建筑环境测试技术 第3章 温度测量

1、1第四章第四章 湿度湿度测量测量第五章第五章 压力压力测量测量 第六章第六章 物位物位测量测量第三章第三章 温度温度测量测量第七章第七章 流速及流量流速及流量测量测量第八章第八章 热量热量测量测量第九章第九章 建筑环境建筑环境测量测量第十章第十章 其它参数其它参数的测量的测量第十一章第十一章 电动显示仪表电动显示仪表23.1 温度测量概述温度测量概述3.2 膨胀式温度计膨胀式温度计3.3 热电偶测温热电偶测温3.4 热电阻测温热电阻测温3.5 接触式测温接触式测温3.6 非接触式测温非接触式测温3.7 集成型传感器测温集成型传感器测温33.1 温度测量概述温度测量概述3.1.1 温标温标 用来

2、衡量温度的标准尺度。确定温度的单位。用来衡量温度的标准尺度。确定温度的单位。1、经验温标、经验温标2、热力学温标、热力学温标3、国际温标、国际温标华氏温标华氏温标摄氏温标摄氏温标4l1714年，德国人法伦海脱年，德国人法伦海脱(Fahrenheit)以水银为以水银为测温介质，制成玻璃棒水银温度计。测温介质，制成玻璃棒水银温度计。l规定水的沸点为规定水的沸点为212度，氯化铵与冰的混合物为度，氯化铵与冰的混合物为0度。中间等分为度。中间等分为212份，每一份为份，每一份为1度记作度记作。称为华氏温标。称为华氏温标。v水银体膨胀是线性的；水银体膨胀是线性的；v标准大气压下纯水的冰点是标准大气压下纯

3、水的冰点是0 ，沸点为，沸点为100 。v将水银柱在这两点之间等分为将水银柱在这两点之间等分为100格，每一格为格，每一格为1。5l经验温标具有局限性和随意性，经验温标具有局限性和随意性，不能适用于任何地区或场合。不能适用于任何地区或场合。l开尔文定律（开尔文定律（1848年）：在可逆年）：在可逆条件下，工作于两个热源之间的条件下，工作于两个热源之间的卡诺热机与两个热源的关系：卡诺热机与两个热源的关系：T0T1卡诺热机Q0Q1Q1：卡诺热机从高温热源：卡诺热机从高温热源T1吸收的热量吸收的热量Q0：卡诺热机向低温热源：卡诺热机向低温热源T0放出的热量放出的热量Q1/Q0 =T1/T00011T

4、/Q Q Tl1954年，国际计量会议选定水的三相点为年，国际计量会议选定水的三相点为273.16，并以，并以1/273.16定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即：定为一度，这样热力学温标就完全确定了，即：T=273.16(Q1/Q2) 6p 热力学温标是一种理想温标。热力学温标是一种理想温标。p 为了实用方便，国际温标同时使用国际开尔文温度（为了实用方便，国际温标同时使用国际开尔文温度（K）和国际摄氏温度（和国际摄氏温度（ ）。）。p 规定水的三相点温度为规定水的三相点温度为273.16，单位为，单位为K。 1K的大小为水的大小为水的三相点热力学温度的的三相点热力学温度的1/273.16

5、。p 由于摄氏温标将冰点定义为由于摄氏温标将冰点定义为0，而冰点比水的三相点低，而冰点比水的三相点低0.01K，那么冰点温度为，那么冰点温度为273.15K，即，即 15.2739090 Tt7p 温度计温度计p 固定点：给定的温度值。固定点：给定的温度值。 华氏温标：规定水的沸点为华氏温标：规定水的沸点为212度，氯化铵与度，氯化铵与冰的混合物为冰的混合物为0度。度。摄氏温标：摄氏温标：标准大气压下纯水的冰点是标准大气压下纯水的冰点是0度，度，沸点为沸点为100度。度。 热力学温标：选定水的三相点为热力学温标：选定水的三相点为273.16K。p 内插内插方程：确定各点温度间的计算公式。方程：

6、确定各点温度间的计算公式。 华氏温标：华氏温标：0-212度等分为度等分为212份，每一份为份，每一份为1。摄氏温标：摄氏温标：标准大气压下纯水的冰点是标准大气压下纯水的冰点是0，沸点为，沸点为100。0-100度度等分为等分为100分，每一份为分，每一份为1。 热力学温标：热力学温标：以以1/273.16定为定为1K。8液体膨胀式压力式固体膨胀式膨胀式温度计测温热电偶测温热电阻测温接触法非接触法测温方法9接触式测温与非接触式测温接触式测温与非接触式测温接触式接触式非接触式非接触式特点特点1、测量热容量小、移动物体测温有困难2、可测量物体的任何部位3、便于多点集中测量和自动控制1、不改变被测物

7、体的温度2、可测量移动物体3、通常测量表面温度测量条件测量条件1、测量元件与被测对象良好接触。2、接触测量元件不能改变被测对象的温度 由被测对象发出的辐射能充分照射到检测元件。因此需要获知被测对象的有效发射率。测量范围测量范围容易测量1000以下的温度，测量1200以上的温度有困难可测量-30以上的温度准确度准确度0.5%-1%。根据测量条件，可达到0.01%一般误差较大响应速度响应速度1-2min2-3s10原理：物体受热膨胀。原理：物体受热膨胀。液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计压力式温度计压力式温度计固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计113.2.1 液体膨胀式液体膨胀式温度计温度计l原理：玻

8、璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀。原理：玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀。l优点：直观、测量准确、结构简单、造价低廉。优点：直观、测量准确、结构简单、造价低廉。l缺点：不能自动记录、不能远传、易碎、延迟。缺点：不能自动记录、不能远传、易碎、延迟。41- 水银储存器水银储存器 2-毛细管毛细管3-标尺标尺 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-30750或更高甲苯-90100乙醇-10075石油醚-13025戊烷-20020l玻璃材料：玻璃材料：300以上，使用特殊的硅以上，使用特殊的硅硼玻璃；硼玻璃；500以上，使用石英玻璃。以上，使用石英玻璃。12玻璃棒温度计玻

9、璃棒温度计13（1）玻璃材料有较大的热滞后效应）玻璃材料有较大的热滞后效应造成零点漂移。造成零点漂移。)(attnt（2）温度计插入深度不够。若只有部分液柱被）温度计插入深度不够。若只有部分液柱被浸没时，应对指示值进行修正：浸没时，应对指示值进行修正：其中：其中：n露出液体部分所占的刻度数（露出液体部分所占的刻度数（） 工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（1/ ，汞汞0.00016，酒精，酒精0.000103）t温度计的示值温度计的示值（）ta露出液柱部分所处的环境温度露出液柱部分所处的环境温度（）ttt指14（3）非线性误差非线性误差：水银随着温度变化，体积膨胀看

10、成完全的：水银随着温度变化，体积膨胀看成完全的线性关系。事实并非完全如此，存在一定的非线性度。线性关系。事实并非完全如此，存在一定的非线性度。（4）工作液的迟滞性工作液的迟滞性：水银与玻璃管壁面之间的表面吸附力：水银与玻璃管壁面之间的表面吸附力，造成水银流动的迟滞性，甚至出现液柱中断的情况，造成水银流动的迟滞性，甚至出现液柱中断的情况温度温度计与被测介质应接触足够长的时间；轻弹温度计。计与被测介质应接触足够长的时间；轻弹温度计。（5）读数误差读数误差：视线与刻度不垂直：视线与刻度不垂直视线应与刻度垂直，视线应与刻度垂直，并与液柱处于同一水平面上。并与液柱处于同一水平面上。例：使用水银温度计测量

11、蒸汽温度。温度计的指示值为例：使用水银温度计测量蒸汽温度。温度计的指示值为280。温度计插入处的刻度是温度计插入处的刻度是60，液柱漏出部分的环境平均温度为，液柱漏出部分的环境平均温度为30。求真实温度。求真实温度。8 .28830-28000016. 060-280280）（）（)(280attnttt指15p原理：原理：密封系统中工作介质的压力随密封系统中工作介质的压力随温度变化。温度变化。p工作过程：工作过程：l弹簧管弹簧管4一端焊接在基座一端焊接在基座3上，内腔与毛细上，内腔与毛细管管2相通，另一端封死，为自由端。相通，另一端封死，为自由端。l温度变化时，弹簧管温度变化时，弹簧管4内的

12、压力发生变化，内的压力发生变化，带动自由端变化。带动自由端变化。l自由端通过拉杆、齿轮传动机构与指针相自由端通过拉杆、齿轮传动机构与指针相连，指针的转角在刻度盘上指示出温度。连，指针的转角在刻度盘上指示出温度。弹簧管温包毛细管基座自由端指针p工作距离不超过工作距离不超过60m，温度范围，温度范围 -50550。p特点：抗振性能好。动态性能差、示值滞后较大，不能测量特点：抗振性能好。动态性能差、示值滞后较大，不能测量迅速变化的温度。迅速变化的温度。16p原理原理：将两种具有不同线膨胀系：将两种具有不同线膨胀系数的金属片焊成一体，构成双金数的金属片焊成一体，构成双金属片温度计。属片温度计。p工作过

13、程：工作过程：l双金属片的一端固定，另一端为自双金属片的一端固定，另一端为自由端。由端。l温度变化时，由于两种金属线膨胀温度变化时，由于两种金属线膨胀系数不同，双金属片发生弯曲变形。系数不同，双金属片发生弯曲变形。l弯曲的偏转角弯曲的偏转角反映了被测温度值。反映了被测温度值。)(3600ttLKp特点：结构简单、可靠；测量精度不高。特点：结构简单、可靠；测量精度不高。K：比弯曲：比弯曲(-1 )L：双金属片的有效长度：双金属片的有效长度(mm)：双金属片总厚度双金属片总厚度(mm)t,t0：被测温度和起始温度：被测温度和起始温度()17p热电偶温度计：以热电偶作为测温元件，用热电偶测得与温热电

14、偶温度计：以热电偶作为测温元件，用热电偶测得与温度相应的热电动势，由仪表显示出温度。度相应的热电动势，由仪表显示出温度。p工作原理：基于工作原理：基于1821年塞贝克年塞贝克(Seebeck)发现的热电现象。发现的热电现象。l两种不同的导体两种不同的导体A、B连接在一起，构成一个连接在一起，构成一个闭合回路。闭合回路。l当两个接点当两个接点1和和2的温度的温度不同时，如不同时，如TT0，在，在回路中就会产生电动势回路中就会产生电动势EAB热电效应。热电效应。l导体导体A、B称为称为热电极热电极。l测量时，接点测量时，接点1置于待测温度场中，称为被置于待测温度场中，称为被测量端测量端。接点。接点

15、2要要求温度恒定，称为求温度恒定，称为参考端参考端。热电极热电极测量端测量端参考端参考端18电动势：接触电动势电动势：接触电动势 + 温差电动势温差电动势一一一一一一一一一一一一一一一一一一+-电子密度大电子密度小接触电动势 AB1、接触电动势、接触电动势p导体内部的电子密度是不同的。当两种电子密度不同的导体导体内部的电子密度是不同的。当两种电子密度不同的导体A和和B互相接触时，就会发生自由电子电子扩散现象。互相接触时，就会发生自由电子电子扩散现象。p自由电子从电子密度高的导体自由电子从电子密度高的导体A流向电子密度低的物体流向电子密度低的物体B。p导体导体A因为失去电子，带因为失去电子，带正

16、电。导体正电。导体B因为得到电因为得到电子，带负电。形成电位差。子，带负电。形成电位差。p帕尔贴电势：接触电动势帕尔贴电势：接触电动势BTATABNNekTTEln/)(K玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；e电荷单位；电荷单位；NAT、NBT温度为温度为T时，时，A和和B的电子密度；的电子密度；T接触处的温度接触处的温度1900ln/)(00BTATABNNekTTEBTATABNNekTTEln/)(接触电动势：接触电动势：00ln/-ln/)(-)(00BTATBTATABABNNekTNNekTTETE注：注：p脚标脚标A、B的顺序代表电位差的方向。如果改变脚标顺序，的顺序代表电位差的方向。如

17、果改变脚标顺序，E前面的符号也相应改变。前面的符号也相应改变。p接触电动势的大小只与接触点的温度、导体接触电动势的大小只与接触点的温度、导体A和和B的电子密的电子密度度N有关。有关。20电动势：接触电动势电动势：接触电动势 + 温差电动势温差电动势2、温差电动势、温差电动势p由于导体两端温度不同而产生的电势。由于导体两端温度不同而产生的电势。p由于温度梯度，改变了电子的能量分由于温度梯度，改变了电子的能量分布。高温端布。高温端(T)电子向低温端电子向低温端(T0)迁移。迁移。使得高温端带正电，低温端带负电。使得高温端带正电，低温端带负电。p导体导体A、B分别产生的温差电动势为：分别产生的温差电

18、动势为：NAt、NBtA和和B在温度为在温度为t时的电子密度。时的电子密度。一 一一+-高温低温温差电动势汤姆逊温差电势TTAtAtAtNdNekTTE0)(1),(0)(1),(00tNdNekTTEBtTTBtB21热电偶回路中总热电势热电偶回路中总热电势= 接触电动势接触电动势 + 温差电动势温差电动势 ),(-),()(-)(),(0000TTETTETETETTEABABABABA与与B相接触产生的相接触产生的接触电动势接触电动势B的温差产的温差产生的温差电生的温差电动势动势A的温差产的温差产生的温差电生的温差电动势动势减号：在任何温度下，如果减号：在任何温度下，如果A的电子密度高于

19、的电子密度高于B，电子都是从，电子都是从A流向流向B，A总是正电，总是正电，B总是总是负电。负电。EAB的方向都是的方向都是AB，在整个循环回路，在整个循环回路中，是两个相反的方向。所以需要用减号。中，是两个相反的方向。所以需要用减号。测量端测量端参考端参考端课本图课本图错误！错误！EB的方向与的方向与EAB一致，而一致，而EA的方向与的方向与EAB相反。相反。22p任意两种不同性质的导体材任意两种不同性质的导体材料都可制成热电偶。料都可制成热电偶。p对于两种材料对于两种材料A和和B，热电，热电偶所产生的电动势，仅与偶所产生的电动势，仅与T和和T0有关，与有关，与A和和B的形状的形状与尺寸无关

20、。与尺寸无关。p热电偶的参考端温度热电偶的参考端温度T0必须必须保持恒定。一般保持在保持恒定。一般保持在0。23 1、均质导体定律、均质导体定律 由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭合回路中，由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭合回路中， 不论导体的截面、长度以及温度分布如何，均不产生热电势。不论导体的截面、长度以及温度分布如何，均不产生热电势。),(),(00TTETTEABCABA、B必须为不同的导体材料必须为不同的导体材料 2、中间导体定则、中间导体定则 在热电偶回路中在热电偶回路中接入第三种导体接入第三种导体C，只，只要要A、B与与C相连接的两端温度相同，则相连接的两端温度

21、相同，则不会对热电偶不会对热电偶回路的总电势造成影响。回路的总电势造成影响。243、中间温度定则、中间温度定则 热电偶在两接点热电偶在两接点温度为温度为T、T0时的热电势等于该热电偶在两时的热电势等于该热电偶在两接点温度分别为接点温度分别为T、TN和和TN、T0时相应热电势时相应热电势的代数和。的代数和。),(),(),(00TTETTETTENABNABAB意义：意义：如果实际应用中，如果实际应用中，T0的温度不是的温度不是0而是某一个中间温度而是某一个中间温度TN，则，则仪表显示的电动势仪表显示的电动势EAB(T,TN)，通过查，通过查分度表分度表获得获得EAB(TN,0)，就可以，就可以

22、通过上式计算通过上式计算EAB(T,0)。25p热电偶分度表中冷端温度为热电偶分度表中冷端温度为0。在实际测量中，若热电偶。在实际测量中，若热电偶的冷端温度为的冷端温度为20，则可应用中间温度定律进行计算。，则可应用中间温度定律进行计算。)0 ,20()20,()0 ,(ABABABETETEmV781. 0113. 0668. 0)0 ,20()20,()0 ,(EtEtE举例：用铂铑举例：用铂铑10铂热电偶测温，冷端温度为铂热电偶测温，冷端温度为20，输出电，输出电势为势为0.668mV，试求被测对象的温度。，试求被测对象的温度。再查表得被测温度为再查表得被测温度为122。（附录（附录3只

23、是分度表的整数只是分度表的整数部分数据）部分数据）查表查表26按照结构分类：铠装热电偶、薄膜式热电偶按照结构分类：铠装热电偶、薄膜式热电偶1、铠装热电偶、铠装热电偶p“铠装铠装”：在产品的最外面加装一层：在产品的最外面加装一层金属保护，以免内部的有效层在运输金属保护，以免内部的有效层在运输和安装时受到损坏，例如铠装电和安装时受到损坏，例如铠装电缆缆p热电极热电极4：直径由材料的价格、机械强：直径由材料的价格、机械强度、导电率、用途、测温范围决定。度、导电率、用途、测温范围决定。热电极热电极绝缘套管绝缘套管保护套管保护套管接线盒接线盒热电极热电极271、铠装热电偶、铠装热电偶282、薄膜式热电偶

24、、薄膜式热电偶p采用真空蒸镀或者化学涂层等制造工艺，将两种热电极材料采用真空蒸镀或者化学涂层等制造工艺，将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶。蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶。p热极点非常薄，约热极点非常薄，约0.010.1微米。微米。p适用于表面温度的快速测量，适用于表面温度的快速测量，响应时间约为数毫秒。响应时间约为数毫秒。p测温范围在测温范围在300以下。以下。引出线引出线热电极热电极热极点热极点绝缘基板绝缘基板291、标准化热电偶、标准化热电偶：工艺成熟、成批生产、性能优良且已列入工工艺成熟、成批生产、性能优良且已列入工业标准文件中的热电偶，具有统一的分度表（附录业标准

25、文件中的热电偶，具有统一的分度表（附录3）。）。国际电工委员会（国际电工委员会（ICE）推荐了）推荐了7种标准化热电偶：种标准化热电偶：标准化热电偶、非标准化热电偶标准化热电偶、非标准化热电偶分度号分度号名称名称特点特点廉金属热电偶T铜-康铜准确度高K镍铬-镍铝或镍硅测温范围最宽E镍铬-康铜灵敏度高J铁-康铜最通用贵金属热电偶S铂铑10-铂准确度等级最高R铂铑13-铂仅引进，不大量生产B铂铑30-铂铑16稳定性高，灵敏度低301、热电偶参考端温度的处理、热电偶参考端温度的处理（1）补偿导线法）补偿导线法（2）计算修正法）计算修正法（3）冷端恒温法）冷端恒温法（4）补偿电桥法）补偿电桥法2、热电

26、偶的校准和误差、热电偶的校准和误差（1）热电偶的校准）热电偶的校准（2）热电偶测温误差）热电偶测温误差31p在热电偶的分度表中，冷端温度在热电偶的分度表中，冷端温度T0保持在保持在0。p实际使用时，由于现场条件的限制，冷端温度无法维持在实际使用时，由于现场条件的限制，冷端温度无法维持在0，使得热电偶输出的电势值产生误差。，使得热电偶输出的电势值产生误差。p因此，需要对热电偶的冷端温度进行处理。因此，需要对热电偶的冷端温度进行处理。（1）补偿导线法）补偿导线法原理原理：A、B为补偿导线，其热电性能分别与为补偿导线，其热电性能分别与A、B基本相同。基本相同。热电偶的冷端从热电偶的冷端从T0处移到处

27、移到T0处。处。mVTT0 T0 T0 T0 ABAB如果如果T0= 0，则可，则可以直接计算得出以直接计算得出T值。值。如果如果T00，则继续，则继续修正。修正。32p常用的补偿导线型号为常用的补偿导线型号为SC、KC、KX、EX、JX、TX。p第一个字母为主热电偶第一个字母为主热电偶A和和B的分度号。第二个字母为的分度号。第二个字母为X，代表代表延伸型导线延伸型导线；第二个字母为；第二个字母为C，代表，代表补偿型导线补偿型导线。p延伸型导线：延伸型导线：A、B与与A、B的化学成分相同。的化学成分相同。p补偿型导线：补偿型导线：A、B与与A、B的化学成分不同。精度较低，的化学成分不同。精度较

28、低，优点在于价格便宜。优点在于价格便宜。33如果如果T00，如何处理？，如何处理？（2）计算修正法）计算修正法原理：中间温度定则。原理：中间温度定则。mVTT0 T0 T0 T0 ABAB),(),(),(00TTETTETTENABNABAB例：用例：用K型热电偶在冷端温度为型热电偶在冷端温度为25，测得的电动势为，测得的电动势为34.36V。试求。试求热电偶热端的实际温度。热电偶热端的实际温度。解：解：1）根据附录根据附录3，查，查K型热电偶分度表，型热电偶分度表，E(20,0)=0.798405mV； E(30,0)=1.203408mV。 2）利用插值公式，计算利用插值公式，计算25时

29、的热电动势为时的热电动势为1.00mV。 3）已知已知E(T,25)=34.36mV，E(25,0)=1.00mV，则，则 E(T,0)= E(T,25)+E(25,0)=34.36+1.00=35.36mV。 4）再查分度表，再查分度表， E(850,0)=35.314404mV， E(860,0)=35.718403mV。利用插值公式，得到实际温度利用插值公式，得到实际温度T为为851.14。34（3）冷端恒温法）冷端恒温法第一种方法：把冷端引至冰点槽内，维持冷端温度始终为第一种方法：把冷端引至冰点槽内，维持冷端温度始终为0。一般用于实验室精密测量。可以购买高精度的冰点槽，也可一般用于实验

30、室精密测量。可以购买高精度的冰点槽，也可以使用保温瓶自制冰点槽。以使用保温瓶自制冰点槽。第二种方法：把冷端补偿导线引至加热的恒温器内，维持冷端第二种方法：把冷端补偿导线引至加热的恒温器内，维持冷端为某一恒定的温度。适用于工业应用。为某一恒定的温度。适用于工业应用。35（4）补偿电桥法）补偿电桥法原理：在热电偶测温系统中串联一原理：在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥，此电桥的输出电个不平衡电桥，此电桥的输出电压随着热电偶冷端的温度变化而压随着热电偶冷端的温度变化而变化，从而修正热电偶冷端温度变化，从而修正热电偶冷端温度波动引入的误差。波动引入的误差。),(),(0TTEVTTEABNAB),(

31、),(),(00TTETTETTENABABNAB),(0TTEVNAB361）热电偶的校准）热电偶的校准p热电偶出厂使用一段时间后，必须定期校准。热电偶出厂使用一段时间后，必须定期校准。p热电偶校准方法：比较法。使用被校准的热电偶和标准热电热电偶校准方法：比较法。使用被校准的热电偶和标准热电偶同时测量同一对象的温度，然后比较两者示值，以确定被偶同时测量同一对象的温度，然后比较两者示值，以确定被测热电偶的基本误差。测热电偶的基本误差。372）热电偶测温误差）热电偶测温误差（1）分度误差分度误差：使用标准热电偶检定时产生的误差。：使用标准热电偶检定时产生的误差。（2）冷端温度变化引起的误差冷端温度变化引起的误差。（3） 补偿导线的误差补偿导线的误差：补偿导线与主导线不完全相同。：补偿导线与主导线不完全相同。（4）热交换引起的误差热交换引起的误差：热电偶的热端难以直接与被测：热电偶的热端难以直接与被测对象接触。对象接触。（5）测量线路和显示仪表的误差测量线路和显示仪表的误差：外部线路带入的电阻。：外部线路带入的电阻。（6）其它误差其它误差：由于屏蔽不良导致的干扰电压等等。：由于屏蔽不良导致的干扰电压等等。383.4.1 热电阻的特性3.4.2 常用热电阻3.4.3 热电阻测温电路3