动力工程测试技术及仪器-第2章

1、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2章 温 度 测 量,一、温度 温度是表征物件冷热程度的物理量。物体温度的高低反映了物体内部分子运动平均动能的大小。 系统的热平衡充要条件：系统的温度相等。,二、温度的测量 测温的理论依据：系统的热平衡，物体具有相同的温度，因此，可从一个物体的温度得知其它物体的温度。（例：“量体温”） 测温的材料：已知一物体的某特性与温度变化之间的关系，就可用温度来分度其性质或状态的变化情况，是设计、制作温

2、度计的依据。,2-1. 温度测量的基本知识,3 .对测温的物质材料的技术要求： 物质的某一属性满足以下要求： 与温度要有很好的线性关系。 好测量、分辨率高、灵敏度要符合要求。 测量范围宽（在测量范围内保持线性关系） 较好的复现性和稳定性。 同时满足上述条件的物质不多，故不同的温度计有不同的特点,三、温标 温标：度量温度的“标尺”。对温度的零点及分度方法所作的一种规定。常用的有 “摄氏温标”、“华氏温标” 、“热力学温标” 。 温标的形成 1927年以前，实际系统的可测性质与热力学温度无一个完善的表达式。可以认为，当时的“温度测量”的含义不科学。 直到1927年使用温度单位开尔文以后，温度定义的

3、现代化才算完成。,热力学温标（或称：绝对温标） 意义：建立在热力学基础上,体现出温度仅与热量有关,而与工质无关的理想温标。 卡诺定理： 温标的确定：开尔文温度规定水在标准大气压下的三相点温度为273.16K；三相点到沸点之间分为100等份，每等份记为1K；将三相点以下263.16K定为绝对零度，记为0K，符号：T 。1K等于水的三相点热力学温度的1/273.16。热力学温标确定的温度为 应用：卡诺循环实际上是不存在的。热力学温标与理想气体温标是完全一致。用近似理想的惰性气体制作定容式气体温度计，根据热力学第二定律确定其修正值，用气体温度计来实现热力学温标。,4. 国际实用温标（简称：ITS-9

4、0） 定义：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。 意义：提供一种易准确地复现，并且尽可能地接近热力学温标的实用温标 应用：摄氏温标与开尔文温标的关系为 5. 温度表的分类和特点 见P21页-22页表21和22。,273.15,一、热电偶测温原理,2、热电势 温差电势：导体两端温度不同而产生的一种电动势，方向由低温端指向高温端，与导体性质和温度有关。 接触电势：两种不同材质的导体A和B相接触时，由电子扩散的速率不同，形成的一种电动势。,2-2. 热电偶,1、T测量端，又称热端 T0参比端，又称冷端 热电势，热电流； 1821年的赛贝克效

5、应。,温差电势的产生,8,接触电势的产生,9,10,温差电势表达式,接触电势表达式,回路总热电势表达式,几点结论： 热电偶回路性质的大小只与材料的性质 及两端温度有关，与热电偶的长短、粗 细无关。 2. 只有两种不同的性质的导体才能组成热 电偶；当热电偶两端温度不同时，才会 产生热电势。 3. 材料确定后，热电势的大小只与热电偶 两端温度有关。,二、热电偶的基本定律,2、中间导体定律 由几种不同材料组成的闭合回路，当各材料的连接点温度相同时，此回路的热电势为零。,1、均质导体定律 任何一种均质导体组成的回路，不能产生热电势。 应用：可检验热电极材料的均质性。,2.1 中间导体定律的推论 1 在

6、热电偶回路中接入第三种材料，只要其两端温度相同，则对回路的热电势无影响。,给热电偶的应用及测量热电偶的电信号带来极其有利条件.,?,?,2.2 中间导体定律的推论 2：,任意两种均质导体A、B，分别与均质材料C连接组成热电偶回路，若热电势分别为EAC(T,T0)和ECB(T,T0)，则导体A、B组成的热电偶的热电势为：,3. 中间温度定律,延长线接入点,计算举例,16,三、热电偶参比端温度的恒定及补偿,1.补偿导线法,热电偶的参比端为恒定和已知时，才能正确反映热端的温度值。若参比端的温度不衡定，则需对其进行修正处理。,18,补偿原因：参比端温度不稳定，或不易安装分度显示仪器，等等。 补偿原理：

7、依据中间温度定律,用补偿导线将参比端引至距被测介质较远的温度恒定的地方。 要求:延伸型补偿线性质应与热电偶相同(中间定律)。补偿型补偿线应保证2个接点温度一致，补偿线应与热电偶配套。 补偿型补偿线优点是：节约贵金属材料。,2、计算修正法 修正原因：热点偶配套的显示仪是在冷端为0 C时进行分度的，当冷端温度不为0 C，则应对测量值进行修正。 修正原理：中间温度定律。 步骤： E(t,0) 是冷端为0 C而热端为t C(待测温度)时的热电势； E(t,t0) 是冷端为t0 C而热端为t C,实测值； E(t0,0) 是冷端为t0 C时应加的修正值，从热电偶分度表中查得；再依据E(t,0) 的计算值

8、在热电偶分度表中查得热端的待测温度t C,3、冰浴法 使用该方法原因：显示仪器温度刻度是在参比端为0 C 进行分度的。 原理：直接将参比端放置在温度为0 C的冰槽中,中间温度定律。,应用方法：直接读取显示仪表的温度E(t,0)，再依据热点偶的分度表查得待测温度t。 优点：测量精度较高； 缺点：使用较麻烦；工业上很少使用，一般用于实验室。,4、仪表机械调整法 使用该方法的原因: 显示仪器温度刻度是在参比端为0 C 进行分度的。 方法步骤：当已知参比端温度t0，将仪表的机械起始零点调至t0处，在测量时仪表指示的温度即为待测热端的温度。 要求： 参比端温度比较稳定，仪表零点调整比较方便 测量精度不很

9、高，一般用于工业温度监视。,5、参比端温度补偿器法 使用该方法的原因: 使用计算法和冰浴法觉得太麻烦。 方法的原理：在热电偶测温回路中，接入一电桥电路，利用电桥不平衡产生的电压来补偿参比端温度变化引起的热电势变化。P36页图2-14,6 辅助热电偶法,(a)辅助热电偶冷端恒温；(b)辅助热电偶热端恒温 1-热电偶；2-补偿导线；3-辅助热电偶；4-恒温器；5-铜导线；6-动圈表,四、连接线路,(1)热电偶与电测仪表间的连接,图2-16 测量线路的连接图 热电偶正极 热电偶负极 + 补偿导线极 - 补偿导线负极 铜导线,(2) 一支热电偶配用两个电测仪表,(3) 多支热电偶共用一台电测仪表 该法

10、目的: 利用多点切换开关将几支或几只同一型号的热电偶接到一块仪表上,共用一个冷端补偿器,节省仪表。,图2-18 多支热电偶共用一台仪表 1测量热电偶；2辅助热电偶；3恒温箱；4接线端子排 5切换开关；6显示仪表；7补偿导线；8铜导线,(4)热电偶之间的连接,串联线路,并联线路,反接线路,五、直流电测仪表,1、XCZ-101动圈式仪表P40页,图2-22 动圈式仪表测量机构工作原理 1动圈；2张丝；3铁芯；4永久磁铁；5指针；6刻度标尺,图2-23 动圈式仪表测量电路原理图 1热电偶；2补偿导线； 3调整电阻；4测量机构,32,2、电位差计,a 手动电位差计,33,b 电子电位差计,3、数字温度

11、计,4、温度变送器,六、几种常用的热电偶及其性能,2、热电偶的分类 热电势-温度关系是否标准化,分标准和非标准化两类 按热电极材料分金属、非金属及半导体热电偶三类 按价格分贵金属和廉价金属热电偶两类 按温度分高温和低温热电偶两类,1、热电极材料 物质的某一属性满足以下要求： 与温度要有很好的线性关系。 好测量、分辨率高、符合要求的灵敏度。 测量范围宽（在测量范围内保持线性关系）。 较好的复现性和稳定性。,实物图,36,37,3. 标准化的热电偶,热电偶的热电势(电压)与温度的线性关系,各种热电偶的使用特点：,线性关系及分度已知，有已知的分度表可查,S,R,B,4. 非标准化的热电偶,一些极其特

12、殊场合，如极高温或超低温等温度测量 为满足特殊要求，进行单独设计和制造，分度需进行标定 几种常见的各种非标准化的热电偶特点,结构主要分为三种：普通型、铠装型和薄膜型,七、热电偶结构,薄膜型热电偶结构,厚度仅为0.01-0.1m，十分适用于动态测量300C以下的温度。,快速微型消耗式热电偶: 属一次型的,使用后,除铂铑丝可回收外,多数部件烧毁.,43,热套式热电偶结构,七、热电偶的校验,1热电偶校验点选择,常用热电偶校验点及允许误差,2校验设备及仪表,图2-30热电偶校验装置示意图 1调压变压器；2管式电炉；3标准热电偶；4校验热电偶；5冰点槽；6切换开关；7直流电位差计；8镍块；9试管,一、温

13、度计的选择,八. 热电偶的安装,根据温度范围选定相应的温度计 根据测量环境选定合适的温度计 根据精度要求选择合适的温度计,二、常温及高温测量的温度计的安装,感温元件应与被测对象接触 接触对象应是导热率较高材料 测量内温时,温度传感器应有足够的埋 入深度 除特殊要求,避免与火焰直接接触,应将 温度传感器放置在温度均匀部位.,三、低温测量的温度计的安装,感温元件应与被测对象接触 测量孔应密封处理 温度计安装时,应考虑室温对引线的影响, 将引线贴在比室温低的金属上。,测量内温时,温度传感器应有足够的埋 入深度,接触对象应是导热率较高材料,感温元件应与被测对象良好接触,341,386,385,384,

14、371,四、外界干扰防范措施,导线屏蔽。可将回路中的导线绞合，并穿入铁管中，铁管壁接地，可有效防范外磁场的干扰。 测量装置屏蔽。将回路中各个仪表或装置固定在各自的金属板座上，用导线将这些金属板连接起来。 合理接地。 热电偶浮空。热电偶及其测量回路浮空（对地绝缘电阻），是使热电偶避开纵向干扰电压的有效方法之一。,2.3.1 热电阻测温原理,2-3. 热电阻,温度变化,热电偶用于高温测量(500C)，在较低的温度下工作，灵敏度较低。在低温测量中多采用热电阻测温技术。,导体或半导体的电阻变化,测量系统输出电信号变化,事先标定的电信号,与温度的关系来确定温度。,对热电阻材料的要求：（同热电偶材料） 测

15、温范围：200C 500C,(1)金属热电阻温度计,1. 基本参数电阻温度系数 温度变化1C时电阻值的相对变化量 单位温度变化对应的电阻变化率越大，电阻温度计越灵敏， 值也越大。 2. 金属材料纯度越高， 值也越大。,2.3.2 热电阻的种类及结构,4.常用的两种金属热电阻及结构 铂电阻温度传感器(-200850) 物理化学性质稳定、准确度高，稳定性好性能可靠。 铜电阻温度传感器(-50150) 电阻与温度关系线性、互换性好、价格低廉，但电阻率小，体积较大、易氧化。,在0100温度范围内，其电阻与温度关系,云母片的边缘开有锯齿形缺口，铂丝绕在齿缝内以防短路。铂丝绕组两面盖以云母片绝缘。为改善热

16、电阻的动态特性和增加机械强度，再在其两侧铆接用金属薄片制成的夹持件。铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿入瓷套管中加以绝缘和保护。,(a)平板形 (b)圆柱形 (c)螺旋形,铂电阻,1铂丝；2铆钉；3银丝引出线；4绝缘片； 5支持件；6骨架,铜电阻,1线圈骨架 2铜电阻丝 3补偿绕组 4铜引出线,铜电阻体是一个铜丝绕组（包括锰铜补偿部分），它将直径为0.1mm的高强度漆包铜线，采用双线无感绕线法，在圆柱形塑料支架上绕制而成为防止铜电阻体上所绕铜丝松散，加强机械固紧以及提高铜电阻体导热性能，整个铜电阻体先经过酚醛树脂（或环氧树脂）的浸渍处理，然后再进行烘干（同时也起老化作用）处理，烘干温度为1

17、20，保持24小时，然后冷却至常温，将铜丝绕组的出线端子与镀银铜丝制成的引出线焊牢，并穿入绝缘套管中加以绝缘和保护，或直接用绝缘导线与其焊接。,镍热电阻, 镍热电阻, 锰铜补偿电阻,将镍电阻丝与电阻温度系数极小的锰铜丝并联在一起，使得调整后的总电阻温度系数达到规定值，使镍热电阻具有互换性。,其使用温度范围为-50300，但是温度在200左右时，电阻温度系数 有特异点,低温用热电阻,铑铁热电阻,是由含铁量为0.07%（摩尔分数）的铑铁（Rh-Fe）合金制成的热电阻。铑铁热电阻适用于30K以下直到lK的低温测量。,铂钴热电阻,是由含钴量为0.5%（摩尔分数）的铂钴（Pt-Co）合金制成的热电阻。其

18、灵敏度较大，在20K附近为，在4K附近为0.15。,(2)半导体电阻温度计,1. 半导体电阻与温度的关系 2. 半导体电阻的优点: 温度系数大，分辨率高； 电阻率大，体积小； 热惯性小，灵敏度高； (-100300) 3. 半导体电阻的缺点： 互换性不好,线性度不好,稳定性较差,精度低。,T,0,R,按其温度特性可分为如下三类：,负温度系数热敏电阻（NTC）。,正温度系数热敏电阻（PTC）,临界温度热敏电阻（CTR）,它的特点是在某一温度下，电阻值急骤降低，故称为临界温度热敏电阻。,半导体热敏电阻具有以下优点：,灵敏度高。它的电阻温度系数较金属大10100倍,电阻值高。其电阻值较铂热电阻高出1

19、4个数量级,结构简单，体积小，热惯性小。,热敏电阻的结构 (a)珠形热敏电阻 (b)玻璃壳层热敏电阻 (c)高温热敏电阻 1感温元件（金属氧化物烧结体）； 2引线（铂丝）；3玻璃壳层；4杜美丝；5耐热钢管；6氧化铝保护管；7耐热氧化铝粉末；8玻璃粘结密封,图2-42 热敏电阻的结构形式 (a)圆片形 (b)薄膜形 (c)杆形 (d)管形 (e)平板形 (f)珠形 (g)扁圆形 (h)垫圈形 (i)杆形（金属帽引出）,(3)热电阻的结构,标准铂热电阻,1、电阻体 2、骨架 3、引线 4、保护套管,普通型热电阻,l出线孔密封圈 2出线孔螺母 3链条 4盖5接线柱 6盖的密封圈 7接线盒 8接线座9

20、保护管 10绝缘管 11内引线 12感温元件,普通型热电阻,(a)两线制 (b)三线制 (c)四线制 一接线端子 R一感温元件 A、B一接线端子的标号,铠装热电阻,(a)三线制热电阻 (b)四线制热电阻 l不锈钢管 2感温元件 3内引线 4氧化镁绝缘材料,薄膜铂热电阻,厚膜铂热电阻,2.3.3 热电阻测温系统,1手动电位差计测量法,三线制热电阻,四线制热电阻,2手动电桥测量法,（1）二线制热电阻,72,（2）三线制热电阻,（3）四线制热电阻,3动圈式仪表测量,3自动平衡电桥,2.3.4 热电阻的校验,1比较法,（1）校验设备,（2）校验方法,2定点法,78,t,A,B,现有E分度号的热电偶、温

21、度显示仪表，它们是由相应的补偿导线连接，如右图所示。已知测量温度t=800,接点温度 =50，仪表环境温度t0=30。如将补偿导线换成铜导线，仪表指示为多少？,如果将两根补偿导线的位置对换，仪表的指示又为多少？,79,A,B,t,解：当补偿导线都改为铜导线时，热电偶的冷端便移到了50处，故仪表的输入电势为,查分度表可得，此时仪表的指示是784.1，只有将机械零位调到50，才能指示出800。,80,若两根补偿导线反接，线路电势为,A,B,t,再加上机械仪表的零位调整，则,这时仪表指示为t=768.3,由此可见，补偿导线接反了，仪表指示将偏低，偏低的程度与接点处的温度有关，所以补偿导线和热电偶的正

22、负极不能接错。,81,求回路中的热电势,判定热电流方向.,多导体的热电偶回路,是由多个独立热电势串联而成. 每个独立热电势由每个接点连接的两根导体形成. 接点i的温度为热端ti,冷端温度则为虚拟的t0,独立热电势为E(ti,t0). 回路的总热电势是由各独立热电势按叠加原理共同作用的结果.,虚拟的参比端温度,t2,10 C,t3,60 C,t1,600 C,镍铬 (A),镍硅 (B),考铜 (C),82,t2,10 C,t3,60 C,t1,600 C,镍铬 (A),镍硅 (B),考铜 (C),答：（略）,0.646,0.397,24.902,4.050,2-4. 非接触式温度计,非接触测温利

23、用光辐射来测量物体温度 1、任何物体温度高于绝对零度（-273.16C）时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。 2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。 3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。,2.辐射测温特点： 非接触测量 - 不影响被测温度分布 响应速度快：对高速运动物体测温。 灵敏度高，能分辨微小的温度变化； 测量范围广(-101300C)； 抗干扰能力强，无需修正。,2.4.1 热辐射测温基本原理,1黑体（全辐射体）的热辐射,式中，

24、波长，m ； T 黑体温度，K ； c1 第一辐射常数，3.74210-16 Wm2； c2 第二辐射常数，1.438810-2 WK；,原理：物体在不同温度下的辐射能量不同（普朗克定律）,温度升高： 单色辐射强度随温度升高而增加； 总辐射能量增加； 峰值波长减小。,每一条曲线下的面积表示该温度下物体辐射能量的总和，与温度的四次方成正比。,斯忒藩玻耳兹曼定律,2实际物体（非黑体、非全辐射体）的热辐射,实际物体的光谱发射率和发射率的值在01之间，均不为常数，其实际值的大小与物体的材料性质、表面状态以及温度有关，还随波长的变化而变化，即使在波长和温度相同的条件下，同一种材质制成的具有不同表面状态的

25、物体，其光谱发射率也可能不同。,2.4.2 光谱（单色）辐射高温计,1光谱辐射高温计的原理,优点：结构简单，使用方便，测温范围广（7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。 缺点：人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速 测量和自动记录，且测量结果带有主观性。,将物体辐射的单色亮度和仪表内部的高温灯泡灯丝亮度比较。利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。,2光学高温计(灯丝隐灭式光学温度计),3光电高温计,优点:,灵敏度高、准确度高、响应时间短、使用波长范围不受人眼睛光谱敏感度的限制，测温下限可向低温扩展、便于自

26、动测量与控制以及能自动记录或远距离传送,光电高温计与光学高温计相比，主要优点有： 灵敏度高 精确度高 使用波长范围不受限制 光电探测器的响应时间短 便于自动测量与控制,4使用光谱辐射高温计的注意事项,（1）非黑体辐射的影响。,（2）中间介质的影响。,（3）对被测对象的限定。,（4）环境温度的影响。,（5）反馈灯与光电器件互换性的影响。,2.4.3 全辐射高温计,辐射温度计是根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效应进行工作的。 辐射温度计由辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辅助装置等几大部分组成。 辐射温度计与光学高温计一样是按绝对黑体进行温度分度的，因此用它测量非绝对黑体的具体物体温度时，仪表

27、上的温度指示值将不是该物体的真实温度，我们称该温度为此被测物体的辐射温度。,辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏型两大类 光电型 热敏型,图 全辐射高温计的构造示意图 1物镜；2光阑；3铜壳；4玻璃泡；5热电堆；6铂黑片；7吸收玻璃；8目镜；9小孔；10云母片,被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求： L/D（传感器前端面到被测对象表面的距离与被测对象的有效直径之比） 进行正确瞄准，使目标的像充满接收器，不能偏离，否则也会产生误差。,辐射高温计光学系统的作用是聚集被测物体的辐射能。其形式有透射型和反射型两大类。 辐射高温计的测量仪表按显示方式可分为自动平衡式、动圈式和数字式三类。 辐射高温计的辅助装置主要包括水冷却和烟尘防护装置。与光学高温计相比较，辐射高温计的测量误差要大一些。,2.4.4 比色高温计,比色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长1和2的亮度比等于被测辐射体在相应波长下的亮