熱能與動力工程測試技術(shù)-溫度測量

1、第五章 溫度測量第一節(jié) 概述 溫度的概念宏觀：表征物體冷熱程度；微觀：大量分子運(yùn)動平均動能的度量。 溫標(biāo) 用來度量溫度上下的尺度，規(guī)定了溫度的零點(diǎn)和根本測量單位。各類溫度計(jì)的刻度均由溫標(biāo)確定。 常用溫標(biāo)：熱力學(xué)溫標(biāo)、國際實(shí)用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)： 所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計(jì)。 分度方法是規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，水的冰點(diǎn)為零度，沸點(diǎn)為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對應(yīng)每份的溫度定義為1攝氏度，單位為。華氏溫標(biāo)： 所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計(jì)。 分度方法選取氯化銨和冰水混合物的溫度為零度，人的體溫為100度，單位為。 熱力學(xué)溫標(biāo)： 熱力學(xué)溫標(biāo)是英國物理學(xué)家開爾文于1848年提

2、出，是以卡諾循環(huán)為根底。 T1T2卡諾熱機(jī)Q1Q2 由于水的三相點(diǎn)(273.16K)的穩(wěn)定性能長期維持在0.1mK范圍內(nèi)。因此，1954年第10屆國際計(jì)量大會決定采用水的三相點(diǎn)作為熱力學(xué)溫際的根本固定點(diǎn)，溫標(biāo)的表達(dá)式為： 水的冰點(diǎn)和三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度相差0.01K，因此 國際實(shí)用溫標(biāo)： 是一個國際協(xié)議性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便 。 溫度計(jì)分類據(jù)傳感器的測溫方式：接觸式：膨脹式、電阻式、熱電偶式非接觸式：輻射式接觸式的精度高、響應(yīng)慢、受高溫限制非接觸式的精度低、響應(yīng)快、受低溫限制 按照溫度測量范圍：超低溫：低溫：中高溫：超高溫：010K10800K8001900K；1

3、9002800K2800K以上第二節(jié) 接觸式溫度計(jì) 玻璃管液體溫度計(jì)一、膨脹式溫度計(jì)水銀的凝固點(diǎn)是 -38.87，沸點(diǎn)是356.7 水銀溫度計(jì)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格廉價，準(zhǔn)確度高，但易損壞，只適合現(xiàn)場直接讀數(shù)，信號不能遠(yuǎn)傳。 兩個問題1零點(diǎn)漂移：定期校驗(yàn)零點(diǎn)位置常用：酒精、二甲苯、煤油 酒精的凝固點(diǎn)-177.5， 沸點(diǎn)：+78.5，可用于低溫測量。其他有機(jī)液體2露出液柱的校正半浸入式溫度計(jì) 按規(guī)定深度浸入被測溫介質(zhì)的玻璃溫度計(jì)，當(dāng)外露局部的環(huán)境溫度與標(biāo)定值不同時：全浸入式溫度計(jì) 溫度計(jì)的整個液柱浸入被測溫介質(zhì)中，使液柱面與介質(zhì)外表盡可能處于同一平面上。 露出部分液柱所占的度數(shù)。修正公式

4、：視膨脹系數(shù)。溫度計(jì)測量時的讀數(shù) 壓力式溫度計(jì)原理：密閉系統(tǒng)內(nèi)的氣體或液體受熱后壓力變化 壓力式溫度計(jì)中，通常填充的感溫物質(zhì)可分為三類：充液式、充氣式和充低沸點(diǎn)液體式三種。1充氣式 一般多用氮?dú)?，壓力與溫度的關(guān)系接近線性。特點(diǎn)：充氣式儀表的溫度刻度一般比較均勻，測溫范圍一般為-100500 。 精度等級常見的有：1.5，2.5級。2充低沸點(diǎn)液體 所充的液體是低沸點(diǎn)液體，并且在溫泡中只充一半低沸點(diǎn)液體，以便于使密閉系統(tǒng)中存有一定的低沸點(diǎn)液體的泡和蒸汽。 由于液體的飽和蒸氣壓是溫度的單值函數(shù)，利用該關(guān)系構(gòu)成測溫計(jì)。這種充低沸點(diǎn)液體式的溫度計(jì)又常叫飽和蒸汽壓式溫度計(jì)。 精度：1.5，2.5 特點(diǎn)是：

5、熱慣性小，但刻度是非線性的3充液式 充液式在結(jié)構(gòu)上與充氣式相同，其不同之處是密閉系統(tǒng)中所充的是膨脹系數(shù)較大的液體，注意充液時必須全部充滿不留空隙。以前常用水銀，我國多用二甲苯，甘油，甲醇等。 特點(diǎn)：體積較充氣式小，熱慣性大 優(yōu)點(diǎn)：簡單可靠，不用電源，不怕震； 三種壓力式溫度計(jì)，充液式精度最高，充低沸點(diǎn)液體式熱慣性最小，充氣式測量范圍最大。影響精度的主要原因： 1浸入深度問題 要求壓力式溫度計(jì)的溫泡必須全部浸入被測介質(zhì)之中，因?yàn)闃?biāo)定是按溫泡全浸入條件下進(jìn)行的。 2環(huán)境溫度變化對儀表示值的影響。3大氣壓力變化對示值的影響。 因?yàn)檫@種溫度計(jì)的顯示儀表都是彈簧管式壓力表，測得的為相對壓力表壓。 雙金屬

6、溫度計(jì) 利用線膨脹系數(shù)差異較大的兩種金屬材料制成雙層片狀元件，在溫度變化時因彎曲變形而使其另一端有明顯位移，借此帶動指針就構(gòu)成雙金屬溫度計(jì)。二、熱電阻溫度計(jì)電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。 目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。特點(diǎn)：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。1鉑熱電阻(WZP) 測溫范圍和應(yīng)用： 259.34630.74溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)用電阻比： W(100)純度； W(100)R100 / R0 基準(zhǔn)鉑熱電阻：W(100)1.39256 純度99.9995；精度：0.0010.0001 工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電阻：W(100)1.391，

7、精度：2000，1； 0100，0.5； 100650，(0.5)t 我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。 鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表。實(shí)際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。2銅熱電阻(WZC) 測溫范圍和應(yīng)用：50100，工業(yè)用溫度計(jì)；百度電阻比：W(100)1.425， 精度：5050，0.5， 50100，(1)t 電阻溫度特性：Rt=R0 (1 + t )，在測溫范圍內(nèi)線性。 分度號：Cu100，Cu50，等。優(yōu)點(diǎn)：銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性

8、性好、價格廉價。缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100 以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有侵蝕性的介質(zhì)中。二、熱電偶溫度計(jì) 國際電工委員會ICE對熱電偶公認(rèn)性能比較好的材料制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，ICE推薦的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶7種。名稱分度號名稱分度號名稱分度號鉑銠10-鉑S銅-康銅T鎳鉻-鎳硅K鉑銠30-鉑銠6B鎳鉻-康銅E鉑銠13-鉑R鐵-康銅J1鉑銠10-鉑熱電偶分度號S 正極是鉑銠絲(鉑90%，銠l0%)，負(fù)極是純鉑絲。測量溫度最高長期可達(dá)1300，短期可達(dá)1600，一般用來測量1000以上的高溫。 缺點(diǎn)：在高溫復(fù)原介質(zhì)中容易被侵蝕和污染，熱電動勢小，靈敏度低、本

9、錢高。 優(yōu)點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定；測量準(zhǔn)確度較高，可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。 常用熱電偶的材料2鉑銠30-鉑銠6熱電偶分度號B 正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負(fù)極也是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，俗稱雙鉑銠。測量溫度最高長期可達(dá)1600，短期可達(dá)1800。 優(yōu)點(diǎn)：材料性能穩(wěn)定，測量精度高，測溫上限高。 缺點(diǎn)：在復(fù)原性氣體中易被侵蝕，靈敏度低，成本高。 正極是鎳鉻合金，負(fù)極為鎳硅。 測溫范圍：-200 +1300。 優(yōu)點(diǎn)：測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、高溫下抗氧化能力強(qiáng)、價格低，所以在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。3) 鎳鉻-鎳硅熱電偶分度號K缺點(diǎn)：熱電動

10、勢的穩(wěn)定性和精度較B型或S型熱電偶差，在復(fù)原性氣體和含有SO2、H2S等氣體中易被侵蝕。 正極是銅，負(fù)極是銅鎳合金。 測溫范圍：-200+400。優(yōu)點(diǎn)：精度高、復(fù)現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好、價格廉價。缺點(diǎn)：銅極易氧化，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300。4) 銅-銅鎳熱電偶分度號T 在0 -100范圍內(nèi)，銅-銅鎳熱電偶已被定為三級標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，用以檢測低溫儀表的精度，誤差不超過0.1。5) 鎳鉻-銅鎳熱電偶分度號E 正極是鎳鉻合金，負(fù)極是銅鎳合金。 測溫范圍：-200+1000。 優(yōu)點(diǎn)：熱電動勢較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。 正極是鐵，負(fù)極是銅鎳合金。 測溫范圍：-200+13

11、00。優(yōu)點(diǎn)：價格低、熱電動勢較大僅次于E型熱電偶、靈敏度高、線性度好、價格廉價。缺點(diǎn)：鐵極易氧化。 6) 鐵-銅鎳熱電偶分度號J 常用的熱電偶結(jié)構(gòu)1、普通工業(yè)熱電偶 溫度低于1000絕緣套管多為氧化鋁或工業(yè)陶瓷管，在高溫1000以上時，多為金屬套管。2、鎧裝熱電偶鎧裝型熱電偶可 長達(dá)上百米BA絕緣 材料薄壁金屬 保護(hù)套管鎧體 鎧裝型熱電偶橫截面 內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點(diǎn)。 鎧裝熱電偶特點(diǎn)：3、薄膜熱電偶 特點(diǎn)：熱電偶可以做得很薄m，具有熱容

12、量小、反響速度快s等特點(diǎn)，適于壁面溫度的快速測量，且響應(yīng)快，其時間常數(shù)可到達(dá)微秒級。 測溫范圍一般在300以下。 4、外表熱電偶一、滾筒式外表熱電偶：可不停車測量煉膠機(jī)，壓延機(jī)輥筒，瓦楞紙機(jī)滾筒及移動，轉(zhuǎn)動時的物體外表溫度測量。二、注射式熱電偶：測量膠料，膠帶，膠板，輪胎及可插入內(nèi)部物體的溫度測度。三、煙斗式外表熱電偶：測量硫化機(jī)平板，熱壓機(jī)平板，模具外表及各種發(fā)熱體的固體外表溫度。四、直柄式外表熱電偶：適用于靜態(tài)固體外表測量。如：鑄模，玻璃器具，模具；軸承，電機(jī)，管道外壁，鍋爐外壁，機(jī)床，鋁錠，焊接等各種熱體外表溫度。五、薄片式熱電偶：適用于各種機(jī)械設(shè)備及其它狹縫處測溫。六、弓形外表熱電偶，

13、適用于適用于滾軸、管道、圓柱體外表溫度測量。K分度表測量端溫度()0102030405060708090熱電動勢(mV)00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.818

14、17.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91923.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.925

15、90037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26441.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.720110045.10845.48645.86346.23846.61249.98547.35647.72648.09549.162120048.82849.19249.55549.91650.27650.66350.99051.34451.69752.040130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46

16、654.807 鎳鉻鎳硅熱電偶分度表冷端溫度為0 四、溫度計(jì)的校驗(yàn) 熱電阻溫度計(jì)的校驗(yàn)1、比較法標(biāo)準(zhǔn)儀器：標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)或標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)恒溫?zé)嵩矗罕c(diǎn)槽、恒溫水槽油槽標(biāo)定點(diǎn)： 規(guī)定的幾個溫度點(diǎn)比較測量： 偏差不超過規(guī)定最大誤差2、兩點(diǎn)法 僅校驗(yàn)0時的電阻值和100 時的電阻值，并檢查 是否符合規(guī)定。采用半橋工作進(jìn)行測量兩個熱電阻的材料應(yīng)相同熱電阻三線制接法 熱電偶溫度計(jì)的校驗(yàn)1、初次使用進(jìn)行分度確定熱電動勢和溫度的對應(yīng)關(guān)系熱電偶應(yīng)在規(guī)定的溫度點(diǎn)進(jìn)行比較式校驗(yàn)。五、接觸式溫度測量的誤差 感溫元件的根本情況接受的熱量被測介質(zhì)的傳熱流體的絕熱壓縮高流速散出的熱量對冷壁的輻射和傳熱自身散熱 安裝誤差

17、1、安裝要求 感溫元件應(yīng)與被測介質(zhì)形成逆流；最低要求 感溫元件應(yīng)處于管道中心；傾斜安裝時，保護(hù)管頂應(yīng)高出管中心線510mm。 感溫元件插入處附近的管道應(yīng)有足夠的絕熱層。 安裝方式不同引起的誤差應(yīng)有足夠的深度金屬保護(hù)管其安裝深度約為直徑的1520倍 陶瓷材料插入深度約為直徑的10-15倍 接觸方式不同引起的誤差點(diǎn)接觸面接觸等溫接觸分立接觸精度最高精度最低壁面溫度測量應(yīng)優(yōu)先考慮：1應(yīng)盡量采用直徑小、導(dǎo)熱系數(shù)低的熱電偶；2優(yōu)先考慮等溫線敷設(shè)。3被測材料為非良導(dǎo)熱體可采用面接觸方式。4外表開槽敷設(shè)對提高測量精度更為有利。 輻射引起的誤差誤差輻射傳熱系數(shù)高溫?zé)煔庵饕詫α鞣绞絺鳠峤o熱電偶熱電偶與周圍冷壁

18、面以輻射方式進(jìn)行 采用外表光滑的保護(hù)套管； 改善對流傳熱條件； 在感溫元件周圍增加熱容量小的輻射隔離罩； 降低輻射誤差的主要途徑 熱傳導(dǎo)引起的誤差誤差保護(hù)套管處管壁溫度感溫元件外圍周長感溫元件插入被測介質(zhì)的深度感溫元件的截面積 高速氣流的測溫誤差總溫：靜溫動溫傳感器的實(shí)際指示值介于靜溫和總溫之間，Tr恢復(fù)系數(shù)如氣體為理想氣體 感溫元件的響應(yīng)時滯現(xiàn)象：傳感器感受的溫度滯后于介質(zhì)溫度的變化初始時刻那么第三節(jié) 非接觸式溫度計(jì)非接觸測溫利用光輻射來測量物體溫度特點(diǎn)： 不與被測介質(zhì)接觸，不破壞被測介質(zhì)溫度場； 熱慣性小，動態(tài)響應(yīng)好； 測量范圍大，特別適合測量高溫介質(zhì)； 需知道被測外表的黑度，測量低溫時精

19、度低；一、熱輻射理論根底輻射出射度：從輻射源外表單位面積發(fā)射出的輻射通量；某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。 普朗克定律單色輻射強(qiáng)度定律絕對黑體的單色輻射出射度當(dāng)溫度低于3000K時，物體峰值輻射波長與自身的絕對溫度T的關(guān)系所有波長全部輻射出射度二、單色輻射式光學(xué)高溫計(jì) 物體高于700時，明顯發(fā)出可見光，具有一定亮度，其單色亮度與單色輻射出射度成正比。對實(shí)際物體絕對黑體的溫度亮度溫度亮度溫度可由光學(xué)溫度計(jì)直接測量得到 應(yīng)根據(jù)物體外表的單色黑度系數(shù)進(jìn)行修正。 燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)標(biāo)準(zhǔn)燈單色輻射溫度計(jì)吸收玻璃缺點(diǎn)：人眼觀察，并需用手動平衡，因此不能實(shí)現(xiàn)快速測量和自動記錄，測量結(jié)果帶有主觀

20、性。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有較高的精度，測溫范圍廣，一般用來測量7003200范圍澆鑄、軋鋼、鍛壓、熱處理和玻璃熔融時的溫度 。 光電高溫計(jì)硅光電池 要求觀測點(diǎn)與被測物體之間的距離不要太大，一般在3m以內(nèi)。 光電器件三、全輻射高溫計(jì)微型熱電偶串聯(lián)形成熱電堆 利用物體的溫度與總輻射出射度的關(guān)系來測量溫度。 用它測發(fā)射率為的物體時，測得的為輻射溫度Ts。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、可以自動記錄和遠(yuǎn)距離傳送信號等。測溫范圍為1002000，測溫誤差絕對值為812。 四、比色高溫計(jì)硅光電池測量不同波長的亮度兩個固定波長 和 的亮度比值隨溫度變化。比色溫度：溫度為T的物體在兩個波長下的亮度比值等于溫度為Ts黑體在同樣波長下的亮度比值時的溫度。實(shí)際溫度與比色溫度的關(guān)系對灰體和絕對黑體， 則： 對一般物體，兩者不同，但也相差較小，因此