测试技术幻灯片-温度测量-温度测量-流速测量

1、第五章 温度测量,第一节 温标 第二节 接触式温度计 第三节 非接触式温度计 第四节 气体温度计 第五节 红外技术在温度测量中的应用,一、温标 度量温度高低的尺度，规定了温度的零点和基本测量单位。 热力学温标、国际实用温标、摄氏温标和华氏温标。,华氏温标：规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用。,摄氏温标：规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为。,第一节 概述,由卡诺循环，工质在温度T1时吸收热量Q1和在温度T2时放出热量Q2,通过理想气体的关系式表达,热力学温标：,符号T，单位开尔文(K)。热力学温标T与摄氏温标t的关系为,热力学温标是国际单位制中7个基本物理单位之一。,几种温标的对比,正常体温为37 C ，相当于华氏温度多少度（98.6）？,热力学温标实用时不方便。 1990年国际温标(ITS-90)指导思想是应尽量与热力学温标接近，温度的复现性要好。该温标有17个定义基准点。,国际实用温标：,二、温度计分类 .接触式,.非接触式,比较： 1)接触式容

2、易破坏被测温度场。 2)接触式时间滞后大。 3)接触式测量高温时受到限制。 4)非接触式不适合测量低温。 5)接触式测量精度高。,第二节 接触式温度计,一、膨胀式温度计,1.玻璃管液体温度计 常用水银，200以下可作为精密标准温度计。,1-玻璃温包； 2-毛细管；3-刻度标尺； 4-膨胀室,特点：精度较高，读数直观，结构简单，价格便宜。 缺点：信号不能远程传输，不能用于自动测量系统。,使用玻璃管液体温度计应注意: 1)零点漂移:玻璃的热胀冷缩。 2)露出液柱的校正:,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；tB为标定时外露部分空气温度(); tA为使用条件下外露部分空气温度()。,全浸入式在使用时未能全浸，式中tB为温度计测量时的示值。,部分浸入式：液柱只插入一定深度，外露部分处于环境温度下，按下式修正,2.压力式温度计,1)充气压力式，常用氮气。测温范围为-80550 ，压力与温度接近线性关系。,2)工质为低沸点液体，如氯甲烷、氯乙烷等，测量范围-20200 。饱和蒸气压和饱和温度呈非线性关系，刻度不均匀。,3)工质为液体，如水银、二甲苯、甲醇等。测温范围-4

3、0200 。,使用时，必须将温包全部浸入被测物质中。 结构简单，价格便宜，抗振动。精度差，示值滞后时间长，毛细管易损坏。 检测内燃机油温或水温。,3.双金属温度计 测量范围-60500 。 按结构形状，分螺旋形和盘形。,二、热电阻温度计 测量精度高，响应速度快，可以实现远距离测量显示和自动记录。,常用铂热和铜热电阻。 铂热：-200500 ； 铜热：-30100 。,WZC-111/12*1000mm Cu50铜热电阻,WZPK2-103/B级6*515mm(0-300)铂热电阻,WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300)隔爆,装配式热电阻的型号含义,三、热电偶温度计 (一)常用热电偶的材料,1.铂铑10-铂热电偶 贵金属。 特点：精度高，理化性能稳定，测温上限1600，适于在氧化或中性气氛中使用。 缺点：在高温还原介质中容易被侵蚀和污染，热电动势较小，灵敏度低。,2.铂铑30-铂铑6热电偶 贵金属。 特点：测量精度高，测温上限1800，适于在氧化或中性气氛中使用。 缺点：灵敏度较低、价格昂贵。,3.镍铬-镍硅热电偶 贱金属。 特点：价格低廉，灵敏度较高，测温重复性好

4、，高温下抗氧化能力强，测温上限可达1300。 缺点：在还原性介质或含硫化物气氛中易被侵蚀。,4.铜-康铜热电偶 贱金属。测温范围-200400。 特点：价格低，精度高，灵敏度高。,5.镍铬-康铜热电偶 贱金属。测温上限800 。 特点：灵敏度最高，价格最便宜。 缺点：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。,测量特高温度的铱锗-铱热电偶，2000以上。 测量特低温度的镍铬-金铁热电偶，2273K。,钢包温度测试,(二)常用热电偶结构 1.普通工业热电偶 保护绝缘套管在测量高温时用金属套管；低于1000时用工业陶瓷或氧化铝。,两个 热电极,热电偶接点,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,常见普通工业装配式热电偶的外形结构,装配式热电偶的型号意义,2.缆式热电偶 单芯和双芯。热惯性小、牢固、抗振。 适合微小、狭窄场合。,缆式热电偶工作端结构 (a)单芯结构；(b)双芯碰底型；(c)双芯不碰底型；(d)双芯露头型；(e)双芯帽型,法兰,缆式热电偶可长达上百米,薄壁金属保护套管(缆式),常见铠装热电偶的外形结构,铠装热电偶示例,3.隔爆型热电偶,厚壁保护管,压铸的接线

5、盒,电缆线,接线盒采用压铸而成的防爆结构，当接线盒内有放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆。用于化学工业自控系统(易燃、易爆等气体或蒸汽）。,4.薄膜热电偶 很薄可直接粘贴在被测物表面，快速测表面温度。热电极为镍铬-镍硅、铜-康铜等。温度范围300以下。,热电偶的插入方式,5.热电偶的安装与测试,热电偶（热电阻）选用步骤流程图,四、温度计的校验,(一)热电阻温度计的校验,1.比较法 将标准温度计(水银、铂电阻)与被校热电阻温度计一起插入恒温源，在规定的几个温度点下进行比较。,2两点法 工业热电阻温度计只校验0时的R0和1O0时R100，并检查R100/R0是否符合规定。,校验R100/R0时，把标准热电阻温度计(材料与被校验温度计一样)的电阻作标准电阻；被标定热电阻作为未知电阻，采用半桥方式。,(R100/R0)B为标准热电阻值(由标准查得); AK为水沸点槽内时的电桥读数; A0为冰点槽内时电桥读数。,先在冰点槽内放置30min进行电桥平衡，然后在水沸点槽内放置30min再进行电桥平衡。用下式计算R100/R0,(二)热电偶温度计的校验 标准铂铑10-铂热电偶进行三点(金、银、锌凝固

6、点温度)分度；,其余热电偶在下表温度点校验。,调节电炉温度，稳定各校验点10内，每个温度点应至少测量4次。,五、接触式温度测量误差,(二)安装误差 1.感温元件安装的基本要求 感温元件应迎着被测介质的流向插入(图a)，或迎着被测介质的流向斜插(图b)，至少正交(图c)，避免形成顺流。,不用保护管时，插入深度不应小于热电偶丝直径的50倍; 测定液体时，插入深度应是保护管直径的912倍; 在直径小的管道上安装感温元件时，可装置扩大管。,2.安装方式不同引起误差实例,a 插入过浅，误差最大;b 可测得真实温度； c和d 介于两者之间。,3.热电偶与被测表面接触方式不同引起的误差 点接触式：测量误差最大。 面接触式：接点与金属薄片焊接后，与被测面接触。 等温线接触式：接点固定后沿被测表面等温线绝缘敷设至少20倍线径的距离。测量误差最小。 分立接触式：两热电极分别与被测表面接触。,(三)辐射引起的误差 感温元件辐射传热产生的误差tf为,Tk感温元件的热力学温度； T0容器内壁的热力学温度； C辐射传热系数； h气体向感温元件表面的传热系数。,减少测量误差措施： 采用表面光滑的保护套管，以减少辐射

7、传热系数C； 改善对流传热条件，以增大气体向感温元件表面的传热系数h。,当TkT0时，tf0；故在感温元件周围应加一热容量小的薄防辐射隔离罩，以减小误差。,(四)热传导引起的误差 保护套管顶部热量会流向温度较低的管壁，存在热传导误差tp,t为被测介质温度；t0为保护套管座处的管壁温度； L为插入深度；h为被测介质向感温元件的传热系数；为感温元件材料的热传导率；S为感温元件外周围长；f为感温元件截面积；coshx为x的双曲余弦。,(五)高速气流的温度测量误差,感温元件的指示值介于静温T0和总温T*之间，称有效温度Tr ，定义恢复系数r,因气流运动引起的温度测量误差为,为气体的等墒指数;Ma为气流的马赫数。,恢复系数越低，马赫数越高，测温误差越大。提高恢复系数(接近于1)，可减小误差。,恢复系数的测定：,1-稳压箱； 2-待测热电偶； 3-总温热电偶； 4-总压管； 5-压力计； 6-冰瓶； 7-切换开关； 8-电位差计； 9-喷管,(六)感温元件的响应 接触式靠热交换测温，因热惯性而存在时滞 1)感温元件的热惯性: 2)指示仪表的机械惯性:,当t= 时感温元件感受的温度T为,影响时间常数

8、的因素：感温元件的质量、比热容、插入的表面积和表面传热系数等。感温元件的质量和比热容越小，响应越快。 在测量瞬时温度时必须用时间常数小的感温元件。,其他一些温度测量方法,示温涂料(变色涂料),装满热水后图案变得清晰可辨,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,CPU散热风扇,低温时 显示蓝色,温度升高后变为红色,第三节 非接触式温度计,接触式温度计：结构简单、可靠性好、测量精度高；传感器须受被测介质腐蚀、氧化等作用，且会破坏被测温度场分布。,非接触式：基于热辐射；不会破坏被测介质温度场，动态响应好。适于非稳态热力过程测量、高温测量。,红外线辐射温度计外形,激光仅用于瞄准,热辐射基本概念,低温时，物体辐射能量小，主要发射红外线。温度升高，辐射能量增加，辐射光谱向短波方向移动。,500左右时，辐射光谱包括部分可见光； 800 时可见光大大增加，即呈现“红热”； 3000 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。,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,吸收率

9、； 透射率； 反射率。,Q辐射能 单位焦耳(J),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。镜体若物体表现平整光滑，反射具有一定规律；绝对白体若反射无一定规律。,在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的透射率值很小或等于零，气体的值较大。一般工程材料，0而+ =1，称为灰体。 从传热学角度看，可以人为制造黑体,一、热辐射理论基础,由普朗克定律，绝对黑体的单色辐射出射度M0为,c1为普朗克第一辐射常量；c2普朗克第二辐射常量；为波长；T为黑体的热力学温度。,当波长确定后，只要测定相应波长的M0 值，便可求出温度T。,温度升高，单色辐射出射度增加、峰值向短波长方向移动。,所有波长全部辐射出射度M0的总和为,0为斯忒藩-玻耳兹曼常数。,上式为绝对黑体全辐射定律。,二、单色辐射式光学高温计 利用亮度比较测温：温度高于700会发出可见光，其单色亮度B0 与单色辐射出射度M0 成正比,代入维恩位移公式式，得,当温度为Ts黑体的亮度B 0与温度为T实际物体的亮度B 相等时，得,Ts为被测物体亮度温度，亮度温度要比物体的实际温度低。 须根据单色黑度系数用上式修正或根据光学高温计修正曲线修正。,单色辐射式：灯丝隐灭式和光电高温计。,1.灯丝隐灭式光学高温计 精度高，用作基准仪器。,可调电阻7调整灯丝电流改变灯丝亮度。 调整目镜4的位置以清晰地看到灯丝；调整物镜1使被测物体成像在灯丝平面上。,若灯丝亮度比被测物体的亮度低，则灯丝在背景上呈现暗的弧线(图a); 反之，显现出亮的弧线(图b); 当亮度相等时，灯丝隐灭在物像的背景里(c).,2.光电高温计 隐丝式易有误差，且测量不连续，无法自动记录。,采用光电器件作为敏感元件感受辐射的亮度变化。,被测物体辐射能量物镜聚焦遮光板孔滤光片光电器件。,反馈灯遮光板孔光电器件。遮光板前的调制片交替打开和遮住上、下两孔，使被测物体和反馈灯的辐射能量

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