工程测量技术温测量

（优选）工程测量技术温度测量当前第1页\共有39页\编于星期二\21点1温度测量的分类接触式测温—

利用热平衡原理，测温敏感元件接触被测物体，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度。特点：测温方法简单、可靠，测温精度高，但因与被测体表面接触并吸收其一部分温度，故会破坏被测物体表面温度场，且响应速度较慢。利用热辐射原理，敏感元件不必与被测物体接触。

特点：不会破坏被测体表面温度场，且响应速度较快，但测温误差较大。非接触式测温—当前第2页\共有39页\编于星期二\21点2测温传感器分类膨胀式温度计非接触式测温传感器全辐射高温计光学高温计比色高温计液体温度计固体温度计压力温度计热电阻温度计热电偶温度计接触式测温传感器当前第3页\共有39页\编于星期二\21点36.1热电偶温度计在常用的温度仪表中，热电偶温度计是目前科学研究和工业生产中应用最广的一种，常用来测量-100~1700℃之间的温度。在特殊情况下，还可测2800℃的高温或2K的低温。它具有结构简单、精度高、热惯性小、使用方便，适于信号传输、自动记录和控制等优点。6.1.1热电偶测温原理热电效应（导体A与B回路有电动势，由以下两种电势组成）接触电势（导体A与导体B的电子密度不同，扩散速率不同）温差电势（同一导体两端温度不同产生的热电势）当前第4页\共有39页\编于星期二\21点46.1热电偶温度计对于一定的热电偶（材料固定），当参考端温度t0恒定时，接点t0的分热电势eAB(t0)为常数C。则热电偶回路的总热电势EAB(t,t0)仅是测量端温度的单值函数

可见，当t0恒定时，热电偶的热电势仅随测量端温度而变。为此，只要事先测出热电偶在t0=0℃时的热电势与测量端温度的对应关系，并整理成分度表或绘成热电特性曲线或整理成数学公式，便可根据所测得的热电势来推算被测温度。为方便和实用，国内外已颁布各种热电偶分度表均规定参考端温度为0℃。各种不同的热电偶材料有各自对应的分度表。

当前第5页\共有39页\编于星期二\21点56.1热电偶温度计6.1.2热电偶回路的性质一、均匀导体定律由一种均匀导体组成的闭合回路，不论导体的截面和各处温度分布如何，都不会产生热电势。该定律说明：热电偶必须由两种不同性质的材料构成;由一种材料组成的闭合回路存在温差，如果回路产生热电势，说明该材料是非均质的。据此，可检查热电极材料的均匀性。当前第6页\共有39页\编于星期二\21点66.1热电偶温度计二、中间导体定律在热电偶回路中插入第三种（或多种）均质导体，只要插入导体两端温度相同，则对热电偶的总热电势没有影响。如图是插入中间导体的两种形式，现将左图证明如下：回路总热电势为如果回路内各接点温度为t0，则有由此得

当前第7页\共有39页\编于星期二\21点76.1热电偶温度计中间导体定律表明，热电偶回路可接入测量仪器，只要保证仪表与热电偶两接点处温度相同，则接入仪表不会影响原热电偶回路的热电势。当前第8页\共有39页\编于星期二\21点86.1热电偶温度计三、中间温度定律热电偶A、B在接点温度为t,t0时的热电势EAB(t,t0)等于接点温度为t,tn时的热电势EAB(t,tn)和EAB(tn,t0)代数和，即证明如下：结论：如果已有参考端温度为0℃时的热电势温度关系，则对于参考端温度不为0℃时的热电势，均可按上式求得。当前第9页\共有39页\编于星期二\21点96.1热电偶温度计6.1.3热电偶的材料热电极材料应满足如下要求：1、测温范围宽，热电特性稳定，线性好;2、电导率要高，电阻温度系数和比热要小;3、有较高的热电势率;4、易于复制，工艺性及互换性好，便于有统一的分度表;5、资源丰富，价廉。目前国际上公认比较好的热电极材料只有几种，它们适用于各自的温度范围。一、标准化热电偶标准化热电偶是指工艺成熟、应用广泛、性能优良而稳定，并已列入工业标准化文件中，有统一分度表的那些热电偶。当前第10页\共有39页\编于星期二\21点106.1热电偶温度计铂铑10—铂热电偶，分度号为S。热电性能稳定，适用于氧化性、中性气氛中。工业上一般用它测量1000℃以上温度。它的长期使用温度为1300℃，短期使用温度为1600℃。缺点是价格较贵，机械强度稍差，热电势小，在还原性气氛及含硫、硅、碳、碳化合物介质中使用时易被沾污变质，需加保护管。铂铑30—铂铑6热电偶，分度号为B。与S型热电偶相比，它的测温上限更高，长期使用温度为1600℃，短期使用温度为1800℃。热电势更小，尤其在室温下热电势极小，故一般不需要参考端温度补正。价格比S型更贵。镍铬-镍硅（镍铬-镍铝）热电偶，分度号为K。优点是热电势率大（比S型大4~5倍），价廉，热电特性呈近似线性关系。500℃以下可在还原性、中性和氧化性气氛中可靠地工作，500℃以上只能在氧化性和中性气氛中工作。长期使用温度为1000℃，短期使用为1300℃。镍铬-镍硅和镍铬-镍铝两种热电偶的热电特性几乎完全一致，但镍硅合金抗氧化性能优于镍铝合金。目前我国已用镍铬-镍硅热电偶取代镍铬-镍铝热电偶。当前第11页\共有39页\编于星期二\21点116.1热电偶温度计铜—康铜热电偶，分度号为T。因为铜热电极易氧化，故在氧化性气氛中使用时不宜超过300℃。优点是热电势率大、特电特性较好，易复制、价廉，可用来测-200℃的低温。在0~100℃范围内可作为二等标准热电偶。二、非标准化热电偶目前非标准化热电偶的应用远不及标准化热电偶普遍，但在高温、低温、超低温或有辐射等特殊环境中有某些良好的性能。当前第12页\共有39页\编于星期二\21点126.1热电偶温度计钨铼系热电偶，有钨铼5-钨铼20、钨铼3-钨铼25、钨铼5-钨铼26等。目前是一类较好的超高温热电极材料。其最高使用温度受绝缘材料限制目前可达2500℃，而热电极本身使用温度可达2800℃，热电势与温度几乎呈线性，但不宜在氧化性气氛中使用。铱铑系热电偶，这是当前在真空中和中性气氛中，特别是氧化性气氛中唯一可长期测量2000℃的高温热电偶。它是高温试验及火箭技术、航空和宇航技术中的一种极其重要的测量工具。国产系列有铱铑40—铱、铱铑50—铱和铱铑60—铱等。此外，还有热解石墨热电偶，二硅化钨—二硅化铝、石墨—碳化钛和石墨—碳化铌等非金属热电偶。它们在某些特殊环境，如高温氧化性气氛和含碳气氛中使用时具有特殊的优点。当前第13页\共有39页\编于星期二\21点136.1热电偶温度计三、热电偶的结构1、普通型热电偶，结构外形如图4-7热电极，其直径由材料价格、机械强度、电导率及测温范围等决定。热电偶的工作端常采用焊接方式连接。焊点有点焊、对焊和绞状焊等形式。绝缘管，用于防止两热电极短路。其材料选用由所测温度范围而定。结构形式有单孔、双孔、四孔瓷管或氧化铝管等。

当前第14页\共有39页\编于星期二\21点146.1热电偶温度计保护管，为使热电偶免受化学和机械损伤，有时需将热电极（包括绝缘管）装入保护管。接线盒，其作用是供连接热电偶和补偿导线之用，它一般由铝合金制成。2、套管热电偶它是由热电偶丝、绝缘材料、金属套管三者组合加工，由粗坯逐步拉制而成。其结构形式有如图4-10所示的四种。目前生产的套管热电偶有S、B、K型和铱铑40—铱等。直径为0.25~12mm,长度可达100m以上。其特点是测量端热容小，动态响应快，机械强度高，能耐高压、耐强震动、耐冲击，挠性好。缺点是绝缘材料易吸潮，断口处要立即用环氧树脂封口，使用前要烘烤，并检查绝缘性能。当前第15页\共有39页\编于星期二\21点156.1热电偶温度计6.1.4热电偶的参考端温度处理在热电偶材料选定后，热电势E只与两接点温度t和t0有关。所以，只有当t0稳定且为已知时，E和被测温度t才有单值函数关系。此外，实用的热电偶分度表均以t0为0℃分度的，但实际测温中t0往往既不稳定，也不一定是0℃，为此须对热电偶的参考端温度进行处理。1、冰点法这是一种实验室常用，使t0稳定在0℃的处理方法。具体方法是将纯水和碎冰混合物置于保温瓶中，把装有适量油类或水银的细玻璃试管插入冰水混合物中，热电偶的参考端就插到试管底部便实现了t0=0℃的要求。当前第16页\共有39页\编于星期二\21点166.1热电偶温度计2、参考端温度tn≠0℃但为定值时的处理方法热电势修正法参考端温度为tn时的热电势为可见，当参考端温度tn≠0℃时热电偶的热电势将不等于EAB(t,0)，当tn恒定不变时，差值EAB(tn,0)是一个常数。为此，只需将测得的热电势EAB(t,tn)加上EAB(tn,0)就可得到所需EAB(t,0)，因此可在相应分度表上查得被测温度t。调整仪表起始点法直读式仪表在tn已知时可先断开测量线路后把仪表起始点调至tn处，这相当给仪表先输入一个热电势EAB(tn,0)。然后闭合测量线路，这时仪表指示被测温度t，这叫调仪表起始点法，适用于参考端温度较稳定及精度要求不高的场合。当前第17页\共有39页\编于星期二\21点176.1热电偶温度计3、参考端温度tn波动时的修正方法补偿导线法——实用的热电偶，尤其是贵金属热电偶往往是长度一定、结构固定的。而测温现场又往往须要把其参考端移至远离被测对象且温度较稳定的场合。这可以采用在一定温度范围内其热电特性与所配的热电偶基本一致而价格便宜的补偿导线来作为热电偶丝的延伸部分。补偿导线的色别及热电特性如表所示。当前第18页\共有39页\编于星期二\21点186.1热电偶温度计冷端补偿器法——它是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因参考端温度变化而引起的热电势变化，它常用于参考端温度难于长期维持恒定的场合。冷端补偿电桥的线路如图所示。桥臂电阻R与热电偶参考端处于相同的环境温度。一般选择Rcu在20℃时使电桥处于平衡状态，即电桥无补偿作用。当参考端温度变化时，热电势E(t,tn)及Rcu均会随之变化，适当选取限流电阻Rs的值，可使电桥产生的不平衡桥压Uab刚好补偿由于参考端温度变化而引起的热电势变化。即Uab=E(tn,0)，这时仪表就能正确指示测量端温度。

当前第19页\共有39页\编于星期二\21点196.1热电偶温度计6.1.5测量热电势的显示仪表热电势的显示仪表有动圈式仪表、直流电位差计、电子电位差计及数字电压表等。由于高精度的数字电压表的问世，因其精度高、快速显示及能与微型计算机连用而广受欢迎，有的甚至可替代高精度的直流电位差计。一、动圈式仪表动圈式仪表是一种磁电式仪表，输入信号是热电偶的热电势，输出信号是指针相对于标尺的位移。国产的XCZ-101动圈式仪表的工作原理如图。当前第20页\共有39页\编于星期二\21点206.1热电偶温度计由张丝支承的动圈处于均匀恒定磁场中。当有热电势输入后，动圈内有电流并受磁场力作用而偏转，偏转力矩大小与电流成正比。同时张丝产生反抗力矩。当上述两个力矩平衡时，动圈停于某一位置。如果测量系统电阻值恒定，则与动圈相连的指针便指示被测温度或热电势值。当前第21页\共有39页\编于星期二\21点216.1热电偶温度计二、直流电位差计直流电位差计是采用把被测量与已知标准量比较后的差值调至零差的测量方法。由于其平衡时热电偶回路内无电流，因而其测量精度高，且对测量回路电阻无严格要求，它常用于实验室等测量精度要求较高的场合作稳态值测量。如图，有三个回路，即工作电流回路Ⅰ、校正回路Ⅱ和测量回路Ⅲ。测量时先把K键拨向“校正”位置。调整电阻Rs以改变回路电流强度I使检流计G指零为止。此时Ⅱ回路中标准电池的电势EN与标准电阻RN上的电压降平衡。I=EN/RN=常数。然后把K拨向“测量”位置，调电阻盘RAB使检流计G再次指零。这时Ⅲ回路中电阻盘RAB两端的分压Ex与热电势EAB平衡。由于(EN/RN)为定值，故电阻盘上可用毫伏进行刻度而直接读出热电势值。当前第22页\共有39页\编于星期二\21点226.1热电偶温度计三、自动电子电位差计此电位差计的特点是能连续自动记录和对被测参数进行自动控制等多种功能，所以工业中被广泛采用。如图，它的工作电流回路与直流电位差计类似，不同之处是它用电子放大器代替检流计。放大后的不平衡信号电压驱动伺服电机，并带动滑线电阻触点B及指针移动，直至Et=UAB为止。此时UAB即为被测热电势值，也可在标尺上以某分度号热电偶的温度刻线。当前第23页\共有39页\编于星期二\21点236.2热电阻温度计电阻温度计广泛用于测量-200~+500℃之间的温度，特殊情况下可测温低达1K，高达1000℃以上的温度。电阻温度计是根据导体(或半导体)的电阻随温度变化而改变的性质，通过测量其电阻值从而推算出被测物体的温度。电阻温度计的优点是精度高，无参考端处理问题，信号便于远传，缺点是受导线电阻的影响。能满足物理化学性能稳定、便于复制、价廉、电阻温度系数大且最好是常数等要求的热电阻材料仅有铂、铜及镍等少数几种。

当前第24页\共有39页\编于星期二\21点246.2热电阻温度计6.2.1工业用铂电阻工业用铂电阻适用于-200~850℃全部或部分范围内测温，其主要特性是测量精度高、稳定性好。6.2.2工业用铜电阻工业用铜电阻适用于-50~150℃范围内测温，其主要特点为测温精度高、稳定性好、价廉，但因其电阻率小，所以体积较大。6.2.3热电阻的结构热电阻的结构形式很多。图示出铂和铜热电阻的两种形式，它们都是将纯金属丝固定在绝缘支架上。一般在其外部还要加保护套管，使之起保护和改善热传导作用。当前第25页\共有39页\编于星期二\21点256.2热电阻温度计6.2.4热敏电阻半导体热敏电阻一般由各种金属氧化物（如氧化铜、氧化铁等）按比例混合烧结而成。其优点是电阻率大，体积小，灵敏度高，热惯性小，结构简单。缺点是线性及互换性差，测量范围一般仅为-50~300℃等。热敏电阻的形状有珠状、圆柱状、片状等多种形式。图为珠状热敏电阻。当前第26页\共有39页\编于星期二\21点266.2热电阻温度计6.2.5测量热电阻的显示仪表及线路测量热电阻值的仪表和方法有平衡电桥、动圈式仪表、电位差计及恒流源法等。一、平衡电桥图4-18(a)是平衡电桥中的测量线路，R1=R2为比例臂，R3是可变桥臂，Rt为热敏电阻，设Rx=Rt+ra+rb，ra、rb为导线电阻值，则当电桥平衡时有由于ra和rb受环境温度影响，因而无法精确测出Rt，带来测量误差。图4-18(b)的热电阻接有三根相同的连接导线，即ra=rb=rc。电桥平衡时有这就有效地消除连接导线电阻的影响。当前第27页\共有39页\编于星期二\21点276.2热电阻温度计二、动圈式仪表图4-19是测量热电阻值的动圈式仪表原理图。热电阻Rt的值随被测温度变化时，电桥平衡破坏，A、B两端产生的不平衡桥压会在动圈中形成电流，使动圈在磁场中受力偏转，同时带动指针在标尺上指示相应被测温度。为消除连接导线的影响，也常用三线制。当前第28页\共有39页\编于星期二\21点286.2热电阻温度计三、用电位差计测热电阻热电阻Rt可与标准电阻RN、可变电阻Rs一起串连成图4-20线路。首先可用电位差计测得标准电阻RN两端压降UN，从而得到回路内电流强度I为然后再用电位差计测热电阻Rt两端压降Ut，则用电位差计法测热电阻不受连接导线电阻影响，因而有较高测量精度。

当前第29页\共有39页\编于星期二\21点296.2热电阻温度计四、恒流源法测热电阻数字式仪表内备有测量电阻值的恒流源，为此被测电阻可接成图示的四线制。A、B两端与仪表的恒流源插孔相接，流过热电阻Rt的是恒定电流强度I，而在C、D两端产生电势Ut。由于流过Rt的I为数值很小的恒定值，故仪表的显示部分可直接显示Rt的电阻值。此法的优点是因为恒流源内阻很高，导线电阻可不计。另外，输入仪表的C、D两端是电势（无电流流入仪表输入端），因此，导线电阻等对它也无影响。此法与微型计算机连用，还可实施快速、多点测量和打印。当前第30页\共有39页\编于星期二\21点306.3温度探针前两节已介绍了测量温度的热电偶和热电阻温度计。本节要介绍的内容是当这些温度计的传感器（温度探针）被用来测量在航空发动机及其部件试验中常常遇到的高速、高温及动态气流温度时，即使这些温度探针本身的精度很高，它们仍然会产生较大的甚至严重的测温误差。这些误差有速度误差、传热误差和动态响应误差。6.3.1高速气流的温度测量当被测气流速度较高（如马赫数M>0.2或0.3）时，一般要考虑因速度不能完全滞止对测量温度的影响。当前第31页\共有39页\编于星期二\21点316.3温度探针气流中的温度：总温T*，静温T，动温Tv=T*-T=v2/2Cp，则能量方程为当温度探针置于高速气流中时，它感受的温度由于气流部分滞止而高于静温，但又不能完全滞止而低于总温，称它为有效温度Tg。速度误差ΔTv=T*-Tg。当不计探针对外散热时，Tg-T表示气流的动能恢复为热能的部分，而T*-T表示气流动能全部恢复为热能应有的能量，两者之比称为温度探针的复温系数r它表示气流绝能滞止时动能恢复为热能的程度。当前第32页\共有39页\编于星期二\21点326.3温度探针由于可得ΔTv与r和M之间的关系为从上式可以看到，用热电偶等温度探针来测量气流温度时，复温系数越小，M越高，速度误差ΔTv则越大。为了减小高速气流测温中的速度误差，在选用或设计温度探针时要使其受感部有较高的复温系数，或对每支探针进行实验测定后加以修正。当前第33页\共有39页\编于星期二\21点336.3温度探针图4-22是几种滞止罩式热电偶，目的是使气流尽可能滞止下来。其中（c）的滞止罩上还可以开有小孔，其作用是加强气流与热电偶的对流换热，以减少热电偶的导热与辐射损失。图4-23表明复温系数的大小不仅与热电偶的

结构形式有关，还与气流方向和热电偶的相对位置有关。当前第34页\共有39页\编于星期二\21点346.3温度探针6.3.2高温气流的温度测量用温度探针测量高温燃气温度时，除存在速度误差外还存在传热误差。对于低速(M<0.2)的高温气流，传热误差是主要的。下面我们以图4-24所示的裸丝热电偶为例说明热电偶测量端的热交换关系。通过对流，测量端从高温气流得到热量Qα测量端与周围环境的辐射换热Qr测量端的导热Qλ测量端的储热Qs当前第35页\共有39页\编于星期二\21点356.3温度探针如果忽略气体对测量端的导热以及认为它是非辐射性的，则测量端的热平衡方程为当测量端达到稳定状态时Qs=0，以及如果测量端本身导热也可以不计时有可见，减小测量误差ΔT的办法首先可增大α。增加流过测量端的流速、增强气流紊流度及减小热电偶直径等都使α增大。另一办法是减少辐射散热，如选用ε小的热电偶材料、对热电偶测量端