综合实验一--机械工程中的温度测量-(1)..

综合实验一机械工程中的温度测量在工业生产及实验研究中，温度常作为表征对象和过程状态的重要参数之一。

在机械制造业中，随精密加工和数控技术的迅速发展，对加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。

在精密加工中，热变形引起的加工误差竟占总误差的40％－70％。

对于高精度机床，离开了对温度的严格控制，就根本没有高精度可言。

对于普通机床，在一般精度加工中，发热现象也由于机床功率和转速的大大提高而越来越严重。

另外，切削过程中的切削热现象也影响刀具的耐用度，限制了切削速度的提高，甚至影响加工质量。

因此，学习和了解温度的测量与控制，具有极为重要的意义。

1、实验目的研究和检验各种工作机械，传动机械和动力机械工作时，通过构建多点温度测试系统，获取其温度场的形成变化特点。

以期进一步分析产品的设计质量和制造质量。

(1) 运用学习的测试技术知识设计组建多点温度测试系统；(2) 学习铜一康铜热电偶的结构及其原理，测量其静特性、动特性曲线；(3) 学习传感器在实际测试中应用方法；(4) 学会组建合适的测试系统的一般方法；(5) 通过测试了解机床温度场的形成，认识机床热态特性的重要意义。

2、实验对象普通车床或其它运行机械设备作为实验对象，通过对机床温度场的测量，确定出机床热态特性，分析其对机床运行的影响。

3、实验设备(1) 铜一康铜热电偶，水银玻璃温度计，半导体测温传感器等；(2) 温度标定装置；(3) 多点转换开关；(4) 电位差计；(5) 函数记录仪；(6) 普通车床；(7) 相关低值易耗品。

4、实验步骤4.1实验准备(1) 机床温度场测试实验方案设计；(1) 绘制实验设备布置图；(2) 实验设备连线图；(3) 熟悉实验设备，重温热电偶得测量原理和一般结构，了解铜一康铜热电偶的特点；(4) 撰写实验操作步骤说明；(5) 预测实验中可能出现的问题及解决方法。

4.2实验操作(1) 制作铜一康铜热电偶（可选）；(1) 重温热电偶的三个基本定律（均匀电路定律、中间金属定律、中间温度定律）。

(2) 组建热电偶静特性测试系统，测量铜一康铜热电偶的静特性曲线。

即其分度表。

(3) 组建热电偶的动特性测试系统，测量铜一康铜热电偶的动特性曲线。

理解其意义。

(4) 合适选择本实验中机床的测点，清洁测点位置。

对车床变速箱而言，箱体前后端面上的温升情况较为重要，其温度场情况较为复杂，在本实验中处理从简。

(5) 在车床箱体上，使用铜一康锕热电偶合适布置测温点，组建机床温度场测量系统。

(6) 在车床开车前须把布置好的各测点的原始工况下的温度值测量并记录下来。

(7) 注意环境温度变化。

(8) 车床开车后前三次测量每10分钟一次，以后每隔15分钟进行一次：并记录测得的数据。

(9) 在机床空载、高速运转适度时间之时，即机床达热平衡后停车，记录停车前各点稳定温度值和稳定温升值。

附注：根据《金属切削机床通用技木条件》(JB2278－78)关于机床达热平衡的定义即以机床主轴轴承达到稳定温度值为准(即该点的温升为每小时小于5℃)。

定温度值减去当时室温值即为稳定温度的温升值。

5、实验报告(1) 说明热电偶的测温原理。

(2) 叙述在实验中要注意的问题有哪些？如在制作热电偶时有哪些注意事项，在使用电位差计要注意的问题有哪些？。

(3) 实验中是如何组建热电偶静特性测试系统的，画出电路图并说明电路设计原理。

(4) 整理试验数据，画出铜一康铜热电偶的静特性曲线，并进行线性拟合，计算非线性度误差和灵敏度，得出铜一康铜热电偶的分度表。

分析实验中可能存在的误差。

(5) 在本实验中，是如何采用热电偶进行温度测量的？做出温度关于时间的曲线图，并说明温度－时间曲线图在实际当中有些什么应用？6实验原理6.1常用温度传感器分类从理论上讲，凡随温度变化，其物理性质也发生变化的物质皆能作为测温传感器。

但是，要想测量获得准确的温度值，则不是所有上述物质都能适用。

一般而言，用于测量温度的敏感元件原则上应该满足下列要求：a.温敏件的测温特性应该仅和温度有关，测温特性随温度变化的函数曲线应呈线性特性，而且测温特性的变化应该明显，即有较高的灵敏度。

b.温敏件在长期使用过程中，其测温特性应具有较好的稳定性。

c.温敏件应该具有较宽的测温范围，即在不改变测温特性的条件下，温敏件能测量高、低温的范围越宽越好。

实际上，完全满足以上要求的温敏件是不存在的。

目前，温度传感器形式多样，分类方式繁多。

常用的温度传感器可以分类如图9－3所示。

温度传感器还可以分为接触式和非接触式两大类。

所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触，这是测温的基本形式。

这种形式是通过接触方式把被测物体的热能量传送给温敏传感器，这就降低了被测物体的温度。

特别是被测物体较小，热能量较弱时，不能正确地测得物体的真实温度。

因此，采用接触方式时，测得物体真实温度的前提条件是，被测物体的热容量必须足够大于温度传感器。

非接触方式是测量被测物体的辐射热的一种方式，它可以测量远距离物体的温度，这是接触方式做不到的。

但是要注意采用非接触式温度传感器较难测量±l℃以下的温度。

图9－3温度传感器分类6.2热电偶热电偶是目前工业上应用较为广泛的温敏元件之一，一般用于测量500℃以上的温度。

普通热电偶的测温上限可达l300℃，短时间使用测温上限可达l600℃，特殊材料制成的热电偶可以测量2000℃至2800℃的高温。

热电偶是一种发电型的温敏元件，它将温度信号转换成电势信号，配以测量电势信号的仪表或变送器，便可以实现温度的测量或温度信号的变换。

热电偶之所以应用广泛是因为它有如下特点：①精度高热电偶的测温精度可达0.1～0.2℃，仅次于热电阻。

由于热电偶具有良好的复现性和稳定性；所以国际实用温标中规定热电偶作为复现630.74～1064.43℃范围的标准仪表。

②结构简单热电偶结构简单，制造极为方便。

③用途广泛热电偶的用途非常广泛，除了用来测量各种流体的温度外，还常用来测量固定表面的温度。

热电偶的测温范围为-270℃至2800℃，热电偶可直接反映平均温度或温差。

④动态特性好由于热电偶的测量端可以制成很小的接点，响应速度快，其时间常数可达毫秒级，甚至微秒级。

图1－4 热电偶原理示意图将两根性质不同的金属丝或合金丝A与B的一个端头焊接在一起，就构成了热电偶，如图1—4所示。

A、B叫做热偶丝，也叫热电极。

放置在被测介质中的一端，即a端，也称工作端，或称测量端。

热电偶一般用于测量高温，所以工作端一般置于高温介质中，因而a端也称热端；另外一端b则称为参比端，也称为自由端。

通常用热电偶测温时，b端用来接测量仪表，其温度t0通常是环境温度，或某个恒定的温度(如50℃，0℃)，它一般低于工作端温度，所以常称为冷端。

如果把热电偶的自由端焊接在一起。

在热电偶组成的闭合电路中，放置一图1-5 热电现象当t=t0时，磁针不动，当t≠t0时，磁针就发生偏转，其偏转方向和热电偶两端温度的高低及两极的性质有关。

上述现象说明，当热电偶两端温度t≠t0时，回路中产生了电流，这电流称为热电流。

其电势称为热电势。

这种物理现象称为热电现象。

当自由端的温度t0保持一定时，热电势的方向及大小仅与热电极的材料和工作端的温度有关，即热电势是工作端温度t 的函数。

这即是热电偶测温的物理基础。

热电势由接触电势和温差电势两部分组成。

①接触电势导体中都存在自由电子，材料不同，自由电子浓度不同。

设导体A 、B 的自AB A B图1－6 接触电子示意图当两导体接触后，自由电子便从浓度高的一方向浓度低的一方扩散。

结果界面附近导体A 失去电子带正电，导体B 得到电子带负电而形成电位差，当电子扩散达到动态平衡时。

界面的电势为：ln A AB Bn KT e q n = (1-6) 式中：K ——玻尔茨曼常数 T 一一绝对温度q ——电子电荷由式（1-6）可以看出，当A 、B 材料相同(即A n ＝B n )时，0=AB e 。

②温差电势在一根金属导体上，如果存在温度梯度，也会产生电势。

因为温度不同自由电子的运动速度不同。

温度梯度的存在必然形成自由电子运动速度的梯度，电子从速度大的区域向速度小的区域扩散，造成电子分布不均，形成电势差，称为温差电势。

当导体两端温度分别为t ，t 0时的温差电势：0tA t e dt σ=⎰ (1-7) 式（1-7）中：σ为温差系数，与材料性质以及导体两端的平均温度有关。

(2)热电偶基本定律从热电现象的讨论中知道，在图1-7所示的热电偶回路中，两电极接触处有接触电势()t e AB 和()0t e AB ,A 导体和B 导体的两端之间有温差电势()0,t t e A 和()0,t t e B 。

如果t >t 0，各电势方向示于图1—7。

图1—7热电偶的热电势回路中的总电势用符号()0,t t E AB 来表示。

总电势等于回路中各电势的代数和0000(,)()(,)()(,)AB AB B AB A E t t e t e t t e t e t t =+--将式 00(,)()()A A A e t t e t e t =-00(,)()()B B B e t t e t e t =-代人上式中，得0000(,)[()()()][()()()]AB AB B A AB B A E t t e t e t e t e t e t e t =+--+-0()()AB AB F t F t =- （1-8） 式中：FAB(t)，FAB(t0)称为分热电势。

由于函数FAB 的形式并不知道。

所以热电偶的热电 势的数值只能用实验的方法来确定。

由式（1-8）可以导出热电偶的基本定律。

①均匀电路定律由单一的均匀金属构成的闭合同路，无论何种状态加温，也不会产生热电势。

②中间金属定律用热电偶测量温度时，回路中总要接入仪表和连接导线。

可以证明，无论是将材料A 或B 断开还是将冷端断开，在断开处插入测量仪表(即第三种材料C )或插人更多材料，只要插入材料的两端温度相同，则插入后对回路热电势没有影响，如图1-8。

图1－8 中间金属定律③中间温度定律任何两种均匀材料构成的热电偶，热端为1t ，冷端为2t 时的热电势，等于此热电偶热端为1t 、冷端为3t 的热电势和同一热电偶热端为3t ，、冷端为2t 的热电势之代数和。

121332(,)(,)(,)AB AB AB E t t E t t E t t =+ (1－9)一般情况下，热电偶的分度表都是以冷端为0℃时作出的。

在一般工程测试中，如果冷端不是摄氏零度，就需要利用中间温度定律修正测量的结果，如图图1－9 中间温度定律(3)热电偶的种类和特性热电偶通常分为标准化热电偶和非标准化热电偶两类。

①标准化热电偶标准化热电偶是指制造工艺比较成熟，应用广泛，能成批生产。