南京工業(yè)大學(xué) 工程測(cè)試技術(shù) 第四章1-2

1、第四章 溫度測(cè)量41溫度測(cè)量的基本方法和溫標(biāo)溫度測(cè)量基本方法。常用工業(yè)溫度計(jì)，測(cè)溫傳感器,溫標(biāo)。42 接觸式測(cè)溫421固體測(cè)溫。固體內(nèi)部溫度，固體表面溫度。422流動(dòng)介質(zhì)溫度測(cè)量：動(dòng)溫、靜溫、總溫。423液體溫度測(cè)量424氣體測(cè)溫,組裝熱電偶，抽氣熱電偶及其應(yīng)用。 第三節(jié) 輻射式測(cè)溫431輻射測(cè)溫的基本原理，亮度溫度、輻射溫度、比色溫度。432光輻射高溫計(jì)，全輻射高溫計(jì)，比色高溫計(jì)。433輻射測(cè)溫在窯爐上的應(yīng)用本章提要溫度是一個(gè)重要的物理量，是衡量其冷熱程度的物理量,是物體內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)激烈程度的標(biāo)志。嚴(yán)格的說(shuō)，溫度是物體分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能大小的標(biāo)志，這樣的概念使我們很難進(jìn)行測(cè)量。只有從熱力學(xué)第零

2、定律（熱平衡）出發(fā)，才能得到計(jì)量溫度的概念和方法。溫度測(cè)量的方法是以不同溫度的物體之間的熱交換和物體的某些物體性質(zhì)隨溫度變化的性質(zhì)為基礎(chǔ)。任意兩個(gè)冷熱程度不同(即溫度不同)的物體相互接觸，它們之間必然會(huì)發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量要從溫度高的物體傳向溫度低的物體，直到兩物體之間的溫度完全一致時(shí)，這種熱傳遞現(xiàn)象才能停止。這也就是熱力學(xué)第零定律所描述的：系統(tǒng)的溫度相等是它之間熱平衡的充要條件。由此選擇某一測(cè)量物體同被測(cè)物體接觸，熱量由溫度高的物體流向溫度低的物體，直到兩物體達(dá)到平衡狀態(tài)，則所選擇的測(cè)量物體溫度就等于被測(cè)物體溫度。測(cè)量物體本身的物理性質(zhì)，如尺寸、密度、硬度、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱率、熱電勢(shì)和輻射率等，

3、也將隨之變化。通過(guò)對(duì)所選擇物體的某一物理量的測(cè)量就可以判斷被測(cè)物體的溫度。由于實(shí)際的溫度測(cè)量建立在系統(tǒng)熱平衡的基礎(chǔ)上，溫度測(cè)量問(wèn)題與系統(tǒng)熱傳導(dǎo)和能量轉(zhuǎn)換緊密相連。由于能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了流體測(cè)溫中的靜溫，動(dòng)溫和總溫，由于輻射傳熱的復(fù)雜性產(chǎn)生了輻射測(cè)溫的亮度溫度，輻射溫度和比色溫度。實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的多樣性產(chǎn)生了豐富多彩的溫度測(cè)量方法，給研究和應(yīng)用帶來(lái)更多的選擇。4.1溫度測(cè)量的基本方法4.1.1 溫度測(cè)量的基本方法從測(cè)量溫度的目的考慮，測(cè)溫方法依賴測(cè)溫物質(zhì)。測(cè)溫物質(zhì)通常具有一個(gè)隨溫度變化并便于測(cè)量的物理參數(shù)（測(cè)溫屬性），作為判斷物體溫度的理想測(cè)溫屬性應(yīng)是連續(xù)地單值地隨溫度變化，且與其他因素?zé)o關(guān)。根據(jù)這一

4、原則，所選擇的常用測(cè)溫方法有：(1)利用物體熱脹冷縮的物理性質(zhì)測(cè)溫。如利用固體熱脹冷縮現(xiàn)象而制成的雙金屬片溫度計(jì)；利用液體熱脹冷縮現(xiàn)象而制成的玻璃管水銀溫度計(jì)；利用氣體熱脹冷縮現(xiàn)象而制成的壓力表式溫度計(jì)和文丘利（氣動(dòng)式）溫度計(jì)。(2)利用物體的熱電效應(yīng)測(cè)溫。如熱電偶和熱電堆等。(3)利用物體的導(dǎo)電率隨溫度而變的物理性質(zhì)測(cè)量。如各種熱電阻、熱敏電阻溫度計(jì)。(4)利用物體輻射強(qiáng)度、波長(zhǎng)隨溫度變化的特性測(cè)量溫度。如光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)和輻射高溫計(jì)等。 此外，還有其它的測(cè)溫方法，如利用超聲波、激光和光纖等技術(shù)測(cè)量溫度，構(gòu)成各種測(cè)量方法。在上述方法中，水銀溫度計(jì)和酒精溫度計(jì)最為常見(jiàn)。因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使

5、用方便，測(cè)量可靠，精度從1%0.1%都有，廣泛地運(yùn)用于各種場(chǎng)合。但它機(jī)械強(qiáng)度低，不易轉(zhuǎn)換成連續(xù)的電信號(hào)，在現(xiàn)代工程中應(yīng)用不多，因此本書(shū)不討論這種測(cè)量方法，本書(shū)主要討論采用熱電偶，熱電阻的測(cè)溫方法，以及常見(jiàn)的測(cè)量熱輻射方法。測(cè)溫方法若按熱傳導(dǎo)的方法來(lái)區(qū)分，可分為接觸測(cè)溫與非接觸測(cè)溫。接觸測(cè)溫是將傳感器與被測(cè)對(duì)象接觸，依靠?jī)烧咧g的熱傳導(dǎo)和（或）對(duì)流換熱達(dá)到熱平衡來(lái)測(cè)量溫度，非接觸測(cè)溫多采用傳感器接受被測(cè)對(duì)象的熱輻射或被測(cè)對(duì)象的其他熱物理性能，例如氣體的密度與溫度密切相關(guān)，由此構(gòu)成紋影法，陰影法和干涉法等光學(xué)方法的溫度測(cè)量系統(tǒng)。接觸測(cè)溫簡(jiǎn)便易行，它最主要的缺點(diǎn)是傳感器的引入將導(dǎo)致被測(cè)對(duì)象溫度發(fā)生變

6、化，由此而引起的測(cè)溫誤差往往是難以精確計(jì)算；此外傳感器必須與對(duì)象熱平衡，因此測(cè)量上限為測(cè)溫傳感器的耐溫上限，由于傳感部件為金屬件，其測(cè)為一般不會(huì)超過(guò)2000度。非接觸測(cè)溫對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)要求高，需要保證測(cè)溫窗口的透明度，應(yīng)用條件要求也高，但對(duì)被測(cè)對(duì)象影響微小，可以測(cè)到高溫等離子體的溫度，而在這樣的溫度下任何接觸式測(cè)溫方法都不能勝任。但接觸法容易測(cè)到指定位置的溫度，而非接觸法在指定位置（特別是指定測(cè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量氣流溫度上）定位比較困難。理解測(cè)量原理有助于合理選擇測(cè)量方法。4.1.2 溫標(biāo)溫度的數(shù)值表示法，或者說(shuō)表示溫度高低的標(biāo)尺為溫標(biāo)。歷史上攝氏溫標(biāo)規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰水混合物的溫度（冰點(diǎn)）為零度，水

7、沸騰的溫度（沸點(diǎn)）為100度。在零度和100度之間變化刻度。顯然由于這個(gè)測(cè)溫屬性隨溫度變化不是完全線性的，因此用不同測(cè)溫物質(zhì)或同一物質(zhì)的不同屬性所建立的攝氏溫標(biāo)也是相互不一致的，為了得到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的溫標(biāo)，建立了在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的熱力學(xué)溫標(biāo)(Thermodynamic Temperature Scale)，即開(kāi)爾文溫標(biāo)，又稱絕對(duì)溫標(biāo)。由該溫標(biāo)所確定的溫度稱為熱力學(xué)溫度或絕對(duì)溫度，常記做T，單位為開(kāi)爾文（簡(jiǎn)稱開(kāi)，符號(hào)K）。絕對(duì)溫度單位定義為水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。為了統(tǒng)一攝氏溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)，1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)對(duì)攝氏溫標(biāo)做了新的定義，規(guī)定為它由熱力學(xué)溫標(biāo)導(dǎo)出，攝氏溫度

8、定義為： (4.1)它的單位為攝氏度，符號(hào)為。國(guó)際使用溫標(biāo)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的。自1927年建立國(guó)際溫標(biāo)以來(lái)，為了使它更符合熱力學(xué)溫標(biāo)，曾先后多次修改。最新的1990國(guó)際溫標(biāo)（ITS90）于90年元旦開(kāi)始實(shí)行。1990年 國(guó)際溫標(biāo)用十七個(gè)高純物質(zhì)作為該溫標(biāo)的定義基準(zhǔn)點(diǎn)，它們是：氦沸點(diǎn) 3-5K 鈣溶解點(diǎn) 29.7646平衡氫三相點(diǎn) 13.8033K 銦凝固點(diǎn) 15.5985平衡氫低壓沸點(diǎn)17K 錫凝固點(diǎn) 231.928（3330.4）平衡氫沸點(diǎn) 20.3K 鋅凝固點(diǎn) 419.527氖三相點(diǎn) 24.5561K 鋁凝固點(diǎn) 660.323氧三相點(diǎn) 54.3584K 銀凝固點(diǎn) 961.78氬三相點(diǎn)

9、83.8058K 金凝固點(diǎn) 1064.18汞三相點(diǎn) 234.3156K 銅凝固點(diǎn) 1084.62水三相點(diǎn) 273.16K在不同的溫度范圍，選擇穩(wěn)定性較高的溫度計(jì)，作為實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定，從0.65K至173.15K以及0至960范圍內(nèi)，采用鉑電阻溫度計(jì)，960以上采用光學(xué)高溫計(jì)，對(duì)各固定點(diǎn)之間的溫度，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的插值公式。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)的基礎(chǔ)儀器都有國(guó)家規(guī)定的機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)保存，并通過(guò)各省市計(jì)量機(jī)構(gòu)傳遞下去。對(duì)各類測(cè)溫儀器的校驗(yàn)，應(yīng)按以下規(guī)定進(jìn)行，即由基準(zhǔn)儀器來(lái)校驗(yàn)一等標(biāo)準(zhǔn)儀表，由一等標(biāo)準(zhǔn)儀表來(lái)校驗(yàn)二、三等標(biāo)準(zhǔn)儀表，由二、三等儀表來(lái)校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室儀表；由二、三等儀表和實(shí)驗(yàn)室儀表來(lái)校驗(yàn)

10、工業(yè)儀表。4.1.3 測(cè)溫傳感器接觸與非接觸測(cè)溫用的傳感器有的是相同的，有的是不同的，例如這兩種測(cè)溫方法都可以使用熱電偶和熱電阻。因此，在下述傳感器介紹中只介紹該種傳感器的使用特點(diǎn)，不涉及測(cè)溫過(guò)程中它與測(cè)溫對(duì)象之間的熱傳導(dǎo)。而后一點(diǎn)將在各種測(cè)試對(duì)象的測(cè)量中分別討論。4.1.3.1熱電偶測(cè)溫兩種材料性質(zhì)不同(其電子密度也不同)的導(dǎo)體A與B相互接觸組成閉合回路。其中兩個(gè)接觸點(diǎn)處于不同的溫度時(shí)，回路即出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)，同時(shí)有回路電流產(chǎn)生。該電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)，這一現(xiàn)象即稱為熱電現(xiàn)象。因?yàn)檫@是塞貝克首先于1821年發(fā)現(xiàn)的，故稱之為塞貝克效應(yīng)。 圖 4.1熱電偶是應(yīng)用熱電現(xiàn)象的熱電勢(shì)傳感器(見(jiàn)上圖)，其測(cè)溫范圍

11、一般從常溫直到1800高溫，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱慣性小，是工程中應(yīng)用最廣泛的傳感器。它的輸出熱電勢(shì)與兩接點(diǎn)的溫差成單值函數(shù)關(guān)系，因此應(yīng)用熱電偶測(cè)溫的關(guān)鍵之一就是參考接點(diǎn)（通常稱為冷端）的處理。通常熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)都是冷端為0時(shí)的數(shù)值。實(shí)際應(yīng)用中，冷端放在設(shè)備附近的環(huán)境中，受設(shè)備和環(huán)境的影響很大，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧┮员ＷC測(cè)量精度。(1)在實(shí)驗(yàn)室中，經(jīng)常把冷端置于冰點(diǎn)槽內(nèi)，以維持其溫度為0，冰點(diǎn)槽的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.2。蒸餾水制成的冰屑與蒸餾水均勻混合后放入保溫容器內(nèi)。冰屑與蒸餾水混合物的溫度是0，保溫容器蓋上有孔，從孔內(nèi)插入幾根盛有變壓器油的試管，熱電偶的冷端放在試管底部以維持0，這種方式可保證冷端精

12、度0.1。在工業(yè)中使用這種方法不實(shí)用。 圖 4.2 冰點(diǎn)槽法示意 圖 4.3 采用冷端補(bǔ)償器的電路1- 熱電偶；2-補(bǔ)償導(dǎo)線； 1-熱電偶；2-補(bǔ)償導(dǎo)線；3-補(bǔ)償器；3-顯示儀表；4-試管；5-油；6-冰水混合物；7-保溫瓶容器 4-銅導(dǎo)線；5-顯示儀表； (2)在工業(yè)固定設(shè)備上，現(xiàn)在常用冷端補(bǔ)償法。冷端補(bǔ)償法實(shí)際上采用另一種傳感器（例如熱電阻），經(jīng)過(guò)一定的電信號(hào)處理產(chǎn)生出相當(dāng)熱電偶冷端溫度與參考溫度溫差電勢(shì)，或由微處理器根據(jù)測(cè)量得到的冷端值產(chǎn)生補(bǔ)償電勢(shì)。根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理：E(t,tr)+E(t,t0)+E(t0,tr)=0 (4.2)測(cè)量出熱電偶的輸出電壓E(t,t0)和冷端補(bǔ)償電壓E(t

13、0,tr)，就可從與冷端溫度無(wú)關(guān)的E(t,tr)得到熱端溫度。圖4.3是經(jīng)典型的工業(yè)用冷端補(bǔ)償器，在這種補(bǔ)償器中用銅電阻作溫度傳感器，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)碾姌驅(qū)㈦S溫度變化的銅電阻阻值變換為對(duì)應(yīng)型號(hào)的熱電偶的補(bǔ)償電勢(shì)值。表4.1為我國(guó)的幾種冷端補(bǔ)償器的性能和規(guī)格。使用時(shí)需注意：補(bǔ)償電橋平衡時(shí)的溫度為20，這表明應(yīng)將顯示儀表的零點(diǎn)調(diào)到20。表4.1 幾種常用冷端補(bǔ)償器型號(hào)配用熱電偶平衡溫度()補(bǔ)償范圍()內(nèi)阻()補(bǔ)償誤差(mv)WBC-01S200501±0.045WBC-02K200501±0.16WBX-02E200501±0.18(3) 冷端計(jì)算法。冷端溫度不為零，采

14、用冷端補(bǔ)償亦覺(jué)得精度不高，可按理論式計(jì)算，這時(shí)測(cè)量裝置與圖4.2冰點(diǎn)槽類似，只是不放冰，只放水。這樣做到的目的是增大熱容器，減少冷端溫度波動(dòng)。由水銀溫度計(jì)讀出或由熱電阻測(cè)出冷端溫度，用人工或計(jì)算機(jī)按照理論式：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0) 可得出熱端溫度，式中E(t,t0)是熱電勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)條件下，這種方法可獲得0.5的精度。(4)補(bǔ)償導(dǎo)線（延伸導(dǎo)線）熱電偶測(cè)溫要求冷端遠(yuǎn)離熱源，采取冷端補(bǔ)償器也需要遠(yuǎn)離熱源，這就需要較長(zhǎng)的引線，采用普通導(dǎo)線不行，因?yàn)闊犭娦阅芘c熱電偶不同。直接用熱電偶引線太浪費(fèi)，為此使用補(bǔ)償導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線的特點(diǎn)是在100以下的溫度范圍內(nèi)，熱電特性與熱電偶相近。使用是

15、需注意補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶接點(diǎn)處的溫度須保持在補(bǔ)償導(dǎo)線的溫度范圍。(5) 熱電偶接觸測(cè)溫時(shí)誤差因素：熱交換引起的誤差，包括導(dǎo)熱損失，對(duì)流損失和輻射損失引起的誤差，以及被測(cè)對(duì)象因狀態(tài)改變引起的誤差。熱偶絲材料不均勻性引起的測(cè)溫誤差。熱偶絲在加工制造過(guò)程中，不可避免的存在不均勻性。例如，熱偶絲因焊接或機(jī)械應(yīng)力等原因引起沿絲的長(zhǎng)度方向熱電特性不同。熱偶絲不均勻性導(dǎo)致熱電偶輸出的熱電勢(shì)不僅與熱接點(diǎn)溫度有關(guān)，而且與它的不均勻程度和不均勻段所處的溫度梯度有關(guān)。使用這種熱電偶測(cè)量溫度，熱電偶輸出就不能正確反映接點(diǎn)溫度，當(dāng)然也不能正確反映被測(cè)對(duì)象的溫度。這個(gè)誤差叫熱偶絲材料不均勻性誤差。這種誤差無(wú)法預(yù)先估計(jì)，一般

16、歸入分度誤差。可以采用退火的方法減弱熱偶絲材料的不均勻性，但不可能完全消除。冷端補(bǔ)償?shù)恼`差。這包括采用補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差和冷端補(bǔ)償裝置的誤差。顯示儀表和各種電子干擾引起的誤差。)動(dòng)態(tài)誤差。即被測(cè)對(duì)象溫度變化很快，熱電偶及測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不夠快時(shí)引起的動(dòng)態(tài)誤差。4.1.3.2熱電阻測(cè)溫金屬和半導(dǎo)體等材料的電阻率隨溫度變化的特性是最容易構(gòu)成測(cè)溫傳感器的方法之一，通常用純鉑或純銅制成熱電阻，現(xiàn)代還用半導(dǎo)體材料、陶瓷等材料制成熱敏電阻。熱電阻是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)溫傳感器，在120500范圍內(nèi)的溫度是測(cè)量熱電阻的常用范圍，較好的鉑熱電阻可用到900。熱電阻與熱電偶相比，有下述幾點(diǎn)不同：(1)測(cè)量精度高，

17、鉑電阻可以作為溫度基準(zhǔn)傳遞溫度標(biāo)準(zhǔn)。(2)靈敏度高，熱電阻可以很容易的分辨0.01。(3)一般說(shuō)來(lái)熱電阻比熱電偶體積大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。(4)熱電阻對(duì)線路電阻要求嚴(yán)格，而且引線電阻隨溫度變化也會(huì)產(chǎn)生附加誤差，克服這種誤差的方法是采用四或三線接線法。(5)通過(guò)熱電阻的電流產(chǎn)生焦耳熱而引起誤差。在一般情況下，當(dāng)電流不超過(guò)允許的6毫安時(shí)，誤差小于0.1，可不予考慮。對(duì)于精密溫度測(cè)量，應(yīng)該考慮該項(xiàng)誤差，通常可以用計(jì)算的方法進(jìn)行校正。設(shè)熱電阻在某一真實(shí)溫度下的實(shí)際電阻為，若通過(guò)電流時(shí)測(cè)出電阻值為R，若通過(guò)電流時(shí)測(cè)出電阻值為R1,則有； R1= R1-R=CI12 (4.3)式中C為常數(shù).同樣,通過(guò)電流 時(shí)測(cè)

18、出電阻 ,也有R2= R2-R=CI22 (4.4)解得: (4.5) 和即求得通電后引起的附加溫度誤差的大小.4.2 接觸式測(cè)溫4.2 .1固體內(nèi)部溫度測(cè)量 固體內(nèi)部測(cè)溫是比較容易的測(cè)溫，一般需要將測(cè)溫元件放入對(duì)象內(nèi)部。其關(guān)鍵在于根據(jù)熱流流動(dòng)規(guī)律，使得測(cè)溫元件引入對(duì)測(cè)溫點(diǎn)附近的熱流影響最小。4.2.1.1接觸法測(cè)量 (1) 導(dǎo)熱性能好的固體在被測(cè)物體上鉆個(gè)能插入傳感器的孔，使傳感器與被測(cè)物體接觸良好，可在孔內(nèi)注入適當(dāng)?shù)囊后w效果更好。例如 圖4.4。被測(cè)物體開(kāi)孔后，放入一個(gè)與被測(cè)物體的材質(zhì)相同的圓柱體，在圓柱體的外定面開(kāi)兩個(gè)小溝槽，將細(xì)熱電偶絲經(jīng)良好絕緣后埋入溝槽內(nèi)，然后再將鑲有熱電偶的圓柱體

19、放入被測(cè)物體內(nèi)，并使測(cè)量端接觸x，所以，在這種情況下，熱電偶測(cè)量端的溫度Ts與被測(cè)對(duì)象x的溫度Tx趨于致，且兩者間的熱接觸很好，故其熱流也非常小。 圖 4.4 測(cè)量固體內(nèi)部溫度 (2)導(dǎo)熱性能不好的固體導(dǎo)熱性能好的物體，熱電偶的安裝方式稍有不當(dāng)，不易改變被測(cè)物體的溫度分布，產(chǎn)生較大誤差。導(dǎo)熱性能不好的物體，如果熱電偶的安裝方式不當(dāng)，將會(huì)明顯改變被測(cè)物體的溫度分布，引起較大的測(cè)量誤差。為了減少因熱電偶絲的熱傳導(dǎo)而引起的誤差，選盡量細(xì)的熱電偶絲，并將傳感器沿被測(cè)物體的等溫線敷設(shè)。圖 4.5 導(dǎo)熱性能較差固體內(nèi)部的溫度測(cè)量例如圖4.5，測(cè)導(dǎo)熱性能較差的耐火磚溫度，按 (a)方式敷設(shè)熱電偶，則原來(lái)的等

20、溫線將被破壞。為了減少這種誤差，可按(c)所示的沿等溫線敷設(shè)或采用與被測(cè)對(duì)象熱導(dǎo)率相同的材質(zhì)制作傳感器。 4.2.2 固體表面溫度測(cè)量 4.2.2.1 固體表面溫度測(cè)量的特點(diǎn) 固體表面的溫度，受與它接觸的物體溫度的影響較大。測(cè)量物體表面溫度時(shí)(尤其是采用接觸式)，由于溫度傳感器的敷設(shè)，很容易改變表面的熱狀態(tài)，故準(zhǔn)確測(cè)量表面溫度很困難。 為了準(zhǔn)確地測(cè)量固體表面溫度，最好是處于等溫狀態(tài)。即固體內(nèi)部、表面及周圍的環(huán)境皆處于熱平衡狀態(tài)。 圖 4.6 固體表面附近的溫度分布實(shí)際上，從固體內(nèi)部經(jīng)表面有溫度梯度存在(如圖4.6所示)，因而帶來(lái)許多問(wèn)題，為此，必須考慮如下各點(diǎn)： (1)傳感器的選擇;(2)表面

21、溫度范圍; (3)物體表面與環(huán)境的溫差； (4)測(cè)溫難確度與響應(yīng)速度； (5)表面形狀與狀態(tài)。測(cè)量物體表面溫度時(shí)，應(yīng)在考慮上述各點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)姆椒ā?熱電偶測(cè)量物體表面溫度時(shí)，與被測(cè)表面的接觸形式基本上四種(如圖所示)： 圖4.7 熱電偶與被測(cè)表面的接觸形式(a)點(diǎn)接觸；(b)片接觸；(c)等溫線接觸；(d)分立接觸。上述四種接觸方式，它們通過(guò)兩熱電極向外擴(kuò)散的熱量基本上是一樣的，圖4.7中：(a)點(diǎn)接觸 熱電偶的測(cè)量端直接與被測(cè)表面接觸。將從表面?zhèn)魅霟崤嫉纳崃考性谝弧包c(diǎn)”上，傳入的熱量最少，導(dǎo)熱誤差最大，但測(cè)量的是點(diǎn)溫度；(b)片接觸 先將熱偶的測(cè)量端與導(dǎo)熱性能好的集熱片(如薄銅

22、片)焊在一起，然后再與被測(cè)表面接觸。從表面?zhèn)魅霟崤嫉纳崃縿t是由集熱片所接觸的那塊表面共同分?jǐn)?。傳入的熱量最大，?dǎo)熱誤差小,但測(cè)量的是集熱片面積上的平均溫度；(c)等溫線接觸 熱偶測(cè)量端與被測(cè)表面直接接觸后，熱電極絲要沿表面等溫線敷設(shè)一段距離再引出。 傳入的熱量與（a）同，但等溫布置的偶絲使得測(cè)點(diǎn)通過(guò)熱偶散出的熱量最少，測(cè)量端所處的溫度梯度要比直線引出的(a)、(b)、(d)小很多，而且仍然是測(cè)點(diǎn)溫度，測(cè)量準(zhǔn)確度最高；(d)分立接觸 兩極熱電極絲分別與被測(cè)表面接觸，通過(guò)被測(cè)表面構(gòu)成回路(僅對(duì)導(dǎo)體而言 )，當(dāng)兩接觸點(diǎn)溫度相同時(shí)，依據(jù)中間導(dǎo)體定律，將不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。將從表面?zhèn)魅霟崤嫉纳崃糠稚⒃?/p>

23、兩“點(diǎn)”上， 傳入的熱量次之，導(dǎo)熱誤差也次之，但測(cè)量的是兩點(diǎn)之間的線溫度，4.2.3流動(dòng)介質(zhì)溫度測(cè)量4.2.3.1 概述流動(dòng)介質(zhì)，包括各種液體，氣體在很多工業(yè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備中作為工質(zhì)使用，它們的溫度測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)和研究試驗(yàn)中是經(jīng)常碰到的測(cè)溫問(wèn)題之一。流體測(cè)溫中主要討論測(cè)溫的傳熱誤差，與測(cè)溫傳感元件不大相關(guān)，為敘述方便，一般用測(cè)溫傳感器代表。從傳熱角度看，工質(zhì)為液體時(shí)的測(cè)溫精度應(yīng)高于氣體，因?yàn)闅怏w的對(duì)流換熱系數(shù)比液體小的多，氣流通過(guò)對(duì)流換熱使得溫度傳感器的溫度與工質(zhì)一致的條件比液體要求苛刻的多，氣體測(cè)溫的難度就遠(yuǎn)大于液體的測(cè)溫。由于流體的運(yùn)動(dòng)，其平衡狀態(tài)影響流體的溫度。按統(tǒng)計(jì)平衡狀態(tài)定義的熱力學(xué)溫度

24、是靜態(tài)溫度， 反映得是對(duì)分子無(wú)序運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的一種描述。對(duì)于氣流來(lái)說(shuō)，它除了有分子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)外，有分子的有向運(yùn)動(dòng)，即定向流動(dòng)。通常用“靜溫”來(lái)表示氣流分子的無(wú)序平均動(dòng)能，用“動(dòng)溫”表示氣流分子的有向動(dòng)能。兩者之和稱為“總溫”，又稱“滯止溫度”。流動(dòng)氣體或火焰并非靜態(tài)，所測(cè)定的熱平衡溫度與熱力學(xué)的靜態(tài)溫度并不相同。當(dāng)氣流速度較低，所希望測(cè)試的溫度是氣流溫度時(shí)，由于沿測(cè)溫傳感器的導(dǎo)熱及氣流與周圍器壁的熱交換，測(cè)溫傳感器的熱量被大量分流，所以測(cè)溫傳感器與周圍器壁的綜合平衡溫度（在氣流溫度高于器壁時(shí)）低于氣流的真實(shí)溫度。當(dāng)氣流速度較高時(shí)，溫度計(jì)被分流的熱量較少，由于動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，會(huì)使所測(cè)溫度偏高?？?/p>

25、見(jiàn)流動(dòng)氣體的溫度測(cè)量比較困難。4.2.3.2 理想氣體溫度在氣流完全靜止時(shí)，探頭的平衡溫度也不是氣流的真實(shí)溫度，因?yàn)闇囟扔?jì)與所在周圍空間存在熱交換，所探測(cè)的溫度是探頭與周圍空間的綜合平衡溫度，既不代表氣流溫度，也不代表周圍空間的溫度。假定一個(gè)有固定邊界的系統(tǒng)，沒(méi)有機(jī)械功或熱交換穿過(guò)邊界，溫度計(jì)的形狀是理想的而且是絕熱的,氣流的熱容 常數(shù),常數(shù),就可得到理想的氣體溫度的關(guān)系。 圖 4.8氣流溫度的不同情況 圖4.8(a)中的1：當(dāng)探頭與氣體對(duì)于系統(tǒng)邊界是靜止時(shí)，探頭指示的氣體溫度，可以認(rèn)為是連續(xù)分子平均隨機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)能。如圖4.8(a)中的2，當(dāng)探頭與氣體兩者相對(duì)于系統(tǒng)邊界作相同的運(yùn)動(dòng)，探頭指示出氣

26、體的溫度，較前一情況下的溫度要低一些，即流動(dòng)氣體以動(dòng)能出現(xiàn)的隨機(jī)熱能部分未反映出來(lái)。如圖4.8(a)中的3，在氣體相對(duì)于探頭與系統(tǒng)邊界直線運(yùn)動(dòng)的情況下，探頭指示的氣體溫度不只是氣體溫度，還指示相當(dāng)于氣體連續(xù)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)能的溫度，它是在氣體連續(xù)運(yùn)動(dòng)受到探頭局部滯止，將動(dòng)能恢復(fù)為隨機(jī)熱效應(yīng)的結(jié)果。上述三種情況可以看出應(yīng)區(qū)別三種不同的溫度：（1）靜態(tài)溫度，這是氣體在運(yùn)動(dòng)或靜止時(shí)的實(shí)際溫度，是分子平均隨機(jī)平動(dòng)動(dòng)能，稱為靜態(tài)溫度，簡(jiǎn)稱靜溫，可采用絕熱探頭相對(duì)于氣體靜止?fàn)顟B(tài)下達(dá)到熱平衡時(shí)測(cè)定之。（2）動(dòng)態(tài)溫度，氣體連續(xù)運(yùn)動(dòng)中正向流動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱效應(yīng)所相應(yīng)的溫度，為動(dòng)態(tài)溫度，簡(jiǎn)稱動(dòng)溫。（3）總溫，氣流靜溫與動(dòng)

27、溫的之和即為總溫，可采用理想探頭在相對(duì)于邊界靜止的情況下時(shí)氣流滯止為理想氣體時(shí)測(cè)定氣流的總溫。這三個(gè)溫度是相互關(guān)聯(lián)的，考慮理想氣體相對(duì)于系統(tǒng)邊界直線運(yùn)動(dòng)，并假定系統(tǒng)邊界沒(méi)有熱量與機(jī)械功的轉(zhuǎn)換，當(dāng)具有一定速度的氣流沖刷理想測(cè)溫元件時(shí)，在測(cè)溫元件的迎風(fēng)面上，氣流速度為零，此時(shí)該處全部氣流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，時(shí)氣流溫度升高。氣流溫度的升高值為動(dòng)態(tài)溫度: (4.6) 式中: Tt_滯止溫度或氣流總溫;T _靜溫;Cp_氣體的定壓比熱J/kg;k _氣體的絕熱指數(shù): k=Cp/CvM _馬赫數(shù).4.2.3.3 實(shí)際氣體效應(yīng)實(shí)際氣體并非如此，運(yùn)動(dòng)氣體分子大小及分子間作用力不能忽視，而且氣流的粘度與熱傳導(dǎo)還影響

28、它們的傳輸特性。當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流裝置，閥門，收束或膨脹管段等時(shí)，必然產(chǎn)生局部阻力，流體的壓力降低。這種節(jié)流現(xiàn)象，在進(jìn)行過(guò)程中如與外界沒(méi)有熱量交換，稱為絕熱節(jié)流。在節(jié)流前后流體溫度發(fā)生的變化，決定于流體物性與狀態(tài)，因?yàn)槿魏握鎸?shí)流體焓膨脹（即節(jié)流）中靜態(tài)溫度的變化還與焦耳湯姆遜效應(yīng)有關(guān)，見(jiàn)圖4.9。 圖 4.9 焦?fàn)?湯姆遜效應(yīng)絕熱節(jié)流的溫度效應(yīng)，可用焓值不變時(shí)溫度對(duì)壓頭的偏導(dǎo)數(shù)表征。稱為焦耳湯姆遜系數(shù)，也稱絕熱節(jié)流系數(shù)i。i是狀態(tài)的單位函數(shù)，也是一個(gè)狀態(tài)量，它表示壓力變化dp為無(wú)限小的節(jié)流（微分節(jié)流）的溫度效應(yīng)，節(jié)流中壓力變化dp為負(fù)值，i <0表示熱效應(yīng)，i >0表示冷效應(yīng), i =

29、0表示零效應(yīng)。焦耳湯姆遜系數(shù)有實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定，在圖4.9中，T-P座標(biāo)上各條h（焓）線是定植，定焓線的斜率就是實(shí)驗(yàn)流體處于該點(diǎn)狀態(tài)時(shí)的絕熱節(jié)流系數(shù)，每一根定焓線都有一個(gè)最大值M點(diǎn)，在此，既是微分節(jié)流零效應(yīng)，此點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)變點(diǎn)，各h線的轉(zhuǎn)變點(diǎn)連接起來(lái)就得一條轉(zhuǎn)換線，曲線內(nèi)i>0為冷效應(yīng)區(qū)，曲線外i<0為熱效應(yīng)區(qū)，在轉(zhuǎn)換區(qū)范圍內(nèi)，任一轉(zhuǎn)變點(diǎn)的定壓線P相應(yīng)有兩個(gè)溫度T1及T2，當(dāng)流體溫度處于兩個(gè)溫度之間時(shí)，呈微分節(jié)流冷效應(yīng)，高于T1或低于T2時(shí)呈熱效應(yīng)。由此可見(jiàn)，流體狀態(tài)受到熱電偶節(jié)流變化時(shí)，其溫度也要發(fā)生變化；溫度變化的趨勢(shì)可能升高也可能降低。氣體的粘度隨溫度升高而增大，粘度剪切力不同，與摩

30、檫力同樣影響氣體的傳輸特性。氣體熱傳導(dǎo)能力不同，也影響到熱量變化，這樣由于速度，粘度及溫度梯度的存在，氣體滯止的靜溫也會(huì)受到影響，考慮粘度與熱傳導(dǎo)的關(guān)系，常用普朗特準(zhǔn)數(shù)： （4.9）式中：Cp 氣體的定壓比熱；氣體的運(yùn)動(dòng)粘度；Kt氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；因此，在真實(shí)氣體中的傳感器周圍的邊界層內(nèi)，粘度剪切及熱交換的相互作用，即使Pr只有一個(gè)，探頭的節(jié)流效應(yīng)也不能平衡到氣體的總溫Tt。4.2.3.4 理想液體的溫度對(duì)于無(wú)摩檫，不可壓縮的理想液體，如果系統(tǒng)的邊界無(wú)換熱，則在整個(gè)絕熱過(guò)程中其內(nèi)能維持不變。系統(tǒng)中有關(guān)各量可由熱力學(xué)第一定律描述：式中: 系統(tǒng)內(nèi)熱焓變化；經(jīng)過(guò)系統(tǒng)邊界的熱交換，這里為零； 摩擦熱損，

31、這里也為零。由上式可知，在這種情況下，理想液體在整個(gè)絕熱過(guò)程中溫度保持不變，它不象氣體那樣有動(dòng)溫，靜溫，總溫。理想液體的溫度只有一個(gè)量表示。使用理想的感溫體的測(cè)量液體的溫度所得到的結(jié)果就是理想液體的溫度。4.2.3.5氣流溫度的恢復(fù)系數(shù)R 與 動(dòng)態(tài)校正系數(shù)K氣流的動(dòng)能在滯止點(diǎn)不可能百分之百的轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽涣硪环矫鏈y(cè)溫元件也不能處于完全絕熱狀態(tài)，所以氣流滯止后其溫度不可能升高到等于總溫。事實(shí)上氣體或液體的Pr并非常數(shù)，空氣的Pr為0.65-0.72之間，蒸汽的Pr在12之間，水的Pr 在13之間，流體的總溫不能直接測(cè)定。考慮實(shí)際對(duì)流換熱情況，引入一個(gè)恢復(fù)系數(shù)R，將R定義為： （4.10）Ta為熱偶

32、與流體對(duì)流換熱實(shí)際上達(dá)到的溫度，稱為有效溫度，顯然0<R<1。在平衡條件下，測(cè)溫探頭指示出的是氣體有效溫度: (4.11)將式（4.3）代入后： （4.12）實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于空氣及過(guò)?？諝廨^多的燃燒氣體等，Pr=0.70的氣流流過(guò)熱電偶的恢復(fù)因數(shù)R分別是：氣流橫向流過(guò)熱電極：R=0.68+0.07氣流縱向流過(guò)熱電極： 圖 4.10 流體的恢復(fù)系數(shù) 例2.1：圓球形探頭裸露在 152.5m/s流速的氣流中，氣流的靜溫為100，Cp為 1000J/(kg*K)，計(jì)算氣流的滯止溫度。()由圖4.10得R=1，則氣流的滯止溫度為：Tt=100+1*11.6=111.6 ()浸入真實(shí)氣體中的實(shí)

33、際溫度計(jì)，隨其感測(cè)溫度的上升而向周圍輻射能量，沿溫度計(jì)保護(hù)管或支承件向外傳導(dǎo)熱量，這兩個(gè)影響改變了溫度計(jì)與氣體的熱交換平衡條件，溫度計(jì)探測(cè)到的真實(shí)溫度不同于絕熱探頭的溫度，即使在滯止點(diǎn)大多數(shù)溫度計(jì)探頭測(cè)出的是平衡溫度。實(shí)際的溫度計(jì)并不能完全滯止運(yùn)動(dòng)的氣體，探頭幾何形狀的影響必須考慮。圖 4.11 通用動(dòng)態(tài)校正系數(shù)由于流體粘度及熱傳導(dǎo)的影響，假定對(duì)滯止真實(shí)氣體探測(cè)到的平衡溫度Tp，可以這樣定義動(dòng)態(tài)校正系數(shù)KTp=T+KTv (4.13) K與R的區(qū)別在于理想探頭假定上偏差，動(dòng)態(tài)校正系數(shù)考慮的更實(shí)際，考慮了馬赫數(shù)及雷諾數(shù)受周圍及固定邊界的影響；考慮了正向速度較低時(shí)，探頭溫度受熱傳導(dǎo)與熱輻射的影響較

34、對(duì)流熱交換的影響更為顯著，所以動(dòng)態(tài)校正系數(shù)可以是任何值。隨著正向速度的增加，探頭溫度主要受對(duì)流熱交換影響，動(dòng)態(tài)校正系數(shù)接近總恢復(fù)因數(shù)（見(jiàn)圖4.11），浸入實(shí)際氣體中溫度的示值，可表示為與真實(shí)總溫的偏差值，即 (4.14) 對(duì)實(shí)際氣體的溫度測(cè)量，探頭所指示的平衡溫度通常與總溫不同，動(dòng)態(tài)校正系數(shù)受到氣流沖擊的影響，粘度與熱傳導(dǎo)的影響，探頭形狀的影響，可以取與這些影響相對(duì)重要的任何值。顯然，恢復(fù)系數(shù)比動(dòng)態(tài)校正系數(shù)容易計(jì)算，動(dòng)態(tài)校正系數(shù)容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出。動(dòng)態(tài)校正系數(shù)比恢復(fù)系數(shù)更能容易在實(shí)際中應(yīng)用。為了提高動(dòng)態(tài)校正系數(shù)，作成了各種形式的熱電偶，圖4.11是確定動(dòng)態(tài)校正系數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置圖，可用以確定在空氣中

35、的不同形狀探頭的動(dòng)態(tài)校正系數(shù)，三種不同形狀的熱電偶探頭見(jiàn)圖4.12。圖 4.12 三種探頭形式(a)半屏蔽形這種形式受馬赫數(shù)影響較小，對(duì)輻射的靈敏度也低，在實(shí)驗(yàn)條件下得(b)裸露形 對(duì)馬赫數(shù)，雷諾數(shù)及輻射的影響均屬中等靈敏度，在實(shí)驗(yàn)條件下得K=0.420.82之間(c)鉛筆套形這種形式對(duì)馬赫數(shù)，雷諾數(shù)及輻射的影響都很靈敏，在實(shí)驗(yàn)條件下得K=00.82之間，變化很大。例2.2：一支熱電偶與流體及周圍邊界處于熱平衡，流體速度305m/s ，K=0.9Cp=2542J/(kgK)探頭溫度與總溫度的差值為：()同一探頭用在不同情況下時(shí)，由于輻射與導(dǎo)熱影響有所不同，將會(huì)改變K值；由于流體不同，不一樣，對(duì)

36、K的影響也較大；還有流體的密度不同的影響也不能忽視。4.2.3.6流體溫度測(cè)量誤差分析接觸式測(cè)量流體溫度時(shí)，要考慮到流體介質(zhì)及周圍物體和溫度計(jì)間的熱交換（傳導(dǎo)，對(duì)流，輻射）。流體本身的狀態(tài)和參數(shù)，如流速大小，溫度范圍，流體是否透明等因素，也應(yīng)予考慮。使用輻射法測(cè)量溫度時(shí)，必須了解被測(cè)介質(zhì)輻射的光譜特性，以便于選擇合適的輻射測(cè)溫方法。測(cè)量透明流體的溫度時(shí)，需要考慮周圍的輻射。由高溫燃燒氣體組成的火焰是流體的一個(gè)特例，它的溫度測(cè)量是一個(gè)專門問(wèn)題。透明體和火焰測(cè)量須專門討論，這里討論液體，低速氣體和高速氣體的溫度測(cè)量問(wèn)題。接觸式測(cè)量流體的溫度誤差因素：1除了實(shí)際流體不是理想流體所導(dǎo)致的測(cè)量誤差外，2

37、測(cè)溫傳感器插到流體中干擾原有的流動(dòng)狀態(tài)和換熱狀態(tài)，當(dāng)時(shí)溫度場(chǎng)發(fā)生變化導(dǎo)致測(cè)量誤差。放在流體內(nèi)的測(cè)溫器件一方面通過(guò)對(duì)流，傳導(dǎo)的方式受流體介質(zhì)的加熱，另一方面又以輻射，傳導(dǎo)方式向周圍物體和測(cè)溫器件的尾部散熱。這種熱交換是很復(fù)雜的，它與流體的性質(zhì)，傳感器的裝設(shè)情況和周圍物體的狀態(tài)有關(guān)，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的計(jì)算公式來(lái)確切描述測(cè)量的誤差值，為估計(jì)測(cè)量誤差，通常采用簡(jiǎn)化模型。簡(jiǎn)化模型假定：所用傳感器為細(xì)長(zhǎng)絲狀熱電偶；熱電偶各橫截面上溫度均勻一致；熱電偶的溫度只有長(zhǎng)度方向上變化。 (4.15)簡(jiǎn)化模型用圖4.13表示。流體介質(zhì)單位時(shí)間內(nèi)以對(duì)流方式傳給dx段的熱量為dqc。通過(guò)傳導(dǎo)從左側(cè)傳入dx 的熱

38、量為dqk，右側(cè)導(dǎo)出的熱量為dqk，其輻射換熱量為dqr，吸收的熱量為dq，即： (4.16)tf, t 流體和微元dx 的溫度（ ）；T，T微元dx 和壁面的溫度（K）；熱電偶材料的密度；C熱電偶材料的比熱；V，h微元的體積，對(duì)流換熱系數(shù)；F，微元的表面積，表面黑度；斯梯芬-玻爾茲曼常數(shù)，時(shí)間。上式說(shuō)明由于熱傳導(dǎo)，熱輻射等傳熱過(guò)程的存在，熱電偶測(cè)量的溫度和流體的實(shí)際溫度tf并不相等，誤差的大小可由（4.16）計(jì)算。對(duì)該式進(jìn)行分析可以得到各因素對(duì)于測(cè)量誤差的影響程度，在實(shí)際測(cè)量中針對(duì)各因素采取措施，盡量使誤差tf -t 降低。4.2.3.7液體溫度的測(cè)量測(cè)量液體溫度一般比測(cè)量氣體溫度準(zhǔn)確，這是

39、因?yàn)橐后w的流速一般比氣體流速低。速度引起的誤差不大，由焦耳湯姆遜效應(yīng)引起的誤差不大。當(dāng)水流速為7m/s時(shí)，阻滯后的溫升只有0.020.04。流體和傳感器間的換熱系數(shù)比氣體與傳感器間的換熱系數(shù)大的多，傳感器以熱傳導(dǎo)方式從尾部散出的熱量可以從液體中很快得到補(bǔ)充。測(cè)量液體一般使用熱電偶，因此以簡(jiǎn)化熱電偶模型為代表來(lái)討論一般測(cè)溫問(wèn)題。熱電偶的熱端在套管端部，故以套管端部（X=L）處的溫度代表熱電偶測(cè)出的溫度，（參圖4.14）。因?yàn)榇蠖鄶?shù)液體對(duì)熱輻射都是不透明體，所以熱電偶裝置和周圍物體的輻射換熱可以不考慮。 圖 4.14 熱電偶測(cè)量液體狀態(tài)（a）無(wú)露出部；（b）有露出部；圖4.14(a)中，設(shè)距熱偶根

40、部(X=0)，為X出的溫度為t，考慮溫態(tài)情況，則式(4.16)變?yōu)楦鶕?jù)公式（4-2-19），（4-2-20）可以采取以下措施減少導(dǎo)熱誤差；1） 增加bl（b1l1）的數(shù)值，如增加插入深度L或L1，減少熱偶套管的外徑和壁厚，選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的套筒作為熱偶套管；2） 增大流體余熱偶見(jiàn)得對(duì)流換熱系數(shù)，測(cè)溫端應(yīng)放在流速最大的管道中心；3） 使熱偶根部和或露出部分的溫度t0盡可能接近流體溫度tf為此在管道測(cè)溫點(diǎn)和熱偶根部和或露出部分的溫度采取良好的保溫措施。 圖 4.15 熱電偶在液體管道中的裝設(shè)誤差和bl的關(guān)系 4.2.3.8氣體溫度測(cè)量氣體溫度測(cè)量比液體復(fù)雜，因?yàn)闅饬髋c傳感器間換熱系數(shù)小，輻射換熱比例

41、大會(huì)引起誤差。氣體的溫度有靜溫，動(dòng)溫和總溫。測(cè)量氣體溫度時(shí)，需要說(shuō)明是總溫，動(dòng)溫還是靜溫。測(cè)量高溫高速流動(dòng)氣體更要注意這一點(diǎn)。(1) .低速氣流溫度測(cè)量圖 4.16 空氣流速和動(dòng)溫的關(guān)系 氣體速度增大時(shí)動(dòng)溫的數(shù)值隨速度的平方增大（圖.4.16），對(duì)空氣而言，在絕熱情況下，當(dāng)速度為15m/s，動(dòng)溫的數(shù)值為0.11；當(dāng)速度為305m/s（接近音速）時(shí)，動(dòng)溫的數(shù)值為42.7；空氣流速不大時(shí)，動(dòng)溫的數(shù)值不大，可以忽略不計(jì)。一般以馬赫數(shù)小于0.2的氣流作為低速氣流，此時(shí)氣流的動(dòng)溫低于3，一般可認(rèn)為氣流的動(dòng)溫與靜溫一致。當(dāng)馬赫數(shù)高于0.2的時(shí)候，作為高速氣流處理，應(yīng)考慮動(dòng)溫的影響。下面以熱電偶為對(duì)象討論測(cè)

42、溫中的問(wèn)題。(1)導(dǎo)熱引起的誤差為了分析方便，先忽略輻射換熱的影響，僅考慮導(dǎo)熱引起的誤差，其分析就與測(cè)量液體溫度時(shí)完全一樣，前面的分析結(jié)果這里完全適用。測(cè)量氣體時(shí)，由于氣體與傳感器之間的對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于液體，因此導(dǎo)熱引起的誤差就大的多，各種減少導(dǎo)熱誤差的措施就顯得十分必要。圖中給出了五種方案。管道內(nèi)過(guò)熱蒸氣的氣壓為2940，氣溫為386，流速3035m/s，管道內(nèi)徑為100mm， 圖 4.17 幾種不同安裝方法引起不同誤差的示例(1-386,2-385,3-384,4-371,5-341)例如，圖4.17中，由于測(cè)溫元件安裝方法不同，它們的誤差值相差很多。方案1是將電阻溫度計(jì)從管道的拐彎處插

43、入管內(nèi)，熱阻的端部迎向氣流，具有較長(zhǎng)的插入深度，測(cè)溫管道的外部和熱電阻的露出端予以良好的保溫，這種方案測(cè)得結(jié)果為386，誤差近于零。方案2是薄壁保護(hù)套管測(cè)溫元件，套管插入深度達(dá)到管道中心線，這種方案測(cè)得結(jié)果為385。方案3是厚壁保護(hù)套管，測(cè)得溫度為384。方案4中也是厚壁保護(hù)套管，插入深度只是半徑的一半，測(cè)得溫度為371。方案2,3,4的露出端都采用與方案1相同的保溫措施，方案5插到中心線但管道外無(wú)保溫層，套管露出部分長(zhǎng)且無(wú)保溫措施，測(cè)得溫度僅為341，誤差達(dá)45。從此例看出，妥善的采取一些措施，是能夠有效的降低導(dǎo)熱引起的誤差。(2)輻射引起的誤差設(shè)與測(cè)溫元件換熱的周圍物體的一個(gè)溫度為的等效壁

44、面，在氣體不參與輻射換熱的情況下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)： (4.17)在Tw<1/2 T時(shí)，可近似用T4代替（T4Tw4）。當(dāng)Tw=1/2 T時(shí)，這種近似代替的誤差并為1/16（約0.06）。若輻射誤差占總誤差的0.15，則這種代替引起的誤差為0.15×0.06=0.9。被測(cè)氣體的溫度不高時(shí)，輻射誤差可以忽略不計(jì)。當(dāng)被測(cè)氣體的溫度達(dá)到300左右時(shí)，就需要考慮輻射引起的誤差。當(dāng)被測(cè)氣體的溫度達(dá)到600以上時(shí)，則必須采取措施減少熱電偶裝置和周圍物體的換熱，否則有可能出現(xiàn)大的誤差。例2.3:測(cè)量鍋爐過(guò)熱器后面的煙氣溫度時(shí)，若煙氣和熱電偶裝置間的對(duì)流換熱器系數(shù)，熱電偶裝置表面的輻射換熱系數(shù)是，周

45、圍壁溫為400，此時(shí)測(cè)得煙氣的溫度為500；經(jīng)計(jì)算所得到的煙氣真實(shí)溫度應(yīng)該是743，誤差達(dá)到243，這是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值。為了減少輻射誤差，可采取下列措施：(1)熱電偶裝置和周圍壁面間加裝加熱罩。裝遮熱罩后，熱電偶僅與遮熱罩進(jìn)行輻射交換，而遮熱罩的溫度比壁面溫度提高很多，故熱電偶的輻射誤差將減小很多。(2)高溫氣體和熱電偶裝置間的對(duì)流換熱系數(shù)h愈大，輻射換熱相對(duì)愈小，因此熱電偶裝置應(yīng)該放置在氣流流過(guò)較大的地方，或用抽氣熱電偶來(lái)提高氣流和熱電偶的對(duì)流換熱系數(shù)。(3)減小熱電偶裝置表面的發(fā)射率。對(duì)于帶護(hù)套的熱電偶裝置，應(yīng)采用外壁光滑的套管，使用中也需要經(jīng)常保持光潔，耐熱合金鋼的發(fā)射率比陶瓷管小的多

46、。在條件許可時(shí)應(yīng)該優(yōu)先選用拋光的耐熱合金鋼套管，或者直接把裸露的鉑銠鉑熱電偶放在高溫氣流中測(cè)量。鉑銠，鉑兩種材料在1500左右時(shí)的發(fā)射率僅為0.20.3，而陶瓷管一般為0.80.9，因此，前者的誤差要小的多。(4)采用專用測(cè)溫裝置，如組裝熱電偶，抽氣熱電偶以及音速熱電偶裝置。此外，盡可能使用裸絲熱電偶以減小輻射增加與氣流的熱交換，通過(guò)（4.17）式進(jìn)行補(bǔ)償也可以解決部分問(wèn)題。(2) 高速氣流溫度測(cè)量當(dāng)氣流速度超過(guò)0.2M時(shí)必須考慮氣流速度的影響，速度與測(cè)溫誤差的關(guān)系見(jiàn)(4.18)，或 (4.18) 圖 4.18速度與恢復(fù)系數(shù)的關(guān)系可見(jiàn)在亞音速范圍內(nèi)，M<1，氣流的速度增加時(shí)，溫度差以速度

47、的平方增長(zhǎng)，速度越高，數(shù)值越大，當(dāng)M>1進(jìn)入超音速范圍，在傳感器后產(chǎn)生正激波，在正激波后為亞音速氣流，它的M數(shù)反而減小，即速度更低，故速度誤差愈小，這個(gè)關(guān)系如圖4.15所示，對(duì)于空氣，它的絕熱指數(shù)K=1.4，由式（4.18）可得 （4.19）要減少速度誤差，必須提高恢復(fù)因數(shù)R，通常在裸露熱電偶的熱端加一個(gè)滯止室，圖4.19是幾種常見(jiàn)的形式，它的恢復(fù)因數(shù)可達(dá)0.950.98，而且與M數(shù)基本無(wú)關(guān)，圖4.19 因?yàn)闅饬饕贿M(jìn)入滯止室就被滯止室與熱電偶端兩次滯止，定向流動(dòng)能基本上被滯止，速度為零，動(dòng)能全轉(zhuǎn)化為熱能，速度誤差基本上被消除，但實(shí)際上并不能全部被滯止，過(guò)程又非絕熱的，因而探頭的示值與氣流

48、的實(shí)際溫度即總溫，由于傳感器及滯止室結(jié)構(gòu)不同，R是一個(gè)復(fù)雜的因素，它與氣流速度（即馬赫數(shù)），物理性質(zhì)及裸熱電極直徑，長(zhǎng)度，熱容，導(dǎo)熱性及密度有關(guān)，是難以用數(shù)學(xué)方程描述的。滯止室關(guān)鍵的作用在于把氣流迅速制動(dòng)而充分滯止。滯止室內(nèi)氣流由較高速度減到較低速度（甚至速度為零），特征參數(shù)為放氣孔總面積nf與滯止室面積F之比nfF。根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)，為了達(dá)到最好的滯止效果，又不會(huì)帶來(lái)不利影響，應(yīng)按設(shè)計(jì)，熱端距滯止室入口距離L與滯止室直徑D的比值。為使氣流有效滯止，所開(kāi)的放氣孔應(yīng)在熱端稍后的測(cè)壁上。這樣滯止室的形狀就關(guān)系不大了。圖 4.20給出兩種帶滯止室的測(cè)溫裝置及其特性。從特性曲線看到，這兩種測(cè)溫裝置在高速

49、段（M）均有良好的表現(xiàn)，恢復(fù)系數(shù)接近于。 圖 4.20 兩種帶滯止室的測(cè)溫裝置及其特性 4.2.4 組裝熱電偶采用普通熱電偶不易準(zhǔn)確測(cè)量氣流真實(shí)溫度，主要是探頭的溫度不能平衡在氣流的靜溫。如充分考慮能量的轉(zhuǎn)移與熱交換條件，采取恰當(dāng)探頭結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論計(jì)算有可能測(cè)得真實(shí)溫度。由于氣流能量轉(zhuǎn)換中設(shè)計(jì)參量較多，單只裸露熱電偶測(cè)量氣流溫度參數(shù)較少，不能充分估計(jì)能量轉(zhuǎn)移特性；采用總溫?zé)犭娕?，也因能量轉(zhuǎn)換不充分而帶來(lái)誤差。采用幾支不同直徑的熱電偶構(gòu)成組裝熱電偶，可以獲得較多的參量，較充分的計(jì)算能量轉(zhuǎn)移特性，大大提高測(cè)量氣流溫度的準(zhǔn)確性。4.2.4.1零直徑外推法(1) 測(cè)量原理當(dāng)熱電偶沿其導(dǎo)體的導(dǎo)熱損失可以

50、忽略不計(jì)，并達(dá)到平衡時(shí)，氣體對(duì)流和輻射方式傳給熱電偶的熱量等于它以輻射方式放出的熱量，即 （4.20）如氣體的輻射能很小，可忽略不計(jì)，如周壁溫度低于氣體溫度時(shí)，則周壁的熱輻射可忽略不計(jì)，即 （4.21）其中：對(duì)流換熱系數(shù) （4.22）kc的中括號(hào)中的參數(shù)都是氣流參數(shù)，b為氣體范德瓦耳斯常數(shù)?？諝饧s為0.5，對(duì)于煙氣，大約在0.37-0.41之間，計(jì)算時(shí)可以取其平均值m0.39。如果熱電偶的熱端直徑無(wú)限小，即D趨近于零，對(duì)流換熱系數(shù)kc，將趨近于無(wú)窮大，即，這就是零直徑外推法的原理。(a) 零直徑外推法測(cè)量原理 (b) 線性外推零直徑實(shí)測(cè)圖 4.21零直徑外推法測(cè)量實(shí)際測(cè)量中選幾支不同直徑的熱電

51、偶，在同一點(diǎn)測(cè)量氣體的溫度，將所測(cè)的溫度值繪在直角坐標(biāo)紙，溫度作為縱軸，熱電偶直徑為橫軸（參圖4.21）。由于熱電偶除直徑不同外，其他條件相當(dāng)時(shí)，它們的平衡溫度不一樣，將各支熱電偶的示值連接起來(lái)并外推直徑等于零時(shí)的溫度值，就是所待測(cè)的氣體溫度(4.22)。(2) 熱電偶直徑實(shí)驗(yàn)可采用直徑0.1，0.05,0.03與0.02mm的B型熱電偶，靈敏度高，響應(yīng)速度快，但讀數(shù)有波動(dòng)，而且容易脆斷。實(shí)際采用直徑稍粗的熱電偶讀數(shù)波動(dòng)小，靈敏度也不降低，也不容易脆裂。因此，采用這種方法測(cè)量氣體溫度時(shí)，熱電極的直徑以0.50.8mm比較適宜，如0.854，0.645與0.517mm。熱電偶的熱端作成球狀，組裝

52、在八芯絕緣瓷管中，熱端相互臨近，當(dāng)氣流Re較低時(shí), Nu=0.615Re0.46；Re在10-1.6*103時(shí)，Nu=2+0.5 5 Re0.05Pr0.33;即Nu=2+f(Re)。它與熱電偶直徑d關(guān)系為根據(jù)Hill的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)直徑在0.41.0mm范圍內(nèi)，氣流速度約為 時(shí)， 與直徑d的關(guān)系是線性的，沿直線外推到零直徑 （如圖4.20所示），這時(shí) 就得氣流的真實(shí)溫度如圖4.21所示。應(yīng)注意的是，隨差d的減小，測(cè)量誤差近于零，當(dāng)d<0.1mm, 的變化隨d的減小而急劇下降。當(dāng)d=0.10.4mm時(shí)， 的變化比較緩和，但曲線上凹；當(dāng)d>0.4時(shí)， 隨d的變化近似線性關(guān)系。測(cè)量時(shí)可以分段

53、選擇，一是采用d<0.1mm，d0=0;一是采用0.4<d<1.0mm, ,是一個(gè)負(fù)值。外推“零”直徑是由實(shí)驗(yàn)確定的例取分別為0.6，0.8及1.0mm時(shí)，計(jì)算得d0=-0.19, =0,所測(cè)定的溫度就認(rèn)為是氣流的真實(shí)溫度。考慮到熱電偶的使用壽命，直徑的選擇以0.51.0mm較為妥當(dāng)。利用這段線性關(guān)系，可以直接擬合方程得: 外推到 最小的“零”直徑。由最小二乘法得零直徑外推公式為 （4.23）式中： （4.24），幾支不同熱電偶的直徑和相應(yīng)不同幾支熱電偶的溫度示值。零直徑外推法既然是外推到熱電偶直徑d為零時(shí)氣流的真實(shí)溫度，因此溫度就與直徑d的測(cè)量準(zhǔn)確性有極大的關(guān)系。故采用此法時(shí)，熱電極的直徑要實(shí)際測(cè)定，準(zhǔn)確到小數(shù)后三位，在使用中要注意核查校正。零直徑外推法適于實(shí)驗(yàn)研究或重要的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用不方便。例2.4：用四只熱電偶按照零直徑外推法測(cè)量氣體溫度，直徑為0.531,0.652,0.68,0.852 mm，相應(yīng)的示值為1063 ，1053 ，1038 與1028 ，已知零直徑為0，求氣流溫度。按式（4.23）編寫(xiě)計(jì)算程序進(jìn)行運(yùn)算,可以做出回歸圖。下面是用BASIC語(yǔ)言編寫(xiě)的計(jì)算程序：10 REM R