《热能与动力工程测试技术(第3版)》俞小莉(电子课件)第4章 温度测量(黄老师)

在热电偶中插入第三种导体 C，导体C两端温度相同
第三种导体插在一种导体的 中间
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
3）中间温度定律
在两种不同材料组成的热电偶回路（如下图）中，接点温度分别为t和t0，热 电动势 EAB（ t， t0）等于热电偶在连接点温度为（t， tn）和（tn，t0）时相应的 热电势EAB（t，tn）和EAB（tn，t0）之和，即：
热电偶原理
热 电 偶 测 量 优 点
测量范围宽，它的测温下限可达-250℃， 某些特殊材料做成的热电偶，其测温上限可达 2800℃，并有较高的精度。 可以实现远距离多点检测，便于集中控制、 数字显示和自动记录。
可制成小尺寸热电偶，热惯性小，适于快 速动态测量、点温测量和表面温度测量。
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
常用工业热电偶的结构如左图所 示，它由热电偶丝 4 、绝缘套管 2 ，保 护套管 3 和接线盒 1 等组成。绝缘套管 大多为氧化铝或工业陶瓷管。保护套 管在测量高温（ 1000 ℃以上）时多用 金属套管，测量低于 1000 ℃温度时可 用工业陶瓷或氧化铝，保护套管有时 不用，以减少热惯性，提高测量精度。
《热能与动力工程测试技术》·第3版
第4章 温度测量
4.1 概述
4.2 接触式测温计
4.3 非接触式热辐射测温技术
4.1 概述
温度是表示物体冷热程度的物理量。从分子运动论的观点看，温度是物体内部 分子运动平均动能大小的一个度量标志，它也是热能与动力机械中经常要测量的物 理量。
1.温标的定义 用来度量温度高低的尺度称为温度标尺，简称“温标”，它规定了温 度的零点和基本测量单位。目前用得较多的温标有热力学温标、国际实用 温标、摄氏温标和华氏温标。
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
b. 压力式温度计
压力式温度计是基于密闭系统内的气体或液体受热后压力变化的原理而制成的， 它由温包、毛细管和弹簧管所构成的密闭系统和传动指示机构组成，其结构示意见下 图所示。根据所充工质的不同，压力式温度计可分三种：
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1－指针 2－刻度盘 3 弹簧管 4－连杆 5－传动机构 6－毛细管 7－温包 8－感温工质
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
1. 膨胀式测温计 原理：物质的体积随温度升高而膨胀 a. 玻璃液体温度计 基于液体在透明玻璃外壳中的热膨胀作用，其测量范围取决于温度计 所采用的液体。
1）零点漂移 2）露出液柱的校正 式中，n为露出部分液柱所占的度数（℃）；为工作液体在玻璃中的 视膨胀系数（水银≈0.00016）；tB为标定分度条件下外露部分空气温度 （℃）；tA为使用条件下外露部分空气温度（℃）。
分度号 S K E
热电偶材料 铂铑10－铂 镍铬－镍硅 镍铬－康铜
校验点温度（℃） 600、800、1000、1200 400、600、800、1000 300、400、500、600
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
热电偶的校验装置如下图所示，它由交流稳压电源、调压器、管式电 炉、冰点槽、切换开关、直流电位差计和标准热电偶等组成。
热电偶的基本性质可归结为以下四条基本定律： 1）均质材料定律
由一种材料组成的闭合回路，无论截面是否变化，也不论在电路内存在什么样 的温度梯度，电路中都不会产生热电动势。反之，如果回路中有热电动势存在，则 材料必为非均质的，这条规律由热电效应的定义就可说明。
2）中间导体定律
插入第三种（或多种）导体不会使热电偶的热电动势发生变化。
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
b.常用热电偶的材料
热电偶
铂铑10-铂热电偶(S型) 铂铑30-铂铑6热电偶(B型) 镍铬-镍硅热电偶(N型) 铜-康铜热电偶(T型) 镍铬-镍硅热电偶（K型） 镍铬-康铜热电偶（E型）
属性
属于贵金属热电偶，S型热电偶测量精度高，理化性能稳定，长期最高 使用温度为1300℃，短期使用时测温上限可达1600℃，适于在氧化或中 性气氛中使用。其缺点是在高温还原介质中容易被侵蚀和污染，热电动 势较小，因此灵敏度较低。 属于贵金属热电偶，B型热电偶测量精度高，测温区域宽，使用寿命 长，测温上限高，长期最高使用温度为1600℃，短期使用时测温上限可 达1700℃，适于在氧化或中性气氛中使用。其缺点是灵敏度较低、高温 下机械强度下降，价格昂贵。 属于贱金属热电偶，N型热电偶使用范围为-200℃～1300℃，价格低 廉、灵敏度较高、测温重复性好、高温下抗氧化能力强，是应用较广的 一种热电偶。缺点是在还原性介质或含硫化物气氛中容易被侵蚀。 属于贱金属热电偶，T型热电偶测温范围-200℃～350℃，价格低廉、 测量精度高、稳定性好、灵敏度较高。缺点是正极铜在高温下抗氧化性 能差，上限温度低。 属于贱金属热电偶，T型热电偶测温范围-200℃～1300℃，线性度好， 热电动势大，灵敏度较高，稳定性较好，抗氧化能力强，价格便宜能用 于氧化性、惰性气氛中，但是不能直接在高温下用于硫、还原性或还原、 氧化交替的气氛中和真空中。
4.1 概述
2.温度测量方法分类
从敏感元件与被测对象的接触状态分，测温方法有接触式和非接触式。接触式测 温方法中又有膨胀式和热电式，此外常见的接触式测温方法还有光电法、热色法等。
测温方法
接触式光电测温方法
测温原理
通过接触被测对象，将温度变化引起的热辐射或其光信 号引出，通过光电转换器件检测器变化从而测量温度 根据在不同温度下示温敏感材料颜色的不同来指示温度。 光线照射透明物体会产生散射现象 光的干涉原理
R100 R100 AK R R0 0 B A0
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
上式中，（R100/ R0）B为标准热电阻值，此值可由有关标准中查得；AK 为放置在水沸点槽内时的电桥读数；A0为放置在冰点槽内时电桥读数。 b.热电偶温度计的校验
热电偶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。另一方 面，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，原分度值会逐 渐产生偏差，使测量准确度下降，因此，热电偶需要定期校验。 热电偶校验温度点
2. 热电阻测温计 原理：导体或半导体的电阻值随温度变化而变化。 热电阻材料常用的有铂热电阻和铜热电阻两类。
下图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℃。
1－显示仪表 2－引出线 3－铂丝 4－骨架 5－感温元件
第4章温度测量
热色测温方法
谱线反转法 激光散斑照相法
上述接触式和非接触式温度测量方法各自的特点如下： 1）由于接触式温度测量方法必须将敏感元件与被测对象接触，因此容 易破坏被测温度场，非接触式温度测量方法则无此问题。 2）接触式温度测量中敏感元件与被测对象达到热平衡需要一定时间， 所以产生的时间滞后比较大；非接触式温度测量直接测量被测物体的热辐射 或者光波信号，响应速度较快。 3）由于敏感元件材料有耐温极限，所以接触式测温有温度限制范围， 非接触式测温则无此问题。
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
（2）铠装热电偶
铠装热电偶结构
1－热电极 2－绝缘材料 3－套管
有时为了满足一些测量的特殊需要，要求热电偶具有惯性小、结构紧 凑、牢固、抗振、可挠等特点，这时可以采用铠装热电偶。其结构形式如 上图所示。铠装热电偶分为单芯和双芯两种。它是由金属保护套管3、热电 极1和绝缘材料2三者组合而成的一种特殊结构形式的热电偶。这种热电偶 可以做得很细、很长，且可以弯曲。
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
（3）薄膜热电偶
薄膜式热电偶示意图
1－热电极 2－热接点 3－绝缘基板 4－引出线
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，其结 构如左图所示。这种热电偶适用于 壁面温度的快速测量。由于采用了 蒸镀技术，热电偶可以做得很薄， 达到微米级。常用的热电极材料有 镍铬－镍硅、铜－康铜等。使用温 度范围一般在300℃以下。
1－管式电炉 2－被校热电偶 3－标准热电偶 4－铜导线 5－切换开关 6－直流电位差计 7－玻璃温度计 8－冰点槽 9－试管 10－稳压电源和调压器
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
5. 接触式温度测量误差
满足条件
1）热力学平衡条件：使感温元件与被测对象组成孤立的热力 学系统，并经历足够的时间，使二者完全达到热平衡。 2）当被测对象温度变化时，感温元件的温度能实时地跟着变 化，即要使传感器的热容和热阻为零。
4.2 接触式测温计
3. 热电偶测温计 a.热电效应和热电偶的基本定律 热电偶原理：如下图所示，两种不同的导体A和B组成闭合回路，若两 连接点温度T和T0不同，则在回路中就产生热电动势，形成热电流，这一现 象称为热电现象。A、B两导体称为热电极，它们的组合称为热电偶，接触 热场的T端称为工作端，另一端称为自由端。热电偶输出电动势的大小取决 于两种金属的性质和两端的温度，与金属导线的尺寸、导线途中的温度和 热电动势测量点在电路中所处位置无关，因此，热电偶可用于温度的测量。
测温
误差
a. 感温元件传热的基本情况 被测介质传给感温元件的热量 热量来源 由于感温元件阻挡流动介质而在其附近发生气流绝热压缩， 因而使流体的动能转变为热能 由感温元件向周围冷壁的辐射散热和传热 沿着感温元件向外部介质的传导散热
散热途径
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
b. 安装误差 （1）测温元件安装的基本要求 以测量管道内流体温度为例，感温元件应与被测介质形成逆流，即安 装时测温元件应迎着被测介质的流向插入（图a）。若无法做到这一点，可 采用迎着被测介质的流向斜插（图b）的方式，至少也须与被测介质正交 （即90°）（图c）。应尽量避免与被测介质形成顺流。
（1）蒸汽压力式温度计 （2）液体压力式温度计 （3）气体压力式温度计
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
c. 双金属温度计 原理：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
常用双金属温度计示意图
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
5 9 tF tC 32 (t F 32 ) 或 5 9 tc为摄氏温度（℃）；tF为华氏温度（℉） tc
热力学温标符号为T，单位为开尔文（K）。规定水的三相点（即 水的固、液、气三态共存时）的温度为273.16K。绝对温标T与摄氏温 标t的关系为
T t 273 .15
第4章温度测量
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
4. 温度计的校验
为了保证温度测量的准确性，必须对温度计定期进行校验。对于不同的温度计， 由于其工作原理、使用环境和产生测量误差的原因都不尽相同，所以采取的校验方法 也不同。以下分别介绍热电阻和热电偶的校验方法。
a.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和被校温度计的示值并 进行比较，其偏差不得超过规定的最大误差。 （2）两点法 一般工业热电阻温度计可以只校验０℃时的电阻值R0和100℃时的电阻 值R100，并检查R100/ R0是否符合规定。测试时，先在冰点槽内放置30分钟进 行电桥平衡，然后在水沸点槽内放置30分钟再进行电桥平衡。在读数值时， 应当注意两个热电阻是否在相同的温度条件下。在取得读数以后，用下列 公式计算R100/ R0：
属于贱金属热电偶，E型热电偶测温范围-200℃～900℃,其灵敏度在这 六种热电偶中最高，价格也最便宜，应用前景非常广泛。缺点是抗氧化 及抗硫化物的能力较差，适于在中性或还原性气氛中使用。
第4章温度测量
4.2 接触式测温计
c.常用热电偶的结构 （1）普通工业热电偶
工业热电偶结构图
1－接线盒 2－绝缘套管 3－保护套管 4－热电偶丝
E AB (t, t 0 ) E AB (t, t n ) E AB (t n , t 0 )
4）标准电极定律
如果两种导体 A和 B分别与第三种导体 C组合成热电偶 AC和BC的热电动势已知， 则可求出由这两种导体A、B组合成热电偶AB的热电动势为：
E AB (t , t 0 ) E AC (t , t 0 ) EBC (t , t 0 )