实验传热学2-测量理论

1、CUCDReview and Forecast on MSW Incineration in China 实验传热学实验传热学第二部分：测量理论第二部分：测量理论徐洪涛上海理工大学能源与动力工程学院工程热物理研究所 第二部分：测量理论第二部分：测量理论-主要内容主要内容q 热工测量基础知识介绍q 热流测量q 温度测量q 流量、压力及速度测量q 测量误差及不确定度分析测量基础知识介绍测量基础知识介绍在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。 测量基础知识介绍测量基础知识介绍曹冲称象方法：方法：比较法

2、比较法 ；装置：装置：船、石头、小秤船、石头、小秤 ； 检查检查、测量测量，从而得到，从而得到定性定性、定量定量的结果。的结果。热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍测量的意义：测量过程是采集和表达被测物理量，同时与标准作比较测量是人类对自然界的客观事物取得数量观念的一种认识过程热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍国际单位制(SI)：由7个基本单位、2个辅助单位和19个具有专门名称的导出单位所组成。所有单位都各有一个主单位和十进倍数（十进分数）的词头组成。7个基本单位：长度单位米(m)；质量单位千克(kg)；时间单位秒(s)；电流强度单位安培(A)；热力学温度单位开尔文(K)；物质的量的

3、单位摩尔(mol；发光强度单位坎德拉（cd）。测量的基本方程式： X = aU 式中， X 被测量 U 标准量（即选用的测量单位） a 被测量与标准量的数字比值热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍测量方法测量方法测量单位测量单位测量工具测量工具测量过程的三要素：测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）：测量方法的分类（按测量结果产生的方式分）： 直接测量法：直接测量法：使被测量直接与选用的标准量进行比较，使被测量直接与选用的标准量进行比较，或者预先标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求得或者预先标定好了的测量仪表进行测量，从而直接求得被测量数值的测量方法。被测量数值的测量方法。 间接测量法

4、：间接测量法：通过直接测量与被测量有某种确定函数关通过直接测量与被测量有某种确定函数关系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系系的其它各个变量，然后将所测得的数值代入函数关系进行计算，从而求得被测量数值的方法。进行计算，从而求得被测量数值的方法。热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍1. 1. 测量系统的组成测量系统的组成 测量系统由四个基本环节组成：传感器、变换器或测量系统由四个基本环节组成：传感器、变换器或变送器、传输通道和显示装置。变送器、传输通道和显示装置。传感器变换器传输通道显示装置被测量被测量测量值测量值测量系统的组成及其功能测量系统的组成及其功能热工测量基础知识介绍热工

5、测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍2. 2. 测量环节的功能测量环节的功能传感器（敏感元件）传感器（敏感元件）是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。是测量系统直接与被测对象发生联系的部分。变换器（变送器）变换器（变送器）是传感器和显示装置中间的部分，它是将传感器输出的信号变换成显示装置是传感器和显示装置中间的部分，它是将传感器输出的信号变换成显示装置易于接收的部件。比如：电阻应变片在工作时发出的信号是电阻的变化值，易于接收的部件。比如：电阻应变片在工作时发出的信号是电阻的变化值，它通过电桥变成电压信号，再由直流电表来显示。当敏感元件发出的信号过它通过电桥变成电压信号，再

6、由直流电表来显示。当敏感元件发出的信号过小（或过大）时，变换器应将信号进行放大（或衰减），使之成为能被显示小（或过大）时，变换器应将信号进行放大（或衰减），使之成为能被显示装置所接受的信号。装置所接受的信号。热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍2. 2. 测量环节的功能测量环节的功能显示装置显示装置是测量系统直接与观测者发生联系的部分。是测量系统直接与观测者发生联系的部分。传输通道传输通道是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。分为电线、光导纤维和管路等。是仪表各环节间输入、输出信号的连接部分。分为电线、光导纤维和管路等。热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍量程范围：量程范围：仪表能够

7、测量的最大输入量与最小输入量之间的范围称作仪表仪表能够测量的最大输入量与最小输入量之间的范围称作仪表的量程范围，简称量程；的量程范围，简称量程；在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值；在数值上等于仪表上限值与下限值的代数差之绝对值；选用仪表时，首先要估计被测量，使被测量最好落在仪表的选用仪表时，首先要估计被测量，使被测量最好落在仪表的2/32/3量程附近。量程附近。测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标仪表的示值误差：仪表的示值误差：它表征仪表各个指示值的准确程度，常用示值的绝对误差它表征仪表各个

8、指示值的准确程度，常用示值的绝对误差和示值和示值的相对误差的相对误差表示。若仪表的指示值为表示。若仪表的指示值为x，被测参数的真值为，被测参数的真值为, ,则则 100%100%100% 例如：温度计测量：炉子温度：示值为例如：温度计测量：炉子温度：示值为16451645，真实温度为，真实温度为16501650，示值绝，示值绝对误差为对误差为-5-5，相对误，相对误 差差-5/1650-5/1650* *100%=-0.3%;100%=-0.3%;水温：水温：100100，同样有，同样有-5-5示值绝对误差，但其相对误差有示值绝对误差，但其相对误差有-5%-5%。显示后者示值相对误差大得多，说

9、明后者的测量准确度要低得多。显示后者示值相对误差大得多，说明后者的测量准确度要低得多。热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标仪表的基本误差：仪表的基本误差：在规定的工作条件下，仪表量程范围内各示值误差中的绝对值最大在规定的工作条件下，仪表量程范围内各示值误差中的绝对值最大者称为仪表的基本误差者称为仪表的基本误差j j 。 jmaxA 超出正常工作条件引起的误差称为仪表的附加误差。超出正常工作条件引起的误差称为仪表的附加误差。热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标仪表的引用误差：仪表的引用误差：为仪表示值

10、的绝对误差与该仪表量程为仪表示值的绝对误差与该仪表量程A A 之比之比。 maxAymax100%Ay100%A 仪表量程范围内，示值误差中绝对值最大值与量程之比，称为最大引用误差。仪表量程范围内，示值误差中绝对值最大值与量程之比，称为最大引用误差。即即热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标仪表的允许误差：仪表的允许误差：表示对测量仪表所允许的误差界限，即出厂的仪表都要保证基本误表示对测量仪表所允许的误差界限，即出厂的仪表都要保证基本误差不超过某一限值，此限值称为仪表的允许误差（或称基本误差差不超过某一限值，此限值称为仪表的允许误差（或称基本误差限

11、），用限），用 表示。表示。 热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标仪表的精度：仪表的精度：是指测量某物理量时，测量值与真值的附和程度，即是指测量某物理量时，测量值与真值的附和程度，即 maxAymax100%A是指仪表最大引用误差表示的允许误差去掉百分号后余下的数字称是指仪表最大引用误差表示的允许误差去掉百分号后余下的数字称为仪表的精度等级。为仪表的精度等级。举例：某压力表量程是举例：某压力表量程是10MPa，测量值的误差不允许超过，测量值的误差不允许超过0.02MPa，则，则仪表的精度为：仪表的精度为： max=（0.02/10) 100%=0

12、.2%则该仪表的精度等级为则该仪表的精度等级为0.20.2级。级。热工测量基础知识介绍热工测量基础知识介绍测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标仪表的灵敏度：仪表的灵敏度：在稳定情况下，仪表输出变化量在稳定情况下，仪表输出变化量L L与引起此变化的输入量的变化与引起此变化的输入量的变化量量X Xb b之比值，定义为仪表的灵敏度，用之比值，定义为仪表的灵敏度，用S S表示，即表示，即 bLSX问：某测量范围是问：某测量范围是0100MPa的压力表，其满量程的压力表，其满量程时指时指针转角为针转角为270度度， 它它的灵敏度是多少？的灵敏度是多少？2.7度度/MPa热工测量基础知识介绍热工测

13、量基础知识介绍测量仪表的基本技术指标测量仪表的基本技术指标零点零点和灵敏度和灵敏度漂移漂移: :在传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、在传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的变化。漂移包括不需要的变化。漂移包括零点漂移零点漂移和和灵敏度漂移灵敏度漂移等。等。 热流测量热流测量对于热流的测量的方法多种多样，其与研究的对象有关，即与热流的输入输对于热流的测量的方法多种多样，其与研究的对象有关，即与热流的输入输出有关，但解剖来分析，无非是导热、对流、辐射这三种传热现象的组合。出有关，但解剖来分析，无非是导热、对流、辐射这三种传热现象的组合。导热系数导

14、热系数导热，有稳态导热和非稳态导热之分，在稳态导热工况下导热系数，计算中导热，有稳态导热和非稳态导热之分，在稳态导热工况下导热系数，计算中的热量通常是用附加于电加热器上的电功率来衡量。这种电加热器须保证热的热量通常是用附加于电加热器上的电功率来衡量。这种电加热器须保证热流沿试样一个方向均匀分布，即可成为一维的热流传递。这就要求在布置测流沿试样一个方向均匀分布，即可成为一维的热流传递。这就要求在布置测试系统时，对系统要作其它方向的绝热，如下图所示。根据热量和两侧的温试系统时，对系统要作其它方向的绝热，如下图所示。根据热量和两侧的温差，利用差，利用傅里叶导热定律傅里叶导热定律求得被测材料的导热系数

15、。求得被测材料的导热系数。热流测量热流测量另一类测量方法称之为稳态比较法，热流须由与之导热系数的标准试样来确另一类测量方法称之为稳态比较法，热流须由与之导热系数的标准试样来确定，其系统如下图所示。定，其系统如下图所示。热流测量热流测量另一类测量方法称之为稳态比较法，热流须由与之导热系数的标准试样来确另一类测量方法称之为稳态比较法，热流须由与之导热系数的标准试样来确定，其系统如下图所示。定，其系统如下图所示。=0/0 (t01-t02)F0 式中右边均为已知数，就很容易计算出流过的热量。得出了热流，则就可以式中右边均为已知数，就很容易计算出流过的热量。得出了热流，则就可以用付利叶定律计算出被测件

16、的导热系数。用付利叶定律计算出被测件的导热系数。热流测量热流测量对于非稳态法，由于不能测量热流，因此，可采用测量若干个计算点的温度对于非稳态法，由于不能测量热流，因此，可采用测量若干个计算点的温度随时间的变化。对于准稳态工况、小毕渥数随时间的变化。对于准稳态工况、小毕渥数BiBi时，被测样件的温度实际上沿时，被测样件的温度实际上沿整个体积是不变的，因而热流可用下式求得：整个体积是不变的，因而热流可用下式求得： =GCp / t / t: :被测试样的冷却速率被测试样的冷却速率( (或加热速率或加热速率) )如果小毕渥数的条件不满足，那么，上式中就要引入沿整个体积平均积分温如果小毕渥数的条件不满

17、足，那么，上式中就要引入沿整个体积平均积分温度值。对于简单几何形状的物体，可求出真实温度值与该物体平均积分温度度值。对于简单几何形状的物体，可求出真实温度值与该物体平均积分温度相符合的点之坐标，只要对该点进行温度测量，那么就可由上式求出相符合的点之坐标，只要对该点进行温度测量，那么就可由上式求出。热流测量热流测量在对流换热的情况下，流体与加热方式有关，可以采用与上导热公式相类似在对流换热的情况下，流体与加热方式有关，可以采用与上导热公式相类似的关系式加以确定。如果表面用电加热方式，则不难求得其电功率。供电的的关系式加以确定。如果表面用电加热方式，则不难求得其电功率。供电的方式有两种，其一为低电

18、压大电流的直流电，其二可直接用市售交流电进行方式有两种，其一为低电压大电流的直流电，其二可直接用市售交流电进行加热。对于在圆管内的液体流动，只要知道了管壁材料的导热系数，管长、加热。对于在圆管内的液体流动，只要知道了管壁材料的导热系数，管长、管子内外径，即可求得热流。在管壁无纵向导热的情况下，可用下式计算：管子内外径，即可求得热流。在管壁无纵向导热的情况下，可用下式计算：)dd(ln)t-t (212c2- -c1l可用上式计算出热流的局部值。用上式计算式，必须已知管子的导热系数和可用上式计算出热流的局部值。用上式计算式，必须已知管子的导热系数和温度变化规律。此外，为了较正确的测得圆管壁厚度的

19、温差，要求管壁厚度温度变化规律。此外，为了较正确的测得圆管壁厚度的温差，要求管壁厚度较厚一点，因此在有的资料上介绍也叫厚壁管法或叫温度梯度法。较厚一点，因此在有的资料上介绍也叫厚壁管法或叫温度梯度法。热流测量热流测量对于单项流体，热流还可以用焓差法来求得。焓差法可以用于液体加热和冷却对于单项流体，热流还可以用焓差法来求得。焓差法可以用于液体加热和冷却的情况。在用蒸汽凝结的办法来加热表面时，热流可用下式进行计算的情况。在用蒸汽凝结的办法来加热表面时，热流可用下式进行计算( (凝结法凝结法) )：)tt (Cp)tt (Cpr G)ji (Gnxnknnepnnknj/kg-rtttj/kgj ,

20、is/kg-Gnxnnepkn凝结潜热，冷度凝结水的饱和温度、过蒸汽的过热温度、出口，；焓加热蒸汽与凝结水之比；蒸汽的质量流量温度测量温度测量第一节第一节 温度测量概述温度测量概述一、温度与温标一、温度与温标（一）温度（一）温度温度是表征物体冷热程度的物理量温度是表征物体冷热程度的物理量温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量（二）温标（二）温标温标是温度数值化的标尺温标是温度数值化的标尺它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位各种

21、温度计的刻度数值均由温标确定各种温度计的刻度数值均由温标确定温度测量温度测量第一节第一节 温度测量概述温度测量概述一、温度与温标一、温度与温标摄氏温标摄氏温标摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为度，水沸点为100度，中间等分为度，中间等分为100格，每格为摄氏格，每格为摄氏1度，符号为度，符号为。华氏温标华氏温标华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为度，水沸点为212度，中间等分度，中间等分180格，每格为华氏格，每格为华氏1度，符号为度，符号为 。它与摄氏温标的关系为：它与摄氏温标的关

22、系为： 5CF329温度测量温度测量第一节第一节 温度测量概述温度测量概述一、温度与温标一、温度与温标 热力学温标热力学温标 热力学温标又称开氏温标（热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温标，它规定分子运动）或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。它建于热力学基础，体现出温度仅停止时的温度为绝对零度。它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，已与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。 温度测量温度测量第一节第一节 温度测量概述温度测量概述一、温度与温

23、标一、温度与温标 热力学中卡诺定理指出：热力学中卡诺定理指出： 一个理想的卡诺机，当它工作于温度为一个理想的卡诺机，当它工作于温度为T2的热源与温度为的热源与温度为T1的冷源之间，它从热源中吸收的热量的冷源之间，它从热源中吸收的热量Q2与向冷源中放出与向冷源中放出的热量的热量Q1，应遵循以下关系：，应遵循以下关系： 这就是建立热力学温标的物理基础。如果指定了一个定点这就是建立热力学温标的物理基础。如果指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比求得未知温度值。温度数值，就可以通过热量比求得未知温度值。 1122TQTQ温度测量温度测量第一节第一节 温度测量概述温度测量概述一、温度与温标一、温度与温

24、标国际温标国际温标为了使用方便，尽可能接近热力学温标，国际上经协商，决为了使用方便，尽可能接近热力学温标，国际上经协商，决定建立一种既使用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这定建立一种既使用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这就是国际温标的由来。就是国际温标的由来。在在1990年国际温标中指出，热力学温标是基本物理量。单位年国际温标中指出，热力学温标是基本物理量。单位开尔文，符号为开尔文，符号为K。它规定水的三相点热力学温度为。它规定水的三相点热力学温度为273.16K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的1/273.16。在在ITS-90中同时使用

25、国际开尔文温度（符号为中同时使用国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄）和国际摄氏温度（符号为氏温度（符号为t90），其关系为），其关系为t90 = T90 273.15 温度测量温度测量第一节第一节 温度测量概述温度测量概述一、温度与温标一、温度与温标温度测量温度测量第一节第一节 温度测量概述温度测量概述一、温度的测量方法及测量仪表的分类一、温度的测量方法及测量仪表的分类 温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物理特性温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变化量的测量间是温度的函数，通过对某些物理特性变化量的测量间接地获得温度值。接地获得温度值。 根据

26、温度测量仪表地使用方式，通常可分类为根据温度测量仪表地使用方式，通常可分类为接触法接触法与与非接触法非接触法两大类。两大类。 接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被测介质接触，感接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被测介质接触，感受被测物体或被测介质的温度变化：膨胀式、压力式、热电阻与热电偶受被测物体或被测介质的温度变化：膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计温度计温度测量温度测量第二节第二节 膨胀式温度计膨胀式温度计典型的固体膨胀式温度计是双金属片，它利用线膨胀系数差别典型的固体膨胀式温度计是双金属片，它利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，在温度变化时因弯

27、曲较大的两种金属材料制成双层片状元件，在温度变化时因弯曲变形而使其另一端有明显位移，借此带动指针就构成双金属温变形而使其另一端有明显位移，借此带动指针就构成双金属温度计。度计。一、固体膨胀式温度计一、固体膨胀式温度计温度测量温度测量第二节第二节 膨胀式温度计膨胀式温度计一、固体膨胀式温度计一、固体膨胀式温度计实例实例: :工业用双金属温度计工业用双金属温度计 温度测量温度测量第二节第二节 膨胀式温度计膨胀式温度计二、液体二、液体膨胀式温度计膨胀式温度计一种液体的体积为一种液体的体积为V V，由于它的温度变化所引起的体积变化可以用，由于它的温度变化所引起的体积变化可以用下式表示：下式表示：1-玻

28、璃温包； 2-毛细管； 3-刻度标尺； 4-膨胀室TVV温度测量温度测量第二节第二节 膨胀式温度计膨胀式温度计三、压力式三、压力式温度计温度计根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理而制成的根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理而制成的测温仪表。测温仪表。 1-温包； 2-毛细导管； 3-压力计特点特点: :必须将温包全部浸入被测介质；毛细管最长不超过必须将温包全部浸入被测介质；毛细管最长不超过60 m60 m；仪表精度低，但使用简便，而且抗震动。仪表精度低，但使用简便，而且抗震动。 压力式温度计压力式温度计温度测量温度测量第二节第二节 膨胀式温度计膨胀式温度计三、压力式三、压力式温

29、度计温度计温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。度测量元件。它将温度信号转换成电势（它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。温度测量温度测量第二节第

30、二节 热电偶温度计热电偶温度计一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理 两种不同的导体（或半导体）两种不同的导体（或半导体）A和和B组成闭合回路，如下图组成闭合回路，如下图所示。当所示。当A和和B相接的两个接点温度相接的两个接点温度T和和T0不同时，则在回不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做路中就会产生一个电势，这种现象叫做热电效应热电效应。由此效。由此效应所产生的电势，通常称为应所产生的电势，通常称为热电势热电势，用符号，用符号EAB（T，T0）表示。表示。BATT0参考端参考端冷端冷端工作端工作端热端热端温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计一、热电偶的测温原理

31、一、热电偶的测温原理 1、温差电势温差电势：温差电势是由于导体或半导体两端温度不同而产生的一：温差电势是由于导体或半导体两端温度不同而产生的一种电动势。由于导体两端温度不同，则两端电子的能量也不同。温度种电动势。由于导体两端温度不同，则两端电子的能量也不同。温度越高电子能量越大，能量较大的电子会向能量较小的电子处跑，这就越高电子能量越大，能量较大的电子会向能量较小的电子处跑，这就会形成一个由高温端向低温端的静电场。静电场又阻止电子继续向低会形成一个由高温端向低温端的静电场。静电场又阻止电子继续向低温端迁移，最后达到一动平衡状态。温差电势的方向是由低温端向高温端迁移，最后达到一动平衡状态。温差电

32、势的方向是由低温端向高温端，数值与两端温差大小有关。温端，数值与两端温差大小有关。2、接触电势接触电势：当两种不同的金属导体或半导体：当两种不同的金属导体或半导体A 和和B 相互接触时，由相互接触时，由于其内部电子密度不同，因此从导体于其内部电子密度不同，因此从导体A 向导体向导体B 扩散的电子数，要比扩散的电子数，要比从导体从导体B 向导体向导体A 扩散的电子数多，结果导体扩散的电子数多，结果导体A 失去电子而带正电，失去电子而带正电，导体导体B 因得到电子而带负电。这样，在导体因得到电子而带负电。这样，在导体A、B 的接触面上形成一电的接触面上形成一电位差。这一电位差一旦形成就对扩散起阻止

33、作用，最后达到某种动平位差。这一电位差一旦形成就对扩散起阻止作用，最后达到某种动平衡状态。平衡后的这一电位差即称为接触电势，其数值取决于两种不衡状态。平衡后的这一电位差即称为接触电势，其数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。同导体的性质和接触点的温度。温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理 1接触电势接触电势接触电势用接触电势用EAB(T)表示，其数值可用下式表示表示，其数值可用下式表示 式中式中 e 单位电荷，单位电荷，4.802X10-10静电单位；静电单位； K波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，K=1.3810-23J/K；NA(T

34、)、NB(T)材料材料A、B在温度为在温度为T时的自由电子密度；时的自由电子密度； TA、B接触点的温度，接触点的温度，K。AABBN (T)KTE(T)lneN (T)温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理 2温差电势温差电势温差电势可表示为温差电势可表示为 式中符号同前式式中符号同前式。0TA0ATAK1E (T,T )d(N ,t)eN温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理 3热电偶闭合回路的总热电势热电偶闭合回路的总热电势 AB0ABAB0B0A0E (T,T)E (T) E

35、 (T) E (T,T) E (T,T) 对于由对于由A A和和B B两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接点温度分别为点温度分别为T T和和T T0 0，且，且TTTT0 0，N NA ANNB B；那么回路中存在两个；那么回路中存在两个接触电势接触电势E EABAB(T)(T)和和E EABAB(T(T0 0) )，两个温差电势，两个温差电势E EA A(T,T(T,T0 0) )和和E EB B(T,T(T,T0 0) )。因此回路的总热电势为因此回路的总热电势为温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计二、热电偶的基本定律二、热

36、电偶的基本定律 1 1、均质导体定律、均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体或半导体的截面积、长度和各处温度分布如何，都不能产生热电势。1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成。2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 2 2、中间导体定律、中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。1） 在热电偶回路中接入第三种均质材料，只要保证所接入材料两端温度相同，就

37、不会影响热电偶的热电势。温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 2 2、中间导体定律、中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即 EAB（t, to）=EAC（t, to）ECB（t, to） 温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 3 3、中间温度定律、中间温度定律热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等

38、于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和,即： EAB（t1，t3）EAB（t1，t2）EAB（t2，t3）1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系 即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t0=0时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。EAB（t，0）EAB（t，tn）EAB（tn，0）温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 3 3、中间温度定律、中间温度定律热电偶

39、A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和,即： EAB（t1，t3）EAB（t1，t2）EAB（t2，t3）2） 和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势，为应用补偿导线提供了理论依据。回路总热电势为回路总热电势为E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0,T0)=EAB(T0,T0)温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计三、标准化热电偶三、标准化热电偶所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、所谓标

40、准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶电偶 。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换性、使用十分方便。有互换性、使用十分方便。温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计

41、三、标准化热电偶三、标准化热电偶所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶电偶 。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换

42、性、使用十分方便。有互换性、使用十分方便。两个两个热电极热电极热电偶热电偶接点接点温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计三、标准化热电偶三、标准化热电偶（1）廉金属热电偶）廉金属热电偶 1）T型（铜康铜）热电偶型（铜康铜）热电偶 2）K型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶 3）E型（镍铬康铜）热电偶型（镍铬康铜）热电偶 4）J型（铁康铜）热电偶型（铁康铜）热电偶（2）贵金属热电偶）贵金属热电偶 1）S型（铂铑型（铂铑10铂）热电偶铂）热电偶 2）R型（铂铑型（铂铑13铂）热电偶铂）热电偶 3）B型（铂铑型（铂铑30铂铑铂铑6）热电偶）热电偶温度测量温度测量第二节

43、第二节 热电偶温度计热电偶温度计三、标准化热电偶三、标准化热电偶工程上所使用的各种类型的热电偶均把工程上所使用的各种类型的热电偶均把E(t)E(t)和和t t的关系制成易的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。热电偶的分度表。温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计四、热电偶的标定四、热电偶的标定（1 1）比较法：即用被校热电偶与一标准组分的热电偶去测同）比较法：即用被校热电偶与一标准组分的热电偶去测同一温度，测得一组数据，其中被校热电偶测得的热电势即由一温度，测得一组数据，其中被校热电偶测得的热电势即由标准热电偶所测的热电势所校准

44、，在被校热电偶的使用范围标准热电偶所测的热电势所校准，在被校热电偶的使用范围内改变不同的温度，进行逐点校准，就可得到被校热电偶的内改变不同的温度，进行逐点校准，就可得到被校热电偶的一条校准曲线。一条校准曲线。（2 2）固定点法：这是利用几种合适的纯物质在一定气压下）固定点法：这是利用几种合适的纯物质在一定气压下（一般是标准大气压），将这些纯物质的沸点或熔点温度作（一般是标准大气压），将这些纯物质的沸点或熔点温度作为已知温度，测出热电偶在这些温度下对应的电动势，从而为已知温度，测出热电偶在这些温度下对应的电动势，从而得到电动势得到电动势温度关系曲线，这就是所求的校准曲线。温度关系曲线，这就是所求

45、的校准曲线。温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计四、热电偶的标定四、热电偶的标定固定点法固定点法：为简化热电偶测量系统，热电偶冷端为简化热电偶测量系统，热电偶冷端不采用冰瓶，而将其置于室温中，室不采用冰瓶，而将其置于室温中，室温温t tf f用水银温度计较准确地测得。热用水银温度计较准确地测得。热电偶热端则设置在管式电炉中。这时电偶热端则设置在管式电炉中。这时测得的热电势不能直接从分度表查取测得的热电势不能直接从分度表查取热端炉内的温度，而应该根据下式，热端炉内的温度，而应该根据下式，先计算出热端温度相对于冷端温度为先计算出热端温度相对于冷端温度为0 0时的热电势值时的热电势

46、值E(t,0):E(t,0):E E（t t，0 0）E E（t t，t tf f）E E（t tf f，0 0）温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计四、热电偶的标定四、热电偶的标定固定点法固定点法：连接热电偶时，形成热电偶热端和热电偶冷端连接热电偶时，形成热电偶热端和热电偶冷端, ,为了测出电压，为了测出电压，可将数字万用表接在它们之间，把冷端浸入冰水共存的保温杯中可将数字万用表接在它们之间，把冷端浸入冰水共存的保温杯中，热端插入加热盘的恒温腔中，下图是其中一种连接方法。，热端插入加热盘的恒温腔中，下图是其中一种连接方法。温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度

47、计四、热电偶的标定四、热电偶的标定固定点法固定点法：定标时，加热盘可恒温在定标时，加热盘可恒温在5050120120之间。用数字万用表测之间。用数字万用表测定出对应点的温差电动势。以电动势定出对应点的温差电动势。以电动势为纵轴，以热端温度为纵轴，以热端温度t t为横轴，标出以上各点，连成直线为横轴，标出以上各点，连成直线，如如下图下图所示，即为热电偶所示，即为热电偶的定标曲线。有了定标曲线，就可以利用该热电偶测温度了。的定标曲线。有了定标曲线，就可以利用该热电偶测温度了。0510t/mV温度测量温度测量第二节第二节 热电偶温度计热电偶温度计五、热电偶的安装方法五、热电偶的安装方法温度测量温度测

48、量第三节第三节 电阻式温度计电阻式温度计1 1）准确度高；）准确度高；2 2）在中低温下（）在中低温下（ 500 500以下）测温以下）测温, , 它的输出信号比热电它的输出信号比热电偶的要大得多偶的要大得多, ,故灵敏度高；故灵敏度高；3 3）电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实）电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。现多点切换测量。4 4）电阻温度计由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电）电阻温度计由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘管和保护套管等主要部件组成。阻由电阻体、绝缘管和保护套管等主要部件组成。工业上广泛应用电阻温度计来测量

49、工业上广泛应用电阻温度计来测量- -200200500 500 之间的温之间的温度。电阻温度计的特点：度。电阻温度计的特点：温度测量温度测量第三节第三节 电阻式温度计电阻式温度计1 1：电阻式温度计原理：电阻式温度计原理绝大多数金属的电阻值随温度而变化，温度越高电阻越大，即绝大多数金属的电阻值随温度而变化，温度越高电阻越大，即具有正的电阻温度系数。具有正的电阻温度系数。)1 (320CtBtAtRRt大多数半导体材料具有负的电阻温度系数，其电阻值与热力学大多数半导体材料具有负的电阻温度系数，其电阻值与热力学温度的关系为温度的关系为)/1 ()/1(exp00TTBRRTTR00时的电阻值温度测

50、量温度测量第三节第三节 电阻式温度计电阻式温度计2 2：常用热电阻元件：常用热电阻元件1):1):铂热电阻铂热电阻 特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化性的气氛中，甚至在高温特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的工艺性，下的物理化学性质都非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。阻率。 缺点：电阻温度系数较小，在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污缺点：电阻温度系数较小，

51、在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污变脆，价格较贵。变脆，价格较贵。 温度测量温度测量第三节第三节 电阻式温度计电阻式温度计2 2：常用热电阻元件：常用热电阻元件1 1）: :铂热电阻铂热电阻 在在200 0范围内，铂的电阻温度关系为范围内，铂的电阻温度关系为Rt = R0 1 + At + Bt2 + C( t100 )t3 在在0 850范围内，其关系为范围内，其关系为Rt = R0 ( 1 + At + Bt2 ) 式中，式中，A、B、C 分度常数分度常数 R00时的电阻值时的电阻值温度测量温度测量第三节第三节 电阻式温度计电阻式温度计2 2：常用热电阻元件：常用热电阻元件2 2）:

52、:铜热电阻铜热电阻 特点：它的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系数也比特点：它的电阻值与温度的关系是线性的，电阻温度系数也比较大，而且材料易提纯，价格比较便宜，但它的电阻率低，易于较大，而且材料易提纯，价格比较便宜，但它的电阻率低，易于氧化。氧化。 在在50 150范围内，铜的电阻温度关系为范围内，铜的电阻温度关系为 Rt = R0 ( 1 + t ) 式中，式中， 铜的电阻温度系数铜的电阻温度系数 R00时的电阻值时的电阻值温度测量温度测量第四节第四节 接触式测温技术接触式测温技术1 1：影响接触式温度测量的各种因素：影响接触式温度测量的各种因素接触式温度测量产生误差的原因接触式温度测量

53、产生误差的原因 1 1）：传）：传热学方面的原热学方面的原因因2 2）：气动原因）：气动原因3 3）：动态误差）：动态误差 4 4）：化学原因）：化学原因 温度测量温度测量第四节第四节 接触式测温技术接触式测温技术2 2：高速气流温度测量、速度误差分析：高速气流温度测量、速度误差分析静温静温度量气流的无序动能度量气流的无序动能，动温动温度量气流的有向动度量气流的有向动能。能。 pcT22动动温温:总温总温=静温静温+动温动温=pcTTTT2200问题问题：温度传感器测得的温度是什么温度？静温？动温？总温：温度传感器测得的温度是什么温度？静温？动温？总温？实际上处于高速气流中固定安装的测温传感器

54、，对高速气流只实际上处于高速气流中固定安装的测温传感器，对高速气流只有一定的滞止作用，并非完全绝热滞止。因此传感器既不能直有一定的滞止作用，并非完全绝热滞止。因此传感器既不能直接指示静温，也不能简单地测量总温，传感器实际的指示值被接指示静温，也不能简单地测量总温，传感器实际的指示值被称为有效温度，记作称为有效温度，记作T g ， Tg高于自由流静温，而低于自由流高于自由流静温，而低于自由流总温，速度误差总温，速度误差:)(gTT 流量测量流量测量第四节第四节 接触式测温技术接触式测温技术2 2：高速气流温度测量、速度误差分析：高速气流温度测量、速度误差分析速度误差与马赫数和恢复系数速度误差与马

55、赫数和恢复系数有关，为了减小速度误差，希望恢有关，为了减小速度误差，希望恢复系数要大，气流流经温度计的复系数要大，气流流经温度计的M数要小。但是被测气流的数要小。但是被测气流的M数数通常不能随意改变，因此，通常不能随意改变，因此，减小速度误差的主要途径是提高热电减小速度误差的主要途径是提高热电偶的恢复系数偶的恢复系数，使它接近于，使它接近于1并具有较稳定的数值。并具有较稳定的数值。处理速度误差问题有二种途径，一种是根据使用工况，用实验处理速度误差问题有二种途径，一种是根据使用工况，用实验方法测出其恢复系数值，然后计算修正值。另一途径是设法使方法测出其恢复系数值，然后计算修正值。另一途径是设法使

56、气流滞止气流滞止: :带滞止罩的热电偶称为总温热电滞止罩 温度测量温度测量第四节第四节 接触式测温技术接触式测温技术3 3：壁面温度的测量：壁面温度的测量c的误差最小，因为热电偶丝沿等温线敷设，热接点的导热损失的误差最小，因为热电偶丝沿等温线敷设，热接点的导热损失达到最小。达到最小。b方式次之，热电偶丝的热损失由导热良好的金属方式次之，热电偶丝的热损失由导热良好的金属片补充。片补充。a方式误差最大，因为导热损失全部集中在一个点上，方式误差最大，因为导热损失全部集中在一个点上，热量不能得到充分补充。热量不能得到充分补充。流量测量流量测量第一节第一节 流量与流量计流量与流量计1 1：基本公式：基本

57、公式1）连续性方程）连续性方程1 11222v Av A 为某截面积上的平均速度为某截面积上的平均速度1v2v不可压缩的流体在稳定流动不可压缩的流体在稳定流动时，流过各截面流体的体积时，流过各截面流体的体积为常量。为常量。1122v Av A122）伯努利方程）伯努利方程动能动能压力能压力能势能势能流体能流体能221122121222vpvpghgh流量测量流量测量第一节第一节 流量与流量计流量与流量计2 2：流量定义：流量定义指单位时间内流体（气体、液体或固体颗粒等）流经管道指单位时间内流体（气体、液体或固体颗粒等）流经管道或设备某处横截面的数量，又称瞬时流量。或设备某处横截面的数量，又称瞬

58、时流量。体积流量体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量。：当流体以体积表示时称为体积流量。AudtdVtVqtv0lim质量流量质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。：当流体以质量表示时称为质量流量。AudtdMtMqtm0lim V -体积；体积；M-质量；质量；t-时间；时间； A-截面面积；截面面积；-流体的密度流体的密度流量测量流量测量第一节第一节 流量与流量计流量与流量计3 3：流量定义：流量定义AdAuAquAv 平均流速平均流速 ：u 流体流过截面上各点的流速。流体流过截面上各点的流速。累积流量：累积流量：dtqQtvvdtqQtmm流量测量流量测量第一节第一节 流量与流量

59、计流量与流量计2 2：流量测量方法：流量测量方法流量测量方法大致可以归纳为以下几类：流量测量方法大致可以归纳为以下几类：(1)利用伯努利方程原理，通过测量流体利用伯努利方程原理，通过测量流体差压信号差压信号来反映来反映 流量流量的差压式流量测量法；的差压式流量测量法； (2)通过直接测量通过直接测量流体流速流体流速来得出流量的速度式流量测量法；来得出流量的速度式流量测量法；(3)利用利用标准小容积标准小容积来连续测量流量的容积式测量；来连续测量流量的容积式测量；(4)以测量流体以测量流体质量流量质量流量为目的的质量流量测量法。为目的的质量流量测量法。流量测量流量测量第一节第一节 流量与流量计流

60、量与流量计4 4：流量计：流量计类 别工作原理仪表名称可测流体种类适用管径mm测量精度安装要求、特点体积流量计差流压量式计流体流过通管道中的阻力件时产生的压力差与流量之间有确定关系，通过测量差压值求得流量节流式孔板液、气、蒸汽50100012需直管段，压损大喷嘴50500需直管段，压损中等文丘里管1001200需直管段，压损小均速管液、气、蒸汽2590001需直管段，压损小转子流量计液、气41502垂直安装靶式流量计液、气、蒸汽1520014需直管段，弯管流量计液、气0.55需直管段，无压损容流积量式计直接对仪表排出的定量流体计数确定流量椭园齿轮流量计液104000.20.5无直管段要求，需装