溫度測量技術(shù)市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

熱工測試技術(shù)

10/10/溫度測量技術(shù)第1頁第4章溫度及溫度場測試技術(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)部分子熱運動激烈程度，即分子平均能作所決定。

嚴(yán)格地說，溫度是物體分子運動平均動能大小標(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溫度概念以及計量溫度方法。。

熱力學(xué)第零定律-熱平衡定律：假如兩個熱力學(xué)系統(tǒng)中每一個都與三個熱力學(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)。表征這個物理性質(zhì)量就是溫度。

溫度概念建立和溫度定量測量都是以熱平衡現(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/溫度測量技術(shù)第2頁

什么叫熱平衡？假設(shè)兩個熱力學(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)過一段時間后兩個系統(tǒng)狀態(tài)不再發(fā)生改變，到達一個共同平衡態(tài)，這種平衡態(tài)是兩個系統(tǒng)發(fā)生傳熱條件下到達，所以叫熱平衡。（4-1）

絕對溫度概念作了經(jīng)典解釋。式中，β是體系絕對溫度度量，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。通常體系絕對溫度為正，β>0，或k>0。由式（4-1）可知，對于絕對溫度為T體系，數(shù)值kT大致等于體系在每個自由度上平均能量（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粒子能量相關(guān)。10/10/溫度測量技術(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，首先要建立一個衡量溫度標(biāo)度，溫標(biāo)要求了溫度讀數(shù)起點（零點）和測量溫度基本單位。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為0度，水沸點為100度，中間等分100格，每格為攝氏1度，符號為℃。

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為32度，水沸點為212度，中間等分180格，每格為華氏1度，符號為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/溫度測量技術(shù)第4頁因為沒有一個物質(zhì)物理性質(zhì)與溫度呈線性關(guān)系，所以測得溫度數(shù)值都與溫度計所采取物質(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時吸收熱量Q1，而在溫度T2時向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌2，假如指定了一個定點T2數(shù)值，就能夠由熱量百分比求得未知量T1，因為上述方程式與工質(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)實際上是不存在，實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（只要選擇一樣定點和原位），可借助于氣體溫度計來實現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)（對于一定質(zhì)量氣體，當(dāng)體積保持不變時，壓力就與溫度成正比，這么就能夠按氣體壓力改變來測量溫度，這種溫度計叫做氣體定容溫度計，也可制做定壓溫度計）。因為理想氣體是不存在，我們能夠用一些在性質(zhì)上靠近理想氣體真實氣體（氫、氦和氨）來作溫度計，并依據(jù)熱力學(xué)第二定律得出對這種氣體溫度計讀數(shù)修正值，這就在實踐中制訂了熱力學(xué)溫標(biāo)。然而，氣體溫度計本身非常復(fù)雜粗笨，讀數(shù)又非常遲緩，同時因為受到容器本身耐熱性和氣密性限制，測量上限只能到達1500℃左右，所以用氣體溫度計來復(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/溫度測量技術(shù)第6頁

為了克服氣體溫度計缺點，便于溫度實際測量，于是就采取了協(xié)議性國際實用溫標(biāo)。它自1927年開始建立，幾經(jīng)修改，最近一次定名為1990年國際實用溫標(biāo)（ITS-90），它于1990年元旦開始實施。1990年國際實用溫標(biāo),代號為（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年國際實用溫標(biāo)（ITS-90），它于1990年元旦開始實施。國際實用溫標(biāo)要求以熱力學(xué)溫度為基本溫度，符號為T90，單位為開爾文，符號為K，它要求水三相點熱力學(xué)溫度為273.16K，定義1K等于水三相點溫度1/273.16。國際實用開爾文溫度和攝氏溫度關(guān)系為

t=（T90-273.15）℃

（4-5）（二）國際實用溫標(biāo)ITS-90主要內(nèi)容是：

①用17個定義基準(zhǔn)點，它包含14個高純物質(zhì)三相點、熔點和凝固點以及3個用蒸汽溫度計或氣體溫度計測定溫度點。從而確保了基準(zhǔn)溫度客觀性。10/10/溫度測量技術(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定容氣體溫度計作為內(nèi)插儀器；從13.8033K到1234.93K之間采取鉑電阻溫度計作為內(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。③建立了基準(zhǔn)儀器示值與國際溫標(biāo)溫度之間關(guān)系插補公式和偏差函數(shù)，從而使連續(xù)測溫成為可能。對國際實用溫標(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方面，一是生產(chǎn)中對各測溫儀表分度，把標(biāo)準(zhǔn)傳遞到測溫儀表；其次是對使用中或修理后測溫儀表檢定，經(jīng)過檢定才能確保儀表準(zhǔn)確可靠。國際實用溫標(biāo)相關(guān)基準(zhǔn)儀器都是由國家要求機構(gòu)（中國計量科學(xué)研究院）保留，并經(jīng)過省市計量機構(gòu)傳遞下去。為了把溫度10/10/溫度測量技術(shù)第8頁正確數(shù)值傳遞到實用測量儀表，需要按某一個傳遞系統(tǒng)進行，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)點基準(zhǔn)溫度計一等標(biāo)準(zhǔn)溫度計第二類輔助平衡溫度計三等標(biāo)準(zhǔn)溫度計二等標(biāo)準(zhǔn)溫度計試驗室儀表工業(yè)用儀表10/10/溫度測量技術(shù)第9頁4.1.3溫度測量機理與方法溫度不能直接加以測量，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)、破壞強度、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、熱容量、熱電勢、熱電阻和輻射強度等均隨溫度改變而改變。而且，在一定條件下，這些物理量每一個數(shù)值都對應(yīng)著一定溫度。假如事先知道它偏與溫度對應(yīng)關(guān)系，那么，便可經(jīng)過測量這些物理量來到達測溫目標(biāo)。同時，而且是至關(guān)主要一點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、較為成熟測溫方法（一）利用物體熱脹冷縮物理性質(zhì)測量溫度。利用固體熱脹冷縮現(xiàn)象制成雙金屬片溫度計和利用液體熱脹冷縮現(xiàn)象制成玻璃受水銀溫度計和酒精溫度計。這類溫度計結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，溫度測量范圍慣用于-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，含有結(jié)構(gòu)簡單，含有防爆性，防震性，可運距離傳示。但準(zhǔn)確度較低，滯后性較大，10/10/溫度測量技術(shù)第10頁慣用測量范圍0~300℃之間。（二）利用物體熱電效應(yīng)測量物體溫度。兩種不一樣金屬導(dǎo)體組成閉合回路時，當(dāng)兩接點溫度不一樣時，回路內(nèi)就產(chǎn)生熱電勢，利用物體這種熱電性質(zhì)，將感受到被測物體溫度轉(zhuǎn)換或熱電勢作為信號輸出。如熱電偶溫度計，它測量準(zhǔn)確度高，能遠距離傳送，慣用于測量-100℃~1800℃范圍內(nèi)溫度，是當(dāng)前溫度測量中應(yīng)用最廣泛溫度計之一。（三）利用物體導(dǎo)電率隨溫度改變而改變來測量溫度。電阻溫度計就是利用這一性質(zhì)到達測溫后目標(biāo)。（四）利用物質(zhì)輻射強度隨溫度改變而改變來測量溫度。2、正在研究發(fā)展測溫方法（一）利用一些物質(zhì)介電常數(shù)在某個范圍與溫度相關(guān)測量溫度。（二）利用載流電子布朗運動產(chǎn)生隨機電壓測量物體溫度。（三）利用壓電石英自然振動頻率與溫度相關(guān)來測量溫度。石英溫度計就是利用這一性質(zhì)到達測溫目標(biāo)，試驗發(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，即可用于高精度溫度測量，又可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計進行溫度基準(zhǔn)傳遞，也10/10/溫度測量技術(shù)第11頁可在現(xiàn)場穩(wěn)態(tài)條件下進行精密測溫和控溫。（四）利用物質(zhì)磁化強度與所施加磁場比值與溫度成反比來測量溫度。順磁溫度計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4.2K溫度時很有效，并用于太空中測量。（五）利用聲速與氣體靜態(tài)溫度熱力學(xué)關(guān)系式來測量溫度。聲速溫度計基于這一原理用于測量流體或固體表面溫度，傳統(tǒng)上用于低溫2.5~30K溫度測量。當(dāng)前發(fā)展至用于高達1000℃溫度測量，用于探測海洋溫度改變，經(jīng)過接收跨海洋盆地傳輸?shù)皖l聲音，于100HZ來測量溫度。另外還有其它測溫方法，如超聲波技術(shù)、激光技術(shù)、射流技術(shù)、微波技術(shù)、熱成象測量技術(shù)，液品技術(shù)等等用于測量溫度。本課程主要著重介紹以熱電偶溫度計為代表接觸式溫度計和用輻射學(xué)方法測量溫度溫度計，并重點介紹用接觸式感溫元件測量溫度技術(shù)伎倆與方法。10/10/溫度測量技術(shù)第12頁3、以測溫方法分類溫度計依據(jù)溫度計測溫方法不一樣，可把溫度計分為兩類：（一）接觸式測溫：測溫要求感溫元件浸入被測介質(zhì)或以被測物體直接接觸測溫方法。如水銀玻管溫度計、熱電偶及熱電阻溫度計等。接觸式測溫時，從根本上說，溫度計指示溫度只是感溫元件本身溫度。比如熱電偶所測到溫度只是其熱接點溫度。通常，人們將感溫部溫度就當(dāng)做被測對象溫度。比如，水銀溫度計指示100℃時，只表明溫度計感溫包溫度為100℃，然而我們需要卻是被測對象溫度，于是就有這么一個問題，被測溫度能否用溫度計指示溫度來表示呢？依據(jù)到達熱平衡諸物體含有相同溫度原理，只要溫度計與被測介質(zhì)之間熱交換到達平衡，則溫度計示值便能夠用表示被測溫度。不過在工程測量中，這不過是一個近似。絕大多數(shù)情況下，接觸式感溫元件與被測介質(zhì)之間一是來不及到達熱平衡。因為被介質(zhì)溫度是隨時間改變，二是被測介質(zhì)不單與感溫元件進行熱交換，還與其它部件進行熱交換，因而此時“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溫誤差問題。（二）非接觸式測溫：10/10/溫度測量技術(shù)第13頁非接觸式測溫感溫元件與被測對象還有直接接觸。用這種方法測溫時，不會破壞被測對象溫度場，進而消除了由接觸被測介質(zhì)帶來一系列造成溫度場畸變原因，可實現(xiàn)遠距離測量。4、以輸出量性質(zhì)分類測溫方法在溫度測量中，為了到達測量目標(biāo)，需要對溫度量進行測溫變換，所謂測量變換就是將一個物理量大小去反應(yīng)另一個與之有函數(shù)關(guān)系理量大小。當(dāng)前常見溫度測量變換分為以下三類：（一）溫度力學(xué)測量方法將溫度信號變?yōu)樗y玻管溫度計或酒精溫度計液柱位移；將溫度信號變成金屬片膨脹位移雙金屬片溫度計；將溫度信號變成介質(zhì)膨脹壓力式溫度計等。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)測量方法。（二）溫度電學(xué)測量方法將溫度信號變?yōu)闊犭娕紲囟扔嫙犭妱葺敵觯瑢囟刃盘栕儞Q成測定熱電阻值電阻溫度計等。這種將溫度改變輸入量變換成電學(xué)量：熱電勢、熱電阻等電學(xué)量輸出稱之謂溫度電學(xué)測量方法。10/10/溫度測量技術(shù)第14頁（三）溫度光學(xué)測量方法工業(yè)測量中將溫度信號變?yōu)楣鈱W(xué)量輸出。測量氣體發(fā)射或吸收輻射能光譜法；利用黑體輻射定律來測量不透明表面溫度光測高溫法。如紅外熱象儀在測量物體表面溫度時，就是利用“自然界中一切物體，只要其溫度高于絕對零度時，就總會用外發(fā)射輻射能”原理。搜集并探測這些輻射能，將輸入溫度信號變成輸出光學(xué)量，最終取得被測物體溫度示值。利用光線在經(jīng)過不均勻折射率場會發(fā)生彎曲原理，將溫度場信號變?yōu)楣饩€在空間改變位置來測量及推算溫度場改變折射率法等等。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)測量方法。

4.2溫度測量力學(xué)方法4.2.1玻璃管液體溫度計

測量特點是測量準(zhǔn)確、讀數(shù)直觀、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便，所以應(yīng)用十分廣泛。其不足之處于于易碎、輸出信號不能遠傳和自動統(tǒng)計。10/10/溫度測量技術(shù)第15頁液體介質(zhì)采取水銀是因為水銀不易氧化變質(zhì)，輕易取得很高測量精度，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可作為精密標(biāo)準(zhǔn)溫度計用于精密測量之用。玻璃管液體溫度計在使用時應(yīng)注意因玻璃熱脹冷縮引發(fā)零點漂移。定時校驗零點位置，防止由此帶來測量誤差。

4.2.2雙金屬溫度計

雙金屬溫度計抗震性能好、堅固耐用，但精度較低，一般等級為1～2.5級。慣用于工業(yè)生產(chǎn)中。測溫范圍為-60～500℃左右。10/10/溫度測量技術(shù)第16頁4.2.3壓力式溫度計充以氮氣壓力式溫度計其測溫上限可達500℃，壓力與溫度關(guān)系近似線性；若封閉系統(tǒng)中充進液體，稱之為充液式壓力式溫度計。充液采取液體慣用二甲苯、甲醇或丙酮等。測溫范圍普通為-40～550℃，壓力與溫度關(guān)系呈非線性關(guān)系。壓力式溫度計精度較低，但使用簡便，而且抗震動。慣用在對溫度波動范圍不大場所做監(jiān)測使用。10/10/溫度測量技術(shù)第17頁4.3溫度測量電學(xué)方法

將輸入溫度信號變換電學(xué)量信號輸出稱之謂溫度電學(xué)測量方法。慣用電阻溫度計與熱電偶溫度計溫度測量電學(xué)方法經(jīng)典代表。4.3.1熱電偶溫度計當(dāng)前最廣泛使用接觸式測量溫度方法之一是用熱電偶溫度計測量溫度。與其它溫度計相比它有足夠測量精度，很好動態(tài)響應(yīng)，工作可靠，便于遠距離多點測量和自動統(tǒng)計，它結(jié)構(gòu)簡單、維護方便、價格廉價，在工業(yè)測量中，已經(jīng)有不一樣型號定型熱電偶產(chǎn)品可供選??；在試驗室和一些研究中，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，熱電偶溫度計是一個應(yīng)用面寬、比較理想和方便測溫儀器。1、熱電偶測溫原理兩種不一樣導(dǎo)體A和B，把它們組成一個閉合回路時，就組成了一個熱電偶。如圖4-5（a）所表示。導(dǎo)體A和B稱為熱電極。當(dāng)兩個接點溫度不一樣時，即T≠T0，回路中將產(chǎn)生熱電勢。如圖4-5（b），就是最基本熱電偶測溫線路。研究表明，熱電勢是由接觸電勢和溫差電勢組成。10/10/溫度測量技術(shù)第18頁圖4-5熱電效應(yīng)示意圖10/10/溫度測量技術(shù)第19頁（一）接觸電勢（二）溫差電勢10/10/溫度測量技術(shù)第20頁A

+

-

BA+

-

B接觸電勢

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，自由電子會穿過中間分界面而擴散。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擴散。擴散結(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電場。這個電場方向恰好反抗這一擴散過程進行。所以，當(dāng)接點處溫度一定時，也就是說，當(dāng)自由電子能量一定時，這一擴散過程會到達平衡。此時，在接點處所建立起來電勢稱為接觸電勢。10/10/溫度測量技術(shù)第21頁溫差電勢若導(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。因為導(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從高溫端指向低溫端靜電場。電子遷移力和靜電場力到達平衡時所形成電位差叫溫差電勢。溫差電勢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/溫度測量技術(shù)第22頁（三）熱電偶回路總熱電勢

圖4-8熱電偶回路熱電勢分布圖在整個閉合回路中，兩端接點溫度為T和T0。且T＞T0，＞。熱電偶回路總熱電勢為10/10/溫度測量技術(shù)第23頁①熱電偶回路熱電勢大小，只與組成熱電偶材料性質(zhì)和材料兩端接點處溫度相關(guān)，而與熱電偶幾何尺寸和中間各點溫度分布無關(guān)。當(dāng)熱電偶兩接點處溫度相同時，回路中總熱電勢等于零。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產(chǎn)生熱電勢。③對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，能夠用測量EAB（T，T0）方法來測量溫度T數(shù)值，這就是利用熱電偶測溫基本原理。這時，應(yīng)該預(yù)先知道不一樣T所對應(yīng)EAB（T，T0）數(shù)值。在實際工作中，EAB（T，T0）數(shù)值并不是用式（4-10）來計算，而是經(jīng)過所謂標(biāo)定（或稱校準(zhǔn)）方法實際測出。將這些數(shù)值制成熱電偶分度表，以供查用。熱電偶測量溫度時，放置在被測溫度為T物體上接點稱之為熱電偶熱端或測量端。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/溫度測量技術(shù)第24頁兩點主要結(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)熱電偶兩接點處溫度相同時，回路中總熱電勢等于零。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。利用該定律可檢驗熱電極材料均勻性。

（二）中間導(dǎo)體定律為了測量熱電勢，必須在熱電偶回路中接入測量儀表及其引線，圖中用導(dǎo)體C來代表。那么，這種接入，對回路熱電勢有沒有影響呢？在熱電偶測量回路中，當(dāng)接入第三種導(dǎo)體時，只要被接入中間導(dǎo)體兩端溫度相等，則對回路熱電勢沒有影響。這一原理稱為中間導(dǎo)體定律。10/10/溫度測量技術(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)使用熱電偶測溫時，能夠在回路中接入測量儀表理論依據(jù)。

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

加有連接導(dǎo)體熱電偶回路

10/10/溫度測量技術(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，在兩接點溫度為T1和T2時，其熱電勢為，在接點為T2和T3時，其熱電勢為，則在接點T1和T3時，該熱電偶熱電勢為前二者之和，即10/10/溫度測量技術(shù)第28頁一定律是用熱電偶測溫時采取賠償導(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′為同一個導(dǎo)體，B和B′也是同一個導(dǎo)體，這時組成了連接導(dǎo)體定律一個特殊情況一個熱電偶在兩接點溫度為T和T0時，熱電勢EAB（T，T0）等于該熱電偶在T和Tn與T0之間對應(yīng)熱電勢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）材料都能夠組成勢電偶。但在生產(chǎn)實際中，廣泛使用熱電偶并不多，這是因為在測溫時，對測溫?zé)犭娕加幸欢ㄒ?，從而限制了一些材料使用。普通說來，對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，而且性能穩(wěn)定；能在一定工作條件下長久工作，有足夠機械強度；便于加工及價格廉價等，慣用熱電偶代號，分度號和測溫范圍見表，慣用熱電偶允許偏差見表10/10/溫度測量技術(shù)第29頁表4-1慣用熱電偶代號、分度號和溫度測量范圍名稱熱電極材料等分度號100℃時熱電勢/mv使用溫度/℃溫度測量范圍（℃）

正極識別負(fù)極級長久短期鉑銠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-熱電偶測量器；2-熱電極；3-絕緣管；

4-保護管；5-接線盒10/10/溫度測量技術(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)格或型號熱電偶。熱電偶測量端可用電弧焊、乙炔焊、鹽溶氧化焊，水銀焊和對接焊等方法焊接而成。（a）點焊；（b）對焊；）（c）絞狀點焊10/10/溫度測量技術(shù)第32頁4、熱電偶測量線路及靜態(tài)標(biāo)定（一）熱電偶測溫線路如圖所表示，它由熱電偶、賠償導(dǎo)線、連接導(dǎo)線和二次儀表組成。T表示被測溫度，稱為測量端溫度，T1表示接線端溫度，稱為測量端溫度，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/溫度測量技術(shù)第33頁（二）熱電偶測溫時參考端溫度

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。普通試驗室作精密測溫時，通常將參考端保持在0℃。然而，在工程測量時，參考端要保持0℃是困難。這時，必須采取參考端溫度修正或賠償?shù)确椒?。在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰和純水平衡溫度為0℃。在試驗室中，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。這么實現(xiàn)冰點平衡溫度約為-0.06℃。對于熱電偶測溫能夠認(rèn)為參考端處于0℃。熱電偶參考端插入試管中方法有兩種：一個是兩個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。另一個方法如圖4-16所表示。兩個參考端插入同一根試管底部，并與水銀相接觸。因為銅導(dǎo)線兩端均為室溫t1，所以圖4-16（b）與（c）線路等效。10/10/溫度測量技術(shù)第34頁10/10/溫度測量技術(shù)第35頁10/10/溫度測量技術(shù)第36頁（三）賠償導(dǎo)線作用在工程測量中，冷接點往往要遠離測量端。此時，勢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影響測量結(jié)果。賠償導(dǎo)線從本質(zhì)上看，也是熱電偶，但它們因為遠離測量端，在與熱電偶相連接處溫度下，其工作溫度不會超出100150℃。在使用賠償導(dǎo)線時，必須注意，不能超出要求使用溫度范圍，不然會給測量帶來較大誤差。另外，在使用時，應(yīng)格外注意賠償導(dǎo)線不能將極性接錯，二要確保接點牢靠可靠。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)線型號要求賠償導(dǎo)線型號SCKCKXEXJXTX所配熱電偶分度號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℃，改變熱接點溫度，用適當(dāng)精度儀表測量出該熱電偶所產(chǎn)生熱電勢數(shù)值，從而得到熱電勢與溫度關(guān)系，編制成表，以備查用。在試驗室較慣用標(biāo)定方法是比較法。10/10/溫度測量技術(shù)第38頁比較法標(biāo)定時，需要精度和等級都比被標(biāo)定熱電偶高幾個等級標(biāo)準(zhǔn)溫度計，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)水銀溫度計進行比較；300℃以下，采取恒溫油浴，與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計進行比較；300~1300℃，采取管式電爐，與標(biāo)準(zhǔn)鉑銠-鉑熱電偶進行比較；1300~℃，采取鉬絲爐，與一等或二等光學(xué)高溫計進行比較；在高溫下進行標(biāo)定時，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，應(yīng)把被標(biāo)定熱電偶與作為標(biāo)準(zhǔn)用熱電偶熱接點置于爐內(nèi)同一點上，以確保二者所處溫度相同。10/10/溫度測量技術(shù)第39頁10/10/溫度測量技術(shù)第40頁4.4用接觸式感溫元件測量溫度技術(shù)4.4.1用接觸式感溫元件測量溫度普通問題1、概述（一）什么是接觸式測溫？

（二）接觸式測量所得到溫度是被測對象真實溫度嗎？2、影響接觸式溫度測量各種原因?qū)⒁恢犭娕疾迦霘怏w流管道中，按普通想法，氣體將對熱電偶測量端加熱，使熱電偶測量端溫度上升，當(dāng)氣流與熱電偶測量端熱量交換到達動平衡時，熱電偶所指示測量端溫度即為氣流溫度。然而，實際問題并不那么簡單，因為溫度計與被測物體“接觸”。感溫元件與被測對象復(fù)雜換熱現(xiàn)象使接觸式溫度計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溫度。因為“接觸”—測溫帶來一系列問題：（一）溫度場發(fā)生畸變；（二）速度場被破壞；（三）換熱狀態(tài)復(fù)雜10/10/溫度測量技術(shù)第41頁10/10/溫度測量技術(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測量端與可見表面發(fā)生輻射換熱；③與氣流進行對流及輻射換熱；④高速氣流中，測量端因為滯止作用，受到氣動加熱。另外，熱電偶套管、支桿也將參加與氣流熱交換，這種熱交換，又將影響測量端。而且，測量端形狀也并非是理論分析中慣用基本形狀。

因為上述種種原因，使溫度測量誤差作精密分析相當(dāng)困難，當(dāng)前只能對誤差分析做數(shù)量級預(yù)計，指出減小誤差基本路徑。從而對測量誤差，進行修正或采取對應(yīng)辦法，使其減小到允許范圍。二、用接觸式感溫元件測量溫度誤差（一）傳熱學(xué)方面原因（二）氣動力原因（三）被測溫度隨時間改變原因（四）化學(xué)原因10/10/溫度測量技術(shù)第43頁測量液體溫度困難普通要比測量氣體溫度小得多，這是因為：A、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數(shù)量級（如氣體強制對流換熱系數(shù)h，普通在20～100W/m2℃；而水強制對流換熱系數(shù)h，普通在1000-15000W/m2℃），使液體傳熱誤差與動態(tài)誤差遠不如氣體那么嚴(yán)重。影響固體壁面溫度測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，造成溫度場畸變，帶來測量誤差。本節(jié)主要是以熱電偶測量氣流溫度為分析對象。分析物理過程建立物理模型及建立對應(yīng)數(shù)學(xué)模型，由定性分析轉(zhuǎn)入定量計算，才能有效地找出減小、修正測溫誤差正確路徑。10/10/溫度測量技術(shù)第44頁4.4.2一維問題能量平衡方程1、接觸式溫度計物理模型建立和簡化將一對相同直徑，對焊、裸露熱偶絲置于氣流中，取熱偶絲軸線為x軸。因為偶絲直徑很小，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細長桿能量平衡物理模型10/10/溫度測量技術(shù)第45頁（一）單位時間經(jīng)過熱傳導(dǎo)流入微元體導(dǎo)熱量：（二）單位時間經(jīng)過對流傳入微元體熱量：（三）微元體輻射換熱熱量