第四章温度测量01.ppt

1、第四章 温度测量*概述,1.温度测量的重要性 2.温度的测量方法：计量某些与温度相关的物理量 3.温度计的分类 (1) 接触式测温 特点：要求感温元件侵入被测介质或与被测对象 直接接触，并且与被测介质达到热平衡。 优点：价廉、系统简单易于实现、可靠性好； 缺点：干扰流场或破坏被测表面、频响低、测温 范围有限、测量高温高速介质误差大。,第四章 温度测量*概述,种类：膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶温度 计等。 (2) 非接触式测温 特点：感温元件与被测对象不直接接触。 优点：不干扰流场和被测对象表面、灵敏度高、响应快、测温范围广尤其适于测高温； 缺点：对封闭壳体内部对象不易实现、影响测温精 度因

2、素多、系统相对复杂、价格相对较高。 种类：光学高温计、红外测温仪等。,第四章 温度测量*概述,4.温标 (1) 常用温标：热力学温标T（K）、 摄氏温标t(C)、华氏温标t(F) (2) 换算关系： t(F)=9/5 t(C)+32 F T (K)=273.15 + t(C) 5.本章主要内容 测温仪表：电阻温度计、热电偶、示温漆、亮度温度计、比色高温计、红外热像仪等； 测温对象：气体（高温、高速气体）、固体表面； 校准：静态标定和动态校准。,4.1热电偶温度计 热电偶测温原理,热电效应：不同材料导体、闭合回路、接点温度不同,热电偶：两种不同材料构成的这种热电变换元件,热电极：构成热电偶的两种

3、不同材料的导体,热端：接点之一，也称为工作端或测量端,冷端：接点之二，也称为自由端或参考端,1. 热电效应,热电偶温度计 热电偶测温原理,接触电势eAB,温差电势eA(T,T0),热电偶温度计 热电偶测温原理,总热电势=接触电势+温差电势,热电偶温度计 热电偶测温原理,热电偶分度表：参考端温度为0 时，热电势与测量端温度t的一一对应关系,如参考端温度一定：,如热电偶材料一定：,2. 热电偶基本性质, 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶的材料及两端接点的温度有关；与热电偶的长度、粗细、形状无关。, 只有用不同性质的材料才能组合成热电偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、B两种导体是同一种材料时

4、， ln（NA/NB）=0，所以EAB（T，T0）=0。, 只有当热电偶两端温度不同时，不同材料组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶也不产生热电动势，即EAB（T，T0）=0。, 导体材料确定后，热电动势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）=常数，则回路热电动势EAB（T， T0 ）就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的基本原理。, 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，若各接点温度分别为T1、T2TN ，闭合回路总的热电动势为：,热电偶温度计 热电偶回路的性质,1、均质材料定律 由一种均质材料组成的闭合回路，不论导

5、体的截面、长度及各处温度分布如何，也不论两个接点是否有温差，都不会产生热电势，即回路中的总热电势为零。 均质：温度变化10C热电势变化0.005mV以内。,热电偶温度计 热电偶回路的性质,2、中间导体定律 在热电偶回路中，插入第三种（或多种）均质导体，只要插入导体两端温度相同，则对热电偶的总热电势没有影响。,热电偶温度计 热电偶回路的性质,中间温度定律,热电偶温度计 热电偶回路的性质,连接导线定律,如果连接导线不是AB而是AB ，可以证明,热电偶温度计 热电偶回路的性质,补偿导线：在一定温度范围内，其热电特性与被连接的热电偶的热电特性相接近的连接导线，称为该热电偶的补偿导线。 补偿导线的作用：

6、 (1) 将热电偶参考端从温度波动的地方(tn)延伸到温度稳定的地方(t0)。 (2) 节省贵金属材料,如tn在一定范围内变化时，AB的热电特性与AB 的热电特性接近，则,热电偶温度计 热电偶材料,热电偶材料应满足的条件 (1) 有较高的热电势输出，线性好； (2) 测温范围宽，物理、化学及热电特性稳定； (3) 电导率要高，电阻温度系数和比热小； (4) 易于复制，工艺性及互换性好，便于采用统一的分度表； (5) 机械性能和焊接性能要好; (6) 资源丰富价廉。,热电偶温度计标准化热电偶,定义：工艺成熟、应用广泛、热电特性稳定，并已列入工业标准化文件中，有统一分度表的那些热电偶。 (1) 铂

7、铑10-铂热电偶S型 优点：热电特性稳定，抗氧化性能好，便于复制，可用于精密测温及作为标准热电偶； 缺点：价格较贵，机械强度稍差，热电势小，灵敏度较低，在还原性气氛及二氧化碳、硫、硅和碳所产生的蒸气中易被沾污变质，需加保护管； 测温范围：01600 C； 正负极识别：正极较硬，负极柔软。,热电偶温度计标准化热电偶,(2) 铂铑30-铂铑6热电偶B型 优点：与S型热电偶相比，稳定性更好，测温上限 更高，而且抗沾污能力好，机械强度好，由于室温下其热电势极小，故一般不需要参考端温度补正； 缺点：价格比S型更贵，热电势更小，灵敏度更低； 测温范围：6001800 C； 正负极识别：正极较硬，负极稍软。

8、,热电偶温度计标准化热电偶,(3) 镍铬-镍硅热电偶K型 优点：热电特性呈近似线性关系，热电势率大，灵 敏度高，价廉，机械强度好。500 C以下可在还原、中性和氧化性气氛中可靠地工作。丝径范围大； 缺点：500 C以上只能在中性和氧化性气氛中工作； 测温范围：室温1300 C； 正负极识别：正极不亲磁，负极稍亲磁。,热电偶温度计标准化热电偶,(4) 铜-康铜热电偶T型 优点：热电势率大，热电特性较好，易复制、价廉； 缺点：易氧化，使用温度不宜超过300 C。 测温范围：-200300 C； 正负极识别：正极红色，负极银白色。,热电偶温度计非标准化热电偶,(1) 钨铼系热电偶(钨铼5-钨铼20、

9、钨铼5-钨铼26、钨 铼3-钨铼25等) 特点：超高温热电极材料，热电极本身使用温度可达2800 C。热电特性几乎呈线性、灵敏度高。但抗氧化性能差。 (2) 铱铑系热电偶(铱铑40-铱、铱铑50-铱、铱铑60-铱等) 特点：是目前在真空和中性气氛中，特别是氧化性气氛中唯一可长期测量2000 C高温的热电偶。,热电偶温度计热电偶的基本结构,(1) 裸丝 (2) 带包皮热电偶 塑料包皮：耐温100 C以下； 氟塑料包皮：耐温300 C以下； 玻璃丝包皮：耐温500 C以下； 石英包皮：耐温900 C以下。,1-接线盒；2-保护套管；3-绝缘套管；4-热电偶丝,热电偶温度计热电偶的基本结构,要求：

10、(1) 在整个测温范围内能可靠地工作； (2) 有足够的绝缘电阻及电绝缘强度； (3) 有足够的机械强度、耐振和耐热冲击等。,热电偶温度计热电偶的基本结构,铠装热电偶 a. 结构：热电偶丝、绝缘材料、金属套管三者组 合冷加工，由粗坯逐步拉制而成； b.特点 优点：尺寸小，测量端热容小，动态响应快；机械强度好，能耐高压、耐强震动、耐冲击；挠性好； 缺点：绝缘材料易吸潮，断口处要立即用环氧树脂封口，使用前要烘烤，并检查绝缘性能；如太硬，还要进行退火处理。,热电偶温度计热电偶的基本结构,结构：由两种金属薄膜连接而成。有片状、针状和热电极材料直接蒸镀在被测表面上三种形式。 特点：测量端小而薄，约为0.

11、010.1m。故响应快，时间常数为微秒级。测温上限受粘接剂耐热性的影响，一般到300 C,(4) 薄膜热电偶,1-热电极；2-热接点；3-绝缘基板；4-引出线,热电偶温度计 热电偶参考端温度处理,(1) 冰点法保持参考端温度为0C,1冰水混合物； 2保温瓶； 3油类或酒精； 4蒸溜水； 5试管； 6盖； 7铜导线； 8显示仪表,热电偶温度计 热电偶参考端温度处理,(2) 参考端温度t0为不等于0C的定值,(a) 热电势修正法,(b) 调整仪表起始点法,热电偶温度计 热电偶参考端温度处理,(3) 参考端温度t0波动时的补偿方法 a. 补偿导线法 作用：将参考端从温度波动的地方延伸到温度较低而且较

12、稳定的新位置； 标准热电偶配对补偿导线： S、B型铜-铜镍或B型用铜线； K型补偿型为铜-铜镍，延伸型为本身； T型为铜-铜镍。 注意事项： 必须配对使用；极性切勿接反；两连接点温度必须相同，且不超过规定的温度范围。 既然延伸型补偿导线材料与热电偶本身一样，为何还要使用补偿导线？,第二节 热电偶温度计 2.5 热电偶参考端温度处理,b. 冷端温度补偿器,根据中间温度定律,原理：根据电桥平衡原理，让电桥在20 C时达到平衡，当偏离20 C时，电桥输出,热电偶温度计 热电偶参考端温度处理,c. 温度补偿盒 作用：在不需要外部电源的情况下，为多点热电偶参考端提供均匀的、稳定的、已知的温度场。高精度铂

13、电阻温度计置于该装置内，用来修正热电偶参考端的温度。 主要技术指标： 温度均匀性：各通道间温差小于0.2 C； 绝缘电阻：各通道之间，通道对地，500M； 使用环境温度：-40 C+60 C。,热电偶温度计热电偶测温回路,热电偶温度计差动热电偶,注意：(1) 两支热电偶补偿导线延伸出来的新冷端温度必须相同；(2) 两支热电偶的热电势E和温度T之间的关系必须呈线性。,热电偶温度计热电偶并联测量线路,目的：用于测量多点温度的平均值。,注意：只有当三支热电偶均工作在线性部分时，该电势平均值才能代表各点温度的平均值,热电偶温度计 热电偶的校验,目的：保证和提高热电偶精度； 方法：定点法和比较法。 定点

14、法：利用纯金属(如金、银、锌、锑、铜等) 在熔化或凝固过程中，其平衡点具有固定不变的温度作为检定标准，对被检热电偶进行分度。 比较法：利用高一级的标准仪器，在电阻炉或恒温槽中直接比较的一种分度方法。,热电偶温度计 热电偶的校验,热电偶温度计 热电偶的校验,热电偶温度计 热电偶测温系统的误差分析,(1) 热电阻偶分度误差1,(2) 补偿导线误差2,(3) 冷端线补偿器误差3,(4) 测量仪表的基本误差4,电阻温度计 概述,(1) 定义：利用导体或半导体的电阻值随温度变化 的性质来测量温度的温度计叫电阻温度计。 (2) 分类：热电阻、热敏电阻。 a.热电阻 定义：感温元件是导体。 温度特性：随着温

15、度的升高电阻值升高。一般温度 每升高1 C，电阻值升高0.40.6%。,电阻值与温度之间的关系为：,电阻温度计 概述,b.热敏电阻 定义：感温元件是半导体。 温度特性：随着温度的升高电阻值下降。一般温度 每升高1 C，电阻值下降36%。 电阻值与温度之间的关系为：,电阻温度计 概述,(4) 特点 优点：性能稳定、灵敏度高、精度高、无参考端温度补偿问题、测温系统简单、适于中低温测量。 缺点：一般热惯性较大、不能测点的温度、精度受导线电阻影响。 (5) 常用电阻温度计 铂热电阻、铜热电阻,(3) 材料要求 在测温范围内化学及物理性能稳定，电阻温度系数大、热容量小、电阻与温度之间的关系近于线性、容易

16、复制和价格便宜等。,电阻温度计 铂热电阻,(2) 温度系数：=0.003850 C -1 (3) 常用铂电阻温度计：Pt100和Pt10 (4) 常用温度范围： 200850 C (5) 允差：A级(0.15+0.002|t|)、B级(0.3+0.005|t|) (6) 优点：化学物理性能稳定、测温精度高、易复制； 缺点：价格相对昂贵、不易在还原气氛中使用。,(1) 温度-电阻关系,电阻温度计 铜热电阻,(1) 温度-电阻关系：Rt=R0(1+t) (2) 温度系数：=0.004280 C -1 (3) 常用铜电阻温度计：Cu100和Cu50 (4) 常用温度范围： -50150 C (5)允

17、差：0.1% R0 (6) 优点：电阻与温度有良好的线性关系、温度系数比铂大、易复制、价廉； 缺点：易氧化、温度范围小、尺寸大、响应较慢,电阻温度计 热敏电阻,热敏电阻是由氧化锰、氧化镍、氧化铁等金属氧化物烧结而成的。 (1) 温度-电阻关系：,(4) 优点：温度系数大、灵敏度高、不受引线电阻影响便于远距离测量、可制成任意大小和形状、薄膜热敏电阻的响应可到毫秒量级；缺点：无统一分度表、非线性严重、互换性差、不适于高温测量。,(2) 温度系数：=-B/T2,(3) 常用温度范围： -170300 C,电阻温度计 热电阻的结构,1-引出线；2-铂丝；3- 云母骨架；4-保护用云母片；5-银绑带；6

18、-铂电阻横截面；7-保护套管； 8-石英骨架；9-法兰；10-接线盒,(b) 铜电阻,1- 引线；2-塑料骨架； 3-铜线；4-内保护套管； 5-外保护套管,(a) 铂电阻,电阻温度计 热电阻测量电路,平衡电桥法 (1) 两线制,电桥平衡时:,由于ra和rb受环境温度影响，因而无法精确测出Rt，从而带来测量误差。,电阻温度计 热电阻测量电路,电桥平衡时: Rt+ra=(R3+rb)R2/R1 =R3+rb； 其中： R1 =R2， ra=rb=rc 则：Rt=R3 示值精度：0.5级 记录精度：1.0级,(2) 三线制,电阻温度计 热电阻测量电路,动圈式仪表,原理： 国产动圈式仪表的型号为XC

19、Z102，精度为1.0级。 注意事项：不允许在断开热电阻时接通动圈式仪表的电源，不然，会因动圈内有过大电流而损坏仪表。,电阻温度计热电阻测量电路,电位差计,电阻温度计热电阻测量电路,恒流源法,特点：恒流源内阻高，可不计导线电阻的影响。精度只取决于恒流源的精度。,电阻温度计 热电阻测温系统误差分析,(1) 热电阻分度误差1 (2) 自热效应误差2 (3) 导线电阻变化带来的误差3 (4) 显示仪表的基本误差4,接触式测温技术及误差分析 概述,接触式测温感受元件输出被测对象温度的两个必须满足的条件： 热力学平衡：感受元件与被测对象组成热力学孤立系统，并达到热平衡。 响应速度：响应能够无延迟地跟随被

20、测对象温度的变化而变化，即要使温度计的热容和热阻都为零。,接触式测温技术及误差分析 概述,解决办法： (1) 分析被测对象，选择合理的测温技术，尽可能地减小各种影响测温准确度的因素； (2) 通过对各种影响因素的分析，使用简化的模型来对温度计的输出进行一些近似的修正，以获得准确的温度值。,流体温度测量接触式测温技术的一般问题及热平衡方程,(2) 测量端与周围环境 之间的辐射换热,(3) 测量端的导热,测量端与气流之间 的对流换热,流体温度测量接触式测温技术的一般问题及热平衡方程,(4) 测量端的储热,测量端的热平衡方程式为:,即有：,从而得到：,流体温度测量影响接触式测温的因素,传热方面的原因

21、：包括辐射和导热误差； 气动原因：速度误差； 动态响应原因：动态响应误差； 催化效应和火焰稳定效应：,气体温度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,总温：气流速度绝能等熵滞止到零时的温度。,其中：T为静温，代表气体分子无序运动的动能； Tv为动温，表示气体分子定向运动的动能。,由于气流静温不容易测量，通常都是通过测量总温与速度来求得。,气体温度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,气体动力学函数：,马赫数与速度系数之间的关系为：,气体温度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,有效温度Tg：当温度探针置于气流中时，它感受到的温度由于气流部分滞止而高于静温，但又不能完全滞止而低于总温，此温度称为有

22、效温度。 复温系数：,速度误差：,气体温度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,影响速度误差的因素 (1) 复温系数越小，速度误差越大； (2) Ma数越高，速度误差越大。 减小速度误差的措施 (1) 采用滞止罩，并使测量端平行于气流方向； 目的：使流过测量端的气流速度降低到一定程度，从而使速度误差减小到允许范围之内而予以忽略。一般讲，当流过测量端的气流Ma数 0.2时，可忽略速度误差。,气体温度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,气体温度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,(2) 用实验方法测出复温系数r值，在已知Ma数下，计算出静温和总温，从而求出速度误差，对测温结果进行修正。,气体温

23、度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,复温系数的测定,气体温度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,气体温度测量 高速气流温度测量及速度误差分析,难点： (1) 被校热电偶只有速度误差即Tg=Tj； (2) 测准T*-Tg：采用温差法。,气体温度测量 高温气流温度测量及辐射误差分析,辐射误差：由于测量端与环境之间的辐射换热，引起测量端温度Tj偏离气流有效温度 Tg的误差。,(1) 减小辐射误差的具体方法 a. 减小测量端与其“可视”壁面的温差：最简单而有效的办法是对测量端加装屏蔽罩。,气体温度测量 高温气流温度测量及辐射误差分析,气体温度测量 高温气流温度测量及辐射误差分析,b. 增大对流换

24、热系数,对于气流绕流球形测量端的换热情况，可实验求得B=0.33；m=0.6，此时,c. 提高壁温,d. 减小热电极的黑度,气体温度测量 高温气流温度测量及辐射误差分析,(2) 辐射误差的校准与估算,式中：Krad为辐射修正系数，由实验确定；Ma为气流马赫数；p为气流静压；p0为参考静压，取0.1MPa；T0为参考温度，取555K；Tj为传感器指示温度；Tw为气流管道壁面温度。,气体温度测量 导热误差分析,导热误差：由于测量端与热电偶安装座之间的温差，使得测量端沿热电极及支杆导热而造成的测量误差。 根据无限长枢轴热传导理论，在稳态且忽略辐射换热的条件下：,减小导热误差的具体措施： (1) 增大

25、L/d：,对于裸丝支杆式热电偶，可用“侵入总直径数”的概念来考虑侵入长度的影响，以把实验数据加以推广。裸丝支杆式热电偶的“侵入总直径数”为,只要侵入的总直径数相同，则不同尺寸的热电偶的导热误差也大致相同。对高Re数，L/d10时，导热误差就比较小了。但当Re数很低，而且准确度要求较高时，则要求L/d20。,气体温度测量 导热误差分析,(2) 选用导热系数小的材料做热电极、绝缘套管、支杆及屏蔽罩等，以增加导热热阻； (3) 增大对流换热系数； (4) 提高安装座温度。,气体温度测量 导热误差分析,气体温度测量 动态气流温度测量及动态误差分析,动态温度测量：气流温度随时间变化的不稳定状态的温度测量

26、。 动态响应误差：由于热电偶本身具有热惯性，所以热电偶测量端温度Tj的变化不但在时间上滞后于Tg的变化，而且在量值上也将偏离Tg，其偏差（Tg-Tj）即为热电偶的动态响应误差。 热平衡方程式：,令时间常数：,动态响应误差：,气体温度测量 动态气流温度测量及动态误差分析,气体温度测量 动态气流温度测量及动态误差分析,时间常数 的测定 (1) 热电偶对温度阶跃的响应,第三节 气体温度测量 3.5 动态气流的温度测量,通过对动态响应误差公式积分得到：,当t= 时：,或,(2) 参考时间常数：,气体温度测量 动态气流温度测量及动态误差分析,减小动态响应误差的方法,(1) 采用尺寸较小和V/A0较小的测

27、量端；,(2) 增大换热系数；,(3) 控制导热的影响,气体温度测量 催化效应及火焰稳定效应,催化效应：可燃气体遇到贵金属时，会在贵金属的催化作用下进行燃烧，从而使测量端温度偏高。 影响催化效应的主要因素有： (1) 热电极材料和燃气的成分及浓度； (2) 燃气温度； (3) 气流速度； (4) 热电极表面状况。,气体温度测量 催化效应及火焰稳定效应,火焰稳定效应：当热电偶插入燃气时，由于其下游形成低速回流区，因此就可能形成稳定的火焰，从而使测量端温度偏高。 热电偶的火焰稳定效应所引起的偏差，将随燃气浓度、温度及热电偶直径的减小而减小。在一般情况下，这种效应可不予考虑。,总温热电偶的设计设计原则,总温热电偶：在热电偶的结构上采取一定措施，把热电偶的速度误差、传热误差和动态响应误差减小到允许的误差范围之内，使测温时能直接读取气流总温的热电偶。 减小误差的主要措施为： (1) 装滞止罩，降低罩内气流速度以减小速度误差 (2) 装屏蔽罩及增加罩内气流速度以减小辐射误差 (3) 增加裸丝侵入长度及增加流过测量端的气流速度以减小导热误差；,(4) 减小测量端尺寸及其体积V和表面积A0的比值V/A0，并增加流过测量端的气流速度以减小动态响应误差。,总温热电偶的设计设计原则,总温热电偶设计需考虑的主要