，即0时的电阻值R0和100时的电阻值R100，并检查100时的电阻值Rl00对于0时的电阻值R0之比值(即R100/R0)是否符合规定。,3热电偶的标定 工业用的热电偶或铠装热电偶允许的误差在国家标准中是有规定的，使用热电偶前应该标定其误差是否超过允许值。 标定设备和材料：标准铂铑一铂热电偶、可以调节温度的管式电炉、具有冰水混合共存容器、试管、变压器油、转换开关、电压计或电位差计。 标定方法：把所测量的几支热电偶与标准铂铑一铂热电偶一起放在管式炉中比较它们的读数。,五.接触式温

15、度测量误差,接触式温度计感温元件正确反映被测物体的温度，必须满足下列两个条件： 1）热力学平衡：感温元件与被测对象组成孤立的热力学系统，并经历足够的时间，使两者完全达到热平衡； 2）传感器的热容和热阻为零：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。,感温元件接受的热量基本上来自两个方面：1）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；2）感温元件阻挡流动介质而在其附件发生气流绝热压缩，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。,感温元件的散热途径基本有两种：1）感温元件向周围冷壁的辐射和传热；2）沿着感温元件向外部介质的传

16、导散热（包括感温元件露在外部介质的部分辐射散热）。,（一）感温元件传热的基本情况,（二）安装误差 1.测温元件安装的基本要求 测温元件应与被测介质形成逆流，即安装时测温元件应迎着被测介质的流向插入(图a)。,若不能迎着被测介质的流向插入，可采用迎着被测介质的流向斜插(图b)的方式。,至少也须与被测介质正交(图c)，应尽量避免与被测介质形成顺流。,安装时，要使测温元件处于管道中心，即应使它处于流速最大处。当在管道上倾斜安装时(图b)，保护管顶端要高出管中心线5-10mm。,实践证明，随着测温元件插入深度的增加，测量误差减少。为此，插入深度应符合国家有关试验规范或出厂使用说明的要求。如不用保护管时

17、，热电偶插入深度不应小于热电偶丝直径的50倍；测定液体温度时，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.安装方式不同引起的误差实例 位置(b)利用直角弯头逆向插入一定深度，可以测得真实温度 位置(a)由于插入深度浅，露在大气中不保温的部分长，所以测定值低于真实值；,位置(c)由于插入深度稍浅 位置(d)插入深度不够，所以都将产生误差。 这种由于插入深度产生的误差，就是热电偶的保护管和电偶线的热传导所产生的误差。,3.热电偶与被测表面接触方式不同引起的误差 点接触：导热损失全部集中在一个接触点上，热量不能得到充分补充，测量误差最大； 面接触：面接触

18、是热电偶丝的热损失由导热良好的金属补充，故测量误差比点接触式小； 等温线接触：热电偶丝沿着等温线敷设，热接点的导热损失最小，测量误差也最小；,（三）辐射引起的误差 为了使测温正确，在测温元件周围应加一薄的(热容量小的)防辐射隔离罩，以减少测量误差。 辐射传热与温度的四次方成正比，因此随着温度的升高，辐射损失比导热损失增长的速度快得多。当感温元件用于测量高温气体时，辐射热损失误差在整个测温误差中将占主导地位。,（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的温度低于被测介质的温度。

19、 在安装测温元件时，应力求注意减少引起热传导误差的有关因素。应从感温元件的热导率、内外径和插入的深度等着手采取减小热传导误差的措施。,（五）高速流动气体的温度测量误差 在测量高速流动气体的温度时，因测温元件固定安装于管道中心，将会产生气体动能转换为热能的现象（感温元件阻挡流动介质而在其附件发生气流绝热压缩，因而使流体的动能转变为热能），因而使测温元件附近温度升高，从而所测得的温度要比气体的实际温度高。,（六）感温元件的响应 温度计的时滞由两种因素造成：,感温元件的热惯性：由感温元件本身原来的温度T1过渡到新的温度T2时需要一定时间；,指示仪表的机械惯性：感温元件将所获得的热信号传动到仪表的指示

20、装置上需要有一定时间。,影响时间常数大小的因素包括：感温元件的质量、比热容、插入的表面积、表面积传热系数等。感温元件的质量和比热容越小，响应越快。,三种测温计的比较,三种测温计适用场合,铜-康铜（T型）热电偶：一般精度，要求动态特性较好或者要求对原温度场影响较小的场合。可以自动记录测量结果。测头布置方便。多用于实验室测量。,铂热电阻：稳态或者温度变化速度不大，要求高精度测量的场合。可自动记录测量结果。,热敏电阻 ：稳态或者温度变化速度不大，要求精度不高。多用于工业测量。,玻璃液体温度计：稳态，测量精度不高。不能自动记录测量结果，因而不能用于测量频度过快的场合。测头布置受到限制。,第三节 非接触

21、式温度计,高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。 测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。,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。,维恩公式 黑体的辐射本领是波长

22、和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，这就是光学高温计和比色高温计测温的理论根据。,普朗克定律(单色辐射强度定律) 温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为的辐射出射度为,斯蒂芬波尔兹曼定律 温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。这就是辐射式温度计测温的理论根据。 全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。,二.单色辐射式光学高温计,单色辐射式光学高温计利用亮度比较取代辐射强度比较进行测温的。,亮度温度：在波长为 、温度为T时，某物体的辐射亮度B与温度为Ts的绝对黑体的亮度B0 相等，

23、则称Ts为这个物体在波长为时的亮度温度。 亮度温度比物体的实际温度低，所以必须根据物体表面的单色黑度系数加以修正。,1）灯丝隐灭式光学高温计,标准灯（高温计温度灯）3的灯丝亮度和电流的关系已知，灯丝的亮度温度由测量电表6测出。物镜1和目镜4均可沿轴向移动，调整物镜位置使被测物体成像在灯丝平面上，调整目镜位置使观察者能清晰看到标准灯的弧形灯丝。,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 灯丝亮度比被测物体的亮度高，则灯丝在相对较暗的背景上呈现出亮的弧线； 灯丝亮度与被测物体的亮度相等时，灯丝隐灭在物象的背景里，此时测量电表指示的电流值就是被测物体亮度温度对应的读数。再根据温度修正值

24、得到物体的真是温度。,2）光电高温计,光电高温计能自动平衡亮度和自动记录被测物体温度示值。采用光电器件作为敏感元件感受辐射的亮度变化，并将其转换成与亮度成比例的电信号，此信号经放大后被自动记录下来表示被测物体的温度值。,三.全辐射高温计,借助于测量物体全部辐射能来确定物体温度的。根据绝对黑体的全辐射定律式设计的高温计称为全辐射高温计。,热电堆由4-8只微型热电偶串联而成，以获得较大的热电势，其输出热电势由显示仪表或记录仪表读出。热电堆的测量端贴在类十字形的铂箔上，铂箔涂成黑色以增加热吸收系数。热电堆的参比端贴夹在热接收器周围的云母片中。,被测物体波长且0的全辐射能量由物镜1聚焦后经光阑2投射到

25、热接受器(热电堆)4上。,四.比色高温计,比色高温计是利用两种不同波长的辐射强度的比值来测量温度的，因此又称双色高温计。 比色温度：当温度为T的物体在两个波长下的亮度比值等于温度Ts的黑体在同样波长下的亮度比值，Ts就称为这个物体的比色温度。,1）单通道光电比色高温计,2）双通道比色高温计,一.气体温度计的基本原理 气体温度计可分为定容气体温度计、定压气体温度计和测温泡定温气体温度计。低温气体温度计大多数采用定容法。 定容气体温度计：由测温泡、一根热导率小的德银毛细管和压力表组成。,第四节 气体温度计,通常，测温泡用铜制作，设其体积为VB。压力表的容积为VM，测温泡和压力表之间通常用一根外径为

26、0.5mm、内径为0.3mm的德银 (或不锈钢)毛细管连接，其体积为Vd，Vd称有害体积或死体积。,在VdVB的情况下，对于上述气体温度计，若测温气体满足理想气体状态方程，则可推得：,由式(5-30)，可算出所测得的某一压力p下的温泡温度T。,式中，a，b均为常数，由试验确定，表达式为：,二.气体温度计的结构,三.气体温度计的修正,1.工作气体的非理想性修正 低温时，实际气体不能用理想气体状态方程来描述，而应用真实的气体状态方程。 充气温度或标定温度与待测温度越接近，气体的非理想性引起的误差也越小。,2.毛细管体积修正 毛细管的上部处于室温中，一般假定毛细管的各部分的温度均等于测温泡的温度。,3.测温泡体积修正 测温泡体积受冷收缩引起测量误差。 测温泡通常用导热性能好的纯铜制作。,4.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。 (从整体看，平均自由程随压力增大而减小；在常温、常压下，空气气体分子的平均自由行程为70nm，并且随着温度升高和压力降低而显著增大；当孔隙的直径小于气体分子的自由行程时，孔隙内气体分子处于静止状态，气体分子不仅不能对流，而且也失去了布朗运动的能力，大部分被吸附在孔壁上。）,一.红外测量仪 当被测物