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1、第十章 温度的测量,第十章 温度的测量,第一节 概 述 第二节 膨胀式温度计和压力式温度计 第三节 热电偶温度计 第四节 电阻温度计 第五节 光辐射测温方法及仪表,第一节 概 述,一、 温度的基本概念和测量方法 二、温标,一、 温度的基本概念和测量方法,1.接触式测温方法 这类测温方法是将测温仪表的敏感元件与被测对象接触，以达到充分的热交换而至热平衡来完成温度测量的。 2.非接触式测温方法 这类仪表的特点是感温元件和被测物体不直接接触，因此这样的测温方法不破坏原有的温场，在被测物为运动物体时尤为适用。,1.接触式测温方法,这类测温方法是将测温仪表的敏感元件与被测对象接触，以达到充分的热交换而至
2、热平衡来完成温度测量的。因此这种测量比较直观、可靠。测量仪表也相对比较简单。但由于敏感元件必须和被测对象接触，在接触过程中就可能破坏被测对象的温场分布，从而造成测量误差。有的测温元件不能和被测对象充分接触，不能达到充分的热平衡，使测温元件和被测对象温度不一致，也会带来误差。在接触过程中，有的介质有强烈的腐蚀性，特别是在高温时对测温元件的影响更大，从而不能保证测温元件的可靠性和工作寿命。这些均是接触式测温方法的缺点。,2.非接触式测温方法,这类仪表的特点是感温元件和被测物体不直接接触，因此这样的测温方法不破坏原有的温场，在被测物为运动物体时尤为适用。 非接触测温仪表大多是利用物体的热辐射原理来完
3、成测量的。根据其辐射测量的特点可分为：辐射式温度计；亮度温度计；比色温度计；光导纤维测温技术。,二、温标,1.热力学温标(K，开尔文) 它规定从“绝对零”(absolute zero)至水的三相(固、液、气)点温度(相当于摄氏0)之间均分273.16等分，每一等分为一开尔文。 2.摄氏温标(,摄氏度) 以热力学温度与比水三相点低0.01K的热状态之差来表示的温度。 3.华氏温标(，华氏度) 华氏温标的分度方法是在标准大气压下，将冰的融点定为32,把水的沸点定为212,在这两固定点间划分180等分，每一等分为一华氏度()。 4.国际温标 国际温标是从实用的角度建立起来的一种温标，这种温标与热力学
4、温标基本一致，而且温度复现性好，以保证国际上温度量值传递的一致性和准确性。,1.热力学温标(K，开尔文),它规定从“绝对零”(absolute zero)至水的三相(固、液、气)点温度(相当于摄氏0)之间均分273.16等分，每一等分为一开尔文。,2.摄氏温标(,摄氏度),以热力学温度与比水三相点低0.01K的热状态之差来表示的温度。,3.华氏温标(，华氏度),华氏温标的分度方法是在标准大气压下，将冰的融点定为32,把水的沸点定为212,在这两固定点间划分180等分，每一等分为一华氏度()。,4.国际温标,1)按温度的高低分成4个温区来定义(即0.655.2K、4.224.6K、13.8K96
5、1.78961.78)，并对每个区指定了标准测温仪器和内插公式。 2)规定了17种高纯度物质(He、Ne、H2、O2、Ar、Hg、H2O、Ga、In、Sn、Zn、Al、Ag、Au、Cy、)的相平衡点温度作为温度基准点,如H2O三相点为273.16K或0.01；银(Ag)的凝点为1234.93K或961.78。 3)规定热力学的温度为基本温度，用符号T表示，单位为K(开尔文)。,第二节 膨胀式温度计和压力式温度计,一、膨胀式温度计 二、压力式温度计,一、膨胀式温度计,(一)液体膨胀式温度计 (二)固体膨胀式温度计,(一)液体膨胀式温度计,图10-1 玻璃水银温度计 1水银泡 2毛细管 3标尺,(
6、一)液体膨胀式温度计,图10-2 全浸和部分浸入式温度计式,(二)固体膨胀式温度计,图10-3 杆式固体膨胀 式温度计 1芯杆 2外套 3弹簧 4基底 5指针 6拉环 7杠杆,二、压力式温度计,图10-6 压力式温度计,二、压力式温度计,图10-6 压力式温度计 1温包 2细管 3基座 4拉杆 5弹簧管 6扇齿轮 7齿轮轴 8指针 9度盘,二、压力式温度计,图10-5 双金属片螺旋卷,第三节 热电偶温度计,一、热电效应和热电偶 二、 热电偶基本定律 三、标准化热电偶 四、热电偶的参比端处理 五、测温电缆,一、热电效应和热电偶,(一)两种导体的接触电动势 (二)单一导体中的温差电动势,一、热电效
7、应和热电偶,图10-7 两种导体构成的热电偶回路,(一)两种导体的接触电动势,两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果NA NB,电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时，A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。它除了和材料有关外，还和接触点的温度有关。,(二)单一导体中的温差电动势,对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一端扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而
8、低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。,二、 热电偶基本定律,(一)均质导体定律 (二)中间导体定律 (三)中间温度定律 (四)标准电极定律,(一)均质导体定律,由均质材料构成的热电偶，热电动势的大小只与材料及结点温度有关，与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。,(二)中间导体定律,图10-8 三种导体的热电偶回路,(三)中间温度定律,在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和,(四)标准电极定律,图10-9 热电偶中间温度定律,
9、(四)标准电极定律,图10-10 三种导体分别组成热电偶,三、标准化热电偶,1)在测温的范围内，热电特性要稳定，不随时间而变化。 2)在测温的范围内，物理、化学性能要稳定，不易氧化和腐蚀。 3)在测温中产生的热电动势要大，并且热电动势随温度变化为单值的、线性的，或者接近线性的。 4)电阻温度系数要小，电导率要高。 5)材料的复制性好，易焊接、拉丝和加工。,表10-1 热电偶标准分度号,四、热电偶的参比端处理,(一)0恒温法 (二)参比端温度修正法 (三)电桥补偿法 (四)补偿导线的应用,(一)0恒温法,图10-11 集成温度传感器补偿法,(二)参比端温度修正法,图10-12 微机温度测控系统,
10、(三)电桥补偿法,图10-13 电桥补偿法测量电路,(四)补偿导线的应用,表10-2 补偿导线的分类型号与分度号,五、测温电缆,图10-14 测温电缆原理示意图,第四节 电阻温度计,一、 铂电阻温度计 二、 铜电阻温度计 三、半导体热敏电阻 四、热电阻温度计的测量误差 五、P-N结与集成电路温度传感器,一、 铂电阻温度计,铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。铂在很宽的温度范围内，约1200以下都能保证上述特性。铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(直径0.02mm或更细)或极薄的铂箔。与其他材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为它是
11、一种较好的热电阻材料。但铂电阻的电阻温度系数比较小，在还原介质中工作时易被沾污变脆。此外价格较贵也是铂电阻的缺点之一。,二、 铜电阻温度计,三、半导体热敏电阻,如前所述，除用金属制成热电阻外，还有用半导体材料制成的半导体电阻温度计。它的显著优点是温度系数比较大，其绝对值比金属热电阻约大48倍。而且其电阻温度系数有正有负，可根据需要选择。,四、热电阻温度计的测量误差,(一)热电阻的基本误差 (二)热电阻引线的误差,(一)热电阻的基本误差,图10-15 三线制热电阻测量电路 1电阻体 2、4连线 3接线盒 5显示仪表,(二)热电阻引线的误差,图10-16 二线制和四线制接法 a)二线制热电阻测量桥
12、路 1电阻体 2、4连线 3接线盒 5显示仪表 b)四线制热电阻测量桥路 1电阻体 2标准电阻 3显示仪表 4恒流源,五、P-N结与集成电路温度传感器,表10-3 几种国外产品及性能参数,第五节 光辐射测温方法及仪表,一、热辐射基本定律 二、辐射温度计 三、亮度温度计 四、颜色温度计 五、光导纤维测温技术,一、热辐射基本定律,(一)基尔霍夫定律 (二)斯忒潘-玻耳兹曼定律 (三)普朗克定律 (四)维恩位移定律,(一)基尔霍夫定律,一个物体向周围发射辐射能时，同时也吸收其他物体辐射的辐射能，吸收辐射能量能力强的物体，其受热后向外辐射的能力也强。能够全部吸收辐射到其上的能量的物体，物理上称之为黑体
13、，用光谱吸收比(T)表示物体能对辐射到其上的辐通量可吸收的比例,(二)斯忒潘-玻耳兹曼定律,(三)普朗克定律,(四)维恩位移定律,图10-17 绝对黑体光谱亮度辐射曲线,二、辐射温度计,(一)全辐射温度计 (二)部分辐射温度计,(一)全辐射温度计,图10-18 全辐射温度计结构 1物镜 2外壳 3补偿光阑 4座架 5热电堆 6接线柱 7穿线套 8盖 9目镜,(一)全辐射温度计,图10-19 红外测温仪的光路系统 1次镜 2主镜 3目镜系统 4锗单晶滤光片 5机械调制片 6热敏电阻,(二)部分辐射温度计,为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池、光敏电阻以及其他的一些红外
14、探测元件。这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。实际使用时也有通过加滤色片，使仪表对工作波长有选择性。不同工作波长有不同的用途。因此它们对测量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。,三、亮度温度计,1.灯丝隐灭式光学高温计 这是一种历史悠久的辐射式仪表，尽管逐渐淡出，但其原理仍值得一提。 2.光电亮度温度计 光电亮度温度计用光电元件代替了人眼，使测量的精度得到较大的提高。,1.灯丝隐灭式光学高温计 这是一种历史悠久的辐射式仪表，尽管逐渐淡出，但其原理仍值得一提。,图10-20 灯丝隐灭式光学高温计原理示意图,1
15、.灯丝隐灭式光学高温计 这是一种历史悠久的辐射式仪表，尽管逐渐淡出，但其原理仍值得一提。,图10-21 光学高温计 1物镜 2吸收玻璃 3高温计灯泡 4皮带 5目镜 6红色滤光片 7目镜定位螺母 8零位调节器 9滑线电阻 10测量电表 11刻度盘 12干电池 13按钮,2.光电亮度温度计 光电亮度温度计用光电元件代替了人眼，使测量的精度得到较大的提高。,图10-22 光电亮度温度计测量方案 1被测对象 2透镜 3滤光片 4光敏电阻 5放大电路 6显示仪表 7调制盘 8同步电动机 9参比光源,四、颜色温度计,图10-23 光电比色温度计测量方案 1被测对象 2透镜 3光敏电阻 4运算、放大电路
16、5显示装置 6调制盘 7同步电动机 8、9滤光片 10反射镜 11分光棱镜 12分光镜(干涉滤光镜),四、颜色温度计,表10-4 辐射测温仪表常用工作波长、典型探测元件、温度范围及特性,五、光导纤维测温技术,(一)液晶-光导纤维温度计 (二)荧光-光导纤维温度计 (三)马赫-珍德相位干涉型光纤温度计 (四)分布式光纤温度传感网络,五、光导纤维测温技术,图10-24 液晶-光纤温度 计的结构图 1外玻璃套管 2液晶层 3内玻璃套管 4、7环氧 树酯粘接点 5光导 纤维束 6聚乙烯套管,(一)液晶-光导纤维温度计,液晶-光导纤维温度计是利用胆甾型液晶独有的“热色”效应，即温度不同时液晶的液色不同的原理来测量温度。在这里液晶的液色通过光纤传导出来加以测量。,(二)荧光-光导纤维温度计,图10-25 荧光-光导纤维温度计 1光纤 2光纤包层 3荧光
