第十章温度测量教学案例

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1、测试技术,大连大学机械学院,Measurement & Test Technology,第十章 温度测量,温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制(SI)七个基本量之一。它在生产和科学试验中占有极重要的地位。 研究表明，几乎所有物质的性质都与温度有关，例如尺寸、体积、密度、粘度、硬度、弹性模量、破坏性强度、电导率、导通率、光辐射强度等，因此我们也可以利用这些性质及其随温度变化规律可进行温度测量。,在机械工程中，温度往往可以表征一部机器的工作状态。由于相互运动件之间的摩擦、流体与流体或流体与流道之间的摩擦，以及燃料的燃烧和热传递（如内燃机）等都会造成机器的温升，但在机器正常工作时，其温升不应

2、超过一定的范围。如柴油机其冷却水出水温度不应高于90，否则将说明柴油机的冷却系统可能存在某种问题。依据机器的设计数据或经验数据，通过检测其某部位的温度，即可判定机器的工作是否正常。,第十章 温度测量,10-1 温度基准量,热力学中规定采用绝对温标（Absolute scale）度量温度，国际单位中其单位叫开尔文，简称开，用符号K表示。绝对温标的零点为摄氏温标的273.15度，绝对温标的分度间隔与摄氏温标相等。 英、美国家习惯采用华氏温标（Fahrenheit scale）度量温度。华氏温标规定标准大气压下冰的溶点和水的沸点分别为32度和212度，用符号“ ”表示。,摄氏温度与绝对温度和华氏温度

3、之间的关系为： t=T273.15 t=5/9（T32） 式中t摄氏温度的度数，； T绝对温度的度数，K； T华氏温度的度数， 。,温标的三要素（基本条件）： 温度计、固定点、内插方程（计算公式）。 固定点：基准点温度值是以一些物质的“相平衡温度”作为固定点的。 内插方程（内插函数）：固定点之间的温度值是利用一定函数关系来描述。,一般按测温仪表与被测介质的接触情况，可分为接触式测温和非接触式测温两类。 前者基于热平衡原理，测温敏感元件必须与被测介质接触（受热膨胀原理和物体电气参数随温度变化的特性） 。 后者利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不必与被测介质接触 （热辐射强度与温度关系）。,10-

4、2 温度测量方法,一、常用测温仪表 1.玻璃液体温度计：利用液体的体积随温度变化而引起液柱高度改变的性质。 测温范围：-50400 测温介质：汞、酒精等； 优点：结构简单，使用方便，测量的精确度高，价格便宜。 缺点：测量上限和精确度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录和远传。,2.压力式温度计：利用定容气体、液体压力随温度变化的性质。 测温范围：0500； 测温介质：惰性气体、液体等。 优点：结构简单，不怕振动，具有防爆性，价格低廉。 缺点：测量精度低，测量距离较远时，仪表滞后较大。,10-2 温度测量方法,3.双金属温度计： 原理：利用双金属片受热变形的性质。 测温范围：0300； 测温介质：金

5、属。 优点：结构简单，机械强度大，价格低。 缺点：测量精度低，量程和使用范围均有限。 以上这三种温度计是膨胀式测温。,10-2 温度测量方法,4.热电阻温度计 原理：利用物体的电阻随温度变化的性质， 测温范围：-200500， 测温介质：金属、半导体。 优点：测量精确度高，便于远距离、多点集中测量和自动记录。 缺点：不能测量高温，由于体积大，故测量点温度比较困难。,10-2 温度测量方法,5.热电偶温度计 原理：利用导体或半导体的热电效应的性质， 测温范围：-2692800， 测温介质：金属、半导体。 优点：测量范围广，测量精度较高，便于远距离、多点集中测量和记录。 缺点：需进行冷端温度补偿，

6、在低温段精度比较差，且线性差。,10-2 温度测量方法,6.晶体管温度计 原理：利用二极管的电压降随温度变化的性质。 测温范围：-200200 测温范围：晶体管（二极管）。 优点：测量精度高，仪表的灵敏度高，线性好，便于自动记录。 缺点：测温范围有限，互换性差。 上述六种温度计均为接触式温度测量仪表。,10-2 温度测量方法,7.辐射高温计 原理：利用物体的辐射能随温度变化的性质。 种类：光学高温计、辐射温度计、部分辐射测温计及比色测温计。 测温范围：1002000， 测温介质：能量。 优点：感温元件不破坏被测介质的温度场，时间常数小，测温范围广。 缺点：只能测高温，低温段精度较差，环境条件会

7、影响测量精度。,10-3 温度传感器,一、热电阻 热电阻是利用某些金属导体或半导体的电阻随温度的变化而改变的性质（热阻效应）进行工作的。本章只讲金属热电阻。 在一定的温度范围内，金属导体的电阻与温度的关系可用下式表达。,10-3 温度传感器,式中，Rt温度为t时的电阻值； Rt0温度为t0时的电阻值； t-t0温度的变化，即t=t-t0； 温度在t-t0之间金属导体的平均电阻温度系数,10-3 温度传感器,所谓电阻温度系数，就是温度每变化1时材料电阻的变化率。显然，越大，电阻温度计越灵敏。当电阻与温度的关系为非线性时，值也随温度而变化，所以用平均温度系数来表达。大多数金属温度每升高 1其阻值约

8、增加0.40.6%。 作为热电阻的材料应有较高的电阻温度系数，最好电阻随温度呈线性变化，而且比电阻大，化学稳定性好，易于提纯和复制，以及价格便宜等。工业生产中常用的热电阻材料有铂和铜，其次是铁、镍等。,10-3 温度传感器,热敏电阻：由金属氧化物（NiO, MnO2, CuO, TiO3等）粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。阻值随温度上升而下降。 优点：电阻温度系数大、灵敏度高、分辨率高、体积小、热惯性小、响应速度快。 缺点：非线性严重，老化较快，对环境温度的敏感性大。,10-3 温度传感器,二、热电偶 1. 工作原理：在两种不同的导体(金属或合金)A、B组成的闭合回路中，如果两接合点温度不

9、同，即TT0在回路中就有电流产生。这个电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势。 这种由于温度不同而产生热电势的现象称为热电效应。这种现象是在1821年首先由塞贝克（seeback）发现的，故称为塞贝克现象（塞贝克效应）。,10-3 温度传感器,热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。,2.热电偶回路中的热电势 对于由导体A和B组成的热电偶，如下图所示，仍设NANB，TT0，则热电偶回路中的总热电势 EAB（T，T0）=eAB(T)+eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0),10-3 温度传感器,由于温差电势比接触电势小，又TT0，所以在总电势EAB（T，T0）中以导体A，B在T端

10、的接触电势eAB（T）所当百分比最大，故总电势EAB（T，T0）的方向取决于eAB(T)的方向，在热电势EAB（T，T0）中规定写在前面的A和T分别表示热电偶的正极和热端，写在后面的B和T0表示负极和冷端。 总热电势与电子密度NA、NB及两接点的温度T、T0有关。所以当热电偶的材料一定时，总电势EAB（T、T0）就成为温度（T、T0）的函数， EAB（T，T0）=f（T）f（T0）,10-3 温度传感器,如果能使冷端温度T0固定，即为某一常数，则对一定的导体材料，其总热电势就只与温度T成单值函数关系，即 EAB（T，T0）=f（T）C=（T） 因此，只要测量出EAB（T，T0）即可得到被测温度

11、T。,10-3 温度传感器,3.热电偶的基本定律 用热电偶进行温度测量时，应满足三条基本定律： 1）均质导体定律 由此定律可以得到如下结论： （1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。 （2）由一种材料组成的闭合回路中存在温差时，回路如产生热电势便说明该材料是不均质的。可以根据此结论检查热电偶材料的均匀性。,10-3 温度传感器,2）中间导体定律 在热电偶回路中，只要导体C两端的温度相同，那么在热电偶回路中接入中间导体后对热电偶回路的总电势没有影响。 3）中间温度定律 接点温度为T1和T3的热电偶，它的热电势等于接点温度分别为T1、T2和T2、T3的两支同性质的热电偶的热电势的代数和，,10-

12、3 温度传感器,由此定律可以得到如下结论： （1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可以在另外的冷端温度下使用。这就为制定热电偶的热电势温度关系分度表奠定了理论基础。 （2）和热电偶具有同样性质的补偿导线可以引入到热电偶中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶的热电势。这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。,3.热电极材料和常用热电偶 热电极材料应满足如下要求： 物理稳定性要好，即在测温范围内其热电性质不随时间而变化，以保证测量准确性。 化学稳定性要高，即在高温下不被氧化和腐蚀。 电阻温度系数要小，导电率要高，在不同温度下的电阻值相差不大。 有较高的热电势，即在

13、测温范围内，单位温度变化引起的热电势变化大，这样有利于提高仪表的测量精度。,10-3 温度传感器,热电势和温度之间最好成线性或近似线性的单值函数关系，这样有利于温度的标定和测量。 材料复现性好，在使用上保证有良好的互换性。 材料组织要均匀，要有良好的韧性，便于加工成型。,10-3 温度传感器,测量范围：-2003000C； 优点：精度高、测温范围广、便于远距离和多点测量。 热电偶的材料：大多为纯金属与合金，或合金与合金相配。常见有镍铬考铜、铂铑铂、镍铬镍硅、镍铬铜镍、铂铑铂铑等,10-3 温度传感器,4.热电偶的结构 普通热电偶的结构如图所示。它由热电极、绝缘套管、保护管以及接线盒等部分组成。

14、 热电极：构成热电偶两种材料为热电极，贵重金属的热电极直径为0.30.65mm，普通金属热电极的直径一般为0.53.2mm。热电极的长度通常为3502000mm。 绝缘套管：它的作用是防止两个热电极短路。 保护套管：保护套管的作用是保护热电偶不受化学腐蚀和机械损伤。 接线盒：一般由铝合金制成，供热电偶与补偿导线连接之用。,10-4 温度的测量与标定,一、温度测量系统 典型的温度测量系统如图所示。该系统由一次仪表（温度传感器：热电偶或热电阻）、二次仪表（温度变送器）和数据采集、处理、输出部分（A/D转换器和计算机）组成。,10-4 温度的测量与标定,二、温度的标定 建立计算机所采集的电压值与待测温度之间的关系，称为作温度信号的标定。 其方法是将温度传感器置于恒温油浴中，以大于温度传感器的热响应时间作为稳定周期。分别将温度调至不同点，由计算机采集温度变送器输出的相应在线电压值。然后确定整个系统的仪表常数，具体方法如下：,10-4 温度的测量与标定,待测温度与所采集电压之间的关系为： T=T0+U 式中，T待测温度，； T0零点迁移温度，； U采集的电压值，V； 待定常数；/V。 设在温度标定中获得n组数据（U1，T1）、（U2，T2）、。根据最小二乘法，可得到下列关于的方程组：,10-4 温度的测量与标定,求解上式，可得之值。,