熱能與動力工程測試技術(shù)-第五章溫度測量課件

第五章 溫度測量1第一節(jié) 概述溫度的概念宏觀：表征物體冷熱程度；微觀：大量分子運動平均動能的度量。溫標(biāo)用來度量溫度高低的尺度，規(guī)定了溫度的零點和基本測量單位。各類溫度計的刻度均由溫標(biāo)確定。常用溫標(biāo)：熱力學(xué)溫標(biāo)、國際實用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)2☆攝氏溫標(biāo)：所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計。分度方法是規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，水的冰點為零度，沸點為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對應(yīng)每份的溫度定義為1攝氏度，單位為℃。☆華氏溫標(biāo)：所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計。分度方法選取氯化銨和冰水混合物的溫度為零度，人的體溫為100度，單位為℉。3☆ 熱力學(xué)溫標(biāo)：熱力學(xué)溫標(biāo)是英國物理學(xué)家開爾文于1848年提出，是以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)。T2Q2卡諾熱機Q1T14由于水期維持在0.1mK國際計量大學(xué)溫際的基水的冰點和的三相點(273.16K)的穩(wěn)定性能長范圍內(nèi)。因此，1954年第10屆會決定采用水的三相點作為熱力本固定點，溫標(biāo)的表達式為：三相點的熱力學(xué)溫度相差0.01K，因此5☆ 國際實用溫標(biāo)：是一個國際協(xié)議性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便

。溫度計分類據(jù)傳感器的測溫方式：接觸式：膨脹式、電阻式、熱電偶式非接觸式： 輻射式接觸式的精度高、響應(yīng)慢、受高溫限制

非接觸式的精度低、響應(yīng)快、受低溫限制6按照溫度測量范圍：超低溫：

0～10K7低溫：

中高溫：超高溫：10～800K800～1900K；1900～2800K2800K以上第二節(jié) 接觸式溫度計一、膨脹式溫度計玻璃管液體溫度計（水銀溫度計）水銀的凝固點是

-38.87℃，沸點是356.7℃☆特點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價格便宜，準(zhǔn)確度高，但易損壞，只適合現(xiàn)場直接讀數(shù)，信號不能遠傳。8

其他有機液體常用：酒精、二甲苯、煤油酒精的凝固點-177.5℃，沸點：+78.5℃，可用于低溫測量?！顑蓚€問題零點漂移：定期校驗零點位置露出液柱的校正半浸入式溫度計按規(guī)定深度浸入被測溫介質(zhì)的玻璃溫度計，當(dāng)外露部分的環(huán)境溫度與標(biāo)定值不同時：9修正公式：露出部分液柱所占的度數(shù)。視膨脹系數(shù)。全浸入式溫度計溫度計的整個液柱浸入被測溫介質(zhì)中，使液柱面與介質(zhì)表面盡可能處于同一平面上。溫度計測量時的讀數(shù)10壓力式溫度計原理：密閉系統(tǒng)內(nèi)的氣體或液體受熱后壓力變化壓力式溫度計中，通常填充的感溫物質(zhì)可分為三類：充液式、充氣式和充低沸點液體式三種。1）充氣式一般多用氮氣，壓力與溫度的關(guān)系接近線性。特點：充氣式儀表的溫度刻度一般比較均勻，測溫范圍一般為-100℃～500℃。精度等級常見的有：1.5，2.5級。112）充低沸點液體所充的液體是低沸點液體，并且在溫泡中只充一半低沸點液體，以便于使密閉系統(tǒng)中存有一定的低沸點液體的泡和蒸汽。由于液體的飽和蒸氣壓是溫度的單值函數(shù)，利用該關(guān)系構(gòu)成測溫計。這種充低沸點液體式的溫度計又常叫飽和蒸汽壓式溫度計。精度：1.5，2.5特點是：熱慣性小，但刻度是非線性的123）充液式充液式在結(jié)構(gòu)上與充氣式相同，其不同之處是密閉系統(tǒng)中所充的是膨脹系數(shù)較大的液體，注意充液時必須全部充滿不留空隙。以前常用水銀，我國多用二甲苯，甘油，甲醇等。特點：體積較充氣式小，熱慣性大優(yōu)點：簡單可靠，不用電源，不怕震；三種壓力式溫度計，充液式精度最高，充低沸點液體式熱慣性最小，充氣式測量范圍最大。13影響精度的主要原因：

1）浸入深度問題要求壓力式溫度計的溫泡必須全部浸入被測介質(zhì)之中，因為標(biāo)定是按溫泡全浸入條件下進行的。環(huán)境溫度變化對儀表示值的影響。大氣壓力變化對示值的影響。因為這種溫度計的顯示儀表都是彈簧管式壓力表，測得的為相對壓力（表壓）。14時因彎曲變形帶動指針就構(gòu)雙金屬溫度計利用線膨脹系數(shù)差別較大的兩種金屬材料制成雙層片狀元件，在溫度變化而使其另一端有明顯位移，借此成雙金屬溫度計。15二、熱電阻溫度計電阻絲采用雙線并繞法繞制在具有一定形狀的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撐和絕緣作用。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。161）鉑熱電阻(WZP)特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。測溫范圍和應(yīng)用：

－259.34～630.74℃、標(biāo)準(zhǔn)用溫度基準(zhǔn)電阻比：

W(100)—純度；W(100)＝R100

/

R0?

?基準(zhǔn)鉑熱電阻：W(100)≥純精度：±0.001℃～±0.001.39256度99.9995％；01℃17?

?工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)熱電阻：W(100)≥1.391，精度：?200℃～0℃，±1℃；0℃～100℃，±0.5℃；100℃～650℃，±(0.5％)t我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表。實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。182）銅熱電阻(WZC)測溫范圍和應(yīng)用：?50℃～100℃，工業(yè)用溫度計；百度電阻比：W(100)≥1.425，精度：?50℃～50℃，±0.5℃，50℃～100℃，±(1％)t電阻－溫度特性：Rt=R0

(1+αt)，在測溫范圍內(nèi)線性。分度號：Cu100，Cu50，等。19優(yōu)點：銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有侵蝕性的介質(zhì)中。20二、熱電偶溫度計國際電工委員會（ICE）對熱電偶公認性能比較好的材料制定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，ICE推薦的標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶7種。名稱分度號名稱分度號名稱分度號鉑銠10-鉑S銅-康銅T鎳鉻-鎳硅K鉑銠30-鉑銠6B鎳鉻-康銅E鉑銠13-鉑R鐵-康銅J21常用熱電偶的材料1）鉑銠10-鉑熱電偶（分度號S）正極是鉑銠絲(鉑90%，銠l0%)，負極是純鉑絲。測量溫度最高長期可達1300℃，短期可達1600℃，一般用來測量1000℃以上的高溫。優(yōu)點：材料性能穩(wěn)定；測量準(zhǔn)確度較高，可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中工作。缺點：在高溫還原介質(zhì)中容易被侵蝕和污染，熱電動勢小，靈敏度低、成本高。222）鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號B）正極是鉑銠絲(鉑70%，銠30%)，負極也是鉑銠絲(鉑94%，銠6%)，俗稱雙鉑銠。測量溫度最高長期可達1600℃，短期可達1800℃。優(yōu)點：材料性能穩(wěn)定，測量精度高，測溫上限高。缺點：在還原性氣體中易被侵蝕，靈敏度低，成本高。233)

鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號K）正極是鎳鉻合金，負極為鎳硅。測溫范圍：-200℃～+1300℃。優(yōu)點：測溫范圍很寬、熱電動勢與溫度關(guān)系近似線性、熱電動勢大、高溫下抗氧化能力強、價格低，所以在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。缺點：熱電動勢的穩(wěn)定性和精度較B型或S型熱電偶差，在還原性氣體和含有SO2、H2S等氣體中易被侵蝕。244)

銅-銅鎳熱電偶（分度號T）正極是銅，負極是銅鎳合金。測溫范圍：-200℃~+400℃。優(yōu)點：精度高、復(fù)現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好、價格便宜。

缺點：銅極易氧化，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300℃。在0℃～-100℃范圍內(nèi)，銅-銅鎳熱電偶已被定為三級標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，用以檢測低溫儀表的精度，誤差不超過±0.1℃。255)鎳鉻-銅鎳熱電偶（分度號E）正極是鎳鉻合金，負極是銅鎳合金。測溫范圍：-200~+1000℃。優(yōu)點：熱電動勢較其他常用熱電偶大。適宜在氧化性或惰性氣氛中工作。6)鐵-銅鎳熱電偶（分度號J）正極是鐵，負極是銅鎳合金。測溫范圍：-200℃~+1300℃。優(yōu)點：價格低、熱電動勢較大（僅次于E型熱電偶）、靈敏度高、線性度好、價格便宜。缺點：鐵極易氧化。26常用的熱電偶結(jié)構(gòu)1、普通工業(yè)熱電偶溫度低于1000℃絕緣套管多為氧化鋁或工業(yè)陶瓷管，在高溫（1000℃以上）時，多為金屬套管。272、鎧裝熱電偶鎧裝型熱電偶可長達上百米A

B絕緣材料薄壁金屬 保護套管（鎧體）鎧裝型熱電偶橫截面28鎧裝熱電偶特點：內(nèi)部的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機械外力沖擊

的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細，能解決微小、狹窄場合的測溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點。293、薄膜熱電偶特點：熱電偶可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（μs）等特點，適于壁面溫度的快速測量，且響應(yīng)快，其時間常數(shù)可達到微秒級。測溫范圍一般在300℃以下。304、表面熱電偶一、滾筒式表面熱電偶：可不停車測量煉膠機，壓延機輥筒，瓦楞紙機滾筒及移動，轉(zhuǎn)動時的物體表面溫度測量。二、注射式熱電偶：測量膠料，膠帶，膠板，輪胎及可插入內(nèi)部物體的溫度測度。三、煙斗式表面熱電偶：測量硫化機平板，熱壓機平板，模具外表及各種發(fā)熱體的固體表面溫度。四、直柄式表面熱電偶：適用于靜態(tài)固體表面測量。如：鑄模，玻璃器具，模具；軸承，電機，管道外壁，鍋爐外壁，機床，

鋁錠，焊接等各種熱體表面溫度。五、薄片式熱電偶：適用于各種機械設(shè)備及其它狹縫處測溫。六、弓形表面熱電偶，適用于適用于滾軸、管道、圓柱體表面溫度測量。31K分度表32測量端溫度

(℃)0102030405060708090熱電動勢(mV)00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911.38111.79330012.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91923.34622.77223.19823.62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.26441.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.720110045.10845.48645.86346.23846.61249.98547.35647.72648.09549.162120048.82849.19249.55549.91650.27650.66350.99051.34451.69752.040130052.39852.74753.09353.43953.78254.12554.46654.807——鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表（冷端溫度為0℃）四、溫度計的校驗熱電阻溫度計的校驗1、比較法標(biāo)準(zhǔn)儀器：標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計或標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計恒溫?zé)嵩矗罕c槽、恒溫水槽（油槽）33標(biāo)定點：規(guī)定的幾個溫度點比較測量：偏差不超過規(guī)定最大誤差2、兩點法僅校驗0℃時的電阻值和100

℃時的電阻值，并檢查 是否符合規(guī)定。采用半橋工作進行測量

兩個熱電阻的材料應(yīng)相同熱電阻三線制接法34熱電偶溫度計的校驗

1、初次使用進行分度確定熱電動勢和溫度的對應(yīng)關(guān)系熱電偶應(yīng)在規(guī)定的溫度點進行比較式校驗。3536接受的熱量五、接觸式溫度測量的誤差感溫元件的基本情況被測介質(zhì)的傳熱流體的絕熱壓縮高流速散出的熱量對冷壁的輻射和傳熱37自身散熱安裝誤差1、安裝要求感溫元件應(yīng)與被測介質(zhì)形成逆流；最低要求感溫元件應(yīng)處于管道中心；傾斜安裝時，保護管頂應(yīng)高出管中心線5～10mm。感溫元件插入處附近的管道應(yīng)有足夠的絕熱層。38安裝方式不同引起的誤差應(yīng)有足夠的深度金屬保護管其安裝深度約為直徑的15—20倍陶瓷材料插入深度約為直徑的10-15倍39接觸方式不同引起的誤差精度最低 精度最高點接觸 面接觸 等溫接觸 分立接觸壁面溫度測量應(yīng)優(yōu)先考慮：

1．應(yīng)盡量采用直徑小、導(dǎo)熱系數(shù)低的熱電偶；優(yōu)先考慮等溫線敷設(shè)。被測材料為非良導(dǎo)熱體可采用面接觸方式。4．表面開槽敷設(shè)對提高測量精度更為有利。40輻射引起的誤差高溫?zé)煔庵饕詫α鞣绞絺鳠峤o熱電偶熱電偶與周圍冷壁面以輻射方式進行誤差輻射傳熱系數(shù)41降低輻射誤差的主要途徑采用表面光滑的保護套管；改善對流傳熱條件；在感溫元件周圍增加熱容量小的輻射隔離罩；42熱傳導(dǎo)引起的誤差誤差保護套管處管壁溫度感溫元件插入被測介質(zhì)的深度感溫元件外圍周長 感溫元件的截面積43高速氣流的測溫誤差總溫：靜溫動溫傳感器的實際指示值介于靜溫和總溫之間，Tr恢復(fù)系數(shù)如氣體為理想氣體44感溫元件的響應(yīng)時滯現(xiàn)象：傳感器感受的溫度滯后于介質(zhì)溫度的變化初始時刻則45第三節(jié) 非接觸式溫度計非接觸測溫—利用光輻射來測量物體溫度特點不熱測需：與被測介質(zhì)接觸，不破壞被測介質(zhì)溫度場；慣性小，動態(tài)響應(yīng)好；量范圍大，特別適合測量高溫介質(zhì)；知道被測表面的黑度，測量低溫時精度低；46一、熱輻射理論基礎(chǔ)普朗克定律（單色輻射強度定律）輻射出射度：從輻射源表面單位面積發(fā)射出的輻射通量；某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。絕對黑體的單色輻射出射度47當(dāng)溫度低于3000K時，48物體峰值輻射波長與自身的絕對溫度T的關(guān)系所有波長全部輻射出射度49二、單色輻射式光學(xué)高溫計物體高于700℃時，明顯發(fā)出可見光，具有一定亮度，其單色亮度與單色輻射出射度成正比。絕對黑體的溫度對實際物體亮度溫度50亮度溫度可由光學(xué)溫度計直接測量得到應(yīng)根據(jù)物體表面的單色黑度系數(shù)進

行修正。51燈絲隱滅式光學(xué)高溫計單色輻射溫度計標(biāo)準(zhǔn)燈玻璃吸收52優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，有較高的精度，測溫范圍廣，一般用來測量700～3200℃范圍澆鑄、軋鋼、鍛壓、熱處理和玻璃熔融時的溫度。缺點：人眼觀察，并需用手動平衡，因此不能實現(xiàn)快速測量和自動記錄，測量結(jié)果帶有主觀性。53光電高溫計（硅光電池）要求觀測點與被測物體之間的距離不要太大，一般在3m以內(nèi)。54光電器件三、全輻射高溫計（微型熱電偶串聯(lián)形成熱電堆）利用物體的溫度與總輻射出射度的關(guān)系來測量溫度。用它測發(fā)射率為ε的物體時，測得的為輻射溫度Ts。55優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能穩(wěn)定、可以自動記錄和遠距離傳送信號等。測溫范圍為

100～2000℃，測溫誤差絕對值為8～12℃。四、比色高溫計（硅光電池測量不同波長的亮度）兩個固定波長

和 的亮度比值隨溫度變化。56比色溫度：溫度為T的物體在兩個波長下的亮度比值等于溫度為Ts黑體在同樣波長下的亮度比值時的溫度。對灰體和絕對黑體， 則：對一般物體，兩者不同，但也相差較小，因此