《大气探测学》课件：温度计量测试技术.ppt

1、温度的宏观概念： 是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。（注：处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质！）温度的微观概念： 是大量分子运动平均强度的表示。（注：分子运动愈激烈其温度表现越高！）重要性： 自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度有关。在日常生活、工业生产和科学研究的各个领域中，温度的测量与控制占有重要地位！温标: 摄氏温标、华式温标、热力学温标、国际温标、理想气体温标 避免混乱 - 国际单位制（SI）：长度 质量 时间 电流 热力学温度 物质的量 光量SI 基本单位： 七个物理量单位 - 相互独立（m） （kg）（s）（A）（K）（mol）（cd） 内

2、涵量：内涵量：可见，温度是一个内涵量可见，温度是一个内涵量 （即强度量），它不具有叠（即强度量），它不具有叠加性。不能像长度、质量等广延量一样，可以通过单加性。不能像长度、质量等广延量一样，可以通过单位的叠加和细分以及与被测量进行比较，从而得到被位的叠加和细分以及与被测量进行比较，从而得到被测量的数值。两个温度不能相加，只能进行相等或不测量的数值。两个温度不能相加，只能进行相等或不相等的描述。对一般测量来说，测量结果即为该单位相等的描述。对一般测量来说，测量结果即为该单位的倍数或分数。但对于温度而言，长期以来所做的却的倍数或分数。但对于温度而言，长期以来所做的却不是测量，而只做标志，即只是确定

3、温标上的位置而不是测量，而只做标志，即只是确定温标上的位置而已。这种状况已。这种状况 直直 到到19671967第十三届国际计量大会确定，第十三届国际计量大会确定，把热力学温度的单位把热力学温度的单位开尔文定义为：水三相点开尔文定义为：水三相点热力学温度的热力学温度的1/273.161/273.16。这样温度的描述已不再是确。这样温度的描述已不再是确定温标上的位置，而是单位的多少倍了。这在计温定温标上的位置，而是单位的多少倍了。这在计温学上具有划时代的历史意义。学上具有划时代的历史意义。热力学（绝对）温度：用热力学温标表示的温度。热力学（绝对）温标：“精确的实验证明压强等于零时的温度应该是-2

4、73.15273.15”。 -273.15零度温标热力学温标或绝对温标。摄氏温标华式温标开氏温标热力学温标国际温标理想气体温标 要确定选择什么样的物质,这些物质的冷热状态必须能够明显地反映客观物体(欲测物体)的温度变化，而且这种变化具有复现性。如：水银、氢气或是电偶？要知道该测温质的哪些物理量随着温度的改变将产生某种预期的改变。如：水银温度计是用水银做测温质，水银的体积随温度作线性变化。依据确定的数值作为基准，实现划分温度的间隔。测温质：水银；测温特性：水银柱热胀冷缩。参考点：冰、水、氯化铵和氯化钠混合物的熔点定为零度，以0F表示。把冰的熔点定为32F把水的沸点定为212F；在32212的间隔

5、内均分180等分，每份1华氏度。华氏温标华氏温度使用状况：欧美等英语国家。测温质：水银测温特性：水银柱热胀冷缩；参考点： 冰的熔点为零度(标以0)， 水的沸点为100度(标以100)。 在0度和100度之间均分成100等份，每一份也就是1摄氏度。这种规定办法就叫摄氏温标。使用国家：亚洲国家、非英语国家 同种测温质(水银)，利用了同样的测温特性(水银柱热胀冷缩)。但由于规定的参考点和分度单位不同，就造成了两种不同的温标，从而产生了两种不同的温度的数值。3259CFttF-20-6032206840104注：参考点相同 测温质不同 温标也不完全一致！原因：不同测温的物理性质随温度的改变在相同的范围

6、内可能不会相同。 举例：五种温度计，测温质分别是氢气、空气、铂丝、电偶和水银，其测温的物理性质分别为气体的压强、电阻、电动势和水银的长度；基准点都是以冰的熔点和水的沸点为0度和100度。 水银温度计氢气温度计020406080100经验温标特点：由于测温物质和测温特性的选取不同，参考点和分度方法的选择不同，故可以有各式各样的温标。开氏温标（热力学温标）：开尔文，1848年创立了一种不依赖任何测温质(当然也就不依赖任何测温质的任何物理性质)的绝对真实的绝对温标。2121QQTT热力学温标是以卡诺循环为基础：卡诺定律指出，一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，其效率只与热源和冷源的温度有关。

7、假设热机从温度为T1的热源获得的热量为Q1，放给温度为T2的冷源的热量为Q2，则有第十一届国际计量大会(1960年)规定 以纯水的三相点的温度定为开氏温标的参考点，规定其温度为273.16K(而不叫“度”)，1K等于水的三相点的热力学温度的1/273.16; 热力学温标被定为基本温标； 热力学温度被作为基本温度; 符号是T，单位是开尔文，简写为开，以K表示之； 热力学温标的零点叫绝对零度(0K)；t=T-273.15 水的三相点是指纯水以冰、水、蒸汽的平衡混合物的状态，只要在没有空气的密闭容器内，这个状态的温度就是确定不变的，它不依赖于压强， 如果我们要测某一个物体的温度，可用任何一种工质的卡

8、诺热机当作温度计，使卡诺热机运转于欲测物体(欲测其温度T)和273.16K的热库之间，测出吸收和放出的热量Q1和Q2之比，则温度为：2116.273QQT 一支“热力学温度计”就是可逆的卡诺热机，理论上通，技术上无法实现！恒量VnRTTPP3333315.273PPPPTT热力学理论证明： 注：热力学温标可以借助理想气体温标付诸实施，热力学温标取得了现实意义!气体的原子运动随着温度的升高而加速，随着温度的降低而减速。当温度达到0K（-273.15）时，原子的运动就停止了。并且从理论上讲，气体的体积应当是零，因此不可能有低于0K的温度。（如图,在压力不变的情况下（图以砝码表示）.如果温度下降,气

9、体的体积就减小，与其0时的体积相比，每下降1其体积就减小1273。)常温：气体的原子速度1600km/h；3K：1m/h的;20nK（210-8K）:原子运动速度慢得难以测量(物质呈现为液体状态，而非固体状态，更不是气体状态，而是聚集成唯一的“超原子”，它表现为一个单一的实体。) 开尔文用热力学温标，即与任何测温物质无关的温标得到了绝对零度，因此，绝对零度这一重要概念对所有物质都成立，它和选用什么物质及什么物理性质无关。：不论何时，测量一个很高的温度时，一个更高的温度将存在，并且也有可能达到；绝对零度无限接近，但终究不能达到。（这是热力学第三定律的结论。）4 “绝对温标”和“绝对零度”中“绝对

10、”的含义： 前者是指开氏温标与任何测温质都没有关联，因而这种温标是“绝对”的； 后者是指绝对零度是一个不可超越的界限，而且对所有物质都成立，因而这个度数是“绝对”的。 （1 1）接触式测温）接触式测温（2 2）非接触式测温）非接触式测温 (1) (1) 接触式测温接触式测温含义：含义：测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，感温元件的某一物理参数的量值（热电动势、电阻、热膨胀等等）代表了被测对象的温度值。优点：优点：直观可靠。缺点：缺点： 感温元件影响被测温度场的分布，接触不良会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。 （2

11、2）非接触式测温）非接触式测温 含义：感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射方式进行热交换。特点： 可避免接触测温的缺点（不影响温场分布）； 具有较高的测温上限； 非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。1 膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计) 以光辐射为基础，也称为辐射温度计。 如：辐射温度计、亮度温度计和比色温度计、红外热相仪； 超低温、低温、中、高温和超高温温度测量。 超低温010K 低温指10800K 中温指8001900K

12、高温指19002800K的温度 超高温2800K以上2.1 2.1 电阻温度计测温原理电阻温度计测温原理2.2 2.2 热电阻材料材料热电阻材料材料2.3 2.3 热电阻结构热电阻结构2.4 2.4 热敏电阻热敏电阻2.5 2.5 热电阻测量电路热电阻测量电路2.6 2.6 工业热电阻检定实验工业热电阻检定实验原理原理 利用导体或半导体的电阻值随温度的变化而改变的性质来测量温度。实验证明实验证明多数金属导体在温度升高1时，阻值变化 0.4% 0.6%；多数具有负温度系数的半导体在温度升高1时，阻值变化3% 6%； -200500测量低温端可达平衡氢的三相点13.8K 铟电阻温度计3.4K；碳电

13、阻温度计1K；精度高在输出信号便于远传、测量或自动控制 电阻温度系数要大：单位1/，定义为dTdRRdTRdR1注： 越大制成的温度计的越高测量结果越准确 一般非常数， 不同温度数值不同 ； 材料越纯,越大 要求有较大的电阻率：因为电阻率越大电阻体积越小热容量和热惯性越小温度变化的响应越快。 在测温范围内，要求物理化学性质稳定。 复现性好、复制性强、易得到纯净物质。 电阻值与温度的关系近似为线性关系，便于测温的分度和读数。 价格低。 综上所述：铂、铜、铁、镍、和一些半导体材料比较适合做热电阻。：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在

14、0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线(其电阻温度系数为3.9103/C )。：工业测量,温度的基准、标准仪器。ITS-90国际温标规定，在13.81K961.78的标准仪器为铂电阻温度计。：电阻温度系数小，在还原气氛中，特别是在高温下，易被污染变脆、价格昂贵。优点：优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；100时，易被氧化；-50+150。和表示表示时的电时的电阻值，阻值，（1 1）感温元件感温元件保护套管保护套管接线盒接线盒与热电偶类似玻璃烧结式 陶瓷架式云母管架式双线无感绕制双线无感绕制热电阻+保护套管+绝缘材料封装陶瓷铂真空镀膜法热惯性小！厚膜7m薄膜2m半导体热电阻热敏电

15、阻。材料：常用一定比例的锰、镍、铜、钛、镁的氧化物混合制成分类正温度系数PTC临界温度系数CTR近似线性关系变化剧烈变化剧烈T原子无规则运动自由电子的定向运动电子迁移率RT原子无规则运动自由电子数目电子迁移率R测温特性相反)11(exp00TTBRRT式中式中0R温度为T0时的热敏电阻；B热敏电阻的材料常数；0011lnlnTTRRBTT实验测量实验测量)11(exp00TTBRRT2TB若0B室温:)/1 (10)62(2C02000011exp11exp11TBTTBRTTBRdTdRR概念：表征了静态下，在热敏电阻和周围介质热平衡时，热敏电阻上的端电压和通过电阻的电流的相互关系。温度不变

16、当电流 电流增 加的速度端电压随电流的增加而降低):(baabIIIIRU)(TfR NTC热敏电阻应用于测温时，应工作在伏安特性曲线的oa段，即：流过热敏电阻的工作电流应很小。 当外界环境温度变化时，尽管热敏电阻耗散系数也发生变化，但电阻体无自热升温，而与所测的环境温度接近。MF74超大功率型NTC热敏电阻器 应用范围：适用于大功率的转换电源、开关电源、UPS电源及各类大功率照明灯具、电加热器的浪涌电流抑制。 广泛应用于空调设备、暖气设备、电子体温计、液位传感、汽车、电子台历、手机电池。MF52珠状测温型NTC热敏电阻器 应用于：半导体集成电路、液晶显示、晶体管及移动通讯设备用石英振荡器的温

17、度补偿、可充电电池的温度探测、计算机微处理器的温度探测、需温度补偿的各种电路。 CMF贴片式贴片式NTC热敏电阻器热敏电阻器MF55系列绝缘薄膜型NTC热敏电阻器应用范围：电脑、打印机、家用电器等 测温范围：测温范围：-100300优点：优点： 电阻温度系数大，灵敏度高，约为 电阻率大，利于小型化，连接导线的影响可以忽略； 结构简单、体积小，可以用于测量点温度； 热惯性小，适用于表面温度及快速变化温度。不足：不足：热敏电阻温度特性分散、互换性差、非线性严重。 进一步的发展依赖于半导体技术的发展和制造工艺水平的提高。)/1 (10)63(2C说明：为了消除金属热电阻(几欧几十欧范围)中的引线电阻

18、和连接导线电阻受温度变化而改变其阻值大小，从而影响热电阻测温。测温电桥两线制、三线制、四线制接法。 两线制两线制Rac=2(Rr+r+r)+Rt热电阻Rt引线r连接导线r调整电阻Rr不平衡电桥 两线制两线制特点：接入一个桥臂。引线与连接导线随环境温度变化全部加入到热电阻的变化之中；简单，仍有应用引出线的电阻值特性：铜：=0.2(R0)；铂: T0，nAnB 时，回路总的热电势为EAB(T,T0)：dtnneKTTETTBAAB0ln),(0dtnneKTTETTBAAB0ln),(0)()()()(),(000TeTeTeTeTTEBAABABABABcTeTfTeTTEABABAB)()()

19、(),(00回路总热电势温度T的单值函数！方便。（1 1）均质导体定律）均质导体定律（2 2）中间导体定律）中间导体定律（3 3）标准电极定律）标准电极定律（4 4）连接导体定律与中间温度定律）连接导体定律与中间温度定律一种均质材料构成热电偶不论导体或半导体不论截面和长度、各处温度如何。结论：都不能产生热电势0),(0TTEAA0),(),(00TTeTTeAA两种材料：任何热电偶都必须由两种性质不同的导体构成。均质导体特点：如果热电偶由两种均质导体组成，则热电偶的热电势仅与两接点温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。非均质导体特点：当热电极是非均质导体，则相当于不同性质热电极构成了热电偶。在

20、不均匀温场中测温时将造成测量误差。 均匀性是衡量热电偶质量的重要指标之一。 如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C：条件：只要保持 C 两端温度相同（T0）结论：接入导体C后对回路总电动势无影响。),(),(00TTETTEABABC图中热电偶回路总电势为dTTeTeTeTTETTABCABCABABC0)()()()(),(000)()()(ln)()(ln)()(ln)()(ln)()(0000000000TeTnTnTeKTnTnTeKTnTnTnTnTeKTeTeABBAABACCBCABC其中：dTTeTeTTETTABABABABC0)()()(),(00故：

21、),(),(00TTETTEABABC即：),(),(00TTETTEABABC内容：当结点温度为T和T0时，用A、B组成的热电偶产生的热电势等于A、C热电偶和C、B热电偶热电势的代数和，即 ),(),(),(000TTETTETTECBACAB导体C称标准电极（铂） ),(),(),(000TTETTETTECBACABdTTnTnTTnTnTeKTeTeTTABBABAABAB0)()(ln)()(ln)()(0000dTTnTnTTnTnTeKTeTeTTACCACAACAC0)()(ln)()(ln)()(0000dTTnTnTTnTnTeKTeTeTTBCCBCBBCBC0)()(l

22、n)()(ln)()(0000),(),(),(),(0000TTETTETTETTEBCACCBAC),()()()()(ln)()(ln000000TTETeTedTTnTnTTnTnTeKABABABTTABBABA连接导体定律：在热电偶回路中，若导体A和B分别与导线A和B相接，接点温度分别为T、Tn、T0，如图所示，则回路总电势等于热电偶电势EAB(T,Tn) 与连接导线电势EAB(Tn,T0)之和。 ),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnBBAA意义：工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnBBAATTBTT

23、BTTATTAAAABnBBABnABABnnnndTdTdTdTTeTeTeTeTTTE00000)()()()(),(其中)()()()(ln)()(ln)()(ln)()(ln)()(nABnBAnBnAnnBnAnnAnAnnBnBnnAAnBBTeTeTnTnTeKTnTnTeKTnTnTeKTnTnTeKTeTe)()(00TeTeBAAB),(),(),(00TTETTETTTEnBAnABnBBAA假设，nA nB; nB nB ; nA nA; nB nB; TTnT0中间温度定律：当A与A、B与B材料分别相同时，则有 ),(),(),(00TTETTETTTEnABnABn

24、AB意义：中间温度定律为制定热电势分度奠定了理论基础，只要求得参考端温度0时的热电势与温度的关系，就可以求出参考端温度不等于0时的热电势。=0 两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成线性关系 能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性） 具有较高的导电率和较低电阻温度系数 工艺性好，利于批量生产 铂铑10-铂热电偶（分度号：S） 镍铬-镍硅热电偶（分度号:K）镍铬康铜热电偶（分度号：E） 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号：B）铜-康铜热电偶（分度号：T）优点： 金属丝直径范围0.350.5mm; 精度

25、高、物理化学特性稳定; 测温上限高，短期使用温度可高达1600。 可以作为各等级标准热电偶。缺点：热电势小、灵敏度低、价格昂贵。 铂铑10-铂热电偶（分度号：S）正极正极 （硬）（硬）负极负极 （软）（软）4.732 镍铬-镍硅热电偶（分度号:K）特点： 金属丝直径范围：0.53mm; 价格低廉、灵敏度高、复现性好、高温下抗氧化能力强。 工业与实验室广泛采用; 在还原性或硫化物气氛中易被侵蚀。 正极正极不亲磁不亲磁负极负极稍亲磁稍亲磁22.776 镍铬康铜热电偶（分度号：E）特点：金属丝直径范围：0.53mm，价格最便宜、灵敏度高，适用于中性或还原性气氛中。 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号：B

26、）特点：价格昂贵、测量温度上限可达1800、测量精度高、适应于氧化或中性气氛中使用、灵敏度低。 铜-康铜热电偶（分度号：T）特点：直径：0.11.6mm, 适用于-200+400；测量精度高、稳定性好、低温时灵敏度高、价格低廉。氧化铝或工业陶瓷1000度:热电极热电极保护保护套管套管绝缘绝缘套管套管引线盒引线盒减小热惯性！减小热惯性！铠装式热电偶：热电极、耐高温金属粉末（如氧化铝）、不锈钢套管三者一起拉细而组成一体，外径0.2512mm不等。如图。特点：惯性小、性能稳定、结构紧凑、力学性能良好、抗振、可挠等特点真空蒸镀或化学涂层镍铬-镍硅铜康-铜极薄：0.010.1m云母 或 浸渍酚醛塑料60

27、mm*6mm*0.2mm工艺工艺特点：特点： 响应速度快！响应速度快！（ms） 测温范围测温范围300度度（1）冰点法 （3）冷端补偿器法 （4）补偿导线法（2）热电势修正法 热电偶测温原理：只有参比端温度恒定时，回路总热电偶测温原理：只有参比端温度恒定时，回路总热电势热电势E EABAB(T,(T,T T0 0) )才是温度才是温度T T的单值函数！的单值函数！ 热电偶分度表热电偶分度表(p171)(p171)中，热电势中，热电势- -温度的对应值以温度的对应值以 0 0为基础为基础不稳定T0=0C！)0 ,(),()0 ,(000TETTETTEABABAB查表查表EAB实际测量实际测量查

28、表查表TT0=0CT0=恒温中间温度定律T测量的热电势为6.526mV,试问此时真实的温度应为多少？)0 ,(),()0 ,(000TETTETTEABABAB查表查表EAB实际测量实际测量查表查表TmVTEAB173. 0)0 ,(0mVTTEAB526. 6),(0526. 6173. 0)0 ,(),()0 ,(000TETTETTEABABAB查表查表740)699. 6()0 ,(0fTTEfTAB0.173740)0 ,(),(),(00TEUTTETTEABbaABAB0C恒温T0=f(时间时间,环境环境)不平衡电桥R1=R2=R=1(锰铜丝)R4（铜丝）Rg（限流）当时 四壁电

29、阻相等电桥平衡桥路输出电压Uba=0指示仪表总的热电势为：R4=1说明：当T0变化时，由于冷端补偿器的接入，仪表所指示的总电势E仍保持为E(T,0),相当于热电偶冷端自动处于0C。当R4a点电位 Uba同时T0由于T0 EAB(T,T0)调整Rg电阻 Uba=E(T,0)-E(T,T0), 总电势不随T0而变恒温易干扰0100CE=EE=EABAB(T,T(T,T0 0) ) 材料：热电性质与热电偶相近（0100C） 根据，回路电势：E=EAB(T,T0) + EAB(T0,T0) 热电偶标准化形成补偿导线标准系列。常用的热电偶补偿导线技术数据见表5.441.092mV;试问此时真实的温度应为

30、多少？解：根据 （1）冰点法 （3）冷端补偿器法 （4）补偿导线法（2）热电势修正法方法：测量两处的温差（T1-T2）的一种方法。 两个热电偶同型号 配用相同的补偿导线 冷端温度相同 两者反接而成，则热电势为),(),(),(),(),(),(210202210201TTETTETTETTETTETTEE方法： 热电偶型号相同； 冷端温度相同； 串联均衡电阻R1，R2，R3； 回路总热电势为：缺点：一支坏，不易察觉)(31321EEEET低温或小温变时：热电势 串联！特点： 一支烧坏，立即察觉。TT21EE平均:对热电偶热电势和温度的已知关系进行校核，检查其误差的大小；:确定热电势和温度的对应

31、关系：热电偶经过一段时间使用之后，由于氧化、腐蚀、还原、高温下再结晶等因素的影响，使它与原分度值或标准分度表的偏离越来越大，以至产生较大误差，测量精度下降。0.03级（1）热电偶分度误差1：由于热电偶材质不均，匀使得其热电特性与统一分度表之间存在差值。该项误差不能超过热电偶允许误差的范围，否则应重新校验。 如：铂铑-铂：在600 以上，允许误差为； 镍铬-镍硅：在400 以上，允许误差为；（2）补偿导线误差2：补偿导线与热电偶热电特性不同而带来的误差。如：铂铑-铂：100补偿范围内，其补偿导线允差为如：镍铬-镍硅：100补偿范围内，其补偿导线允差为（3）冷端补偿器误差3：只能在平衡点和计算点的

32、温度值得到完全补偿，在其他温度时因不能完全得到补偿所造成的误差。如：铂铑-铂：如：镍铬-镍硅：（4）测量仪表误差4:该误差由仪表精度等级所决定。如XCZ-101动圈测温仪表为?举例：如若采用镍铬-镍硅热电偶按图所示组成测温系统。测量仪表XCZ101的量程为1000，若仪表上显示被测温度为800。且该测温系统的误差。解：误差的来源分别为热电偶分度误差1； 补偿导线误差2冷端补偿器误差3； 测量仪表误差4测温系统的最大误差为：热电效应（基本概念）热电偶基本定律（结论 ）常用热电偶的材料、特点和结构（分度号）热电偶的参比端（冷端）温度补偿 （方法、理论基础 ）热电偶测温回路（典型设计 ）热电偶的校验

33、与分度热电偶测温系统误差分析5 辐射式温度计辐射式温度计5 5 辐射式温度计辐射式温度计5.1 热辐射基本定理5.2 光学高温计5.3 光电高温计5.4 辐射温度计5.5 比色温度计5 5 非接触式测温非接触式测温 高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。 测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达

34、到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。 非接触测温仪表分类：光学高温计、辐射式温度计 辐射换热是三种基本的热交换形式之一波长范围：10-3m10-8m 在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动，在5000C左右时。辐射光谱包括了部分可见光；到8000C时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000C时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。 辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度，这就是 热辐射的基本概念热辐射的基本概念1. 1. 热辐射特点热辐射特点(1)(1)

35、 定义定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；(2)(2) 特点特点：a a 任何物体，只要温度高于任何物体，只要温度高于0 0 K K，就会不停地向，就会不停地向周围空间发出热辐射；周围空间发出热辐射；b b 可以在真空中传播；可以在真空中传播；c c 伴随能量伴随能量形式的转变；形式的转变；d d 具有强烈的方向性；具有强烈的方向性；e e 辐射能与温度和波辐射能与温度和波长均有关；长均有关；f f 发射辐射取决于温度的发射辐射取决于温度的4 4次方。次方。2. 电磁波谱电磁波谱电磁辐射包含了多种形式，如图电磁辐射包含了多种形式，如图6.5-

36、16.5-1所示，而我们所感兴所示，而我们所感兴趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为趣的，即工业上有实际意义的热辐射区域一般为0.11000.1100mm。电磁波的传播速度：电磁波的传播速度： c = f c = f 式中：式中：f f 频率，频率，s-1; s-1; 波长，波长，mm电电 磁磁 辐辐 射射 波波 谱谱图6-1(1)热辐射的重要参数辐射能Q 以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为焦耳(J)。辐射能通量 是辐射能随时间的变化率，又称辐射率： (6.4.1)其单位是瓦特(W)。 辐射强度I 在给定方向上的立体角单元内，离开点辐射源(或辐射源面单元)的辐射功率除以

37、该立体角单元，称为该方向上的辐射强度，其单位为瓦/球面度(W/sr)。dtdQ(1)热辐射的重要参数辐射出射度M 离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，即 (6.4.2)辐射出射度的单位为瓦/米2(W/m2)。辐射亮度L和光谱辐射亮度 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为该方向的辐射亮度L。辐射亮度实际上包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量则称为在此波长下的光谱辐射亮度。dSdM(2)辐射能的分配 当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射 RD

38、AQQQQQQQQQQRDA1吸收率； 透射率； 反射率。 当热辐射投射到物体表面上时，一般当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和穿会发生三种现象，即吸收、反射和穿透，如图透，如图6.5-2所示。所示。11QQQQQQQQQQ3.3. 物体对热辐射的吸收、反射和穿透物体对热辐射的吸收、反射和穿透 图图6.26.2物体对热辐射物体对热辐射的吸收反射和穿透的吸收反射和穿透对于大多数的固体和液体：对于大多数的固体和液体：对于不含颗粒的气体：对于不含颗粒的气体：对于黑体：对于黑体： 镜体或白体：镜体或白体：1111,01,0透明体：透明体：反射又分镜反射和漫反射两种反射又分镜反

39、射和漫反射两种图图6-3 镜反射镜反射图图6-4 漫反射漫反射物体分类： 黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射。 透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或者简称为“白体”。 在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的值很小或等于零，而气体的值较大。对于一般工程材料来讲， 0 0而+ =1，称为灰体 从传热学角度看，可以人为制造黑体 (3)基尔霍夫定律 各物体的辐射出射度和吸收率的

40、比值都相同，和物体的性质无关，是物体的温度和发射波长的函数 ),(.),(),(),(),(),(),(221100TfTTMTTMTTM 式中：式中：M0(,T), M1(,T), M2(,T) 物体的单色物体的单色()辐射出射度；辐射出射度； 0(,T), 2(,T) , 2(,T) 物体的单色物体的单色()吸收率。吸收率。 若物体A0绝对黑体，那么0(,T) ，根据基氏定律 ),(.),(),(),(),(02211TMTTMTTM物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下，物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下，相同波长时的辐射出射度。这是基氏定律的另一种说

41、法。相同波长时的辐射出射度。这是基氏定律的另一种说法。设设M(,T)为物体为物体A在波长为在波长为 ，温度为，温度为T下的辐射出射度。下的辐射出射度。 ),(),(),(),(0TTTMTM式中，式中，称为物体称为物体A的单色辐射率，或称为单色黑度系数。的单色辐射率，或称为单色黑度系数。它表明了在一定的温度和波长下，物体它表明了在一定的温度和波长下，物体A的辐射出射度与的辐射出射度与相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。 基尔霍夫定律说明，物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的基尔霍夫定律说明，物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的 在全波长内，任何物体的全辐

42、射出射度等于单波长的辐射在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射出射度在全波长内的积分出射度在全波长内的积分 )()(),()(),(),(),()(000000TMTAdTMTAdTMTdTMTM式中，式中，A(T) 物体物体A在温度在温度T下的全吸收率，下的全吸收率， M0(T) 黑体在温度黑体在温度T下的全辐射出射度。下的全辐射出射度。基氏定律的积分形式为基氏定律的积分形式为 TTATMTM)()()(0它表明了在一定的温度它表明了在一定的温度T T下，物体下，物体A A的辐射出射度与相同温度下的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比。一般物体的黑体的辐射出射度之比。一般物

43、体的T T11， T T越接近越接近1,1,表明它与黑体的辐射能力越接近。表明它与黑体的辐射能力越接近。 普朗克定律(单色辐射强度定律) 维恩公式 斯蒂芬波尔兹曼定律 （全辐射强度定律，也称为四次方定律） 普朗克定律(单色辐射强度定律)温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为的辐射出射度为1511520) 1() 1(2),(2TCTkhceCehcTM式中，式中，c光速；光速； h普朗克常数，普朗克常数，6.62617610-34Js； k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，1.3806624410-23J/K； C1第一辐射常数，第一辐射常数，3.741810-16Wm2； C2

44、第二辐射常数，第二辐射常数，1.438810-12mK； T绝对温度。绝对温度。公式结构比较复杂，但是它对于低温与高温都是适用的公式结构比较复杂，但是它对于低温与高温都是适用的 维恩公式 理论上说明了黑体在各种温度下能量波长分布的规律 TCeCTM2510),(公式简单，但是仅适用于不超过公式简单，但是仅适用于不超过3000K的温度范围的温度范围 黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，即黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，即)(),(0TfTM上式就是光学高温计和比色高温计测温的上式就是光学高温计和比色高

45、温计测温的理论根据理论根据 斯蒂芬波尔兹曼定律（全辐射强度定律，四次方定律） 温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。 0443245151000152) 1(),()(2TThckdeCdTMTMTC式中，式中，斯蒂芬波尔兹曼常数，斯蒂芬波尔兹曼常数，5.6696110-3W/(m2K4)。 上式就是上式就是辐射式温度计测温的理论根据辐射式温度计测温的理论根据。全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。5.2 光学高温计 精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；标准光学高温

46、计用于量值的传递，例如，在物质熔点、热容量和相变点的测定中使用。光学高温计可用来测量80032000C的高温。由于采用用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度(TL)，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。工业用光学高温计分类隐丝式利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。恒定亮度式利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所

47、以应用广泛。隐丝式光学高温计 光学系统红色滤波片，造成一个较窄的有效波长吸收玻璃，目的是扩展量程目镜和物镜是一套光学系统 电测系统 包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。光学高温灯泡：标准辐射源电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路 原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电桥和平衡电桥式四种。 WGG2-201型光学高温计 1物镜；2吸收玻璃；3灯泡；4红色滤波片；5目镜；6指示仪器；7滑线电阻；E电源；K开关；R1刻线调整电阻灯丝隐灭式光学温度计（示意图）优点：优点：结构简单，使用方便，测温范围广（7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。 缺点：缺点：人眼观察，并需用手动平衡，因

48、此不能实现快速 测量和自动记录，且测量结果带有主观性。 亮度温度 为了校正光学高温计测量非黑体的温度比真实温度偏低的偏差。定义：当被测物体为非黑体，在同一波长下的光谱辐射亮度同绝对黑体的光谱辐射亮度相等时，则黑体的温度称为被测物体在波长为时的亮度温度。)(00LTTTTLL左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度 根据维恩公式有LTCTCTee22对上式两边取对数，并加以整理，得TLCTT1ln112式中，T被测物体在温度为，波长为时的单色黑度系数； T被测物体的真实温度； TL被测物体的亮度温度。已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮

49、度温度求出物体的真实温度。5.3 光电高温计 光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于8000C时，光学高温计对亮度无法进行平衡。 光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的光电器件，自动进行平衡，达到连续测量的目的。 主要特点：采用光敏电阻或者光电池作为感受辐射源的敏感元件来代替人眼的观察；采用一参考辐射源与被测物体进行亮度比较，由光敏元件和电子放大器组成鉴别和调整环节，使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度，当达到平衡时即可得到测量值；在平衡式测量方式中

50、，光敏元件只起指零作用，它的特性如有变化，对测量结果影响较小，参考辐射源选用钨丝灯泡，能保持较高的稳定性，因此具有较高的精度和连续测量的特性；设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度；采用新型光敏元件，测量范围宽，约为20016000C。WDL-31型光电高温计的工作原理 1物镜；物镜；2同步信号发生器；同步信号发生器；3调制镜；调制镜；4微电机；微电机；5反光镜；反光镜；6聚光镜；聚光镜；7参比灯；参比灯；8探测元件探测元件(1)瞄准光路 由物镜对0.5m处被测物体调焦成像在分划板上。通过目镜组可清晰地观察到被测物体的瞄准部位 1 1调制镜；调制镜；2 2微电机；微电机；3 3反光镜；反光