材料加工測(cè)試技術(shù)-04-基本參量的測(cè)量

1、材料加工測(cè)試技術(shù),張占領(lǐng) 河南科技大學(xué)材料學(xué)院,主要講溫度的測(cè)量；介紹流體壓力的測(cè)量、流體流量的測(cè)量。,第四章 基本參量的測(cè)量,4.1.1 溫度和溫標(biāo) 1）溫度：度量物體熱平衡狀態(tài)下冷熱程度的物理量，本質(zhì)是物體內(nèi)部微粒無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能。不能直接測(cè)量，屬于特殊量。 七個(gè)基本物理量：長(zhǎng)度m；質(zhì)量kg；時(shí)間s；電流A；熱力學(xué)溫度K；物質(zhì)的量mol；發(fā)光強(qiáng)度cd（坎德拉，一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為0.5401012Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683瓦特每球面度。0.5401012Hz輻射波長(zhǎng)約為555nm，是人眼感覺最靈敏的波長(zhǎng)。） 2）溫標(biāo)：衡量溫度高低的標(biāo)尺

2、，用某些物質(zhì)的相平衡溫度定義。 一、經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)：攝氏0-100，華氏32-212，列示0R-80R。 二、熱力學(xué)溫標(biāo)：273.16 K對(duì)應(yīng)0 三、國(guó)際溫標(biāo)：代號(hào)T90，單位K，與攝氏溫標(biāo)值基本一致，少用,4.1 溫度的測(cè)量,3）溫標(biāo)的傳遞 計(jì)量體系，計(jì)量局 4）測(cè)溫方法和分類 接觸式：傳導(dǎo)、對(duì)流； 非接觸式：熱輻射。動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，特殊場(chǎng)合，范圍寬；中間介質(zhì)影響，需要修正。,4.1.1 溫度和溫標(biāo),4.1.2 接觸法測(cè)溫 常用的測(cè)溫方法、測(cè)溫范圍，表4-1 一、利用體積變化：溫度轉(zhuǎn)換成非電量，簡(jiǎn)單、方便，人工測(cè)溫。 二、溫度變化轉(zhuǎn)換成電量：電阻、電壓、熱電勢(shì)，應(yīng)用廣泛。 1）熱電阻測(cè)溫 （1）金屬熱

3、電阻測(cè)溫：常用的鉑、銅、鎳，以及低溫測(cè)量通用的銠鐵、鉑鈷，測(cè)溫原理、特性及溫度范圍見第三章。表4-1. 一、按準(zhǔn)確度等級(jí)分類 鉑標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶（低于961.75），工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 鉑熱電阻誤差：A級(jí)(0.15+0.002t)；B級(jí)(0.3+0.005t) 銅熱電阻誤差：(0.3+610-3t) 二、按結(jié)構(gòu)分類 線繞型：有2-4根引出線 鎧裝型：封裝在不銹鋼管內(nèi) 薄膜型：鉑膜，依附在基極上，測(cè)表面溫度,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,主要參數(shù)： 一、百度電阻比：百度電阻比 二、溫度系數(shù)： 三、初始電阻 0時(shí)的電阻R0. 分度號(hào)：與初始電阻阻值相應(yīng)的阻值與

4、溫度關(guān)系的分度表。Cu53（R0=53），Pt100（R0=100） 四、測(cè)量電流：最大值6mA。 五、時(shí)間常數(shù) 反映熱電阻阻值隨溫度變化的慣性，與電阻的體積、保護(hù)套管、被測(cè)對(duì)象對(duì)熱電阻的傳熱情況等有關(guān)。通常工業(yè)用熱電阻的時(shí)間常數(shù)達(dá)幾分鐘，鉑熱電阻的有幾十秒，鎧裝鉑熱電阻的有3-15秒。,4.1.2 接觸法溫度,（2）半導(dǎo)體熱敏電阻測(cè)溫 NTC負(fù)溫度系數(shù)，PTC正溫度系數(shù)，CTR開關(guān)型 一、結(jié)構(gòu)形式：片狀，桿狀，線狀，珠狀，薄膜狀 二、主要參數(shù)：由工藝決定的常數(shù)Bn(p25)，材料常數(shù)Bp(p26)，溫度系數(shù) (NTC熱敏電阻溫度系數(shù)n， PTC溫度系數(shù)p(p26) 標(biāo)稱電阻R25：25時(shí)的熱

5、敏電阻阻值 時(shí)間常數(shù)：反映熱敏電阻隨溫度變化的熱慣性，與比熱C、耗散系數(shù)H有關(guān)。 耗散系數(shù)H：熱敏電阻溫度變化1所耗散的功率，W/。 轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度Tc：PTC、CTR曲線上的拐點(diǎn)溫度。 三、測(cè)溫誤差 基本誤差：與熱電阻材料的純度、成分、工藝、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。 附加誤差：測(cè)量電流使熱電阻升溫；引線電阻隨溫度變化(要求小于Cu電阻R0的0.2%，小于Pt電阻R0的0.12%)。用三線制，四線制。,4.1.2 接觸法溫度,2）PN結(jié)電壓測(cè)溫 （1）原理和特性 電流通過PN結(jié)時(shí)的正向壓降UD與溫度T的關(guān)系： J：正向電流密度；Js：PN結(jié)反向飽和電流密度；k：波爾茲曼常數(shù)；q：電子電荷。 (4-3) ：Js

6、一定時(shí)，保持J不變，則 ，即UD與T呈線性關(guān)系。,4.1.2 接觸法溫度,（2）類型 一、單晶體管溫度傳感器 利用三極管基極b和射極e間PN結(jié)電壓Ube和溫度T的關(guān)系來測(cè)溫。 （4-5） C為常數(shù)p117 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，功耗小，響應(yīng)快；靈敏度不穩(wěn)定，失調(diào)電壓大(為使運(yùn)算放大器輸出端為0V或接近0V所需加于兩輸入端間的補(bǔ)償電壓)，互換性差，穩(wěn)定性不佳。 二、集成溫度傳感器 感受溫度的晶體管、放大電路、電源、線性化電路等制作在同一芯片上。 特點(diǎn)：靈敏度高，靈敏度與偏置電流無關(guān)，抗干擾；但成本高。,4.1.2 接觸法溫度,3）熱電偶測(cè)溫 利用“熱電偶的熱電勢(shì)”與“兩結(jié)點(diǎn)的溫度”之間的關(guān)系來

7、測(cè)溫。 特點(diǎn)： 一、測(cè)溫精度高，測(cè)溫范圍寬（4 3000K）； 二、熱電勢(shì)-溫度特性穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好； 三、質(zhì)量小，熱容量小，時(shí)間常數(shù)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快； 四、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維修； 五、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量和溫度控制。 （1）熱電偶材料 任何兩種材料的熱電極都可以配成熱電偶。但要滿足熱電性能好、測(cè)量靈敏度高、物理性質(zhì)良好、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、測(cè)溫范圍寬及機(jī)械加工性能好等條件，很難。 常用的材料有銅、鐵、鉑、鉑銠合金和鎳鉻合金等。,4.1.2 接觸法溫度,（2）熱電偶的類型 一、標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 生產(chǎn)工藝成熟，能成批生產(chǎn)，性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表，并已列入國(guó)際專業(yè)標(biāo)難中的熱電偶。 國(guó)際電工

8、委員會(huì)(IEC)制定的熱電偶標(biāo)準(zhǔn)包括熱電偶的分度表、分度公式和熱電勢(shì)對(duì)其分度表的允許偏差。 8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的型號(hào)標(biāo)志：S、R、B、K、N、E、J、T。 又稱字母標(biāo)志熱電偶。 熱電偶分級(jí)和允許偏差：表4-2 標(biāo)難化熱電偶的主要性能特點(diǎn)：表4-3，p118。 二、非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 為了測(cè)量更高的溫度，或?yàn)榱烁纳品€(wěn)定性等要求，人們不斷地研制新型熱電偶。未標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶及其主要特點(diǎn)見表4-4，p120.,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)自身結(jié)構(gòu)分：裝配式、鎧裝式、消耗式、薄膜式等； 根據(jù)用途分：表面式，快速式，多點(diǎn)式，測(cè)量氣體用熱電偶等。 一、裝配式熱電偶：又

9、稱普通工業(yè)用熱電偶。 要求：兩電極間電氣絕緣，熱電極不受有害物質(zhì)侵蝕，熱接觸良好，便于安裝。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,只要兩個(gè)熱電極有電氣接觸即可測(cè)量。,4.1.2 接觸法溫度,二、鎧裝式熱電偶 由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者組合加工而成的一條電纜式的整體線材。 特點(diǎn)：時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快；體積小，熱容量小，能夠較準(zhǔn)確地測(cè)量小物體的溫度；可繞性好，易彎曲，機(jī)械性能好，在低溫、高溫、腐蝕性強(qiáng)等惡劣條件下均能安全使用；壽命長(zhǎng)，若測(cè)量端損壞，可截去損壞部分，重新焊接后繼續(xù)使用。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,三、消耗式熱電偶 微型快速熱電偶，用于測(cè)定熔融

10、鋼水、鐵水和其他熔融金屬溫度的快速熱電偶。特點(diǎn)：熱電偶元件很小，熱電極的長(zhǎng)度僅為25 40mm，直徑為0.05 0.1mm，裝在外徑為3mm的U形石英管內(nèi)。,4.1.2 接觸法溫度,四、薄膜式熱電偶 測(cè)溫元件是采用真空鍍膜或化學(xué)涂覆等方式制成的厚0.01 0.1 m的薄膜。 這種薄膜熱電偶測(cè)溫，對(duì)傳熱面熱流與流體的影響小，響應(yīng)速度極快，時(shí)間常數(shù)為s ms級(jí)。測(cè)溫范圍為 -200 300。有片狀、針狀和薄膜狀3種結(jié)構(gòu)。,4.1.2 接觸法溫度,（4）熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償 熱電偶的分度表和根據(jù)分度表刻度的溫度儀表是以冷端溫度為0建立的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系。實(shí)際使用中，冷端往往不是0,甚至不是定值。因

11、此，必須采取修正或補(bǔ)償措施。 一、冷端恒溫法 0恒溫法：熱電偶的冷端置于 冰水混合物中。 非0恒溫法：熱電偶的冷端置于 熱容量較大的恒溫容器中。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,二、冷端溫度校正法 根據(jù)熱電偶中間溫度定則： 二次查表法：從分度表中查出 ,與 相加； 二次查分度表求得測(cè)量端溫度T. 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法：大部分熱電偶的熱電特性是非線性的，直接查表修正溫度有偏差。需用經(jīng)驗(yàn)公式修正：T=Ts+KTn，Tn：冷端溫度 ；Ts：Tn下儀表指示溫度。 補(bǔ)償導(dǎo)線法：當(dāng)熱電偶的冷端與熱端距離較近時(shí)，冷端溫度受熱端影響而變化較大，需延伸熱電極至恒溫環(huán)境中。但熱電極材料甚貴，需尋找在低溫范圍

12、熱電特性與熱電偶相同而廉價(jià)的金屬來替代熱電偶延伸熱電極。此“熱電極對(duì)”叫熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(補(bǔ)償型C)。測(cè)量時(shí)還需對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約貴金屬熱電偶，降低成本；缺點(diǎn)：增加補(bǔ)償誤差。常用補(bǔ)償導(dǎo)線表4-5 注意：補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶匹配；連接時(shí)注意極性，切勿接反；接點(diǎn)溫度相同。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,三、自動(dòng)補(bǔ)償法 在熱電偶測(cè)量回路中串入一個(gè) 裝置，它產(chǎn)生的電勢(shì)隨Tn的變化 正好為 。 電橋補(bǔ)償法： RT是溫度系數(shù)較大的銅電阻 （通常設(shè)計(jì)，20時(shí)電橋平衡） 補(bǔ)償熱電偶法：正向串接和反響串接效果相同（作業(yè)）,4.1.2 接觸法溫度,半導(dǎo)體集成溫度傳感器補(bǔ)償法： AD590

13、電流型集成溫度傳感器,4.1.2 接觸法溫度,（5）熱電偶測(cè)溫電路 熱電偶測(cè)溫的基本測(cè)溫電路組成：熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、普通導(dǎo)線和直流電測(cè)儀表。 基本測(cè)溫電路,(a) 雙表測(cè)量電路,(b) 兩個(gè)儀表顯示同一溫度， 現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)，控制室一個(gè)。 要求：儀表內(nèi)阻要大， 電路中電流近似為零。,4.1.2 接觸法溫度,7,多支熱電偶共用一臺(tái)顯示儀表,圖(c) 通過切換開關(guān)輪流顯示。共用冷端補(bǔ)償。,4.1.2 接觸法溫度,具體應(yīng)用： 一、串聯(lián)測(cè)溫電路圖4-10(a) 將多支型號(hào)相同熱電偶依次按正負(fù)極相連接。 特點(diǎn)：熱電勢(shì)大，準(zhǔn)確度高，可檢測(cè)微小的溫度變化。儀表需單獨(dú)分度。 注意：各熱電偶應(yīng)有一致的參考端溫度。,4

14、.1.2 接觸法溫度,二、并聯(lián)測(cè)溫電路圖4-10(b) 多支型號(hào)相同的熱電偶正極與正極、負(fù)極與負(fù)極分別連接。 若各熱電偶的電阻平均值相近，則輸出總熱電勢(shì)等于熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的平均值。 特點(diǎn)：熱電勢(shì)小，但相對(duì)誤差 也小，僅為單支熱電偶 ； 當(dāng)部分熱電偶發(fā)生斷路時(shí)，不影 響整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的工作；適用于 測(cè)平均溫度。 注意：溫度差別較大時(shí)，每支 熱電偶回路需加限流電阻，以防 熱電偶間互相短路。,4.1.2 接觸法溫度,三、溫差測(cè)量電路圖4-10(c) 將兩支同型號(hào)的熱電偶反向串聯(lián)：把兩支熱電偶的兩個(gè)同極連接在一起，另兩個(gè)同極接測(cè)量?jī)x表。 注意：大部分熱電偶的熱電勢(shì)與溫度之間不是 線性關(guān)系，因此E不直接

15、反映溫差，若想求得溫 差，還需用第三支熱電偶測(cè)量出T1或T2。 應(yīng)用：常用于差熱分析技術(shù)中測(cè)量物質(zhì)的相變 溫度。,4.1.2 接觸法溫度,（6）熱電偶的測(cè)量誤差 誤差來源：熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、冷端處理裝置、測(cè)量?jī)x表等。 一、熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的主要誤差 分度誤差：熱電偶實(shí)際熱電特性與標(biāo)準(zhǔn)分度表之間的偏差F. 附加誤差：使用環(huán)境影響造成的誤差A(yù)如沾污使熱電勢(shì)變化，氧化還原使穩(wěn)定性變差，高溫、放射使材料揮發(fā)、元素蛻變，材料絕緣性能下降造成漏電、分流熱電勢(shì)的輸出等。 冷端溫度補(bǔ)償誤差：補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電特性和測(cè)量熱電偶的不完全一致，產(chǎn)生補(bǔ)償導(dǎo)線誤差T；自動(dòng)補(bǔ)償法中的各種補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的補(bǔ)償電勢(shì)與熱電偶的冷端溫度

16、變化值之間偏差C。 測(cè)量?jī)x表誤差：各種測(cè)量?jī)x表精度等級(jí)不同，誤差D 接線誤差：熱電偶接入測(cè)量?jī)x表后就有電流輸出，引線電阻Re的壓降使儀表的測(cè)出值存在著誤差L 二、熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的誤差估計(jì) 系統(tǒng)誤差：,4.1.2 接觸法溫度,三、熱電偶的動(dòng)態(tài)誤差及時(shí)間常數(shù) 熱電偶測(cè)量端的熱慣性以及與被測(cè)物體間的傳熱速率有限，導(dǎo)致熱電偶工作端與被測(cè)物體達(dá)到同一溫度的時(shí)間不一致；溫度變化快時(shí)，測(cè)出值跟不上被測(cè)物體的溫度變化。這種誤差稱為動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差。 動(dòng)態(tài)誤差 (T為測(cè)得溫度)取決于熱電偶的時(shí)間常數(shù)和測(cè)量端溫度隨時(shí)間的變化率dT/dt： (4-9) 時(shí)間常數(shù)：反映測(cè)溫敏感元件傳熱特性的一個(gè)重要參數(shù)，其大小影響測(cè)溫元

17、件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 (4-10) 式中：c、V為熱電偶測(cè)量端的比熱、密度、體積；、A0為對(duì)流換熱系數(shù)和表面積。 減小熱電偶時(shí)間常數(shù)的措施：減小測(cè)量端接點(diǎn)的體積，增強(qiáng)傳熱：c、V、A0；減小套管的壁厚、內(nèi)徑，增大導(dǎo)熱，減小空氣間隙。,4.1.2 接觸法溫度,4.1.2 接觸法溫度,輻射測(cè)溫原理：處于絕對(duì)溫度0K以上的物體都對(duì)外輻射電磁波。物體的熱輻射能量Q、輻射波長(zhǎng)與其溫度T有關(guān)。 1）輻射測(cè)溫的物理基礎(chǔ) 一、基爾霍夫定律 基爾霍夫定律：任何物體的輻射能力與其吸收率之比是一個(gè)波長(zhǎng)和溫度的普適函數(shù)。（4-11） 基爾霍夫定律的積分形式： (4-15) T：全發(fā)射率(比輻射率,黑度,黑度系數(shù))；A(

18、T)：全吸收率。 單色輻射： （4-16）,4.1.3 輻射測(cè)溫,二、黑體輻射定律 普朗克定律、斯蒂芬-玻耳茲曼定律和位移定律。 普朗克定律：在半球面方向所有輻射： (4-17) h為普朗克數(shù)，6.62617610-3Js T較小時(shí)， （4-18） 維恩位移定律：隨溫度升高，發(fā)射能量最大的那個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度向短的方向移動(dòng)。對(duì)式(4-17)求導(dǎo)： 令 ，得 （4-19） -200 3000：主要范圍0.75 40m。 在紅外輻射區(qū)，這是紅外技術(shù)用于測(cè)溫的重要原因。,4.1.3 輻射測(cè)溫,斯蒂芬玻耳茲曼定律(全輻射定律、四次方定律) 絕對(duì)黑體：絕對(duì)黑體每單位面積向半球方向發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射與T的四次

19、方成正比。 （4-20） 斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)=5.669710-8W/(m2K4) 灰體： （4-21） 2）輻射式測(cè)溫方法和溫度計(jì) 按檢測(cè)被測(cè)物體所輻射的能量不同分成： 全輻射測(cè)溫法接收全部波長(zhǎng)輻射的能量； 亮度測(cè)溫法僅接收其中某一波長(zhǎng)輻射的能量； 比色測(cè)溫法檢測(cè)其中某兩個(gè)波長(zhǎng)所輻射能量之比。,4.1.3 輻射測(cè)溫,圖4-12 輻射式溫度計(jì)的基本結(jié)構(gòu) （1）全輻射法 一、工作原理 將一個(gè)黑體(工業(yè)黑體模型)加熱至TF，使其產(chǎn)生的輻射M0(TF)與被測(cè)物體溫度T時(shí)的輻射M(T)一樣，則： （4-22） 關(guān)鍵：實(shí)現(xiàn)求得T。T越小，校正量越大。,4.1.3 輻射測(cè)溫,二、全輻射高溫計(jì) 聚焦輻射能

20、量的光學(xué)系統(tǒng)有透射式和反射式兩種。 將輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的探測(cè)器有熱電偶(或熱電堆)、熱敏電阻和熱釋電元件。 顯示儀表有自動(dòng)平衡式、動(dòng)圈式和數(shù)字式。 物鏡l 將被測(cè)溫的輻射 集中投射到熱電堆3 的測(cè) 量端6 上，由此變換成熱 電勢(shì)輸出。 測(cè)溫范圍： 適合測(cè)量700 1000， 最低400。,4.1.3 輻射測(cè)溫,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；輸出是電信號(hào)，便于自動(dòng)測(cè)溫和控溫應(yīng)用，常用于生產(chǎn)過程中在線檢測(cè)。 注意：測(cè)量距離，中間介質(zhì)的影響，環(huán)境溫度的影響，全發(fā)射率T. 應(yīng)用：箱式爐溫度測(cè)量 工件表面溫度測(cè)量 高溫鹽浴爐溫度測(cè)量,4.1.3 輻射測(cè)溫,（2）亮度法(單色輻射法)測(cè)溫及光學(xué)高溫計(jì) 一、

21、工作原理 只接受被測(cè)體的某一波長(zhǎng)輻射能，與黑體比對(duì)，據(jù)此來測(cè)溫度 。 （4-23） 二、亮度高溫計(jì) 根據(jù)亮度比較辦法的不同分為： 燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì),4.1.3 輻射測(cè)溫,恒定亮度光學(xué)高溫計(jì)：燈絲電流恒定，亮度不變，吸收玻璃顏色逐漸變深，吸收率隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度改變，調(diào)整玻璃角度，使被物鏡引入的亮度與燈絲亮度一致，吸收玻璃的角度反映被測(cè)溫度。 光電高溫計(jì)：將被測(cè)溫的輻射能由檢測(cè)變換器中的光敏元件變換成電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)放大后(直流或交流放大)作溫度顯示(直接式)或作反饋信號(hào)完成平衡調(diào)節(jié)(平衡式)。(幾百至兩三千度),4.1.3 輻射測(cè)溫,（3）比色法、比色溫度Ts及比色溫度計(jì) 一、原理：利用被測(cè)物兩

22、個(gè)波長(zhǎng)1、2輻射能之比來反映溫度。 根據(jù)維恩公式，兩個(gè)特定波長(zhǎng)1、2上的輻射之比R： （4-24） 當(dāng)1、2一定時(shí)，比值R是被測(cè)溫度T的函數(shù)。 注意：顯示儀表的指示用絕對(duì)黑體標(biāo)定。被測(cè)體非黑體時(shí)，儀表指示的溫度Ts并不是被測(cè)體的真實(shí)溫度，而是說明此時(shí)被測(cè)體在波長(zhǎng)1、2的單色輻射能量之比R和溫度為Ts的絕對(duì)黑體在同樣波長(zhǎng)1、2的單色輻射能量之比值相等。Ts定義為被測(cè)物體的比色溫度。需修正： （4-26）,4.1.3 輻射測(cè)溫,二、比色高溫計(jì) 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴，受 變化及中間介質(zhì)吸收影響小，溫度校正量很小。 工作原理：光線經(jīng)分光鏡3分成兩路，多空盤5 使兩路光交替通過，顯示儀表12 得到兩

23、路光輻射的M1(1,T)和M2(2,T)的比值R，從而得到溫度T。,4.1.3 輻射測(cè)溫,3）三種測(cè)溫法的比較 輻射法：測(cè)量簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，相對(duì)靈敏度與被測(cè)溫度輻射波長(zhǎng)無關(guān)，受T和被測(cè)體與高溫計(jì)之間的吸收介質(zhì)影響較大，測(cè)量距離小。 亮度法：相對(duì)靈敏度與被測(cè)溫度和所選定的波長(zhǎng)成反比，相對(duì)誤差與、TL成正比，受 影響小，誤差中等。 比色法：相對(duì)靈敏度與被測(cè)溫度T成反比，與1、2的倒數(shù)之差成正比，誤差受影響小，且受被測(cè)物與儀表之間的中間介質(zhì)波動(dòng)影響亦小。,4.1.3 輻射測(cè)溫,4）紅外輻射測(cè)溫 以往限于技術(shù)條件，測(cè)溫范圍限于700以上。 由于透光材料通常對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光有吸收，因此紅外測(cè)溫技術(shù)較

24、多采用反射系統(tǒng)。 大氣對(duì)波長(zhǎng)1.8 2.8m、3.0 5.5m、8 14m三個(gè)波段具有良好的透射率(俗稱3個(gè)“大氣窗口”)，而這三個(gè)波段正好處于紅外波段內(nèi)，這對(duì)紅外測(cè)溫的應(yīng)用十分有利。,4.1.3 輻射測(cè)溫,流體形狀隨容器變化，在外力作用下內(nèi)部發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在材料科學(xué)與工程的生產(chǎn)過程與科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要檢測(cè)流體的壓力、流速和流量等主要參數(shù)。特別是流體壓力的測(cè)量與控制。 4.2.1 流體壓力和壓力測(cè)量單位 1）壓力的概念 工程技術(shù)中流體壓力的概念在物理學(xué)中定義為壓強(qiáng)。 2）壓力的表示方法 一、絕對(duì)壓力 以絕對(duì)零壓為參考零點(diǎn)表示的壓力，通常用符號(hào)p表示。 二、表壓力 以當(dāng)前大氣壓力p0為參考零點(diǎn)

25、表示的壓力，通常用符號(hào)pe表示。 材料工程測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域中，除特別指出外，均使用表壓力pe。 pe0時(shí)，稱之為正壓；pe0時(shí)，稱之為負(fù)壓。 常用真空度pv表示負(fù)壓的大?。?4.2 流體壓力的測(cè)量,3）壓力的測(cè)量單位 國(guó)際單位：帕，1 Pal N/m2 各種壓力單位之間的換算關(guān)系：,4.2 流體壓力的測(cè)量,4.2.2 常見的壓力測(cè)量方法與壓力表的分類 壓力測(cè)量可以轉(zhuǎn)變?yōu)樽饔迷谝阎娣e上力的測(cè)量。壓力測(cè)量的范圍很寬，場(chǎng)合各異，測(cè)量方法豐富、測(cè)量?jī)x表種類繁多。 1）按測(cè)量范圍分類 壓力表 超高壓6108Pa；高壓1076108Pa；低壓105107Pa；微壓0105Pa 真空壓力表 粗真空103105

26、Pa；低真空10-1103Pa；高真空10-610-1Pa；超高真空10-1010-6Pa；極高真空10-10Pa。 2）按應(yīng)用場(chǎng)合分類 工業(yè)用，實(shí)驗(yàn)室用，壓力標(biāo)準(zhǔn)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)。,4.2 流體壓力的測(cè)量,3）按測(cè)壓方法和儀表工作原理分類 （1）液柱平衡式：液柱產(chǎn)生的壓力(液柱式)或液柱傳遞的壓力(活塞式)與被測(cè)壓力平衡。 （2）機(jī)械力平衡式：被測(cè)壓力通過膜片等彈性元件集中成作用力，與儀表提供的氣動(dòng)力或電磁力產(chǎn)生的機(jī)械力達(dá)到平衡，此時(shí)產(chǎn)生電磁力的電流大小，或產(chǎn)生氣動(dòng)力的氣壓大小反映被測(cè)壓力。 （3）彈性力平衡式：彈性元件(彈簧管、膜片、膜盒等)在被測(cè)壓力作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生的彈性力與被測(cè)壓力

27、平衡。彈性元件的變形量反映被測(cè)壓力。 一、機(jī)械彈性式壓力計(jì)：將彈性元件的變形量通過齒輪、杠桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)放大后測(cè)量。 二、電測(cè)式壓力計(jì)：將彈性元件的變形量轉(zhuǎn)換為電量后測(cè)量。 常用變換方法：電阻式(應(yīng)變式與電位器式)，電感式，電容式，電磁式，霍爾式，壓電式。,4.2 流體壓力的測(cè)量,（4）用于真空測(cè)量的熱導(dǎo)式真空計(jì)與電離式真空計(jì) 熱導(dǎo)式真空計(jì)：氣體壓力降低，其導(dǎo)熱性能變差。 電離式真空計(jì)：稀薄氣體被電離時(shí)產(chǎn)生的離子數(shù)量與氣體壓力有關(guān)。 （5）用于超高壓(6108Pa)測(cè)量的壓阻式壓力計(jì) 利用金屬或合金的壓阻效應(yīng)，將被測(cè)壓力變換成相應(yīng)的電阻值。,4.2 流體壓力的測(cè)量,4.2.3 常用的壓力測(cè)量?jī)x表

28、 1）液柱式壓力計(jì) U形管壓力計(jì)；單管壓力計(jì)；傾斜管微壓計(jì)： 影響因素：環(huán)境溫度，重力加速度的變化。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直觀，測(cè)量范圍較窄，耐壓能力差，毛細(xì)作用有影響。,4.2 流體壓力的測(cè)量,2）活塞式壓力計(jì) 影響因素：重力加速度變化，摩擦力，粘滯力。 特點(diǎn)：計(jì)量范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好，可測(cè)量正壓、負(fù)壓及絕對(duì)壓力。 應(yīng)用：用作壓力基準(zhǔn)器。精密測(cè)壓，儀表準(zhǔn)確度可達(dá)0.02級(jí)。,4.2 流體壓力的測(cè)量,3）彈性式壓力計(jì) 被測(cè)壓力作用彈性元件形變機(jī)械機(jī)構(gòu)或電測(cè)方法檢出并放大位移量顯示 （1）機(jī)械彈性式壓力計(jì) 常用的彈性元件結(jié)構(gòu)，彈簧管，螺旋管，膜片，膜盒，波紋管。 一、彈簧管

29、壓力計(jì) 應(yīng)用最為廣泛，測(cè)量范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，線性度高。 二、膜片式壓力計(jì) 簡(jiǎn)單牢固， 便宜, 非線性較大， 準(zhǔn)確度中等， 動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。,4.2 流體壓力的測(cè)量,（2）電測(cè)式壓力儀表 自學(xué)p141-142 被測(cè)壓力電信號(hào)，壓力信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送。 壓力計(jì)組成：壓力傳感器、測(cè)量電路、信號(hào)處理裝置。 信號(hào)處理裝置：指示器，記錄儀，甚至有控制器、微處理器等。 分兩類：一種是采用由彈性元件變形造成電路參數(shù)變化，如電位器式、電感式、電容式等；另一種是應(yīng)用某些物理效應(yīng)將被測(cè)壓力直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如應(yīng)變式、壓電式、霍爾式、諧振式等。 傳感器的工作原理已在第三章介紹。 一、電阻、電感壓力計(jì) p141-14

30、2 二、電容式壓力計(jì) 三、壓電式壓力汁 四、霍爾式壓力計(jì) 五、應(yīng)變式壓力計(jì),4.2 流體壓力的測(cè)量,4.2.4 真空的測(cè)量 真空一般以絕對(duì)壓力來表示。常用真空計(jì)測(cè)量范圍，表4-9。 特點(diǎn)：范圍很寬，測(cè)量難度較大，測(cè)量準(zhǔn)確度不高(10%20%)。 絕對(duì)真空計(jì)：直接測(cè)量壓力的高低，如壓縮式真空計(jì)。 相對(duì)真空計(jì)：測(cè)與系統(tǒng)壓力有關(guān)的物理量，再通過比較的方法獲得壓力值，如熱導(dǎo)式真空計(jì)、電離式真空計(jì)。 1）壓縮式真空計(jì) 又稱麥?zhǔn)险婵沼?jì)，測(cè)量范圍103 10-3Pa。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度較高（5%），可作為基準(zhǔn)儀器。 工作原理：將一定體積的被測(cè)氣體壓縮，使氣體絕對(duì)壓力增大到可以用液柱法測(cè)量的程度，再根據(jù)

31、壓縮比算出被測(cè)氣體壓力。 圖4-24，被測(cè)壓力p與壓差h成正比。 特點(diǎn)：裝置簡(jiǎn)單易造，準(zhǔn)確度較高，屬絕對(duì)測(cè)量，可作為基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)儀器。,4.2 流體壓力的測(cè)量,4.2 流體壓力的測(cè)量,4.2 流體壓力的測(cè)量,P1,V1,初始P,V,2）熱導(dǎo)式真空計(jì) 原理：絕對(duì)壓力較低時(shí)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與其壓力成正比。測(cè)得被測(cè)氣體的導(dǎo)熱能力，即可間接測(cè)量其真空度。 通電加熱的電阻元件(熱絲)在相同功率下加熱，熱絲自身溫度隨氣壓降低而上升，熱絲溫度與被測(cè)氣體壓力之間存在定量關(guān)系。 測(cè)壓范圍：10-1104Pa. 一、電阻真空計(jì) 圖4-25a 氣體壓力變化熱導(dǎo)率變化同功率加熱，電阻絲溫度變化電阻變化。用電阻溫度系數(shù)較

32、大的電阻絲，常用鉑絲。 二、熱偶式真空計(jì) 圖4-25b 氣體壓力變化熱導(dǎo)率變化同功率加熱，電阻絲溫度變化熱電偶測(cè)溫。,4.2 流體壓力的測(cè)量,4.2 流體壓力的測(cè)量,3）電離真空計(jì) 原理：高速粒子通過稀薄氣體時(shí)碰撞氣體分子使之電離，壓力較低(10-1Pa)時(shí)，離子數(shù)與氣體壓力成一定關(guān)系。收集、檢測(cè)離子電流即可獲知被測(cè)氣體壓力。根據(jù)氣體電離源的不同分為三類： 一、熱陰極電離真空計(jì)：熱陰極發(fā)射電子使氣體分子電離； 二、冷陰極電離真空計(jì)：場(chǎng)致發(fā)射、光致發(fā)射或次級(jí)發(fā)射的電子使氣體電離； 三、放射性電離真空計(jì)：放射性同位素輻射的高能粒子使氣體分子電離。 熱、冷陰極電離真空計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)：可以測(cè)量氣體極低的

33、絕對(duì)壓力(10-6Pa)，靈敏度高，線性度好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果與氣體成分有關(guān)。 放射性電離真空計(jì)沒有陰極，不會(huì)被燒毀，靈敏度較低，絕對(duì)壓力較低時(shí)產(chǎn)生的離子流很弱，適合絕對(duì)壓力較高的真空測(cè)量。,4.2 流體壓力的測(cè)量,熱陰極電離真空計(jì)規(guī)管，類似一支三極管。由筒狀板極(離子收集極)C，柵極網(wǎng)G和位于柵極網(wǎng)中心的陰極燈絲F構(gòu)成，筒狀板極在陽極柵網(wǎng)外面。柵極電位在+100+300V之間，板極的電位在0-50V之間。,4.2.5 壓力測(cè)量?jī)x表的選用 壓力計(jì)選用考慮： 1）儀表類型的選用 一、測(cè)壓要求：測(cè)壓范圍，準(zhǔn)確度，自動(dòng)記錄，距離，報(bào)警等。 二、被測(cè)介質(zhì)：介質(zhì)的物性及狀態(tài)(氣、液)，腐蝕性，

34、濕度，粘度，清潔，脈動(dòng)。 三、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境：震動(dòng)，溫度，電磁場(chǎng)，濕度，防爆等。 四、安裝、使用及維護(hù)的條件：各種壓力計(jì)都有各自的特點(diǎn)。 2）儀表測(cè)量范圍的確定 儀表按規(guī)定的準(zhǔn)確度對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的范圍，也就是儀表的量程。測(cè)量穩(wěn)定壓力時(shí)，最大工作壓力一般不超過量程的2/3；被測(cè)壓力的最小值不低于量程的1/3. 3）儀表準(zhǔn)確度等級(jí)的選取 在滿足測(cè)量誤差要求的基礎(chǔ)上，追求較高的性能價(jià)格比。,4.2 流體壓力的測(cè)量,4.3.1 流體流量和測(cè)量單位 一、流量：物料傳輸?shù)乃俾?，即單位時(shí)間內(nèi)通過管路(或明渠)有效截面的物料量。總量流量：一段時(shí)間內(nèi)的總流量。 測(cè)流量的叫流量計(jì)；測(cè)總量流量的叫計(jì)量表。 二、流量測(cè)量

35、單位 體積流量：m3/s，m3/h；質(zhì)量流量：kg/s，kg/h。 三、流量測(cè)量的特點(diǎn) 特點(diǎn)：準(zhǔn)確度較低，流量計(jì)通用性較差，單位量值的傳遞、儀器檢定較為困難。原因： 流體性質(zhì)多樣：?jiǎn)蜗喽嘞?粘度,溫度,壓力,壓縮,相變,清潔,腐蝕. 管路系統(tǒng)多樣性：管道截面的大小與形狀、內(nèi)壁的粗糙度、彎曲程度等。 流動(dòng)狀態(tài)多樣性：層流或紊流，旋轉(zhuǎn)流或脈動(dòng)流，明渠流動(dòng)等。 使用條件與安裝要求：若不能滿足使用和安裝要求，也會(huì)給測(cè)量造成較大誤差。,4.3 流體流量測(cè)量,4.3.2 流體流量的測(cè)量方法和流量?jī)x表分類 1）流體流量的測(cè)量方法 基本方法：檢測(cè)流體流動(dòng)中自身參數(shù)，如流速、動(dòng)量，及流動(dòng)中造成的相應(yīng)效應(yīng)，得到與

36、流量相關(guān)的信息。 （1）容積法 測(cè)流體在一段時(shí)間內(nèi)的總流量，計(jì)算出流量?？偭髁靠捎迷O(shè)定的體積量具表征。 （2）流速法 體積流量qv與其平均流速 ，測(cè)量流速，流速式； 或測(cè)與流速相關(guān)的物理現(xiàn)象的變化，流量計(jì)：差壓式，阻力式，振動(dòng)式等。,4.3 流體流量測(cè)量,2）流量?jī)x表的分類 按用途分為計(jì)量表和流量計(jì)。 （1）計(jì)量表 測(cè)流體總量：腰輪流量計(jì)，橢圓齒輪流量計(jì)，刮板流量計(jì)，葉輪式流量計(jì)等。 （2）流量計(jì) 通過測(cè)流速、壓差、阻力、振動(dòng)等測(cè)流量：流速式，差壓式，阻力式，振動(dòng)式。 一、流速式流量計(jì) 種類：超聲流量計(jì)，電磁流量計(jì)，以及： 渦輪流量計(jì)：流體推動(dòng)禍輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪的轉(zhuǎn)速反映流體流量。 標(biāo)志法測(cè)速流量計(jì)：在流體中設(shè)置標(biāo)志物(或標(biāo)志部位)，測(cè)標(biāo)志物的速度。 熱線風(fēng)速計(jì)和熱量流量計(jì)：測(cè)流體對(duì)發(fā)熱線的冷卻效果；或流體對(duì)元件的加熱。 皮托管式流量計(jì)：,4.3 流體流量測(cè)量,二、差壓式流量計(jì) 文丘利管：通道截面變化靜壓變化壓差值與流量有關(guān)。 三、流體阻力式流量計(jì) 轉(zhuǎn)子流量計(jì)，沖擊式流量計(jì)，靶式流量計(jì)。