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1、第二章第二章 温度测量温度测量第二章 温度测量2.1温标与测温方法2.2膨胀式与压力式温度计2.3热电偶温度计2.4热电阻温度计2.5接触式测温误差及对策2.6非接触式测温概述温度与人类的生活、工作关系最密切，是各门学科研究中经常遇到和必须测量的物理量。是火电厂最普遍、最重要的热工参数之一。温度是蒸汽质量的重要指标之一；温度是影响热力设备效率的主要因素；温度是影响传热过程的重要因素；温度是保证热力设备安全运行的重要参数，第二章 温度测量第二章 温度测量身体能感觉到物体的冷热身体能感觉到物体的冷热，我们的身体已经是温度计我们的身体已经是温度计？对温度不能只做定性的描述，对温度不能只做定性的描述，
2、还必须有定量的表述。还必须有定量的表述。2.1.1温标温度是衡量物体冷热程度的物理量（宏观），是物体分子热运动平均动能的标志（微观）。温标衡量温度高低的标尺，是表示温度数值的一套规则。温标必须具备三个条件固定温度点（基准点）测温仪器温标方程（内插公式）2.1 温标与测温方法摄氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为0度，水的沸点为100度，两固定点之间等分100份，每份为摄氏1度记为1 C。（1740年瑞典人摄尔塞斯Celsius）1、经验温标华氏温标：标准大气压下，水的冰点为32度，水的沸点为212度，两固定点中间等分180份，每份为华氏1度，记为1 F。（1714年德国人华伦凯特Fahrenh
3、eit）两种温标的关系：2.1 温标与测温方法正常体温37，相当于华氏多少？选取氯化铵和冰水混合物的温度0F，选取人体温度为100度。水银体积膨胀被分为100份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“F”。按照华氏温标，水的冰点为32F，沸点是212F。2.1 温标与测温方法华氏温标在卡诺循环中，卡诺机在高温热源T1和低温热源T2之间交换热量，其中从高温热源吸收热量Q1,向低温热源放热Q2。则有：2、热力学温标温度只与热量有关，与物质无关，从而避免了分度的任意性。热力学温度（也称绝对温度）用符号T表示，单位为开尔文（K）。定义水的三相点作为273.16，1273.16定义为1K。2.1 温标与测温
4、方法1848年由英国物理学家、发明家开尔文建立(LordKelvin），原名汤姆孙。关于热力学温度的说法中，正确的是()A热力学温度的零点是273.15 B-136比136K温度高 C0等于273.15K D1就是1K E升高1就是升高274KABC 思考思考2.1 温标与测温方法热力学温标是一个纯理论上的温标，并不需要借助于特定的物质，因此可以说它的分度值不会有偏差。T（K）=273.15+t()规定热力学温度的单位开（K)与摄氏温度的单位摄氏度（)的平均值完全相同。所以T K=T。在表示温度差和温度间隔时，用K和用的值相同。热力学温度T与摄氏温度t的关系卡诺机为理想热机，实际上并不存在。复
5、现热力学温标可从与卡诺定理等效的理想气体状态方程入手。用波意尔马略特定律制成气体温度计，解决了热力学温标的实现问题。3、理想气体温标2.1 温标与测温方法制造和使用都很复杂，不宜实用，故只用来复现热力学温标。在压强极低的极限情况下，气体温标取决于气体的共同性质，而与特定气体的特殊性质无关；1927年第七届国际计量大会开始制定了以热力学温标为基础的能用公式表示、便于实际应用的协议温标国际温标（ITS-27）。4、国际温标2.1 温标与测温方法包括三方面的内容：温度单位的定义；定义固定温度点的方法（17个固定点，包括不同物质的凝固点、沸点、三相点）复现固定温度点的方法（规定各温度段所使用的标准仪器
6、，如903.89K1337.58K温区内，铂铑-铂热电偶温度计是标准仪器）。几经修改为ITS-48/ITS-68/ITS-90。1990年国际温标是目前使用标准。ITS-90与ITS-68相比，更接近热力学温度值，更科学、更合理。例如在标准大气压下（P=101.325Pa），测量水的沸腾温度，ITS-68标定为100，而ITS-90要偏低0.026，因此水的沸腾温度今后将不是100，而是99.974。为什么不断修订呢？2.1 温标与测温方法教育界的奠基者黄子卿先生他研究的内容涉及热力学、生物化学、电力学、统计力学、化学史等，尤其是对溶液理论的研究最让人瞩目。1938年，他所发表的论文“水的三相
7、点温度”，其测定数值(0.00980)被国际温标会议采纳，定为国际温度标准之一，他也在1948年因此而被选入美国的世界名人录。1955年被选聘为中国科学院学部委员（院士）。2.1 温标与测温方法黄子卿黄子卿（19001900，0101，021982021982，0707，2323）“我是中国人，要跟中国共命运。”人世间最博大的感情，莫过于对祖国，对民族的爱与自豪。1935年，在获得博士学位后，麻省理工学院的许多教授都想留下风华正茂的黄子卿，那是正值日本全面侵华战争的前夕，他们说：“你的国家正像一只破船在风雨中飘摇，你回去干什么？”黄子卿的回答是：“我愿和我的祖国一起受苦。”他义无反顾地回到了祖
8、国。1948年，黄子卿第三次赴美国加州理工学院深造，师从诺贝尔化学奖得主莱纳斯卡尔鲍林。当时国内正处于解放战争时期，在繁忙的研究工作之余，黄子卿每天都焦急地翻阅报纸，收听广播，害怕错过任何一条有关祖国的新闻。鲍林曾劝他把家人接过来，留在美国安心做研究。他仍然像十几年前一样，毅然拒绝：“我是中国人，我的家在中国，我一定要回去。”他的心从未走远，中国是中国人一生的皈依。2.1 温标与测温方法2.1.2测温方法分类特点：特点：响应快，对被测对象干扰小，可测高温、运动物体的温度，响应快，对被测对象干扰小，可测高温、运动物体的温度，但精度一般不高但精度一般不高。2.1 温标与测温方法接触式测温感温元件与
9、被测对象接触，换热平衡后感温元件与被测对象温度相等，以感温元件的温度表征被测温度。（体积膨胀式、压力表式、热电偶、热电阻等）。特点：特点：构造简单，需要热平衡过程，易破坏对象的温度场，存在构造简单，需要热平衡过程，易破坏对象的温度场，存在“置入误差置入误差”。非接触式测温感温元件不与被测对象接触，通过辐射能量进行热交换，由辐射能推算被测温度（辐射式、光电式等）一、膨胀式温度计利用物体热胀冷缩现象，通过测量物质膨胀或收缩量来反映被测温度的温度计，统称为膨胀式温度计。类型液体膨胀式（玻璃管温度计）固体膨胀式（双金属温度计气（汽）体膨胀式压力式温度计2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计根据
10、液体与储液囊的温度膨胀系数之差，由液体在玻璃毛细管中的位置来读取温度。原理1、玻璃管式温度计（液体膨胀式）2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计感温包（球型或圆柱形液体贮囊）、毛细管、温度标尺结构组成2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计感温包毛细管标尺如何对应仪表的三个环节（传感器、变换器、显示器）棒式、内标式、外标式（温度标尺的位置）特殊结构类型棒式棒式 内标式内标式 外标式外标式最高温度计最高温度计 最低温度计最低温度计2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计电接点温度计电接点温度计金属套金属套温度计温度计2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计指示杆最低温度
11、计工作原理体温计属于最高温度计？如何实现的？玻璃温度计的数学模型物质的平均体积膨胀系数：单位温度变化时物质的体积相对变化量与0 C体积的比值。（表征物质的膨胀特性）2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计温度计的灵敏度：每1 C，液体在毛细管中的长度（L）液体在玻璃内的视膨胀系数：液体的平均体积膨胀系数和玻璃的体积膨胀系数之差。温度计的灵敏度液体0100C的视膨胀系数液体贮囊的容积毛细管的横截面积2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计提高灵敏度的方法有哪些？哪些是有效的？利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，当温度变化时使自由端产生位移，用位移标识温度。原理2、金
12、属温度计（固体膨胀式）特点简单，价低，抗震动和冲击，精度稍差、测温范围有限2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计双金属温度开关2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计基于物质受热膨胀的原理，但它不是靠物质受热后体积变化来指示温度，而是靠在密闭容器中压力的变化来指示温度的。原理结构测温包+压力计（刻度成温度示值）2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计实物图2.2膨膨胀胀式与式与压压力式温度力式温度计计一一.热电偶的工作原理热电偶的工作原理二二.热电偶的基本定律热电偶的基本定律三三.热电偶的种类与结构热电偶的种类与结构四四.热电偶的冷端处理热电偶的冷端处理2.3 热电偶温度计
13、 热电效应热电效效应（塞（塞贝克效克效应）：若把）：若把A、B两种不同材料两种不同材料的的导体接成体接成闭合回路，合回路，当回路当回路两个接点温度不相同两个接点温度不相同时，回路中，回路中产生生热电势，形成，形成电流的流的现象。象。热电动势EAB(T,T0)热电极极A，B 测量端量端T（工作端、（工作端、热端）端）参比端参比端T0（自由端、冷端）（自由端、冷端）2.3 热电偶温度计 AB2.3 热电偶温度计 30/66塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。以德国物理学家塞贝克(ThomasJohannSeebeck)的名字来命
14、名他在1821年发现的这一现象。塞贝克当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。1834年，一位法国表匠，兼职研究这现象的物理学家帕尔帖（JeanCharlesAthanasePeltier）才发现真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际应用，即致冷器的发明。1856年由英国物理学家汤姆孙（WilliamThomson）发现，汤姆孙效应是导体两端有温差时产生电势的现象,成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应。2.3 热电偶温度计 一、接触电动势紧密接触电场力扩散力自由电子移动产生电场阻止自由电子进一步移动热电现象产生的原因热电现象产生的原因2.3 热电偶温度计
15、 自由电子密度不同的两个导体A和B接触电动势接触电动势的数值波尔兹漫常数1.3810-23J/K单位电荷数4.80210-10绝对静电单位导体A在温度T下的电子密度导体B在温度T下的电子密度接触电势的大小与两种金属的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度、截面积等几何形状无关。2.3 热电偶温度计 二、温差电动势同种材料同种材料导体由于两端温度不同体由于两端温度不同温度高侧的电子电场力扩散力自由电子移动产生电场阻止自由电子进一步移动2.3 热电偶温度计 接触电动势温差电动势的数值汤姆逊系数，表示温差为1 时产生的电动势，与材料性质有关。2.3 热电偶温度计 温差电势的大小只与材料及两端温度有
16、关，与导体的直径、长度、截面积等几何形状无关，与温度分布无关。三、热电偶回路的总电动势温差电势与接触电势的综合效应。设TT0，NANBA AB BT TT T0 0-e eA A(T T,T T0 0)e eB B(T T,T T0 0)e eABAB(T T)e eABAB(T T0 0)2.3 热电偶温度计 重要结论若电极A、B为同一种材料（NANB，A=B）则无论温度如何，回路总电势始终为0；若TT0，则无论电极A、B材料是否相同，回路总电势始终为0。热电偶产生热电势的条件不同材料，且接点温度不同。2.3 热电偶温度计 2.3 热电偶温度计 热电偶闭合回路中产生热电势的基本条件是什么？思
17、考思考思考思考等效表达形式热电势是温度函数之差，而不是温差的函数；若T0恒定，则热电势与T呈一一对应关系；热电势只与导体材质和接点温度相关，与形状、接触面积无关；热电极的极性规定，电子密度大的电极为正；热电势符号中电极和温度顺序互换一次，电势变一次符号。可以推广到三种以上导体构成的回路2.3 热电偶温度计 重要结论推广表达式：证明：ABCTT1T02.3 热电偶温度计 2.3 热电偶温度计 思考思考思考思考热端温度254.5，冷端温度为0时，热电偶闭合回路的热电势是()。A10.357B10.316C10.337D10.296分度表2.3热电偶温度计1、均质导体定律 沿沿导体体长度方向各部分度
18、方向各部分化学成分化学成分均相同的均相同的导体体为均均质导体体。由一种均由一种均质导体所体所组成的成的闭合回路，不合回路，不论导体的截面体的截面积如何及如何及导体各体各处温度温度分布如何，都不能分布如何，都不能产生生热电势。热电偶必偶必须采用两种不同材采用两种不同材质的的导体构成（制造）体构成（制造）若两种若两种导体体组成的成的闭合回路合回路产生生热电势，材料非均，材料非均质（冶（冶炼）若材料局部不均匀将若材料局部不均匀将产生附加生附加热电势（及（及时检修，防腐）。修，防腐）。作用:三、热电偶的基本定律2、中间导体定律在热电偶回路中接入中间均质导体，只要导体两端温度相等，则对回路总电势没有影响
19、（非均质导体要求此导体等温）。CBAT0T2.3热电偶温度计CBAT0T（1）（2）（3）把（把（3）式代到（）式代到（1）式得）式得2.3热电偶温度计证明用仪表测量热电势成为可能；提出了测量接线及环境要求；使热电偶开路测量金属壁温、液态金属等成为可能；可推广到第四种以上导体。作用：T1CT0T1TAB液态金属mV金属mV2.3热电偶温度计接入仪表3、标准电极定律如果A、B对C材料的热电动势是已知，则A、B构成热电偶的热电势为它们对C热电势的代数和。ACA+CBBTTTT0T0T02.3热电偶温度计证明明例已知在热端100，冷端0时，铜铂相配热电势为0.75mV，考铜与铂相配的热电势为-4.0
20、mV，问铜考铜热电偶此温度下的热电势？2.3热电偶温度计由已知得：设铜为A，铂为B，考铜为C只要通过实验获得某些电极与标准铂电极的热电势，则其中任何两个电极配成的热电偶热电势即可通过计算获得。作用2.3热电偶温度计4、连接导体定律热电偶回路中如果热电极A和B分别与导体A、B相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电势等于热电偶热电势和连接导体热电势的代数和。ABBATTnT02.3热电偶温度计证明：若A，B材料热电特性在Tn，T0（低温区）与A、B的热电特性相同，则可用AB材料代替AB延长热电偶。（1）（2）把（2）式代到（1）式中得到作用2.3热电偶温度计5、中间温度定律两种均质材料AB
21、构成热电偶，两端温度分别为T，T0，如果有一个中间温度Tn，则热电势不受影响。证明从略，将连接导体定律中AB换成AB即可。2.3热电偶温度计常用形式已知热电偶在某一冷端下的分度（温度与热电势的对应数据），只要引入适当的修正就可在另外的冷端下使用。作用例K型热电偶用于测温，已知参比端温度25，测得热电势20.54mV，问实际测量温度是多少？解：由已知，E（T，25）20.54mV,因E（T，0）E（T，25）+E（25，0）20.54+1.021.54mV查表，得T5212.3热电偶温度计可否直接查K型热电偶的分度表P236P236，得出一个温度，如20.559对应498，再加上25，得523？
22、是否可以？2.3热电偶温度计思考：用S型热电偶测量温度差值。在t1=500时热电EAB(t2,t1)=0.495mV，能否求得温度差值（t2-t1）是多少？热电极的材料用作热电极的材料应具备下面的条件：温度测量范围广：有较高的测量精度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系；性能稳定：要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好；物理化学性能好：有良好的化学稳定性，抗氧化性或抗还原性。事实上，满足上述条件的热电偶材料并不多。2.3热电偶温度计2.3.2热电偶的种类与结构一、标准化热电偶工艺成熟，批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国
23、际、国家标准性文件的热电偶。2.3热电偶温度计（1）廉金属热电偶1）T型（铜康铜）热电偶2）K型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶3）E型（镍铬康铜）热电偶4）J型（铁康铜）热电偶（2）贵金属热电偶1）S型（铂铑10铂）热电偶2）R型（铂铑13铂）热电偶3）B型（铂铑30铂铑6）热电偶2.3热电偶温度计二、非标准化热电偶对这一类热电偶的研究还不够成熟，虽然已有产品，也能够使用，但还没有统一的分度表。主要目的是进一步扩展高温和低温的测量范围。1）贵金属热电偶包括铂铑系列热电偶，主要用于航天和高精度测量领域。2）贵一廉金属混合式热电偶金铁合金热电偶主要用于低温测量3）难熔金属热电偶它包括钨铼合金热电偶，钨钼
24、热电偶，在冶金、建材、航空航天和核能工业中应用广泛。4）非金属热电偶由非金属材料制成的热电偶目前仍处于研究阶段。热电势大，如碳硅碳热电偶在1700时，热电势508mV.2.3热电偶温度计两电极间电气绝缘电极不受环境有害物质污染一定的刚度和强度测量端与被测对象有良好的接触要求要求：绝缘子保护套管紧贴套管端部插入深度等 1、普通装配式热电偶结构2.3热电偶温度计三、热电偶的结构普通装配式热电偶的外形安安装装螺螺纹纹安安装装法法兰兰2.3热电偶温度计接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管2.3热电偶温度计2、铠装热电偶（a）铠装热电偶热端剖面图（b）铠装热电偶参
25、考端剖面图将热偶丝、绝缘材料（氧化镁粉等）和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。2.3热电偶温度计铠装型热电偶的外形铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶可长达上百米BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶横截面2.3热电偶温度计2.3.3热电偶冷端处理热电偶热电势的大小是热端和冷端温度的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0摄氏度为依据。在实际应用时，由于热电偶的热端与冷端离的很近，冷端又暴露于空间，容易受到环境温度的影响，因而冷端温度很难保持恒定。实用方法补偿导线法参比端恒温法计算修正法冷端补偿器法软件
26、修正法2.3热电偶温度计1、补偿导线法补偿导线在100（或200）以下的常温范围内，具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同特性的廉价材料导线。用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。2.3热电偶温度计延长型补偿导线 合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电 偶相同。补偿型补偿导线 合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同，但热电 势值在100以下与配用的热电偶的热电势标称值相同。对补偿导线的要求价格低；与热电偶配套；正负极性不能接错；与热电偶的接点温度相同。AAB B屏蔽层屏蔽层保护层保护层2.3热电偶温度计E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0,
27、T0)=EAB(T0,T0)原理2.3热电偶温度计回路总热电势为把热电偶的冷端延伸到远离被测对象且恒温或温度波动比较小的地方，改善热电偶测温线路的机械与物理性能。节省贵金属和性能稳定的稀有金属热电偶材料，降低测量线路的成本。结构形式与电缆一样，便于实际安装使用和线路敷设；若用直径粗、电导系数大的补偿导线，还可以减少测量回路电阻。2.3热电偶温度计各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用，热电偶和所配用的补偿导线在规定温度范围（0200）内热电特性必须相同。由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因此各种热电偶和所配用的补偿导线两个连接点的温度必须相同，而且不得超过规定的使用温度（0100）。
28、补偿导线和热电偶、显示仪表连接时，正负极极性不能接错，而且两对连接点处于相同的温度。2.3热电偶温度计2、参比端恒温法冰点槽法重点在结构和连线。1被测流体管道2热电偶3接线盒4补偿导线5铜质导线6毫伏表7冰瓶8冰水混合物9试管10新的冷端2.3热电偶温度计解：由题义，仪表读数500，查分度表知对应的热电势为：20.644mV。设被测温度为T，则E(T,50)=20.644mV经计算，得E(T，0)=E(T,50)+E(50,0)=20.644+2.023=22.667mV3、计算修正法通常冷端温度已知，并测出时，利用公式得出。例用K型热电偶测温，显示仪表以分度表为依据按温度刻度，仪表读数为50
29、0，但此时冷端温度50，问仪表示值是否可信，应为多少？需要多次查热电偶分度表进行计算，只适用于实验室中或在离线测量时对示值进行修正。2.3热电偶温度计查表插值计算V22.667代入上式T547.43问题：为何不直接进行温度相加减？2.3热电偶温度计4、冷端补偿器法思路：温控直流电源+热电偶实现原理：直流不平衡电桥，其中固定三个桥臂电阻，另一个桥臂电阻随温度变化即可。冷端补偿器原理图冷端补偿器原理图图中R1、R2、R3为1欧姆，用锰铜电阻（温度系数0.00610-3），Rcu为铜电阻（温度系数4.254.2810-3），设计平衡点1欧姆。补偿电势Uab设计平衡点处02.3热电偶温度计补偿原理冷端
30、补偿器原理图E EU URcuRcuI I1 1U U a aU U b ab aT T0 0图中R1、R2、R3为1欧姆，用锰铜电阻（温度系数0.00610-3），Rcu为铜电阻（温度系数4.254.2810-3），设计平衡点1欧姆。补偿电势Uab设计平衡点处02.3热电偶温度计要求不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器（调整电源回路电阻）；冷端补偿器中的铜电阻必须与冷端同温；补偿范围有限（一定精度内，一般050）；极性不能接反；强制冷端处于平衡点温度，若平衡点为0可直接用分度表。2.3热电偶温度计作用5、软件修正法即采集实时的冷端温度，利用软件编程实现在线计算并自动查表修正。2.3热电偶温度计2.3热电偶温度计谢谢观看谢谢观看