建筑环境测试技术3

1、第第3 3章章 温度测量温度测量v授课课时授课课时：2学时学时v主要内容主要内容：膨胀式温度计、热电偶测温：膨胀式温度计、热电偶测温第第3 3章章: :温度测量温度测量3.1 3.1 温度测量概述温度测量概述3.2 3.2 膨胀式温度计膨胀式温度计3.3 3.3 热电偶测温热电偶测温3.1 3.1 温度测量概述温度测量概述温度是反映物体冷热状态的物理参数温度是反映物体冷热状态的物理参数l温度是与人类生活息息相关的物理量温度是与人类生活息息相关的物理量l在在20002000多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开多年前，就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度始使用温度传

2、感器检测温度l人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环人类社会中，工业、农业、商业、科研、国防、医学及环保等部门都与温度有着密切的关系保等部门都与温度有着密切的关系l工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半工业生产自动化流程，温度测量点要占全部测量点的一半左右左右 因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。因此，人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。 温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。在种类繁多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传多的传感器中，温度传感器是应用最广泛、发展最快的传感器之一。感器之一。

3、量：量： 测量是以确定量值为目的的一组操作，这种操作就是测量是以确定量值为目的的一组操作，这种操作就是测量中的比较过程测量中的比较过程将被测参数的量值与作为单位的标将被测参数的量值与作为单位的标准量进行比较，比出的倍数即为测量结果。准量进行比较，比出的倍数即为测量结果。2 2）误差公理：）误差公理： 在科学试验和工程实践中，由于客观条件的限制，以在科学试验和工程实践中，由于客观条件的限制，以及在测量工作中人的主观因素的影响，都会使测量结果与及在测量工作中人的主观因素的影响，都会使测量结果与实际值不同，也即测量误差客观存在于一切科学试验。实际值不同，也即测量误差客观存在于一切科学试验。 v生活中

4、常见的温度测量；生活中常见的温度测量；测量室温；测量室温；测量体温；测量体温；测量水温等测量水温等 v工业系统中常见的温度测量；工业系统中常见的温度测量；炼钢炉的温度；炼钢炉的温度；木材烘干等；木材烘干等；温度的基本概念温度的基本概念 热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。 分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈分子物理学：温度反映了物体内部分子无规则运动的剧烈程度程度 能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理能量：温度是描述系统不同自由度间能量分配状况的物理量。量。表示温度大小的尺度是温度的标尺，简称温标。表示温度大

5、小的尺度是温度的标尺，简称温标。u 热力学温标u 国际实用温标u摄氏温标u华氏温标1.1.热力学温标热力学温标 1919世纪开尔文总结出温度仅与热量有关，而与物世纪开尔文总结出温度仅与热量有关，而与物质无关的热力学温标，称开尔文温标，用符号质无关的热力学温标，称开尔文温标，用符号K K表示。表示。它是国际基本单位之一。它是国际基本单位之一。 根据热力学中的卡诺定理，如果在温度根据热力学中的卡诺定理，如果在温度T1T1的热源的热源与温度为与温度为T2T2的冷源之间实现了卡诺循环，则存在以下的冷源之间实现了卡诺循环，则存在以下关系式关系式 如果在式中规定一个条件，就可以通过卡诺循环如果在式中规定一

6、个条件，就可以通过卡诺循环中的传热量来完全的确定温标。中的传热量来完全的确定温标。19541954年，国际计量会年，国际计量会议选定水的三相点为议选定水的三相点为273.16273.16，并以它的，并以它的1/273.161/273.16定为定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即一度，这样热力学温标就完全确定了，即T=273.16(QT=273.16(Q1 1/Q/Q2 2) )。2.2.国际实用温标国际实用温标 国际实用温标国际实用温标International Practical International Practical Temperature Scale of1968(Tempe

7、rature Scale of1968(简称简称IPTS-68),IPTS-68),又称国又称国际温标。际温标。 国际温标国际温标IPTS-90IPTS-90同时定义国际开尔文温度（符号为同时定义国际开尔文温度（符号为T90T90）和国际摄氏温度（符号为）和国际摄氏温度（符号为t90t90）。）。1K1K定义为水定义为水三相点热力学温度的三相点热力学温度的1/273.16,1/273.16,水的三相点是指纯水水的三相点是指纯水在固态、液态及气态三相平衡时的温度，热力学温在固态、液态及气态三相平衡时的温度，热力学温标规定三相点温度为标规定三相点温度为273.16K273.16K，这是建立温标的唯

8、一，这是建立温标的唯一基准点。基准点。注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温注意：摄氏温度的分度值与开氏温度分度值相同，即温度间隔度间隔1K=11K=17 7。T T0 0是在标准大气压下冰的融化温度，是在标准大气压下冰的融化温度， T T0 0=273.15K=273.15K。水的三相点比冰点高出。水的三相点比冰点高出0.01K0.01K3.摄氏温标摄氏温标 工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压（即压（即101325Pa）下将水的冰点与沸点中间划分）下将水的冰点与沸点中间划分一百等分，每一等分称为摄氏一度（摄氏度，一百等分，每一

9、等分称为摄氏一度（摄氏度，），），一般用小写字母一般用小写字母t表示。表示。 与热力学温标单位开尔文并用。与热力学温标单位开尔文并用。 摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系：摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系： t=T-273.15 T=t+273.15k4.华氏温标华氏温标 目前用的已较少，它规定在标准大气压下冰的融点目前用的已较少，它规定在标准大气压下冰的融点为为32华氏度，水的沸点为华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为华氏度，中间等分为180份，每一等分称为华氏一度，符号用份，每一等分称为华氏一度，符号用 ，它和，它和摄氏温度的关系如下：摄氏温度的关系如下： m=1.8n+32

10、n=5/9(m-32) v温度系统的特殊问题温度系统的特殊问题 1.起始状态：温度传感器总是处在一定的环境状态中，起始状态：温度传感器总是处在一定的环境状态中，因此非工作状态下，温度传感器所处的环境温度就因此非工作状态下，温度传感器所处的环境温度就是温度测量系统的初始状态，环境温度总是变化的，是温度测量系统的初始状态，环境温度总是变化的，故系统的初始状态总是变化的。故系统的初始状态总是变化的。2.热惯量：物体的加热、冷却均需要用一定的时间。热惯量：物体的加热、冷却均需要用一定的时间。热容量越大，热惯量越大。热容量越大，热惯量越大。3.热阻：系统传热介质的传热能力。介质的热阻越大，热阻：系统传热

11、介质的传热能力。介质的热阻越大，传热能力越差，系统的热惯量也越大传热能力越差，系统的热惯量也越大4.零点校准与保持：温度值是相对零点而言的。故零零点校准与保持：温度值是相对零点而言的。故零点必须准确且要保持。点必须准确且要保持。由于温度系统的特殊问题对传感器有特殊要求由于温度系统的特殊问题对传感器有特殊要求v传感器的外壳和内部材料具有一定传感器的外壳和内部材料具有一定的热容和热阻的热容和热阻传感器具有一定的热惯量传感器具有一定的热惯量传感器与被测量达到热平衡需要一定的时传感器与被测量达到热平衡需要一定的时间间v传感器热惯量过大的危害传感器热惯量过大的危害不能迅速反映被测温度的变化不能迅速反映被

12、测温度的变化传感器吸热和放热会干扰被测系统的温度传感器吸热和放热会干扰被测系统的温度v温度传感器的热惯量要尽可能的小温度传感器的热惯量要尽可能的小体积要小，材料比热容要小；体积要小，材料比热容要小；使用导热良好的封装材料（热阻小）使用导热良好的封装材料（热阻小）温度传感器分类（1）分类特征传感器名称测温范围超高温用传感器 1500以上光学高温计、辐射传感器高温用传感器1000 1500光学高温计、辐射传感器、热电偶中温用传感器0 500低温用传感器-250 0晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计极低温用传感器 -270 -250 BaSrTiO3陶瓷温度传感器分类（2）分类特征传感器名称测温特性

13、线性型测温范围宽、输出小测温电阻器、晶体管、热电偶压力式温度计、玻璃制温度计等指数型函数测温范围窄、输出大热敏电阻开关型特性特定温度、输出大感温铁氧体、双金属温度计温度传感器分类（2）分类特征传感器名称测定精度温度标准用测定精度0.1 0.1铂测温电阻器、气体温度计、玻璃制温度计、光学温度计等绝对值测定用测定精度0.5 5热敏电阻、测温电阻器、热敏电阻、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、双金属温度计管理温度测定用相对值1 5v接触方式分类：接触方式分类：l接触式：传感器与被测物体直接接触接触式：传感器与被测物体直接接触l非接触式：传感器与被测物体不接触，而是利非接触式：传感器与被

14、测物体不接触，而是利用被测物体的热辐射或对流来测量温度遥感技用被测物体的热辐射或对流来测量温度遥感技术：从远离被测物的地方对被测物体及其状态术：从远离被测物的地方对被测物体及其状态进行非接触性探测的一门技术。进行非接触性探测的一门技术。 常用温度传感器常用温度传感器1.1.金属热电阻：利用金属材料对温度敏感的特性做成传感器、金属热电阻：利用金属材料对温度敏感的特性做成传感器、线性度好、性能稳定、可测温度范围宽线性度好、性能稳定、可测温度范围宽2.2.半导体热敏电阻：非线性，有正温度系数和负温度系数半导体热敏电阻：非线性，有正温度系数和负温度系数3.3.热电偶是一种常见的温度传感检测传感器，用于

15、感测温度，热电偶是一种常见的温度传感检测传感器，用于感测温度，工作原理是温度变化其两端电位大小不同工作原理是温度变化其两端电位大小不同4.4.集成温度传感器：将温敏元件及其外围电路集成在同一芯集成温度传感器：将温敏元件及其外围电路集成在同一芯片上，构成集测量、放大、电源供电电路于一体的高性能片上，构成集测量、放大、电源供电电路于一体的高性能传感器。传感器。n热电偶与热电阻的区别在于：热电偶与热电阻的区别在于：n第一，信号的性质，热电阻本身是电阻，温度的变化，第一，信号的性质，热电阻本身是电阻，温度的变化，使电阻产生正的或者负的阻值变化；热电偶是产生感使电阻产生正的或者负的阻值变化；热电偶是产生

16、感应电压的变化，它随温度的改变而改变应电压的变化，它随温度的改变而改变n第二，两种传感器检测的温度范围不一样，热阻一般第二，两种传感器检测的温度范围不一样，热阻一般检测检测0 0150150度温度范围（当然可以检测负温度），热度温度范围（当然可以检测负温度），热电偶可检测电偶可检测0 010001000度温度范围（甚至更高），所以，度温度范围（甚至更高），所以，前者是低温检测，后者是高温检测。前者是低温检测，后者是高温检测。n第三，从材料上分，热阻是一种金属材料，具有温度第三，从材料上分，热阻是一种金属材料，具有温度敏感变化的金属材料，而热电偶是双金属材料，既两敏感变化的金属材料，而热电偶是双

17、金属材料，既两种不同的金属，由于温度的变化，在两个不同的金属种不同的金属，由于温度的变化，在两个不同的金属端产生电势差。端产生电势差。3.2 3.2 膨胀式温度计膨胀式温度计 液体膨胀式温度计利用物体受热膨胀的液体膨胀式温度计利用物体受热膨胀的原理制成的温度计原理制成的温度计 液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计 压力式温度计压力式温度计液体膨胀式温度计v测温原理测温原理 利用液体体积随温度升高而利用液体体积随温度升高而膨胀的原理膨胀的原理v玻璃管液体温度计的主要特点：玻璃管液体温度计的主要特点： 优点：直观、测量准确、结构简单、造价低廉优点：直观、测量准确、结构

18、简单、造价低廉 缺点：不能自动记录、远传，易碎，延迟缺点：不能自动记录、远传，易碎，延迟v玻璃管液体温度计的分类：玻璃管液体温度计的分类： 标准温度计：精密测量和校准其他温度计标准温度计：精密测量和校准其他温度计 实验用温度计：实验室测量实验用温度计：实验室测量 工业用温度计：工业测量，准确度较低工业用温度计：工业测量，准确度较低 电接点温度计：温度控制用电接点温度计：温度控制用v玻璃管温度计测温误差分析：玻璃管温度计测温误差分析： 零点漂移引起的误差零点漂移引起的误差 温度计插入深度不够引起的误差温度计插入深度不够引起的误差 非线性误差非线性误差 工作液的迟滞误差工作液的迟滞误差 读数误差读

19、数误差 温度计插入深度不够引起的误差温度计插入深度不够引起的误差v例题例题1：某一测量蒸汽管道中蒸汽温度的水银温度计指示：某一测量蒸汽管道中蒸汽温度的水银温度计指示值为值为280，温度计插入处的刻度是，温度计插入处的刻度是60 ，液柱露出部，液柱露出部分的环境平均温度为分的环境平均温度为30 ，试求蒸汽的真实温度。，试求蒸汽的真实温度。v t=tm+t=280+n(t-ta) =280+(280-60) 0.00016 (280-30) =288.8 结论：因插入深度不足引起的测量误差十分惊人，如不结论：因插入深度不足引起的测量误差十分惊人，如不 修正就不能得到真实的测量值。修正就不能得到真实

20、的测量值。压力式温度计压力式温度计v工作原理：利用密闭工作原理：利用密闭容器内工作介质随温容器内工作介质随温度升高而压力升高的度升高而压力升高的性质性质v压力式温度计通过对压力式温度计通过对工作介质的压力测量工作介质的压力测量来判断温度值的一种来判断温度值的一种机械式仪表机械式仪表3.3 3.3 热电偶测温热电偶测温v热电温度计是以热电偶热电温度计是以热电偶作为测温元件，用热电作为测温元件，用热电偶测得与温度相应的热偶测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出电动势，由仪表显示出温度的一种温度计。温度的一种温度计。v工作原理：基于工作原理：基于1821年年Seebeck发现的热电现发现的热电现象。

21、象。v热电偶是通过测量热电动势来测温热电偶是通过测量热电动势来测温v电动势由接触电动势与温差电动势组成电动势由接触电动势与温差电动势组成接触电动势：导体内部自由电子扩散现象接触电动势：导体内部自由电子扩散现象 （不同导体材料，密度不同）（不同导体材料，密度不同）温差电动势：导体内高温端电子向低温端迁移温差电动势：导体内高温端电子向低温端迁移 （导体两端温度不同，温度梯度）（导体两端温度不同，温度梯度）闭合回路的总电动势：接触电动势闭合回路的总电动势：接触电动势+温差电动势温差电动势热电偶的应用定则热电偶的应用定则v均质导体定则：由同一种均质导体组成的闭合回路，均质导体定则：由同一种均质导体组成

22、的闭合回路，不论截面、长度、及温度分布均不产生热电势不论截面、长度、及温度分布均不产生热电势v中间导体定则：在热电偶回路中接入第三种导体，中间导体定则：在热电偶回路中接入第三种导体，只要与第三种导体相连接的两端温度相同，接入第只要与第三种导体相连接的两端温度相同，接入第三种导体后，对热电偶回路中总电势没有影响三种导体后，对热电偶回路中总电势没有影响v中间温度定则：热电偶在两接点温度为中间温度定则：热电偶在两接点温度为T、T0时热时热电势等于该热电偶在两接点温度分别为电势等于该热电偶在两接点温度分别为T，TN，TN，T0时相应热电势的代数和，即：时相应热电势的代数和，即：铠装热电偶铠装热电偶薄膜

23、式热电偶薄膜式热电偶热电偶分类热电偶分类热电偶测温系统热电偶测温系统v热电偶测温系统是由热电偶、补偿导线、热电偶测温系统是由热电偶、补偿导线、测量仪表及相应的电路构成。测量仪表及相应的电路构成。v热电偶参考端的温度处理热电偶参考端的温度处理 固定冷端温度时，热电偶的输出电势才是热端温度的单值固定冷端温度时，热电偶的输出电势才是热端温度的单值 函数，冷端温度一般保持在函数，冷端温度一般保持在0，若不能维持在，若不能维持在0，输出的，输出的电势值产生误差，故需要处理电势值产生误差，故需要处理 补偿导线法补偿导线法(根据中间导体定则根据中间导体定则) 计算修正法计算修正法 冷端恒温法冷端恒温法 补偿电桥法补