綜合實驗一 機械工程中的溫度測量

綜合實驗一機械工程中的溫度測量在工業(yè)生產(chǎn)及實驗研究中，溫度常作為表征對象和過程狀態(tài)的重要參數(shù)之一。在機械制造業(yè)中，隨精密加工和數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展，對加工精度和精度穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。在精密加工中，熱變形引起的加工誤差竟占總誤差的40%—70%。對于高精度機床，離開了對溫度的嚴(yán)格控制，就根本沒有高精度可言。對于普通機床，在一般精度加工中，發(fā)熱現(xiàn)象也由于機床功率和轉(zhuǎn)速的大大提高而越來越嚴(yán)重。另外，切削過程中的切削熱現(xiàn)象也影響刀具的耐用度，限制了切削速度的提高，甚至影響加工質(zhì)量。因此，學(xué)習(xí)和了解溫度的測量與控制，具有極為重要的意義。1、 實驗?zāi)康难芯亢蜋z驗各種工作機械，傳動機械和動力機械工作時，通過構(gòu)建多點溫度測試系統(tǒng)，獲取其溫度場的形成變化特點。以期進(jìn)一步分析產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和制造質(zhì)量。運用學(xué)習(xí)的測試技術(shù)知識設(shè)計組建多點溫度測試系統(tǒng)；學(xué)習(xí)銅一康銅熱電偶的結(jié)構(gòu)及其原理，測量其靜特性、動特性曲線；學(xué)習(xí)傳感器在實際測試中應(yīng)用方法；學(xué)會組建合適的測試系統(tǒng)的一般方法；通過測試了解機床溫度場的形成，認(rèn)識機床熱態(tài)特性的重要意義。2、 實驗對象普通車床或其它運行機械設(shè)備作為實驗對象，通過對機床溫度場的測量，確定出機床熱態(tài)特性，分析其對機床運行的影響。3、 實驗設(shè)備銅一康銅熱電偶，水銀玻璃溫度計，半導(dǎo)體測溫傳感器等；溫度標(biāo)定裝置；多點轉(zhuǎn)換開關(guān)；電位差計；函數(shù)記錄儀；普通車床；相關(guān)低值易耗品。4、 實驗步驟4.1實驗準(zhǔn)備機床溫度場測試實驗方案設(shè)計；繪制實驗設(shè)備布置圖；實驗設(shè)備連線圖；熟悉實驗設(shè)備，重溫?zé)犭娕嫉脺y量原理和一般結(jié)構(gòu)，了解銅一康銅熱電偶的特點；撰寫實驗操作步驟說明；預(yù)測實驗中可能出現(xiàn)的問題及解決方法。4.2實驗操作制作銅一康銅熱電偶(可選)；重溫?zé)犭娕嫉娜齻€基本定律(均勻電路定律、中間金屬定律、中間溫度定律)。組建熱電偶靜特性測試系統(tǒng)，測量銅一康銅熱電偶的靜特性曲線。即其分度表。組建熱電偶的動特性測試系統(tǒng)，測量銅一康銅熱電偶的動特性曲線。理解其意義。合適選擇本實驗中機床的測點，清潔測點位置。對車床變速箱而言，箱體前后端面上的溫升情況較為重要，其溫度場情況較為復(fù)雜，在本實驗中處理從簡。在車床箱體上，使用銅一康鋼熱電偶合適布置測溫點，組建機床溫度場測量系統(tǒng)。在車床開車前須把布置好的各測點的原始工況下的溫度值測量并記錄下來。注意環(huán)境溫度變化。車床開車后前三次測量每10分鐘一次，以后每隔15分鐘進(jìn)行一次：并記錄測得的數(shù)據(jù)。在機床空載、高速運轉(zhuǎn)適度時間之時，即機床達(dá)熱平衡后停車，記錄停車前各點穩(wěn)定溫度值和穩(wěn)定溫升值。附注：根據(jù)《金屬切削機床通用技木條件》(JB2278-78)關(guān)于機床達(dá)熱平衡的定義即以機床主軸軸承達(dá)到穩(wěn)定溫度值為準(zhǔn)(即該點的溫升為每小時小于5°C)。定溫度值減去當(dāng)時室溫值即為穩(wěn)定溫度的溫升值。5、實驗報告說明熱電偶的測溫原理。敘述在實驗中要注意的問題有哪些？如在制作熱電偶時有哪些注意事項，在使用電位差計要注意的問題有哪些？。實驗中是如何組建熱電偶靜特性測試系統(tǒng)的，畫出電路圖并說明電路設(shè)計原理。整理試驗數(shù)據(jù)，畫出銅一康銅熱電偶的靜特性曲線，并進(jìn)行線性擬合，計算非線性度誤差和靈敏度，得出銅一康銅熱電偶的分度表。分析實驗中可能存在的誤差。在本實驗中，是如何采用熱電偶進(jìn)行溫度測量的？做出溫度關(guān)于時間的曲線圖，并說明溫度一時間曲線圖在實際當(dāng)中有些什么應(yīng)用？6實驗原理6.1常用溫度傳感器分類從理論上講，凡隨溫度變化，其物理性質(zhì)也發(fā)生變化的物質(zhì)皆能作為測溫傳感器。但是，要想測量獲得準(zhǔn)確的溫度值，則不是所有上述物質(zhì)都能適用。一般而言，用于測量溫度的敏感元件原則上應(yīng)該滿足下列要求：溫敏件的測溫特性應(yīng)該僅和溫度有關(guān)，測溫特性隨溫度變化的函數(shù)曲線應(yīng)呈線性特性，而且測溫特性的變化應(yīng)該明顯，即有較高的靈敏度。溫敏件在長期使用過程中，其測溫特性應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性。溫敏件應(yīng)該具有較寬的測溫范圍，即在不改變測溫特性的條件下，溫敏件能測量高、低溫的范圍越寬越好。實際上，完全滿足以上要求的溫敏件是不存在的。目前，溫度傳感器形式多樣，分類方式繁多。常用的溫度傳感器可以分類如圖9-3所示。溫度傳感器還可以分為接觸式和非接觸式兩大類。所謂接觸式就是傳感器直接與被測物體接觸，這是測溫的基本形式。這種形式是通過接觸方式把被測物體的熱能量傳送給溫敏傳感器，這就降低了被測物體的溫度。特別是被測物體較小，熱能量較弱時，不能正確地測得物體的真實溫度。因此，采用接觸方式時，測得物體真實溫度的前提條件是，被測物體的熱容量必須足夠大于溫度傳感器。非接觸方式是測量被測物體的輻射熱的一種方式，它可以測量遠(yuǎn)距離物體的溫度，這是接觸方式做不到的。但是要注意采用非接觸式溫度傳感器較難測量土l°C以下的溫度。.—"半-，靠摳-電阻|一「飛E式-一銅電一阻I溫度傳器TP-N溫度傳器TP-N結(jié)式：_I溫敏三-極萱!一1集成溫度傳.煎一遍敏閘遂糖1電式1―熱電偶|全幅射高溫計I［輻［射式;［輻［射式;一一光學(xué)高溫甘I

—堯瓦薪砒I石項溫度計一|超聲波jT兆鮮溫雨圖1溫度傳感器分類6.2熱電偶熱電偶是目前工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛的溫敏元件之一，一般用于測量500°C以上的溫度。普通熱電偶的測溫上限可達(dá)1300C,短時間使用測溫上限可達(dá)1600C,特殊材料制成的熱電偶可以測量2000C至2800C的高溫。熱電偶是一種發(fā)電型的溫敏元件，它將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢信號，配以測量電勢信號的儀表或變送器，便可以實現(xiàn)溫度的測量或溫度信號的變換。熱電偶之所以應(yīng)用廣泛是因為它有如下特點：精度高熱電偶的測溫精度可達(dá)0.1?0.2°C，僅次于熱電阻。由于熱電偶具有良好的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性；所以國際實用溫標(biāo)中規(guī)定熱電偶作為復(fù)現(xiàn)630.74?1064.43C范圍的標(biāo)準(zhǔn)儀表。結(jié)構(gòu)簡單熱電偶結(jié)構(gòu)簡單，制造極為方便。用途廣泛熱電偶的用途非常廣泛，除了用來測量各種流體的溫度外，還常用來測量固定表面的溫度。熱電偶的測溫范圍為-270C至2800C，熱電偶可直接反映平均溫度或溫差。動態(tài)特性好由于熱電偶的測量端可以制成很小的接點，響應(yīng)速度快，其時間常數(shù)可達(dá)毫秒級，甚至微秒級。(1)熱電現(xiàn)象將兩根性質(zhì)不同的金屬絲或合金絲A與B的一個端頭焊接在一起，就構(gòu)成了熱電偶，如圖1—4所示。A、B叫做熱偶絲，也叫熱電極。放置在被測介質(zhì)中的一端，即a端，也稱工作端，或稱測量端。熱電偶一般用于測量高溫，所以工作端一般置于高溫介質(zhì)中，因而a端也稱熱端；另外一端b則稱為參比端，也稱為自由端。通常用熱電偶測溫時，b端用來接測量儀表，其溫度t0通常是環(huán)境溫度，或某個恒定的溫度(如50C，0C)，它一般低于工作端溫度，所以常稱為冷端。如果把熱電偶的自由端焊接在一起。在熱電偶組成的閉合電路中，放置一個小磁針，如圖1—5所示。當(dāng)t=t0時，磁針不動，當(dāng)t尹t0時，磁針就發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)方向和熱電偶兩端溫度的高低及兩極的性質(zhì)有關(guān)。上述現(xiàn)象說明，當(dāng)熱電偶兩端溫度t尹t0時，回路中產(chǎn)生了電流，這電流稱為熱電流。其電勢稱為熱電勢。這種物理現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。當(dāng)自由端的溫度t0保持一定時，熱電勢的方向及大小僅與熱電極的材料和工作端的溫度有關(guān)，即熱電勢是工作端溫度t的函數(shù)。這即是熱電偶測溫的物理基礎(chǔ)。熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。①接觸電勢導(dǎo)體中都存在自由電子，材料不同，自由電子濃度不同。設(shè)導(dǎo)體A、B的自由電子濃度分別為n和n，設(shè)n>n，如圖1—6所示。 A B A B 圖4接觸電子示意圖當(dāng)兩導(dǎo)體接觸后，自由電子便從濃度高的一方向濃度低的一方擴散。結(jié)果界面附近導(dǎo)體A失去電子帶正電，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電而形成電位差，當(dāng)電子擴散達(dá)到動態(tài)平衡時。界面的電勢為：e=KTlnK (1-6)ABqnB式中：K——玻爾茨曼常數(shù) T 絕對溫度q 電子電荷由式(1-6)可以看出，當(dāng)A、B材料相同(即n=n)時，eAB=0。②溫差電勢 * '曷在一根金屬導(dǎo)體上，如果存在溫度梯度，也會產(chǎn)生電勢。因為溫度不同自由電子的運動速度不同。溫度梯度的存在必然形成自由電子運動速度的梯度，電子從速度大的區(qū)域向速度小的區(qū)域擴散，造成電子分布不均，形成電勢差，稱為溫差電勢。當(dāng)導(dǎo)體兩端溫度分別為t，t0時的溫差電勢：e=j'bdt (1-7)式(1-7)中：a為溫差系數(shù)，與材料性質(zhì)以及導(dǎo)體兩端的平均溫度有關(guān)。熱電偶基本定律從熱電現(xiàn)象的討論中知道，在圖1-7所示的熱電偶回路中，兩電極接觸處有接觸電勢e(t)和e(t),A導(dǎo)體和B導(dǎo)體的兩端之間有溫差電勢e(t,t)和B AB0 A0eB(t,t0)o如果t>t0，各電勢方向示于圖1—7。回路中的總電勢用符號EB回路中的總電勢用符號EB(t,t°)來表示。總電勢等于回路中各電勢的代數(shù)和?8(饑翊)圖5熱電偶的熱電勢TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"E (t,t )=e (t) +e (t,t )一e (t )一e (t,t )AB0AB B0AB0A0將式 e(t,t)=e(t)-e(t)\o"CurrentDocument"A0 A A0e(t,t)=e(t)一e(t)B0 B B0代人上式中，得E(t,t)=[e(t)+e(t)一e(t)]-[e(t)+e(t)一e(t)]AB0AB B A AB0B0A0\o"CurrentDocument"=F(t)-F(t) (1-8)AB AB0式中：FAB(t),FAB(t0)稱為分熱電勢。由于函數(shù)FAB的形式并不知道。所以熱電偶的熱電 勢的數(shù)值只能用實驗的方法來確定。由式(1-8)可以導(dǎo)出熱電偶的基本定律。均勻電路定律由單一的均勻金屬構(gòu)成的閉合同路，無論何種狀態(tài)加溫，也不會產(chǎn)生熱電勢。中間金屬定律用熱電偶測量溫度時，回路中總要接入儀表和連接導(dǎo)線?？梢宰C明，無論是將材料A或B斷開還是將冷端斷開，在斷開處插入測量儀表(即第三種材料C)或插人更多材料，只要插入材料的兩端溫度相同，則插入后對回路熱電勢沒有影響，如圖1-8。

③中間溫度定律任何兩種均勻材料構(gòu)成的熱電偶，熱端為匕，冷端為七時的熱電勢，等于此熱電偶熱端為t、冷端為t的熱電勢和同一熱電7禺熱端為tI、冷端為t的熱電勢1 3 3 2之代數(shù)和。E(t,t)=E(t,t)+E(t,t) (1-9)AB12AB13AB32一般情況下，熱電偶的分度表都是以冷端為0°C時作出的。在一般工程測試中，如果冷端不是攝氏零度，就需要利用中間溫度定律修正測量的結(jié)果，如圖1-9。熱電偶的種類和特性熱電偶通常分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩類。①標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指制造工藝比較成熟，應(yīng)用廣泛，能成批生產(chǎn)。性能優(yōu)良而穩(wěn)定，并已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化元件中的那些熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶具有統(tǒng)一的分度表，同一型號的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶具有互換性。1975年國際電工委員會(IEC)向世界各國推薦七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：伯銠10一伯熱電偶(S型熱電偶)這是貴金屬熱電偶，可用于測量高溫，長時間使用可達(dá)1300C，短時間使用可達(dá)1600C。它的物理、化學(xué)穩(wěn)定性好，能在氧化性氣氛中長期使用，但不能在還原性氣氛及含有金屬及非金屬蒸汽氣氛中使用，除非外面加保護(hù)套管。這種熱電偶的缺點是價格昂貴，熱電勢小，熱電勢率平均9〃V/C，故需配靈敏度高的顯示儀表。伯銠10一伯熱電偶的分度號原為LB一3,現(xiàn)為S，其誤差限及溫度范圍可參見表1-2。表1-2熱電偶的誤差限及溫度范圍允差等級123允差值（土）R，S型B型1C或[l十（t-1100）X0.003]C符合誤差限的溫度范圍0?1600C1.5C或0.25%t0?1600C600?1700C4C或0.5%t600?l700C允差值（土）K型E型J型1.5C或0.4%t符合誤差限的溫度范圍-40?l000C-40?800C-40?750C2.5C或0.75%t-40?l200C-40?900C-40?750C2.5C或1.5%t-200?40C-200?40C允差值（土）T型0.5C或0.4%t符合誤差限的溫度范圍-40?+350C1C或0.75%t-40?+350C1C或1.5%t-200?+40C注：表中t為被測溫度的絕對值。伯銠13--伯熱電偶（R型熱電偶）該熱電偶與S型熱電偶的特點相同；由于在正極伯銠合金中增加了銠的含量。它比S型熱電偶的性能更加穩(wěn)定，熱電勢也較大。伯銠30-伯銠6熱電偶（B型熱電偶）這也是貴金屬熱電偶，使用溫度比第一種更高，長期使用最高溫度可達(dá)1600°C，短期使用可達(dá)1800°C。該熱電偶與伯銠10一伯熱電偶相比，提高了抗氧化能力和機械強度，熱電特性更加穩(wěn)定，但產(chǎn)生的熱電勢更小。鎳銘一鎳硅（鎳鋁）熱電偶（K型熱電偶）這是一種應(yīng)用非常廣泛的廉價金屬熱電偶。長期使用的最高溫度可達(dá)900C，短期使用的最高溫度可達(dá)1200C。該熱電偶由于在熱電極中含有大量鎳，故在高溫下抗氧化能力及抗腐蝕能力都很強。該熱電偶的熱電勢率比S型熱電偶大4-5倍，而且熱電勢與溫度的關(guān)系近似直線。鎳銘一鎳鋁熱電偶與鎳銘一鎳硅熱電偶的熱電特性幾乎完全一樣，但鎳鋁合金在高溫下易氧化，穩(wěn)定性差，而鎳硅合金在抗氧化和熱電特性的穩(wěn)定性方面都比鎳鋁合金要強。因此，我國已基本上用鎳銘一鎳硅熱電偶取代了鎳銘一鎳鋁熱電偶。銅一康銅熱電偶（T型熱電偶）該熱電極材料均勻性好，熱電勢大，靈敏度高，線性好，在-200?+350°C范國內(nèi)，廉價金屬熱電偶中它的準(zhǔn)確度最高。由于銅熱電極易被氧化，故一般在氧化性氣氛中使用時不宜超過300C。在低于-200C以下使用時線性差，靈敏度迅速下降，所以一般都用在-200C以上。鎳銘一康銅熱電偶（E型熱電偶）鎳銘一康銅熱電偶的最大特點是在常用熱電偶中其熱電勢率最大，即靈敏度最高。在相同溫度下，其熱電勢比K型熱電偶幾乎高一倍。該熱電偶適宜在-250?870°C范圍內(nèi)的氧化或惰性氣氛中使用。為了和國際標(biāo)準(zhǔn)一致，鎳格一康銅熱電偶現(xiàn)已取代我國原標(biāo)準(zhǔn)化鎳銘一康銅熱電偶。鐵一康銅熱電偶(J型熱電偶)鐵一康銅熱電偶可用于氧化性和還原性氣氛中，在高溫下鐵熱電極易氧化，在具有氧化氣氛中使用溫度上限為750C，但在還原性氣氛中使用溫度可達(dá)950C。在低溫下，鐵電極易變脆，性能不如T型熱電偶。②非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指沒有統(tǒng)一分度表的熱電偶，雖然在使用范圍和數(shù)量上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，但在許多特殊工況下，如高溫、低溫、超低溫、高真空和有核輻射等，以及某些在線測試等，這些熱電偶具有某些特別良好的性能。鎢錸系熱電偶該類熱電偶是一種高溫?zé)犭娕?，長期使用的最高溫度達(dá)2800C，短時間使用可達(dá)3000C。該類熱電偶可用于干燥的氫氣、中性氣氛和真空中，不宜用于還原性氣氛、潮濕的氫氣及氧化性氣氛中。其常用溫度為300?2000C，分度精度為土t%，熱電勢與溫度關(guān)系幾乎呈線性，在溫度為2000C時，熱電勢接近30mV。銥銠系熱電偶該類熱電偶宜在真空和中性氣氛中，特別是在氧化氣氛中可測2000C的高溫?zé)犭娕?。鎳銘一金鐵熱電偶該熱電偶是一種理想的低溫?zé)犭娕?。在溫度?K時也能保持大于10〃V/C的熱電勢。自然熱電偶該類熱電偶系指“車刀一工件”熱電偶。主要用于車削溫度的在線測量。其熱電勢一溫度曲線基本呈線性關(guān)系。在800CX況時，其熱電勢可達(dá)十余毫伏。非金屬熱電偶該類熱電偶已有熱解石墨熱電偶等多種。其測溫精度可達(dá)土l?1.5%。在氧化性氣氛中可使用到1700C左右。熱電偶冷端處理如前所述，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢大小與熱電及材料和兩接點的溫度有關(guān)，而熱電偶分度表是以冷端等于0C為條件的，所以使用熱電偶測溫時，冷端若不是0C，測溫結(jié)果必然會有誤差。一般情況下，只有在實驗室工作才可以保證0C。而通常的工程測溫中，冷端溫度大都處在室溫或一個波動的溫度區(qū)，這時要測出實際的溫度，就必須采取修正或補償措施。①冰點法該種方法是把熱電偶的冷端直接放在恒為0°C的恒溫容器中，不需要考慮冷端溫度補償或修正。為了獲得0°C的溫度條件，需專門設(shè)置冰點容器。一般是將純凈的水與冰混合，在一個大氣壓力下冰水共存時，其溫度即為0C。冰點法是一種準(zhǔn)確度較高的冷端處理方法，但使用起來比較麻煩，需要保持冰水兩相共存，故僅適用于實驗室。工業(yè)生產(chǎn)過程和現(xiàn)場測溫使用極為不便。修正法在實際使用中，熱電偶冷端保持0C很不方便，但總可以保持在某一不變的溫度下，此時可以采用冷端溫度修正方法。根據(jù)中間溫度定律。有：E（T,T）=E（T,T）+E（T,T）AB0ABnABn0由上式可知，當(dāng)冷端溫度不是0C，而是Tn時，熱電偶輸出的熱電勢為E