建筑環(huán)境測試技術(shù)3

1、第第3 3章章 溫度測量溫度測量v授課課時授課課時：2學時學時v主要內(nèi)容主要內(nèi)容：膨脹式溫度計、熱電偶測溫：膨脹式溫度計、熱電偶測溫第第3 3章章: :溫度測量溫度測量3.1 3.1 溫度測量概述溫度測量概述3.2 3.2 膨脹式溫度計膨脹式溫度計3.3 3.3 熱電偶測溫熱電偶測溫3.1 3.1 溫度測量概述溫度測量概述溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)l溫度是與人類生活息息相關(guān)的物理量溫度是與人類生活息息相關(guān)的物理量l在在20002000多年前，就開始為檢測溫度進行了各種努力，并開多年前，就開始為檢測溫度進行了各種努力，并開始使用溫度傳感器檢測溫度始使用溫度傳

2、感器檢測溫度l人類社會中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國防、醫(yī)學及環(huán)人類社會中，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研、國防、醫(yī)學及環(huán)保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系保等部門都與溫度有著密切的關(guān)系l工業(yè)生產(chǎn)自動化流程，溫度測量點要占全部測量點的一半工業(yè)生產(chǎn)自動化流程，溫度測量點要占全部測量點的一半左右左右 因此，人類離不開溫度，當然也離不開溫度傳感器。因此，人類離不開溫度，當然也離不開溫度傳感器。 溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁溫度傳感器是實現(xiàn)溫度檢測和控制的重要器件。在種類繁多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳多的傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的傳感器之一。感器之一。

3、量：量： 測量是以確定量值為目的的一組操作，這種操作就是測量是以確定量值為目的的一組操作，這種操作就是測量中的比較過程測量中的比較過程將被測參數(shù)的量值與作為單位的標將被測參數(shù)的量值與作為單位的標準量進行比較，比出的倍數(shù)即為測量結(jié)果。準量進行比較，比出的倍數(shù)即為測量結(jié)果。2 2）誤差公理：）誤差公理： 在科學試驗和工程實踐中，由于客觀條件的限制，以在科學試驗和工程實踐中，由于客觀條件的限制，以及在測量工作中人的主觀因素的影響，都會使測量結(jié)果與及在測量工作中人的主觀因素的影響，都會使測量結(jié)果與實際值不同，也即測量誤差客觀存在于一切科學試驗。實際值不同，也即測量誤差客觀存在于一切科學試驗。 v生活中

4、常見的溫度測量；生活中常見的溫度測量；測量室溫；測量室溫；測量體溫；測量體溫；測量水溫等測量水溫等 v工業(yè)系統(tǒng)中常見的溫度測量；工業(yè)系統(tǒng)中常見的溫度測量；煉鋼爐的溫度；煉鋼爐的溫度；木材烘干等；木材烘干等；溫度的基本概念溫度的基本概念 熱平衡：溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量。熱平衡：溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量。 分子物理學：溫度反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈分子物理學：溫度反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運動的劇烈程度程度 能量：溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理能量：溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理量。量。表示溫度大小的尺度是溫度的標尺，簡稱溫標。表示溫度大

5、小的尺度是溫度的標尺，簡稱溫標。u 熱力學溫標u 國際實用溫標u攝氏溫標u華氏溫標1.1.熱力學溫標熱力學溫標 1919世紀開爾文總結(jié)出溫度僅與熱量有關(guān)，而與物世紀開爾文總結(jié)出溫度僅與熱量有關(guān)，而與物質(zhì)無關(guān)的熱力學溫標，稱開爾文溫標，用符號質(zhì)無關(guān)的熱力學溫標，稱開爾文溫標，用符號K K表示。表示。它是國際基本單位之一。它是國際基本單位之一。 根據(jù)熱力學中的卡諾定理，如果在溫度根據(jù)熱力學中的卡諾定理，如果在溫度T1T1的熱源的熱源與溫度為與溫度為T2T2的冷源之間實現(xiàn)了卡諾循環(huán)，則存在以下的冷源之間實現(xiàn)了卡諾循環(huán)，則存在以下關(guān)系式關(guān)系式 如果在式中規(guī)定一個條件，就可以通過卡諾循環(huán)如果在式中規(guī)定一

6、個條件，就可以通過卡諾循環(huán)中的傳熱量來完全的確定溫標。中的傳熱量來完全的確定溫標。19541954年，國際計量會年，國際計量會議選定水的三相點為議選定水的三相點為273.16273.16，并以它的，并以它的1/273.161/273.16定為定為一度，這樣熱力學溫標就完全確定了，即一度，這樣熱力學溫標就完全確定了，即T=273.16(QT=273.16(Q1 1/Q/Q2 2) )。2.2.國際實用溫標國際實用溫標 國際實用溫標國際實用溫標International Practical International Practical Temperature Scale of1968(Tempe

7、rature Scale of1968(簡稱簡稱IPTS-68),IPTS-68),又稱國又稱國際溫標。際溫標。 國際溫標國際溫標IPTS-90IPTS-90同時定義國際開爾文溫度（符號為同時定義國際開爾文溫度（符號為T90T90）和國際攝氏溫度（符號為）和國際攝氏溫度（符號為t90t90）。）。1K1K定義為水定義為水三相點熱力學溫度的三相點熱力學溫度的1/273.16,1/273.16,水的三相點是指純水水的三相點是指純水在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三相平衡時的溫度，熱力學溫在固態(tài)、液態(tài)及氣態(tài)三相平衡時的溫度，熱力學溫標規(guī)定三相點溫度為標規(guī)定三相點溫度為273.16K273.16K，這是建立溫標的唯

8、一，這是建立溫標的唯一基準點。基準點。注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫注意：攝氏溫度的分度值與開氏溫度分度值相同，即溫度間隔度間隔1K=11K=17 7。T T0 0是在標準大氣壓下冰的融化溫度，是在標準大氣壓下冰的融化溫度， T T0 0=273.15K=273.15K。水的三相點比冰點高出。水的三相點比冰點高出0.01K0.01K3.攝氏溫標攝氏溫標 工程上最通用的溫度標尺。攝氏溫標是在標準大氣工程上最通用的溫度標尺。攝氏溫標是在標準大氣壓（即壓（即101325Pa）下將水的冰點與沸點中間劃分）下將水的冰點與沸點中間劃分一百等分，每一等分稱為攝氏一度（攝氏度，一百等分，每一

9、等分稱為攝氏一度（攝氏度，），），一般用小寫字母一般用小寫字母t表示。表示。 與熱力學溫標單位開爾文并用。與熱力學溫標單位開爾文并用。 攝氏溫標與國際實用溫標溫度之間的關(guān)系：攝氏溫標與國際實用溫標溫度之間的關(guān)系： t=T-273.15 T=t+273.15k4.華氏溫標華氏溫標 目前用的已較少，它規(guī)定在標準大氣壓下冰的融點目前用的已較少，它規(guī)定在標準大氣壓下冰的融點為為32華氏度，水的沸點為華氏度，水的沸點為212華氏度，中間等分為華氏度，中間等分為180份，每一等分稱為華氏一度，符號用份，每一等分稱為華氏一度，符號用 ，它和，它和攝氏溫度的關(guān)系如下：攝氏溫度的關(guān)系如下： m=1.8n+32

10、n=5/9(m-32) v溫度系統(tǒng)的特殊問題溫度系統(tǒng)的特殊問題 1.起始狀態(tài)：溫度傳感器總是處在一定的環(huán)境狀態(tài)中，起始狀態(tài)：溫度傳感器總是處在一定的環(huán)境狀態(tài)中，因此非工作狀態(tài)下，溫度傳感器所處的環(huán)境溫度就因此非工作狀態(tài)下，溫度傳感器所處的環(huán)境溫度就是溫度測量系統(tǒng)的初始狀態(tài)，環(huán)境溫度總是變化的，是溫度測量系統(tǒng)的初始狀態(tài)，環(huán)境溫度總是變化的，故系統(tǒng)的初始狀態(tài)總是變化的。故系統(tǒng)的初始狀態(tài)總是變化的。2.熱慣量：物體的加熱、冷卻均需要用一定的時間。熱慣量：物體的加熱、冷卻均需要用一定的時間。熱容量越大，熱慣量越大。熱容量越大，熱慣量越大。3.熱阻：系統(tǒng)傳熱介質(zhì)的傳熱能力。介質(zhì)的熱阻越大，熱阻：系統(tǒng)傳熱

11、介質(zhì)的傳熱能力。介質(zhì)的熱阻越大，傳熱能力越差，系統(tǒng)的熱慣量也越大傳熱能力越差，系統(tǒng)的熱慣量也越大4.零點校準與保持：溫度值是相對零點而言的。故零零點校準與保持：溫度值是相對零點而言的。故零點必須準確且要保持。點必須準確且要保持。由于溫度系統(tǒng)的特殊問題對傳感器有特殊要求由于溫度系統(tǒng)的特殊問題對傳感器有特殊要求v傳感器的外殼和內(nèi)部材料具有一定傳感器的外殼和內(nèi)部材料具有一定的熱容和熱阻的熱容和熱阻傳感器具有一定的熱慣量傳感器具有一定的熱慣量傳感器與被測量達到熱平衡需要一定的時傳感器與被測量達到熱平衡需要一定的時間間v傳感器熱慣量過大的危害傳感器熱慣量過大的危害不能迅速反映被測溫度的變化不能迅速反映被

12、測溫度的變化傳感器吸熱和放熱會干擾被測系統(tǒng)的溫度傳感器吸熱和放熱會干擾被測系統(tǒng)的溫度v溫度傳感器的熱慣量要盡可能的小溫度傳感器的熱慣量要盡可能的小體積要小，材料比熱容要小；體積要小，材料比熱容要??；使用導熱良好的封裝材料（熱阻小）使用導熱良好的封裝材料（熱阻?。囟葌鞲衅鞣诸悾?）分類特征傳感器名稱測溫范圍超高溫用傳感器 1500以上光學高溫計、輻射傳感器高溫用傳感器1000 1500光學高溫計、輻射傳感器、熱電偶中溫用傳感器0 500低溫用傳感器-250 0晶體管、熱敏電阻、壓力式玻璃溫度計極低溫用傳感器 -270 -250 BaSrTiO3陶瓷溫度傳感器分類（2）分類特征傳感器名稱測溫特性

13、線性型測溫范圍寬、輸出小測溫電阻器、晶體管、熱電偶壓力式溫度計、玻璃制溫度計等指數(shù)型函數(shù)測溫范圍窄、輸出大熱敏電阻開關(guān)型特性特定溫度、輸出大感溫鐵氧體、雙金屬溫度計溫度傳感器分類（2）分類特征傳感器名稱測定精度溫度標準用測定精度0.1 0.1鉑測溫電阻器、氣體溫度計、玻璃制溫度計、光學溫度計等絕對值測定用測定精度0.5 5熱敏電阻、測溫電阻器、熱敏電阻、壓力式溫度計、玻璃制溫度計、輻射傳感器、晶體管、雙金屬溫度計管理溫度測定用相對值1 5v接觸方式分類：接觸方式分類：l接觸式：傳感器與被測物體直接接觸接觸式：傳感器與被測物體直接接觸l非接觸式：傳感器與被測物體不接觸，而是利非接觸式：傳感器與被

14、測物體不接觸，而是利用被測物體的熱輻射或?qū)α鱽頊y量溫度遙感技用被測物體的熱輻射或?qū)α鱽頊y量溫度遙感技術(shù)：從遠離被測物的地方對被測物體及其狀態(tài)術(shù)：從遠離被測物的地方對被測物體及其狀態(tài)進行非接觸性探測的一門技術(shù)。進行非接觸性探測的一門技術(shù)。 常用溫度傳感器常用溫度傳感器1.1.金屬熱電阻：利用金屬材料對溫度敏感的特性做成傳感器、金屬熱電阻：利用金屬材料對溫度敏感的特性做成傳感器、線性度好、性能穩(wěn)定、可測溫度范圍寬線性度好、性能穩(wěn)定、可測溫度范圍寬2.2.半導體熱敏電阻：非線性，有正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)半導體熱敏電阻：非線性，有正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)3.3.熱電偶是一種常見的溫度傳感檢測傳感器，用于

15、感測溫度，熱電偶是一種常見的溫度傳感檢測傳感器，用于感測溫度，工作原理是溫度變化其兩端電位大小不同工作原理是溫度變化其兩端電位大小不同4.4.集成溫度傳感器：將溫敏元件及其外圍電路集成在同一芯集成溫度傳感器：將溫敏元件及其外圍電路集成在同一芯片上，構(gòu)成集測量、放大、電源供電電路于一體的高性能片上，構(gòu)成集測量、放大、電源供電電路于一體的高性能傳感器。傳感器。n熱電偶與熱電阻的區(qū)別在于：熱電偶與熱電阻的區(qū)別在于：n第一，信號的性質(zhì)，熱電阻本身是電阻，溫度的變化，第一，信號的性質(zhì)，熱電阻本身是電阻，溫度的變化，使電阻產(chǎn)生正的或者負的阻值變化；熱電偶是產(chǎn)生感使電阻產(chǎn)生正的或者負的阻值變化；熱電偶是產(chǎn)生

16、感應(yīng)電壓的變化，它隨溫度的改變而改變應(yīng)電壓的變化，它隨溫度的改變而改變n第二，兩種傳感器檢測的溫度范圍不一樣，熱阻一般第二，兩種傳感器檢測的溫度范圍不一樣，熱阻一般檢測檢測0 0150150度溫度范圍（當然可以檢測負溫度），熱度溫度范圍（當然可以檢測負溫度），熱電偶可檢測電偶可檢測0 010001000度溫度范圍（甚至更高），所以，度溫度范圍（甚至更高），所以，前者是低溫檢測，后者是高溫檢測。前者是低溫檢測，后者是高溫檢測。n第三，從材料上分，熱阻是一種金屬材料，具有溫度第三，從材料上分，熱阻是一種金屬材料，具有溫度敏感變化的金屬材料，而熱電偶是雙金屬材料，既兩敏感變化的金屬材料，而熱電偶是雙

17、金屬材料，既兩種不同的金屬，由于溫度的變化，在兩個不同的金屬種不同的金屬，由于溫度的變化，在兩個不同的金屬端產(chǎn)生電勢差。端產(chǎn)生電勢差。3.2 3.2 膨脹式溫度計膨脹式溫度計 液體膨脹式溫度計利用物體受熱膨脹的液體膨脹式溫度計利用物體受熱膨脹的原理制成的溫度計原理制成的溫度計 液體膨脹式溫度計液體膨脹式溫度計 固體膨脹式溫度計固體膨脹式溫度計 壓力式溫度計壓力式溫度計液體膨脹式溫度計v測溫原理測溫原理 利用液體體積隨溫度升高而利用液體體積隨溫度升高而膨脹的原理膨脹的原理v玻璃管液體溫度計的主要特點：玻璃管液體溫度計的主要特點： 優(yōu)點：直觀、測量準確、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉優(yōu)點：直觀、測量準確、結(jié)構(gòu)

18、簡單、造價低廉 缺點：不能自動記錄、遠傳，易碎，延遲缺點：不能自動記錄、遠傳，易碎，延遲v玻璃管液體溫度計的分類：玻璃管液體溫度計的分類： 標準溫度計：精密測量和校準其他溫度計標準溫度計：精密測量和校準其他溫度計 實驗用溫度計：實驗室測量實驗用溫度計：實驗室測量 工業(yè)用溫度計：工業(yè)測量，準確度較低工業(yè)用溫度計：工業(yè)測量，準確度較低 電接點溫度計：溫度控制用電接點溫度計：溫度控制用v玻璃管溫度計測溫誤差分析：玻璃管溫度計測溫誤差分析： 零點漂移引起的誤差零點漂移引起的誤差 溫度計插入深度不夠引起的誤差溫度計插入深度不夠引起的誤差 非線性誤差非線性誤差 工作液的遲滯誤差工作液的遲滯誤差 讀數(shù)誤差讀

19、數(shù)誤差 溫度計插入深度不夠引起的誤差溫度計插入深度不夠引起的誤差v例題例題1：某一測量蒸汽管道中蒸汽溫度的水銀溫度計指示：某一測量蒸汽管道中蒸汽溫度的水銀溫度計指示值為值為280，溫度計插入處的刻度是，溫度計插入處的刻度是60 ，液柱露出部，液柱露出部分的環(huán)境平均溫度為分的環(huán)境平均溫度為30 ，試求蒸汽的真實溫度。，試求蒸汽的真實溫度。v t=tm+t=280+n(t-ta) =280+(280-60) 0.00016 (280-30) =288.8 結(jié)論：因插入深度不足引起的測量誤差十分驚人，如不結(jié)論：因插入深度不足引起的測量誤差十分驚人，如不 修正就不能得到真實的測量值。修正就不能得到真實

20、的測量值。壓力式溫度計壓力式溫度計v工作原理：利用密閉工作原理：利用密閉容器內(nèi)工作介質(zhì)隨溫容器內(nèi)工作介質(zhì)隨溫度升高而壓力升高的度升高而壓力升高的性質(zhì)性質(zhì)v壓力式溫度計通過對壓力式溫度計通過對工作介質(zhì)的壓力測量工作介質(zhì)的壓力測量來判斷溫度值的一種來判斷溫度值的一種機械式儀表機械式儀表3.3 3.3 熱電偶測溫熱電偶測溫v熱電溫度計是以熱電偶熱電溫度計是以熱電偶作為測溫元件，用熱電作為測溫元件，用熱電偶測得與溫度相應(yīng)的熱偶測得與溫度相應(yīng)的熱電動勢，由儀表顯示出電動勢，由儀表顯示出溫度的一種溫度計。溫度的一種溫度計。v工作原理：基于工作原理：基于1821年年Seebeck發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象。

21、象。v熱電偶是通過測量熱電動勢來測溫熱電偶是通過測量熱電動勢來測溫v電動勢由接觸電動勢與溫差電動勢組成電動勢由接觸電動勢與溫差電動勢組成接觸電動勢：導體內(nèi)部自由電子擴散現(xiàn)象接觸電動勢：導體內(nèi)部自由電子擴散現(xiàn)象 （不同導體材料，密度不同）（不同導體材料，密度不同）溫差電動勢：導體內(nèi)高溫端電子向低溫端遷移溫差電動勢：導體內(nèi)高溫端電子向低溫端遷移 （導體兩端溫度不同，溫度梯度）（導體兩端溫度不同，溫度梯度）閉合回路的總電動勢：接觸電動勢閉合回路的總電動勢：接觸電動勢+溫差電動勢溫差電動勢熱電偶的應(yīng)用定則熱電偶的應(yīng)用定則v均質(zhì)導體定則：由同一種均質(zhì)導體組成的閉合回路，均質(zhì)導體定則：由同一種均質(zhì)導體組成

22、的閉合回路，不論截面、長度、及溫度分布均不產(chǎn)生熱電勢不論截面、長度、及溫度分布均不產(chǎn)生熱電勢v中間導體定則：在熱電偶回路中接入第三種導體，中間導體定則：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要與第三種導體相連接的兩端溫度相同，接入第只要與第三種導體相連接的兩端溫度相同，接入第三種導體后，對熱電偶回路中總電勢沒有影響三種導體后，對熱電偶回路中總電勢沒有影響v中間溫度定則：熱電偶在兩接點溫度為中間溫度定則：熱電偶在兩接點溫度為T、T0時熱時熱電勢等于該熱電偶在兩接點溫度分別為電勢等于該熱電偶在兩接點溫度分別為T，TN，TN，T0時相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和，即：時相應(yīng)熱電勢的代數(shù)和，即：鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶薄膜

23、式熱電偶薄膜式熱電偶熱電偶分類熱電偶分類熱電偶測溫系統(tǒng)熱電偶測溫系統(tǒng)v熱電偶測溫系統(tǒng)是由熱電偶、補償導線、熱電偶測溫系統(tǒng)是由熱電偶、補償導線、測量儀表及相應(yīng)的電路構(gòu)成。測量儀表及相應(yīng)的電路構(gòu)成。v熱電偶參考端的溫度處理熱電偶參考端的溫度處理 固定冷端溫度時，熱電偶的輸出電勢才是熱端溫度的單值固定冷端溫度時，熱電偶的輸出電勢才是熱端溫度的單值 函數(shù)，冷端溫度一般保持在函數(shù)，冷端溫度一般保持在0，若不能維持在，若不能維持在0，輸出的，輸出的電勢值產(chǎn)生誤差，故需要處理電勢值產(chǎn)生誤差，故需要處理 補償導線法補償導線法(根據(jù)中間導體定則根據(jù)中間導體定則) 計算修正法計算修正法 冷端恒溫法冷端恒溫法 補償電橋法補