内燃机测试_5

四、测温元件的安装与温度测量误差 (一)测温元件受热与发热的基本情况 测温元件接受的热量基本上来自两个方面：一是被测介质传给测温 元件的热量，包括介质对测温元件的导热、辐射和对流换热；二是由于 测温元件阻挡了流动介质而在测温元件附近发生气流绝热压缩，因而使 流体的动能转变为热能，这种现象在测量高速气流的温度时应当给予足 够重视。 测温元件的散热途径基本上有两种：一种是由测温元件向周围冷 壁的辐射散热和传热，一种是沿着测温元件向外部介质的传导散热 (包括测温元件撂在外部介质中的部分辐射散热)。后者在静态或中低 速流动介质中测量时引起误差较大。
焊接铂铑－铂热电偶时，为避免热电极的渗碳作用，可采用两极电极 均为磨成圆锥状尖头的碳棒，把被焊铂铑－铂热电偶接点置于电弧之中， 调整两根碳棒之间的间隙，回路电流为5～10A，便可获得适当的电弧。 2．氧乙炔焊接法
氧乙炔焊接法就是把被焊热电偶的接点置于氧乙炔火焰中焊接而成。
(二)热电偶的分度 自制热电偶应由标准热电偶标定后才可使用。标准热电偶的分度是根 据热电动势E与温度t的对应关系决定的，可用下式表示（一元多项式拟和）
(二)测温元件的安装
1．测温元件安装的基本要求
随着测温元件插入深度的增加，测量误差减少。为此，插入深度应符 合国家有关试验规范或出厂使用说明的要求。如不用保护管时，热电偶插 入深度不应小于热电偶丝直径的50倍。
测定液体温度时，插入深度应是保护管直径的9～12倍。 在直径小的管道上安装测温元件时，可装置扩大管(图5-18)。
5 tC t F 32 9
或
9 t F tC 32 5
开尔文(Kelvin)根据卡诺(Carnor)循环工作的热机中，工质在温度T1， 时吸收热量Q1在温度T2时放出热量Q2,则有
T2 Q2 T1 Q1
上式建立了只用一个温度为基点而能确定其他温度的热力学温标。由 于卡诺循环是理想化的，因此热力学温标的实施实际上是通过理想气体的 关系式
2 铠装热电偶 铠装热电偶是将热电偶与保护管制成一体式 的结构，并可制成双芯或单芯。保护管与热 电圾之间的绝缘是用氧化镁、三氧化二铝或 氧化铍等填料。图5-5表示其断画图。它的工 作端型式根据需要也可以做成露头型、接地 型、绝缘型。由于缆式热电偶具有外径尺寸 小(0.25～ 12mm)并可以任意弯曲、可以根 据需要取其长度、时滞时间短、耐振等优点， 因此有逐渐代替工业热电偶的趋势。缆式热 电偶的外套用钽、钨制造时，可耐2300℃以 上的高温；用不锈钢制造时，可耐1000 C以 上的高温。
压力式特点： 使用时，必须将温包全部浸入被测介质中。毛细管不能太长，且所 处温度不能波动太大。 精度低，但使用简便，具有抗振动的优点，广泛用于动力机械行业 的油温和水温测量。
3．双金属温度计
双金属温度计是用线胀系数不同的两种金属构成的 金属片作为感温 元件，当温度变化时，两种金属的膨胀不同，双金属片就产生与被 测温度大小成比例的变形，这种变形通过相应的传动机构由指针指 示出温度数值，其测量范围在-60～500℃。根据感温双金属片结构 形状的不同，有螺旋形双金属温度计和盘形双金属温度计两种。
当被测对象温度变化时，感温元 件的温度的温度能实时地跟着变化，既 要使传感器的热容（ρcv）和热阻为零。 1．安装误差 由于插入深度产生的误差，就是热 电偶的保护管和电偶线的热传导所产生 的误差。
2．环境温度与压力的影响
对充液温度计，因流体相毛细管材料的温度膨胀系数不同将引起误 差，把充液球的容积做得大些，把毛细管和压力弹簧管的容积做得小 些可减少误差，对高精度充液温度计，将一根能使空间的体积膨胀和 液体的膨胀相匹配的细金属丝，穿到毛细管孔中来取得补偿；也有采 用一根带有二次压力弹簧管的补偿毛细管或在指针联接装置中采用一 双金屑补偿片来提高温度计精度的。 另外，由于压力弹簧管通常用做测量大气压力，因此大气压的变化 将对压力弹簧管式的温度示值发生变化而产生误差。采用高压充注系 统可大大减少误差。
3 薄膜热电偶 采用真空蒸镀或化学涂层的方法将热电偶材料沉积 在绝缘基板上制成的热电偶称薄膜热电偶。这种热 电偶可以适用于壁面温度的快速测量。
(一)热接点的制作 1．电弧焊法
图5-6为最简单的热电偶电弧焊法示意图。将调压器的杨出端调至 15～25V(根据被焊热电偶丝的线径大小和焊后球体大小调节电压)，被焊 热电偶丝的两端都去掉绝缘漆，将要焊的一端绞合在一起，另一线(两根) 与调压器(一般是零电位极)一极连接，调压器的另一极与碳棒用导线连 接。在电源开关合上后，格被焊热电偶丝的一端逐渐接近碳棒。当产生 电弧时就能把熟电偶端部焊接在一起。
E a bt ct
2
(三)热电式温度计的校验 1．热电阻温度计的校验
1 比较法 将标准水银温度计或标准铂电阻温度计与被校热电阻温 度计一起插入恒温源中，在规定的几个温度点下读取标准温度计的示 值并进行比较，其偏差不得超过规定的最大偏差。
2 两点法 工业热电阻温度计可以只校验0式的电阻值R0和100时 的电阻值R100，并检查R100/R10是否符合规定。 2．热电偶温度计的校验 校验必要性：热电偶（非标）在初次使用前需要进行分度，以确定 热电动势和温度的对应关系。同时，热电偶在使用一段时间后，由 于氧化腐蚀，还原等因素的影响，原分度值逐渐产生偏差，因此需 要定期检验。
热电偶的测温接点的安装形式有绝缘型、 露头型和接地型。绝缘型(图5-4b)用于高温及 防止热电偶与介质接触而质变的场合；露头型 (图5-4a)用于要求响应快而灵敏，又有一定强 度的场合；接地型(图5-4c)用于热电偶不能与 介质直接作用而又要求响应快而灵敏的场合， 另外，当壳本身是热电偶另一极或需要减小外 部电磁干扰的情况下，也采用这种型式。
接触式温度计和非接触式温度计特点如下： 1 由于接触式温度计必须将感温元件与被测物体接触，因此容易破 坏被测温度场，非接触式温度计则无此问题。 2 接触式温度计感温元件与被测问题达到热平衡需要一定的时间，所以产 生的时间滞后比较大；非接触式温度计直接测量被测物体的热辐射，响应 应速度较快。
3 由于感温元件难以承受很高的温度，所以接触式温度计测量高温时受到 限制，非接触式温度计则无此问题；
二、电阻式温度计
电阻温度计又称热电温度计，它是利用导体或半导 体的电阻值随温度 而变化的待性所制成的测温仪表。电阻温度计的电阻和温度之间的关系，已 在第四章的“热电式传感器”一节中做了叙述。
电阻温度计是由热电阻、显示仪表或变送器、 调节器和连接导线等几部分组成。由于其测量精 度较高，响应速度快，并在整个测量范围内呈线 性关系，故可以实现远距离测量显示和自动记录。 热电阻的材料常用的有铂热电阻和铜热电阻 两类。图5-2为铂热电阻温度计示意图。铂热电 阻长期使用的温度范围是-200～500℃，铜热电 阻长期使用的温度范围是-30～100℃。 电阻温度计的显示仪表主要采用动圈式比率 计和自动平衡电桥两种。
t nK t t0
式中，n为露出液注所占的度数；K为工作液体在玻璃中可见的膨胀系数 (水银K≈0.00016／℃，有机液K≈ 0.00124／℃)；t为主温。
2．压力式温度计 压力式温度计是基于密闭系统内的气体或者液体受热后压力变化 的原理而制成，它由温包、毛细管和弹簧管所构成的密闭系统及传动 指示机构组成(图5-1)，根据密闭系统内所充工作物质的不同，压力式 温度计可分为三种；
三、热电偶温度计 1 工业热电偶 任何两种不同金屑或合金都可以组成热电偶，但是为 了保证工作可靠和足够的测温精度，热电极材料应满足以 下要求：在测温范围内热电性质稳定而不随时间变化，不 易氧化或腐蚀并有足够的强度，电阻温度系数小，电导率 高，热电动势大以及容易制造等。热电偶的直径应根据材 料的价格、强度、电导率以及所要求的时滞时间、寿命等 来选择。一般采用直径为0.2～0.5mm，对于瞬时温度测量， 为使热惯性小，不得不牺牲一些寿命来缩短时滞时间，一 船采用直径为0.01～0.03mm的材料，以便获得更小的热接 点。
使用玻璃管液体温废计应注意两个问题 介质 ，测量范围，毛细现象，环境温度影响
1)零点漂移：玻璃的热胀冷缩也会引起零点位置的移动，因此使用玻璃管 液体温度计时应定期校验零点位置。
2)露出液柱的校正：使用时必须严格掌握温度计的插入深度（环境温 度)影响，因为温度刻度是在温度计液柱全部浸入介质中标定的，而使 用时液柱可按下式求其修正值Δt
2．热电偶与检测表面的接触方 式 由于等温线接触式的热 电偶丝沿等温线敷设，热接 点的导热损失为最小；面接 触式次之，因为热电偶丝的 热损失由导热良好的金属片 补偿，点接触式因导一热损 失全部集中在一个接触点上、 热量不能得到充分的补充， 故测量误差为最大。
(三)温度测量误差 测温元件正确反映被测物体的温度， 必须满足两个条件： 热力学平衡条件。
(1)充气体的压力式温度计 其工作原理是利用温度变化时密闭系统中 充填气体膨胀或收缩产生的压力变化来测量温度。所充气体通常为氮气。 测温范围为-80～550℃。
2)充蒸气的压力式温度计 其工作原理是利 用温度变化时密闭系统中所充低沸点液体饱 和蒸气压力的变化测温。所充低沸点液体有： 氯甲烷(CH3CH)、氯乙烷(CH 2CH2Cl)、丙酮 (CH3-C0-CH3)、氟里昂12(CCl2F2)、乙醚 (CH3OCH3)等。测温范围为-20～200℃。 (3)充液体的压力式温度计 其工作原理是利 用温度变化所充液体的体积变化测温。所充液 体有：水银(Hg、二甲苯(C8H10)、甲醇(CH30H) 等。测温范围为-40一550℃。
4 由于低温时物体热辐射很小，所以非接触式温度计不适合测量低温；
5 一般来说，接触式温度计的测量精度比非接触式温度计高
第二节 接触式温度计 一、膨胀式温度计
利用物质的体积随温度升高而膨胀的特性制作的温度计，称为膨胀式温度计。
1．玻璃管液体温度计 玻璃管液体温度计根据所充填工作液体的不同，可分为水银温度计和有 机液体温度计两种。前者不粘玻璃，不易氧化，穿易获得很高的精度，在相 当大的温度范围内(-38～356℃)保持液态，在200℃以下，其膨胀系数几乎 和温度成线性关系，所以可作为精密的标准温度计。