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3．測量儀表的分類,測溫儀表,,接觸式,非接觸式,,膨脹式,電阻式,熱電式,,固體式,液體式,壓力式,,金屬,非金屬,,金屬,非金屬,,全輻射高溫計,單色高溫計,比色高溫計,紅外高溫計,,雙金屬片,,水銀溫度計、有機液體,,氣體、蒸汽壓、液體,,鉑、銅、鎳,,鍺、碳、熱敏電阻,,銅-康銅、鎳鉻-鎳硅,,碳化硼—石墨,3.2 膨脹式溫度計,一、固體膨脹式溫度計,典型的固體膨脹式溫度計是雙金屬片，它利用線膨脹系數差別較大的兩種金屬材料制成雙層片狀元件，在溫度變化時因彎曲變形而使其另一端有明顯位移，借此帶動指針就構成雙金屬溫度計。,工作原理,原來長度為l的一個固體，由于溫度的變化所產生的長度變化可用下式表示：,,將兩種不同膨脹率、厚度為d的帶材A和B粘合在一起，便組成一種雙金屬帶，溫度變化時，由于兩種材料的膨脹率不同會使雙金屬帶彎曲 ,則有:,,,可解得:,如果帶材A采用鐵鎳合金 ,則有:,,則:,應用,實例,工業(yè)用雙金屬溫度計,實例,雙金屬電接點溫度計,二、液體膨脹式溫度計,一種液體的體積為V，由于它的溫度變化所引起的體積變化可以用下式表示：,,這種利用液體體積隨溫度升高而膨脹的原理制成的溫度計稱為液體膨脹式溫度計。最常用的就是玻璃管液體溫度計。,1-玻璃溫包； 2-毛細管； 3-刻度標尺； 4-膨脹室,玻璃管液體溫度計液體工質與測溫范圍,玻璃管液體溫度計的特點 1.測量準確、讀數直觀、結構簡單、價格低廉，使用方便， 2.但有易碎、不能遠傳信號和自動記錄等缺點。,應注意兩個問題： 1、零點漂移：玻璃的熱脹冷縮也會引起零點位置的移動，因此使用玻璃管液體溫度計時，應定期校驗零點位置。 2、露出液柱的校正：使用時必須嚴格掌握溫度計的插入深度，因為溫度刻度是在溫度計液柱全部浸入介質中標定的，而使用時液柱可按下式求其修正值,,n為露出液柱所占的度數（℃）；K為工作液體在玻璃中可見的膨脹系數；t為分度條件下外露部分空氣溫度（℃）；t0為使用條件下外露部分空氣溫度（℃）。,根據所充填的工作液體不同，可分為水銀溫度計和有機液體溫度計兩類。,水銀溫度計不粘玻璃，不易氧化，容易獲得較高精度，在相當大的范圍內（－38～356℃）保持液態(tài)，在200℃以下，其膨脹系數幾乎和溫度呈線性關系，所以可作為精密的標準溫度計。,電接點溫度計 分為可調式和固定式兩種。,1-細長螺釘； 2-橢圓形螺母； 3-細導線； 4-磁鋼帽； 5-扁平鐵塊； 6、7-外引線,電接點溫度計,三、壓力式溫度計,根據封閉系統(tǒng)的液體或氣體受熱后壓力變化的原理而制成的測溫儀表。,1-溫包； 2-毛細導管； 3-壓力計,由敏感元件溫包，傳壓毛細管和彈簧管壓力表組成。 若給系統(tǒng)充以氣體，如氮氣，稱為充氣式壓力式溫度計，測溫上限可達500℃，壓力與溫度的關系接近于線性，但是溫包體積大，熱慣性大。 若充以液體，如二甲苯、甲醇等，溫包小些，測溫范圍分別為－40℃～200℃和－40℃～170℃， 若充以低沸點的液體，其飽和汽壓應隨被測溫度而變，如丙酮，用于50℃～200℃。但由于飽和汽壓和飽和汽溫呈非線性關系，故溫度計刻度是不均勻的。,特點:必須將溫包全部浸入被測介質；毛細管最長不超過60 m；儀表精度低，但使用簡便，而且抗震動。,壓力式溫度計,實例,3.3 熱電偶溫度計,利用不同導體間的“熱電效應”現象制成的，具有結構簡單、制作方便、測量范圍寬、應用范圍廣、準確度高、熱慣性小等優(yōu)點。且能直接輸出電信號，便于信號的傳輸、自動記錄和自動控制。,一、熱電偶的工作原理,兩種不同的導體或半導體材料A和B組成閉合回路，如果A和B所組成回路的兩個接合點處的溫度不相同，則回路中就有電流產生，說明回路中有電動勢存在，這種現象叫做熱電效應。也稱為塞貝克效應。由此效應所產生的電動勢，通常稱為熱電勢。,熱電勢是由兩部分電勢組成的，即接觸電勢和溫差電勢。,接觸電勢,當兩種不同性質的導體或半導體材料相互接觸時，由于內部電子密度不同，例如材料A的電子密度大于材料B，則會有一部分電子從A擴散到B，使得A失去電子而呈正電位，B獲得電子而呈負電位，最終形成由A向B的靜電場。靜電場的作用又阻止電子進一步地由A向B擴散。當擴散力和電場力達到平衡時，材料A和B之間就建立起一個固定的電動勢。,由于兩種材料自由電子密度不同而在其接觸處形成電動勢的現象，稱為珀爾帖效應。其電動勢稱為珀爾帕電勢或接觸電勢。,理論上已證明該接觸電勢的大小和方向主要取決于兩種材料的性質和接觸面溫度的高低。其關系式為:,式中：,——單位電荷，4.80210-10絕對靜電單位；,——玻茲曼常數，1.3810-23J/℃；,——材料A和B在溫度為T時的電子密度；,——接觸處的溫度，K。,接觸電勢的大小只與接點溫度的高低以及導體A和B的電子密度有關。溫度越高，接觸電勢越大，兩種材料電子密度比值越大，接觸電勢也越大。,結論,溫差電勢,因材料兩端溫度不同，則兩端電子所具有的能量不同，溫度較高的一端電子具有較高的能量，其電子將向溫度較低的一端運動，于是在材料兩端之間形成一個由高溫端向低溫端的靜電場，這個電場將吸引電子從溫度低的一端移向溫度高的一端，最后達到動態(tài)平衡。,由于同一種導體或半導體材料因其兩端溫度不同而產生電動勢的現象稱為湯姆遜效應。其產生的電動勢稱為湯姆遜電動勢或溫差電勢。溫差電勢的方向是由低溫端指向高溫端，其大小與材料兩端溫度和材料性質有關。,N為材料的電子密度，是溫度的函數；T，T0為材料兩端的溫度；t為沿材料長度方向的溫度分布。,閉合回路的總熱電勢,,,,,,,,,,,,結論：,,若材料A和B已定，則NA和NB只是溫度的函數,,,結論：,熱電偶回路熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點所處的溫度有關，與熱電偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關。,只有用兩種不同性質的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會產生熱電勢。,熱電偶的兩種材料確定之后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端接點的溫度有關。如果T0已知且恒定，則f(T0)為常數?；芈房偀犭妱軪AB(T,T0)只是溫度的單值函數。,,熱端，工作端，測量端,,冷端，參比端,分度表,二、熱電偶的應用定則,均質導體定則,由一種均質導體組成的閉合回路，不論沿材料長度方向各處溫度如何分布，回路中均不產生熱電勢。反之，如果回路中有熱電勢存在則材料必為非均質的。,中間導體定則,在熱電偶回路中接入第三種（或多種）均質材料，只要所接入的材料兩端連接點溫度相同，則所接入的第三種材料不影響原回路的熱電勢。,證明,中間溫度定則,兩種不同材料組成的熱電偶回路，其接點溫度分別為t和t0時的熱電勢EAB(t,t0)等于熱電偶在接點溫度為(t,tn)和(tn,t0)時相應的熱電勢和的代數和，其中tn為中間溫度。,,三、常用熱電偶的材料、結構,熱電偶材料應滿足以下要求,2．能應用于較寬的溫度范圍，物理化學性能、熱電特性都較穩(wěn)定。即要求有較好的耐熱性、抗氧化、抗還原、抗腐蝕等性能。,1．兩種材料所組成的熱電偶應輸出較大的熱電勢，以得到較高的靈敏度，且要求熱電勢和溫度之間盡可能呈線性的函數關系。,3．具有高導電率和低電阻溫度系數。,4．材料復現性好，便于成批生產，制造簡單，價格低廉。,常用熱電偶,鉑銠10—鉑熱電偶;分度號S,正極是鉑銠合金，其成分為鉑90%與銠10% 負極由純鉑制成。,長時間可在0～1300℃之間工作 短時間測量可達到1600℃ 常用金屬絲的直徑為0.35～0.5mm。,優(yōu)點:復現性好，精度高。一般可用于精密測量或作為國際溫標中的基準熱電偶。物理化學性能穩(wěn)定，適于在氧化或中性氣氛介質中使用。,缺點是熱電勢弱，靈敏度較低，價格昂貴，在高溫還原介質中容易被侵蝕和污染而變質。,,鉑銠10—鉑熱電偶分度表 （冷端溫度為0℃）,,優(yōu)點:化學穩(wěn)定性好，靈敏度較高、復現性較好，熱電特性線性度好，價格低廉。是工業(yè)中和實驗室里大量采用的一種熱電偶。,鎳鉻—鎳硅熱電偶 分度號K,正極為鎳鉻，負極為鎳硅。,長時間在1000℃以下的溫度工作，短期可達到1300℃.,金屬絲直徑范圍較大，工業(yè)應用一般為0.5～3mm。,缺點:在還原性介質或含硫化物氣氛中易被侵蝕，所以在這種氣氛環(huán)境中工作的K型熱電偶必須加裝保護套管。,,鎳鉻—鎳硅熱電偶分度表 （冷端溫度為0℃）,適用于較低溫度的測量，測量精度較高。,銅－康銅熱電偶 分度號T,正極為銅，負極為康銅。,測溫范圍為－200℃～300℃，短期可達到400℃。,常用熱電偶絲直徑為0.2～1.6mm。,這是一種貴金屬熱電偶，也稱為雙鉑銠熱電偶。其顯著特點是測溫上限高，長時間可在1600℃工作，短時間可達到1800℃。測量精度高，熱電偶絲直徑為0.3～0.5mm，靈敏度較低，價格昂貴。由于這種熱電偶在80℃以下熱電勢只有15微伏，所以無需考慮冷端溫度對測量的影響。,鉑銠30—鉑銠6熱電偶 分度號B,熱電偶的結構形式,,1-接線盒 2-保護套管 3-絕緣套管 4-熱電偶絲,工業(yè)用熱電偶,由熱電極、絕緣套管、保護套管以及接線盒等組成。其絕緣套管大多為氧化鋁管或工業(yè)陶瓷管。保護套管則根據測溫條件來確定，測量1000℃以下的溫度一般用金屬套管，測量1000℃以上的溫度則多用工業(yè)陶瓷甚至氧化鋁保護套管?？茖W研究中所使用的熱電偶多用細熱電極絲制成，有時不加保護套管以減少熱慣性，改善動態(tài)響應指標，提高測量精度。,由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者一起經拉細加工而組成一體，也稱套管熱電偶。 鎧裝熱電偶具有性能穩(wěn)定、結構緊湊、牢固、抗震等特點； 由于測量端熱容量小，所以熱慣性小，具有很好的動態(tài)特性。 外徑、長度和測量端的結構型式可以根據需要而選定。外直徑從0.25～12mm不等,鎧裝式熱電偶,,1-金屬套管； 2-絕緣材料； 3-熱電極,鎧裝式熱電偶斷面結構圖,由兩種金屬薄膜制成的一種特殊結構的熱電偶。采用真空蒸鍍或化學涂層等制造工藝將兩種熱電偶材料蒸鍍到絕緣基板上，形成薄膜狀熱電偶，其熱端接點既小且薄，約為0.01～0.1m。 適于壁面溫度的快速測量，且響應快，其時間常數可達到微秒級，因而可測瞬變的表面溫度。 熱電極有鎳鉻－鎳硅、銅－康銅等。 測溫范圍一般在300℃以下。 基板尺寸為60mm6mm0.2mm。,薄膜式熱電偶,,薄膜式熱電偶示意圖,1-熱電極 2-熱接點 3-絕緣基板 4-引出線,四、熱電偶的冷端補償,方法：冰浴法；理論修正法、冷端補償器、補償導線。,冰浴法,這是一種精度最高的處理辦法，可以使t0穩(wěn)定地維持在0℃。 其實施辦法是將冰水混合物放在保溫瓶中，再把細玻璃試管插入冰水混合物中，試管底部注入適量的油類或水銀，熱電偶的參比端插到試管底部，實現了t0=0℃的要求，,,1-冰水混合物； 2-保溫瓶； 3-油類或水銀； 4-蒸餾水；5-試管； 6-蓋； 7-銅導線； 8-熱電勢測量儀表,理論修正法,熱電偶的分度是在冷端保持為0℃條件下進行的。在實際使用條件下，若冷端溫度不能保持為0℃，則所測得的熱電勢為相對于t0溫度下的熱電勢，即EAB(t,t0)。若能將熱電偶冷端置于已知的恒溫條件下，得到穩(wěn)定的溫度，則根據中間溫度定則公式，可得到被測溫度的實際值。,,R1、R2、R3采用錳銅絲無感繞制，其電阻溫度系數趨于零，即阻值基本不隨溫度變化。,冷端補償器法,,,橋臂R4用銅絲無感繞制，當在平衡點溫度（規(guī)定0℃或20℃）時R4=1?。Rg為限流電阻，為配用不同分度號熱電偶時作為調整補償器供電電流之用。橋路供電電壓為4V直流電壓。,1-熱電偶； 2-補償導線； 3-銅導線； 4-指示儀表； 5-冷端補償器,平衡點溫度 計算點溫度,補償導線法,采用一種特殊的導線（稱為補償導線）代替部分熱電偶絲作為熱電偶的延長。,補償導線的熱電特性在0℃～100℃范圍內應與所取代的熱電偶絲的熱電特性基本一致，且電阻率低，價格必須比主熱電偶絲便宜。,回路總熱電勢,,,,,根據中間溫度定律,常用補償導線的型號有SC，KC，KX，EX，JX，TX,其中第一個字母與配用的熱電偶的分度號相對應。,字母X表示延伸型；字母C表示補償型,,熱電偶中間溫度定則示意圖 熱電偶和連接導線示意圖,,證明：,中間溫度定律說明當熱電偶冷端溫度不是0度時，只要能測得熱電勢 ，且 已知，仍可以采用熱電偶分度表求得被測溫度值。,,,,=,則,,中間導體定則證明,回路總熱電勢為,,,在進一步分析上式之前，先分析圖C所示的特殊情況。圖C中假定三種材料的接點溫度相同，設為T0，則,,由此得知,,,,,,中間導體定律表明熱電偶回路中可接入測量熱電勢的儀表。只要儀表處于穩(wěn)定的環(huán)境溫度，原熱電偶回路的熱電勢將不受接入的測量儀表的影響。同時該定律還表明熱電偶的接點不僅可以焊接而成，也可以借用均質等溫的導體加以連接。,,第四節(jié) 電阻式溫度計,一、 電阻式溫度計原理,絕大多數金屬的電阻值隨溫度而變化，溫度越高電阻越大，即具有正的電阻溫度系數。,,大多數半導體材料具有負的電阻溫度系數，其電阻值與熱力學溫度的關系為,根據ITS－90國際溫標的規(guī)定，13.81K～961.78℃的標準儀器是鉑電阻溫度計。工業(yè)中在－200～500℃的低溫和中溫范圍內同樣廣泛使用熱電阻來測量溫度。在試驗研究工作中，近幾年來碳電阻可以用來測量1K的超低溫；高溫鉑電阻溫度計上限可達1000℃，但工業(yè)中很少應用。,材料要求：,在測溫范圍內化學和物理性能穩(wěn)定； 復現性好； 電阻溫度系數大，以得到高靈敏度； 電阻率大，可以得到小體積元件； 電阻溫度特性盡可能接近線性； 價格低廉。,在中、低溫范圍內其精度高于熱電偶溫度計； 靈敏度高。當溫度升高1℃時，大多數金屬材料熱電阻的阻值增加0.4%～0.6%，半導體材料的阻值則降低3%～6%； 不宜測量點溫度和動態(tài)溫度。,特點,二、常用熱電阻元件,鉑熱電阻,采用高純度鉑絲繞制而成，具有測溫精度高、性能穩(wěn)定、復現性好、抗氧化等優(yōu)點，因此在基準、實驗室和工業(yè)中被廣泛應用。但其在高溫下容易被還原性氣氛所污染，使鉑絲變脆，改變其電阻溫度特性，所以需用套管保護方可使用。,鉑絲純度是決定溫度計精度的關鍵。鉑絲純度越高其穩(wěn)定性越高、復現性越好、測溫精度也越高。,鉑絲純度常用R100/R0表示，R100和R0分別表示100℃和0℃條件下的電阻值。,對于標準鉑電阻溫度計，規(guī)定純度不小于1.3925；對于工業(yè)用鉑電阻溫度計純度為1.391。,,標準或實驗室用的鉑電阻R0為10歐母或30歐母左右。國產工業(yè)用鉑電阻溫度計主要有三種，分別為Pt50,Pt100,Pt300。,銅熱電阻,銅熱電阻的電阻值與溫度近于呈線性關系，電阻溫度系數也較大，且價格便宜，所以在一些測量精度要求不是很高的情況下，就常采用銅熱電阻。但其在高于100℃的氣氛中易被氧化，故多用于測量－50～150℃溫度范圍。,我國統(tǒng)一生產的銅電阻溫度計有兩種：Cu50,Cu100,半導體熱敏電阻,優(yōu)點:負電阻溫度系數大，因此靈敏度高。電阻率大，可作成體積小而電阻值大的電阻元件，這就使之具有熱慣性小和可測量點溫度或動態(tài)溫度。 缺點：同種半導體熱敏電阻的電阻溫度特性分散性大，非線性嚴重，元件性能不穩(wěn)定，因此互換性差、精度較低。,工業(yè)用熱電阻,,熱敏電阻,力矩M促使線圈繞中心軸轉動。線圈轉動時，支持線圈的張絲便產生反力矩Mn，其大小與動圈的偏轉角Φ成正比。,第五節(jié) 測溫顯示儀表,一、配接熱電偶的測溫顯示儀表,常用的測量熱電勢的儀表有動圈式儀表、手動電位差計、自動電子電位差計和數字式電壓表等。,動圈式溫度指示儀表,當處于均勻恒定磁場中的線圈通以電流I時，線圈將產生轉動力矩M，在線圈幾何尺寸和匝數已定的條件下，M只與流過線圈的電流大小成正比,即:M=KI,,當兩力矩平衡時，此時動圈的偏轉角為,,動圈式溫度指示儀表,流過儀表的電流為,,可見只有在ΣR一定時，動圈偏轉角Φ才能正確地反映熱電勢的值，因此保持回路總電阻恒定或基本不變是保證測溫精度的關鍵。而 Σ R=RN+RE，其中是RN儀表內部等效電阻，RE是儀表外部電阻。,RE=Rt+R2+RL+Rc,,,,,RN=f(Rs,RD,RT,RB,Rp),,,,,,,RE,RN,結論: ΣR變化很小,所以能夠保證測溫的精度.,直流電位差計,1．手動電位差計,測量回路,,工作電流回路,,校準回路,,當開關K置向“標準”位置時，校準回路工作，其電壓方程為,,調整Rs以改變工作電流回路的工作電流I，使檢流計G指零，,,當開關K置向“測量”位置時，測量回路工作，其電壓方程為,,調整電阻RABC的滑動點B使檢流計G指零,,2．自動電子電位差計,,二、配接熱電阻的測溫顯示儀表,測量方法多采用不平衡電橋和自動平衡電橋。,不平衡電橋,,電橋輸出不平衡電壓為,,流過RM的電流IM為,,以不平衡電橋原理為基礎的XCZ-102型動圈式溫度指示儀,,熱電阻元件和溫度指示儀的連接有兩種典型的接線方式——二線制和三線制,,兩線制,三線制,,自動電子平衡電橋,,第六節(jié) 接觸式測溫技術,一、影響接觸式溫度測量的各種因素,,接觸式溫度測量產生誤差的原因,1、傳熱學方面的原因,2、氣動原因,3、動態(tài)誤差,4、化學原因,二、高速氣流溫度測量、速度誤差分析,靜溫度量氣流的無序動能，動溫度量氣流的有向動能,,動溫,靜溫與動溫之和為氣流的總溫,,問題：溫度傳感器測得的溫度是什么溫度？靜溫？動溫？總溫？,實際上處于高速氣流中固定安裝的測溫傳感器，對高速氣流只有一定的滯止作用，并非完全絕熱滯止。因此傳感器既不能直接指示靜溫，也不能簡單地測量總溫，傳感器實際的指示值被稱為有效溫度，記作T g,Tg高于自由流靜溫，而低于自由流總溫。,,速度誤差:,定義,,r為恢復系數，或稱為復溫系數,,,速度誤差與馬赫數和恢復系數有關，為了減小速度誤差，希望恢復系數要大，氣流流經溫度計的M數要小。但是被測氣流的M數通常不能隨意改變，因此，減小速度誤差的主要途徑是提高熱電偶的恢復系數，使它接近于1并具有較穩(wěn)定的數值。,減小速度誤差的方法,處理速度誤差問題有二種途徑，一種是根據使用工況，用實驗方法測出其恢復系數值，然后計算修正值。,,,若已知氣流馬赫數，傳感器恢復系數，并測出氣流的有效溫度后即可求得氣流的靜溫及總溫。,另一途徑是設法使氣流滯止。,,滯止罩,帶滯止罩的熱電偶稱為總溫熱電偶,恢復系數的測定,熱電偶在一定馬赫數和安裝角時的恢復系數最終都是要用實驗的方法來測定的。,,1-穩(wěn)壓箱； 2-待測熱電偶； 3-總溫熱電偶； 4-總壓管； 5-壓力計； 6-冰瓶； 7-切換開關； 8-電位差計； 9-噴管,,三、高溫氣流溫度測量、輻射誤差分析,輻射誤差的分析模型,高溫煙氣主要以對流方式傳熱給熱電偶，忽略煙氣對熱電偶的導熱和輻射換熱，則傳熱量為：,,沿熱電偶保護套管導出的熱量,,熱電偶與周圍冷壁面的熱交換，主要以輻射方式進行,由于被測溫度隨時間變化而引起熱電偶的動態(tài)吸熱量,,熱電偶的熱平衡方程式,,,當熱電偶測溫達到穩(wěn)態(tài)時，則,,若測溫元件使用合理、安裝正確，其導熱誤差也可忽略,,,,熱電偶的測溫輻射誤差,,減小輻射誤差的措施,降低輻射誤差的主要途徑,（1）提高熱電偶周圍冷表面的溫度,（2）增大對流換熱系數；,（3）降低熱電偶的黑度系數,具體實施辦法,加遮熱罩,,雙熱電偶,,輻射誤差,,,熱電偶垂直于氣流方向安裝，根據傳熱學原理可知在一定流速范圍內其對流換熱系數,,,抽氣式熱電偶,,1-鎧裝熱偶； 2-噴嘴； 3-遮熱罩； 4-混合室擴張管； 5-外金屬套管,零直徑外推法,,四、動態(tài)溫度的測量、動態(tài)誤差分析,,,,,,其通解,,,五、壁面溫度的測量,,c的誤差最小，因為熱電偶絲沿等溫線敷設，熱接點的導熱損失達到最小。b方式次之，熱電偶絲的熱損失由導熱良好的金屬片補充。a方式誤差最大，因為導熱損失全部集中在一個點上，熱量不能得到充分補充。,壁面溫度測量應優(yōu)先考慮： 1．在強度允許條件下，應盡量采用直徑小、導熱系數低的熱電偶； 2．優(yōu)先考慮等溫線敷設。 3．被測材料為非良導熱體可采用面接觸方式。 4．如被測材料允許，表面開槽敷設對提高測量精度更為有利。,本章小結,測溫儀表的分類,熱電偶溫度計,,熱電偶測溫原理,熱電偶的回路性質,熱電偶的冷端補償,測溫顯示儀表:手動電位計,測溫技術,