热能与动力工程测试技术 第3版 教学课件 作者 俞小莉 电子课件 第4章 温度测量 黄老师

第4章温度测量4.1概述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，温度是物体内部分子运动平均动能大小的一个度量标志，它也是热能与动力机械中经常要测量的物理量。用来度量温度高低的尺度称为温度标尺，简称“温标”，它规定了温度的零点和基本测量单位。目前用得较多的温标有热力学温标、国际实用温标、摄氏温标和华氏温标。1.温标的定义或tc为摄氏温度（℃）；tF为华氏温度（℉）热力学温标符号为T，单位为开尔文（K）。规定水的三相点（即水的固、液、气三态共存时）的温度为273.16K。绝对温标T与摄氏温标t的关系为第4章温度测量4.2接触式测温计1.膨胀式测温计原理：物质的体积随温度升高而膨胀a.玻璃液体温度计基于液体在透明玻璃外壳中的热膨胀作用，其测量范围取决于温度计所采用的液体。Attention1）零点漂移2）露出液柱的校正式中，n为露出部分液柱所占的度数（℃）；为工作液体在玻璃中的视膨胀系数（水银≈0.00016）；tB为标定分度条件下外露部分空气温度（℃）；tA为使用条件下外露部分空气温度（℃）。第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术非接触式热辐射温度计利用测定物体辐射能的方法测定温度。由于它不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温度场，且动态响应好，因此可用于测量非稳态热力过程的温度值。此外，它的测量上限不受性质的影响，测量范围大，特别适用于高温测量。1.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。绝对黑体的单色辐射强度E0λ为式中，C1＝3.68×10-16W/m2为普朗克第一辐射常量；C2=1.438×10-2m·K为普朗克第二辐射常量；λ为波长（m）；T为黑体的热力学温度（K）。所有波长全部辐射出射度的总和（绝对黑体的全辐射定律）：式中σ0＝5.67×10-12W/（cm2·K4），为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。第4章温度测量4.2接触式测温计b.压力式温度计压力式温度计是基于密闭系统内的气体或液体受热后压力变化的原理而制成的，它由温包、毛细管和弹簧管所构成的密闭系统和传动指示机构组成，其结构示下图所示。根据所充工质的不同，压力式温度计可分三种：1－指针2－刻度盘3弹簧管4－连杆5－传动机构6－毛细管7－温包8－感温工质（1）蒸汽压力式温度计（2）液体压力式温度计（3）气体压力式温度计第4章温度测量4.2接触式测温计c.双金属温度计原理：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常用双金属温度计示意图第4章温度测量4.2接触式测温计2.热电阻测温计原理：导体或半导体的电阻值随温度变化而变化。热电阻材料常用的有铂热电阻和铜热电阻两类。下图为铂热电阻温度计示意图。铂热电阻长期使用的温度范围是-200～500℃，铜热电阻长期使用的温度范围是-30～100℃。1－显示仪表2－引出线3－铂丝4－骨架5－感温元件第4章温度测量4.2接触式测温计3.热电偶测温计a.热电效应和热电偶的基本定律热电偶原理：如下图所示，两种不同的导体A和B组成闭合回路，若两连接点温度T和T0不同，则在回路中就产生热电动势，形成热电流，这一现象称为热电现象。A、B两导体称为热电极，它们的组合称为热电偶，接触热场的T端称为工作端，另一端称为自由端。热电偶输出电动势的大小取决于两种金属的性质和两端的温度，与金属导线的尺寸、导线途中的温度和热电动势测量点在电路中所处位置无关，因此，热电偶可用于温度的测量。热电偶原理第4章温度测量4.2接触式测温计热电偶的基本性质可归结为以下四条基本定律：1）均质材料定律由一种材料组成的闭合回路，无论截面是否变化，也不论在电路内存在什么样的温度梯度，电路中都不会产生热电动势。反之，如果回路中有热电动势存在，则材料必为非均质的，这条规律由热电效应的定义就可说明。2）中间导体定律插入第三种（或多种）导体不会使热电偶的热电动势发生变化。在热电偶中插入第三种导体C，导体C两端温度相同第三种导体插在一种导体的中间3）中间温度定律第4章温度测量4.2接触式测温计在两种不同材料组成的热电偶回路（如下图）中，接点温度分别为t和t0，热电动势EAB（t，t0）等于热电偶在连接点温度为（t，tn）和（tn，t0）时相应的热电势EAB（t，tn）和EAB（tn，t0）之和，即：4）电极定律如果两种导体A和B分别与第三种导体C组合成热电偶AC和BC的热电动势已知，则可求出由这两种导体A、B组合成热电偶AB的热电动势为：第4章温度测量4.2接触式测温计b.常用热电偶的材料热电偶属性铂铑10-铂热电偶(S型)属于贵金属热电偶，S型热电偶测量精度高，理化性能稳定，长期最高使用温度为1300℃，短期使用时测温上限可达1600℃，适于在氧化或中性气氛中使用。其缺点是在高温还原介质中容易被侵蚀和污染，热电动势较小，因此灵敏度较低。铂铑30-铂铑6热电偶(B型)属于贵金属热电偶，B型热电偶测量精度高，测温区域宽，使用寿命长，测温上限高，长期最高使用温度为1600℃，短期使用时测温上限可达1700℃，适于在氧化或中性气氛中使用。其缺点是灵敏度较低、高温下机械强度下降，价格昂贵。镍铬-镍硅热电偶(N型)属于贱金属热电偶，N型热电偶使用范围为-200℃～1300℃，价格低廉、灵敏度较高、测温重复性好、高温下抗氧化能力强，是应用较广的一种热电偶。缺点是在还原性介质或含硫化物气氛中容易被侵蚀。铜-康铜热电偶(T型)属于贱金属热电偶，T型热电偶测温范围-200℃～350℃，价格低廉、测量精度高、稳定性好、灵敏度较高。缺点是正极铜在高温下抗氧化性能差，上限温度低。镍铬-镍硅热电偶（K型）属于贱金属热电偶，T型热电偶测温范围-200℃～1300℃，线性度好，热电动势大，灵敏度较高，稳定性较好，抗氧化能力强，价格便宜能用于氧化性、惰性气氛中，但是不能直接在高温下用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中和真空中。镍铬-康铜热电偶（E型）属于贱金属热电偶，E型热电偶测温范围-200℃～900℃,其灵敏度在这六种热电偶中最高，价格也最便宜，应用前景非常广泛。缺点是抗氧化及抗硫化物的能力较差，适于在中性或还原性气氛中使用。第4章温度测量4.2接触式测温计c.常用热电偶的结构（1）普通工业热电偶工业热电偶结构图1－接线盒2－绝缘套管3－保护套管4－热电偶丝常用工业热电偶的结构如左图所示，它由热电偶丝4、绝缘套管2，保护套管3和接线盒1等组成。绝缘套管大多为氧化铝或工业陶瓷管。保护套管在测量高温（1000℃以上）时多用金属套管，测量低于1000℃温度时可用工业陶瓷或氧化铝，保护套管有时不用，以减少热惯性，提高测量精度。第4章温度测量4.2接触式测温计（2）铠装热电偶铠装热电偶结构1－热电极2－绝缘材料3－套管有时为了满足一些测量的特殊需要，要求热电偶具有惯性小、结构紧凑、牢固、抗振、可挠等特点，这时可以采用铠装热电偶。其结构形式如上图所示。铠装热电偶分为单芯和双芯两种。它是由金属保护套管3、热电极1和绝缘材料2三者组合而成的一种特殊结构形式的热电偶。这种热电偶可以做得很细、很长，且可以弯曲。第4章温度测量4.2接触式测温计（3）薄膜热电偶薄膜式热电偶示意图1－热电极2－热接点3－绝缘基板4－引出线采用真空蒸镀或化学涂层的方法将热电偶材料沉积在绝缘基板上制成的热电偶称薄膜热电偶，其结构如左图所示。这种热电偶适用于壁面温度的快速测量。由于采用了蒸镀技术，热电偶可以做得很薄，达到微米级。常用的热电极材料有镍铬－镍硅、铜－康铜等。使用温度范围一般在300℃以下。第4章温度测量4.2接触式测温计4.温度计的校验为了保证温度测量的准确性，必须对温度计定期进行校验。对于不同的温度计，由于其工作原理、使用环境和产生测量误差的原因都不尽相同，所以采取的校验方法也不同。以下分别介绍热电阻和热电偶的校验方法。a.热电阻温度计的校验（1）比较法将标准水银温度计或标准铂电阻温度计与被校热电阻温度计一起插入恒温源中，在规定的几个温度点下读取标准温度计和被校温度计的示值并进行比较，其偏差不得超过规定的最大误差。（2）两点法一般工业热电阻温度计可以只校验０℃时的电阻值R0和100℃时的电阻值R100，并检查R100/R0是否符合规定。测试时，先在冰点槽内放置30分钟进行电桥平衡，然后在水沸点槽内放置30分钟再进行电桥平衡。在读数值时，应当注意两个热电阻是否在相同的温度条件下。在取得读数以后，用下列计算R100/R0：第4章温度测量4.2接触式测温计上式中，（R100/R0）B为标准热电阻值，此值可由有关标准中查得；AK为放置在水沸点槽内时的电桥读数；A0为放置在冰点槽内时电桥读数。b.热电偶温度计的校验热电偶在初次使用前需要进行分度，以确定热电动势和温度的对应关系。另一方面，热电偶在使用一段时间后，由于氧化、腐蚀、还原等因素的影响，原分度值会逐渐产生偏差，使测量准确度下降，因此，热电偶需要定期校验。热电偶校验温度点分度号热电偶材料校验点温度（℃）S铂铑10－铂600、800、1000、1200K镍铬－镍硅400、600、800、1000E镍铬－康铜300、400、500、600第4章温度测量4.2接触式测温计热电偶的校验装置如下图所示，它由交流稳压电源、调压器、管式电炉、冰点槽、切换开关、直流电位差计和标准热电偶等组成。1－管式电炉2－被校热电偶3－标准热电偶4－铜导线5－切换开关6－直流电位差计7－玻璃温度计8－冰点槽9－试管10－稳压电源和调压器第4章温度测量4.2接触式测温计5.接触式温度测量误差1）热力学平衡条件：使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，使二者完全达到热平衡。2）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，即要使传感器的热容和热阻为零。满足条件测温 误差a.感温元件传热的基本情况热量来源被测介质传给感温元件的热量由于感温元件阻挡流动介质而在其附近发生气流绝热压缩，因而使流体的动能转变为热能散热途径由感温元件向周围冷壁的辐射散热和传热沿着感温元件向外部介质的传导散热第4章温度测量4.2接触式测温计b.安装误差以测量管道内流体温度为例，感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）。若无法做到这一点，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（即90°）（图c）。应尽量避免与被测介质形成顺流。测温元件的安装（1）测温元件安装的基本要求第4章温度测量4.2接触式测温计例不用保护管时，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测温元件时，可装置扩大管，如下图所示。安装温度计的扩大管第4章温度测量4.2接触式测温计（2）安装方式不同引起误差实例下图为因测温元件在管道中的安装方式不同而产生误差的例子。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）由于插入深度过浅，露在大气中不保温的部分过长，测量误差最大；而位置（c）和（d）介于两者之间。热电偶的安装方式不同引起的误差第4章温度测量4.2接触式测温计（3）热电偶与被测表面接触方式不同引起的误差常用的热电偶与被测表面接触方式有四种，如下图示。图a为点接触式，热电偶的测量端接点直接与被测表面接触。图b为面接触式，先将热电偶的测量端接点与导热性能良好的金属薄片（如铜片）焊接在一起，然后再与被测表面接触。图c为等温线接触式，即热电偶测量端接点固定在被测表面后，再沿着被测表面等温线绝缘敷设至少20倍线径的距离，然后引出。图d为分立接触式，两个热电极分别与被测表面接触。由于等温线接触式的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；点接触式因导热损失全部集中在一个接触点上，热量不能得到充分的补充，故测量误差最大。因为面接触式热电偶丝的热损失由导热良好的金属补偿，故测量误差比点接触式小。第4章温度测量4.2接触式测温计c.辐射引起的误差因温度计的感温元件在测量气体温度时存在着辐射传热而使测量值低于被测气体的实际温度，其误差可表示为式中，△tf为辐射产生的误差，△tf=t－tk；t为被测温度，tk为感温元件的温度；Tk为感温元件的热力学温度；T0为容器内壁的热力学温度；C为辐射传热系数；h为气体向感温元件表面的传热系数。d.热传导引起的误差由于热传导的存在，温度计的测温元件感受到的温度将低于被测介质的温度。热传导测量误差由下式表示第4章温度测量4.2接触式测温计第4章温度测量4.2接触式测温计e.高速气流的温度测量误差如果气体为理想气体，根据热力学关系可得因气流运动引起的温度测量误差为f.感温元件的响应温度计的时滞是由下面两种因素所造成：1）测温元件的热惯性：由测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。2）指示仪表的机械惯性：测温元件将所获得的热信号传送到仪表的指示装置上需要有一定的时间。第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术2.单色辐射式光学测温计原理：利用亮度比较取代辐射强度比较进行测温。亮度温度：在波长为λm的单色辐射中，若物体在温度T时的亮度Bλ和绝对黑体在温度为TS时的亮度B0λ相等，则把TS称为被测物体的亮度温度。单色辐射式光学高温计主要有灯丝隐灭式光学高温计和光电高温计两种。a.灯丝隐灭式光学高温计隐丝式高温计原理图a）电压式 b）电桥式1－物镜2－吸收玻璃3－高温计温度灯4－目镜5－红色滤光片6－测量电表7－滑线电阻器第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术上图为隐丝式高温计原理图。它的核心器件是一支标准灯3，采用直流电源E加热其弧形灯丝，用滑线变阻器7调整灯丝电流以改变灯丝亮度。标准灯经过校准，其灯丝亮度与电流的关系已知。灯丝的亮度温度由毫伏表6测出。物镜1和目镜4均可沿轴向移动，调整目镜位置使观察者能清晰地看到标准灯的弧形灯丝，调整物镜的位置使被测物体成像在灯丝平面上，在物像形成的发光背景上可以看到灯丝。观察比较背景和灯丝的亮度，如果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，如下图a所示；若灯丝亮度比被测物体亮度高，则灯丝在相对较暗的背景上显现出亮的弧线，如图b所示；只有当灯丝亮度和被测物体亮度相等时，灯丝才隐灭在物像的背景里，如图c所示，此时毫伏表指示的电流值就是被测物体亮度温度对应的读数。再根据上图上的温度修正值得到物体的真实温度。a）灯丝太暗（灯丝过冷）b）灯丝太亮（灯丝过热）c）隐丝（灯丝和温度源温度相同）第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术b.光电高温计原理：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下来表示被测物体的温度值。下图为光电高温计原理图。a）工作原理示意图b）光调制器1－电位差计2－被测物体3－物镜4－光阑5－反射镜6－透镜7－观察孔8－遮光板9、10－孔11－反馈灯12－光电器件13－前置放大器14—主放大器15－调制片16－永久磁钢17－励磁绕组第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术3.全辐射测温计——根据绝对黑体的全辐射定律设计而出的高温计下图为全辐射高温计原理图。1－物镜2－光阑3－玻璃泡4－热电堆5－灰色滤光片6－目镜7－铂箔8－云母片9－二次仪表第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术4.比色高温测温计比色温度：当温度为T的物体在两个波长下的亮度比值等于温度为TS的黑体在同样波长下的亮度比值时，TS就称为这个物体的比色温度。物体实际温度和比色温度的关系为：式中ελ1和ελ2分别为实际物体在波长为λ1和λ2时的单色发射率。a.单通道比色高温计单通道比色高温计原理图1－物镜组2－通孔成像镜3－调制盘4－同步电动机5－硅光电池接收器6－目镜7－倒像镜8－反射镜第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术b.双通道比色高温计下图为双通道比色高温计原理图。它采用分光镜把辐射能分成不同波长的两路，即红外光透过分光镜7投射到硅光电池6上，可见光则被分光镜反射到另一硅光电池10上。利用两个硅光电池输出信号的差值，就可求得被测物体的比色温度值。1－物镜2－反射镜3－倒像镜4－目镜5－人眼6－硅光电池7－分光镜8－物镜9－视场光阑10－硅光电池第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术5.红外技术在温度测量中的应用前面所述的辐射式温度计一般用于高温（高于700℃）测量，但其测量原理同样适用于中温测量，只不过此时的辐射已不是可见光而是红外辐射了，红外辐射强度需要用红外敏感元件来检测。a.红外测温仪红外测温仪工作原理图S－被测物体L－光学系统D－红外探测器A－放大器K－相敏整流器C－控制放大器R－参考源M－电动机I－指示器T－调制盘被测物体S和参考源R的红外辐射经调制盘T调制后输至红外探测器D。调制盘T由同步电动机M带动，探测器D的输出电信号经放大器A和相敏整流器K后送至控制放大器C，控制参考源的辐射强度。当参考源和被测物体的辐射强度一致时，参考源的加热电流即代表被测温度。由指示器I显示出被测物体的温度值。第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术b.红外热像仪原理：任何物体只要温度高于绝对零度都会因分子的热运动而发射红外线，且发出的红外辐射能量与绝对温度的四次方成正比。下图为红外热像仪的工作原理图。第4章温度测量4.3非接触式热辐射测温技术红外热像仪系统组成框图组成：上图为红外热像仪系统组成框图，红外热像仪主要由扫描系统、红外探测器和视频显示以及记录系统组成。其中，扫描系统是热像仪的主要组成部分，它使红外探测器按顺序地接收被测物体各微元面积上的红外辐射。红外探测器是感受红外辐射能量并把它转换成电量的器件。它的光谱响应特性、时间常数及探测率都直接影响到热像仪的性能。视频显示和记录系统的作用是把红外探测器提供的电信号转换成可见图像。《热能与动力工程测试技术》·第3版思考题1、温标有哪几种？彼此之间的关系如何？2、为什么热电偶要进行冷端温度补偿？冷端温度补偿有哪些方法？3、辐射式温度计有哪几种？简述各自的工作原理。4、简述红外测温仪和红外热像仪的工作原理。第4章温度测量