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1、1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.测温技术第四章 温度测量第1页/共83页4.1温度和温标温度（物体的冷热程度）宏观：热平衡状态系统的宏观性质。宏观：热平衡状态系统的宏观性质。微观：分子平均动能大小的量度。微观：分子平均动能大小的量度。温度测量的基本依据-热力学第零定律如果两个热力系的每一个都与第三个热力系如果两个热力系的每一个都与第三个热力系处于处于热平衡热平衡，则它们，则它们彼此彼此也处于热平衡。也处于热平衡。物理概念第2页/共83页衡量温度的标准尺度。譬如规定什么样的温度是150，什么样的温度是200。国国际际普普遍遍使使用用的的温温标标有有四四种
2、种：热热力力学学温温标标、国际实用温标、摄氏温标、华氏温标国际实用温标、摄氏温标、华氏温标。温标三要素：温度计、固定点、内插方程温标三要素：温度计、固定点、内插方程温标：表示温度的尺度4.1温度和温标第3页/共83页Q1/Q0 =T1/T0 假设一卡诺热机工作在温度为T0的低温热源和未知温度的高温热源之间，如果该卡诺热机向低温热源放出的热量为Q0，从高温热源吸收的热量为Q1T0T1卡诺热机Q0Q1热力学温度的内插方程1 1、热力学温标（开尔文 1848年）第4页/共83页开尔文引出此温标后，于1854年建议用一个固定点来确定此温标。人们发现水的三相点(273.16K)的稳定性能长期维持在0.1
3、mK范围内。因此，1954年第10届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温际的基本固定点此温标的表达式为：这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基准。1 1、热力学温标（开尔文 1848年）第5页/共83页现实中热力学温标是应用气体特性方程实现的。理想气体的P、V、T之间的关系式为：（气体定容温度计）（气体定容温度计）1 1、热力学温标（开尔文 1848年）选用水的三相点温度为273.16，定义水三相点温度的1/273.16为1度，单位为K，就建
4、立了热力学温标。只要确定一个基准点，整个温标就确定了。第6页/共83页2 2、国际实用温度计（温标的二级标准）指导思想:应尽量与热力学温标接近，温度的复现性要好。内容：（1）定义了固定点，共有1111个。（2）规定不同区域内的基准仪器。（3）建立基准仪器示值与国际温标之间的插补公式。第7页/共83页3 3、摄氏温标-摄摄氏氏温温标标：所所用用标标准准仪仪器器是是水水银银玻玻璃璃温温度度计计。分分度度方方法法是是规规定定在在标标准准大大气气压压力力下下，水水的的冰冰点点为为0度度，沸沸点点为为100度度，水水银银体体积积膨膨胀胀被被分分为为100等等份份，对对应应每每份份的的温温度度定定义义为为
5、1摄摄氏度，单位为氏度，单位为“oC”。摄氏温标和热力学温标的换算关系可表示为：摄氏温标和热力学温标的换算关系可表示为：t=T-273.15 应用最为广泛的温标之一。第8页/共83页华氏温标：按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF,中间分为180分，每一份为1度，单位为“oF”。4 4、华氏温标-oF华氏温标与摄氏温标的换算关系为：华氏温标与摄氏温标的换算关系为：tF=32+9/5 t 现在许多英语国家仍采用华氏温标。第9页/共83页华伦海特（Fahrenheit，16861736）出生于德国但泽（今波兰的格但斯克）。青年时代移居荷兰阿姆斯特丹学习商业，以制造气象仪器为业。1714
6、年华伦海特用水银代替酒精作为测温物质，制作了自己的温度计。他令水的沸点为212度，纯水的冰点为32度，人体体温为98.6度。这套计温体系就是华氏温标。1724年华伦海特公布了他的温度计，并在当年当选为皇家学会会员。1742年，瑞典天文学家摄尔修斯（Celsius，17071744）提出一个新的测温系统。他以水银为测温物质，将水的沸点定为0度，冰的溶点定为100度。八年以后，摄尔修斯的同事建议把标度倒过来，于是形成了今日广为采用的摄氏温标。华氏温标和摄氏温标的来历第10页/共83页1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.测温技术第四章 温度测量第11页/共83页
7、工作原理：利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。组成：液体存储器、毛细管、标尺、安全泡四部分。液体可为：水银、酒精、甲苯等。当温度超过300时，应采用硅硼玻璃，500500以上要采用石英玻璃。44.2玻璃管液体温度计第12页/共83页4.2玻璃管液体温度计玻璃管温度计玻璃管温度计第13页/共83页玻璃温度计使用时注意点:a、玻璃、玻璃易破碎易破碎，因此不能受到撞击、折拗以及骤冷骤，因此不能受到撞击、折拗以及骤冷骤热等。热等。b、必必须须等等待待温温度度计计与与被被测测物物体体间间达达到到热热平平衡衡、水水银银柱柱液液面面不不再再移移动动后后方方可可读读数数，一一般般情情况况下下温温度
8、度计计浸浸在在被被测物体中测物体中约约1 1 6 6分钟才能达到热平衡分钟才能达到热平衡。c、为为了了防防止止液液体体在在毛毛细细管管壁壁上上的的粘粘附附；在在读读数数前前常常常常必必须须轻轻轻轻敲敲击击温温度度计计，这这一一点点在在使使用用精精密密温温度度计计时时尤尤其必须注意。其必须注意。4.2玻璃管液体温度计第14页/共83页d、读数时，液柱液面，刻度和眼睛应、读数时，液柱液面，刻度和眼睛应保持在同一水保持在同一水平面平面上，以避免读数误差。上，以避免读数误差。e、由于温度计制作上的问题或者温度计使用日久可、由于温度计制作上的问题或者温度计使用日久可能造成温度计玻璃球变形而使温度计读数与
9、真实温度能造成温度计玻璃球变形而使温度计读数与真实温度不符，此时温度计必须进行不符，此时温度计必须进行校正校正。4.2玻璃管液体温度计第15页/共83页1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.测温技术第四章 温度测量第16页/共83页4.3热电偶 所形成的热电势包括两部分：所形成的热电势包括两部分：接触电势接触电势和和温差温差电势电势。一、热电偶的工作原理热电效应：将两种不同材料的导体或半导体组成一个闭合回路，如果两端点的温度不同，则回路中将产生一定大小的电流，这个电流的大小同材料的性质以及节点温度有关，上述现象称为热电效应。这个现象是1821年Seebeck
10、发现的故又称为塞贝克效应。BTAT04.3.1 热电偶原理热电偶原理第17页/共83页A、接触电势：当两种不同的导体接触时，由于两者有不同的电子密度而产生的电势。（指向电子密度大）式中EAB(T1)为A、B两种材料在温度为T1时的接触电动势；K为玻耳兹曼常数；e为电子电荷：NA、NB为A、B两种材料在温度T1时的自由电子密度。一一一一一一一一一一一一一一一一一一+-电子e运动方向接触电动势EAB(T1)AB 电子电子e运动方向与电动势运动方向与电动势方向相反。方向相反。4.3热电偶第18页/共83页A，B材料的汤姆逊系数B B、温差电势、温差电势（汤姆逊温差电势）（汤姆逊温差电势）:由于导体或
11、半导体由于导体或半导体两端温度不同而产生的一种电动势。（指向高温）两端温度不同而产生的一种电动势。（指向高温）+-高温T1低温T0EA(T1,T0)4.3热电偶第19页/共83页4.3热电偶C C、回路总热电势、回路总热电势:如果如果T0=const.，则，则EAB=f(T1)，即，即总热电势是总热电势是T1的单值函数。的单值函数。BEAB（T1）EAB（T0）EA（T1，T0）EB（T1，T0）A第20页/共83页4.3热电偶推论：推论：1 1、当、当A A、B B同种材料，同种材料，E EABAB(t(t1 1，t t0 0)=0)=02 2、材料不同，若、材料不同，若t t1 1=t=t
12、0 0，则，则E EABAB(t(t1 1，t t0 0)=0)=03 3、热电势仅与、热电势仅与材料种类材料种类、两节点温度两节点温度有关，与热电偶有关，与热电偶的长短、粗细、形状、沿热电偶线的温度分布无关。的长短、粗细、形状、沿热电偶线的温度分布无关。第21页/共83页4.3.2 热电偶的基本定理热电偶的基本定理 （一）热电偶均质导体定律:由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭合回路中，不论导体的截面、长度以及温度分布如何，均不产生热电势。可检验热电偶丝的均匀性。可检验热电偶丝的均匀性。4.3热电偶第22页/共83页 （二）中间导体定律:在热电偶回路中接入第三导体，只要与第三种导体相连
13、接的两端温度相同，接入第三种导体后，对热电偶回路中的总热电势没有影响。4.3热电偶第23页/共83页思考题:ABCDEFT1T1T1T1T2T2 六种不同的导体组成如图回路，写出回路中总的六种不同的导体组成如图回路，写出回路中总的热电势。（假设热电势。（假设AF电子密度逐渐下降，电子密度逐渐下降，T2T1）4.3热电偶第24页/共83页（三）热电偶的中间温度定律补偿导线热电偶在两接点温度为T T、T T0 0时的热电势等于该热电偶在两接点温度分别为T T、T TN N和T TN N、T T0 0时相应热电势的代数和。TT0TNABBA4.3热电偶第25页/共83页结论：已知热电偶在某一冷端温度
14、下进行分度，只要引入适当的修正就可在另一冷端温度下使用。热电偶分度表中冷端温度为0，在实际测量中若热电偶的冷端温度为20，则可应用中间温度定律进行计算。例：用铂铑例：用铂铑10铂热电偶测温，冷端温度为铂热电偶测温，冷端温度为25，输，输出电势为出电势为0.668mV0.668mV，试求被测对象的温度。，试求被测对象的温度。查表得被测温度为查表得被测温度为122。查表得查表得25时输出电势为时输出电势为0.143mV，所以有，所以有4.3热电偶第26页/共83页锅炉mVTT0 T0 T0 T0 参考点温度不易保证锅炉mVTT0 T0 T0 T0 贵AB4.3热电偶长度有限，冷端温度不易恒定长度有
15、限，冷端温度不易恒定-补偿导线第27页/共83页 如果在T0T0范围内，某对廉价导线的热电性能与贵金属热电偶相同，则可以用这对导线代替从T0点到T0点一段的热电偶线，而不影响热电偶的热电势值，同时降低热电偶测量成本。4.3热电偶第28页/共83页锅炉mVTT0 T0 T0 T0 补偿导线：将热电偶全用补偿导线代替行吗？将热电偶全用补偿导线代替行吗？热电极材料的基本要求:l性质稳定（在测量范围不易氧化或不发生其它变化）l温差系数大（温度每变化一度产生的温差电势较大）4.3热电偶第29页/共83页性能：在一定温度范围和误差范围内与热电偶的热电性能相同。作用：使热电偶冷端远离热源。注意：两个接点温度
16、不能超过规定温度。两个接点温度应当相同。否则，由于热电偶与补偿导线的热电特性并不完全相同，可能会引起较大的测量误差。正负极不能接反。补偿导线4.3热电偶第30页/共83页4.3.3热电偶的种类及结构形式（一）热电偶种类：国际电工委员会（ICE）对热电偶公认性能比较好的材料制定了统一的标准，ICE推荐的标准化热电偶7种。名称分度号名称分度号名称分度号铂铑10-铂S铜-康铜T镍铬-镍硅K铂铑30-铂铑6B镍铬-康铜E铂铑13-铂R铁-康铜J4.3热电偶第31页/共83页4.3热电偶标准热电偶的热电势与温度的曲线关系第32页/共83页（二）热电偶结构类型（1 1）普通热电偶）普通热电偶（2 2）铠装
17、热电偶）铠装热电偶（3 3）快速反应薄膜热电偶）快速反应薄膜热电偶（4 4）快速消耗微型热电偶）快速消耗微型热电偶1.普通热电偶结构：热电极，绝缘套管，接线盒，保护套管4.3热电偶第33页/共83页2.2.铠装热电偶结构：热电极，绝缘材料，保护套管特点特点：测量端热容量小，：测量端热容量小，动态响应快，机械强度高，动态响应快，机械强度高，挠性好挠性好，耐高压，耐振动，耐高压，耐振动，寿命长，适用各种工业测寿命长，适用各种工业测量。量。4.3热电偶第34页/共83页3.3.小惯性热电偶（快速反应薄膜热电偶）特点：响应快，时间常数小，可作温度变化的动态测量。4.3热电偶第35页/共83页4.3.4
18、热电偶冷端温度的补偿4.3热电偶（1 1）冷端恒温）冷端恒温（2 2）补偿导线）补偿导线（3 3）冷端补偿器）冷端补偿器1.冷端恒温冰浴法，精度高,多用于实验室；工业则常用冷端恒温器。第36页/共83页4.3热电偶2.2.计算补偿法TT0TNABBA第37页/共83页4.3热电偶例用镍铬-镍硅热电偶测温，冷端Tn=25，EAB(T，Tn)=40.347mV，求被测对象的实际温度。由分度表知：EAB(25，0)=1mVEAB(T，0)=40.347+1.0041.347mV由分度表知，T1002第38页/共83页3.3.补偿电桥法利用电桥不平衡原理，桥臂热电阻随温度变化，产生补偿电压V。电桥也叫
19、毫伏发生器。4.3热电偶第39页/共83页R1=R2=R3=1,不随温度变化热电阻20时，RCU=1，Vab=0环境不等于20时，电桥失去平衡，产生电势Vab与E(Tn,T0)相等，叠加补偿使用时，注意零点是204.3热电偶第40页/共83页热电偶的连接方式热电偶的连接方式（1 1）单点）单点连接连接（2 2）并联）并联连接连接（3 3）串联）串联连接连接（4 4）反）反接接与热电偶配套的测温仪表与热电偶配套的测温仪表直流电位差计、自动电子电位差计、热电偶温度变送直流电位差计、自动电子电位差计、热电偶温度变送器器4.3热电偶第41页/共83页热电偶测温的主要优点热电偶测温的主要优点（1 1）结
20、构）结构简单简单，使用，使用方便方便，制造容易制造容易，热电偶的大，热电偶的大小和形状可按照需要自行配置；小和形状可按照需要自行配置；（2 2）测量温度）测量温度范围广范围广，低温用热电偶可达，低温用热电偶可达-270-270，高温用热电偶可达高温用热电偶可达30003000；（3 3）测量）测量精确度精确度较高；较高；（4 4）属于）属于自源传感器自源传感器，无须外加电源；，无须外加电源；（5 5）易于实现远距离传输和测量易于实现远距离传输和测量。4.3热电偶第42页/共83页1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.测温技术第四章 温度测量第43页/共83页
21、4.4热电阻对于一个给对于一个给定电阻，电阻值定电阻，电阻值是温度的是温度的单值函单值函数数，可以通过测，可以通过测量电阻值来推算量电阻值来推算温度。温度。TRt铂电阻热敏电阻原理原理：金属或半导体的：金属或半导体的电阻值随温度的变化电阻值随温度的变化第44页/共83页4.4热电阻优点：1.1.结构简单、工作可靠2.2.测温范围广、不需要冷端补偿3.3.精度高要求：1.1.电阻温度系数要大，电阻率大，热容量小2.2.R-TR-T关系最好线性3.3.物理化学性能稳定4.4.易提纯，易加工，价格便宜，可延性好第45页/共83页4.4热电阻与热电偶区别：与热电偶区别：1.1.测温原理不同测温原理不同
22、2.2.热电偶要冷端，热电阻不需要热电偶要冷端，热电阻不需要3.3.热电偶有源、热电阻无源，即热电偶无需外热电偶有源、热电阻无源，即热电偶无需外部电路，热电阻必须有外部辅助电路部电路，热电阻必须有外部辅助电路4.4.热电阻热电阻感温部分尺寸较大，因而热电阻测温感温部分尺寸较大，因而热电阻测温的反应速度比热电偶慢的反应速度比热电偶慢5.5.精度：热电阻精度：热电阻 热电偶热电偶第46页/共83页4.4热电阻A A、铂电阻（WZPWZP）,Pt,Pt1010,Pt,Pt100100,Pt,Pt10001000优点优点：稳定、易提纯、精度高、电阻率大：稳定、易提纯、精度高、电阻率大电阻比：W W（1
23、00100）=1.3925=1.3925金属导体纯度越高，电阻比越大。W(100)=1.393,W(100)=1.393,对应纯度为99.9995%99.9995%缺点缺点：价格高、：价格高、R-TR-T非线性，非线性，R Rt t=R=R0 0(1+At+Bt(1+At+Bt2 2)广泛应用于基准、标准化仪器中，是目前测温复现性最好的一种。第47页/共83页结构：电阻丝、绝缘管、保护套管、接线盒4.4热电阻第48页/共83页4.4热电阻常见金属电阻率第49页/共83页4.4热电阻B B、铜电阻（WZCWZC），CuCu5050，CuCu100100优点：易加工提纯、价格便宜，R-TR-T线性
24、、电阻温度系数高缺点：易氧化、测温范围窄（-50-50180180）、电阻率小电阻值与温度关系：电阻值与温度关系：为避免接线电阻随温度的变化引起的误差，可通过三线法接线。第50页/共83页C C、半导体热敏电阻随着温度的增高阻值降低，具有负的温度系数，测温范围-40350。电阻值随温度按指数曲线变化。TRt热敏电阻4.4热电阻第51页/共83页与金属热电阻比较：电阻温度系数大，热敏电阻的电阻温度系数约为-(3-(36)%6)%，金属热电阻约为0.40.40.6%0.6%电阻率大，可将电阻作的很大而体积很小，电阻阻值大，连接导线所用的电阻可忽略不计结构简单，体积小，可用于测量点温度热惯性小工艺和
25、互换性差，精度低4.4热电阻第52页/共83页NSP功率型功率型NTC热敏电阻器热敏电阻器 CWF型型NTC精密温度传感器精密温度传感器 MF11型型NTC热敏电阻器热敏电阻器 温度传感器温度传感器 第53页/共83页1.温度和温标2.玻璃管液体温度计3.热电偶4.热电阻5.辐射式温度计6.测温技术第四章 温度测量第54页/共83页4.5辐射式温度计辐射测温法：1.1.亮度法（光学高温计）2.2.辐射法（辐射高温计）3.3.比色法（比色温度计）原理：利用热接收器接收被测物体在不同温度下辐射能量的不同来确定对象的温度。第55页/共83页4.5辐射式温度计 黑体和灰体概念：第56页/共83页热辐射
26、：0，主要在可见光和红外线4.5辐射式温度计第57页/共83页4.5辐射式温度计A A、光学高温计原理：受热物体的单色辐射强度随温度升高而增加。普朗克定律（黑体）维恩公式（T3000K，误差0.20.3时，须考虑速度的影响。静温：气体无规则的分子运动的平均动能，T0总温：气体运动中的总能，T*动温：总能与分子运动平均动能之差，Tv(气流方向)第65页/共83页恢复系数(复温系数)：有效温度：传感器测试得到的温度Tg其中，k气体的等熵过程系数；M马赫数恢复系数r越高，M数越低，误差越小d1/d224.6测温技术第73页/共83页(3)(3)、遮热罩提高热电偶周围壁温ts可减小辐射误差加遮热罩加遮
27、热罩只能减小部分辐射误差，不能消除误差，a)耐热钢遮热罩 1-罩座2-榫销槽b)耐火塑料遮热罩4.6测温技术第74页/共83页(4)(4)、抽气热电偶原理：增大气流速度以提高传热系数速度太低，传热改善不够，温度偏差较大流速太高，也会使温度指示值下降故一般流速范围以100200m/s为主1-铠装热偶2-喷嘴3-遮热罩4-混合式扩张管5-外金属套管6-内金属套管4.6测温技术第75页/共83页(5)(5)、气动式高温计（文丘里式）原理：气体密度与绝对温度呈反比的原理来间接测量高温气体温度的一种温度计。1-热端节流元件2-冷端节流元件3-水冷套4-冷端测温元件5-抽气喷管其中k为仪器特性系数4.6测
28、温技术第76页/共83页(6)(6)、动态热偶法原理：非热平衡法，将热电偶突然插入高温介质，等热电偶尚未达到平衡温度，即尚未超过允许温度就拔出来，如假设热惯性系数不变，则其中热惯性系数比前几种误差更大，因为实际热惯性系数是温度的函数，而非常数。4.6测温技术第77页/共83页4.6测温技术C C、壁面温度测量常用热电偶测壁面温度，热电偶的导热作用，降低待测点的温度，存在误差，安装系数Z体现其影响大小。Ts壁面真实温度；Ti热电偶指示温度；Ta被测壁面周围介质温度Z越小，精度越高，受热电偶材料性质、尺寸、安装方法及被测物表面材料的性质等因素影响。通常用实验方法来确定。第78页/共83页4.6测温
29、技术a)热电偶散热，会带来一定误差b)减少被测壁的热阻，可以减小误差c)减小了从热接点向热电偶导热的损失，提高测量精度d)测出的温度是壁面两个测点的平均温度e)“B”材料作为一根引出极代替热电偶丝，可提高测量精度f)减小外边气体流动对热端的影响安装方法第79页/共83页4.6测温技术D D、平均温度的测定断面平均温度的测定：-多根热电偶串联或并联得到电动势，再计算平均温度I.圆形断面II.矩形断面I.等环面分布II.等面积分布第80页/共83页4.6测温技术串联并联若热电偶电阻均相等，则测得电势即为其平均热电势对于流通断面各处流速不同的情况下，采用简单的算术平均温度不足以完全反应能量平衡的相互关系，而要采用流量加权平均温度作为平均温度。第81页/共83页4.6测温技术E E、温度场的测定双热偶法（动态测量法）：用两对直径相同，材料相同的热电偶，预先让这两对热电偶的热端有一个较大的温度差(例如一对预先加热到某一个温度，另一对不加热)，然后将两对热电偶匀速扫描通过试验段，记录这两对热电偶的温升曲线和温度对时间的一次导数随时间变化的曲线，经数据处理，计算出各点的真实温度画出温度分布曲线。第82页/共83页感谢您的观看。第83页/共83页