2008测试技术第05章温度测量资料

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1、本章学习要求：,1.了解温标的概念及温度计的分类； 2.掌握热电偶温度计、热电阻温度计的测温原理、及相关电路； 3.掌握光学辐射式测温计的测温原理； 4.能正确地选用温度计并了解温度计的标定方法； 5.了解几种其它形式温度计的测温原理。,1 温度测量概述,1. 温度、温标 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，温度也是物体内部分子运动平均动能大小的一个量度标志。 温标：用来量度温度高低的尺度称为温度标尺，简称温标。应用较多的有摄氏温标和华氏温标、热力学温标、国际温标。,摄氏温标：规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为。

2、 华氏温标：规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为。,摄氏温标与华氏温标的关系为：,热力学温标：又称开氏温标（K）或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，已作为国际统一的基本温标。 卡诺定理： 温标的确定：开尔文温度规定水在标准大气压下的三相点温度为273.16K；三相点到沸点之间分为100等份，每等份记为1K；将三相点以下273.16K定为绝对零度，记为0 K，符号：T 。 绝对温标T与摄氏温标t的关系为 Tt+273.15,国际温标: ITS

3、90（International Temperature Scale of 1990） 是一种符合热力学温标又使用简单的温标，国际计量委员会引入了在各个测温范围内使用的标准测温元件系列利用它们进行温标确定的方法称作国际温标。 ITS一90基本内容为：,重申国际实用温标单位仍为K； 国际摄氏温度和国际实用温度关系为： 把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器，如下： 0.655.0K，用3He和4He蒸汽温度计； 3.024.5561K，用3He和4He定容气体温度计； 13.803K961.78，用铂电阻温度计； 961.78以上，用光学或光电高温计； 新确认和规定17个固定点温度值以及借助依

4、据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。,2、温度计分类,根据温度测量仪表的使用方式，通常可分为接触法与非接触法两大类。,（1） 接触法 当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。 特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，使两者达到热平衡。 热电偶式、热电阻式与膨胀式温度计,（2）非接触法,利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。 特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。 全辐射高温计、单色高温计与比色高温

5、计。,2 接触式温度计,一、膨胀式温度计 （利用物质的体积随温度升高而膨胀的特性制作的温度计） 1玻璃管液体温度计 常用：水银温度计和有机液体温度计两种。前者不粘玻璃，不易氧化，容易获得很高的精度，在相当大的温度范围内(38356)保持液态，在200以下，其膨胀系数几乎和温度成线性关系，所以可作为精密的标准温度计。,注意： 1)零点漂移：玻璃的热胀冷缩也会引起零点位置的移动，因此使用玻璃管液体温度计时，应定期校验零点位置。 2)露出液柱的校正：使用时必须严格掌握温度计的插入深度，因为温度刻度是在温度计液柱全部浸入介质中标定的，而使用时液柱可按下式求其修正值,n为露出液柱所占的度数；K为工作液体

6、在玻璃中可见的膨胀系数；t为主温度计指示的读数()；t0为由次温度计读出的液柱露出部分的平均温度()。,2压力式温度计 压力式温度计由温包、毛细管和弹簧管所构成的密闭系统及传动指示机构组成(图51)。,根据密闭系统内所充工作物质的不同，压力式温度计可分为三种： (1)充气体的压力式温度计 其工作原理是利用温度变化时密闭系统中充填气体膨胀或收缩产生的压力变化来测量温度。所充气体通常为氮气。测温范围为-80550。 (2)充蒸气的压力式温度计 其工作原理是利用温度变化时密闭系统中所充低沸点液体饱和蒸气压力的变化测温。所充低沸点液体有：氯甲烷(CH3Cl)、氯乙烷(CH2CH2C1)、丙酮(CH3-

7、CO-CH3)、氟里昂12(CCl2F2)、乙醚(CH3OCH3)等。测温范围为-20200 (3)充液体的压力式温度计 其工作原理是利用温度变化时密闭系统中所充液体的体积变化测温。所充液体有：水银(Hg)、二甲苯(C8H10)、甲醇 (CH3OH)等。测温范围为40550,3双金属温度计 双金属温度计是用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，这种变形通过相应的传动机构由指针指示出温度数值，其测量范围在60500。根据感温双金属片结构形状的不同，有螺旋形双金属温度计和盘形双金属温度计两种。,二、电阻式温度计（

8、热电温度计),原理：利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的特性所制成的测温仪表。 组成：由热电阻、显示仪表或变送器、调节器和连接导线等几部分组成。 热电阻的材料常用的有铂热电阻和铜热电阻两类。,三、热电偶温度计 原理：热电偶是利用“热电效应”制成的一种测温元件。 结构：工业热电偶的结构如图53所示，它由热电偶、绝缘体、保护管和接线盒组成。,四、温度计标定 1压力表式温度计的标定 标定设备：恒温器、标准温度计、盛有冰水共存的容器。 标定方法：把温度计垂直挂在支柱上，将温包全部浸在恒温器内(或浸有冰水共存的容器内)，调整温度计到等于恒温器内温度的刻度点(或0)。一般标定点不少于三点，即刻度标尺的起

9、点、中点和终点。对每一刻度点的标定，均要在恒温器的温度上升和下降时进行，并取其平均值。指示值的读数要进行两次，一次是在不敲表壳的情况下读出，一次是在轻敲一下表壳之后读出，轻敲表壳后的指针变化不应超过允许误差的一半。,2热电阻的标定 标定设备：标准热电阻温度计(标准热电阻温度计所用的材料与被标定的一样)、加热恒温器、冰水共存容器、标准电位计或不低于0.05级双臂电桥一只。 校验方法：有两个点必须进行标定，即0时的电阻值R0和100时的电阻值R100，并检查100时的电阻值Rl00对于0时的电阻值R0之比值(即R100/R0)是否符合规定。,在测定 R0时，要将热电阻放在冰水共存容器中。在标定R1

10、00R0的数值时，应该与标准热电阻温度计比较，标准热电阻温度计所用的材料应与被标定的一样，测量应该用双臂电桥进行，把标准热电阻温度计的电阻当作标准电阻，而被标定热电阻作为未知电阻。测试时，先在冰点恒温器中放置30min进行电桥平衡，然后在沸点校验器中放置30min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，用下列公式确定被标定的热电阻的R100/R0,(Rl00R0)B为标准热电阻的值，此值可由鉴定书得到或从国家标准中查得；Ak为放置在沸点恒温器中时电桥的读数；A0为放置在冰点恒温器中时电桥的读数。,3热电偶的标定 标定设备和材料：标准铂铑铂热电偶、可

11、以调节温度的管式电炉、具有冰水混合共存容器、试管、变压器油、转换开关、电压计或电位差计。,标定方法：热电偶的标定方法是把所测量的几支热电偶与标准铂铑铂热电偶一起放在管式炉中比较它们的读数。,使接触式测温的感受元件的输出能反映被测对象的真实温度，必须满足两个条件： 热力学平衡的条件，即要使温度汁和被测对象组成热力学孤立系统，并经历足够时间； 当对象温度变化时，温度计的温度能够不延迟地跟着变化，即要使温度计的热容和热阻为零。 但是，实际测温中不可能满足上述条件，例如温度计除了与被测对象要进行热量交换外，还要和周围环境交换热量，从而产生误差；温度计的热容与热阻实际上也不可能为零。事实上，接触式温度计

12、指示的温度只是感温部本身的温度(例如热电偶热接点的温度)，将感温部的温度当作被铡对象种近似，某些情况下两者的差别可能很大。,五、接触式温度测量误差,(一)测温元件吸热与发热的基本情况 吸热：一是被测介质传给测温元件的热量，包括介质对测温元件的导热、辐射和对流换热；二是由于测温元件阻挡了流动介质而在测温元件附近发生气流绝热压缩，因而使流体的动能转变为热能，这种现象在测量高速气流的温度时应当给予足够重视。 散热：一种是由测温元件向周围冷壁的辐射散热和传热，一种是沿着测温元件向外部介质的传导散热(包括测温元件露在外部介质中的部分辐射散热)。后者在静态或中低速流动介质中测量时引起误差较大,(二)测温元

13、件的安装 1.测温元件安装的基本要求 测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(a)。若不能迎着被测介质的流向插入，可采用迎着被测介质的流向斜插(b)的方式，至少也须与被测介质正交(即90)(c)，应尽量避免与被测介质形成顺流。,测定液体温度时，插入深度应是保护管直径的912倍。 在直径小的管道上安装测温元件时，可装置扩大管(图518)。 在测温元件插入处附近的管道或容器壁外，要有足够的绝热层，以减少由于辐射和导热损失而引起的误差。,使测温元件处于管道中心，即应使它处于流速最大处。当在管道上倾斜安装时(b)，保护管顶端要高出管中心线510mm。,随着测温元件插入深

14、度的增加，测量误差减少。插入深度应符合国家有关试验规范或出厂使用说明的要求。如不用保护管时，热电偶插入深度不应小于热电偶丝直径的50倍。,2热电偶与被测表面的接触方式 接触方式：点接触式（图a），热电偶的测量端接点直接与被测表面相接触。面接触式（图b），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)焊在一起，然后再与被测表面接触。等温线接触式（图c），即热电偶测量端接点固定在被测表面后沿被测表面等温线绝缘敷设至少20倍线径的距离，再引出。分立接触式（图d），两热电极分别与被测表面接触。,(三) 温度测量误差 1.安装误差 图520所示，位置(b)利用直角弯头逆向插入一定深度，可以测得

15、真实温度位置(a)由于插入深度浅，露在大气中不保温的部分长，所以测定值低于真实值；位置(c)由于插入深度稍浅，位置(d)插入深度不够，所以都将产生误差。这种由于插入深度产生的误差，就是热电偶的保护管和电偶线的热传导所产生的误差。,2环境温度与压力的影响 对充液温度计，因流体和毛细管材料的温度膨胀系数不同将引起误差，把充液球的容积做得大些，把毛细管和压力弹簧管的容积做得小些可减少误差。 对高精度充液温度计，往往将一根能使空间的体积膨胀和液体的膨胀相匹配的细金属丝，穿到毛细管孔中来取得补偿；也有采用一根带有二次压力弹簧管的补偿毛细管或在指针联接装置中采用一双金属补偿片来提高温度计精度的。 由于压力

16、弹簧管通常用做测量大气压力，因此大气压的变化将对压力弹簧管式的温度示值发生变化而产生误差。采用高压充注系统可大大减少误差。 对于热电偶，采用冷端补偿 。,3. 辐射引起的误差 因温度计的测温元件在测量气体温度时存在着辐射传热而使测温读数(测量值)低于被测气体的实际温度。 测量时辐射引起的误差与辐射传热系数C成正比，与气体向测温元件表面的传热系数h成反比。为减少测量误差，应采用表面光滑的测温元件保护套管，以减少辐射传热系数；同时改善对流传热条件，以增大气体向测温元件表面的传热系数。 4由于热传导引起的误差 当测温元件保护套管顶部的温度与装置保护套管的管道壁的温度不同时，就会有热量沿测温元件套管流向温度较低的管壁，由于热传导的存在，使测温元件感受的温度低于被测介质的温度。 在安装测温元件时，应减少引起热传导误差的因素 。,3. 辐射引起的误差 因温度计的测温元件在测量气体温度时存在着辐射传热而使测温读数(测量值)低于被测气体的实际温度。 测量时辐射引起的误差与辐