第2章-温度测量26991课件.ppt
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1、检测技术及仪表检测技术及仪表第第2 2章温度测量章温度测量2.1 温标与测温方法温标与测温方法2.2 膨胀式与压力式温度计膨胀式与压力式温度计2.3 热电偶温度计热电偶温度计2.4 热电阻温度计热电阻温度计2.5 接触式测温误差及对策接触式测温误差及对策2.6 非接触式测温非接触式测温2.7 新型温度传感器新型温度传感器2022-12-91检测技术及仪表检测技术及仪表2.1 温标与测温方法温标与测温方法一、基本概念一、基本概念温度温度宏观上,表征物体冷热程度的物理量;温标温标衡量温度高低、表示温度数值的一套规则。微观上,表征物体内部分子无规则运动的剧烈程度。建立现代温标必具备的条件:固定的温度
2、点(基准点)测温仪器1)温标方程(内插公式)2022-12-92热平衡热平衡两个冷热程度不同的物体相接触后会产生热交换,热交换结束后两物体处于热平衡状态,此时它们的温度相同检测技术及仪表检测技术及仪表温标温标经验温标经验温标热力学温标热力学温标理想气体温标理想气体温标国际实用温标国际实用温标由特定的测温质和测温量确定的温标。华氏温标摄氏温标由热力学第二定律确定的温标。1122QTQT特点:与选用的测温介质的性质无关,克服了经验温标随测温介质而变的缺陷由玻意耳马略特定律确定的温标。237.16sssPPTTPP2022-12-93 摄氏温度和华氏温度的关系:9325FCtt检测技术及仪表检测技术
3、及仪表 这是一种协议温标,用来统一各国之间的温度计量。具备的条件:具备的条件:尽可能的接近热力学(开氏)温度;复现精度高,各国均能以很高的精度复现同样的温标;用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。发展:发展:第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的,“1927国际温标”,后来又不断改进修订,相继有1948国际温标、1968国际实用温标和1990国际实用温标。国际实用温标国际实用温标2022-12-94检测技术及仪表检测技术及仪表目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90:热力学温度用符号T90表示,单位为开尔文,符号为K。摄氏温度的符号为t90,单位是摄氏度,符号为。温标的传
4、递温标的传递2022-12-95检测技术及仪表检测技术及仪表利用物体的某一物理性质(物理性质随温度变化的特性)将其作成温度敏感元件,通过温度敏感元件与被测对象的热交换,测量相关的物理量,即可间接的获取被测对象的温度值。温度测量原理温度测量原理2022-12-96检测技术及仪表检测技术及仪表二、测温方法的分类二、测温方法的分类1.接触式测量 测温元件直接与被测对象相接触,依靠传热和对流传热和对流进行热交换,当传热量为零时,二者温度相等。优点:测温精度相对较高;直观可靠;测温仪表价格相对较低 缺点:感温元件影响被测温度场的分布;接触不良会带来测温误差;具有腐蚀性或温度太高的被测介质对感温元件性能和
5、 寿命会产生不利影响。热电偶、热电阻、热膨胀式、集成温度传感器热电偶、热电阻、热膨胀式、集成温度传感器2022-12-97检测技术及仪表检测技术及仪表2.非接触式测量 感温元件不与被测对象直接接触,而是通过接受被测物体的热辐射能热辐射能实现热交换优点:不改变被测物体的温度分布;具有较高的测温上限;热惯性小,便于测量运动物体的温度及快速变化的温度。电涡流式、辐射式电涡流式、辐射式2022-12-98检测技术及仪表检测技术及仪表接触式与非接触式测温特点比较方 式 接 触 式 非 接 触 式 测量 条件 感温元件要与被测对象良好接触;感温元件的加入几乎不改变对象的温度;被测温度不超过感温元件能承受的
6、上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率;被测对象的辐射能充分照射到检测元件上 测量 范围 特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温,对高于l300以上的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温,但1000以下,测量误差大,能测运动物体和热容小的物体温度 精 度 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级,实验室用表可达0.01级 通常为1.0、1.5、2.5级 响应 速度慢,通常为几十秒到几分钟 快,通常为23秒钟 其它 特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉,仪表读数直接反映被测物体实际温度;可方便地组成多路集
7、中测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵;仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换);不易组成测温、控温一体化的温度控制装置 2022-12-99检测技术及仪表检测技术及仪表三、测温仪器的分类三、测温仪器的分类按物理性质分:v物质的热膨胀与温度的关系液体膨胀温度计(玻璃水银)、固体膨胀温度计(双金属)、气体膨胀温度计(压力表式)v利用热电效应热电偶(两种不同金属导体在两个端点上互相接触,当其两个接点温度不同时,回路中会产生热电势)v利用金属或半导体阻值与温度的关系热电阻(铂、铜等)v利用物体的辐射能与温度的关系辐射温度计(辐射能与温度存在一定的关系,如光电高温
8、计)2022-12-910检测技术及仪表检测技术及仪表按温度计感温部分是否与被测物体相接触分:接触式温度计非接触式温度计 按照温度测量范围,可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温一般是指010K,低温指10800K,中温指8001900K,高温指19002800K的温度,2800K以上被认为是超高温。注意注意2022-12-911检测技术及仪表检测技术及仪表2.2 膨胀式与压力式温度计膨胀式与压力式温度计一、膨胀式温度计一、膨胀式温度计利用物质热胀冷缩热胀冷缩现象,通过测量物质膨胀物质膨胀或收缩量或收缩量来反映被测温度的温度计 液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计 利用液体的热胀冷缩现
9、象典型应用:玻璃管温度计玻璃管温度计是由液体储囊,毛细管,刻度标尺和膨胀室四部分组成。1-液体储囊 2-毛细管 3-刻度标尺 4-膨胀室2022-12-912检测技术及仪表检测技术及仪表211 20ttt tVVVtV某液体在温度为某液体在温度为t1时的体积为时的体积为Vt1,在温度为,在温度为t2时的体积为时的体积为Vt2,由于由于温度变化引起的体积变化温度变化引起的体积变化可以用下式表示:可以用下式表示:21ttt 1 2t t液体在温度t1到t2下的平均体膨胀系数V0液体在0C时的体积液体在玻璃管内的液体在玻璃管内的视膨胀系数视膨胀系数:常见液体的体膨胀系数和相对玻璃的视膨胀系数见表2-
10、22022-12-913检测技术及仪表检测技术及仪表温度计的温度计的灵敏度灵敏度:0100,0VLS1000100LLL温度计上对应刻度每1C,液体在毛细管中的长度100,0液体在0100C间的视膨胀系数0V液体储囊的容积S毛细管的横截面积2022-12-914检测技术及仪表检测技术及仪表按照基本结构形式不同,玻璃液体温度计可分为:棒式、内标式、外标式根据所填充的工作液体不同,可分为水银温度计和有机液体温度计两类。玻璃管液体温度计的玻璃管液体温度计的特点:特点:优点:测量准确、读数直观、结构简单、价格低廉,使用方便缺点:易碎、不能远传信号和自动记录等玻璃管液体温度计的玻璃管液体温度计的分类分类
11、:水银温度计不粘玻璃,不易氧化,容易获得较高精度,在相当大的范围内(38356)保持液态,在200以下,其膨胀系数几乎和温度呈线性关系,所以可作为精密的标准温度计。2022-12-915检测技术及仪表检测技术及仪表电接点温度计:电接点温度计:1-细长螺钉;2-椭圆形螺母;3-细导线;4-磁钢帽;5-扁平铁块;6、7-外引线如何实现接点的变化,即温度额定如何实现接点的变化,即温度额定值的设置?值的设置?优点:优点:结构简单、使用方便,既可指示温度,也可控制温度缺点:缺点:易碎,且破碎后水银会污染环境。应用:应用:恒温水槽、油槽及空调系统2022-12-916检测技术及仪表检测技术及仪表固体膨胀式
12、温度计:固体膨胀式温度计:应用固体线膨胀原理测温典型应用:双金属片温度计。原理:利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件,在温度变化时因弯曲变形而使其另一端有明显位移,借此带动指针在温度刻度盘上移动。应用应用2022-12-917检测技术及仪表检测技术及仪表二、压力式温度计二、压力式温度计根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理 1-温包;2-毛细导管;3-压力计根据工作物质的不同,可分为气体、液体、蒸汽式压力温度计。气体式,一般充氮气,测温上限可达500,线性刻度,但是温包体积大,热惯性大。液体式,一般充二甲苯、甲醇等,温包小些,测温范围分别为40200和40170,蒸汽式,
13、一般充丙酮、乙醚等,利用低沸点蒸发液体的饱和压力随被测温度而变的原理,用于50200。刻度呈非线性关系,温度计刻度是不均匀的。2022-12-918检测技术及仪表检测技术及仪表2.3 热电偶温度计热电偶温度计特点:特点:应用广泛;灵敏度好;精度高;易保证单值函数关系;稳定性、复现性好;响应时间较快、材料易得到;互换性好,价格较低;测温范围宽(-2962800)。2022-12-919检测技术及仪表检测技术及仪表一一.测温原理测温原理 热电效应热电效应thermoelectricity effect(或塞贝克效应):将两(或塞贝克效应):将两种不同的导体或半导体种不同的导体或半导体A和和B连成闭
14、合回路,当两个接点处连成闭合回路,当两个接点处的温度(的温度(T和和T0)不同时,回路中将产生热电动势的现象。)不同时,回路中将产生热电动势的现象。两种不同导体(或半导体)组成的闭合回路称为两种不同导体(或半导体)组成的闭合回路称为热电偶热电偶。导。导体体A或或B称为称为热电极热电极。两个接点中,置于温度为。两个接点中,置于温度为T的被测对象的被测对象中的称为中的称为测量端(工作端或热端),测量端(工作端或热端),温度为参考温度温度为参考温度T0的接的接点称为点称为参比端或参考端,参比端或参考端,也叫也叫自由端或冷端自由端或冷端。BAT0T2022-12-920检测技术及仪表检测技术及仪表闭合
15、回路的热电动势由两种电动势组成:闭合回路的热电动势由两种电动势组成:温差电动势(同温差电动势(同一导体)和接触电动势(两种不同导体)一导体)和接触电动势(两种不同导体)在热电偶回路中接一毫伏表,测量发现,热电势与热在热电偶回路中接一毫伏表,测量发现,热电势与热电极的材料和两端的温差有关:电极的材料和两端的温差有关:热电势热电势=接触电势接触电势+温差电势温差电势2022-12-921BAT0T检测技术及仪表检测技术及仪表接触电动势接触电动势(珀尔帖电动势珀尔帖电动势):指:指两种不同的导体两种不同的导体相接触时,相接触时,因因各自的自由电子密度不同各自的自由电子密度不同而产生电子扩散,当达到动
16、态平衡而产生电子扩散,当达到动态平衡后所形成的电势。后所形成的电势。23-10()lne1.3810/e4.80210AABBABNTeTNJKTNNABT(),接触电动势:波尔兹曼常数接点温度单位电荷绝对静电单位导体、在温度 时的自由电子密度接触电势的大小与温度和热电极的电子密度差(导体的材料)成正比:温度越高,接触电势越大;电子密度差越大,接触电势也越大。注意注意2022-12-922检测技术及仪表检测技术及仪表温差电动势(汤姆逊电动势):温差电动势(汤姆逊电动势):同一导体同一导体两端因两端因温度不同温度不同而而产生的电势。产生的电势。000(,)()()1 CTAAAATAe T Td
17、te Te Te T,温差电势:汤姆逊系数表示温差为时所产生的电动势,它与材料的性质有关。只与导体性质及温度有关,与导体长度、截面积及温度分布无关。温差电动势的大小,取决于热电极两端的温差:温差越大,温差电动势越大;注意注意2022-12-923检测技术及仪表检测技术及仪表热电偶回路中总的热电势为:热电偶回路中总的热电势为:两个接触电动势两个接触电动势两个温差电动势两个温差电动势()000,()ln()eTAABABTBNET TTTdtNkdd=-讨论讨论1.A、B为同一种材料,(为同一种材料,(NANB,A=B),则),则EAB(T,T0)=02.T=T0,则,则EAB(T,T0)=0()
18、()()()()()()()()0000000,ABABAABBABABABET TeTeT TeTeT TeTeTeT TeT T=-+=-2022-12-924检测技术及仪表检测技术及仪表()()()00,ABABABET TfTfT=-()()0 ABBAfTfT=+讨论讨论1.热电动势是温度的函数之差,不是温差的函数;热电动势是温度的函数之差,不是温差的函数;若若T0=const,则热电动势与,则热电动势与T一一对应。一一对应。2.热电动势大小只与导体材质和接点温度相关,热电动势大小只与导体材质和接点温度相关,而与形状、接触面积无关。而与形状、接触面积无关。2022-12-925检测技
19、术及仪表检测技术及仪表4.在热电偶回路中,在热电偶回路中,接触电势比温差电势大得多接触电势比温差电势大得多,因此总,因此总热电势的极性总是取决于接触电势的极性。热电势的极性总是取决于接触电势的极性。3.热电偶中电子密度高的导体称热电偶中电子密度高的导体称正电极正电极,电子密度低的导体,电子密度低的导体称为称为负电极负电极;热电动势的符号;热电动势的符号EAB(T,T0)规定了正、负电极规定了正、负电极顺序和高温、低温端顺序顺序和高温、低温端顺序,若电极和或温度顺序互换,热,若电极和或温度顺序互换,热电动势的极性就反相。电动势的极性就反相。例:例:()()00,ABABET TET T=-()(
20、)00,BAABET TET T=-2022-12-926检测技术及仪表检测技术及仪表二二.热电偶的基本定律热电偶的基本定律1、均质导体定律均质导体定律 同种均质导体(或半导体)同种均质导体(或半导体)组成的闭合回路,不论导体的截组成的闭合回路,不论导体的截面、长度以及温度分布如何,都面、长度以及温度分布如何,都不能产生热电势不能产生热电势。说明:说明:(1)一种均质材料不能构成热电偶,)一种均质材料不能构成热电偶,必须由两种不同材料的均必须由两种不同材料的均质导体构成;质导体构成;(2 2)若热电极材料不均匀,由于温度梯度的存在,将产生附加)若热电极材料不均匀,由于温度梯度的存在,将产生附加
21、热电动势热电动势应用:应用:检查热电极材料的均匀性检查热电极材料的均匀性(两极用同一种材料)(两极用同一种材料)检验热电极材料成分是否相同检验热电极材料成分是否相同2022-12-927检测技术及仪表检测技术及仪表000(,)(,)ABCABET T TET T2、中间导体定律、中间导体定律 在热电偶回路中接入中间均质导体后,只要在热电偶回路中接入中间均质导体后,只要中间导体两端中间导体两端的温度相同的温度相同,对热电偶回路的总热电势值没有影响。,对热电偶回路的总热电势值没有影响。应用:应用:采用仪表测量热电偶的热电动势采用仪表测量热电偶的热电动势 用热电偶开路测量金属壁温、液态金属温度用热电
22、偶开路测量金属壁温、液态金属温度热电偶回路中还可以加入第四、五种导体,只要加入导体的热电偶回路中还可以加入第四、五种导体,只要加入导体的两接点温度相等,回路的总热电势就与原回路的热电势相同两接点温度相等,回路的总热电势就与原回路的热电势相同。注意注意2022-12-928检测技术及仪表检测技术及仪表3、标准电极定律、标准电极定律 如果如果A、B对标准电极对标准电极C材料的热电动势已知,则材料的热电动势已知,则A、B构成构成热电偶时的热电动势是它们分别对热电偶时的热电动势是它们分别对C构成热电偶时产生的热构成热电偶时产生的热电动势的代数和。电动势的代数和。AB0AC0CB0,ET TET TET
23、 T()()()说明:说明:只要通过实验获得各电极与标准电极的热电动势,则其中只要通过实验获得各电极与标准电极的热电动势,则其中任意两个电极构成的热电偶的热电动势都可通过计算获得任意两个电极构成的热电偶的热电动势都可通过计算获得一般选择高纯铂丝作为标准电极一般选择高纯铂丝作为标准电极=+TA BT0TA CT0T CBT02022-12-929检测技术及仪表检测技术及仪表例1、已知在热端100C,冷端0 C时,铜铂相配热电动势为0.75mv,考铜与铂相配的热电动势为-4.0mv,问铜-考铜热电偶在此温度下的热电动势?解:解:设铜为A,考铜为B,铂为C由已知 EAC(100,0)=0.75mv,
24、EBC(100,0)=-4mv则,EAB(100,0)=EAC(100,0)+ECB(100,0)=4.75mv2022-12-930检测技术及仪表检测技术及仪表4、连接导体定律、连接导体定律 热电偶回路中,如果热电极热电偶回路中,如果热电极A、B分别与导体分别与导体A、B相接相接,接点温度分别为,接点温度分别为T、Tn、T0,则回路总电动势等于热电偶,则回路总电动势等于热电偶热电动势和连接导体热电动势的代数和。热电动势和连接导体热电动势的代数和。ABBA0ABAB0,nnnnET T TTET TET T(,)()()应用:应用:热电偶补偿导线热电偶补偿导线2022-12-931检测技术及仪
25、表检测技术及仪表5、中间温度定律、中间温度定律 两种均质材料两种均质材料A、B构成热电偶,接点温度分别为构成热电偶,接点温度分别为T、T0,若有一个中间温度若有一个中间温度Tn,则回路总电动势不受中间温度的影,则回路总电动势不受中间温度的影响。响。ABBA0ABAB0AB0,=,nnnnET T TTET TET TET T(,)()()()ABAB0AB0,nnET TET TET T()()()ABABAB,0,0nnET TETET()()()应用:应用:使用使用热电偶分度表热电偶分度表2022-12-932检测技术及仪表检测技术及仪表2022-12-933三、热电偶的种类和结构三、热电
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