2008测试技术第05章温度测量

本章学习要求：1.认识温标的看法及温度计的分类；2.掌握热电偶温度计、热电阻温度计的测温原理、及有关电路；3.掌握光学辐射式测温计的测温原理；4.能正确地采用温度计并认识温度计的标定方法；5.认识几种其余形式温度计的测温原理。§1温度测量概括1.温度、温标温度：是表示物体冷热程度的物理量，从分子运动论的看法看，温度也是物体内部分子运动均匀动能大小的一个量度标记。温标：用来量度温度高低的尺度称为温度标尺，简称温标。应用许多的有摄氏温标和华氏温标、热力学温标、国际温标。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100度，中间均分为100格，每格为摄氏1度，符号为℃。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212度，中间均分180格，每格为华氏1度，符号为℉。摄氏温标与华氏温标的关系为：热力学温标：又称开氏温标（K）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，表现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质没关的理想温标，已作为国际一致的基本温标。卡诺定理：温标的确定：开尔文温度规定水在标准大气压下的三相点温度为273.16K；三相点到沸点之间分为100等份，每等份记为1K；将三相点以下273.16K定为绝对零度，记为0K，符号：T。绝对温标T与摄氏温标t的关系为T＝t+273.15国际温标:ITS—90（InternationalTemperatureScaleof1990）是一种吻合热力学温标又使用简单的温标，国际计量委员会引入了在各个测温范围内使用的标准测温元件系列利用它们进行温标确定的方法称作国际温标。ITS一90基本内容为：重申国际适用温标单位仍为K；国际摄氏温度和国际适用温度关系为：把整个温标分红4个温区，其相应的标准仪器，以下：①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计；②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计；③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计；④961.78℃以上，用光学或光电高温计；新确认和规定17个固定点温度值以及借助依照这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。2、温度计分类依据温度测量仪表的使用方式，平时可分为接触法与非接触法两大类。（1）接触法当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热均衡后，则它们的温度必然相等。假如其中之一为温度计，即可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。特点：温度计要与被测物体有优异地热接触，使二者达到热均衡。热电偶式、热电阻式与膨胀式温度计（2）非接触法利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。全辐射高温计、单色高温计与比色高温计。§2接触式温度计一、膨胀式温度计（利用物质的体积随温度高升而膨胀的特征制作的温度计）1．玻璃管液体温度计常用：水银温度计和有机液体温度计两种。前者不粘玻璃，不易氧化，简单获取很高的精度，在相当大的温度范围内(－38～356℃)保持液态，在200℃以下，其膨胀系数几乎和温度成线性关系，所以可作为精美的标准温度计。注意：1)零点漂移：玻璃的热胀冷缩也会惹起零点地点的挪动，所以使用玻璃管液体温度计时，应按期校验零点地点。2)露出液柱的校订：使用时一定严格掌握温度计的插入深度，因为温度刻度是在温度计液柱所有浸入介质中标定的，而使用时液柱可按下式求其修正当n为露出液柱所占的度数；K为工作液体在玻璃中可见的膨胀系数；t为主温度计指示的读数(℃)；t0为由次温度计读出的液柱露出部分的均匀温度(℃)。2．压力式温度计压力式温度计由温包、毛细管和弹簧管所构成的密闭系统及传动指示机构构成(图5—1)。依据密闭系统内所充工作物质的不同，压力式温度计可分为三种：(1)充气体的压力式温度计其工作原理是利用温度变化时密闭系统中充填气体膨胀或缩短产生的压力变化来测量温度。所充气体平时为氮气。测温范围为-80～550℃。(2)充蒸气的压力式温度计其工作原理是利用温度变化时密闭系统中所充低沸点液体饱和蒸气压力的变化测温。所充低沸点液体有：氯甲烷(CH3Cl)、氯乙烷(CH2CH2C1)、丙酮(CH3-CO-CH3)、氟里昂12(CCl2F2)、乙醚(CH3OCH3)等。测温范围为-20～200℃(3)充液体的压力式温度计其工作原理是利用温度变化时密闭系统中所充液体的体积变化测温。所充液体有：水银(Hg)、二甲苯(C8H10)、甲醇(CH3OH)等。测温范围为－40～550℃3．双金属温度计双金属温度计是用线胀系数不同的两种金属构成的金属片作为感温元件，当温度变化时，两种金属的膨胀不同，双金属片就产生与被测温度大小成比率的变形，这种变形经过相应的传动机构由指针指示出温度数值，其测量范围在－60～500℃。依据感温双金属片结构形状的不同，有螺旋形双金属温度计和盘形双金属温度计两种。二、电阻式温度计（热电温度计)原理：利用导体或半导体的电阻值随温度而变化的特征所制成的测温仪表。构成：由热电阻、显示仪表或变送器、调理器和连结导线等几部分构成。热电阻的资料常用的有铂热电阻和铜热电阻两类。三、热电偶温度计原理：热电偶是利用“热电效应”制成的一种测温元件。结构：工业热电偶的结构如图5—3所示，它由热电偶、绝缘体、保护管和接线盒构成。热敏电阻器thermistor四、温度计标定1．压力表式温度计的标定标定设备：恒温器、标准温度计、盛有冰水共存的容器。标定方法：把温度计垂直挂在支柱上，将温包所有浸在恒温器内(或浸有冰水共存的容器内)，调整温度计到等于恒温器内温度的刻度点(或0℃)。一般标定点许多于三点，马上度标尺的起点、中点和终点。对每一刻度点的标定，均要在恒温器的温度上升和下降时进行，并取其均匀值。指示值的读数要进行两次，一次是在不敲表壳的状况下读出，一次是在轻敲一下表壳以后读出，轻敲表壳后的指针变化不该超出赞成偏差的一半。2．热电阻的标定标定设备：标准热电阻温度计(标准热电阻温度计所用的资料与被标定的相同)、加热恒温器、冰水共存容器、标准电位计或不低于0.05级双臂电桥一只。校验方法：有两个点一定进行标定，即0℃时的电阻值R0和100℃时的电阻值R100，并检查100℃时的电阻值Rl00对于0℃时的电阻值R0之比值(即R100/R0)能否吻合规定。在测定R0时，要将热电阻放在冰水共存容器中。在标定R100／R0的数值时，应当与标准热电阻温度计比较，标准热电阻温度计所用的资料应与被标定的相同，测量应当用双臂电桥进行，把标准热电阻温度计的电阻看作标准电阻，而被标定热电阻作为未知电阻。测试时，先在冰点恒温器中搁置30min进行电桥均衡，而后在沸点校验器中搁置30min再进行电桥均衡。在读数值时，应当注意两个热电阻能否在相同的温度条件下。在获得读数此后，用以下公式确定被标定的热电阻的R100/R0(Rl00／R0)B为标准热电阻的值，此值可由判定书获取或从国家标准中查得；Ak为搁置在沸点恒温器中时电桥的读数；A0为搁置在冰点恒温器中时电桥的读数。3．热电偶的标定标定设备和资料：标准铂铑－铂热电偶、能够调理温度的管式电炉、拥有冰水混淆共存容器、试管、变压器油、变换开关、电压计或电位差计。标定方法：热电偶的标定方法是把所测量的几支热电偶与标准铂铑－铂热电偶一起放在管式炉中比较它们的读数。使接触式测温的感觉元件的输出能反应被测对象的真切温度，一定满足两个条件：①热力学均衡的条件，即要使温度汁和被测对象构成热力学孤立系统，并经历足够时间；②当对象温度变化时，温度计的温度能够不延缓地跟着变化，即要使温度计的热容和热阻为零。但是，实质测温中不可能满足上述条件，比如温度计除了与被测对象要进行热量交换外，还要和四周环境交换热量，从而产生偏差；温度计的热容与热阻实质上也不可能为零。事实上，接触式温度计指示的温度不过感温部自己的温度(比如热电偶热接点的温度)，将感温部的温度看作被铡对象种近似，某些状况下二者的差异可能很大。五、接触式温度测量偏差(一)测温元件吸热与发热的基本状况吸热：一是被测介质传给测温元件的热量，包含介质对测温元件的导热、辐射和对流换热；二是因为测温元件阻拦了流动介质而在测温元件周边发生气流绝热压缩，因此使流体的动能转变为热能，这种现象在测量高速气流的温度时应当赐予足够重视。散热：一种是由测温元件向四周冷壁的辐射散热和传热，一种是沿着测温元件向外面介质的传导散热(包含测温元件露在外面介质中的部分辐射散热)。后者在静态或中低速流动介质中测量时惹起偏差较大(二)测温元件的安装1.测温元件安装的基本要求测温元件应与被测介质形成逆流，即安装时测温元件应迎着被测介质的流向插入(a)。若不可以迎着被测介质的流向插入，可采用迎着被测介质的流向斜插(b)的方式，最少也须与被测介质正交(即90°)(c)，应尽量防止与被测介质形成顺流。测定液体温度时，插入深度应是保护管直径的9～12倍。在直径小的管道上安装测温元件时，可装置扩大管(图5—18)。在测温元件插入处周边的管道或容器壁外，要有足够的绝热层，以减少因为辐射和导热损失而惹起的偏差。使测温元件处于管道中心，即应使它处于流速最大处。当在管道上倾斜安装时(b)，保护管顶端要高出管中心线5～10mm。跟着测温元件插入深度的增加，测量偏差减少。插入深度应吻合国家有关试验规范或出厂使用说明的要求。如不用保护管时，热电偶插入深度不该小于热电偶丝直径的50倍。2．热电偶与被测表面的接触方式接触方式：点接触式（图a），热电偶的测量端接点直接与被测表面相接触。面接触式（图b），先将热电偶的测量端接点与导热性能优异的金属薄片(如铜片)焊在一起，而后再与被测表面接触。等温线接触式（图c），即热电偶测量端接点固定在被测表面后沿被测表面等温线绝缘敷设最少20倍线径的距离，再引出。分立接触式（图d），两热电极分别与被测表面接触。(三)温度测量偏差1.安装偏差图5—20所示，地点(b)利用直角弯头逆向插入必定深度，能够测得真切温度地点(a)因为插入深度浅，露在大气中不保温的部分长，所以测定值低于真切值；地点(c)因为插入深度稍浅，地点(d)插入深度不够，所以都将产生偏差。这种因为插入深度产生的偏差，就是热电偶的保护管和电偶线的热传导所产生的偏差。2．环境温度与压力的影响对充液温度计，因流体和毛细管资料的温度膨胀系数不同将惹起偏差，把充液球的容积做得大些，把毛细管和压力弹簧管的容积做得小些可减少偏差。对高精度充液温度计，常常将一根能使空间的体积膨胀和液体的膨胀相般配的细金属丝，穿到毛细管孔中来获得赔偿；也有采用一根带有二次压力弹簧管的赔偿毛细管或在指针联接装置中采用一双金属赔偿片来提高温度计精度的。因为压力弹簧管平时用做测量大气压力，所以大气压的变化将对压力弹簧管式的温度示值发生变化而产生偏差。采用高压充注系统可大大减少偏差。对于热电偶，采用冷端赔偿。3.辐射惹起的偏差因温度计的测温元件在测量气体温度时存在着辐射传热而使测温读数(测量值)低于被测气体的实质温度。测量时辐射惹起的偏差与辐射传热系数C成正比，与气体向测温元件表面的传热系数h成反比。为减少测量偏差，应采用表面圆滑的测温元件保护套管，以减少辐射传热系数；同时改良对流传热条件，以增大气体向测温元件表面的传热系数。4．因为热传导惹起的偏差当测温元件保护套管顶部的温度与装置保护套管的管道壁的温度不同时，就会有热量沿测温元件套管流向温度较低的管壁，因为热传导的存在，使测温元件感觉的温度低于被测介质的温度。在安装测温元件时，应减少惹起热传导偏差的因素。3.辐射惹起的偏差因温度计的测温元件在测量气体温度时存在着辐射传热而使测温读数(测量值)低于被测气体的实质温度。测量时辐射惹起的偏差与辐射传热系数C成正比，与气体向测温元件表面的传热系数h成反比。为减少测量偏差，应采用表面圆滑的测温元件保护套管，以减少辐射传热系数；同时改良对流传热条件，以增大气体向测温元件表面的传热系数。4．因为热传导惹起的偏差当测温元件保护套管顶部的温度与装置保护套管的管道壁的温度不同时，就会有热量沿测温元件套管流向温度较低的管壁，因为热传导的存在，使测温元件感觉的温度低于被测介质的温度。在安装测温元件时，应减少惹起热传导偏差的因素。5.高速流动气体的温度测量偏差在测量高速流动气体的温度时，因测温元件固定安装于管道中心，特别是在测温元件迎气流的端部，将会产生前面所述的气体动能变换为热能的现象，因此使测温元件周边温度高升，从而所测得的温度要比气体的实质温度高。气流的速度大于50m/s时，须考虑此项偏差，偏差值可由上式表示。6.时滞现象和时滞的测定1．时滞现象用温度计测量温度的变化时，仪表的指示值要经过必定的时间才逐渐凑近被测介质的温度，这个时间的滞后或叫时滞、滞后或滞延。时滞参数因素：1)测温元件的热惯性：由测温元件自己原来的热状况T1过渡到新的热状况T2的温度时需要必定的时间或滞后。2)指示仪表的机械惯性及阻尼：测温元件将所获取的“热信号”传递到指针和仪表刻度尺上需要有必定的时间，这种滞后是传递机构所固有的，取决于传递机构的特征2．时滞的测定(1)衡量时滞的单位衡量测温元件时滞大小是以时间常数来衡量的。是指测温元件从T1的恒温槽中插入T2的恒温槽中的这一时刻开始，直到测温元件的温度达到T2温度的63.2％时所需的时间。(2)影响时间常数的因素影响时间常数的因素有测温元件的质量、比热容、插入的表面积和放热系数。(3)时间常数的测定可采用瞬时反响法（阶跃响应）测定各种资料和结构的热电阻的时间常数。结论：1)时间常数其实不是不变的，它是被测温度的函数，也就是说，某一测温元件的时间常数不过指这一测温元件在某一温度地区内的时间常数。在高温时，辐射对于测温元件的热传导影响是很明显的，这时测温元件的时滞能够变小。2)当被测温度的物体是流体时，流体的流速变化也会使时滞变化，如图5—23所示。所以，要在流速无规律变化的流体中测量测温元件的时间常数仿佛是不可能的。§3非接触式温度计工作原理：测定物体辐射能的方法测定温度。它不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温度场，动向响应好，所以可用于测量非稳态热力过程的温度值。依据普朗克定律，绝对黑体的单色辐射强度为T≤3000K用维恩(Vien)公式Cl＝3.68×10-16W/m2为普朗克第一辐射常量；C2＝1.438×10-2m·K为普朗克第二辐射常量；λ为波长(m)；T为黑体的热力学温度(K)一、单色辐射式光学高温计原理：利用亮度比较取代辐射强度比较进行测温的。因为物体的温度高于700℃时就会明显地发出可见光，并拥有必定的亮度，其单色亮度与单色辐射强度成正比，代人维恩公式Ts为黑体的温度灰体为灰体的亮度，为灰体单色辐射强度，为物体的单色灰度，T为灰体的温度灰体黑体的亮度与灰体的亮度相等时0＜ελ＜1，所以：Ts＜T。需要依据物体表面的ελ灰度用上式加以修正1．灯丝隐灭式光学高温计特点：灯丝隐灭式光学高温计是一种典型的单色辐射光学高温计，在所有的辐射式温度计中，它的精度最高，因此可用作复现黄金凝结点温度以上的国际适用温标。图27为隐丝式光学高温计原理图。它是将被测物单色辐射亮度与一个可调电流的温度灯的亮度进行比较，每一个电流对应的灯丝温度是已知的，假如二者的亮度相同，则灯丝轮廓就隐灭于被测物体的影像中(图28c)。电流的读数用温度直接刻度，此温度即为物体的亮度温度，再依据图5—26求出物体的真切温度。各种物体的单色黑度系数可从有关资猜中查得。2．光电高温计光电高温计采用光电器件作为敏感元件感觉辐射源的亮度变化，并将其变换成与亮度成比率的电信号，此信号经电子放大器放大后被自动记录下来作为被测物体的温度值。图29为光电高温计原理图。工作过程：被测物体2发射的辐射能量由物镜3聚焦，经过光阑4和遮光板8上的孔9，透过安装在遮光板内的红色滤光片(图上未示)射至光电器件(硅光电池)12上，由对准透镜6、反射镜5和观察孔7构成对准观察系统，使被测物体发出的光束盖满孔9。从反应灯11发出的辐射能量，经过遮光板8上的孔10并透过同一块红色滤光片，也投射到同一光电器件上。在遮光板8前面搁置光调制器，光调制器的励磁绕组17通以50Hz交流电，所产生的交变磁场与永久磁钢16相互作用，使调制片15产生50Hz的机械振动或转动一只圆盘，交替地打开和遮住孔9和10，使被测物体和反应灯的辐射能量交替地投射到光电器件12上。当两辐射能量不相等时，光电器件就产生一个脉冲光电流I，它与这两个单色辐射能量之差成比率。当I的数值经过放大器负反应，使反应灯的亮度与被测物体的亮度相等时，脉冲光电流为零。电子电位差计I用来自动指示和记录光电流I的数值，其刻度用温度值表示。二、全辐射高温计原理：借助于测量物体所有辐射能来确定物体温度的。＝5.6669×10-8W／(m2．K)。当某个基准温度T1下的黑体辐射能（E0）1为已知时，测量未知温度T的黑体辐射能E0蒂芬—玻耳兹曼公式所测物体为灰度为ε的灰体时，其温度可修正三、比色高温计原理：比色高温计是利用两种不同波长的辐射强度的比值来测量温度的，所以又称双色高温计。特点：对于黑体有ελ1＝ελ2＝1，灰体有ελ1＝ελ2，此时都有P＝0。所以，用双色高温计测定灰体时，其温度测定值与相同辐射强度比的黑体温度相等，故无需修正。单色辐射率为ελ物体的单色辐射强度两个单色波长为λ1和λ2的同温度的辐射强度之比三、比色高温计1.单通道光电比色高温计图5—33为单通道光电比色高温计的原理图。被测物体的辐射能经物镜组1聚焦，经过通孔成像镜2被硅光电池接受器5接受。同步电动机4带动调制盘3转动，盘上装有两种不同颜色的滤光片，交替经过两种波长的光，使接受器5输出两个相应的电信号。对被测对象的对准由反射镜8、倒像镜7和目镜6来实现。为使光电池工作稳固，将其安装在一恒温容器内，容器温度由光电池恒温电路自动控制。2．双通道比色高温计图5—34为双通道比色高温计原理图。它采用分光镜把辐射能分红不同波长的两路，即红外光透过分光镜7投射到硅光电池6上；可见光则被分光镜反射到另一光电池10上。利用两个硅光电池输出信号的差值，即可求得被测物体的比色温度值。四、红外测温仪当被测物体的温度低于700℃时，不会明显地发出可见光，难以使用辐射式温度计来测温。需要用红外敏感元件来检测。图5—35为红外测温仪的工作原理图，它和光电高温计的工作原理相像，为光学反应式结构。被测物体S和参照源R的红外辐射经调制盘T调制后输至红外探测器D。调制盘T由同步电动机M带动，探测器D的输出电信号经放大器A和相敏整流器K后送至控制放大器C，控制参照源的辐射强度。当参照源和被测物体的辐射强度一致时，参照源的加热电流即代表被测温度。热像仪是利用红外扫描原理来测量物体表面温度分布的，它摄入来自被测物体各部分射向仪器的红外辐射通量的分布，利用红外探测器水平扫描和垂直扫描，次序地直接测量被测物体各部发散射出的红外辐射，综合起来就获取物体发射的红外辐射通量的分布图像，这种图像称为热像图或称为温度场图。一、气体温度计1.气体温度计的基本源理原理:依据热力学原理，理想气体状态方程.种类：定容气体温度计、定压气体温度计和测温泡定温气体温度计。因为定压的方法测量体积比较困难，定温法合用于高温，而在低温时，气体分子吸附作用的影响不大，定容技术上又要求简单，并且有较高的敏捷度，所以低温气体温度计大多半采用定容法。§4气体温度计定容气体温度计：由测温泡、一根热导率小的德银毛细管和压力表构成。其原理图如图5—36所示。平时，测温泡用铜制作，体积约几十㎝3，设其体积为VB。压力表(能够用水银压力计，也能够用弹簧压力表)的容积为VM，测温泡和压力表之间平时用一根外径为0.5mm、内径为0.3mm的德银(或不锈钢)毛细管连结，其体积为Vd，Vd称有害体积或死体积常数在两个已知温度下测出相应的压力值，其中一个选为室温T0及T0下的充气压力P0，进一步即可求得a、b，可算出所测得的某一压力p下的温泡温度TVB为测温泡容积；VM为室温压力计容积；T0为室温；T为测温泡的温度；P为压力计指示压力；P0为充气压力。2.试验室用气体温度计结构图为试验室用气体温度计的结构表示图。从温泡B内引出德银毛细管C，用环氧树脂封接到玻璃毛细管G上，W和V用相同管径(φ10mm)的玻璃管制作，W处的水银面要尽量高，以减小VM，但不可以进入玻璃管直径有变化处，并且每次测量时要在同一地点(基准O)上，从而保证测温泡气体体积的恒定。加一段玻璃毛细管的目的是为了能观察有否水银有时进入毛细管中。水银面的起落是靠向F充气或减压来实现的。N是一针尖阀，N前再加一个可控制水银面高度的微调阀S。测温泡受热后，气体能够存在泡D中，使水银面降到了以下。能够经过管V对温度计进行抽空或充气，跟着测温泡温度了而变化的气体压力户由管V中水银面相对于标记O的高度读出3.气体温度计的基本源理1）工作气体的非理想性修正真切气体的状态方程式，即用无量级数或维里系数表示式表示充气温度或标定温度与待测温度越凑近，值越小，气体的非理想性惹起的偏差也越小。相同，温度越低，压力越高，产生的偏差也越大。B(T)和C(T)分别是第二、三维里系数，是温度的函数，可由试验测定。在室温下充气，T=Ts，充气压力为Ps当VM≤VB、T0≥T气体非理想性惹起的温度偏差2）毛细管体积修正因为毛细管的上部处于室温中，它的体积能够认为已包含在VM中，但它的温度从室温到低温变化很大，要正确计算这段毛细管惹起的偏差是十分困难的。一般假定这段毛细管各部分的温度均等于测温泡的温度，则由毛细管惹起的最大温度偏差为从上式可知，若要求温度计的正确度高于1％，则当毛细管内径为0.5mm，长50cm(VC＝0.1cm3)时，测温泡的体积应大于10cm3。在使用时还要注意，毛细管的温度不该比温泡低，不然大多半气体