SK第四章温度测量

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1、表面温度测量概述(1) 用途：(2) 方法：接触法：热电偶、热电阻、示温漆；非接触法：亮度温度计、全辐射温度计、比色温度计、红外热像仪等。表面温度测量表面热电偶测量误差(1) 概念：热电偶测量端沿热电极的导热会破坏壁面温度场，若被测壁温Tw高于周围介质的温度Tg，则测量端附近的壁面将通过热电极向周围介质导热，使被测壁面温度降低。于是，热电偶测量端温度Tj就低于真实壁温Tw，其差值即为测量误差。这种误差的极限值即为(Tw-Tg)。(2) 安装系数：实际的测量误差与可能出现的最大误差之比值Z。表面温度测量表面热电偶测量误差(3) 影响测量误差的因素：热电偶的材料、尺寸、安装方法、被测壁面材料、状态

2、及环境等。(4) 接触型式与测量误差： (a) 点接触；(b) 片接触；(c) 等温线接触；(d) 分立式表面温度测量表面热电偶测量误差(5) 表面材料与测量误差热电偶与不同材料平板三种接触形式的测量结果(平板的实际温度为35.4，周围空气温度为15) 平板试样 点接触 () 片接触() 等温线接触() 材料导热系数(瓦/米度) 热电偶示值导热误差热电偶示值导热误差热电偶示值导热误差软木0.03822.912.532.33.135.30.1木头 0.3525.99.934.21.235.30.1铜 38431.83.634.41.035.40表面温度测量表面热电偶测量误差(6) 减小表面温度测

3、量误差的主要途径(a) 采用直径细，导热系数小的热电偶； (b) 热电偶沿壁面等温线敷设，敷设长度一般为2050倍偶丝直径；(c) 对于导热性能较差的壁面，可采用导热性能良好的集热片接触形式。表面温度测量 表面热电偶表面热电偶的敷设(1) 要求(a) 热电偶与被测壁面有良好的热接触；(b) 不会严重破坏温度场、换热情况和外形尺寸；(c) 方便可靠，有足够寿命。(2) 敷设种类(a) 永久性敷设：概念：用焊接、粘接或埋设等方法将表面热电偶固定在被测壁面。特点：与壁面接触良好，测温准确度较高。表面温度测量 表面热电偶表面热电偶的敷设敷设方法：焊接和埋设焊接：平行焊准确度最高。但它只适用于壁面为导体

4、，而且要求两焊点温度相同。(a) 球形焊； (b) 交叉焊； (c) 平行焊表面温度测量 表面热电偶表面热电偶的敷设表面埋设：在被测壁面上尽量沿等温线开槽，然后将热电偶测量端紧贴被测壁面，其余部分经绝缘后沿槽埋设一定距离后引出，并用钎焊料或热水泥等将槽填平打光。热电偶埋设在槽内 热电偶从壁面背面埋设 热电偶埋设在管壁孔内表面温度测量 表面热电偶表面热电偶的敷设优点：可保持壁面外形和尺寸，且敷设牢靠。缺点：工艺复杂，破坏壁面内部传热情况、温度分布和强度，仅适用于厚壁。(b) 非永久性敷设：概念：用机械方法将热电偶与被测壁面紧密接触。特点：不破坏被测壁面，热电偶可以挪动，机动性好。敷设方法：铠装热

5、电偶和装卸型表面热电偶。表面温度测量 表面热电偶表面热电偶的敷设可装卸型表面热电偶：这种表面热电偶用机械方法使热电偶测量端和被测壁面紧密接触，可任意装卸。 (a)垫圈式； (b) 铆接式；(c) 管夹式；(d) 螺拴式；(e) 弹簧压紧式表面温度测量 表面热电偶旋转物体的壁面温度测量(1) 低速旋转：用弹簧压紧式热电偶测量其壁温。(2) 高速旋转： 将热电偶直接敷设在被测壁面上跟着一起旋转。通过引电器将旋转的线路“转化”为静止的线路。引电器：引电器有若干槽道，每一槽道均由一个旋转接点和一个静止接点组成。引电器能否准确地完成信号由转到静的转化及传递，关键在于如何有效地实现旋转接点与静止接点间的电

6、连接。壁面温度测量 表面热电偶旋转物体的壁面温度测量JY-100型多通道旋转件遥测仪 图8旋转遥测系统的旋转部分JY-100型多通道旋转件遥测仪 表面温度测量示温涂料概念示温漆：将其涂覆在被测表面上，随着温度的变 化，颜色发生变化，用颜色来指示温度。优点：它能在其它测温方法不便实施的场合，方便地显示整个被测壁面的温度分布，且不需要专门的显示仪表。特别适用于测量高温高速旋转构件和复杂构件的壁面温度以及显示大面积的温度分布、判断相对温度高低。缺点：测温精确度较差，人为因素多，测温上限受到限制，国内960，国外1150。表面温度测量示温涂料概念要求：稳定的变色性能，变色明显易于判读，对温度有较高的分

7、辨力，且附着牢固，能经受气流冲刷及振动等。 组成：示色剂、填料和粘合剂。表面温度测量示温涂料分类(1) 根据示温漆变色后颜色的稳定性，可分为可逆和不可逆两类。可逆型示温漆：在加热到一定温度时，颜色发生变化，显出一种新的颜色。若冷却到低于该变色温度时，它又重新恢复到原来的颜色。特点：可反复使用，但要求记录温度时就需配用彩色摄影。不可逆型示温漆：在加热到一定温度时，颜色发生变化，但冷却后不再恢复到原来的颜色。特点：这类漆只能使用一次，但能冻结和记录该壁面曾经出现过的最高状态。表面温度测量示温涂料分类(2) 根据示温漆随温度变化出现颜色的多少，又可分为单变色和多变色漆两种。单变色漆：随温度升高，涂层

8、只出现一种新的颜 色的漆。特点：准确度较高，在工业设备上常用作温度安 全界限的标志，起超温报警的作用。多变色漆：随温度升高，涂层出现二种以上颜色 的漆。特点：常用来显示壁温分布，但准确度没有单变 示温漆高。表面温度测量示温涂料示温漆的变色原理示温剂及填料受热发生物理变化(如晶型转变、升华、熔融和失去结晶水等）和化学变化(如氧化、还原、分解及化合等)引起示温漆变色。影响示温漆变色温度的因素(1) 升温速度：升温速度越慢，变色温度越低。但当升温速度加快到一定程度后，对变色温度几乎就没有影响了；(2) 恒温时间：变色温度通常随恒温时间增长而降低，但恒温时间超过一定数值后，其影响将逐渐减小；(3) 气

9、氛：变色温度与周围气氛的种类和浓度有关；(4) 涂覆：示温漆涂覆的好坏将直接关系着测温的成败。表面温度测量示温涂料使用方法(1) 事先按示温漆说明书烧制示片；(2) 确定示温漆的升温速度、恒温时间和使用气氛；(3) 涂覆时严格按照操作规程进行，主要包括：(a) 将被测壁面上的油污、灰尘和锈蚀等清除干净。其方法可用砂纸打磨或喷砂处理以及用丙酮、二甲苯等有机溶剂擦洗；表面温度测量示温涂料使用方法(b) 示温漆可用毛刷刷涂，也可用喷枪喷涂。涂层厚度宜控制在2040微米之间。涂层太厚容易 剥落，而且会使变色温度偏高。涂层太薄则变温度会偏低，而且不易判读。示温漆涂覆后应在常温下干燥四小时以上，否则，加热

10、时涂层会起泡难于判读等；(c) 涂料存放一段时间后，如有沉淀变稠现象，使用前应充分搅拌均匀，并可加入适量溶剂进行稀释。辐射式测温方法几个概念(1) 热辐射：由于热的原因而产生的电磁波辐射(2) 电磁波谱：表面温度测量几个概念(3) 黑体：吸收比=1的物体。(4) 辐射亮度L：辐射源在单位投影面积、单位立体角范围内所发射的辐射功率，W/(cm2Sr)。(5) 光谱辐射亮度L：辐射源在波长附近单位波长间隔的辐射亮度 ，W/(cm2Srm)。(6) 辐射强度J：点源在某一指定方向，单位立体角内所发射的辐射功率，(W/Sr)。(7) 光谱辐射强度J ：辐射源在波长附近单位波长间隔的辐射强度， W/(S

11、rm) 。表面温度测量几个概念(8) 辐射力E：辐射源每单位表面积向半球空间所有方向发射出去的辐射功率， (W/cm2)。(9) 光谱辐射力E ：辐射源在波长附近单位波长间隔的辐射力，(W/cm2m)。(10) 发射率：实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值。(11) 单色发射率 ()：实际物体的光谱辐射力与同温度下黑体的光谱辐射力的比值。(12) 灰体：光谱吸收比(光谱发射率)与波长无关的物体。此时，其光谱辐射力曲线与同温度下黑体的光谱辐射力曲线相似。表面温度测量黑体辐射基本定律(1) 普朗克定律：温度在3000K以下时，普朗克公式可用较简单的维恩公式代替。表面温度测量黑体辐射基本定律(

12、2) 维恩位移定律 mT =b (b=2.897610-3 mK)(3) 斯忒藩-玻尔兹曼定律 Eb = T4 (=5.67 10 -8 w/(m2k4)表面温度测量辐射测温仪表光学系统光学调制器：将来自目标的辐射调制成交变的信号光学接收器：收集被测目标的红外辐射，并会聚至探测器。表面温度测量辐射测温仪表光学系统探测器：感受辐射，并将它转变为电能或其它能量的器件。按工作原理，一般可分为热探测器和光子探测器两类。热探测器：利用热效应制成的探测器。优点是对于波长响应没有选择性，可在室温下工作，不需制冷系统；缺点是探测率低和响应慢。光子探测器：利用入射光子激发半导体材料，成对地出现大量自由电子及空穴

13、两种载流子，从而引起电阻的减小或产生一个电压的探测器。优点是探测率高和响应快；缺点是对波长有选择性，为提高信表面温度测量辐射测温仪表光学系统噪比，需要制冷系统。探测率：每投射到探测器上一瓦的入射功率，探测器给出的信噪比。探测率与波长、工作温度、调制频率及偏置等有关。常用探测器的探测率表面温度测量辐射测温仪表光学辐射式高温计分类：(1) 以普朗克定律为基础的单色辐射高温计。常用的有亮度温度计和比色高温计。亮度温度计的形式有光学高温计和光电高温计。(2) 以斯蒂芬波尔兹曼定律为基础的全辐射高温计。表面温度测量辐射测温仪表亮度温度计定义：用亮度温度计感受实际物体的单色辐射亮度L，则该仪器指示的温度即

14、为黑体在其单色辐射亮度正好等于L时所具有的温度。亮度温度Tl:黑体的这一温度便称为该实际物体的亮度温度。亮度温度与实际物体真实温度的关系： 由此可知：实际物体的亮度温度永远小于真实温度隐丝式光学高温计原理图表面温度测量辐射测温仪表比色温度计定义：通过测量两个波长的单色辐射亮度之比值来确定物体温度。比色温度(Tc)：如果黑体在两个波长的单色辐射亮度之比正好等于被测物体在同样两波长的单色辐射亮度之比时，黑体之温度即为该物体的比色温度。比色温度与物体真实温度的关系：光电比色高温计原理图表面温度测量辐射测温仪表红外热像仪概念：以普朗克定律为依据，以黑体为参考，在选定的红外波段，接收来自物体各部分的热辐

15、射，通过后处理，将其变成彩色图像。用彩色图像来图示物体的温度分布。原理：热像仪系统的基本组成热像仪测温技术(1) 获取校准曲线热值：热像仪检测到的红外辐射的数值。通过用黑体炉作热辐射源在不同温度下进行近距离辐射测量，得到一系列校准曲线。通过校准曲线将热像仪输出的热值转换成被测物体的温度值。该校准曲线除与黑体温度有关外，还与热像仪光学系统中的光圈、滤光片等有关。(2) 校准曲线的修正目的：补偿除目标物外其它辐射源对热像仪接收热辐射的影响。热像仪测温技术热像仪测温技术热像仪测量温度的通用公式图象放大：将感兴趣部位的热图放大2、4、8倍；1/4图象：将4幅图象放在一幅画面上加以比较；图象相减：将不同

16、时间的两幅图象相减，以示差别多点温度：可以任意选择若干个点，进行温度值显示；多个矩形区、不规则区域温度：显示若干个区域的平均温度、最高温度、最低温度和直方图；线分布：显示任意几条线上的温度分布；等温区：显示等温区温度。热像仪图示功能 红外测温系统的选择(1) 点温还是温度场；(2) 注意探测器的制冷方式；(3) 应根据被测对象的具体工况选择测温波段；二氧化碳的主要光带有三段2.652.8m、4.154.45 m 、13.017.0 m 水蒸汽的主要光带也有三段 2.552.84 m 、5.67.6 m 、1230 mCO2：2.652.8m、4.154.45 m 、13.017.0 mH2O：

17、2.552.84 m 、5.67.6 m 、1230 m习题解答4-6题：（1）因为 上面两式相加得： 由此可知，三个热电极，如果任意两种组合成的热电偶所产生的热电势已知时，就可以利用此定则方便地求出第三种组合的热电偶的热电势。参与前两种组合的这根热电极常用稳定性好的铂，故称它为标准热电极。（2）设铜为A，康铜为B，铂为C；t100，t00。则，根据标准电极定则 即铜康铜构成的热电偶在（100，0）下的热电势是4.27mV4-7题证明：设各点温度都为tn,则将(2)式代入(1)式得：4-9题假设三个接点温度都为t3，则回路总热电势为零，即将(3)代入(1)得：(1)0.333.3510.152.0511.12(mV)(2) 由(1)得出的结论得：(3) 回路电流方向如图所示。