第八章温度测量_机械工程测试技术.

1、温度测量基础

常用温度计
C K 273 .16
测量 50℃温 度可用 什么温 度计？
摄氏度
1、温度测量基础

常用温度计
方式测温 接触式 传感器 热电偶 热 电 阻 非接触式 辐 射 式
C K 273 .16
测温范围（℃） 主要特点 －200～1700 －260～600 －260～350 －20～3500 种类多，结构简单，价廉，感温 部小，广泛应用于电测 种类多，精度高，感温部较大， 广泛应用于电测 体积小，响应快，灵敏度高，广 泛应用于电测 不干扰被测温度场，可对运动体 测温，响应较快。测温计结构复 杂，价高，需定标修正测量值
eAB t, tn eAB t, t0 eAB tn , t0
2、热电偶测温

冷端温度补偿


冷端：参考/比端、自由端——t0 热电偶的热电势的大小不仅与工作端温 度有关，而且与冷端温度有关 只有当冷端温度不变时，热电势才是热 端温度的单值函数
水银温度计 试管
eAB t, t0 f t C (t )
A
B
C
1、温度测量基础

温度的概念

单位
摄氏温标（℃） 华氏温标（ºF） 国际温标（K）
C K 273.16
5 C9 ( F 32)
•
常用摄氏温度
1、温度测量基础

基本原理

•
测温原理
温度本身是一个抽象的物理量，不能直接与标准量比较而测出 通过测量某些随温度而变化的物体的性质，间接地测量物体温度 传感器：测量某些材料随温度单值变化的物理参数，间接评估
•
•

•
物理参数选择
温度的单值函数——物理参数变化只与温度有关，与其它因素无 关或关系不大 函数关系必须简单、稳定——参数与温度之间的函数关系简单， 且变化是连续的 温度的跟踪性要好——能够迅速与被测介质达到热平衡
•
•
1、温度测量基础

测温方法
• • • • • •
利用物体的热胀冷缩现象测量温度 利用物体的热电效应随温度变化的现象测量温度 利用物体的导电率随温度变化的现象测量温度 利用物体的热辐射强度随温度变化的现象测量温度 利用物体的磁化率随温度变化现象制造的磁温度计 利用物体的正向电压随温度变化现象制造的温度计
第八章
机械工程测试技术—— 温度测量（2）
内容
1、温度测量基础 2、热电偶测温技术 3、电阻法测温技术 4、温度仪表的标定 5、其它 重点：掌握热电偶与热电阻两种测温方法的原理、特点及应用场合
1、温度测量基础

温度测量背景

国际单位制七个基本的物理量
量的名称 (Quantity) 单位名称 (Name) 单位符号 (Symbol)

eAB t0
导 e t , t 导 A 0 体 体 eB t, t0 B A

热电偶：两导体Ａ和Ｂ组成 接触电势：接触点电子密度不相同而形 成的电位差 温差电势：金属导体两端温度不同而可 产生的热电势——等温时为零
eAB t
高温端t
eAB（t,t0）——金属A和温度t分别表示热电偶的正极和测量 端,后面的金属B和温度t0分别表示热电偶的负极和参考端
R1 R2 RB a b RC
Rs
t R3 d RCu e R调 RT RD
热电偶
补偿电路
外电路可调电阻
动圈式仪表
2、热电偶测温

热电势测量


直流电位差计：与已知的标准电势相比较 使输入信号回路没有电流流过——消除内部压降 校正工作电流回路：标准电池EK、标准电阻RK、高精度检流计G 测量过程

t
A B
t n tn
A B
to t
A B
to
eAB t , tn eAB t , t0 eAB tn , t0

冷端t0，测得eAB(t,t0)；定点温度为tn，可查表 eAB(tn,t0)，则
例 ：用铜-康铜热电偶测量某介质温度，冷端置于恒温室内t0=20℃，测 出热电偶输出的热电势为-6.282mV，求该介质温度为多少？ 解：根据冷端温度t0=20℃查表，得E(t0,0℃）=0.789mV，则有
eAB t , t0 e AC t , t0 eCB t , t0 eAB t , t0 e AC t , t0 eBC t , t0
eABC t, t0 eAB t , t0
t
A
C B B ——建立通用（相对标准电极）分度表
e(t, 0℃ ）= e(t, t0)+e(t0,0℃)=-6.282+0.789=-5.493mV 用此电势值再查表，得该介质温度79.56K
2、热电偶测温


冷端温度补偿
补偿电桥法 ——在热电偶回路中串联一电势U=e(t0,0)

t0
U
t
t0 R1 a Rs R3
e
c
R2 b
原理：电桥输出与环境温度/冷端变化成正比 补偿环境温度对热电偶的影响
一般热电偶的灵敏度随温度降低而明显下降。这是热电偶进 行低温测量的主要困难.
2、热电偶测温

热电偶分类
分度号
2、热电偶测温

热电偶分类


C K 273 .16 铂铑－铂热电偶－中高温度计 特点：物理化学性能稳定，测量精度高，常用于精密温度 测量和作为基准温度计使用 测温范围：300℃~1300℃，短期可达1600℃ 灵敏度：室温下6 uV/℃、铂铑为正 缺点：灵敏度较低，价格昂贵，较少在中低温度下使用
2、热电偶测温
热 电 偶 分 度 表
2、热电偶测温

热电势测量

常用仪表：动圈式仪表、电位差计、数字式电压表 动圈式仪表：测量电流/端电压 测量线路：热电偶、补偿电路、外电路可调电阻和动圈仪表 动圈仪表的内线路电阻是一定的，要求外线路电阻规定为15Ω 外线路电阻：热电偶电阻、补偿电桥等效电阻、引线电阻和外线 调整电阻—>15Ω c
物质的量 (amount of substance) 摩尔(mole) 发光强度 (luminous intensity) 坎德拉(candela)

测量领域——动力、机械、化工、冶金、制冷、航天、电子、…
1、温度测量基础

温度的概念

物体热平衡状态下冷热程度的物理量
•
•
微观上——温度是物体内部分子热运动激烈程度的标志，是 度量分子热运动平均动能大小的指标 宏观上——温度是决定系统热平衡的宏观性质。当两个系统 处于平衡状态时，它们拥有的共同性质 TA C < TB C < TC C TAC 热流 热流 TBC
金属热电阻 半导体热敏电阻 光学高温计 比色高温计 红外光电温度计
1、温度测量基础

测温方式


接触测温法
除高温区以外的温度测量大多采用此法 主要有：热电阻、热电偶、膨胀式、二极管等



非接触测温法
在高温范围（由于感温物质的材料特性的限制），利用物体的辐 射特性来测量物体的温度 主要有：光学高温计、辐射高温计、光电高温计等



分度表
用一张表格将感温元件（热电偶）的电阻值（热电势）与温度的 对应关系表示出来称为分度表 热电偶分度表是以冷端温度为0℃为基础而制成的

2、热电偶测温

均匀导体定律 在用同一种均质材料组成的回路中，不 论材料的截面积是否一致以及各处的温度分 布如何，该回路中的总热电势等于零
A
t t0 eA(t, t0)＝0
t
电桥补偿： • 在 0º C时，电桥平衡，输出为U=0 • 如果环境温度上升，热电偶输出热电势数值要降低 • 电桥中桥臂电阻Rcu随温度上升而增大，使电桥输出 电压增加，它与前者迭加可起到补偿作用
d
RCu
e
2、热电偶测温

热电偶分类



热电偶材料性能要求 物理化学性能稳定、电阻温度系数小、机械性能好、灵敏度高、 复现性好、线性关系等 热电偶分类 按其热电势与温度的关系以及使用性能可分为：常用热电偶和特 殊热电偶 按其适应的温度范围不同可分为：高、中温热电偶和低温热电偶 按其结构型式不同可分为：铠装式、插入式和裸线式热电偶
热电偶
2、热电偶测温

热电势测量
• • • •
数字式电压表 特点 分辨率很高，直接接受热电偶的电势信号 具有很高的输入阻抗（兆欧数量级）、多次放大滤波 模－数转换、数字显示 完全可以忽略电极材料的粗细和引线的长短以及电阻的变化等造 成的测量误差 MV
• 当把开关K转向1位时，整定可调 电阻，使得检流计指零，可得到精 确的工作电流I＝EK/RK • 当把开关K转向2位时，即接入被 测热电势eX；调节触点B，使检流 计指零，则电流I在RAB（可精确 知道）上的电压降即为热电势eX
E
Rj可调电阻
标准电阻RK 标准电池 EK
1
A
B
I
G检流计
2
K
ex
t
eX I .RAB
长度 (length) 质量 (mass) 时间 (time) 电流 (electric current) 热力学温度 (thermodynamic temperature)
米(meter) 千克(公斤)(kilogram) 秒 (second) 安培 (ampere) 开尔文(kelvin)
m kg s A K mol cd
to t
C
to t
A
to
2、热电偶测温


热电偶连接
接入仪表
参考端t0 工作端t 参考端t0 工作端t

开路热电偶
只要A、B电极接入处温度一致 ——任意焊接、任意连接
参考端t0 工作端t 金属壁面 液态金属
参考端t0 工作端t
t2
2、热电偶测温

中间温度定律
E eAB t1, t3 eAB (t1, t2 ) eAB (t3, t2 )


若要回路中产生热电势，必须采用两种不同性质的材料 由同一种材料组成的闭合回路存在温差时，若回路中产生 热电势便说明该材料是不均匀的
2、热电偶测温

热电效应：将温度信号转换成热电势
当不同材料的两导体Ａ和Ｂ的两个结 点处温度不同时，则回路中产生热电势
低温端t0
eAB t, t0 eAB t eB t, t0 eAB t0 eA t, t0
热电偶在接点温度为t、tn的热电势为eAB(t,tn),在接 点温度为tn 、t0的热电势为eAB(tn,t0),则当接点的温度为 t、t0的热电势为：
eAB t, t0 eAB t, tn eAB tn , t0 t
A B
t n tn
A B
to t
A B
to
结论：


电势与温度间转换：无论热电偶的工作温度为多少，都可以用一具有相同 参考温度的分度表来确定其电势温度函数关系 温差测量：只要已知t和tn温度下的电势，则对应于t和tn温差下的热电势 便为已知
镍铬－镍硅热电偶－中高温度计 特点：化学性能很稳定，灵敏度高、成本低，价格低廉； 测温范围：100℃~1000℃，短期可达1300℃。 灵敏度：室温下41 uV/℃、镍铬为正

2、热电偶测温

热电wenku.baidu.com分类



C K 273 .16 镍铬－康铜热电偶－中低温温度计 特点：综合了镍铬－镍硅热电偶和铜－康铜热电偶 的一些优点：灵敏度高、价格便宜 测温范围：液氮温区80K～500℃ 灵敏度: 室温下70 uV/℃ 铜－康铜热电偶－中低温温度计 特点：性能稳定，复现性好，而且价格便宜 测温范围：80K～室温 灵敏度: 室温下40uV/℃ 镍铬－金铁热电偶－中低温温度计 特点：稳定性好，热导率低，适合于低温测量； 测温范围：1K～30K 灵敏度: 1K时下10 uV/℃，为铜康的30倍。
2、热电偶测温

中间导体定律
在热电偶回路中加入第三种导体C，只要其两 端温度相同，热电偶产生的热电势保持不变——不 受第三金属接入的影响
eCA(t0) t0 C t0 eBC(t0)
A
eA(t, t0)
t
B
eB(t, t0) eAB(t)
可以在热电偶回路中接入仪表以便检测热 电势的大小从而测出温度 相对另一种金属C（标准电极）的热电势为 已知的金属A和B，它们组成的热电偶，其 热电势为它们对金属C热电势的代数和：

定点法——恒温法

变压器油 冰水化合物

把冷端置于恒温器中，使其维持在一恒 定温度下，最常用冰槽 精度很高，比较麻烦，仅限于实验室用
2、热电偶测温


冷端温度补偿
修正法——处理冷端温度不是分度时的定点温度（0℃或0K）

修正原理：中间温度定律
eAB t, t0 eAB t, tn eAB tn , t0