溫度測(cè)量技術(shù)市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

熱工測(cè)試技術(shù)

10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第1頁第4章溫度及溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

4.1基本概念4.1.1溫度概念溫度是表征物體冷熱程度狀態(tài)參數(shù)，而物體冷熱程度又是由物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)激烈程度，即分子平均能作所決定。

嚴(yán)格地說，溫度是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小標(biāo)志。只有從熱力學(xué)第零定律出發(fā)，才能得到溫度和絕對(duì)溫度概念以及計(jì)量溫度方法。。

熱力學(xué)第零定律-熱平衡定律：假如兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中每一個(gè)都與三個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)處于熱平衡，則它們也必定處于熱平衡。從熱力學(xué)第零定律出發(fā)，我們能夠知道，處于相互熱平衡狀態(tài)物體必定含有某一共同物理性質(zhì)。表征這個(gè)物理性質(zhì)量就是溫度。

溫度概念建立和溫度定量測(cè)量都是以熱平衡現(xiàn)象為基礎(chǔ)。溫度決定一系統(tǒng)是否與其它系統(tǒng)處于熱平衡宏觀性質(zhì)，其特征在于一切互為熱平衡系統(tǒng)都含有相同溫度。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第2頁

什么叫熱平衡？假設(shè)兩個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，原告各自處于一定平衡態(tài)，現(xiàn)在讓它們相互接觸，經(jīng)過一段時(shí)間后兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)不再發(fā)生改變，到達(dá)一個(gè)共同平衡態(tài)，這種平衡態(tài)是兩個(gè)系統(tǒng)發(fā)生傳熱條件下到達(dá)，所以叫熱平衡。（4-1）

絕對(duì)溫度概念作了經(jīng)典解釋。式中，β是體系絕對(duì)溫度度量，k是玻爾茲曼常數(shù)，f為自由度，為體系平均能量，E0為基態(tài)能。通常體系絕對(duì)溫度為正，β>0，或k>0。由式（4-1）可知，對(duì)于絕對(duì)溫度為T體系，數(shù)值kT大致等于體系在每個(gè)自由度上平均能量（超出基態(tài)能能量）。T與體系平均能量相關(guān)，而不是和體系中某個(gè)粒子能量相關(guān)。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第3頁4.1.2溫標(biāo)

“溫標(biāo)”---“溫度標(biāo)尺”：為了確定溫度數(shù)值，首先要建立一個(gè)衡量溫度標(biāo)度，溫標(biāo)要求了溫度讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度基本單位。1、攝氏溫標(biāo)

攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)城市是依據(jù)水銀受熱后體積膨脹性質(zhì)建立起來。攝氏溫標(biāo)要求標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水冰融點(diǎn)為0度，水沸點(diǎn)為100度，中間等分100格，每格為攝氏1度，符號(hào)為℃。

2、華氏溫標(biāo)

華氏溫標(biāo)要求標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水冰融點(diǎn)為32度，水沸點(diǎn)為212度，中間等分180格，每格為華氏1度，符號(hào)為0F，它與攝氏溫標(biāo)關(guān)系以下式所表示：（4-2）

式中C和F分別代表攝氏和華氏溫度值。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第4頁因?yàn)闆]有一個(gè)物質(zhì)物理性質(zhì)與溫度呈線性關(guān)系，所以測(cè)得溫度數(shù)值都與溫度計(jì)所采取物質(zhì)性質(zhì)相關(guān)，如與水銀純度、玻璃管材料等原因相關(guān)，這么就不能確保世界各國所采取基本測(cè)溫單位（度）完全一致。3、熱力學(xué)溫標(biāo)

熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開氏溫標(biāo)（K）或絕對(duì)溫標(biāo)，它是依據(jù)卡諾循環(huán)建立起來，在卡諾循環(huán)中：上式表示工質(zhì)在溫度T1時(shí)吸收熱量Q1，而在溫度T2時(shí)向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2，假如指定了一個(gè)定點(diǎn)T2數(shù)值，就能夠由熱量百分比求得未知量T1，因?yàn)樯鲜龇匠淌脚c工質(zhì)本身種類和性質(zhì)無關(guān)，因而防止了分度“任意性”。

不過卡諾循環(huán)實(shí)際上是不存在，實(shí)踐中要用這原理建立溫標(biāo)是不可能，人們發(fā)覺理想氣體壓力P、體積V和溫度T之間有以下關(guān)系：10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第5頁

理想氣體溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)是相互一致（只要選擇一樣定點(diǎn)和原位），可借助于氣體溫度計(jì)來實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)（對(duì)于一定質(zhì)量氣體，當(dāng)體積保持不變時(shí)，壓力就與溫度成正比，這么就能夠按氣體壓力改變來測(cè)量溫度，這種溫度計(jì)叫做氣體定容溫度計(jì)，也可制做定壓溫度計(jì)）。因?yàn)槔硐霘怏w是不存在，我們能夠用一些在性質(zhì)上靠近理想氣體真實(shí)氣體（氫、氦和氨）來作溫度計(jì)，并依據(jù)熱力學(xué)第二定律得出對(duì)這種氣體溫度計(jì)讀數(shù)修正值，這就在實(shí)踐中制訂了熱力學(xué)溫標(biāo)。然而，氣體溫度計(jì)本身非常復(fù)雜粗笨，讀數(shù)又非常遲緩，同時(shí)因?yàn)槭艿饺萜鞅旧砟蜔嵝院蜌饷苄韵拗?，測(cè)量上限只能到達(dá)1500℃左右，所以用氣體溫度計(jì)來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)是不方便，在工業(yè)上更是不可能。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第6頁

為了克服氣體溫度計(jì)缺點(diǎn)，便于溫度實(shí)際測(cè)量，于是就采取了協(xié)議性國際實(shí)用溫標(biāo)。它自1927年開始建立，幾經(jīng)修改，最近一次定名為1990年國際實(shí)用溫標(biāo)（ITS-90），它于1990年元旦開始實(shí)施。1990年國際實(shí)用溫標(biāo),代號(hào)為（ITS-90）。它不但與熱力學(xué)溫標(biāo)相靠近，而且復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度高，使用方便。4、國際實(shí)用溫標(biāo)ITS-90介紹

（一）溫度及其表示方法

最新是1990年國際實(shí)用溫標(biāo)（ITS-90），它于1990年元旦開始實(shí)施。國際實(shí)用溫標(biāo)要求以熱力學(xué)溫度為基本溫度，符號(hào)為T90，單位為開爾文，符號(hào)為K，它要求水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度為273.16K，定義1K等于水三相點(diǎn)溫度1/273.16。國際實(shí)用開爾文溫度和攝氏溫度關(guān)系為

t=（T90-273.15）℃

（4-5）（二）國際實(shí)用溫標(biāo)ITS-90主要內(nèi)容是：

①用17個(gè)定義基準(zhǔn)點(diǎn)，它包含14個(gè)高純物質(zhì)三相點(diǎn)、熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)以及3個(gè)用蒸汽溫度計(jì)或氣體溫度計(jì)測(cè)定溫度點(diǎn)。從而確保了基準(zhǔn)溫度客觀性。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第7頁②要求了不一樣溫度區(qū)域內(nèi)復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)基準(zhǔn)儀器。比如，從0.65K到5.0K之間采取3He或4He蒸汽壓溫度計(jì)作為內(nèi)插儀器；從3.0K到24.5561K之間采取3He或4He定容氣體溫度計(jì)作為內(nèi)插儀器；從13.8033K到1234.93K之間采取鉑電阻溫度計(jì)作為內(nèi)插儀器；961.78K以上溫區(qū)采取內(nèi)插儀器用光電（光學(xué)）高溫計(jì)。③建立了基準(zhǔn)儀器示值與國際溫標(biāo)溫度之間關(guān)系插補(bǔ)公式和偏差函數(shù)，從而使連續(xù)測(cè)溫成為可能。對(duì)國際實(shí)用溫標(biāo)ITS-90深入了解，可參閱相關(guān)專門資料。5、溫度標(biāo)準(zhǔn)傳遞

溫標(biāo)傳遞普通說包含兩個(gè)方面，一是生產(chǎn)中對(duì)各測(cè)溫儀表分度，把標(biāo)準(zhǔn)傳遞到測(cè)溫儀表；其次是對(duì)使用中或修理后測(cè)溫儀表檢定，經(jīng)過檢定才能確保儀表準(zhǔn)確可靠。國際實(shí)用溫標(biāo)相關(guān)基準(zhǔn)儀器都是由國家要求機(jī)構(gòu)（中國計(jì)量科學(xué)研究院）保留，并經(jīng)過省市計(jì)量機(jī)構(gòu)傳遞下去。為了把溫度10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第8頁正確數(shù)值傳遞到實(shí)用測(cè)量?jī)x表，需要按某一個(gè)傳遞系統(tǒng)進(jìn)行，其傳遞關(guān)系以下：溫度基準(zhǔn)儀器傳遞系統(tǒng)框

IPTS定義基準(zhǔn)點(diǎn)基準(zhǔn)溫度計(jì)一等標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)第二類輔助平衡溫度計(jì)三等標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)二等標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)試驗(yàn)室儀表工業(yè)用儀表10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第9頁4.1.3溫度測(cè)量機(jī)理與方法溫度不能直接加以測(cè)量，只能借助于冷熱不一樣物體之間熱交換，以及物體一些物理性質(zhì)隨冷熱程度不一樣而改變特征來加以間接測(cè)量。物質(zhì)一些物理量，如體積、密度、硬度、粘度、彈性模數(shù)、破壞強(qiáng)度、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、熱容量、熱電勢(shì)、熱電阻和輻射強(qiáng)度等均隨溫度改變而改變。而且，在一定條件下，這些物理量每一個(gè)數(shù)值都對(duì)應(yīng)著一定溫度。假如事先知道它偏與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系，那么，便可經(jīng)過測(cè)量這些物理量來到達(dá)測(cè)溫目標(biāo)。同時(shí)，而且是至關(guān)主要一點(diǎn)是希望用以判斷物體溫度改變那一物理性質(zhì)能連續(xù)地單值地隨溫度改變而改變，與其它原因無關(guān)，而且便于準(zhǔn)確測(cè)量。選擇這一物理性質(zhì)工作是件復(fù)雜而困難工作。1、較為成熟測(cè)溫方法（一）利用物體熱脹冷縮物理性質(zhì)測(cè)量溫度。利用固體熱脹冷縮現(xiàn)象制成雙金屬片溫度計(jì)和利用液體熱脹冷縮現(xiàn)象制成玻璃受水銀溫度計(jì)和酒精溫度計(jì)。這類溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，溫度測(cè)量范圍慣用于-200~700℃之間。利用氣體熱膨脹冷縮現(xiàn)象制成壓力表式溫度計(jì)，含有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含有防爆性，防震性，可運(yùn)距離傳示。但準(zhǔn)確度較低，滯后性較大，10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第10頁慣用測(cè)量范圍0~300℃之間。（二）利用物體熱電效應(yīng)測(cè)量物體溫度。兩種不一樣金屬導(dǎo)體組成閉合回路時(shí)，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不一樣時(shí)，回路內(nèi)就產(chǎn)生熱電勢(shì)，利用物體這種熱電性質(zhì)，將感受到被測(cè)物體溫度轉(zhuǎn)換或熱電勢(shì)作為信號(hào)輸出。如熱電偶溫度計(jì)，它測(cè)量準(zhǔn)確度高，能遠(yuǎn)距離傳送，慣用于測(cè)量-100℃~1800℃范圍內(nèi)溫度，是當(dāng)前溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛溫度計(jì)之一。（三）利用物體導(dǎo)電率隨溫度改變而改變來測(cè)量溫度。電阻溫度計(jì)就是利用這一性質(zhì)到達(dá)測(cè)溫后目標(biāo)。（四）利用物質(zhì)輻射強(qiáng)度隨溫度改變而改變來測(cè)量溫度。2、正在研究發(fā)展測(cè)溫方法（一）利用一些物質(zhì)介電常數(shù)在某個(gè)范圍與溫度相關(guān)測(cè)量溫度。（二）利用載流電子布朗運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)電壓測(cè)量物體溫度。（三）利用壓電石英自然振動(dòng)頻率與溫度相關(guān)來測(cè)量溫度。石英溫度計(jì)就是利用這一性質(zhì)到達(dá)測(cè)溫目標(biāo)，試驗(yàn)發(fā)覺，石英共振頻率與溫度相關(guān)。在±250℃溫度范圍內(nèi)，石英共振頻率以1000HZ/K隨溫度呈成線性改變。所以石英溫度計(jì)，即可用于高精度溫度測(cè)量，又可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)進(jìn)行溫度基準(zhǔn)傳遞，也10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第11頁可在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行精密測(cè)溫和控溫。（四）利用物質(zhì)磁化強(qiáng)度與所施加磁場(chǎng)比值與溫度成反比來測(cè)量溫度。順磁溫度計(jì)是基于順磁鹽磁化率與熱力學(xué)溫度相關(guān)原理研制而成。使用方法是在互感電橋線圈之間放置一個(gè)適當(dāng)材料樣品，樣品與所關(guān)心介質(zhì)有很好熱接觸，在到達(dá)4.2K溫度時(shí)很有效，并用于太空中測(cè)量。（五）利用聲速與氣體靜態(tài)溫度熱力學(xué)關(guān)系式來測(cè)量溫度。聲速溫度計(jì)基于這一原理用于測(cè)量流體或固體表面溫度，傳統(tǒng)上用于低溫2.5~30K溫度測(cè)量。當(dāng)前發(fā)展至用于高達(dá)1000℃溫度測(cè)量，用于探測(cè)海洋溫度改變，經(jīng)過接收跨海洋盆地傳輸?shù)皖l聲音，于100HZ來測(cè)量溫度。另外還有其它測(cè)溫方法，如超聲波技術(shù)、激光技術(shù)、射流技術(shù)、微波技術(shù)、熱成象測(cè)量技術(shù)，液品技術(shù)等等用于測(cè)量溫度。本課程主要著重介紹以熱電偶溫度計(jì)為代表接觸式溫度計(jì)和用輻射學(xué)方法測(cè)量溫度溫度計(jì)，并重點(diǎn)介紹用接觸式感溫元件測(cè)量溫度技術(shù)伎倆與方法。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第12頁3、以測(cè)溫方法分類溫度計(jì)依據(jù)溫度計(jì)測(cè)溫方法不一樣，可把溫度計(jì)分為兩類：（一）接觸式測(cè)溫：測(cè)溫要求感溫元件浸入被測(cè)介質(zhì)或以被測(cè)物體直接接觸測(cè)溫方法。如水銀玻管溫度計(jì)、熱電偶及熱電阻溫度計(jì)等。接觸式測(cè)溫時(shí)，從根本上說，溫度計(jì)指示溫度只是感溫元件本身溫度。比如熱電偶所測(cè)到溫度只是其熱接點(diǎn)溫度。通常，人們將感溫部溫度就當(dāng)做被測(cè)對(duì)象溫度。比如，水銀溫度計(jì)指示100℃時(shí)，只表明溫度計(jì)感溫包溫度為100℃，然而我們需要卻是被測(cè)對(duì)象溫度，于是就有這么一個(gè)問題，被測(cè)溫度能否用溫度計(jì)指示溫度來表示呢？依據(jù)到達(dá)熱平衡諸物體含有相同溫度原理，只要溫度計(jì)與被測(cè)介質(zhì)之間熱交換到達(dá)平衡，則溫度計(jì)示值便能夠用表示被測(cè)溫度。不過在工程測(cè)量中，這不過是一個(gè)近似。絕大多數(shù)情況下，接觸式感溫元件與被測(cè)介質(zhì)之間一是來不及到達(dá)熱平衡。因?yàn)楸唤橘|(zhì)溫度是隨時(shí)間改變，二是被測(cè)介質(zhì)不單與感溫元件進(jìn)行熱交換，還與其它部件進(jìn)行熱交換，因而此時(shí)“熱平衡”是近似。所以必須從方法和伎倆上處理用接觸式感溫元件測(cè)溫誤差問題。（二）非接觸式測(cè)溫：10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第13頁非接觸式測(cè)溫感溫元件與被測(cè)對(duì)象還有直接接觸。用這種方法測(cè)溫時(shí)，不會(huì)破壞被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)，進(jìn)而消除了由接觸被測(cè)介質(zhì)帶來一系列造成溫度場(chǎng)畸變?cè)?，可?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量。4、以輸出量性質(zhì)分類測(cè)溫方法在溫度測(cè)量中，為了到達(dá)測(cè)量目標(biāo)，需要對(duì)溫度量進(jìn)行測(cè)溫變換，所謂測(cè)量變換就是將一個(gè)物理量大小去反應(yīng)另一個(gè)與之有函數(shù)關(guān)系理量大小。當(dāng)前常見溫度測(cè)量變換分為以下三類：（一）溫度力學(xué)測(cè)量方法將溫度信號(hào)變?yōu)樗y玻管溫度計(jì)或酒精溫度計(jì)液柱位移；將溫度信號(hào)變成金屬片膨脹位移雙金屬片溫度計(jì)；將溫度信號(hào)變成介質(zhì)膨脹壓力式溫度計(jì)等。這種將溫度改變輸入量變換成力學(xué)量：位移、線位移、角位移等力學(xué)量輸出稱之謂溫度和力學(xué)測(cè)量方法。（二）溫度電學(xué)測(cè)量方法將溫度信號(hào)變?yōu)闊犭娕紲囟扔?jì)熱電勢(shì)輸出，將溫度信號(hào)變換成測(cè)定熱電阻值電阻溫度計(jì)等。這種將溫度改變輸入量變換成電學(xué)量：熱電勢(shì)、熱電阻等電學(xué)量輸出稱之謂溫度電學(xué)測(cè)量方法。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第14頁（三）溫度光學(xué)測(cè)量方法工業(yè)測(cè)量中將溫度信號(hào)變?yōu)楣鈱W(xué)量輸出。測(cè)量氣體發(fā)射或吸收輻射能光譜法；利用黑體輻射定律來測(cè)量不透明表面溫度光測(cè)高溫法。如紅外熱象儀在測(cè)量物體表面溫度時(shí)，就是利用“自然界中一切物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，就總會(huì)用外發(fā)射輻射能”原理。搜集并探測(cè)這些輻射能，將輸入溫度信號(hào)變成輸出光學(xué)量，最終取得被測(cè)物體溫度示值。利用光線在經(jīng)過不均勻折射率場(chǎng)會(huì)發(fā)生彎曲原理，將溫度場(chǎng)信號(hào)變?yōu)楣饩€在空間改變位置來測(cè)量及推算溫度場(chǎng)改變折射率法等等。這種將溫度改變輸入量變換成光學(xué)量做為輸出量方法稱之謂溫度光學(xué)測(cè)量方法。

4.2溫度測(cè)量力學(xué)方法4.2.1玻璃管液體溫度計(jì)

測(cè)量特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，所以應(yīng)用十分廣泛。其不足之處于于易碎、輸出信號(hào)不能遠(yuǎn)傳和自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第15頁液體介質(zhì)采取水銀是因?yàn)樗y不易氧化變質(zhì)，輕易取得很高測(cè)量精度，在相當(dāng)大溫度范圍內(nèi)-38～356℃保持液態(tài)，尤其是在200℃以下，-38～356℃其膨脹系數(shù)幾乎和溫度成線性關(guān)系，所以水銀玻管溫度計(jì)可作為精密標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)用于精密測(cè)量之用。玻璃管液體溫度計(jì)在使用時(shí)應(yīng)注意因玻璃熱脹冷縮引發(fā)零點(diǎn)漂移。定時(shí)校驗(yàn)零點(diǎn)位置，防止由此帶來測(cè)量誤差。

4.2.2雙金屬溫度計(jì)

雙金屬溫度計(jì)抗震性能好、堅(jiān)固耐用，但精度較低，一般等級(jí)為1～2.5級(jí)。慣用于工業(yè)生產(chǎn)中。測(cè)溫范圍為-60～500℃左右。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第16頁4.2.3壓力式溫度計(jì)充以氮?dú)鈮毫κ綔囟扔?jì)其測(cè)溫上限可達(dá)500℃，壓力與溫度關(guān)系近似線性；若封閉系統(tǒng)中充進(jìn)液體，稱之為充液式壓力式溫度計(jì)。充液采取液體慣用二甲苯、甲醇或丙酮等。測(cè)溫范圍普通為-40～550℃，壓力與溫度關(guān)系呈非線性關(guān)系。壓力式溫度計(jì)精度較低，但使用簡(jiǎn)便，而且抗震動(dòng)。慣用在對(duì)溫度波動(dòng)范圍不大場(chǎng)所做監(jiān)測(cè)使用。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第17頁4.3溫度測(cè)量電學(xué)方法

將輸入溫度信號(hào)變換電學(xué)量信號(hào)輸出稱之謂溫度電學(xué)測(cè)量方法。慣用電阻溫度計(jì)與熱電偶溫度計(jì)溫度測(cè)量電學(xué)方法經(jīng)典代表。4.3.1熱電偶溫度計(jì)當(dāng)前最廣泛使用接觸式測(cè)量溫度方法之一是用熱電偶溫度計(jì)測(cè)量溫度。與其它溫度計(jì)相比它有足夠測(cè)量精度，很好動(dòng)態(tài)響應(yīng)，工作可靠，便于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測(cè)量和自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、價(jià)格廉價(jià)，在工業(yè)測(cè)量中，已經(jīng)有不一樣型號(hào)定型熱電偶產(chǎn)品可供選?。辉谠囼?yàn)室和一些研究中，可依據(jù)不一樣需要，自行制作一些特殊尺寸和結(jié)構(gòu)熱電偶，所以，熱電偶溫度計(jì)是一個(gè)應(yīng)用面寬、比較理想和方便測(cè)溫儀器。1、熱電偶測(cè)溫原理兩種不一樣導(dǎo)體A和B，把它們組成一個(gè)閉合回路時(shí)，就組成了一個(gè)熱電偶。如圖4-5（a）所表示。導(dǎo)體A和B稱為熱電極。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不一樣時(shí)，即T≠T0，回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)。如圖4-5（b），就是最基本熱電偶測(cè)溫線路。研究表明，熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)組成。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第18頁圖4-5熱電效應(yīng)示意圖10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第19頁（一）接觸電勢(shì)（二）溫差電勢(shì)10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第20頁A

+

-

BA+

-

B接觸電勢(shì)

一些物質(zhì)，其外圍電子從外部能源吸收了足夠能量以后，能夠脫離原子核影響而變成自由電子，這些自由電子能夠繼續(xù)從外界吸收能量。它們作用，通常能夠假定為類似于理想氣體分子作用。不相同金屬材料，即使它們處于相同溫度下，其中自由電子能量和密度也不相同。所以，當(dāng)兩種金屬材料A和B相互接觸時(shí)，自由電子會(huì)穿過中間分界面而擴(kuò)散。假定金屬A中自由電子能量與密度比金屬B中高，那么，金屬A中自由電子就經(jīng)過界面向金屬B擴(kuò)散。擴(kuò)散結(jié)果使得在界面處金屬A電位變正，金屬B電位變負(fù)，從而在界面處建立起一個(gè)電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)方向恰好反抗這一擴(kuò)散過程進(jìn)行。所以，當(dāng)接點(diǎn)處溫度一定時(shí)，也就是說，當(dāng)自由電子能量一定時(shí)，這一擴(kuò)散過程會(huì)到達(dá)平衡。此時(shí)，在接點(diǎn)處所建立起來電勢(shì)稱為接觸電勢(shì)。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第21頁溫差電勢(shì)若導(dǎo)體A和B都是均質(zhì)導(dǎo)體，今取導(dǎo)體A為例，將其徑向尺寸加以放大。因?yàn)閷?dǎo)體A兩端溫度不一樣，所以在導(dǎo)體A內(nèi)存在有溫度梯度。其兩端溫差為dT且T＞T0。溫度較高處比溫度較低處自由電子擴(kuò)散速率大，所以溫度較高一邊因失去電子而帶正電，溫度較低一邊因得到電子而帶負(fù)電，從而在高、低溫端之間形成一個(gè)從高溫端指向低溫端靜電場(chǎng)。電子遷移力和靜電場(chǎng)力到達(dá)平衡時(shí)所形成電位差叫溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)方向是由低溫端指向高溫端，其大小與導(dǎo)體兩端溫度和性質(zhì)相關(guān)。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第22頁（三）熱電偶回路總熱電勢(shì)

圖4-8熱電偶回路熱電勢(shì)分布圖在整個(gè)閉合回路中，兩端接點(diǎn)溫度為T和T0。且T＞T0，＞。熱電偶回路總熱電勢(shì)為10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第23頁①熱電偶回路熱電勢(shì)大小，只與組成熱電偶材料性質(zhì)和材料兩端接點(diǎn)處溫度相關(guān)，而與熱電偶幾何尺寸和中間各點(diǎn)溫度分布無關(guān)。當(dāng)熱電偶兩接點(diǎn)處溫度相同時(shí)，回路中總熱電勢(shì)等于零。②只有用兩種均勻不一樣性質(zhì)導(dǎo)體才能組成熱電偶。單一相同材料組成閉合回路中不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。③對(duì)于已確定兩種材料所組成熱電偶，假如保持其一端溫度固定不變，即保持T0=常數(shù)（實(shí)用中，普通常取T0=0℃），則EAB（T，T0）數(shù)值將是T單值函數(shù)。所以，能夠用測(cè)量EAB（T，T0）方法來測(cè)量溫度T數(shù)值，這就是利用熱電偶測(cè)溫基本原理。這時(shí)，應(yīng)該預(yù)先知道不一樣T所對(duì)應(yīng)EAB（T，T0）數(shù)值。在實(shí)際工作中，EAB（T，T0）數(shù)值并不是用式（4-10）來計(jì)算，而是經(jīng)過所謂標(biāo)定（或稱校準(zhǔn)）方法實(shí)際測(cè)出。將這些數(shù)值制成熱電偶分度表，以供查用。熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，放置在被測(cè)溫度為T物體上接點(diǎn)稱之為熱電偶熱端或測(cè)量端。而熱電偶處于恒定溫度T0下另一端，稱之為熱電偶冷端或參考端。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第24頁兩點(diǎn)主要結(jié)論：第一，最少要有兩種均勻金屬材料，才能組成熱電偶。第二，當(dāng)熱電偶兩接點(diǎn)處溫度相同時(shí)，回路中總熱電勢(shì)等于零。2、熱電偶基本定律及其應(yīng)用（一）均值導(dǎo)體定律任何一個(gè)均值導(dǎo)體組成閉合回路，不論其各處截面怎樣，不論其是否存在溫度梯度，都不可能產(chǎn)生熱電勢(shì)。利用該定律可檢驗(yàn)熱電極材料均勻性。

（二）中間導(dǎo)體定律為了測(cè)量熱電勢(shì)，必須在熱電偶回路中接入測(cè)量?jī)x表及其引線，圖中用導(dǎo)體C來代表。那么，這種接入，對(duì)回路熱電勢(shì)有沒有影響呢？在熱電偶測(cè)量回路中，當(dāng)接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要被接入中間導(dǎo)體兩端溫度相等，則對(duì)回路熱電勢(shì)沒有影響。這一原理稱為中間導(dǎo)體定律。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第25頁圖4-9加有中間導(dǎo)體熱電偶回路中間導(dǎo)體定律是當(dāng)使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，能夠在回路中接入測(cè)量?jī)x表理論依據(jù)。

10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第26頁（三）連接導(dǎo)體定律在熱電偶回路，假如兩個(gè)熱電極A和B分別與另外兩個(gè)連接導(dǎo)線A′和B′相接，相接處溫度為Tn，如圖所表示?，F(xiàn)在討論這一回路中總熱電勢(shì)值。該值用符號(hào)來表示。在這一個(gè)閉合回路中，總熱電勢(shì)是由各接點(diǎn)接觸電勢(shì)和各導(dǎo)線溫差電勢(shì)所組成。即：

加有連接導(dǎo)體熱電偶回路

10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第27頁（四）中間溫度定律如圖所表示，兩種不一樣材料組成熱電偶回路，在兩接點(diǎn)溫度為T1和T2時(shí)，其熱電勢(shì)為，在接點(diǎn)為T2和T3時(shí)，其熱電勢(shì)為，則在接點(diǎn)T1和T3時(shí)，該熱電偶熱電勢(shì)為前二者之和，即10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第28頁一定律是用熱電偶測(cè)溫時(shí)采取賠償導(dǎo)線理論依據(jù)。3、中間溫度定律熱電偶回路中，假如A和A′為同一個(gè)導(dǎo)體，B和B′也是同一個(gè)導(dǎo)體，這時(shí)組成了連接導(dǎo)體定律一個(gè)特殊情況一個(gè)熱電偶在兩接點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)，熱電勢(shì)EAB（T，T0）等于該熱電偶在T和Tn與T0之間對(duì)應(yīng)熱電勢(shì)EAB（T，T0）和EAB（Tn，T0）和代數(shù)和。Tn稱為中間溫度，這就是中間溫度定律。此定律是制訂和使用分度表理論依據(jù)。三、熱電偶材料及其結(jié)構(gòu)1、熱電偶材料從原理上講，任意兩種不一樣導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）材料都能夠組成勢(shì)電偶。但在生產(chǎn)實(shí)際中，廣泛使用熱電偶并不多，這是因?yàn)樵跍y(cè)溫時(shí)，對(duì)測(cè)溫?zé)犭娕加幸欢ㄒ?，從而限制了一些材料使用。普通說來，對(duì)于制造熱電偶材料有以下幾方面要求：配制成熱電偶應(yīng)有較高熱電勢(shì)，而且性能穩(wěn)定；能在一定工作條件下長久工作，有足夠機(jī)械強(qiáng)度；便于加工及價(jià)格廉價(jià)等，慣用熱電偶代號(hào)，分度號(hào)和測(cè)溫范圍見表，慣用熱電偶允許偏差見表10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第29頁表4-1慣用熱電偶代號(hào)、分度號(hào)和溫度測(cè)量范圍名稱熱電極材料等分度號(hào)100℃時(shí)熱電勢(shì)/mv使用溫度/℃溫度測(cè)量范圍（℃）

正極識(shí)別負(fù)極級(jí)長久短期鉑銠10-鉑稍硬柔軟ⅠS0.6451300160001600鉑銠30-鉑銠6較硬教軟ⅡB0.0331600180001800鎳鉻-鎳硅不親磁稍親ⅡK4.0951100130001300鎳鉻-康銅色暗銀白ⅡE6.317600800200+900銅-康銅紅色銀白ⅡT4.277350400-200~+30010/10/溫度測(cè)量技術(shù)第30頁（二）熱電偶基本結(jié)構(gòu)1、工業(yè)上慣用為鎧裝熱電偶，也稱為套管熱電偶。它由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者組合加工而成。圖4-12是工業(yè)用普通型鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)圖。1-熱電偶測(cè)量器；2-熱電極；3-絕緣管；

4-保護(hù)管；5-接線盒10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第31頁2、自制熱電偶-----“裸絲”熱電偶。用每一極熱電偶絲外面都涂上了薄薄絕緣漆熱電偶絲，將其制作成不一樣規(guī)格或型號(hào)熱電偶。熱電偶測(cè)量端可用電弧焊、乙炔焊、鹽溶氧化焊，水銀焊和對(duì)接焊等方法焊接而成。（a）點(diǎn)焊；（b）對(duì)焊；）（c）絞狀點(diǎn)焊10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第32頁4、熱電偶測(cè)量線路及靜態(tài)標(biāo)定（一）熱電偶測(cè)溫線路如圖所表示，它由熱電偶、賠償導(dǎo)線、連接導(dǎo)線和二次儀表組成。T表示被測(cè)溫度，稱為測(cè)量端溫度，T1表示接線端溫度，稱為測(cè)量端溫度，T0為參考端溫度。A、B為熱電偶熱電極，A′，B′為賠償導(dǎo)線，C為連接導(dǎo)線。

10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第33頁（二）熱電偶測(cè)溫時(shí)參考端溫度

熱電偶分度表和依據(jù)分度表刻度二次儀表都是以參考端溫度保持在0℃為條件。普通試驗(yàn)室作精密測(cè)溫時(shí)，通常將參考端保持在0℃。然而，在工程測(cè)量時(shí)，參考端要保持0℃是困難。這時(shí)，必須采取參考端溫度修正或賠償?shù)确椒?。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰和純水平衡溫度為0℃。在試驗(yàn)室中，通慣用碎冰與蒸餾水混合放在保溫瓶中，并使它們到達(dá)熱平衡。為了降低環(huán)境傳熱影響，應(yīng)使水面略低于冰屑面。插入玻璃試管中參考端，其插入深度普通應(yīng)大于140毫米。而且試管宜壁薄且直徑小。這么實(shí)現(xiàn)冰點(diǎn)平衡溫度約為-0.06℃。對(duì)于熱電偶測(cè)溫能夠認(rèn)為參考端處于0℃。熱電偶參考端插入試管中方法有兩種：一個(gè)是兩個(gè)參考端分別插入兩根試管底部，并與少許清潔水銀相接觸。然后，分別用銅導(dǎo)線引出接往顯示儀表。依據(jù)中間導(dǎo)體定律，（b）與（c）線路等效。另一個(gè)方法如圖4-16所表示。兩個(gè)參考端插入同一根試管底部，并與水銀相接觸。因?yàn)殂~導(dǎo)線兩端均為室溫t1，所以圖4-16（b）與（c）線路等效。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第34頁10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第35頁10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第36頁（三）賠償導(dǎo)線作用在工程測(cè)量中，冷接點(diǎn)往往要遠(yuǎn)離測(cè)量端。此時(shí)，勢(shì)必要把組成熱電偶兩根熱電極加長到所需長度。從熱電偶連接導(dǎo)體定律可知，將熱電偶兩根熱電極延長可采取與熱電偶熱電性能相同材料作為連接導(dǎo)線。我們把這種連接導(dǎo)線稱為“賠償導(dǎo)線”。用賠償導(dǎo)線連接在熱電偶電極和冷端之間不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。賠償導(dǎo)線從本質(zhì)上看，也是熱電偶，但它們因?yàn)檫h(yuǎn)離測(cè)量端，在與熱電偶相連接處溫度下，其工作溫度不會(huì)超出100150℃。在使用賠償導(dǎo)線時(shí)，必須注意，不能超出要求使用溫度范圍，不然會(huì)給測(cè)量帶來較大誤差。另外，在使用時(shí)，應(yīng)格外注意賠償導(dǎo)線不能將極性接錯(cuò)，二要確保接點(diǎn)牢靠可靠。慣用賠償導(dǎo)線規(guī)格及性能見表4-5，4-6。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第37頁表4-5標(biāo)準(zhǔn)型熱電偶用賠償導(dǎo)線型號(hào)要求賠償導(dǎo)線型號(hào)SCKCKXEXJXTX所配熱電偶分度號(hào)SKKEJT（四）熱電偶靜態(tài)標(biāo)定熱電偶標(biāo)定就是將制成熱電偶進(jìn)行分度，其方法就是將制成熱電偶參考端恒定為0℃，改變熱接點(diǎn)溫度，用適當(dāng)精度儀表測(cè)量出該熱電偶所產(chǎn)生熱電勢(shì)數(shù)值，從而得到熱電勢(shì)與溫度關(guān)系，編制成表，以備查用。在試驗(yàn)室較慣用標(biāo)定方法是比較法。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第38頁比較法標(biāo)定時(shí)，需要精度和等級(jí)都比被標(biāo)定熱電偶高幾個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，不一樣溫度范圍，有不一樣溫度均勻，穩(wěn)定，又可依據(jù)需要調(diào)整精密恒溫?zé)嵩?。?00℃以下，采取恒溫水浴，與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行比較；300℃以下，采取恒溫油浴，與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行比較；300~1300℃，采取管式電爐，與標(biāo)準(zhǔn)鉑銠-鉑熱電偶進(jìn)行比較；1300~℃，采取鉬絲爐，與一等或二等光學(xué)高溫計(jì)進(jìn)行比較；在高溫下進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，為了預(yù)防熱電偶氧化，要將爐內(nèi)先抽成真空，然后充入惰性氣體。標(biāo)定時(shí)，應(yīng)把被標(biāo)定熱電偶與作為標(biāo)準(zhǔn)用熱電偶熱接點(diǎn)置于爐內(nèi)同一點(diǎn)上，以確保二者所處溫度相同。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第39頁10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第40頁4.4用接觸式感溫元件測(cè)量溫度技術(shù)4.4.1用接觸式感溫元件測(cè)量溫度普通問題1、概述（一）什么是接觸式測(cè)溫？

（二）接觸式測(cè)量所得到溫度是被測(cè)對(duì)象真實(shí)溫度嗎？2、影響接觸式溫度測(cè)量各種原因?qū)⒁恢犭娕疾迦霘怏w流管道中，按普通想法，氣體將對(duì)熱電偶測(cè)量端加熱，使熱電偶測(cè)量端溫度上升，當(dāng)氣流與熱電偶測(cè)量端熱量交換到達(dá)動(dòng)平衡時(shí)，熱電偶所指示測(cè)量端溫度即為氣流溫度。然而，實(shí)際問題并不那么簡(jiǎn)單，因?yàn)闇囟扔?jì)與被測(cè)物體“接觸”。感溫元件與被測(cè)對(duì)象復(fù)雜換熱現(xiàn)象使接觸式溫度計(jì)只能給出流體或固體中某處溫度近似值，使示值溫度偏離真實(shí)溫度。因?yàn)椤敖佑|”—測(cè)溫帶來一系列問題：（一）溫度場(chǎng)發(fā)生畸變；（二）速度場(chǎng)被破壞；（三）換熱狀態(tài)復(fù)雜10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第41頁10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第42頁①經(jīng)過支桿與安裝傳感器壁面發(fā)生熱傳導(dǎo)；②測(cè)量端與可見表面發(fā)生輻射換熱；③與氣流進(jìn)行對(duì)流及輻射換熱；④高速氣流中，測(cè)量端因?yàn)闇棺饔?，受到氣?dòng)加熱。另外，熱電偶套管、支桿也將參加與氣流熱交換，這種熱交換，又將影響測(cè)量端。而且，測(cè)量端形狀也并非是理論分析中慣用基本形狀。

因?yàn)樯鲜龇N種原因，使溫度測(cè)量誤差作精密分析相當(dāng)困難，當(dāng)前只能對(duì)誤差分析做數(shù)量級(jí)預(yù)計(jì)，指出減小誤差基本路徑。從而對(duì)測(cè)量誤差，進(jìn)行修正或采取對(duì)應(yīng)辦法，使其減小到允許范圍。二、用接觸式感溫元件測(cè)量溫度誤差（一）傳熱學(xué)方面原因（二）氣動(dòng)力原因（三）被測(cè)溫度隨時(shí)間改變?cè)颍ㄋ模┗瘜W(xué)原因10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第43頁測(cè)量液體溫度困難普通要比測(cè)量氣體溫度小得多，這是因?yàn)椋篈、液體流速與氣體相比普通較低，速度誤差可不予考慮；B、液體放熱系數(shù)普通很大，與氣體相比，常比氣體大一至二個(gè)數(shù)量級(jí)（如氣體強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)h，普通在20～100W/m2℃；而水強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)h，普通在1000-15000W/m2℃），使液體傳熱誤差與動(dòng)態(tài)誤差遠(yuǎn)不如氣體那么嚴(yán)重。影響固體壁面溫度測(cè)量原因純粹是傳熱學(xué)方面原因?！敖佑|”破壞了固體壁面原有傳熱情況，造成溫度場(chǎng)畸變，帶來測(cè)量誤差。本節(jié)主要是以熱電偶測(cè)量氣流溫度為分析對(duì)象。分析物理過程建立物理模型及建立對(duì)應(yīng)數(shù)學(xué)模型，由定性分析轉(zhuǎn)入定量計(jì)算，才能有效地找出減小、修正測(cè)溫誤差正確路徑。10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第44頁4.4.2一維問題能量平衡方程1、接觸式溫度計(jì)物理模型建立和簡(jiǎn)化將一對(duì)相同直徑，對(duì)焊、裸露熱偶絲置于氣流中，取熱偶絲軸線為x軸。因?yàn)榕冀z直徑很小，能夠認(rèn)為在偶絲截面上溫度都是均勻。所以，熱偶絲軸線上溫度分布只是x函數(shù)。從熱偶絲上取溫度為T、長度為dx微元體，分析它換熱情況：圖4-19細(xì)長桿能量平衡物理模型10/10/溫度測(cè)量技術(shù)第45頁（一）單位時(shí)間經(jīng)過熱傳導(dǎo)流入微元體導(dǎo)熱量：（二）單位時(shí)間經(jīng)過對(duì)流傳入微元體熱量：（三）微元體輻射換熱熱量