热能与动力工程测试技术-第五章温度测量课件

第五章 温度测量1第一节 概述温度的概念宏观：表征物体冷热程度；微观：大量分子运动平均动能的度量。温标用来度量温度高低的尺度，规定了温度的零点和基本测量单位。各类温度计的刻度均由温标确定。常用温标：热力学温标、国际实用温标、摄氏温标、华氏温标2☆摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为℃。☆华氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法选取氯化铵和冰水混合物的温度为零度，人的体温为100度，单位为℉。3☆ 热力学温标：热力学温标是英国物理学家开尔文于1848年提出，是以卡诺循环为基础。T2Q2卡诺热机Q1T14由于水期维持在0.1mK国际计量大学温际的基水的冰点和的三相点(273.16K)的稳定性能长范围内。因此，1954年第10届会决定采用水的三相点作为热力本固定点，温标的表达式为：三相点的热力学温度相差0.01K，因此5☆ 国际实用温标：是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便

。温度计分类据传感器的测温方式：接触式：膨胀式、电阻式、热电偶式非接触式： 辐射式接触式的精度高、响应慢、受高温限制

非接触式的精度低、响应快、受低温限制6按照温度测量范围：超低温：

0～10K7低温：

中高温：超高温：10～800K800～1900K；1900～2800K2800K以上第二节 接触式温度计一、膨胀式温度计玻璃管液体温度计（水银温度计）水银的凝固点是

-38.87℃，沸点是356.7℃☆特点：结构简单，使用方便，价格便宜，准确度高，但易损坏，只适合现场直接读数，信号不能远传。8

其他有机液体常用：酒精、二甲苯、煤油酒精的凝固点-177.5℃，沸点：+78.5℃，可用于低温测量。☆两个问题零点漂移：定期校验零点位置露出液柱的校正半浸入式温度计按规定深度浸入被测温介质的玻璃温度计，当外露部分的环境温度与标定值不同时：9修正公式：露出部分液柱所占的度数。视膨胀系数。全浸入式温度计温度计的整个液柱浸入被测温介质中，使液柱面与介质表面尽可能处于同一平面上。温度计测量时的读数10压力式温度计原理：密闭系统内的气体或液体受热后压力变化压力式温度计中，通常填充的感温物质可分为三类：充液式、充气式和充低沸点液体式三种。1）充气式一般多用氮气，压力与温度的关系接近线性。特点：充气式仪表的温度刻度一般比较均匀，测温范围一般为-100℃～500℃。精度等级常见的有：1.5，2.5级。112）充低沸点液体所充的液体是低沸点液体，并且在温泡中只充一半低沸点液体，以便于使密闭系统中存有一定的低沸点液体的泡和蒸汽。由于液体的饱和蒸气压是温度的单值函数，利用该关系构成测温计。这种充低沸点液体式的温度计又常叫饱和蒸汽压式温度计。精度：1.5，2.5特点是：热惯性小，但刻度是非线性的123）充液式充液式在结构上与充气式相同，其不同之处是密闭系统中所充的是膨胀系数较大的液体，注意充液时必须全部充满不留空隙。以前常用水银，我国多用二甲苯，甘油，甲醇等。特点：体积较充气式小，热惯性大优点：简单可靠，不用电源，不怕震；三种压力式温度计，充液式精度最高，充低沸点液体式热惯性最小，充气式测量范围最大。13影响精度的主要原因：

1）浸入深度问题要求压力式温度计的温泡必须全部浸入被测介质之中，因为标定是按温泡全浸入条件下进行的。环境温度变化对仪表示值的影响。大气压力变化对示值的影响。因为这种温度计的显示仪表都是弹簧管式压力表，测得的为相对压力（表压）。14时因弯曲变形带动指针就构双金属温度计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，在温度变化而使其另一端有明显位移，借此成双金属温度计。15二、热电阻温度计电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。161）铂热电阻(WZP)特点：精度高、稳定性好、性能可靠。测温范围和应用：

－259.34～630.74℃、标准用温度基准电阻比：

W(100)—纯度；W(100)＝R100

/

R0•

•基准铂热电阻：W(100)≥纯精度：±0.001℃～±0.001.39256度99.9995％；01℃17•

•工业用标准热电阻：W(100)≥1.391，精度：−200℃～0℃，±1℃；0℃～100℃，±0.5℃；100℃～650℃，±(0.5％)t我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号分别为Pt10和Pt100，其中以Pt100为常用。铂热电阻不同分度号亦有相应分度表，即Rt-t的关系表。实际测量中，只要测得热电阻的阻值Rt，便可从分度表上查出对应的温度值。182）铜热电阻(WZC)测温范围和应用：−50℃～100℃，工业用温度计；百度电阻比：W(100)≥1.425，精度：−50℃～50℃，±0.5℃，50℃～100℃，±(1％)t电阻－温度特性：Rt=R0

(1+αt)，在测温范围内线性。分度号：Cu100，Cu50，等。19优点：铜热电阻的电阻温度系数较大、线性性好、价格便宜。缺点：电阻率较低，电阻体的体积较大，热惯性较大，稳定性较差，在100℃以上时容易氧化，因此只能用于低温及没有侵蚀性的介质中。20二、热电偶温度计国际电工委员会（ICE）对热电偶公认性能比较好的材料制定了统一的标准，ICE推荐的标准化热电偶7种。名称分度号名称分度号名称分度号铂铑10-铂S铜-康铜T镍铬-镍硅K铂铑30-铂铑6B镍铬-康铜E铂铑13-铂R铁-康铜J21常用热电偶的材料1）铂铑10-铂热电偶（分度号S）正极是铂铑丝(铂90%，铑l0%)，负极是纯铂丝。测量温度最高长期可达1300℃，短期可达1600℃，一般用来测量1000℃以上的高温。优点：材料性能稳定；测量准确度较高，可做成标准热电偶；抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。缺点：在高温还原介质中容易被侵蚀和污染，热电动势小，灵敏度低、成本高。222）铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）正极是铂铑丝(铂70%，铑30%)，负极也是铂铑丝(铂94%，铑6%)，俗称双铂铑。测量温度最高长期可达1600℃，短期可达1800℃。优点：材料性能稳定，测量精度高，测温上限高。缺点：在还原性气体中易被侵蚀，灵敏度低，成本高。233)

镍铬-镍硅热电偶（分度号K）正极是镍铬合金，负极为镍硅。测温范围：-200℃～+1300℃。优点：测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大、高温下抗氧化能力强、价格低，所以在工业上应用广泛。缺点：热电动势的稳定性和精度较B型或S型热电偶差，在还原性气体和含有SO2、H2S等气体中易被侵蚀。244)

铜-铜镍热电偶（分度号T）正极是铜，负极是铜镍合金。测温范围：-200℃~+400℃。优点：精度高、复现性好、稳定性好、价格便宜。

缺点：铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃。在0℃～-100℃范围内，铜-铜镍热电偶已被定为三级标准热电偶，用以检测低温仪表的精度，误差不超过±0.1℃。255)镍铬-铜镍热电偶（分度号E）正极是镍铬合金，负极是铜镍合金。测温范围：-200~+1000℃。优点：热电动势较其他常用热电偶大。适宜在氧化性或惰性气氛中工作。6)铁-铜镍热电偶（分度号J）正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围：-200℃~+1300℃。优点：价格低、热电动势较大（仅次于E型热电偶）、灵敏度高、线性度好、价格便宜。缺点：铁极易氧化。26常用的热电偶结构1、普通工业热电偶温度低于1000℃绝缘套管多为氧化铝或工业陶瓷管，在高温（1000℃以上）时，多为金属套管。272、铠装热电偶铠装型热电偶可长达上百米A

B绝缘材料薄壁金属 保护套管（铠体）铠装型热电偶横截面28铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击

的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。293、薄膜热电偶特点：热电偶可以做得很薄（μm），具有热容量小、反应速度快（μs）等特点，适于壁面温度的快速测量，且响应快，其时间常数可达到微秒级。测温范围一般在300℃以下。304、表面热电偶一、滚筒式表面热电偶：可不停车测量炼胶机，压延机辊筒，瓦楞纸机滚筒及移动，转动时的物体表面温度测量。二、注射式热电偶：测量胶料，胶带，胶板，轮胎及可插入内部物体的温度测度。三、烟斗式表面热电偶：测量硫化机平板，热压机平板，模具外表及各种发热体的固体表面温度。四、直柄式表面热电偶：适用于静态固体表面测量。如：铸模，玻璃器具，模具；轴承，电机，管道外壁，锅炉外壁，机床，

铝锭，焊接等各种热体表面温度。五、薄片式热电偶：适用于各种机械设备及其它狭缝处测温。六、弓形表面热电偶，适用于适用于滚轴、管道、圆柱体表面温度测量。31K分度表32测量端温度

(℃)0102030405060708090热电动势(mV)00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91923.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26441.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.720110045.10845.48645.86346.23846.61249.98547.35647.72648.09549.162120048.82849.19249.55549.91650.27650.66350.99051.34451.69752.040130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——镍铬—镍硅热电偶分度表（冷端温度为0℃）四、温度计的校验热电阻温度计的校验1、比较法标准仪器：标准水银温度计或标准铂电阻温度计恒温热源：冰点槽、恒温水槽（油槽）33标定点：规定的几个温度点比较测量：偏差不超过规定最大误差2、两点法仅校验0℃时的电阻值和100

℃时的电阻值，并检查 是否符合规定。采用半桥工作进行测量

两个热电阻的材料应相同热电阻三线制接法34热电偶温度计的校验

1、初次使用进行分度确定热电动势和温度的对应关系热电偶应在规定的温度点进行比较式校验。3536接受的热量五、接触式温度测量的误差感温元件的基本情况被测介质的传热流体的绝热压缩高流速散出的热量对冷壁的辐射和传热37自身散热安装误差1、安装要求感温元件应与被测介质形成逆流；最低要求感温元件应处于管道中心；倾斜安装时，保护管顶应高出管中心线5～10mm。感温元件插入处附近的管道应有足够的绝热层。38安装方式不同引起的误差应有足够的深度金属保护管其安装深度约为直径的15—20倍陶瓷材料插入深度约为直径的10-15倍39接触方式不同引起的误差精度最低 精度最高点接触 面接触 等温接触 分立接触壁面温度测量应优先考虑：

1．应尽量采用直径小、导热系数低的热电偶；优先考虑等温线敷设。被测材料为非良导热体可采用面接触方式。4．表面开槽敷设对提高测量精度更为有利。40辐射引起的误差高温烟气主要以对流方式传热给热电偶热电偶与周围冷壁面以辐射方式进行误差辐射传热系数41降低辐射误差的主要途径采用表面光滑的保护套管；改善对流传热条件；在感温元件周围增加热容量小的辐射隔离罩；42热传导引起的误差误差保护套管处管壁温度感温元件插入被测介质的深度感温元件外围周长 感温元件的截面积43高速气流的测温误差总温：静温动温传感器的实际指示值介于静温和总温之间，Tr恢复系数如气体为理想气体44感温元件的响应时滞现象：传感器感受的温度滞后于介质温度的变化初始时刻则45第三节 非接触式温度计非接触测温—利用光辐射来测量物体温度特点不热测需：与被测介质接触，不破坏被测介质温度场；惯性小，动态响应好；量范围大，特别适合测量高温介质；知道被测表面的黑度，测量低温时精度低；46一、热辐射理论基础普朗克定律（单色辐射强度定律）辐射出射度：从辐射源表面单位面积发射出的辐射通量；某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。绝对黑体的单色辐射出射度47当温度低于3000K时，48物体峰值辐射波长与自身的绝对温度T的关系所有波长全部辐射出射度49二、单色辐射式光学高温计物体高于700℃时，明显发出可见光，具有一定亮度，其单色亮度与单色辐射出射度成正比。绝对黑体的温度对实际物体亮度温度50亮度温度可由光学温度计直接测量得到应根据物体表面的单色黑度系数进

行修正。51灯丝隐灭式光学高温计单色辐射温度计标准灯玻璃吸收52优点：结构简单，使用方便，有较高的精度，测温范围广，一般用来测量700～3200℃范围浇铸、轧钢、锻压、热处理和玻璃熔融时的温度。缺点：人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速测量和自动记录，测量结果带有主观性。53光电高温计（硅光电池）要求观测点与被测物体之间的距离不要太大，一般在3m以内。54光电器件三、全辐射高温计（微型热电偶串联形成热电堆）利用物体的温度与总辐射出射度的关系来测量温度。用它测发射率为ε的物体时，测得的为辐射温度Ts。55优点：结构简单、使用方便、性能稳定、可以自动记录和远距离传送信号等。测温范围为

100～2000℃，测温误差绝对值为8～12℃。四、比色高温计（硅光电池测量不同波长的亮度）两个固定波长

和 的亮度比值随温度变化。56比色温度：温度为T的物体在两个波长下的亮度比值等于温度为Ts黑体在同样波长下的亮度比值时的温度。对灰体和绝对黑体， 则：对一般物体，两者不同，但也相差较小，因此