建筑环境测试技术 第3章 温度测量.

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1、第2篇 测量仪表 第四章 湿度测量 第五章 压力测量 第六章 物位测量 第三章 温度测量 第七章 流速及流量测量 第八章 热量测量 第九章 建筑环境测量 第十章 其它参数的测量 第十一章 电动显示仪表 1 第三章 温度测量 3.1 温度测量概述 3.2 膨胀式温度计 3.3 热电偶测温 3.4 热电阻测温 3.5 接触式测温 3.6 非接触式测温 3.7 集成型传感器测温 2 3.1 温度测量概述 3.1.1 温标 用来衡量温度的标准尺度。确定温度的单位。 1、经验温标 2、热力学温标 3、国际温标 华氏温标 摄氏温标 3 华氏温标 l1714年，德国人法伦海脱(Fahrenheit)以水银为

2、 测温介质，制成玻璃棒水银温度计。 l规定水的沸点为212度，氯化铵与冰的混合物为 0度。中间等分为212份，每一份为1度记作。 称为华氏温标。 摄氏温标 v水银体膨胀是线性的； v标准大气压下纯水的冰点是0 ，沸点为100 。 v将水银柱在这两点之间等分为100格，每一格为 1。 经验温标：借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用 实验方法或经验公式所确定的温标。 4 热力学温标K l经验温标具有局限性和随意性，不 能适用于任何地区或场合。 l开尔文定律（1848年）：在可逆条 件下，工作于两个热源之间的卡诺 热机与两个热源的关系： T0 T1 卡诺 热机 Q0 Q1 Q1：卡诺热机从高

3、温热源T1吸收的热量 Q0：卡诺热机向低温热源T0放出的热量 Q1/Q0 =T1/T0 1954年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以1/273.16 定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即： T=273.16(Q1/Q2) 5 p 热力学温标是一种理想温标。 p 为了实用方便，国际温标同时使用国际开尔文温度（K） 和国际摄氏温度（ ）。 p 规定水的三相点温度为273.16，单位为K。 1K的大小为水 的三相点热力学温度的1/273.16。 p 由于摄氏温标将冰点定义为0，而冰点比水的三相点低 0.01K，那么冰点温度为273.15K，即 国际温标ITS-90 6 p 温度计

4、p 固定点：给定的温度值。 华氏温标：规定水的沸点为212度，氯化铵与 冰的混合物为0度。 摄氏温标：标准大气压下纯水的冰点是0度， 沸点为100度。 热力学温标：选定水的三相点为273.16K。 温标三要素 p 内插方程：确定各点温度间的计算公式。 华氏温标：0-212度等分为212份，每一份为1。 摄氏温标：标准大气压下纯水的冰点是0，沸点为100。0-100度 等分为100分，每一份为1。 热力学温标：以1/273.16定为1K。 7 3.1.2 温度测量方法、测量仪表分类 液体膨胀式压力式固体膨胀式 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 8 接触式测温与非接触

5、式测温 接触式非接触式 特点 1、测量热容量小、移动物体测温 有困难 2、可测量物体的任何部位 3、便于多点集中测量和自动控制 1、不改变被测物体的温度 2、可测量移动物体 3、通常测量表面温度 测测量条件 1、测量元件与被测对 象良好接触 。 2、接触测量元件不能改变被测对 象的温度 由被测对 象发出的辐射能 充分照射到检测 元件。因 此需要获知被测对 象的有 效发射率。 测测量范围围 容易测量1000以下的温度，测量 1200以上的温度有困难 可测量-30以上的温度 准确度 0.5%-1%。根据测量条件，可达到 0.01% 一般误差较大 响应应速度1-2min2-3s 9 3.2 膨胀式温

6、度计 原理：物体受热膨胀。 液体膨胀式温度计 压力式温度计 固体膨胀式温度计 10 3.2.1 液体膨胀式温度计 l原理：玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀。 l优点：直观、测量准确、结构简单、造价低廉。 l缺点：不能自动记录、不能远传、易碎、延迟。 4 1- 水银储存器 2-毛细管 3-标尺 4-膨胀室 工作液体测测温范围围（ ） 水银-30750或更高 甲苯-90100 乙醇-10075 石油醚-13025 戊烷-20020 玻璃材料：300以上，使用特殊的硅 硼玻璃；500以上，使用石英玻璃。 11 玻璃棒温度计 12 液体膨胀式玻璃管温度计的误差分析 （1）玻璃材料有较大的热滞后效应

7、造成零点漂移。 （2）温度计插入深度不够。若只有部分液柱被 浸没时，应对指示值进行修正： 其中： n露出液体部分所占的刻度数（） 工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（1/ ，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（） 13 （3）非线性误差：水银随着温度变化，体积膨胀看成完全的 线性关系。事实并非完全如此，存在一定的非线性度。 （4）工作液的迟滞性：水银与玻璃管壁面之间的表面吸附力 ，造成水银流动的迟滞性，甚至出现液柱中断的情况温度 计与被测介质应接触足够长的时间；轻弹温度计。 （5）读数误差：视线与刻度不垂直视线应与刻度垂直， 并与液柱处于

8、同一水平面上。 例：使用水银温度计测量蒸汽温度。温度计的指示值为280。 温度计插入处的刻度是60，液柱漏出部分的环境平均温度为 30。求真实温度。 14 3.2.2 压力式温度计 p原理：密封系统中工作介质的压力随 温度变化。 p工作过程： l弹簧管4一端焊接在基座3上，内腔与毛细 管2相通，另一端封死，为自由端。 l温度变化时，弹簧管4内的压力发生变化 ，带动自由端变化。 l自由端通过拉杆、齿轮传动机构与指针相 连，指针的转角在刻度盘上指示出温度。 弹 簧 管 温包 毛细管 基座 自由端 指针 p 工作距离不超过60m，温度范围 -50550。 p 特点：抗振性能好。动态性能差、示值滞后较

9、大，不能测量 迅速变化的温度。 15 3.2.3 固体膨胀式温度计 p原理：将两种具有不同线膨胀系 数的金属片焊成一体，构成双金 属片温度计。 p工作过程： l双金属片的一端固定，另一端为自 由端。 l温度变化时，由于两种金属线膨胀 系数不同，双金属片发生弯曲变形 。 l弯曲的偏转角反映了被测温度值。 p 特点：结构简单、可靠；测量精度不高。 K：比弯曲(-1 ) L：双金属片的有效长度(mm) ：双金属片总厚度(mm) t,t0：被测温度和起始温度() 16 3.3 热电偶测温 p热电偶温度计：以热电偶作为测温元件，用热电偶测得与温 度相应的热电动势，由仪表显示出温度。 p工作原理：基于18

10、21年塞贝克(Seebeck)发现的热电现象。 l 两种不同的导体A、B 连接在一起，构成一个 闭合回路。 l 当两个接点1和2的温度 不同时，如TT0，在 回路中就会产生电动势 EAB热电效应。 l 导体A、B称为热电极。 l 测量时，接点1置于待测温度场中，称为被测量端。接点2要 求温度恒定，称为参考端。 热电极 测量端 参考端 17 电动势：接触电动势 + 温差电动势 一 一一一 一 一 一一 一一 一 一 一 一 一 一 一一 + - 电子密 度大 电子密 度小 接触电动势 A B 1、接触电动势 p导体内部的电子密度是不同的。当两种电子密度不同的导体A 和B互相接触时，就会发生自由电

11、子电子扩散现象。 p自由电子从电子密度高的导体A流向电子密度低的物体B。 p 导体A因为失去电子，带 正电。导体B因为得到电 子，带负电。形成电位差 。 p 帕尔贴电势：接触电动势 K玻尔兹曼常数；e电荷单位； NAT、NBT温度为T时，A和B的电子密度；T接触处的温度 18 接触电动势： 注： p 脚标A、B的顺序代表电位差的方向。如果改变脚标顺序，E 前面的符号也相应改变。 p 接触电动势的大小只与接触点的温度、导体A和B的电子密 度N有关。 19 电动势：接触电动势 + 温差电动势 2、温差电动势 p由于导体两端温度不同而产生的电势 。 p由于温度梯度，改变了电子的能量分 布。高温端(T

12、)电子向低温端(T0)迁移 。使得高温端带正电，低温端带负电 。 p导体A、B分别产生的温差电动势为 ： NAt、NBtA和B在温度为t时的电子密度。 一 一 一 + - 高温 低温 温 差 电 动 势 汤姆逊温差电势 20 热电偶回路中总热电势 = 接触电动势 + 温差电动势 A与B相接触产生的 接触电动势 B的温差产 生的温差电 动势 A的温差产 生的温差电 动势 减号：在任何温度下，如果A的电子密度高于 B，电子都是从A流向B，A总是正电，B总是 负电。EAB的方向都是AB，在整个循环环回路 中，是两个相反的方向。所以需要用减号。 测量端 参考端 课本图 错误！ EB的方向与EAB一致，

13、而 EA的方向与EAB相反。 21 结 论 p任意两种不同性质的导体材 料都可制成热电偶。 p对于两种材料A和B，热电 偶所产生的电动势，仅与T 和T0有关，与A和B的形状 与尺寸无关。 p热电偶的参考端温度T0必须 保持恒定。一般保持在0 。 22 1、均质导体定律 由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭合回路中， 不论导体的截面、长度以及温度分布如何，均不产生热电势 。 3.3.2 热电偶的应用定则 A、B必须为不同的导体材料 2、中间导体定则 在热电偶回路中接入第三种导体C，只 要A、B与C相连接的两端温度相同，则 不会对热电偶回路的总电势造成影响。 23 3、中间温度定则 热电偶在

14、两接点温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在两 接点温度分别为T、TN和TN、T0时相应热电势的代数和。 意义：如果实际应用中，T0的温度不是0而是某一个中间温度TN，则 仪表显示的电动势EAB(T,TN)，通过查分度表获得EAB(TN,0)，就可以 通过上式计算EAB(T,0)。24 p热电偶分度表中冷端温度为0。在实际测量中，若热电偶 的冷端温度为20，则可应用中间温度定律进行计算。 举例：用铂铑10铂热电偶测温，冷端温度为20，输出电 势为0.668mV，试求被测对象的温度。 再查表得被测温度为122。 （附录3只是分度表的整数部分数据） 查表 25 3.3.3 热电偶的结构和标准化 按

15、照结构分类：铠装热电偶、薄膜式热电偶 1、铠装热电偶 p“铠装”：在产品的最外面加装一层金 属保护，以免内部的有效层在运输和 安装时受到损坏，例如铠装电缆 p热电极4：直径由材料的价格、机械强 度、导电率、用途、测温范围决定。 热电极 绝缘套管 保护套管 接线盒 热电极 26 1、铠装热电偶 27 2、薄膜式热电偶 p采用真空蒸镀或者化学涂层等制造工艺，将两种热电极材料 蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶。 p热极点非常薄，约0.010.1 微米。 p适用于表面温度的快速测量 ，响应时间约为数毫秒。 p测温范围在300以下。 引出线 热电极 热极点 绝缘基板 28 3.3.4 热电偶的分类 1

16、、标准化热电偶：工艺成熟、成批生产、性能优良且已列入工 业标准文件中的热电偶，具有统一的分度表（附录3）。 国际电工委员会（ICE）推荐了7种标准化热电偶： 标准化热电偶、非标准化热电偶 分度号名称特点 廉金属 热电 偶 T铜-康铜准确度高 K镍铬 -镍铝 或镍硅测温范围最宽 E镍铬 -康铜灵敏度高 J铁-康铜最通用 贵金属 热电 偶 S铂铑 10-铂准确度等级最高 R铂铑 13-铂仅引进，不大量生产 B铂铑 30-铂铑 16稳定性高，灵敏度低29 3.3.5 热电偶测温系统 1、热电偶参考端温度的处理 （1）补偿导线法 （2）计算修正法 （3）冷端恒温法 （4）补偿电桥法 2、热电偶的校准和误差 （1）热电偶的校准