测试技术课件温度测量温度测量流速测量

1、第五章 温度测量第一节 温标第二节 接触式温度计第三节 非接触式温度计第四节 气体温度计第五节 红外技术在温度测量中的应用 一、温标一、温标 度量温度高低的尺度，规定了温度的度量温度高低的尺度，规定了温度的零点零点和基本和基本测量单测量单位位。 热力学温标热力学温标、国际实用温标国际实用温标、摄氏温标摄氏温标和和华氏温标华氏温标。 u华氏温标：华氏温标：规定在标准大气压下冰的融点为规定在标准大气压下冰的融点为3232华氏华氏度，水的沸点为度，水的沸点为212212华氏度，中间等分为华氏度，中间等分为180180份份，每一，每一等份称为华氏一度，符号用等份称为华氏一度，符号用 。u摄氏温标：摄氏

2、温标：规定标准大气压下纯水的冰融点为规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，度，水沸点为水沸点为100度，中间等分为度，中间等分为100格格，每格为摄氏，每格为摄氏1度，度，符号为符号为。第一节第一节 概述概述 由卡诺循环，工质在温度由卡诺循环，工质在温度T T1 1时吸收热量时吸收热量Q Q1 1和在温度和在温度T T2 2时放出热量时放出热量Q Q2 2 通过理想气体的关系式表达通过理想气体的关系式表达u热力学温标：热力学温标： 符号符号T T，单位，单位开尔文开尔文(K)(K)。热力学温标。热力学温标T T与摄氏温标与摄氏温标t t的关系为的关系为 热力学温标是国际单位制中热力学温标是国际单

3、位制中7 7个基本物理单位之一。个基本物理单位之一。几种温标的对比几种温标的对比 正 常 体正 常 体温 为温 为 3 7 C C ，相，相当 于 华当 于 华氏 温 度氏 温 度多 少 度多 少 度（98.6）？）？ 热力学温标实用时不方便。热力学温标实用时不方便。 1990 1990年国际温年国际温标标(ITS-90)(ITS-90)指导思想是指导思想是应尽量与热力学温标接应尽量与热力学温标接近，温度的复现性要好近，温度的复现性要好。该温标有。该温标有1717个定义基个定义基准点。准点。u国际实用温标：国际实用温标： 二、温度计分类二、温度计分类 .接触式接触式.非接触式非接触式比较：比较

4、： 1) 1)接触式接触式容易破坏被测温度场容易破坏被测温度场。 2)2)接触式接触式时间滞后大时间滞后大。 3)3)接触式测量接触式测量高温时受到限制高温时受到限制。 4)4)非接触式非接触式不适合测量低温不适合测量低温。 5)5)接触式接触式测量精度高测量精度高。第二节 接触式温度计 一、膨胀式温度计一、膨胀式温度计 常用水银，常用水银，200200以下可作为以下可作为精密标准温度计精密标准温度计。 1-1-玻璃温包；玻璃温包； 2-2-毛毛细管；细管；3-3-刻度标尺；刻度标尺； 4-4-膨胀室膨胀室工作液体工作液体测温范围测温范围（）水银水银3030750750甲苯甲苯90901001

5、00乙醇乙醇1001007575石油醚石油醚1301302525戊烷戊烷2002002020 特点：特点：精度较高，读数直观，结构简单，价格便宜。精度较高，读数直观，结构简单，价格便宜。 缺点：缺点：信号不能远程传输，不能用于自动测量系统。信号不能远程传输，不能用于自动测量系统。 使用玻璃管液体温度计应注意使用玻璃管液体温度计应注意: : 1)1)零点漂移零点漂移: :玻璃的热胀冷缩。玻璃的热胀冷缩。 2)2)露出液柱的校正露出液柱的校正: : n n为露出部分液柱所占的度数为露出部分液柱所占的度数();();为工作液体在为工作液体在玻璃中的视膨胀系数；玻璃中的视膨胀系数；t tB B为为外露

6、部分空气温度外露部分空气温度(); t(); tA A为使用条件下外露部分空气温度为使用条件下外露部分空气温度()()。 全浸入式全浸入式在使用时未能全浸，式中在使用时未能全浸，式中t tB B为温度计测量为温度计测量时的示值。时的示值。 部分浸入式：部分浸入式：液柱只插入一定深度，外露部分处于液柱只插入一定深度，外露部分处于环境温度下，按下式修正环境温度下，按下式修正 1) 1)充气压力式充气压力式，常用氮气。测温范围为，常用氮气。测温范围为- -8080550 550 ，压力与温度接近线性关系。，压力与温度接近线性关系。 2)2)工质为工质为低沸点液体低沸点液体，如氯甲烷、氯乙烷等，测如氯

7、甲烷、氯乙烷等，测量范围量范围-20-20200 200 。饱。饱和蒸气压和饱和温度呈非和蒸气压和饱和温度呈非线性关系，刻度不均匀。线性关系，刻度不均匀。 3)3)工质为工质为液体液体，如水银、二甲苯、甲醇等。测温范，如水银、二甲苯、甲醇等。测温范围围-40-40200 200 。 使用时，使用时，必须将温包必须将温包全部浸入被测物质中全部浸入被测物质中。 结构简单，价格便宜，结构简单，价格便宜，抗振动抗振动。精度差，示值滞。精度差，示值滞后时间长，毛细管易损坏。后时间长，毛细管易损坏。 。 测量范围测量范围-60-60500 500 。 按结构形状，分按结构形状，分螺旋螺旋形形和和盘形盘形。

8、 二、热电阻温度计二、热电阻温度计 测量精度高，响应速度快，可以测量精度高，响应速度快，可以实现远距实现远距离测量显示和自动记录离测量显示和自动记录。 常用常用铂热铂热和和铜热铜热电阻。电阻。 铂热：铂热：-200-200500 500 ； 铜热：铜热：-30-30100 100 。WZC-111/12*1000mm Cu50铜铜热电阻热电阻 WZPK2-103/B级级6*515mm(0-300)铂铂热电阻热电阻WZP2-240/A级级3线线300/150mmE(0-300)隔爆隔爆 三、热电偶温度计三、热电偶温度计 ( (一一) )常用热电偶的材料常用热电偶的材料 贵金属贵金属。 特点：精度

9、高，理化性能稳定，测温特点：精度高，理化性能稳定，测温上限上限16001600，适于在氧化或中性气氛中使用。适于在氧化或中性气氛中使用。 缺点：在高温还原介质中容易被侵蚀和污染，热电缺点：在高温还原介质中容易被侵蚀和污染，热电动势较小，灵敏度低。动势较小，灵敏度低。 2.2.铂铑铂铑30-30-铂铑铂铑6 6热电偶热电偶 贵金属贵金属。 特点：测量精度高，测温特点：测量精度高，测温上限上限18001800，适于在氧化，适于在氧化或中性气氛中使用。或中性气氛中使用。 缺点：灵敏度较低、价格昂贵。缺点：灵敏度较低、价格昂贵。 3.3.镍铬镍铬- -镍硅热电偶镍硅热电偶 贱金属贱金属。 特点：价格低

10、廉，灵敏度较高，测温重复性好，高特点：价格低廉，灵敏度较高，测温重复性好，高温下抗氧化能力强，测温温下抗氧化能力强，测温上限可达上限可达13001300。 缺点：在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀。缺点：在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀。 4.4.铜铜- -康铜热电偶康铜热电偶 贱金属贱金属。测温范围。测温范围-200-200400400。 特点：价格低，精度高，灵敏度高。特点：价格低，精度高，灵敏度高。 5.5.镍铬镍铬- -康铜热电偶康铜热电偶 贱金属贱金属。测温上限。测温上限800 800 。 特点：特点：灵敏度最高，价格最便宜灵敏度最高，价格最便宜。 缺点：抗氧化及抗硫化物的能力

11、较差，适于在中缺点：抗氧化及抗硫化物的能力较差，适于在中性或还原性气氛中使用。性或还原性气氛中使用。 测量特高温度的测量特高温度的铱锗铱锗- -铱铱热电偶，热电偶，20002000以上。以上。 测量特低温度的测量特低温度的镍铬镍铬- -金铁金铁热电偶，热电偶，2 2273K273K。钢包温度测试钢包温度测试 ( (二二) )常用热电偶结构常用热电偶结构 保护保护在测量高温时用在测量高温时用金属套管金属套管；低于低于10001000时用时用工业陶瓷或氧化铝工业陶瓷或氧化铝。两个两个热电极热电极热电偶热电偶接点接点普通普通装配型装配型热电偶的外形热电偶的外形安装螺纹安装螺纹安装法兰安装法兰 单芯单

12、芯和和双芯双芯。热惯性小、。热惯性小、牢固、抗振。牢固、抗振。 适合适合微小、狭窄场合微小、狭窄场合。 缆式热电偶工作端结构缆式热电偶工作端结构(a)单芯结构；单芯结构；(b)双芯碰底型；双芯碰底型；(c)双芯不碰底型；双芯不碰底型；(d)双芯露头型；双芯露头型；(e)双芯帽型双芯帽型法兰法兰热电偶可长达上热电偶可长达上百米百米薄壁金属保护套管薄壁金属保护套管( (缆式缆式) ) 铠装热电偶示例铠装热电偶示例3.3.隔爆型热电偶隔爆型热电偶厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒电缆线电缆线 接线盒采用接线盒采用而成的而成的防爆防爆结构，当接线盒内有结构，当接线盒内有放放弧弧时，不会与外界

13、环境的危险气体传爆。用于化学工业时，不会与外界环境的危险气体传爆。用于化学工业自控系统自控系统( (等气体或蒸汽）。等气体或蒸汽）。 很薄可直接粘贴在被测物表面，很薄可直接粘贴在被测物表面，快速快速测表面温度。测表面温度。热电极为镍铬热电极为镍铬- -镍硅、铜镍硅、铜- -康铜等。温度范围康铜等。温度范围300300以下以下。 四、温度计的校验四、温度计的校验 ( (一一) )温度计的校验温度计的校验 将将标准温度计标准温度计( () )与与被校被校温度计温度计一起插入恒温源一起插入恒温源，在，在规定的几个温度规定的几个温度点点下进行比较。下进行比较。 工业热电阻温度计只校验工业热电阻温度计只

14、校验0 0时的时的R R0 0和和1O01O0时时R R100100，并检查，并检查R R100100/R/R0 0是否符合规定。是否符合规定。 校验校验R R100100/R/R0 0时，把标准热电阻温度计时，把标准热电阻温度计( () )的电阻作标准电阻；的电阻作标准电阻；被标被标定热电阻作为未知电阻定热电阻作为未知电阻，采用，采用半桥方式。半桥方式。 (R(R100100/R/R0 0) )B B为标准热电阻值为标准热电阻值( (由标准查得由标准查得);); A AK K为水沸点槽内时的电桥读数为水沸点槽内时的电桥读数; ; A A0 0为冰点槽内时电桥读数。为冰点槽内时电桥读数。 先在

15、先在冰点槽内放置冰点槽内放置30min30min进行电桥平衡进行电桥平衡，然，然后在水后在水沸点槽内放置沸点槽内放置30min30min再进行电桥平衡再进行电桥平衡。用。用下式计算下式计算R R100100/R/R0 0 ( (二二) )温度计的校验温度计的校验 标准铂铑标准铂铑10-10-铂热电偶进行三点铂热电偶进行三点( (金、银、锌金、银、锌凝固点温度凝固点温度) )分度；分度； 其余热电偶在下表温度点校验。其余热电偶在下表温度点校验。 调节电炉温度，稳定各校验点调节电炉温度，稳定各校验点1010内内，每个温度，每个温度点应至少测量点应至少测量4 4次。次。 五、接触式温度测量误差五、接

16、触式温度测量误差 ( (二二) )安装误差安装误差 感温元件应迎着被测介质的流向插入感温元件应迎着被测介质的流向插入( (图图a)a)，或迎着被测介质的流向斜插或迎着被测介质的流向斜插( (图图b)b)，至少正交，至少正交( (图图c)c)，避免形成顺流避免形成顺流。 不用保护管时，插入不用保护管时，插入深度深度不应小于热电偶丝不应小于热电偶丝直径的直径的5050倍倍; ; 测定液体时，插入深测定液体时，插入深度应是保护管直径的度应是保护管直径的9 91212倍倍; ; 在直径小的管道上安在直径小的管道上安装感温元件时，可装感温元件时，可装置装置扩大管扩大管。 a a 插入过浅，误差最大插入过

17、浅，误差最大; ;b b 可可测得真实温度测得真实温度； c c和和d d 介于两者之间。介于两者之间。：测量误差最大测量误差最大。 ：接点与金属薄片焊接后，与被测面接触。：接点与金属薄片焊接后，与被测面接触。 ：接点固定后沿被测表面等温线绝缘敷：接点固定后沿被测表面等温线绝缘敷设至少设至少2020倍线径的距离。倍线径的距离。测量误差最小。测量误差最小。 ：两热电极分别与被测表面接触。：两热电极分别与被测表面接触。 ( (三三) )辐射引起的误差辐射引起的误差 感温元件感温元件辐射传热产生的辐射传热产生的误差误差ttf f为为T Tk k感温元件的热力学温度；感温元件的热力学温度；T T0 0

18、容器内壁的热力学温度；容器内壁的热力学温度；C C辐射传热系数；辐射传热系数；hh气体向感温元件表面的传热系数。气体向感温元件表面的传热系数。u减少测量误差措施：减少测量误差措施： 采用表面光滑的保护套管采用表面光滑的保护套管，以减少辐射传热系数，以减少辐射传热系数C C； 改善对流传热条件，以增大气体向感温元件表面的改善对流传热条件，以增大气体向感温元件表面的传热系数传热系数h h。 当当T Tk kT T0 0时，时，ttf f0 0；故；故在感温元件周围应在感温元件周围应加一热容量小的薄防辐射隔离罩加一热容量小的薄防辐射隔离罩，以减小误差。，以减小误差。 ( (四四) )热传导引起的误差

19、热传导引起的误差 保护套管顶部热量会保护套管顶部热量会流向温度较低的管壁流向温度较低的管壁，存在热，存在热传导误差传导误差ttp pt t为被测介质温度为被测介质温度；t t0 0为保护套管座处的管壁温度为保护套管座处的管壁温度；L L为插入为插入深度深度；h h为被测介质向感温元件的为被测介质向感温元件的传热系数传热系数；为感温元件材料的为感温元件材料的热传导率热传导率；S S为感温元件为感温元件外周围外周围长长；f f为感温元件为感温元件截面积截面积；coshxcoshx为为x x的双曲余弦。的双曲余弦。 ( (五五) )高速气流的温度测量误差高速气流的温度测量误差 感温元件的感温元件的指

20、示值介于静温指示值介于静温T T0 0和总温和总温T T* *之间之间，称有，称有效温度效温度T Tr r ，定义恢复系数，定义恢复系数r r 因气流运动引起的温度测量误差为因气流运动引起的温度测量误差为 为气体的等墒指数为气体的等墒指数;Ma;Ma为气流的马赫数。为气流的马赫数。 恢复系数越低，马赫数越高恢复系数越低，马赫数越高，测温，测温误差越大误差越大。提高恢复系数提高恢复系数( (接近于接近于1)1)，可减小误差。，可减小误差。恢复系数的测定：恢复系数的测定： 1-1-稳压箱；稳压箱； 2-2-待测热电偶待测热电偶； 3-3-总温热电偶；总温热电偶； 4-4-总压管；总压管；5-5-压

21、力计；压力计； 6-6-冰瓶；冰瓶； 7-7-切换开关；切换开关； 8-8-电位差计；电位差计； 9-9-喷管喷管 ( (六六) )感温元件的响应感温元件的响应 接触式靠接触式靠测温，因测温，因热惯性热惯性而存在而存在时滞时滞 : : : :当当t=t= 时感温元件感受的温度时感温元件感受的温度T T为为 ：感温元件的质量、比：感温元件的质量、比热容、插入的表面积和表面传热系数等。感温热容、插入的表面积和表面传热系数等。感温元件的质量和比热容越小，响应越快。元件的质量和比热容越小，响应越快。 在测量瞬时温度时必须用时间常数小的感温在测量瞬时温度时必须用时间常数小的感温元件元件。其他一些温度测量

22、方法其他一些温度测量方法 示温涂料示温涂料( (变色涂料变色涂料) )装满热水后图案变得装满热水后图案变得清晰可辨清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇散热风扇低温时低温时显示蓝色显示蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色第三节 非接触式温度计 接触式温度计：接触式温度计：结构简单、可靠性好、测量精度高；结构简单、可靠性好、测量精度高；传感器须受被测介质腐蚀、氧化等作用传感器须受被测介质腐蚀、氧化等作用，且，且会破坏被会破坏被测温度场分布测温度场分布。 非接触式：非接触式：基于基于热辐射热辐射；不会破坏被测介质温度场，；不会破坏被测介质温度

23、场，动态响应好。动态响应好。适于适于非稳态非稳态热力过程测量、热力过程测量、高温测量高温测量。 红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准激光仅用于瞄准热辐射基本概念热辐射基本概念 低温低温时，物体辐射能量小，主要发射时，物体辐射能量小，主要发射红外线红外线。温度升高，辐射能量增加，辐射光谱向短波方温度升高，辐射能量增加，辐射光谱向短波方向移动。向移动。500500左右时，辐射光谱包括部分左右时，辐射光谱包括部分可见光可见光；800800 时可见光大大增加，即呈现时可见光大大增加，即呈现“红热红热”；30003000 时，辐射光谱包括更多的短波成分，时，辐射光谱包括更多的短波成分，

24、使得物体呈现使得物体呈现“白热白热”。观察灼热物体表面的观察灼热物体表面的“颜色颜色”来大致判断物体的温度。来大致判断物体的温度。辐射能的分配：辐射能的分配：n当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量性质，会发生部分能量吸收吸收、透射透射和和反射反射 RDAQQQQQQQQQQRDA1吸收率；吸收率； 透射率；透射率； 反射率。反射率。 QQ辐射能辐射能 单位焦耳单位焦耳(J)(J)物体分类：物体分类：u黑体（绝对黑体）黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能：照射到物体上的辐射能，既无反射也无透射。，既无反射也无透射。u透明体：透明体

25、：照射到物体上的辐射能照射到物体上的辐射能过过去，既无吸收又无反射。去，既无吸收又无反射。u镜体、白体：镜体、白体：照射到物体上的辐射能照射到物体上的辐射能出去。镜体出去。镜体若物体表现平整光滑，反射若物体表现平整光滑，反射；绝对白体；绝对白体若反射若反射。n在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的般固体和液体的透射率透射率值很小或等于零，气体的值很小或等于零，气体的值较大。一般工程材料，值较大。一般工程材料，0 0而而+ =1+ =1，称，称为为灰体。灰体。 n从传热学角度看，可以人为制造黑体从传热学角度看，可以人为制造黑体 一、

26、热辐射理论基础一、热辐射理论基础 由普朗克定律，绝对黑体的由普朗克定律，绝对黑体的单色辐射出射单色辐射出射度度M M0 0为为 c c1 1为普朗克第一辐射常量；为普朗克第一辐射常量；c c2 2普朗克第二辐普朗克第二辐射常量；射常量；为波长；为波长；T T为黑体的热力学温度。为黑体的热力学温度。当波长当波长确定后，只要测定相应波长的确定后，只要测定相应波长的M M0 0 值，值，便可求出温度便可求出温度T T。 温度升高，单色辐温度升高，单色辐射出射度增加、峰值射出射度增加、峰值向短波长方向移动。向短波长方向移动。 所有波长全部辐射出射度所有波长全部辐射出射度M M0 0的总和为的总和为 0

27、 0为斯忒藩为斯忒藩- -玻耳兹曼常数。玻耳兹曼常数。 上式为绝对黑体上式为绝对黑体全辐射全辐射定律。定律。 二、单色辐射式光学高温计二、单色辐射式光学高温计 利用亮度利用亮度比较测温：温度比较测温：温度高于高于700会发出可会发出可见光，其见光，其单色亮度单色亮度B0 与单色辐射出射度与单色辐射出射度M0 成成正比正比 代入维恩位移公式式，得代入维恩位移公式式，得 当当温度为温度为T Ts s黑体的亮度黑体的亮度B B 0与与温度为温度为T T实际物实际物体的亮度体的亮度B B 相等时，得相等时，得 T Ts s为被测物体亮为被测物体亮度温度，度温度，。 须根据须根据用上式修正用上式修正或根

28、据光学高温计或根据光学高温计修正。修正。 单色辐射式：单色辐射式：灯丝隐灭式灯丝隐灭式和和光电光电高温计。高温计。 1. 1.灯丝隐灭式光学高温计灯丝隐灭式光学高温计 精度高精度高，用，用作作基准仪器基准仪器。 可调电阻可调电阻7 7调整灯丝电流改变灯丝亮度。调整灯丝电流改变灯丝亮度。 调整目镜调整目镜4 4的位置以清晰地看到灯丝；的位置以清晰地看到灯丝；调整物调整物镜镜1 1使被测物体成像在灯丝平面上。使被测物体成像在灯丝平面上。若若灯丝亮度比被测物体的亮度低，灯丝亮度比被测物体的亮度低，则灯丝在则灯丝在背景上背景上呈现暗的弧线呈现暗的弧线( (图图a);a);反之，显现出反之，显现出亮的弧

29、线亮的弧线( (图图b);b);当当亮度相等亮度相等时，灯丝时，灯丝隐灭隐灭在物像的背景里在物像的背景里(c).(c). 2.2.光电高温计光电高温计 隐丝式易有隐丝式易有误差误差，且测量不连续，且测量不连续，无法自动记录无法自动记录。 采用采用光电器件光电器件作为敏感元件感受辐射的亮度变化。作为敏感元件感受辐射的亮度变化。被测物体辐射能量被测物体辐射能量物镜聚焦物镜聚焦遮光板孔遮光板孔滤光片滤光片光电器件光电器件。反馈灯反馈灯遮光板孔遮光板孔光电器件。遮光板前的光电器件。遮光板前的调制片调制片交替打开和遮住上、下两孔交替打开和遮住上、下两孔，使被测物体和反馈灯的，使被测物体和反馈灯的辐射能量

30、交替地投射到光电器件上。辐射能量交替地投射到光电器件上。 当两辐射能量不相等时，光电器件就产生一个当两辐射能量不相等时，光电器件就产生一个脉冲脉冲光电流光电流I I( (与两个与两个单色辐射能量之差成比例单色辐射能量之差成比例) )，当反馈灯，当反馈灯的亮度与被测物体的亮度相等时，的亮度与被测物体的亮度相等时，I I为零。为零。u主要特点：主要特点：采用光器件代替人眼的观察；采用光器件代替人眼的观察；可使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动可使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度；跟踪被测物体的辐射亮度；参考辐射源选用钨丝灯泡，能保持较高的稳定性，参考辐射源选用钨丝灯

31、泡，能保持较高的稳定性，故具有较高的精度和连续测量的特性；故具有较高的精度和连续测量的特性；设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度；设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度；采用新型光敏元件，测量范围宽采用新型光敏元件，测量范围宽(200(20016001600) )。 三、全辐射高温计三、全辐射高温计 根据绝对黑体全辐射定律，根据绝对黑体全辐射定律，基准温度基准温度T T1 1的黑体辐射的黑体辐射出射度出射度(M(M0 0) )1 1与与未知温度未知温度T Ts s的黑体辐射出射度的黑体辐射出射度M M0 0关系关系 温度为温度为 的物体全辐射出射度的物体全辐射出射度M M等于等于温度为温度为T Ts s的绝对的绝对黑体全辐射出射度黑体全辐射出射度M M0 0时，温度时，温度T Ts s为被测物体的辐射温度为被测物体的辐射温度发射率发射率 =M/M=M/M0 0 。41/sTT 所有波