建筑环境测试技术-测量仪表

第2篇测量仪表第(8学时)第3章温度测量（1学时）

§3.3热电偶测温

§3.4热电阻测温§3.6非接触测温第4章湿度测量§4.3电子式湿度传感器（0.5学时）

第6章物位测量（0.5学时）§6.1物位检测的主要方法和分类§6.5声学式物位检测第5章压力测量（1学时）§5.2液柱式压力计§5.3弹性压力计

§5.4电气式压力检测第7章流速及流量测量（0.5学时）§7.1流速测量

§7.3流量测量方法和分类§7.6电磁流量计第8章热量测量（0.5学时）

§8.1热阻式热流计

§8.2热量及冷量的测量第9章建筑环境测量（3学时）

§9.1空气中气体污染物的测量

§9.2空气含尘浓度及生物微粒的测量§9.3环境放射性测量§9.4环境噪声测量§9.5建筑光环境测量第10章（0学时）第11章电动显示仪表（1学时）

§11.1概述§11.2模拟式显示仪表

§11.3数字式显示仪表§11.4智能式显示仪表§11.5传感器及变送器与显示仪表的连接

内容提要测量仪表温度测量湿度测量压力测量物位测量流速及流量测量热量测量建筑环境测量其他参数的测量电动显示仪表温度检测及仪表检测方法3

温度测量概述

膨胀式温度计热电偶测温

热电阻测温接触式测温方法

非接触测温

集成型传感器测温

第2篇测量仪表

建筑环境测试技术第3章温度测量（1学时）

§3.3热电偶测温

§3.4热电阻测温

§3.6非接触测温第2篇测量仪表授课时间：1学时主要内容：温标、膨胀式温度计测温、热电偶测温、热电阻测温、非接触测温、仪表。重点和难点:

热电偶测温热电阻测温教学法：新卡诺循环、串联电势递推创新实验教学法第3章温度测量本章主要内容膨胀式温度计测温热电偶测温热电阻测温温标仪表第3章温度测量自学内容:3.1-3.2

3-3热电偶温度计3.3.1.热电偶的工作原理3.3.2.热电偶的应用定则3.3.3.热电偶的结构和标准化3.3.4.热电偶分类3.3.5.热电偶的测温系统►1-383-3热电偶温度计3.3.1.热电偶的工作原理1．热电效应：将两种不同材料的导体或半导体组成一个闭和回路，如果两端点的温度不同，则回路中将产生一定大小的电流，这个电流的大小同材料的性质以及节点温度有关，上述现象称为热电效应。这个现象是1821年Seebeck发现的故又称为塞贝克效应。图3.3.124（1）热电现象及测温原理

图（1）热电现象图（2）接触电势形成的过程图（3）热电偶原理及电路图左图闭合回路中总的热电势

当两种不同的导体接触时，由于两者有不同的电子密度而产生的电势。图（a）扩散，（b）稳定电势1．接触电势(珀尔贴电势)：

接触电势

(珀尔贴电势)：BTAT0——A，B材料的汤姆逊温差系数2.温差电势BTAT0冷端热端>>（汤姆逊温差电势）

如果T0=const.，则EAB=3f(T1)-3f(T0)热电偶回路中总热电势

探索·发现教学法：串联电势递推创新实验教学法自学内容:

接上一讲内容:

3.6非接触测温3.6.1.热辐射测温的基本原理3.6.2.单色辐射高温计3.6.3.全辐射高温计3.6.4.比色高温计3.6.5.红外温度计及红外热像仪►维恩公式

3000K以下，维恩公式：维恩位移定律绝对黑体的全辐射定律四次方定律绝对黑体实际物体Eoλ=3.6.1.热辐射测温的基本原理单色辐射强度Eoλ随波长变化：普朗克定律

3.6.2.单色辐射高温计1.光学高温计实际温度和亮度温度之间的关系亮度温度的定义是：在波长为λ的单色辐射中，若物体在温度T时的亮度和绝对黑体在温度为Ts时的亮度相等，则把绝对黑体温度叫做被测物体在波长为λ时的亮度温度。亮度温度总是低于物体实际温度.1．光学高温计

使用（1）0位检查（2）调整目镜和物镜的位置（3）按下按钮开关，调节电阻，至灯丝隐灭TS（4）读数修正T被测物体

2.光电高温计3.使用单色辐射高温计的注意事项(1)非黑体辐射的影响(2)中间介质的影响(3)对被测对象的限定光电高温计在更换反馈灯或光电器件时，必须对整个仪表重新进行调整和刻度3.6.3.全辐射高温计斯特藩-波耳兹曼方程实际物体的真实温度大于辐射温度3.6.4.比色高温计光学高温计和全辐射高温计：测量准确度常常要受到被测物体表面黑度变化和中间介质等因素的影响，因而引起测量误差。比色高温法计：测量准确度高黑体：T=TS灰体：T=TS实际物体：3.6.5.红外温度计及红外热像仪它们主要由光学系统、红外探测器、和电子测量线路（包括信号放大器及信号处理、显示输出等部分）组成。测低区常选用窗口：3-5μm波长和8-13μm波长绝对黑体(全辐射体)的单色辐射强度随波长的变化规律由普朗克定律确定：

式中E0λ——黑体的单色辐射强度（W/cm2•μm）；

C1，C2——普朗克第一，二辐射常数；

λ——辐射波长（μm）；

T——黑体的绝对温度（K）。红外温度计及红外热像仪也是依据的是光谱辐射原理（普朗克定律）测温的。1．红外辐射：红光以外的光线，波长0.76～1000μm。

波长/μm

任何温度高于绝对零度（-273.16℃）的物体，都会发射或吸收红外线，即红外辐射。当达到热平衡时，散发和吸收的辐射一样多。物体红外辐射的强度E和波长λ分布取决于物体的温度Τ和辐射率С

。红外辐射

(辐射以电磁波和粒子（如α粒子、β粒子等）的形式向外放散。)λ3-133.6.5.红外温度计及红外热像仪它主要由光学系统、红外探测器、和电子测量线路（包括信号放大器及信号处理、显示输出等部分）组成。测低区常选用2-15μm波长.

依据的是光谱辐射原理。由光学系统、红外探测器、信号处理放大部分及显示仪表等部分组成。

1.红外温度计AZ-8868红外线测温仪特点：▪形状枪型▪非接触式带镭射指标测量!

▪

℃/℉切换功能!

▪距离目标比8:1

▪自动关机,带背光温度范分辩率准确度反应时间

-20℃~+420℃(-4~788℉)1℃,1℉±2%或±2℃500ms3.6.5.红外温度计及红外热像仪2.红外热像仪采用红外热成像技术：自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用特殊的电子装置测定目标的本身和背景之间的红外线差，可得到不同的红外图像，热红外线形成的图像称为热图。红外热像仪测温原理1.黑体辐射公式

温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，从而获得温度信号。2.斯特藩－玻耳兹曼定律

对应于灰体ε为物体的发射率，需要对发射率进行标定以得到较为准确的温度3.6.5.红外温度计及红外热像仪3.6.5.红外温度计及红外热像仪红外热像仪（二维温度场）3.6.5.红外温度计及红外热像仪2.红外热像仪焦平面红外探测器分为制冷型和非制冷型

非制冷型利用类似热敏电阻原理，利用电桥产生电压差来处理。把热敏电阻有效地、高密度的封装在焦平面上，来提高系统的空间分辨率。

3.6.5.红外温度计及红外热像仪非制冷型

非制冷型利用类似热敏电阻原理。图3.6.11非制冷型红外焦平面热像仪工作原理工作原理：如图所示，桥式电路中,R1为内置探测器,R2为工作探测器,R3、R4是桥式平衡电路的标准电阻,E是取样电压信号。(平衡时E=0，VR2=½·V0)把热敏电阻有效地、高密度的封装在焦平面上，来提高系统的空间分辨率。尺寸小，低成本。3，红外温度计及红外热像仪的应用应用领域：工业的温度测量、生产过程监控、设备状态监测与故障诊断、无损检测；国土调查、作物长势与产量预估以及许多基础科学研究等领域。温度转换从普朗克定律可以得知，物体的温度越高，其辐射得峰值能量就越偏向短波方向，故红外热像仪，特别是用以建筑检测得红外热像仪，其工作波段通常在8-14μm的长波波段，建筑用红外检测的温度范围一般在-20-100℃范围内。常见应用

：

·电机检测·变压器检测

3，红外温度计及红外热像仪的应用红外热像仪应用·贮存罐液位检测·内部屋顶检查·管道泄漏检测等等·耐火材料设备检测

目标尺寸与距离的关系红外焦平面探测器的作用距离受探测器的灵敏度、分辨率,光学系统分辨率等影响。探测器的目标距离系数，决定了探测器的最大可用距离。一般而言，张角（视角）的大小取决于镜头焦距的设计，焦距越小，漏斗的视角越大。（如目标远镜头拉长，反之亦然。）4，红外热像仪的校准

红外系统的输出电压对应到被测量物体的真实辐射温度，因系统的状态与很多因素有关,如红外器件的老化,光电转换设备的老化,电子线路的噪声,甚至环境温度、湿度的变化都会影响到测量结果，故在使用前要校准。一般调整系数A、B来校准，校准曲线按下面公式描述：确保I与T关系正确。自学内容:

参考文献

[1].张永瑞，刘振起等编著.电子测量技术基础[M].西安电子科技大学出版社，2000.[2].田胜元，肖曰嵘编著.实验设计与数据处理.中国建筑工业出版社.1988.[3].周渭,于建国编著.测试与计量技术基础[M].西安电子科技大学.2004.

复习内容常用温标及其关系物理分类温度传感器（现象、种类、范围）温度传感器发展趋势热电效应、接触电势和温差电势及其表达式热电偶回路定律及证明温度补偿方法热电阻的参数、分类、特性及应用IC温度传感器的应用

接上一讲内容:

►1-14第4章湿度测量干湿球湿度计露点湿度计电子式湿度传感器湿度计的校准建筑环境测试技术本章主要内容4.1干湿球湿度计►1、普通干湿球温度计普通干湿球温度计由两支完全相同的玻璃液体温度计组成。一支温包上什么也不包，另一支温包上有潮湿的纱布，纱布下端浸在盛蒸馏水的小瓶里叫湿球温度计。1、普通干湿球温度计实验内容、方法与仪器摇转和读数，直到湿球温度保持稳定为止。计算方法空气的相对湿度是干球温度、湿球温度、空气流速和大气压力的函数，用公式表示为：其中：Pn---在湿球温度下空气的饱和水蒸气分压力；

Pb---在干球温度下空气的饱和水蒸气分压力；

相对湿度反映湿空气中水蒸气含量接近饱和的程度。焓湿h-d图缺点：计算与查表不方便。2.电动通风干湿球温度计将湿信号转换成电信号，有利于远传。构造：轴流风机、镍电阻、湿球纱布、盛水杯、测量桥路。4.2．露点湿度计露点温度：将被测空气冷却，当湿空气冷却到水蒸气达到饱和并开始凝结出水分时所对应的温度。先测定露点温度tL，根据tL确定该温度下饱和水蒸气压力PL。PL即为被测空气的水蒸气分压力Pn。1．露点湿度计采用两只玻璃棒温度计，一只测量干球温度，另一只放入黄铜盒内测量露点温度。根据测得的露点温度和干球温度通过查表得到对应的露点温度下的饱和蒸气压力和干球温度下的饱和蒸气压力。缺点：露点温度不易测准。4.2.2．光电式露点湿度计影响测量精度的因素：高度光洁的露点镜；高精度的光学与热电制冷调节系统；采样气体需洁净。属于吸湿法测量，根据氯化锂的吸湿特性和氯化锂吸湿后电阻变化特性。一．传感器形式：梳状、柱状。R感湿膜梳状柱状4.3电子式湿度传感器4.3.1氯化锂电阻湿度计为避免氯化锂溶液发生电解，电极两端应接交流电。(%)1535557595RAB(K)80705232.312.35注意：最高使用温度55℃，当大于55℃，氯化锂溶液容易蒸发。变送器将氯化锂湿度测头接入交流电桥，此电桥将传感器的电阻信号转变为交流电压信号。此电压经放大、检波整流变成与相对湿度成一定函数关系的直流电压，再经电压-电流转换器转换成标准0-10mA的电流信号。4.3.2高分子湿度传感器1．高分子电容式湿度传感器

根据电容公式可知，在电容两个极板的面积和间距不变的情况下，当介电常数发生变化时将引起电容值的变化。特点：迅速吸湿、脱湿，滞后小，响应快，不受气流速度影响，测量范围宽，抗污染能力强，稳定性好。2．高分子电阻式湿度传感器

使用高分子固体电解质材料制作感湿膜，当相对湿度大时，膜中的可移动离子浓度增大，电阻减少，当相对湿度降低时，膜中的可运动离子浓度减少，电阻阻值增大。这样可通过电极间的电阻值的变化测量相对湿度。

4.3.3金属氧化物湿度传感器1．金属氧化物陶瓷湿度传感器

由金属氧化物多孔性陶瓷烧结而成。烧结体上有微孔，可使湿敏层吸附或释放水分子，造成其电阻值的改变。

主要有MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器、NiO陶瓷湿度传感器。2．金属氧化物膜湿度传感器

原理：将调制好的金属氧化物的糊状物加工在陶瓷基片及电极上，采用烧结或烘干的方法使之固化成膜。这种膜的含湿量随着外界空气的含湿量的变化而变化，含湿量的变化又引起电阻阻值的变化，通过测量电阻之间的阻值即可测量相对湿度。特点：传感器电阻的对数值与湿度成线性关系，测湿范围、工作温度范围宽。

4.4湿度计的校准关键：①实现不同范围内维持恒定的相对湿度空间，②可作基准的高精度标定仪器，水的饱和蒸气压是温度的函数，温度愈高，饱和蒸气压也愈高。当向水中加入盐类，溶液中的水分蒸发受到限制，使其饱和蒸气压降低，降低的程度与盐类的种类有关。根据不同的盐类对应的饱和蒸气压不同，即对应的相对湿度不同实现湿度传感器的标定。参考文献

[1].张永瑞，刘振起等编著.电子测量技术基础[M].西安电子科技大学出版社，2000.[2].田胜元，肖曰嵘编著.实验设计与数据处理.中国建筑工业出版社.1988.[3].周渭,于建国编著.测试与计量技术基础[M].西安电子科技大学.2004.接上一讲内容:

第5章压力测量►1-13液柱式压力计弹性压力计电气式压力检测概述压力检测仪表的应用与校准本章主要内容压力垂直作用于物体表面上的力压强垂直作用于单位面积物体表面上的力在建筑环境与设备的测试中，并不严格区分压力和压强。通常所说的压力实际上是指压强。压差测量两个压力之差称压差表压力压力仪表指示的压力值PJPBPZ1、基本概念5.1概述压力单位：帕(Pa)

N/m2，国际单位，兆帕(MPa)106Pa工程大气压，kgf/cm2，98070Pa

约等于一个大气压（1.013e+5Pa)，“自来水压头是5公斤”，用的就是这个单位。mmH2O，9.81PammHg

，133Pa5.1.2．压力测量仪表的分类1．液柱式压力计2．弹性式压力计3．电气式压力计4．负荷式压力计5.1.1．压力测量方法1．平衡法压力测量2．弹性法压力测量3．电气法压力测量5.2液柱式压力计分类U型管压力计单管压力计斜管式微压计特点：结构简单，使用方便，准确度比较高，常用于测量低压、负压、差压。缺点：体积大，读数不方便，玻璃管易损坏。1．U型管压力计假设被测的介质为气体，可忽略被测介质的高度形成的静压值。根据流体静力学原理可得：U型管内径一般为5-20mm，为了减少毛细现象管子内径一般不少于10mm，P2P1U型管h1h20压差ΔP即是表压。2．单管式压力计

因为A1、A2为常数，这样可通过一次读数进行压差测量。当A2/A1很小时，h1可忽略，公式简化为：

PdPx直管h1h23、斜管式压力计P1P2斜管h1h2L主要用于测量微小的压力、负压和压差。为了减少读数的相对误差，拉长液柱，将测量管倾斜放置。

4．液柱式压力计的测量误差及其修正1．环境温度变化的影响及修正h

对于一般的工业测量，主要考虑工作液密度变化对压力测量的影响。修正公式为：2.

重力加速度变化的影响及修正g标准重力加速度下的工作液柱高度使用地点的工作液柱高度3．毛细现象的影响为了减少该误差，通常要求测量管的内径一般不小于10mm。5.3弹性式压力计原理：弹性压力表是利用各种不同形状弹性感压元件在被测压力的作用下，产生弹性变形制成的测压仪表特点：结构简单、牢固可靠、测压范围广、使用方便、造价低廉、有足够的精度，可远传常用弹性压力表：弹簧管式膜片（盒）式波纹管式5.3.1．膜片：使用时周边夹紧，测低压、微压。将两块膜片沿周边对焊起来，形成一膜盒，膜盒式微压计通常用于测量炉膛和烟道尾部负压。精度等级为2.5，最高可达1.5级。PxPxPxPx平薄片波纹片膜盒2．波纹管：开口端固定，封闭端的位移作为输出，由于波纹管的位移相对较大，故灵敏度高，常用于测量较低的压力（1.0-106Pa）精度等级1.5级。Px3．弹簧管：单圈弹簧管多圈弹簧管

弹簧管在量程范围内自由端的位移一般为7-8o，弹簧管作成多圈时，自由端的位移可达45o。弹簧管的自由端的位移可通过杠杆机构带动指针转动，这种机构的指针最大转角为180o，通常作成90度的回转角。最常用的传动机构为杠杆—扇形齿轮机构，可使指针转动270o。5.4电气式压力检测

5.4.1．压电材料及压电式压力传感器

5.4.2．应变片与应变式压力传感器

5.4.3．压阻元件与压阻式压力传感器

5.4.1．压电材料及压电式压力传感器压电效应：压电材料在受压时会在其表面产生电荷，产生的电荷量与所受的压力成正比。压电材料：单晶体，例如石英、酒石酸钾钠等多晶体，例如压电陶瓷，在没有极化之前，因各单晶体的压电效应都互相抵消表现为电中性，为此必须对压电陶瓷先进行极化处理，经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，为石英的几百倍。特点：结构简单、紧凑，小巧轻便，工作可靠，具有线性度高量程范围大等优点。缺点：但是由于产生的电荷量少，因此后续需加高阻抗的直流放大器。由于晶体边缘上存在漏电现象，因此不能用于稳态测量。2,压电式压力传感器结构5.4.2．应变片与应变式压力传感器1．原理：应变片受压时，电阻的尺寸L、S发生变化，引起电阻的变化2．膜片应变片的应力分析其膜片受到从下向上的压力时，中心区受拉应力（假设应力为正），周边区受压应力（应力为负），在R=0处应力达到正的最大值，而在大约距中心60%的地方应力为0。

优点：①温度补偿，②使输出信号加倍。注意：供给桥路的电流要恒定，即为一恒流源。输出电压为10-100多毫伏，后续一般要加电压放大电路。压阻元件及测量桥路5.4.3．压阻元件与压阻式压力传感器压阻元件5.5压力检测仪表的选择与校验5.1．压力检测仪表的选择①测压范围，②被测介质的物理化学性质，③测试精度要求。1.仪表量程选用为保证安全性，压力较稳定时，最大工作压力不超过仪表量程的3/4，压力波动较大时，最大工作压力不超过仪表量程的2/3。为保证准确度，最小工作压力不低于满量程的1/3。

2．仪表精度的选择

根据在测量时允许的最大测量误差选择仪表，可根据仪表的精度等级算出用该仪表测量可能引起的最大示值绝对误差。另外在选择仪表时不需一味追求高精度，只要满足测量