机械工程测试技术第13章

《机械工程测试技术第13章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程测试技术第13章（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、东北大学机械工程与自动化学院（2012）Page 2学习导航 13.1温度标准与测量方法 (Temperature Standard and Measurement Method)13.2热电偶温度计 (Thermocouple) 13.3热电阻温度计 (Thermo-Resistor Thermometer)13.4热敏电阻和集成温度传感器 (Thermistor and Integrated Temperature Sensor)13. 5机械温度传感器(Mechanical Temperature Sensor)13. 5 热辐射原理(Thermal Radiation Principl

2、e)13.6红外测温传感器(Infrared Radiation Temperature Sensor ） 13.7全辐射温度计(Radiation Pyrometer)13.8光学高温计(Optical Pyrometer)13.9比色高温计(Color Comparator Pyrometer)13. 10 温度测量实例(Temperature Measurement Practical Use ) 删减：1)P331 2.集成温度传感器13.2.4之前; 2）P335 13.3.2红外测温本章最后不考( 介绍绍) Page 3学习目标了解温度的标准和测量方法； 掌握热电偶温度计的基本定律

3、和工作原理； 掌握热电阻温度计的工作原理； 了解辐射测温原理。 1234Page 413.1 温度标准与测量方法 13.1.1 温度和温标温标是温度的数值表示方法，是用来衡定物体温度的尺度。它规定了温度读数的起点(零点)和测量温度的单位，各种温度计的刻度值均由温标确定。 13.1 温度标准与测量方法温度是表征物体冷热程度的物理量。温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。 Page 51 摄氏温标()物理基础：水银的体积膨胀与温度变化成线性关系。分度方法：标准大气压下水的冰点为零度(0)，沸点为100度(100)，用这两个固定点分度玻璃水银温度计，100等分， 每等分为1。2 华氏温

4、标(F)标准大气压下水的冰点为32F，沸点为212F，中间划分为180等分，每一等分称为1F 。13.1 温度标准与测量方法Page 6热力学温标 是一种与工作介质无关的温标，它以热力学第二定律为基础，已由国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。国际温标 采用热力学温度，符号为T，单位为开尔文(K)，它是国际单位制(SI)的基本单位。当前广泛使用的国际温标是国际计量委员会(CIPM) 批准的国 际温标( I T S-90)。摄氏温度t 由热力学温度 T 导出：3 热力学温标（开氏温标 (K)、国际温标）(K)13.1 温度标准与测量方法Page 713.1.2 温度的测量方法类 型接触式非接触

5、式必要条件感温元件必须与被测物体相接触， 被测物体的温度不变感温元件能接收到物体的辐射能特 点不适宜热容量小的物体温度测量 不适宜动态温度测量 便于多点，集中测量和自动控制被测物体温度不变 适宜动态温度测量 适宜表面温度测量测量范围适宜 1000以下的温度测量适宜高温测量测温精度测量范围的1%左右一般在10左右滞 后较大较小接触式与非接触式测温方法比较 13.1 温度标准与测量方法接触测量法 热平衡被破坏，不适于小物体的温度测量。非接触测量法 利用热辐射或电磁原理，不破坏平衡状态， 动态响应好，精度较低。Page 813.2 接触式测温传感器13.2.1 热电偶热电偶的工作原理应用广泛，工作原

6、理基于物体的热电效应。13.2接触式测温传感器mAPage 91 热电效应相应的电动势称为温差电动势，即热电动势。测量时，工作端即热端（ T ）置于测量环境，自由端即冷端（ T0 ）温度应保持恒定。图 热电效应13.2接触式测温传感器产生的热电动势 EAB(T, T0 ) 由两种导体的接触电动势 eAB 和单一导体的温差电动势 EA 和 EB 组成。两种导体组成闭合回路，若两接点的温度不等（TT0），回路中就会产生电动势，称为温差电效应，即热电效应。Page 10(1)接触电动势 若导体 A 的自由电子密度大于 B 的自由电子密度，即A的电子就会扩散到B，即A带正电，B带负电，形成接触电动势。

7、 接触电动势阻碍电子的进一步扩散，平衡时，一般为10-310-2V。图 接触电动势 a) 电子扩散示意图 b) 等价电路13.2接触式测温传感器接触电动势与导体的性质和接触点的温差有关。当T=T0时，尽管两接触点都存在接触电动势 , 但回路中总接触电动势等于零。两种不同材料的导体 A、B 的连接点分别发生电子扩散，其速率与自由电子的密度 (n) 和导体的温度成正比。Page 11电子电荷量 1.60218921019 C波尔兹曼常数 1.380661023J/K回路中总的接触电动势是两个结点的电动势之差，即：13.2接触式测温传感器电子密度图 接触电动势 a) 电子扩散示意图 b) 等价电路P

8、age 12（2 ）单一导体的温差电动势 高温端电子的能量大于低温端的，向低温端扩散。高温端失去电子而带正电，当电子运动达到动平衡,温差电势达到一个相对稳态值。 温差电动势比接触电动势小得多，一般为10-5V。单一导体温差电动势 a) 电子扩散示意图 b) 等价电路13.2接触式测温传感器汤姆逊系数， 温差1产生的温差电动势。导体 所组成回路的总温差电动势是两个导体温差电动势之差：在均匀的导体材料中，如果两端的温度不等，将产生温差电动势。两导体各自温差电动势之差Page 13热电偶的总电动势：因此，总电动势为两个接点电动势之差：热电偶电动势的组成13.2接触式测温传感器回路中总的接触电动势(两

9、个结点的电动势之差)回路的总温差电动势(两个导体温差电动势之差)温度（注意积分下限 ）热端热电动势冷端热电动势Page 14当自由端温度为常数，即 f(T0)=C ，有EAB(T,T0)=f(T)C= (T)13.2接触式测温传感器依此建立标准的热电偶分度表。该表是将自由端温度保持为0，通过实验建立起来的热电动势与温度之间的数值关系。只有当热电偶的两个电极材料不同，且两个结点的温度不同时 ，才会产生电动势，它是两个接点温度的函数：EAB(T,T0)=f(T)f(T0)Page 152 热电偶的基本定律 (1)中间温度定律 例 用镍铬-镍硅热电偶测量炉温，当冷端温度为30 ，测得热电动势E(T,

10、30)=39.17mV，求实际炉温。由分度表，E(30,0)=1.2mV，于是，有：E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)= 39.17+1.2 = 40.37(mV)由分度表得炉温 T=946。13.2接触式测温传感器当热电偶两个接点的温度分别为 T 和 T0 时，所产生的热电动势等于该热电偶两接点分别为 (T, Tn) 与 (Tn , T0) 时所产生的热电动势的代数和，即 EAB(T, T0)= EAB(T, Tn) EAB(Tn , T0)当在冷端温度为某恒定值时，可以利用热电偶分度表【即有的】确定工作端的温度值。Page 16(2) 中间导体定律 在热电偶回路中，通常要介入导线

11、和仪表。只要接入的第三导体两端温度相同，对回路的总热电动势就没有影响，如下图接线方式，分别有：热电偶接入中间导体的回路 a) 中间导体定律第三导体接入方法一 b) 中间导体定律第三导体接入方法二13.2接触式测温传感器AC书中T有误Page 17(3)标准电极定律 例 铂铑30铂热电偶的 E(1084.5, 0)= 13.976 mV, 铂铑6铂热电偶的 E(1084.5, 0) =8.354mV。于是，据标准电极定律，对于铂铑30铂铑6，有:E(1084.5, 0)=13.9768.354=5.613mV13.2接触式测温传感器若电极A，B分别与电极C组成热电偶，其电动势分别为 ：EAC(T

12、,T0) 和EBC(T,T0) ，在相同结点温度下，由A、B电极组成的热电偶的热电动势为：把电极 C 作为标准电极，通常选用纯铂丝因为它的物理化 学性能稳定，熔点高，易提钝。【为热电偶电极选配提供了方便。】Page 183 标准化热电偶 铂铑10 -铂 性能稳定，准确度高，可用于基准热电偶。热电动势较低，价格贵，不能用于金属蒸气和还原性气体中。13.2接触式测温传感器铂铑30-铂铑6 稳定性和机械强度高于铂铑10-铂，测量温度可达1800，室温下的热电动势较低。可作标准热电偶，一般不需要补偿和修正。由于热电动势较低，需要高灵敏度和高精度仪表。标准化热电偶批量生产，性能优良、稳定，同一型号具有互

13、换性，具有统一的分度。常用标准化热电偶的特点：冶金Page 19镍铬-考铜(Ni43.5, Cu56.5) 热电动势较高，电阻率小，适于还原性和中性气氛下测量，价格便宜 ，测量上限较低。13.2接触式测温传感器镍铬-康铜(Ni45, Cu55)热电势较高，价格低。高温下易氧化，适于低温和超低温测量。 镍铬-镍硅或镍铬-镍铝 热电动势较高，热电特性的线性较好， 化学稳定性良好，抗氧化性和抗腐蚀性较强。稳定性稍差，测量精度不高。36 #（1）材料化学Page 204 热电偶冷端的温度补偿根据热电偶测温原理，热电偶冷端温度不变时，输出才是温度的单值函数。13.2接触式测温传感器通常，以热电偶参考端为

14、 作为先决条件。但在实际中，热电偶长度一定，参考端温度直接受到被测介质、环境温度的影响，难以获得稳定的 温度，而且往往是波动的，无法进行参考端温度修正。因此，要把变化很大的参考端温度恒定下来，通常采用参考端温度恒定法和冷端补偿法。Page 21参考端的形式和用途见表13-2：（1）参考端温度恒定法参考端形 成用 途冰点式参考端常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混和物用于校正标准热电偶等高精度 温度测量电子式参考端利用半导体制冷的原理，冷却密封的水槽， 从而把参考端温度保持在0。体积小， 操作简单恒温槽式参考 端利用温度调节器将参考端温度保持恒定。如 果它的温度不是0，要用其它温度计测 出其温度并

15、进行修正用于热电温度计的温度测量室温式参考端无参考端温度恒定装置，或将参考端置于油 中，利用油的惰性使参考端温度保持一致 及接近室温用于精度不太高的温度测量参考端的形式和用途13.2接触式测温传感器Page 22冰点式参考端工作示意图13.2接触式测温传感器当参考端温度恒定或变化很小，但不为 时， 还必须用热电动势修正法进行修正。冰点式参考端工作示意图见图13-5Page 23（2）冷端补偿法13.2接触式测温传感器热电偶补偿导线的应用一般，显示仪表通过补偿导线，将热电偶的参考端引至恒温的地方，采用两种特定导线组成热电偶补偿导线。【其依据是：补偿导线在一定温度范围之内（0100 ）与所连接的热电偶 具有相同的热电性能。】注意：不同的热电偶要配接不同的补偿导线。导线补偿 Page 24电桥补偿 补偿电桥法 将热电偶冷端与电桥置于同一环境中，电阻 是由温度系数较大的镍丝制成，而其余电阻则由温度系数很小的锰丝制成。在某一温度下，调整电桥平衡，当冷端温度变化时， 随温度改变，破坏了电桥平衡，电桥输出为 ，从而去补偿由于冷端温度改变而产生的热电动势变化量。原理结构36 #（2）Page 25广泛应用的热电阻材料铂、