溫度計(jì)量測(cè)試技術(shù)

1、熱工計(jì)量 測(cè)試技術(shù),概述 電阻溫溫度計(jì) 膨脹式溫度計(jì) 熱電偶 輻射溫度計(jì) 常用測(cè)溫技術(shù),.1 概述,1.1 溫度的概念,1.2 溫標(biāo),1.3 測(cè)溫方法及測(cè)溫儀器,1.1 溫度的概念,1.1 概述,溫度的宏觀概念： 是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。 （注：處于熱平衡狀態(tài)的所有熱力學(xué)系統(tǒng)都具有共同的宏觀性質(zhì)?。?溫度的微觀概念： 是大量分子運(yùn)動(dòng)平均強(qiáng)度的表示。 （注：分子運(yùn)動(dòng)愈激烈其溫度表現(xiàn)越高！）,重要性： 自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度有關(guān)。在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中，溫度的測(cè)量與控制占有重要地位！ 溫標(biāo): 攝氏溫標(biāo)、華式溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、國(guó)際

2、溫標(biāo)、理想氣體溫標(biāo),1.1 溫度的概念,1.1 概述,1.1 溫度的概念,1.1 概述,避免混亂 - 國(guó)際單位制（SI）：,長(zhǎng)度 質(zhì)量 時(shí)間 電流 熱力學(xué)溫度 物質(zhì)的量 光量,SI 基本單位：,七個(gè)物理量單位 - 相互獨(dú)立,（m）,（kg）,（s）,（A）,（K）,（mol）,（cd）,溫度：不可疊加性（內(nèi)涵量）,內(nèi)涵量： 可見，溫度是一個(gè)內(nèi)涵量 （即強(qiáng)度量），它不具有疊加性。不能像長(zhǎng)度、質(zhì)量等廣延量一樣，可以通過單位的疊加和細(xì)分以及與被測(cè)量進(jìn)行比較，從而得到被測(cè)量的數(shù)值。兩個(gè)溫度不能相加，只能進(jìn)行相等或不相等的描述。對(duì)一般測(cè)量來說，測(cè)量結(jié)果即為該單位的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)。但對(duì)于溫度而言，長(zhǎng)期以來所做

3、的卻不是測(cè)量，而只做標(biāo)志，即只是確定溫標(biāo)上的位置而已。這種狀況 直 到1967第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)確定，把熱力學(xué)溫度的單位開爾文定義為：水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。這樣溫度的描述已不再是確定溫標(biāo)上的位置，而是單位的多少倍了。這在計(jì)溫學(xué)上具有劃時(shí)代的歷史意義。,熱力學(xué)（絕對(duì)）溫度：用熱力學(xué)溫標(biāo)表示的溫度。 熱力學(xué)（絕對(duì)）溫標(biāo)：“精確的實(shí)驗(yàn)證明壓強(qiáng)等于零時(shí)的溫度應(yīng)該是-273.15”。 -273.15零度溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)或絕對(duì)溫標(biāo)。,1.1.1 溫度的概念,1.2 溫標(biāo),攝氏溫標(biāo) 華式溫標(biāo) 開氏溫標(biāo) 熱力學(xué)溫標(biāo) 國(guó)際溫標(biāo) 理想氣體溫標(biāo),經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo),等價(jià)！,測(cè)溫質(zhì): 要確定選擇什么樣的物質(zhì),這

4、些物質(zhì)的冷熱狀態(tài)必須能夠明顯地反映客觀物體(欲測(cè)物體)的溫度變化，而且這種變化具有復(fù)現(xiàn)性。 如：水銀、氫氣或是電偶？ 2.測(cè)溫特性：要知道該測(cè)溫質(zhì)的哪些物理量隨著溫度的改變將產(chǎn)生某種預(yù)期的改變。 如：水銀溫度計(jì)是用水銀做測(cè)溫質(zhì)，水銀的體積隨溫度作線性變化。 3.參考點(diǎn)：依據(jù)確定的數(shù)值作為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)劃分溫度的間隔。,經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo),華氏溫度,測(cè)溫質(zhì)：水銀； 測(cè)溫特性：水銀柱熱脹冷縮。 參考點(diǎn)： 冰、水、氯化銨和氯化鈉混合物的熔點(diǎn)定為零度，以0F表示。 把冰的熔點(diǎn)定為32F 把水的沸點(diǎn)定為212F； 在32212的間隔內(nèi)均分180等分，每份1華氏度。 華氏溫標(biāo)華氏溫度 使用狀況：歐美等英語國(guó)家。,(華倫

5、海特 (GDFahrenheit),攝氏溫度,測(cè)溫質(zhì)：水銀 測(cè)溫特性：水銀柱熱脹冷縮； 參考點(diǎn)： 冰的熔點(diǎn)為零度(標(biāo)以0)， 水的沸點(diǎn)為100度(標(biāo)以100)。 在0度和100度之間均分成100等份，每一份也就是1攝氏度。這種規(guī)定辦法就叫攝氏溫標(biāo)。 使用國(guó)家：亞洲國(guó)家、非英語國(guó)家,(ACelsiuas 瑞典),攝氏溫度與華氏溫度的關(guān)系,同種測(cè)溫質(zhì)(水銀)，利用了同樣的測(cè)溫特性(水銀柱熱脹冷縮)。但由于規(guī)定的參考點(diǎn)和分度單位不同，就造成了兩種不同的溫標(biāo)，從而產(chǎn)生了兩種不同的溫度的數(shù)值。,注：參考點(diǎn)相同 測(cè)溫質(zhì)不同 溫標(biāo)也不完全一致！ 原因：不同測(cè)溫的物理性質(zhì)隨溫度的改變?cè)谙嗤姆秶鷥?nèi)可能不會(huì)相同

6、。,經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo),舉例：五種溫度計(jì)，測(cè)溫質(zhì)分別是氫氣、空氣、鉑絲、電偶和水銀，其測(cè)溫的物理性質(zhì)分別為氣體的壓強(qiáng)、電阻、電動(dòng)勢(shì)和水銀的長(zhǎng)度；基準(zhǔn)點(diǎn)都是以冰的熔點(diǎn)和水的沸點(diǎn)為0度和100度。,結(jié)論:對(duì)應(yīng)同一個(gè)客觀溫度(假定以定容氫氣溫度計(jì)的指示數(shù)為標(biāo)準(zhǔn))，各種溫度計(jì)的讀數(shù)是不一樣的。,80.147,0,經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)特點(diǎn)：由于測(cè)溫物質(zhì)和測(cè)溫特性的選取不同，參考點(diǎn)和分度方法的選擇不同，故可以有各式各樣的溫標(biāo)。 開氏溫標(biāo)（熱力學(xué)溫標(biāo)）：開爾文，1848年創(chuàng)立了一種不依賴任何測(cè)溫質(zhì)(當(dāng)然也就不依賴任何測(cè)溫質(zhì)的任何物理性質(zhì))的絕對(duì)真實(shí)的絕對(duì)溫標(biāo)。,經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo),開爾文：英國(guó)物理學(xué)家，熱力學(xué)第二定律的創(chuàng)始人。

7、(熱學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、地球物理、數(shù)學(xué)、工程, 600論文,70發(fā)明專利),熱力學(xué)溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo)是以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)： 卡諾定律指出，一個(gè)工作于恒溫?zé)嵩磁c恒溫冷源之間的可逆熱機(jī)，其效率只與熱源和冷源的溫度有關(guān)。假設(shè)熱機(jī)從溫度為T1的熱源獲得的熱量為Q1，放給溫度為T2的冷源的熱量為Q2，則有,第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(1960年)規(guī)定 以純水的三相點(diǎn)的溫度定為開氏溫標(biāo)的參考點(diǎn)，規(guī)定其溫度為273.16K(而不叫“度”)，1K等于水的三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16; 熱力學(xué)溫標(biāo)被定為基本溫標(biāo)； 熱力學(xué)溫度被作為基本溫度; 符號(hào)是T，單位是開爾文，簡(jiǎn)寫為開，以K表示之； 熱力學(xué)溫標(biāo)的零點(diǎn)

8、叫絕對(duì)零度(0K)；,熱力學(xué)溫標(biāo),t=T-273.15,參考點(diǎn)：水的三相點(diǎn)是指純水以冰、水、蒸汽的平衡混合物的狀態(tài)，只要在沒有空氣的密閉容器內(nèi)，這個(gè)狀態(tài)的溫度就是確定不變的，它不依賴于壓強(qiáng)，最客觀的參考點(diǎn)!,熱力學(xué)溫標(biāo),如果我們要測(cè)某一個(gè)物體的溫度，可用任何一種工質(zhì)的卡諾熱機(jī)當(dāng)作溫度計(jì)，使卡諾熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)于欲測(cè)物體(欲測(cè)其溫度T)和273.16K的熱庫(kù)之間，測(cè)出吸收和放出的熱量Q1和Q2之比，則溫度為：,熱力學(xué)溫標(biāo),一支“熱力學(xué)溫度計(jì)”就是可逆的卡諾熱機(jī)，理論上通，技術(shù)上無法實(shí)現(xiàn)！,熱力學(xué)溫標(biāo),理想氣體溫標(biāo),熱力學(xué)理論證明：,注：熱力學(xué)溫標(biāo)可以借助理想氣體溫標(biāo)付諸實(shí)施，熱力學(xué)溫標(biāo)取得了現(xiàn)實(shí)意義!,

9、鉑電阻,普朗克輻射定律,氣體的原子運(yùn)動(dòng)隨著溫度的升高而加速，隨著溫度的降低而減速。當(dāng)溫度達(dá)到0K（-273.15）時(shí)，原子的運(yùn)動(dòng)就停止了。并且從理論上講，氣體的體積應(yīng)當(dāng)是零，因此不可能有低于0K的溫度。（如圖,在壓力不變的情況下（圖以砝碼表示）.如果溫度下降,氣體的體積就減小，與其0時(shí)的體積相比，每下降1其體積就減小1273。),絕對(duì)零度探索,常溫：氣體的原子速度1600km/h；3K：1m/h的;20nK（210-8K）:原子運(yùn)動(dòng)速度慢得難以測(cè)量(物質(zhì)呈現(xiàn)為液體狀態(tài)，而非固體狀態(tài)，更不是氣體狀態(tài)，而是聚集成唯一的“超原子”，它表現(xiàn)為一個(gè)單一的實(shí)體。),1 絕對(duì)零度的意義: 開爾文用熱力學(xué)溫標(biāo)

10、，即與任何測(cè)溫物質(zhì)無關(guān)的溫標(biāo)得到了絕對(duì)零度，因此，絕對(duì)零度這一重要概念對(duì)所有物質(zhì)都成立，它和選用什么物質(zhì)及什么物理性質(zhì)無關(guān)。 2 無測(cè)溫上限：不論何時(shí)，測(cè)量一個(gè)很高的溫度時(shí)，一個(gè)更高的溫度將存在，并且也有可能達(dá)到； 3 有測(cè)溫下限：絕對(duì)零度無限接近，但終究不能達(dá)到。（這是熱力學(xué)第三定律的結(jié)論。） 4 “絕對(duì)溫標(biāo)”和“絕對(duì)零度”中“絕對(duì)”的含義： 前者是指開氏溫標(biāo)與任何測(cè)溫質(zhì)都沒有關(guān)聯(lián)，因而這種溫標(biāo)是“絕對(duì)”的； 后者是指絕對(duì)零度是一個(gè)不可超越的界限，而且對(duì)所有物質(zhì)都成立，因而這個(gè)度數(shù)是“絕對(duì)”的。,開氏溫度的意義,1.4 測(cè)溫方法及測(cè)溫儀器,（1）接觸式測(cè)溫,（2）非接觸式測(cè)溫,測(cè)溫方法,接觸

11、式測(cè)溫儀器,非接觸式測(cè)溫儀器,(1) 接觸式測(cè)溫 含義：測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，感溫元件的某一物理參數(shù)的量值（熱電動(dòng)勢(shì)、電阻、熱膨脹等等）代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值。 優(yōu)點(diǎn)：直觀可靠。 缺點(diǎn)： 感溫元件影響被測(cè)溫度場(chǎng)的分布，接觸不良會(huì)帶來測(cè)量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對(duì)感溫元件的性能和壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響。,1.4 測(cè)溫方法及測(cè)溫儀器,（2）非接觸式測(cè)溫 含義：感溫元件不與被測(cè)對(duì)象相接觸，而是通過輻射方式進(jìn)行熱交換。 特點(diǎn)： 可避免接觸測(cè)溫的缺點(diǎn)（不影響溫場(chǎng)分布）； 具有較高的測(cè)溫上限； 非接觸測(cè)溫法熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度

12、和快速度變化的溫度。,.1.4 測(cè)溫方法及測(cè)溫儀器,1 接觸式儀器 膨脹式溫度計(jì)(包括液體和固體膨脹式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)) 電阻式溫度計(jì)(包括金屬熱電阻溫度計(jì)和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)) 熱電式溫度計(jì)(包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計(jì)) 2 非接觸式溫度儀 以光輻射為基礎(chǔ)，也稱為輻射溫度計(jì)。 如：輻射溫度計(jì)、亮度溫度計(jì)和比色溫度計(jì)、紅外熱相儀；,1.4 測(cè)溫方法及測(cè)溫儀器,3 按照溫度測(cè)量范圍劃分的溫度計(jì) 超低溫、低溫、中、高溫和超高溫溫度測(cè)量。 超低溫010K 低溫指10800K 中溫指8001900K 高溫指19002800K的溫度 超高溫2800K以上,1.4 測(cè)溫方法及測(cè)溫儀器,2 電阻溫度計(jì)

13、,2.1 電阻溫度計(jì)測(cè)溫原理 2.2 熱電阻材料材料 2.3 熱電阻結(jié)構(gòu) 2.4 熱敏電阻 2.5 熱電阻測(cè)量電路 2.6 工業(yè)熱電阻檢定實(shí)驗(yàn),原理 利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而改變的性質(zhì)來測(cè)量溫度。 實(shí)驗(yàn)證明 多數(shù)金屬導(dǎo)體在溫度升高1時(shí)，阻值變化 0.4% 0.6%； 多數(shù)具有負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體在溫度升高1時(shí)，阻值變化3% 6%；,2 熱電阻測(cè)溫,測(cè)溫范圍： -200500 特殊范圍： 測(cè)量低溫端可達(dá)平衡氫的三相點(diǎn)13.8K 銦電阻溫度計(jì)3.4K；碳電阻溫度計(jì)1K； 特點(diǎn)： 精度高 在低溫段下測(cè)溫靈敏度高 輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳、測(cè)量或自動(dòng)控制,2.1 熱電阻的材料, 電阻溫度系數(shù)要大：

14、單位1/，定義為,注： 越大制成的溫度計(jì)的靈敏度越高測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確 一般非常數(shù)， 不同溫度數(shù)值不同 =f(T) ； 材料越純,越大, 要求有較大的電阻率：因?yàn)殡娮杪试酱箅娮梵w積越小熱容量和熱慣性越小溫度變化的響應(yīng)越快。 在測(cè)溫范圍內(nèi)，要求物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。 復(fù)現(xiàn)性好、復(fù)制性強(qiáng)、易得到純凈物質(zhì)。 電阻值與溫度的關(guān)系近似為線性關(guān)系，便于測(cè)溫的分度和讀數(shù)。 價(jià)格低。 綜上所述：鉑、銅、鐵、鎳、和一些半導(dǎo)體材料比較適合做熱電阻。,2.1 熱電阻的材料,特點(diǎn)：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、易于提純、復(fù)制性好、具有良好的工藝性、可以制成極細(xì)的鉑絲、電阻率較高；在0C 以上，其電阻與溫度的關(guān)系接近于直線(其電

15、阻溫度系數(shù)為3.9103/C )。 作用：工業(yè)測(cè)量,溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)儀器。ITS-90國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定，在13.81K961.78的標(biāo)準(zhǔn)儀器為鉑電阻溫度計(jì)。 缺點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)小，在還原氣氛中，特別是在高溫下，易被污染變脆、價(jià)格昂貴。 常用鉑電阻分度號(hào)： Pt1000，Pt100和 Pt10,2.2 熱電阻的類型,（1）鉑熱電阻,優(yōu)點(diǎn)：線性度好，電阻溫度系數(shù)大、價(jià)格低、精度適中； 缺點(diǎn)：100時(shí)，易被氧化； 測(cè)溫范圍：-50+150。 常用銅電阻分度號(hào)：Cu100和Cu50,2.2 熱電阻的類型,（2）銅熱電阻,2.2 熱電阻的類型,表示時(shí)的電阻值，,（1）普通型熱電阻,感溫元件,保護(hù)套管,接線盒

16、,與熱電偶類似,2.3 熱電阻的結(jié)構(gòu)類型,鉑熱電阻,2.3 熱電阻的結(jié)構(gòu)類型,玻璃燒結(jié)式,陶瓷架式,云母管架式,昂貴,雙線 無感 繞制,銅電阻,2.2 熱電阻的結(jié)構(gòu)類型,雙線 無感 繞制,2.2 熱電阻的結(jié)構(gòu)類型,鎧裝熱電阻,力學(xué)性好,熱電阻+保護(hù)套管+絕緣材料封裝,2.2 熱電阻的結(jié)構(gòu)類型,薄膜熱電阻,陶瓷,鉑,真空鍍膜法,熱慣性?。?厚膜7m,薄膜2m,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,半導(dǎo)體熱電阻熱敏電阻。 材料：常用一定比例的錳、鎳、銅、鈦、鎂的氧化物混合制成,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,分類,負(fù)溫度系數(shù)NTC,正溫度系數(shù)PTC,臨界溫度系數(shù)CTR,測(cè)溫特點(diǎn),2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,近似 線性關(guān)系,

17、變化劇烈,變化劇烈,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,金屬熱電阻,T,原子無規(guī)則運(yùn)動(dòng),自由電子的定向運(yùn)動(dòng),電子遷移率,R,NTC半導(dǎo)體熱敏電阻,T,原子無規(guī)則運(yùn)動(dòng) 自由電子數(shù)目,電子遷移率,R,測(cè)溫特性相反,熱敏電阻計(jì)算公式,式中,溫度為T0時(shí)的熱敏電阻；,熱敏電阻的材料常數(shù)；,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,實(shí)驗(yàn)測(cè)量,熱敏電阻的溫度系數(shù),若,室溫:,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,熱敏電阻的伏安特性,概念：表征了靜態(tài)下，在熱敏電阻和周圍介質(zhì)熱平衡時(shí)，熱敏電阻上的端電壓和通過電阻的電流的相互關(guān)系。,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,溫度不變,舉例：NTC熱敏電阻伏安特性,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,oa段: 線性工作區(qū)： 當(dāng)電流Ia

18、 元件功耗很小 熱敏電阻不發(fā)熱 元件溫度=環(huán)境溫度T0 固定電阻(歐姆定律),ab段: 非線性正阻區(qū)： 隨著電流的增加 熱敏電阻R耗散功率增大 工作電流引起熱敏電阻自熱升溫 則其阻值下降（NTC） 端電壓增加逐漸緩慢,舉例：NTC熱敏電阻伏安特性,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,端電壓最大值 當(dāng)電流為Im時(shí) 端電壓達(dá)到最大值Um。,舉例：NTC熱敏電阻伏安特性,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,cd段 非線性負(fù)阻區(qū) 若電流繼續(xù)增加 熱敏電阻自身升溫劇烈 阻值迅速減小 阻值減小的速度 電流增 加的速度 端電壓隨電流的增加而降低,舉例：NTC熱敏電阻伏安特性,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,舉例：NTC熱敏電阻伏安特性,2

19、.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,總 結(jié) NTC熱敏電阻應(yīng)用于測(cè)溫時(shí)，應(yīng)工作在伏安特性曲線的oa段，即：流過熱敏電阻的工作電流應(yīng)很小。 當(dāng)外界環(huán)境溫度變化時(shí)，盡管熱敏電阻耗散系數(shù)也發(fā)生變化，但電阻體無自熱升溫，而與所測(cè)的環(huán)境溫度接近。,半導(dǎo)體熱敏電阻的形狀：片狀、柱狀和珠狀,2.4 半導(dǎo)體熱敏電阻,MF74超大功率型NTC熱敏電阻器,應(yīng)用范圍：適用于大功率的轉(zhuǎn)換電源、開關(guān)電源、UPS電源及各類大功率照明燈具、電加熱器的浪涌電流抑制。,半導(dǎo)體熱敏電阻實(shí)物照片,半導(dǎo)體熱敏電阻實(shí)物照片,廣泛應(yīng)用于空調(diào)設(shè)備、暖氣設(shè)備、電子體溫計(jì)、液位傳感、汽車、電子臺(tái)歷、手機(jī)電池。,MF52珠狀測(cè)溫型NTC熱敏電阻器,半導(dǎo)體熱敏

20、電阻實(shí)物照片,應(yīng)用于：半導(dǎo)體集成電路、液晶顯示、晶體管及移動(dòng)通訊設(shè)備用石英振蕩器的溫度補(bǔ)償、可充電電池的溫度探測(cè)、計(jì)算機(jī)微處理器的溫度探測(cè)、需溫度補(bǔ)償?shù)母鞣N電路。,CMF貼片式NTC熱敏電阻器,半導(dǎo)體熱敏電阻實(shí)物照片,MF55系列絕緣薄膜型NTC熱敏電阻器 應(yīng)用范圍：電腦、打印機(jī)、家用電器等,測(cè)溫范圍：-100300 優(yōu)點(diǎn)： 電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為 電阻率大，利于小型化，連接導(dǎo)線的影響可以忽略； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，可以用于測(cè)量點(diǎn)溫度； 熱慣性小，適用于表面溫度及快速變化溫度。 不足：熱敏電阻溫度特性分散、互換性差、非線性嚴(yán)重。 進(jìn)一步的發(fā)展依賴于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和制造工藝水平的提高。,

21、熱敏電阻的特點(diǎn),2.5 熱電阻測(cè)溫電橋,說明：為了消除金屬熱電阻(幾歐幾十歐范圍)中的引線電阻和連接導(dǎo)線電阻受溫度變化而改變其阻值大小，從而影響熱電阻測(cè)溫。 測(cè)溫電橋兩線制、三線制、四線制接法。,（1）工業(yè)用常用線路 兩線制,2.5 熱電阻測(cè)溫電橋,Rac=2(Rr+r+r)+Rt,熱電阻Rt,引線r,連接導(dǎo)線r,調(diào)整電阻Rr,不平衡電橋,（1）工業(yè)用常用線路 兩線制,特點(diǎn)： 接入一個(gè)橋臂。 引線與連接導(dǎo)線隨環(huán)境溫度變化全部加入到熱電阻的變化之中； 簡(jiǎn)單，仍有應(yīng)用 引出線的電阻值特性：銅：=0.2(R0)；鉑: = 0.1(R0) 。,2.5 熱電阻測(cè)溫電橋,Rac=2(Rr+r+r)+Rt,

22、（1）工業(yè)用常用線路 三線制,方法一： 熱電阻有三個(gè)引線 其中兩根+連接導(dǎo)線的電阻分別加到電橋相臨兩橋臂中 第三根接到電源線上 電源與電橋的連接點(diǎn)a從儀表內(nèi)部的橋路上移到熱電阻附近 效果：引線與連接導(dǎo)線電阻變化影響減小。,Rac=Rt+r+r+Rr Rad=R1+r+r+Rr,2.5 熱電阻測(cè)溫電橋,（1）工業(yè)用常用線路 三線制,Rac=Rt+2r+r+Rr Rad=R1+r+Rr,方法二 兩根引線 三根連接導(dǎo)線 兩根連接導(dǎo)線的電阻分別加到電橋相鄰的兩橋臂中 第三根接到電源對(duì)角線上 電源的接點(diǎn)a移到熱電阻傳感器內(nèi)的接線柱上 效果： 連接導(dǎo)線r影響減小 引線電阻r影響依存在,2.5 熱電阻測(cè)溫電

23、橋,（2）實(shí)驗(yàn)室精密測(cè)溫線路四線制,2.5 熱電阻測(cè)溫電橋,4引線,（2）實(shí)驗(yàn)室精密測(cè)溫線路四線制,電源E：向標(biāo)準(zhǔn)電阻RH、熱電阻Rt（經(jīng)a,c）、調(diào)節(jié)電阻Rr和電流表回路供電； 電流I：調(diào)節(jié)Rr，使得回路電流I調(diào)整到熱電阻的規(guī)定值34mA； 電流測(cè)量線：與a和c相連 電位測(cè)量線：與b和d相連 轉(zhuǎn)換開關(guān)K：先后測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻RH和熱電阻Rt上的電壓降UH和Ut；,2.5 熱電阻測(cè)溫電橋,精密！,（2）實(shí)驗(yàn)室精密測(cè)溫線路四線制,特點(diǎn)： 利用電位差計(jì)平衡讀數(shù)時(shí)，電位差計(jì)不取電流，熱電阻的電位測(cè)量線沒有電流通過,因此，熱電阻引線電阻r、連接導(dǎo)線電阻r無論怎樣變化也不會(huì)影響熱電阻Rt的測(cè)量，可完全消除R

24、t以外電阻的影響。,2.5 熱電阻測(cè)溫電橋,3 膨脹式溫度計(jì),3 膨脹式溫度計(jì),3.1. 液體膨脹式溫度計(jì) 它由液體儲(chǔ)存器、毛細(xì)管和標(biāo)尺組成。 測(cè)溫上限取決于所用液體汽化點(diǎn)的溫度，下限受液體凝點(diǎn)溫度的限制。 為防止毛細(xì)管中液柱出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，并提高測(cè)溫液體的沸點(diǎn)，常在毛細(xì)管中液體上部充以一定壓力的氣體。,液體玻璃溫度計(jì)分全浸式和部分浸入式兩種。 全浸：測(cè)溫時(shí)把液柱部分全部浸入被測(cè)介質(zhì)中。 部分浸入：把溫度計(jì)部分插入被測(cè)介質(zhì)中。 全浸式測(cè)量精度較高，故多用于實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，部分浸入式用于一般工業(yè)測(cè)溫。,修正值計(jì)算：,3.2 固體膨脹式溫度計(jì) 利用兩種不同膨脹系數(shù)的材料制成，分為桿式和雙金屬式兩

25、大類。 范圍：-30600oC； 精度：0.5-1.0級(jí),4 熱電偶,特點(diǎn)： 構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便、具有較高的準(zhǔn)確度、溫度測(cè)量范圍寬； 常用測(cè)溫范圍：-50+1600；特殊材料，測(cè)溫范圍可擴(kuò)為:-1802800 應(yīng)用極為廣泛,4 熱電偶測(cè)溫,4 熱電偶測(cè)溫,4.1 熱電效應(yīng),4.2 熱電偶基本定律,4.3 常用熱電偶的材料、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu),4.4 熱電偶的參比端（冷端）溫度補(bǔ)償,4.5 熱電偶測(cè)溫回路,4.1 熱電效應(yīng),兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì),單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì),熱電偶回路熱電勢(shì),熱電效應(yīng)將熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 方法：兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料A和B兩端牢靠地接觸在一起，組成如圖所示的

26、閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)(稱為結(jié)點(diǎn))溫度t和t0不相同時(shí)，回路中既可產(chǎn)生電勢(shì)，并有電流流通。,A和B稱為偶極或熱電極 結(jié)點(diǎn)之一工作端、熱端； 結(jié)點(diǎn)之二自由端、冷端,兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì),eAB(T)為A、B兩種不同材料在溫度為T時(shí)的接觸電動(dòng)勢(shì),V； K為玻耳茲曼常數(shù),K=1.38*10-23J/K； e為電子電荷,e=1.6*10-19C； nA(T)、nB(T)為A、B兩種材料在溫度T時(shí)的自由電子密度。,兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì),兩種材料在T0時(shí)的接觸電勢(shì)：,回路中A和B的接觸電勢(shì),單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì),eA(T，T0)導(dǎo)體A兩端溫度差為T和T0時(shí)形成的溫差電勢(shì)，V 湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端溫度差為

27、1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)，與材料性質(zhì)及兩端溫度有關(guān)。,回路中的溫差電勢(shì)為,單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì),回路中總的熱電勢(shì),對(duì)于由A和B組成的熱電偶閉合回路，當(dāng)溫度TT0，nAnB 時(shí)，回路總的熱電勢(shì)為EAB(T,T0)：,回路中總的熱電勢(shì),分析上式：產(chǎn)生熱電勢(shì)必須滿足兩個(gè)條件： nA nB，即熱電偶必須使用兩種不同的材料； T T0,即兩種接觸點(diǎn)必須處于不同的溫度。,回路中總的熱電勢(shì),忽略溫差電勢(shì),回路總熱電勢(shì)溫度T的單值函數(shù)！方便。,金屬導(dǎo)體,4.2 熱電偶基本定律,（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律,（2）中間導(dǎo)體定律,（3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律,（4）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律,（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律,一種均質(zhì)材料構(gòu)成熱電偶 不

28、論導(dǎo)體或半導(dǎo)體 不論截面和長(zhǎng)度、各處溫度如何。 結(jié)論：都不能產(chǎn)生熱電勢(shì),熱電偶材料:兩種！,注意 兩種材料：任何熱電偶都必須由兩種性質(zhì)不同的導(dǎo)體構(gòu)成。 均質(zhì)導(dǎo)體特點(diǎn)：如果熱電偶由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，則熱電偶的熱電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。 非均質(zhì)導(dǎo)體特點(diǎn)：當(dāng)熱電極是非均質(zhì)導(dǎo)體，則相當(dāng)于不同性質(zhì)熱電極構(gòu)成了熱電偶。在不均勻溫場(chǎng)中測(cè)溫時(shí)將造成測(cè)量誤差。 均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。,（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律,（2）中間導(dǎo)體定律,如圖所示，將A、B構(gòu)成的熱電偶的T0端斷開，接入第三種導(dǎo)體C： 條件：只要保持 C 兩端溫度相同（T0） 結(jié)論：接入導(dǎo)體C后對(duì)回路總電動(dòng)勢(shì)無影響。

29、,圖中熱電偶回路總電勢(shì)為,證明：,其中：,故：,即：,（2）中間導(dǎo)體定律,（3）標(biāo)準(zhǔn)電極定律,內(nèi)容：當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T和T0時(shí)，用A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)等于A、C熱電偶和C、B熱電偶熱電勢(shì)的代數(shù)和，即,導(dǎo)體C稱標(biāo)準(zhǔn)電極（鉑）,證明：,標(biāo)準(zhǔn)電極定律,證畢,（4）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律,連接導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，若導(dǎo)體A和B分別與導(dǎo)線A和B相接，接點(diǎn)溫度分別為T、Tn、T0，如圖所示，則回路總電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB(T,Tn) 與連接導(dǎo)線電勢(shì)EAB(Tn,T0)之和。,意義：工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)。,證明,其中,（4）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律,假設(shè)，nA nB;

30、nB nB ; nA nA; nB nB; TTnT0,中間溫度定律：當(dāng)A與A、B與B材料分別相同時(shí)，則有,（4）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律,意義：中間溫度定律為制定熱電勢(shì)分度奠定了理論基礎(chǔ)，只要求得參考端溫度0時(shí)的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系，就可以求出參考端溫度不等于0時(shí)的熱電勢(shì)。,=0,4.3 常用熱電偶的材料、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu),兩種材料組成的熱電偶應(yīng)輸出較大的熱電勢(shì)，以獲得較高的靈敏度，且要求電勢(shì)和溫度之間盡可能的成線性關(guān)系 能應(yīng)用于較寬的溫度范圍，物理和化學(xué)特性比較穩(wěn)定（較好的耐熱性、抗氧化、抗還原和抗腐蝕性） 具有較高的導(dǎo)電率和較低電阻溫度系數(shù) 工藝性好，利于批量生產(chǎn),（1）熱電偶的材料,（2）常

31、用熱電偶, 鉑銠10-鉑熱電偶（分度號(hào)：S） 鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號(hào):K） 鎳鉻康銅熱電偶（分度號(hào)：E） 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號(hào)：B） 銅-康銅熱電偶（分度號(hào)：T）,優(yōu)點(diǎn)： 金屬絲直徑范圍0.350.5mm; 精度高、物理化學(xué)特性穩(wěn)定; 測(cè)溫上限高，短期使用溫度可高達(dá)1600。 可以作為各等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 缺點(diǎn)： 熱電勢(shì)小、靈敏度低、價(jià)格昂貴。,（2）常用熱電偶, 鉑銠10-鉑熱電偶 （分度號(hào)：S）,正極 （硬）,負(fù)極 （軟）,4.732,（2）常用熱電偶, 鎳鉻-鎳硅熱電偶 （分度號(hào):K）,特點(diǎn)： 金屬絲直徑范圍：0.53mm; 價(jià)格低廉、靈敏度高、復(fù)現(xiàn)性好、高溫下抗氧化能力強(qiáng)。

32、工業(yè)與實(shí)驗(yàn)室廣泛采用; 在還原性或硫化物氣氛中易被侵蝕。,正極 不親磁,負(fù)極 稍親磁,22.776,（2）常用熱電偶, 鎳鉻康銅熱電偶（分度號(hào)：E） 特點(diǎn)：金屬絲直徑范圍：0.53mm，價(jià)格最便宜、靈敏度高，適用于中性或還原性氣氛中。 鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號(hào)：B） 特點(diǎn)：價(jià)格昂貴、測(cè)量溫度上限可達(dá)1800、測(cè)量精度高、適應(yīng)于氧化或中性氣氛中使用、靈敏度低。 銅-康銅熱電偶（分度號(hào)：T） 特點(diǎn)：直徑：0.11.6mm, 適用于-200+400；測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、低溫時(shí)靈敏度高、價(jià)格低廉。,（3）典型結(jié)構(gòu)（工業(yè)用）,氧化鋁或工業(yè)陶瓷,1000度:,熱電極,保護(hù) 套管,絕緣 套管,引線盒

33、,減小熱慣性！,鎧裝式熱電偶：熱電極、耐高溫金屬粉末（如氧化鋁）、不銹鋼套管三者一起拉細(xì)而組成一體，外徑0.2512mm不等。如圖。,（3）典型結(jié)構(gòu)（科研用）,特點(diǎn)：慣性小、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、力學(xué)性能良好、抗振、可撓等特點(diǎn),（3）典型結(jié)構(gòu)（科研用）,真空蒸鍍 或化學(xué)涂層,鎳鉻-鎳硅 銅康-銅,極?。?.010.1m,云母 或 浸漬酚醛塑料 60mm*6mm*0.2mm,工藝,特點(diǎn)： 響應(yīng)速度快！（ms） 測(cè)溫范圍300度,4.4 熱電偶的參比端（冷端）溫度補(bǔ)償,（1）冰點(diǎn)法,（3）冷端補(bǔ)償器法,（4）補(bǔ)償導(dǎo)線法,（2）熱電勢(shì)修正法,熱電偶測(cè)溫原理：只有參比端溫度恒定時(shí)，回路總熱電勢(shì)EAB(T

34、,T0)才是溫度T的單值函數(shù)！,熱電偶分度表(p171)中，熱電勢(shì)-溫度的對(duì)應(yīng)值以 0為基礎(chǔ),不穩(wěn)定,補(bǔ) 償 方 法,T0=0C！,精度最高！,（1）冰點(diǎn)法,4.4 熱電偶的參比端（冷端）溫度補(bǔ)償,（2）熱電勢(shì)修正法,4.4 熱電偶的參比端（冷端）溫度補(bǔ)償,查表EAB,實(shí)際測(cè)量,查表T,T0=0C,T0=恒溫,中間溫度定律,T,舉例：s偶參比端溫度溫為30,測(cè)量的熱電勢(shì)為6.526mV,試問此時(shí)真實(shí)的溫度應(yīng)為多少？,查表EAB,實(shí)際測(cè)量,查表T,解：,查表,0.173,740,4.4 熱電偶的參比端（冷端）溫度補(bǔ)償,（3）冷端補(bǔ)償器法,0C,恒溫,T0=f(時(shí)間,環(huán)境),不平衡電橋,R1=R2

35、=R=1 (錳銅絲),R4（銅絲）,Rg（限流）,當(dāng)T0=0C時(shí),四壁電阻相等,電橋平衡,橋路輸出電壓,Uba=0,指示儀表總的熱電勢(shì)為：,R4=1,4.4 熱電偶的參比端（冷端）溫度補(bǔ)償,（3）冷端補(bǔ)償器法,說明：當(dāng)T0變化時(shí)，由于冷端補(bǔ)償器的接入，儀表所指示的總電勢(shì)E仍保持為E(T,0),相當(dāng)于熱電偶冷端自動(dòng)處于0C。,當(dāng),R4,a點(diǎn)電位,Uba,同時(shí),T0,由于T0, EAB(T,T0),調(diào)整Rg電阻, Uba=E(T,0)-E(T,T0),總電勢(shì)不隨T0而變,4.4 熱電偶的參比端（冷端）溫度補(bǔ)償,（4）補(bǔ)償導(dǎo)線法,恒溫,易干擾,補(bǔ)償導(dǎo)線,0100C,E=EAB(T,T0),熱電勢(shì)修正

36、法,材料：熱電性質(zhì)與熱電偶相近（0100C） EAB(T0,T0)= EAB(T0,T0) 根據(jù)連接導(dǎo)體定律，回路電勢(shì)： E=EAB(T,T0) + EAB(T0,T0),（4）補(bǔ)償導(dǎo)線法,4.4 熱電偶的參比端（冷端）溫度補(bǔ)償,（中間溫度定律）,恒溫,熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化形成補(bǔ)償導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)系列。常用的熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線技術(shù)數(shù)據(jù)見表5.4,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線,舉例：利用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行測(cè)溫，熱電偶為K偶，補(bǔ)償導(dǎo)線為銅-康銅，熱電偶輸出熱電勢(shì)為41.092mV;補(bǔ)償導(dǎo)線輸出熱電勢(shì)為2.478mV；恒溫端溫度為20；試問此時(shí)真實(shí)的溫度應(yīng)為多少？,解：根據(jù)補(bǔ)償導(dǎo)線法 E=EAB(T,T0) + EAB(T0,T0),E

37、AB(T0,T0)= EAB(T0,T0) =2.478mV,EAB(T,T0)=41.092mV,EAB(T0,0)=EAB(20,0)= EAB(20,0)=0.789 mV,E=E(T,0)=41.092+2.478+0.789=44.359,T=f(44.359)=1180,44.359,4.4 小結(jié),（1）冰點(diǎn)法,（3）冷端補(bǔ)償器法,（4）補(bǔ)償導(dǎo)線法,（2）熱電勢(shì)修正法,補(bǔ) 償 方 法,4.5 熱電偶測(cè)溫回路,方法：測(cè)量?jī)商幍臏夭睿═1-T2）的一種方法。 兩個(gè)熱電偶同型號(hào) 配用相同的補(bǔ)償導(dǎo)線 冷端溫度相同 兩者反接而成，則熱電勢(shì)為,（1）熱電偶反接（差動(dòng)熱電勢(shì)）,4.5 熱電偶測(cè)溫

38、回路,（2）熱電偶并聯(lián)測(cè)量平均溫度,方法： 熱電偶型號(hào)相同； 冷端溫度相同； 串聯(lián)均衡電阻R1，R2，R3； 回路總熱電勢(shì)為： 缺點(diǎn)： 一支壞，不易察覺,4.5 熱電偶測(cè)溫回路,低溫或小溫變時(shí)： 熱電勢(shì) 串聯(lián)！ 特點(diǎn)： 一支燒壞，立即察覺。,（3）熱電偶串聯(lián)（熱電堆）：,4.5 熱電偶測(cè)溫回路,4.6 熱電偶的校驗(yàn)與分度,校驗(yàn):對(duì)熱電偶熱電勢(shì)和溫度的已知關(guān)系進(jìn)行校核，檢查其誤差的大?。?分度:確定熱電勢(shì)和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系 校驗(yàn)原因：熱電偶經(jīng)過一段時(shí)間使用之后，由于氧化、腐蝕、還原、高溫下再結(jié)晶等因素的影響，使它與原分度值或標(biāo)準(zhǔn)分度表的偏離越來越大，以至產(chǎn)生較大誤差，測(cè)量精度下降。,ITS-199

39、0,4.6 熱電偶的校驗(yàn)與分度,0.03級(jí),4.7 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)誤差分析,（1）熱電偶分度誤差1：由于熱電偶材質(zhì)不均，勻使得其熱電特性與統(tǒng)一分度表之間存在差值。該項(xiàng)誤差不能超過熱電偶允許誤差的范圍，否則應(yīng)重新校驗(yàn)。 如：鉑銠-鉑：在600 以上，允許誤差為0.25%t； 鎳鉻-鎳硅：在400 以上，允許誤差為0.75%t；,（2）補(bǔ)償導(dǎo)線誤差2：補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶熱電特性不同而帶來的誤差。 如：鉑銠-鉑：100補(bǔ)償范圍內(nèi)，其補(bǔ)償導(dǎo)線允差為0.023mV; 如：鎳鉻-鎳硅：100補(bǔ)償范圍內(nèi)，其補(bǔ)償導(dǎo)線允差為0.105mV;,（3）冷端補(bǔ)償器誤差3：只能在平衡點(diǎn)和計(jì)算點(diǎn)的溫度值得到完全補(bǔ)償，在其他

40、溫度時(shí)因不能完全得到補(bǔ)償所造成的誤差。 如：鉑銠-鉑：0.04mV; 如：鎳鉻-鎳硅：0.16mV;,（4）測(cè)量?jī)x表誤差4:該誤差由儀表精度等級(jí)所決定。如XCZ-101動(dòng)圈測(cè)溫儀表為?,舉例：如若采用鎳鉻-鎳硅熱電偶按圖所示組成測(cè)溫系統(tǒng)。測(cè)量?jī)x表XCZ101的量程為1000，若儀表上顯示被測(cè)溫度為800。且該測(cè)溫系統(tǒng)的誤差。 解：誤差的來源分別為,4.7 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)誤差分析,熱電偶分度誤差1；,補(bǔ)償導(dǎo)線誤差2,冷端補(bǔ)償器誤差3；,測(cè)量?jī)x表誤差4,測(cè)溫系統(tǒng)的最大誤差為：,“熱電偶測(cè)溫”小結(jié)：,熱電效應(yīng)（基本概念）,熱電偶基本定律（結(jié)論 ）,常用熱電偶的材料、特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)（分度號(hào)）,熱電偶的參比

41、端（冷端）溫度補(bǔ)償 （方法、理論基礎(chǔ) ）,熱電偶測(cè)溫回路（典型設(shè)計(jì) ）,熱電偶的校驗(yàn)與分度,熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)誤差分析,5 輻射式溫度計(jì),5 輻射式溫度計(jì),5.1 熱輻射基本定理 5.2 光學(xué)高溫計(jì) 5.3 光電高溫計(jì) 5.4 輻射溫度計(jì) 5.5 比色溫度計(jì),5 非接觸式測(cè)溫,高溫測(cè)量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。 任何物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，都會(huì)以一定波長(zhǎng)電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測(cè)溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。 測(cè)量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，而不必與物體接觸，因此可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并不

42、會(huì)破壞物體的溫度場(chǎng)。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測(cè)物體的實(shí)際溫度，從理論上講，它沒有上限，可以測(cè)量高溫。 非接觸測(cè)溫儀表分類：光學(xué)高溫計(jì)、輻射式溫度計(jì),輻射換熱是三種基本的熱交換形式之一 波長(zhǎng)范圍：10-3m10-8m 在低溫時(shí)，物體輻射能量很小，主要發(fā)射的是紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增加，輻射光譜也向短的方向移動(dòng)，在5000C左右時(shí)。輻射光譜包括了部分可見光；到8000C時(shí)可見光大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果到30000C時(shí)，輻射光譜包括更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。 輻射測(cè)溫的基本原理：觀察灼熱物體表面的“顏色”來大致判斷物體的溫度，這就是,熱輻射的基本概念

43、,1. 熱輻射特點(diǎn) (1) 定義：由熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，以電磁波形式傳遞的能量； (2) 特點(diǎn)：a 任何物體，只要溫度高于0 K，就會(huì)不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；b 可以在真空中傳播；c 伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；d 具有強(qiáng)烈的方向性；e 輻射能與溫度和波長(zhǎng)均有關(guān)；f 發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。,2. 電磁波譜,電磁輻射包含了多種形式，如圖6.5-1所示，而我們所感興趣的，即工業(yè)上有實(shí)際意義的熱輻射區(qū)域一般為0.1100m。 電磁波的傳播速度： c = f 式中：f 頻率，s-1; 波長(zhǎng)，m,電 磁 輻 射 波 譜,圖6-1,(1)熱輻射的重要參數(shù),輻射能Q 以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能

44、，單位為焦耳(J)。 輻射能通量 是輻射能隨時(shí)間的變化率，又稱輻射率： (6.4.1) 其單位是瓦特(W)。 輻射強(qiáng)度I 在給定方向上的立體角單元內(nèi)，離開點(diǎn)輻射源(或輻射源面單元)的輻射功率除以該立體角單元，稱為該方向上的輻射強(qiáng)度，其單位為瓦/球面度(W/sr)。,(1)熱輻射的重要參數(shù),輻射出射度M 離開輻射源表面一點(diǎn)處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱為該點(diǎn)的輻射出射度，即 (6.4.2) 輻射出射度的單位為瓦/米2(W/m2)。 輻射亮度L和光譜輻射亮度 表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射強(qiáng)度，除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為該方向的輻射亮度L。輻射亮度實(shí)際上包括所

45、有波長(zhǎng)的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長(zhǎng)的輻射能量則稱為在此波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度。,(2)輻射能的分配,當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射,吸收率； 透射率； 反射率。,當(dāng)熱輻射投射到物體表面上時(shí)，一般會(huì)發(fā)生三種現(xiàn)象，即吸收、反射和穿透，如圖6.5-2所示。,3. 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和穿透,圖6.2物體對(duì)熱輻射的吸收反射和穿透,對(duì)于大多數(shù)的固體和液體： 對(duì)于不含顆粒的氣體： 對(duì)于黑體： 鏡體或白體：,透明體：,反射又分鏡反射和漫反射兩種,圖6-3 鏡反射,圖6-4 漫反射,物體分類：,黑體（絕對(duì)黑體）： 照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無反射

46、也無透射。 透明體： 照射到物體上的輻射能全部透射過去，既無吸收又無反射。 鏡體、白體： 照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為“鏡體”；若反射無一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對(duì)白體”或者簡(jiǎn)稱為“白體”。,在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的值很小或等于零，而氣體的值較大。對(duì)于一般工程材料來講， 0而+ =1，稱為灰體 從傳熱學(xué)角度看，可以人為制造黑體,(3)基爾霍夫定律,各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體的性質(zhì)無關(guān)，是物體的溫度和發(fā)射波長(zhǎng)的函數(shù),式中：M0(,T), M1(,T), M2(,T) 物體的單色()輻射

47、出射度； 0(,T), 2(,T) , 2(,T) 物體的單色()吸收率。,若物體A0絕對(duì)黑體，那么0(,T) ，根據(jù)基氏定律,物體的輻射出射度和吸收率之比等于絕對(duì)黑體在同樣的溫度下， 相同波長(zhǎng)時(shí)的輻射出射度。這是基氏定律的另一種說法。,設(shè)M(,T)為物體A在波長(zhǎng)為 ，溫度為T下的輻射出射度。,式中，稱為物體A的單色輻射率，或稱為單色黑度系數(shù)。 它表明了在一定的溫度和波長(zhǎng)下，物體A的輻射出射度與 相同溫度和波長(zhǎng)下黑體的輻射出射度之比。 基爾霍夫定律說明，物體的輻射能力與它的吸收能力是相同的,在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長(zhǎng)的輻射 出射度在全波長(zhǎng)內(nèi)的積分,式中，A(T) 物體A在溫度

48、T下的全吸收率， M0(T) 黑體在溫度T下的全輻射出射度。,基氏定律的積分形式為,它表明了在一定的溫度T下，物體A的輻射出射度與相同溫度下 黑體的輻射出射度之比。一般物體的T1， T越接近1, 表明它與黑體的輻射能力越接近。, 普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律) 維恩公式 斯蒂芬波爾茲曼定律 （全輻射強(qiáng)度定律，也稱為四次方定律）,普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律),溫度為T的單位面積元的絕對(duì)黑體，在半球面方向所輻射的波長(zhǎng)為的輻射出射度為,式中，c光速； h普朗克常數(shù)，6.62617610-34Js； k波爾茲曼常數(shù)，1.3806624410-23J/K； C1第一輻射常數(shù)，3.741810-16Wm

49、2； C2第二輻射常數(shù)，1.438810-12mK； T絕對(duì)溫度。,公式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是它對(duì)于低溫與高溫都是適用的,維恩公式,理論上說明了黑體在各種溫度下能量波長(zhǎng)分布的規(guī)律,公式簡(jiǎn)單，但是僅適用于不超過3000K的溫度范圍,黑體的輻射本領(lǐng)是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)， 黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，即,上式就是光學(xué)高溫計(jì)和比色高溫計(jì)測(cè)溫的理論根據(jù),斯蒂芬波爾茲曼定律（全輻射強(qiáng)度定律，四次方定律）,溫度為T的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。,式中，斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，5.6696110-3W/(m2K4)。,上式就是輻射式溫度計(jì)測(cè)溫的

50、理論根據(jù)。 全輻射強(qiáng)度定律是單色輻射強(qiáng)度定律在全波長(zhǎng)內(nèi)積分的結(jié)果。,5.2 光學(xué)高溫計(jì),精密光學(xué)高溫計(jì)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密測(cè)試； 標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)用于量值的傳遞，例如，在物質(zhì)熔點(diǎn)、熱容量和相變點(diǎn)的測(cè)定中使用。 光學(xué)高溫計(jì)可用來測(cè)量80032000C的高溫。 由于采用用肉眼進(jìn)行色度比較，所以測(cè)量誤差與人的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。 光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱為亮度溫度(TL)，被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。,工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)分類,隱絲式 利用調(diào)節(jié)電阻來改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏?，?dāng)燈絲的亮度與被測(cè)物體的亮度一致時(shí)，燈泡的亮度就代表了被測(cè)物體的亮度溫度。 恒定亮度式 利用減光楔來改變被測(cè)物體的亮度

51、，使它與恒定亮度溫度的高溫?zé)襞菹啾容^，當(dāng)兩者亮度相等時(shí)，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測(cè)物體的亮度溫度。由于隱絲式光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。,隱絲式光學(xué)高溫計(jì),光學(xué)系統(tǒng) 紅色濾波片，造成一個(gè)較窄的有效波長(zhǎng) 吸收玻璃，目的是擴(kuò)展量程 目鏡和物鏡是一套光學(xué)系統(tǒng) 電測(cè)系統(tǒng) 包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學(xué)高溫?zé)襞荩簶?biāo)準(zhǔn)輻射源 電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測(cè)量電路 原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。,WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì),1物鏡；2吸收玻璃；3燈泡；4紅色濾波片； 5目鏡；6指示儀器；7滑線電阻； E電源；K開關(guān)；R1刻線調(diào)

52、整電阻,燈絲隱滅式光學(xué)溫度計(jì)（示意圖）,優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)溫范圍廣（7003200），一般可滿足工業(yè)測(cè)溫的準(zhǔn)確度要求。 缺點(diǎn)：人眼觀察，并需用手動(dòng)平衡，因此不能實(shí)現(xiàn)快速 測(cè)量和自動(dòng)記錄，且測(cè)量結(jié)果帶有主觀性。,亮度溫度,為了校正光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低的偏差。 定義：當(dāng)被測(cè)物體為非黑體，在同一波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度同絕對(duì)黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，則黑體的溫度稱為被測(cè)物體在波長(zhǎng)為時(shí)的亮度溫度。,左邊為非黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度,根據(jù)維恩公式有,對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，并加以整理，得,式中，T被測(cè)物體在溫度為，波長(zhǎng)為時(shí)的單色黑度系數(shù)； T被測(cè)物體的真實(shí)溫度； T

53、L被測(cè)物體的亮度溫度。,已知物體的單色黑度系數(shù)，就可以通過亮度溫度 求出物體的真實(shí)溫度。,5.3 光電高溫計(jì),光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來完成亮度平衡工作的，其測(cè)量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差。它不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和記錄，當(dāng)被測(cè)溫度低于8000C時(shí)，光學(xué)高溫計(jì)對(duì)亮度無法進(jìn)行平衡。 光電高溫計(jì)是在光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型測(cè)溫儀表。它采用新型的光電器件，自動(dòng)進(jìn)行平衡，達(dá)到連續(xù)測(cè)量的目的。,主要特點(diǎn)：,采用光敏電阻或者光電池作為感受輻射源的敏感元件來代替人眼的觀察； 采用一參考輻射源與被測(cè)物體進(jìn)行亮度比較，由光敏元件和電子放大器組成鑒別和調(diào)整環(huán)節(jié)，使參考輻射源在選定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的亮度自動(dòng)跟

54、蹤被測(cè)物體的輻射亮度，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)即可得到測(cè)量值； 在平衡式測(cè)量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小，參考輻射源選用鎢絲燈泡，能保持較高的穩(wěn)定性，因此具有較高的精度和連續(xù)測(cè)量的特性； 設(shè)計(jì)了手動(dòng)值修正環(huán)節(jié)，可顯示物體的真實(shí)溫度； 采用新型光敏元件，測(cè)量范圍寬，約為20016000C。,WDL-31型光電高溫計(jì)的工作原理,1物鏡；2同步信號(hào)發(fā)生器；3調(diào)制鏡；4微電機(jī)； 5反光鏡；6聚光鏡；7參比燈；8探測(cè)元件,(1)瞄準(zhǔn)光路,由物鏡對(duì)0.5m處被測(cè)物體調(diào)焦成像在分劃板上。通過目鏡組可清晰地觀察到被測(cè)物體的瞄準(zhǔn)部位,1調(diào)制鏡；2微電機(jī)；3反光鏡；4可變光闌；5聚光鏡組

55、； 6參比燈；7-目鏡組 8、9-保護(hù)窗；10物鏡；11-入射光瞳；12-衰減玻璃；13探測(cè)元件；14-濾光片；15-保護(hù)光闌；16-分劃板；17透鏡玻璃；18-出射光闌；19-保護(hù)玻璃,紅外光硅光電池10,可見光硅光電池8,量程為8002000，精度為0.5,優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，反應(yīng)速度快，測(cè)量范圍寬，可測(cè)目標(biāo)小，測(cè)量溫度更接近真實(shí)溫度。,(2)檢測(cè)光路 物鏡將被測(cè)物體的輻射能量會(huì)聚，經(jīng)過衰減玻璃及與物鏡光軸成450角的調(diào)制鏡的反射，進(jìn)入視場(chǎng)光闌孔中，由探測(cè)元件接收。 (3)參比光路 參比燈輻射的能量經(jīng)聚光燈組會(huì)聚后，通過可變光闌，由反射鏡反射 ，再穿過調(diào)制鏡葉片的空間，進(jìn)入視場(chǎng)光闌孔中，經(jīng)濾波

56、片也由探測(cè)元件接收。 隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)制鏡，對(duì)兩路輻射通量作切換調(diào)制，使其交替被探測(cè)元件接收。 在參比光路中的可變光闌用作黑度系數(shù)的手動(dòng)修正。,儀器的工作光譜范圍由光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)元件決定。 量程范圍在4008000C及以下各量程，采用硫化鉛光敏電阻作探測(cè)元件，并配合鍺濾光片。光譜范圍短限由鍺濾光片確定，長(zhǎng)限由光學(xué)玻璃材質(zhì)的物鏡確定，約在1.82.7。峰值由探測(cè)元件確定，約為2.5。 量程范圍60010000C及以上各量程，采用硅光電池作探測(cè)元件，并配合HB850有色玻璃濾光片。光譜范圍的短限也由濾光片確定，長(zhǎng)限和峰值由探測(cè)元件確定。光譜范圍約在0.81.1，峰值約為0.95，均在紅外線波長(zhǎng)范

57、圍內(nèi)。 儀器的量程范圍用光學(xué)衰減的方式改變。 各種量程都保持參比燈工作電流在某一固定范圍內(nèi)變化，即在量程上限時(shí)工作電流不超過250mA。 對(duì)于低溫量程，將參比燈的輻射能量衰減； 對(duì)于高溫量程，則將被測(cè)輻射能量進(jìn)行衰減。 探測(cè)元件為硫化鉛光敏電阻時(shí)，衰減玻璃選用GRB1隔熱玻璃。探測(cè)元件為硅光電池時(shí)，采用LB6綠色玻璃。,5.4 輻射溫度計(jì),根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來進(jìn)行測(cè)量的。 組成：輻射感溫器和顯示儀表兩部分 可用于測(cè)量40020000C的高溫，多為現(xiàn)場(chǎng)安裝式結(jié)構(gòu)。 為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。輻射高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱為輻

58、射溫度，被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。,熱電堆結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償光闌,(a):1云母基片；2受熱靶面；3熱電耦絲；4引出線 (b):1-補(bǔ)償片；2-雙金屬片,WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu),1物鏡；2外殼；3補(bǔ)償光闌；4座架；5熱電堆；6接線柱； 7穿線套；8蓋；9目鏡；10校正片；11小齒軸,滿足距離系數(shù)：L/D（被測(cè)物與儀表之間的距離與被測(cè)對(duì)象的有效直徑之比）,輻射溫度,對(duì)于輻射式溫度計(jì)，它是以絕對(duì)黑體的輻射能為基準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行分度的，所以儀器測(cè)出的值稱為輻射溫度。 輻射溫度的定義：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能時(shí)，此黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，總輻射能相等，則有：,因?yàn)榉呛隗wT 1，則TFT 因此用輻射溫度計(jì)測(cè)出的溫度要比物體的真實(shí)溫度低。,5.5 比色溫度計(jì),原理：通過測(cè)量熱輻射體在兩個(gè)或兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜輻射亮度之比來測(cè)量溫度。 特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，可觀察小目標(biāo)(最小可到2mm)。 因?yàn)閷?shí)際物體的單色黑度系數(shù)和全輻射黑度系數(shù)的數(shù)值相差很大，但是對(duì)同一物體的不同波長(zhǎng)的單色黑度系數(shù)和來說，其比值的變化卻很小。所以用比色溫度計(jì)測(cè)得的溫度稱為比色溫度，它與物體的真實(shí)溫度很接近，一般可以不進(jìn)行校正