量热技术与热物性测定课件

量熱技術和熱物性測定第一章緒論**量熱技術和熱物性測定的研究範疇

研究對象：各種熱過程的熱量的測量方法和各種物質熱物性值的測量方法。量熱：第一章緒論物質分子構成發生變化的化學反應熱物質的物理狀態發生改變的狀態變化熱熱量的分類燃燒熱反應熱吸附熱脫附熱…..顯熱（伴隨有溫度的變化）潛熱（沒有溫度的變化）：融解熱、蒸發熱、昇華熱等**量熱：量熱技術就是研究如何精確簡便地測量各種類型地熱量。具體包括溫度的測量、卡計(量熱計)設計及使用，熱流計設計及使用。熱物性：物質的熱物理性質包括輸運性質和熱力學性質兩大類。

輸運性質指與能量和動量量傳遞過程相關的導熱係數、熱擴散率、粘度、熱膨脹係數、熱輻射性質（發射率、吸收率、反射率）等。

第一章緒論**熱物性：

熱力學性質是指物質處於熱力學平衡態時微觀粒子組成的宏觀集合體所表觀出的集團行為，分為:

廣度性質：

與體系所含物質的量成正比的性質，如品質，體積，內能等，具有加和性；

強度性質：與體系中物質的量無關，不具有加和性。例如：溫度、壓力、密度、粘度等；往往兩個容量性質之比成為體系的強度性質，例如密度，它是品質與體積之比；比容，它是體積與物質的量之比；比熱容，它是熱容與物質的量之比，而這些均是強度性質。第一章緒論**量熱技術和熱物性測定在工程應用、科技發展中都具有重要作用應用廣泛：熱過程是物質世界普遍存在的物理過程，量熱及熱物性數據是對具體熱過程進行基礎研究、分析、計算、工程設計的關鍵。能源、空間科學技術、材料、化工、微電子和計算機、生物醫學、農業、食品、石油天然氣……重要的基礎研究：認識、瞭解和評價物質的最基本的性質。第一章緒論**量熱技術和熱物性測定進展國際學術會議：國際熱物性會議(SymposiumonThermophysicalProperties,NIST,USA)；歐洲熱物性會議(ECTP)；亞洲熱物性會議(ATPC)；國際導熱係數會議(ITCC)；國際量熱會議(CalorimetryConference);國際熱分析和量熱會議(ICTAC);……研究組織：美國國家標準技術研究院(NIST)；英國國家物理實驗室(NPL)；日本熱物性學會；德國、法國等；我國國家計量測試學會；…期刊：Int.J.Thermophysics;熱物性(日本)；JournalofPhysicalandChemicalReferenceData；……公司：美國安特、帕金-埃爾默、德國耐馳、日本島津……第一章緒論**量熱技術和熱物性測定進展研究動向：標準化（測量方法、裝置、標準樣品等……）高精度、快速方便（電腦技術、紅外、光聲技術等的廣泛應用，非穩態法……）資料庫建立（美國普渡大學熱物性手冊、NIST標準資料庫……）。新材料、物質的熱物性極端條件下的熱物性測量納米材料熱物性與應用結合越來越密切第一章緒論**量熱技術和熱物性測定第二章溫度測量第二章溫度測量溫度是國際單位制中7個基本物理量之一熱量與熱物性測量的基礎什麼是溫度？表示物體冷熱程度的物理量溫度是表徵系統熱平衡狀態的物理量是物體分子運動平均平動動能大小的標誌**第二章溫度測量——溫標溫標就是溫度的量值表示方法(定量表示)溫標的三要素：固定點，測溫儀器，內插公式固定點

物質不同相之間的可複現的平衡溫度稱為固定（溫度）點測溫儀器

選擇測溫物質內插公式

確定任意點溫度值的數學關係式**第二章溫度測量——溫標經驗溫標——借助某物質的物理參量與溫度變化關係，用實驗方法和經驗公式構成的溫標。主要有華氏溫標和攝氏溫標。華氏溫標（Fahrenheit，ºF）以水銀為測溫物質，水的冰點為32ºF，水的沸點為212ºF，中間採用線性內插。攝氏溫標（Celsius，ºC）以水銀為測溫物質，水的冰點為0ºC，水的沸點為100ºC，中間採用線性內插。**第二章溫度測量——溫標華氏溫標和攝氏溫標轉換關係：經驗溫標的缺點：局限性：受溫度計材料和工作物質限制，應用範圍有限。隨意性：固定點溫度定義溫度值不同。線性內插：假設溫度與工作物質的膨脹關係為線性，有誤差，且不同物質膨脹規律不同。**第二章溫度測量——溫標熱力學溫標英國物理學家開爾文1848年以熱力學第二定律為基礎提出的與測溫物質無關的溫標。根據卡諾定理，與工作物質無關的兩個熱量之比等於溫度之比：

只用一個固定點確定溫標，與選用的測溫介質無關，但無法用實驗方法直接實現。（水三相點為273.16K)可運用熱力學原理實現熱力學溫度測量：

a）採用實際氣體經過非理想修正後實現

b）利用聲波在空氣中的傳播速度與溫度關係實現

c）利用黑體輻射亮度與溫度之間關係實現折射率、噪音、磁……**第二章溫度測量——溫標國際溫標應具備的條件：1.盡可能接近熱力學溫標2.複現精度高3.用於複現溫標的標準溫度計，使用方便，性能穩定基本內容：1.確定一些物質可複現的平衡態，並給定溫度值作為定義固定點；2.分段規定測溫儀器，並在定義固定點上分度；3.確定各定義固定點間的內插公式。**第二章溫度測量——溫標1990年國際溫標（ITS－90）

熱力學溫度符號為T，單位為開爾文（K），定義為水三相點的熱力學溫度的1/273.16。與攝氏溫度關係為：T＝t＋273.15ITS－90定義分為國際開爾文溫度，符號為T90和國際攝氏溫度，符號為t90，二者之間關係為：T90＝t90＋273.15**第二章溫度測量——溫標1990年國際溫標（ITS－90）

定義固定點：序號溫度物質狀態T90/Kt90/℃12345678910111213141516173~513.8033~17~20.324.556154.358483.8058234.3156273.16302.9146429.7485505.078692.677933.4731234.931337.331357.77-270.15~-268.15-259.3467~-256.15~-252.85-248.5939-218.7916-189.3442-38.83440.0129.7646156.5985231.928419.527660.323961.781064.181084.62Hee-H2e-H2

或H2e-H2

或H2NeO2ArHgH2OGaInSnZnAlAgAuCuVTV或GV或GTTTTTMFFFFFFFV表示蒸氣壓點，G表示定容氣體溫度計點；T表示三相點，M表示熔點，F表示凝固點。**第二章溫度測量——溫標內插儀器和內插公式1.第一溫區：0.65~5.0K

用3He和4He飽和蒸氣壓溫度計定義。壓力由精密測壓儀確定。0.65~3.2K用3He，1.25~5.0K用4He。2.第二溫區：3.0~24.556K

用3He和4He定容氣體溫度計定義。需要三個溫度點：氖三相點、平衡氫三相點以及在3.0~5.0K之間的一個溫度點（氦蒸氣壓溫度計確定）上進行分度，計算內插方程係數。**第二章溫度測量——溫標內插儀器和內插公式1.第三溫區：13.8033~1234.93K

用鉑電阻溫度計（PRT）作為內插儀器。使用規定的固定點和相關的參考函數以及偏差函數確定T90。2.第四溫區：1234.93K以上

採用光學高溫計或光電高溫計來實現。由普朗克定律引出的下述方程定義：**第二章溫度測量溫度計溫度計測頭特點：1.物性隨溫度變化的特性有良好的再現性；2.物性隨溫度的變化量大且易於測定，變化量若小，則要能精密測量；3.在測定範圍內物性變化有規則，最好呈線性關係；4.物性受溫度以外因素影響時，變化不敏感，或能被修正。**第二章溫度測量溫度計溫度計分類：

電阻式接觸式膨脹式：玻璃液體、壓力式、雙金屬

熱電偶式非接觸式輻射式：全輻射溫度計、亮度溫度計、比色溫度計、紅外測溫儀導體電阻式：鉑、銅、銦、銠－鐵、鉑－鈷半導體電阻式：鍺、碳、碳玻璃、熱敏電阻**第二章溫度測量——電阻溫度計導體電阻純金屬構成的導體的電阻特性可從金屬電子理論引出。在電場下，導體內自由電子的熱運動與氣體分子運動理論類似。導體的電阻率還和其晶格點陣振動和缺內部陷有關。晶格在導體內做週期性振動時，內部缺陷會迫使運動的電子偏離原來軌跡，由此會增加電阻率。當導體溫度升高時，晶格熱振動增強，使更多電子被散射，電阻率增大。**第二章溫度測量——電阻溫度計半導體電阻導電性介於金屬導體與絕緣體之間，導電機理與材料內價電子以及摻雜的雜質有關。

純質半導體，其最外層價電子除圍繞自身原子核運動外，還會到相鄰原子所屬軌道上運動，組成價鍵結構，成為共有電子。當電子脫離原軌道時，留下空位，附近的共有電子易與填補，形成共有電子運動，猶如帶正電荷的空位在移動，稱為空穴運動。自由電子和空穴統稱為載流子。摻加雜質時，如果電子濃度增加，以電子導電，稱為N型半導體。如果電子減少，以空穴導電，稱為P型半導體。**第二章溫度測量——電阻溫度計鉑電阻溫度計（PRT）以高純鉑絲作為感溫元件，特點是1.易提純，質地柔軟、容易加工成形、有非常穩定的物理化學性質；2.電阻溫度係數大，在0~100ºC間平均電阻溫度係數為3.925E-3ºC-1。比阻較大，為0.0981Ωmm2/m；3.電阻溫度關係曲線光滑，線性好，可用較簡單的方程表示；標準鉑電阻溫度計年變化量小於1mK,不確定度可達0.5mK，準確性高、穩定性好。

是國際溫標ITS－90中13.8033~1234.93K標準內插儀器。**第二章溫度測量——電阻溫度計標準鉑電阻溫度計電阻溫度關係（ITS-90）W(t90)是溫度t時阻值與水三相點時阻值之比，Wr(t90)為參考函數，

W(t90)為偏差函數。鉑電阻溫度計的分類根據鉑電阻溫度計的結構和用途，分為長杆型、套管型、高溫型和工業型。**第二章溫度測量——電阻溫度計長杆型PRT使用溫度範圍為84K~660ºC，在水三相點時的電阻約為25Ω。其感溫元件形式和構造決定了其測溫精度。通常採用無應力結構。使用直徑為0.05~0.07mm高純鉑絲繞製成直徑為1mm的螺旋線圈，均勻盤旋在螺旋型或麻花型石英支架上。優點是鉑絲可隨溫度變化自由膨脹或收縮；有較強耐振能力，提高穩定性。感溫元件兩端各焊兩根0.4mm鉑絲(取自同一根鉑絲)作為內引線。**第二章溫度測量——電阻溫度計長杆型PRT使用溫度範圍為84K~660ºC，在水三相點時的電阻約為25Ω。其感溫元件形式和構造決定了其測溫精度。通常採用無應力結構。保護管材料用透明熔融石英製成，為防止熱輻射引起偏差，在距感溫元件頂端15～20mm處噴砂打毛。為減少測溫熱滯後，保護管內充30kPa含氧量小於7％的乾燥空氣。為避免鉑絲和石英之間熱膨脹係數差異引起內引線和保護管連接處漏氣，保護管上端採用耶那16玻璃。裝配前，所有材料都要嚴格清洗烘烤。**第二章溫度測量——電阻溫度計套管型PRT使用溫度範圍為13~273.16K，有時到銦凝固點，偶爾到錫凝固點。結構與長杆型相同，只是套管用厚為0.1mm鉑片或石英製成，內部充30kPa氦氣。**第二章溫度測量——電阻溫度計高溫型HPRT

ITS-90中用高溫型鉑電阻溫度計HPRT替代ITS-68中的標準鉑銠10-鉑熱電偶。上限溫度至銀凝固點(961.78ºC)。**第二章溫度測量——電阻溫度計工業型PRT技術指標沒有前三種標準型高，結構較簡單。電阻溫度關係沿用以前的內插方程——克林達爾公式：**第二章溫度測量——電阻溫度計銅電阻溫度計屬工業型溫度計，感溫元件材料由純度99.99%的銅絲製成。優點是易於加工、互換性好、價格便宜、電阻溫度係數近似線性。缺點是電阻率小，需用較長導線繞制才能得到給定電阻。測溫範圍－50~150ºC。**第二章溫度測量——電阻溫度計**第二章溫度測量——電阻溫度計半導體電阻溫度計1.鍺電阻溫度計：具有很高的負溫度係數，特別是摻雜合適雜質後，可製成阻值高、體積小的感溫元件。缺點是導電機理複雜，熱電特性不能用簡單的內插公式表達，特別是雜質含量的微小變化對阻值影響很大，熱電關係的互換性差，磁阻效應大，不能在磁場中測溫，具有較高的壓電電阻效應，穩定性差。測溫範圍0.1~300K。**第二章溫度測量——電阻溫度計半導體電阻溫度計2.碳電阻溫度計：由石墨膜或膠體石墨液的碳膜製成，也可用碳多景粉末緊壓成形。具有較大的負溫度係數，磁阻效應小，電阻溫度關係光滑，近似指數關係，互換性好，溫度計結構簡單，體積小，熱容小。缺點是對濕度非常敏感，穩定性較差。測溫範圍為幾十毫開至30K，最高不能超過150ºC。**第二章溫度測量——電阻溫度計半導體電阻溫度計3.碳玻璃電阻溫度計：在低溫下具有較大的負溫度係數，磁阻效應小，電阻溫度關係光滑，單調。缺點是穩定性隨溫度升高而降低。測溫範圍為1~300K。感溫元件是將有機溶液滲加在SiO2多孔玻璃中，使其沉積在玻璃內部成為黑色半導體材料。**第二章溫度測量——電阻溫度計熱敏電阻溫度計熱敏電阻溫度計是一種電阻值隨溫度呈指數變化的多晶半導體感溫元件，近年來發展迅速，測溫範圍可達4~1623K。感溫元件由過渡金屬氧化物的混合物組成。用於低溫的由錳、鎳、鈷、銅、鉻、鐵等複合氧化物燒結而成，具有負溫度係數；用於高溫的由氧化鈷等稀土元素的氧化物燒結而成，具有正溫度係數。負溫度係數熱敏電阻的電阻溫度特性為：正溫度係數熱敏電阻的電阻溫度特性為：**第二章溫度測量——電阻溫度計熱敏電阻溫度計1.輸出信號大，靈敏度比熱電偶和金屬電阻溫度計高。2.體積小，結構簡單，便於成形。目前最小直徑0.05mm。3.熱容量小，回應時間短。4.磁阻效應小，可在磁場中測溫。5.電阻溫度關係非線性度大，穩定性和複現性差。但隨著技術和材料的進步，目前也有較高穩定性和複現性的高精度熱敏電阻溫度計。**第二章溫度測量——電阻溫度計電阻溫度計測量對於精密測量常選用電橋或電位差計；對於一般使用或工業用常採用自動平衡式電橋、不平衡電橋或數字儀錶。R1R2RsRwireV**第二章溫度測量——電阻溫度計電阻溫度計測量——四引線電阻測量R1R2RsRwACBDR1R2R’sRwBDAC**第二章溫度測量——電阻溫度計電阻溫度計測量——四引線電阻測量電位差計R0Rw**第二章溫度測量——電阻溫度計電阻溫度計測量——三引線電阻測量R1R2RsRwAB若**第二章溫度測量——電阻溫度計電阻溫度計測量注意事項1.震動與應力標準鉑電阻溫度計受到衝擊、震動或其他形式加速時，會導致繞在骨架上的感溫元件的變形、彎曲而產生應力，從而改變溫度-電阻特性。可放入450度退火爐中退火，消除內應力，重新標定分度。2.淬火與氧化效應鉑電阻溫度計如果不適當地退火，或在不適宜溫度下多次熱衝擊，會引起鉑絲淬火和氧化效應。3.磁阻效應當感溫元件在磁場中時，其內部電子運動狀態會變化，引起阻值變化，即磁阻效應。磁阻效應與電阻溫度計地性質、測溫範圍以及所處磁場強度有關。**第二章溫度測量——電阻溫度計電阻溫度計測量注意事項4.自熱效應通常對輸入電阻溫度計的工作電流都有統一規定，但有時為了增大溫度計靈敏度而增大電流。此時就要考慮自熱效應的誤差。5.壓力的影響大多數金屬在高壓情況下，原子在其晶格中的正常位置震動時的振幅將減小，因而增大電子的自由程，導致電阻值減小，測量值偏低。6.引線電阻影響電阻溫度計引線分兩線、三線、四線。標準電阻溫度計均為四線制。測量時還可通過引線換向，改變引線接入電橋位置，消除引線電阻。工業電阻溫度計採用兩線或三線。引線電阻相對於測頭電阻應很小。**第二章溫度測量——電阻溫度計電阻溫度計測量注意事項7.熱電勢的影響可通過換向測量消除或在結構上消除。8.漏熱誤差測溫時感溫元件會通過引線和保護管等材料以傳導的方式與外界換熱，從而與被測介質之間產生溫差。可適當增加溫度計浸沒深度，增大被測介質對流換熱係數，減小測溫元件導熱係數，減小保護管橫截面積。另外熱輻射也會引起測溫偏差，一般通過增加浸沒深度解決。9.遲滯由於自身熱容，需要一定時間侯才能與被測介質達到熱平衡。動態測量時需注意。**第二章溫度測量——電阻溫度計電阻溫度計測量注意事項10.絕緣不良的影響主要時引線易產生絕緣不良，造成測量誤差。11.環境溫度的影響會給配套儀錶帶來一定影響。12.計算W(T)時的正確取值

W(T)=RT/Rtp。Rtp會隨時間改變，測量儀器不同，也會造成一定影響。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計以物質的熱膨脹(體膨脹或線膨脹)性質與溫度的物理關係為基礎製作的溫度計稱為膨脹式溫度計。可分為液體膨脹式(如玻璃液體溫度計)、氣體膨脹式(如壓力式溫度計)、固體膨脹式(如雙金屬溫度計)三大類。膨脹式溫度計結構簡單、使用方便、測溫範圍廣(-200~600ºC)，使用十分廣泛。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計測溫原理：利用作為介質的感溫液體隨溫度變化而體積發生變化與玻璃隨溫度變化而體積變化之差來測量溫度。測量範圍為-100~600℃。體膨脹：物質受熱後發生熱膨脹，包括體積膨脹和壓力膨脹，此處只考慮體膨脹。定義溫度變化1ºC所引起的物質體積變化與它0ºC時體積之比為平均體膨脹係數β：**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計視膨脹：感溫液與玻璃(感溫泡容積)體積變化之差稱為視膨脹係數K：

K=β-γγ：玻璃的體膨脹係數

感溫液:應滿足條件1.在較寬的溫度範圍內能保持液態2.體膨脹係數大3.粘度小，表面張力大4.蒸氣壓低5.在使用溫度範圍內化學性能穩定6.便於提純，有機液體應便於著色7.顯示清晰，無沉澱現象。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計感溫液:常用感溫液有水銀、汞鉈合金、有機液體

感溫液使用範圍/℃體膨脹係數視膨脹係數汞鉈-60~00.0001770.000157水銀-30~8000.000180.00016甲苯-80~1000.001090.00107乙醇-80~800.001050.00103煤油0~3000.000950.00093石油醚-120~200.001420.00140戊烷-200~200.000920.00090**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計類型：有三種基本類型：棒式溫度計、內標式溫度計、外標式溫度計。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計棒式溫度計：具有厚壁的毛細管，溫度尺規直接刻度在毛細管表面；一等標準水銀溫度計為透明棒式，可正反兩面讀數，消除視差。二等標準水銀溫度計在其毛細管刻度尺規背部熔入白色釉帶。內標式溫度計：刻度尺規刻在白瓷板上，玻璃毛細管緊靠尺規板一起封裝在一個玻璃外套管內，多用於二等標準水銀溫度計、實驗室溫度計以及工作用玻璃液體溫度計。外標式溫度計：玻璃毛細管直接固定在刻有溫度尺規的塑膠、金屬、木板等材料製成的板上。主要用於測室溫的溫度計和氣象用最高最低溫度計。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計讀數：一般用途可直接讀取，檢定時用放大鏡或讀數望遠鏡，當讀數時視線與溫度尺不垂直時會產生視差。對於一等標準水銀溫度計可通過正反面讀數來消除。對於二等標準水銀溫度計或精密溫度計，必需保持溫度計的垂直位置和讀數望遠鏡的水準位置。讀數時，水銀溫度計應讀取其凸月面的最高點，有機液溫度計應讀凹月面最低點。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計貝克曼溫度計：一種用於精確測量溫差的玻璃水銀溫度計，一般刻度僅5~6℃，最小分度0.01℃。其特點在於頂端備有可調泡，當在不同範圍內測溫時，可根據感溫泡所需水銀量的多少，將水銀從頂端可調泡移到感溫泡或從感溫泡移到可調泡。溫度範圍-20~125℃。但由於溫度不同，分度不同，因此要想獲得千分之幾的準確度就必需修正。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計貝克曼溫度計使用方法首先根據實驗的要求確定選用哪一類型的貝克曼溫度計。使用時需經過以下步驟:(1)測定貝克曼溫度計的R值貝克曼溫度計最上部刻度處a到毛細管末端b處所相當的溫度值稱為R值。將貝克曼溫度計與一支普通溫度計(最小刻度0.1度)同時插入盛水或其他液體的燒杯中加熱，貝克曼溫度計的水銀柱就會上升，由普通溫度計讀出從a到b段相當的溫度值，稱為R值。abA**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計貝克曼溫度計使用方法(2)

水銀球A中水銀量的調節在使用貝克曼溫度計時，首先應當將它插入待測體系中，達到熱平衡以後，如果毛細管內水銀面在所要求的合適刻度附近，說明水銀球A中的水銀量合適，不必進行調節。否則，就應當調節水銀球中的水銀量。若球內水銀過多，毛細管水銀量超過b點，就應當左手握貝克曼溫度計中部，將溫度計倒置，右手輕擊左手手腕，使水銀貯管D內水銀與b點處水銀相連接，再將溫度計輕輕倒轉放置在溫度為t′的水中，平衡後用左手握住溫度計的頂部，迅速取出，立即用右手輕擊左手手腕，使水銀貯管D內水銀在b點處斷開。abAD**第二章溫度測量——膨脹式溫度計玻璃液體溫度計電接點溫度計：用於恒溫與調溫設備的自控系統中，與電子繼電器等配合使用。有兩個電極，一個固定與底部的水銀球相連，另一個可調電極是金屬絲，由上部伸入毛細管內。頂端有一磁鐵，可以旋轉螺旋絲杆，用以調節金屬絲的高低位置，從而調節設定溫度。當溫度升高時，毛細管中水銀柱上升與一金屬絲接觸，兩電極導通，使繼電器線圈中電流斷開，加熱器停止加熱;當溫度降低時，水銀柱與金屬絲斷開，繼電器線圈通過電流，使加熱器線路接通，溫度又回升。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計壓力式溫度計壓力式溫度計是利用封閉在固定容器中的氣體、液體或低沸點液體的飽和蒸氣受熱壓力變化特性來測溫。測溫範圍-80~600℃。優點：1.可以遠傳。2.結構簡單，價格便宜。3.讀數方便清晰。4.適用於安全防爆環境。缺點：1.精度不高。2.熱惰性大。

**第二章溫度測量——膨脹式溫度計壓力式溫度計結構：由溫泡、毛細管、變形彈簧管和指示儀錶組成。溫泡為感溫元件，一般用黃銅、紫銅、不銹鋼製作；毛細管是傳遞壓力的導管，通常用銅或不銹鋼的無縫圓管制作，長度20~60m。彈簧管是壓力敏感元件，由於密閉系統內壓力的變化而使其自由端產生位移，然後通過連杆和傳動機構帶動指針動作。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計壓力式溫度計分類氣體壓力式溫度計：密閉系統中充滿工作氣體，壓力溫度關係線性，刻度尺規均勻等分。通常採用氮氣。液體壓力式溫度計：密閉系統中充滿感溫液體，壓力溫度關係線性，刻度尺規均勻等分。通常採用水銀，也可以使用二甲苯或甲醇。蒸汽壓力式溫度計：溫泡約2/3盛低沸點液體，其餘空間是該液體的飽和蒸汽。壓力溫度關係非線性，刻度尺規不均勻。通常採用氯甲烷、氯乙烷、乙醚、丙酮等。**第二章溫度測量——膨脹式溫度計雙金屬溫度計利用由不同膨脹係數的兩種技術構成的雙金屬元件來測量溫度的儀器。使用溫度範圍一般為-80~600℃。精度不高。要使雙金屬溫度計靈敏度提高，需儘量增加雙金屬片的長度，在製造時把雙金屬片製作成螺旋狀，分為平螺旋和直螺旋兩種。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計測溫原理熱電偶測溫的基本原理是熱電效應。兩種不同的導體或半導體兩端結合組成回路，當兩個結合點的溫度不同時，會在回路內產生熱電勢，這一現象稱為熱電現象。用它進行溫度測量就是依賴所產生熱電勢與兩個結合點溫度之間的一定關係實現的，這是1821年德國醫生塞貝克發現的，稱為塞貝克效應。塞貝克效應實質上就是熱電偶將熱能轉換為電能來實現測溫目的。而此電能，實際上由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成，即珀爾帖效應和湯姆遜效應。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計測溫原理熱電偶測溫的基本原理是熱電效應。兩種不同的導體或半導體兩端結合組成回路，當兩個結合點的溫度不同時，會在回路內產生熱電勢，這一現象稱為熱電現象。用它進行溫度測量就是依賴所產生熱電勢與兩個結合點溫度之間的一定關係實現的，這是1821年德國醫生塞貝克發現的，稱為塞貝克效應。塞貝克效應實質上就是熱電偶將熱能轉換為電能來實現測溫目的。而此電能，實際上由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成，即珀爾帖效應和湯姆遜效應。mATT0AB**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計測溫原理1834年，巴黎鐘錶匠珀爾帖發現：在熱電偶回路中有電流通過時，兩接點處溫度會發生變化，一個接點吸熱，環境溫度降低，一個接點放熱，環境溫度升高。物理原理：金屬導體中存在自由電子，且不同金屬導體材料的自由電子密度不同，類似於氣體，密度大的“壓力”大，如A的自由電子密度大於B的自由電子密度，則在二者接觸面處單位時間內從A擴散到B的電子多於從B到A的，從而此處產生電勢差，阻止自由電子從A到B的擴散。此電勢就是珀爾帖電勢或接觸電勢。＋－＋－AB**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計測溫原理1851年，英國物理學家湯姆遜發現：單個導體，存在縱向溫度梯度，當有電流流過時，導體中必然有除焦耳熱之外的熱量產生。這就是湯姆遜效應。物理原理：對於同一金屬導體材料，溫度高的自由電子密度大，“壓力”大，在此壓力差作用下，自由電子從高溫端向低溫端擴散，從而產生電勢。此電勢就是湯姆遜電勢或溫差電勢。＋－＋－AA**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶回路的基本定律1.均質回路定律由一種均質金屬導體(或半導體)組成的閉合回路，不論其截面和長度以及各處的溫度分佈如何，都不產生熱電勢。推論：(a)熱電偶必需由兩種不同性質的材料組成；(b)如果熱電偶的兩熱電極是由兩種均質導體組成，那麼熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關，與熱電極的粗細、長短和幾何形狀、沿熱電極的溫度分佈及變化均無關。(c)如果由一種材料組成的閉合回路存在溫差，且回路中產生熱電勢，則說明材料是不均勻導體。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶回路的基本定律2.中間導體定律在熱電偶回路中接入中間導體後，不論中間導體接在回路的位置，只要中間導體兩端溫度相同，則對熱電偶的總熱電勢沒有影響。TT0T0ABCTABCT0T0ABCDTT0T0**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶回路的基本定律3.中間溫度定律熱電偶回路兩接點溫度為T和T0的熱電勢，等於熱電偶在接點溫度為T和Tm的熱電勢與接點溫度為Tm和T0時的熱電勢代數和。TTmT0ABTm**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶回路的基本定律3.中間溫度定律例：用鎳鉻-鎳矽熱電偶測量某一工藝溫度，測得熱電偶參考端溫度為28℃，熱電偶熱電勢為34.191mV，求實際的工藝溫度。解：查鎳鉻-鎳矽熱電偶分度表：Tm=28℃，EAB(28,0)=1.122mVEAB(t,0)=EAB(t,28)+EAB(28,0)=34.191+1.122=35.313mV再查分度表，得:t=850℃TTmABTm**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶回路的基本定律4.參考電極定律如果將熱電極C(一般為純鉑絲)作為參考電極(也稱標準電極)，並知參考電極與各種熱電極配對時的熱電勢，那麼在相同接點溫度(T,T0)下，任意兩熱電極A、B配對時熱電勢可按下式求得：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)TT0ABCEACEBCEAB**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶測溫回路熱電偶測溫回路一般由以下幾部分組成：熱電偶、補償導線、參考端接點、連接導線、轉換開關和電測儀錶等。1.熱電偶常用線路應用最廣泛的線路，測量溫度場中某一點的溫度。TT2T1**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶測溫回路2.熱電偶串聯線路將n支同型號熱電偶依次按正負極連接的線路稱為串聯線路。這種線路的優點是熱電勢大，測溫精度比單支熱電偶高。據此可製作成熱電堆，用來感受微弱信號，或在相同條件下，與靈敏度低的儀錶配合。最大缺點是只要一支斷路，整個測量系統就不能工作。TT0**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶測溫回路3.熱電偶並聯線路將n支同型號熱電偶正負極分別連接在一起的線路稱為並聯線路。這種線路的優點是測量精度高，相對誤差為單支熱電偶的。但所配儀錶要求靈敏度高。當某支熱電偶斷路時，不影響測量系統工作。常用來測溫場的平均溫度。TT0**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶測溫回路4.熱電偶反向串聯線路採用兩支同型號熱電偶正負極反向連接線路稱為反向串聯線路。用於測量溫度場的均勻性或溫度分佈。由於熱電勢小，需選用靈敏度高的儀錶。T1T0T2**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計國際標準化熱電偶國際標準化熱電偶是國際電工委員會向全世界推薦的(8種)，並被國際公認，且性能優良，工藝成熟，應用廣泛，能批量生產，具有統一分度表，同型號可互換。熱電偶分度號正極代號名義成分/(%)負極代號名義成分/(%)最高使用溫度/℃分度表溫區/℃長期短期鉑銠30-鉑銠6BBPPt30RhBNPt6Rh160018000~1820鉑銠13-鉑RRPPt13RhRN100Pt14001600-50~1769鉑銠10-鉑SSPPt10RhSN100Pt13001600-50~1769鎳鉻-鎳矽KKPNi10CrKNNi3Si12001300-270~1373鎳鉻-銅鎳(康銅)EEPNi10CrENCu45Ni750900-270~1000鐵-康銅JJP100FeJNCu45Ni600750-210~1200銅-康銅TTP100CuTNCu45Ni350400-270~400鎳鉻矽-鎳矽NNPNi14.5Cr1.5SiNNNi4.5Si12001300-270~1300**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶的製作通常採用焊接的方式把測量端連接在一起。焊點形式有：(a)點焊。適合貴金屬和直徑較小的廉金屬熱電偶。(b)對焊。(c)絞狀焊。適合較粗的廉金屬熱電偶。(d)和(e)均是為了減少由於保護管而增大的熱惰性，將測量端焊接在保護管底端內，適於廉金屬熱電偶。(d)是兩熱電極均焊在保護管底部，(e)是保護管內僅一個熱電極，保護管自身為另一熱電極。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶的製作焊接方法：(a)直流電弧焊。適於貴金屬熱電偶，焊接形式為對焊、點焊。操作方法：將熱電偶的兩個偶絲分別接在電源正極上作為一個電極，將圓錐尖頂的石墨棒電極或碳電極接在電源負極上作為另一個電極，利用兩電極靠近時形成的強大電場起弧，融化熱電極端部金屬，從而焊接好。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶的製作焊接方法：(b)交流電弧焊。適於廉金屬熱電偶，焊接形式為對焊、絞狀焊。其電極為兩個高純石墨棒，利用其通電產生電弧，將熱電偶焊接在一起。此方法設備簡單、操作容易，但容易造成測量端和靠近測量端的熱電極材料表面滲碳，降低熱電偶的穩定性。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶的製作焊接方法：(c)直流氬弧焊。是熱電偶焊接最理想的方法。焊接時通氬氣用來保護，特別適用於熱電極材料熔點高並且容易氧化的熱電偶焊接。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶的製作焊接方法：(d)氣焊。這種焊接方法使用的是煤氣與氧、乙炔與氧或氫與氧混合氣燃燒形成的火焰，將偶絲加熱融化成球形焊點。適用於廉金屬熱電偶焊接。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶的製作焊接方法：(e)鹽水焊接。燒杯中裝入35.9％重量比的氯化鈉飽和溶液，將鉑絲或其他金屬絲(在氯化鈉溶液中不電解)作為一個電極放入燒杯中，被焊接的熱電偶作為另一個電極。焊接時將熱電偶測量端與溶液稍接觸，接通電源，起弧後迅速切斷電源即可。適用於焊接較細的熱電偶(

0.03mm~0.5mm)。**第二章溫度測量——熱電偶式溫度計熱電偶的製作焊接方法：(f)碳粉(粒)焊接。與電弧焊相似，將被焊熱電偶接電源負極，將電源另一極接盛碳粉的石墨坩堝，焊接時將熱電偶插入石墨粉中即可。適用於焊接廉金屬熱電偶，但由於會造成鎳矽電極脆斷，因而不適於鎳鉻-鎳矽熱電偶焊接。~220V碳棒熱電偶**第二章溫度測量——輻射測溫

輻射測溫法是一種非接觸測溫法，是利用感測器(探測器)將物體輻射的能量轉換成隨溫度而變的光電信號，並由配套儀器將此信號按溫度單位顯示，從而達到測溫目的。輻射測溫與接觸測溫的不同點在於它測溫時探測器不必與被測物體相接觸，探測元件不會破壞被測物體的溫度場分佈，也不必與被測區域達到熱平衡。通常採用光電敏感元件，故靈敏度高、反應速度快、動態回應好，能實現遠距離自動測溫。理論上沒有測量上限。

缺點是由於受被測物體表面狀況和折射率以及中間介質等影響，增加了處理測量結果的複雜程度和難度，不能直接測得物體實際溫度，限制了其應用。**第二章溫度測量——輻射測溫輻射過程三階段：1.熱物體表面熱能轉變為電磁波振動；2.電磁波透過中間空氣向周圍傳播；3.在接收輻射能的物體表面，電磁波轉化為熱能被接收體吸收。依賴於物體本身溫度自發的向外輻射能量的過程叫熱輻射。熱輻射發出的光波僅是電磁波的組成部分。**第二章溫度測量——輻射測溫通常，物體輻射能所處的光譜範圍不僅會呈現不同顏色，而且還與其本身的溫度有關。如：當物體溫度升高至500℃時，其輻射光譜開始包括可見光的紅外部分，溫度升高到800℃時，呈現紅熱，繼續升溫，顏色會轉為桔黃，當升高到3000℃時，輻射光譜會包括更多短波部分，呈現白熱。但物體溫度對熱輻射性能影響較大，而且極為複雜。**第二章溫度測量——輻射測溫熱輻射度量輻射測溫時，探測器接受到的能量不僅與輻射源的表面狀況、波長有關，而且與傳播方位、空間、時間相關。與測溫有關的基本熱輻射度量有6種。1.輻射能量Q由輻射源發出的全部熱輻射光譜的總能量稱為該輻射源的輻射能量。單位焦耳J。2.輻射通量Φ輻射源發射、傳播的輻射能量或接收物體吸收到的輻射能量隨時間的變化率稱為輻射通量，又稱輻射功率。單位瓦W。**第二章溫度測量——輻射測溫熱輻射度量3.輻射強度I為了描述輻射通量在空間不同方向上分佈的情況，將輻射源在某一特定方向上單位立體角內發射出的輻射通量稱為輻射強度。單位瓦每球面度W/sr。4.輻射出度M由於輻射源表面發射量不均勻，為了描述其單位面積輻射通量的密度，通常將某一面積元S在各方向上(半空間)的總輻射通量稱為輻射出度。單位瓦每平米W/m2。**第二章溫度測量——輻射測溫熱輻射度量5.輻射照度E為了描述接收物體面積上的輻射通量的密度，通常將外界輻射源投射到接收物體單位表面積上的輻射通量稱為輻射照度。單位瓦每平米W/m2。M與E的區別：輻射出度是描述離開輻射源表面的輻射通量，包括了該源向整個半球空間輻射的通量。輻射照度是指外界入射到接受面上的輻射通量，可以包括一個或幾個源投射來的輻射通量。**第二章溫度測量——輻射測溫熱輻射度量6.輻射亮度L和單色輻射亮度Lλ為了描述輻射源的輻射通量在空間或輻射源表面上的特性，通常將輻射源在某個方向上的單位投影面積和單位立體角內發出的輻射通量稱為輻射亮度。單位瓦每球面度平方米W/(sr.m2)。輻射物體在某一特定方向上，單位時間、單位波長間隔、單位投影面積、單位立體角內所發出的輻射能量稱為單色輻射亮度。單位瓦每球面度立方米W/(sr.m3)。**第二章溫度測量——輻射測溫黑體輻射定律黑體輻射定律是實現熱輻射測溫方法的依據，包括普朗克定律、維恩位移定律、斯忒藩-玻爾茲曼定律。**第二章溫度測量——輻射測溫視在溫度黑體輻射定律僅對黑體才是正確的，但絕大多數測量對象都是非黑體，同一溫度下實際物體的熱輻射總是比黑體輻射小，因此同樣的熱輻射亮度，黑體所對應的溫度最低，物體發射率越低的溫度越高。輻射測溫中，為了解決測溫必需知道物體光譜發射率的難題，引入了視在溫度(表觀溫度)，包括亮度溫度、輻射溫度、顏色溫度。**第二章溫度測量——輻射測溫亮度溫度當實際物體(非黑體)在某一波長下的單色輻射亮度同絕對黑體在同一波長下的單色輻射亮度相等，則該黑體的溫度稱為實際物體的亮度溫度Ts。定義運算式為：把維恩近似公式代入上式得：兩邊取對數得：**第二章溫度測量——輻射測溫輻射溫度當實際物體的總輻射亮度(包括所有波長)與絕對黑體的總的輻射亮度相等時，則該黑體的溫度叫做實際物體的輻射溫度Tp。斯忒藩-玻爾茲曼定律**第二章溫度測量——輻射測溫顏色溫度當黑體與非黑體在某一光譜區域內的兩個波長下的單色輻射亮度之比相等時，黑體的溫度稱為非黑體的顏色溫度，又稱比色溫度Tc。定義運算式為：把維恩近似公式代入上式得：兩邊取對數得：**第二章溫度測量——輻射測溫顏色發射率在實際溫度測量中，經常需要得出物體的亮度溫度與顏色溫度之間的關係，為此引入顏色發射率εc(T)。由顏色溫度的定義可得：根據亮度溫度的定義和維恩近似公式可得物體亮度溫度與其顏色溫度之間的關係，**第二章溫度測量——輻射測溫由三種視在溫度可引申出三種輻射測溫方法，即亮度測溫法、全輻射測溫法、顏色測溫法(比色測溫法)。對應得測溫儀器為亮度溫度計、全輻射溫度計、顏色溫度計(比色溫度計)。**第二章溫度測量——輻射測溫全輻射溫度計理論基礎是斯忒藩-玻爾茲曼定律，通過測量輻射物體的全波長的熱輻射來確定物體的輻射溫度。此方法所用儀錶結構簡單，讀數客觀能連續記錄。缺點是溫度計示值受環境及發射率影響較大，降低了其準確度。測溫原理基本組成部分：接收被測對象熱輻射的熱探測器；聚焦熱輻射於接收器的裝置；測量熱探測器上信號的測量裝置。**第二章溫度測量——輻射測溫全輻射溫度計測溫原理被測物體的輻射能量經過透鏡和光闌聚焦在感溫器的受熱片上，受熱片接收輻射能量而溫度升高，產生熱電勢輸出，根據熱電勢大小可得出被測物體的溫度。熱接收元件可分為：1.熱電堆(由4、6、8、16對或更多熱電偶串連而成)2.熱敏電阻3.雙金屬片**第二章溫度測量——輻射測溫亮度溫度計根據普朗克定律，通過測量物體在一定波長下的單色輻射亮度來確定它的亮度溫度(又稱單波段溫度計)。可分為兩類：光學高溫計和光電高溫計。**第二章溫度測量——輻射測溫光學高溫計測溫時調整物鏡，使輻射源成像在高溫計燈泡的燈絲平面上，然後調整目鏡，使人眼能清晰看到被測物體和燈絲的成像，再調節電測系統的可變電阻，改變燈絲電流，使物體亮度和燈絲亮度在紅色濾光片光譜範圍內平衡，而燈絲的亮度溫度與電流關係已知，因此可測的其亮度溫度。**第二章溫度測量——輻射測溫光電高溫計光學高溫計測溫時，要靠手動調整電流，人眼觀測，因此主觀性誤差大。光電高溫計與光學高溫計相比：1.靈敏度高：光學0.5℃，光電0.05℃2.準確度高：1400℃下，光學±5℃，光電±1.1℃。3.使用波長範圍寬：光電不受波長限制4.測溫範圍寬：光學下限700℃，光電可至低溫段5.回應時間短：光學平衡時間長數分鐘，光電可在數秒～10-8S內自動平衡6.自動化程度高：能實現自動測量、記錄以及遠距離傳送顯示。**第二章溫度測量——輻射測溫光電高溫計下圖光學高溫計由光電系統和測量顯示裝置組成，光電系統包括(1)光學接收系統；(2)瞄準系統；(3)光電轉換處理電路，將熱輻射能量通過光電元件(硫化鉛或矽光電池)轉化成電信號，經放大、整流、調節、控制等環節，輸出給儀錶。測量顯示裝置為自動平衡電橋。**第二章溫度測量——輻射測溫比色高溫計比色溫度計利用物體的單色輻射現象測溫，但它是利用同一被測物體在兩個波長下的單色輻射亮度之比隨溫度變化這一特性為其測溫的。因此測量實際物體時，只需知道兩個波長下的光譜發射率的比值，而比值測量比絕對值測量更為簡便，精確。因此比色測溫優點：1.大多數實際物體的顏色溫度Tc要比Ts、Tp更接近實際溫度T，被測物體為灰體時，Tc＝T2.顏色測溫受被測物體光譜發射率影響很小。3.比色溫度計的輸出信號可以自動記錄、控制、調節和遠傳。**第二章溫度測量——輻射測溫比色高溫計分類比色溫度計單通道型雙通道型單光路比色溫度計雙光路比色溫度計無光調製比色溫度計(非調製式)有光調製比色溫度計(調製式)**第二章溫度測量——其他測溫方法紅外測溫儀一種工作於紅外波段的光學、輻射、比色溫度計的統稱。其光電系統必需選擇適合紅外工作的光學材料和相應的光敏探測器件。紅外溫度計將被測物體表面發射的紅外波段輻射能量通過光學系統彙聚到紅外探測元件上，使其產生一電信號，經放大模數轉換等環節處理，轉化為溫度數值顯示。**第二章溫度測量——其他測溫方法熱像儀用做描繪熱輻射體表面的溫度分佈和圖像處理的儀器稱為熱像儀，又稱紅外熱像儀。是一種綜合運用熱輻射理論、紅外技術、自動掃描檢測技術的儀器。即可顯示出物體表面溫度的絕對值，也可測出其相對值，並且通過熱成像技術靈敏地分辨出複雜環境下物體表面小目標地的溫度和某一區域溫度分佈狀況。**第二章溫度測量——其他測溫方法光纖溫度計1.輻射式光纖溫度計：工作原理與光電高溫計相似，都是基於輻射強度和波長是溫度的函數。除光纖探頭外其餘結構相似。2.光纖比色溫度計：由光纖技術和光電比色溫度計綜合而成。光纖作為傳輸輻射光通量之用，對被測目標發出的光波頻譜不做任何選擇。3.螢光光纖溫度計：以光纖作傳輸光線之用，以硫氧化物作為感溫元件，用光學粘結劑粘結在光纖頂端。工作時，粘有稀土材料的探頭緊貼在被測物表面，光纖另一端輸入紫外線，使稀土元素受激勵，當其恢復初態時，發出螢光，出現餘輝，強度與被測物發出的光能量成正比，實現測溫。**光纖溫度計4.半導體光纖溫度計：利用半導體材料(GaAs或InP)對通過光的吸收隨溫度的升高而明顯增大的性質，構成透射式半導體光纖溫度計。5.熱色效應光纖溫度計：有的無機溶液的顏色隨溫度而變，其吸收光譜線也隨溫度而變，稱為熱色效應。以鈷鹽溶液為感溫材料，光纖傳輸光線。第二章溫度測量——其他測溫方法光源光接收器溫度感測器光纖半導體吸片**第二章溫度測量——其他測溫方法石英晶體頻率溫度計石英是SiO2的單晶體，用於測溫的是低溫變形體，稱α石英。石英晶體具有高度的壓電性能，相對於晶軸的切割面的不同取向，會產生不同的共振頻率。石英的共振頻率與其彈性度、密度、厚度、金屬電極的密度、厚度有關，這些參數都與溫度有關，因此共振頻率與溫度有關。石英共振器是一個定向切割下的薄石英片，上下表面裝有金屬電極，在改變電場時，石英產生機械振動。石英晶體溫度計測溫範圍在-80~250℃，溫度解析度可達10μK，準確度可達±0.01℃。**第二章溫度測量固體表面溫度測量固體表面溫度與內部傳熱以及邊界換熱條件有關。其測量特點：1.被測材料的熱物理特性、尺寸、形狀及周圍的換熱情況，對測量結果準確性有影響。2.感測器的敷設，會改變被測表面的熱狀態。3.固體內部存在溫度梯度，表面與周圍物體存在熱交換，很難處於熱平衡狀態。接觸式測溫所引起的被測物體溫度場的變化是固體表面溫度測量的主要誤差來源。此外在動態測溫中，表面測溫元件的熱慣性還會產生動態誤差。**第二章溫度測量固體表面溫度測量熱電偶的安裝：敷設方法有表面敷設和開槽敷設。**第二章溫度測量固體表面溫度測量提高測量準確度的方法1.等溫線敷設：由於被測表面會沿著熱電偶引線散熱，採用此法可解決引線導熱引起的誤差。2.平衡加熱法：環境溫度低於被測溫度時，熱電偶測得的溫度比實際溫度低。測量時可採用溫差熱電偶，一工作端貼在被測表面，另一工作端距表面有一定距離，熱電偶外繞一小加熱器，根據兩工作端熱電勢大小，自動調整加熱器功率，使兩工作端溫度相等，此時絲中無導熱，測得為真實溫度。當被測表面散熱很大時，有誤差。**第二章溫度測量固體表面溫度測量提高測量準確度的方法3.週期加熱法：將平衡加熱法中連續的加熱補償變成脈動的方法。同時記錄下兩工作端的溫度變化曲線，其交點也就是兩點溫度相同時為被測表面溫度。**第二章溫度測量液體溫度測量液體的比熱及導熱係數都較大，且可以和側頭良好接觸，因此一般採用接觸法測溫。測量管道內液體溫度時，應注意感溫元件的安裝位置。測量點在最高流速處，與流向至少呈90度角。**第二章溫度測量氣體溫度測量接觸法氣體測溫的特殊問題：1.氣體熱容和換熱係數小，溫度波動大，測溫時難以達到熱平衡狀態，誤差大。2.熱電偶的溫度較高時，會以輻射方式向周圍較冷物體傳熱，並以傳導的方式沿自身有熱端向冷端傳熱，因此測量結果低於實際氣流溫度。3.熱電偶對氣流的制動作用可將氣流動能轉化為熱能，使測量結果偏高，流速越高，誤差越大。4.有些熱電偶含有鉑、銥、鈀等貴金屬，會對含有H2、CO、CH4等可燃氣體的燃燒反應起催化作用，測量結果高於實際溫度。**第二章溫度測量氣體溫度測量提高氣體測溫準確度的關鍵是提高氣流與熱電偶之間的對流換熱能力，以及設法減小熱電偶對周圍較冷物體的熱輻射及熱傳導損失。**第二章溫度測量氣體溫度測量低速氣流1.對流換熱(a)採用抽氣熱電偶，可提高熱電偶周圍氣流速度，並能減小輻射損失。(b)採用細偶絲，氣流對圓柱的對流換熱係數近似與成正比。(c)安裝在管道拐彎處，此處處於紊流狀態，提高對流換熱能力。**第二章溫度測量氣體溫度測量低速氣流2.輻射換熱在熱電偶的結構上增加輻射遮罩罩可有效減小輻射損失。**第二章溫度測量氣體溫度測量低速氣流3.熱傳導損失增大熱電偶的插入深度，提高根部溫度，增加對流換熱表面積是有效途徑。**第二章溫度測量氣體溫度測量高速氣流採用帶有滯止罩的熱電偶**量熱技術和熱物性測定第三章熱流計**傳熱的三種方式：導熱、對流、輻射在流體輸運等傳質現象中，也有熱量的傳遞熱流密度：在某方向上，單位時間單位面積上傳遞的熱量熱流測量方式：接觸式測量熱流大小，用於導熱傳遞熱量對進出口溫度和流量測量來計算熱流，用於流動輻射熱流計，用於輻射換熱第三章熱流計**熱流計是熱能轉移過程的量化檢測儀器,目前大量應用在發電、煉鋼、化工產品的分解與合成、建築採暖、空調等熱力過程的能耗檢測與熱能設施的安全保護檢測中。應用於現場直接測量熱流的熱流計,最早出現在1914年。當時德國的Henky教授要測量通過啤酒廠內地板的熱流,他用10cm厚的軟木板覆蓋地板,測出軟木板上下兩面的溫度差,和軟木板的導熱係數從而計算出熱流密度。是現在所用的熱流計的雛型。第三章熱流計1924年,Schmidt設計了由繞在橡膠帶上的熱電堆組成的帶狀熱流計測頭用來測量帶有保溫層的管道的熱流密度。一般認為這是第一種實用的熱流計。當前廣泛應用的熱阻式熱流計一直沿用了熱電堆感測器這一基本型式。**熱流計種類

按照接收熱流密度的方式分有兩大類：接觸式熱流計和輻射式熱流計。接觸式熱流計一般用於測量傳導熱流密度，在一定條件下，也可以認為是測量對流和輻射的熱流總和。輻射式熱流計一般用於接受輻射式熱流密度，有時也有部分對流熱流。按照測量原理分，有穩態導熱式熱流計和非穩態熱流計。第三章熱流計**熱阻式熱流計原理：當有熱流通過熱流計測頭時，在測頭的熱阻層上產生溫度梯度，根據傅立葉定律得到熱流密度。根據使用條件，選擇不同的材料作為熱隔層，以不同的方式測量溫差，就能夠成各種不同結構的熱阻式熱流計。第三章熱流計——典型熱流計**熱阻式熱流計薄板式以康銅箔做為金屬片，兩邊鍍上銅或銀就形成一對溫差熱電偶，此溫差和熱流密度成比例，因此，測量的溫差電動勢也與熱流密度成比例：C：熱流計測頭係數E：測頭輸出電勢一般用於測量大熱流密度。第三章熱流計——典型熱流計T1T2**熱阻式熱流計薄板式金屬熱阻小，靈敏度低，不適合測量較小的熱流密度。為了增大熱阻，可以用導熱係數較小的非金屬材料做夾層。第三章熱流計——典型熱流計**熱阻式熱流計熱電堆式應用最廣泛。為適應不同的需要，熱阻層基板可以是橡膠、塑膠、層壓板、陶瓷片、空氣層等。熱電堆的製作可以用焊接、電鍍、噴鍍、電沉積等方法。第三章熱流計——典型熱流計**熱阻式熱流計熱電堆式應用最廣泛。為適應不同的需要，熱阻層基板可以是橡膠、塑膠、層壓板、陶瓷片、空氣層等。熱電堆的製作可以用焊接、電鍍、噴鍍、電沉積等方法。第三章熱流計——典型熱流計**熱阻式熱流計熱電堆式應用最廣泛。為適應不同的需要，熱阻層基板可以是橡膠、塑膠、層壓板、陶瓷片、空氣層等。熱電堆的製作可以用焊接、電鍍、噴鍍、電沉積等方法。第三章熱流計——典型熱流計**熱阻式熱流計熱電阻式在熱阻層兩邊貼上薄膜熱電阻或熱敏電阻做成。利用電橋測量輸出電壓來測量熱流密度。優點：只需很小的溫度梯度就能產生較大的信號，對於測量低溫氣體產生的較小的對流傳熱或者其他小熱流密度傳熱較理想。第三章熱流計——典型熱流計**熱阻式熱流計的標定由於熱流計測頭的製作工藝和材料性質的不一致，每個測頭的係數都不可能完全一致，一般不能通過計算得到，只能通過標定來確定。測頭標定時，測頭係數是由通過測頭本身的熱流密度和測頭輸出的電勢所決定的：標定時，必須要有一個穩定的具有確定方向的一維熱流並能準確測定。熱流計表面溫度等溫且可調。標定方法可分為：絕對法和比較法第三章熱流計——典型熱流計**熱阻式熱流計的標定——絕對法保護熱板法基於無限大平板的單向穩態傳熱原理第三章熱流計——典型熱流計保護板加熱器主熱板加熱器冷板熱流計測頭保護板迷宮式冷板**熱阻式熱流計的標定——絕對法保護熱板法調整加熱器功率使主熱板與保護板表面溫度一致，在冷熱板間建立起一維熱流場。通過測量主加熱器電功率和測頭輸出電勢得到測頭係數。

第三章熱流計——典型熱流計保護板加熱器主熱板加熱器冷板熱流計測頭保護板迷宮式冷板**熱阻式熱流計的標定——絕對法單試樣保護熱板法基本原理與雙試樣一樣。測量時要使主熱板底部的溫度和底保護板溫度相等。

第三章熱流計——典型熱流計保護板加熱器主熱板加熱器冷板保護板熱流計測頭底板加熱器**熱阻式熱流計的標定——絕對法日本昭和式日本昭和電工株式會社建立的標定裝置。採用與單試樣保護法類似的原理與裝置，但沒有冷板。將測頭一面貼在板面上，另一面直接暴露在空氣中。此法標定易受外界條件變化的影響，且標定時熱板熱流由於測頭存在引起扭曲，標定結果與保護法裝置有一定差別。第三章熱流計——典型熱流計保護板加熱器主熱板加熱器熱流計測頭底板加熱器**熱阻式熱流計的標定——比較法把待標定底熱流測頭與經絕對法標定過的作為標準的熱流測頭一起，放在表面溫度穩定的均勻的熱板和冷板之間。利用標準熱流測頭確定待定熱流測頭的熱流。其中b使用上下兩個標準熱流計，取其平均值作為待測熱流計的熱流，可減小邊緣熱損的影響。第三章熱流計——典型熱流計冷板熱板標準熱流計待定熱流計ab**熱阻式熱流計的標定——比較法也可使用已知導熱係數的標準試樣，用其導熱係數、厚度、溫差推算熱流密度。有三種主要佈置方式。第三章熱流計——典型熱流計標準試樣**熱阻式熱流計的標定——誤差熱量傳遞的精確測量相當困難，由於不存在象電絕緣體那樣的熱絕緣體，因此實驗中的熱損失難以控制。保護法：結構引起的原理性誤差有間隙誤差、不平衡誤差、邊緣誤差。另外還有測量引起的實驗誤差，如加熱量的測量誤差、面積的測量誤差、溫度的測量誤差等。總誤差在3％左右第三章熱流計——典型熱流計比較法的邊緣誤差較大，另外還帶入了標準測頭的誤差，因此總誤差可達5％。**熱阻式熱流計誤差分析1.熱流計熱阻材料導熱係數與被測物體導熱係數不同引起的誤差。被測物導熱係數大於測頭時,熱流穩定值大於實際值;反之,小於實際值。被測物導熱係數越小,則測量偏差越小。2.熱流計本身幾何尺寸、結構對被測物體的影響。熱流計越薄，熱流值偏離越小，穩定越快。熱流計邊長越長，準確度越高，但隨著邊長的增加，增加程度迅速下降。3.與被測物體粘貼緊密程度對測量結果有一定影響。空氣層對熱流計達到穩定的時間有很大影響，用於動態測量會產生較大誤差。但對於穩態測量影響不大。可使用性固導熱膠或磁定器等。4.對流輻射的變化對熱流測量會產生一定影響。第三章熱流計——典型熱流計**熱阻引起的誤差熱阻式熱流計測頭安裝方式有兩種：埋入式和粘貼式。二者均會改變待測物體溫度場及傳熱情況。原因：測頭材料導熱係數與待測物體導熱係數不一致以及原有傳熱厚度改變而引起。第三章熱流計——典型熱流計埋入**熱阻引起的誤差熱阻式熱流計測頭安裝方式有兩種：埋入式和粘貼式。二者均會改變待測物體溫度場及傳熱情況。原因：測頭材料導熱係數與待測物體導熱係數不一致以及原有傳熱厚度改變而引起。第三章熱流計——典型熱流計粘貼R：接觸熱阻**熱阻式熱流測頭的時間回應對於埋入式可認為是穩定傳熱過程對於粘貼式由於增加了表面熱阻，破壞了壁面傳熱，需要經歷一個熱傳遞的過渡狀態才能進行讀數。因此需要瞭解測頭的回應時間。第三章熱流計——典型熱流計溫度分佈Tx**熱阻式熱流測頭的時間回應實際工程使用一般分兩種情況：一是測量保溫層熱流。由於保溫材料導熱係數很小，厚度相比較很大，因此熱流計測頭熱阻可以忽略不計。即熱流密度為常數。第三章熱流計——典型熱流計q＝定值邊界條件：**熱阻式熱流測頭的時間回應實際工程使用一般分兩種情況：一是測量保溫層熱流。由於保溫材料導熱係數很小，厚度相比較很大，因此熱流計測頭熱阻可以忽略不計。即熱流密度為常數。第三章熱流計——典型熱流計q＝定值解為：其中無量綱參數為：分別是特徵方程的第n個正根**熱阻式熱流測頭的時間回應另一種是測量物外表為金屬。此時可認為粘貼熱流測頭前後金屬表面溫度不變。第三章熱流計——典型熱流計壁溫定值邊界條件：**熱阻式熱流測頭的時間回應另一種是測量物外表為金屬。此時可認為粘貼熱流測頭前後金屬表面溫度不變。第三章熱流計——典型熱流計壁溫定值解為：其中無量綱參數為：**熱阻式熱流測頭的時間回應工程中穩定判據：熱流側頭表面（x=δ）處，時間為τ時的tτ－tf與真正穩定時的t－tf之比為0.99時，可認為基本達到穩定。第三章熱流計——典型熱流計**對流和輻射引起的誤差熱流計貼到表面後對流情況會發生改變。對於保溫管，由於外壁面對流換熱熱阻相對較小，因此影響不大。輻射影響主要是由於測頭和待測物體表面發射率不同而造成的。例：某保冷管道，管外空氣30℃，管壁10℃，表面發射率ε1＝0.1，空氣側對流換熱係數為10W/m2K，熱流計表面發射率ε2＝0.9，計算熱流計由於發射率不同造成的誤差。未使用熱流計：使用熱流計：兩者之間偏差約50％！第三章熱流計——典型熱流計**探頭用水冷不銹鋼製成。不銹鋼探頭前端有橢球形空腔，腔內一焦點上有一小孔，另一焦點上安裝探測器，全部輻射熱通過前面的小孔，經過一次、最多兩次反射，到達探測器上，這是一種為了測量從立方角為2π球面度投射出的輻射熱流量設計的。第三章熱流計——典型熱流計輻射式熱流計——2π熱流計**輻射式熱流計——2π熱流計第三章熱流計——典型熱流計原理：在探測器上裝一根杆，杆前後兩端焊有康銅線，形成溫差熱電偶。當探測器吸收輻射熱升溫後，熱量將沿杆導熱，在兩焊點間形成溫度梯度，此溫差熱電偶的輸出就是從輻射孔進入的輻射熱流量的函數。為了清除對流換熱和燃氣進入腔內，用少量氮氣從尾部進入熱流計吹掃內腔。為了不使熱流計燒壞，還要用冷卻水冷卻。**輻射式熱流計——圓箔式熱流計是一種接受輻射熱的熱流計，熱慣性小，穩定性好。其結構為一特殊熱電偶。康銅箔上塗高吸收率塗層。熱流密度q與熱電偶輸出E[mV]之間關係為：R：箔片半徑；δ：箔片厚度；T0：時間常數第三章熱流計——典型熱流計E銅熱沉體康銅箔溫度分佈**實際使用時可做成如圖結構：為防止高溫燃氣對流換熱對接收熱流康銅板的影響，前面裝單晶矽片。第三章熱流計——典型熱流計輻射式熱流計——圓箔式熱流計**輻射式熱流計——總熱流計第三章熱流計——典型熱流計是一種接受輻射測量對流換熱和輻射換熱之和的熱流計，熱流計檢測器裝在水冷不銹鋼探頭的前端面，前端面表面開同心圓鋸齒槽，塗成黑色，可更好吸收輻射熱流。檢測器為圓柱形，後面及旁邊為水冷。熱流沿檢測器長度方向形成溫度梯度。檢測器外面用圓筒防護套隔熱。沿檢測器中心線前後安裝兩個熱電偶，其熱電勢是檢測器上總熱流量的函數。**瞬態熱流計——塞式(塊狀)熱流計由已知品質的金屬盤(塊)和絕熱支座組成，金屬快背面有一熱電偶，測量金屬塊溫度變化。可用於任何方面的傳熱測量。做接受輻射熱的熱流計用時，表面塗以高吸收率的塗層。熱流沿銅塊厚度方向傳輸：解為：第三章熱流計——典型熱流計無氧銅塊非金屬材料初始條件：τ＝0,T=T0邊界條件：x=0,x=δ,

**瞬態熱流計——塞式(塊狀)熱流計理論上，只要知道金屬的比熱、品質，無需單獨標定。但實際應用時，金屬塊與周圍不能很好絕熱，會對測量結果產生較大誤差。回應快，最短可達到毫秒量級。但不能用於熱流隨時間變化的過程測量。第三章熱流計——典型熱流計**瞬態熱流計——薄片狀熱流計第三章熱流計——典型熱流計測頭由一塊圓盤形薄片和一個金屬錐形空腔組成。一般用康銅作薄片，銅作金屬體。康銅薄片中心和邊緣各接一根銅線，測量其溫差。而此溫差熱電勢與熱流密度成正比：q＝C.E。設計時，通常考慮薄片形測頭在滿量程熱流時，由於薄片上的溫度梯度產生10mV的信號(約250度溫差)。可用於接觸式或輻射式熱流計。**瞬態熱流計——薄片狀熱流計第三章熱流計——典型熱流計和塊