第10章温度的测量精选文档.ppt
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1、第10章温度的测量本讲稿第一页,共四十六页温度是国际单位制中七个基本物理量之一。温度是国际单位制中七个基本物理量之一。温度的宏观概念是表示物体的冷热程度,当两个物体互为热平衡时温度的宏观概念是表示物体的冷热程度,当两个物体互为热平衡时其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动的平均强度的表示。其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动的平均强度的表示。分子运动愈激烈,其温度表现越高。分子运动愈激烈,其温度表现越高。10.0 序序(Introduction)本讲稿第二页,共四十六页10.1 温度标准和测量方法温度标准和测量方法(Temperature Standard and Its Measuri
2、ng Method)10.1.1 温度的测量方法温度的测量方法 接触式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达到热平衡,这时,感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。非接触测温通过辐射进行热交换,可避免接触测温法的缺点,具有较高的测温上限。此外,非接触测温法热惯性小,便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响,其测量误差较大。温度测量可分为接触式和非接触式测量。接触式测温直观可靠。但因测温元件与被测介质之间的热交换需要一定的时间才能达到热平衡,所以存在测温的延迟现象;受耐高温材料的限制,不能应用于很高的温度测量
3、。感温元件会影响被测温度场的分布,接触不良等也会带来测量误差。另外,腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。本讲稿第三页,共四十六页测量方式 仪表名称测温原理精度范围特点测温范围/接触式测温仪表双金属温度计固体热膨胀变形量随温度变化12.5 结构简单,指示清楚,读数方便;精度较低,不能远传-100600一般-80600压力式温度计气(汽)体、液体在定容条件下,压力随温度变化12.5 结构简单可靠,可较远距离传输T0),则在回路中会产生电流。这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应,相应的电动势称为塞贝克电动势。回路中产生的热电动势大小仅与组成回路的两种导体或半导体A、B的材料性质及两个接点
4、的温度T、T0有关,热电动势用符号EAB(T,T0)表示。本讲稿第十页,共四十六页在热电偶回路中,产生的热电动势由两部分组成:温差电动势和接触电动势。l 温差电势+A +TT0EsEA(T,T0)当一根均质金属导体 A上存在温度梯度时,处于高温端的电子能量比低温端的电子能量大,所以从高温端向低温端移动的电子数比从低温端向高温端移动的电子数多得多。结果高温端因失去电子而带正电,低温端因得到电子而带负电,在高、低温两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静电场Es。这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端移动,并加速电子向相反的方向转移而建立相对的动态平衡。此时,在导体两端产生的电位差称为温差电动
5、势。热电偶温度计热电偶温度计(2/15)温差电动势的大小只与导体的种类及导体两端温度有关。本讲稿第十一页,共四十六页l 接触电势+A +EsEAB(T)B当两种不同导体A、B接触时,由于两者电子密度不同,如 NA NB,则在接触面处产生自由电子扩散现象,从A到B扩散的电子数比从B 到A的多,导致导体 A、B接触处形成一个由A到B的静电场Es,阻止电子扩散的继续进行,并加速电子向相反的方向转移。当电子扩散的能力与静电场的阻力达到动态平衡时,A、B 之间所形成的电位差称为接触电动势。热电偶温度计热电偶温度计(3/15)接触接触电动势的大小与两种导体的种类及接触处的温度有关。本讲稿第十二页,共四十六
6、页热电动势的大小取决于热电极材料的性质和两端接点的温度。因此,当热电极的材料一定时,热电偶的总电动势EAB(T,T0)仅是两个接点温度T和T0的函数。如果能保持热电偶的冷端温度恒定,电动势只与热电偶测量端的温度 T 成单值函数关系,即通常,热电偶的热电动势与温度的关系,都是规定热电偶冷端温度为 0 时,按热电偶的不同种类,分别列成表格形式,这些表格称为热电偶的分度表。热电偶温度计热电偶温度计(4/15)l 热电偶回路的热电动势 本讲稿第十三页,共四十六页10.2.2 热电偶基本定律热电偶基本定律l 均质导体定律 如果只用一种均质导体组成闭合回路,则不论其导体是否存在温差,回路中均不会产生电流(
7、即不产生电动势);反之,如果回路中出现电流,则证明此导体是非均质的。推论 1:组成热电偶的材料必须是均质导体,否则将会给测量带来附加误差。推论 2:热电偶必须由两种不同性质的导体或半导体A、B组成,否则即使两结点的温度不同,在回路中也不会产生温差电动势。l 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种均质材料的导体后,只要中间接入的导体两端具有相同的温度,就不会影响热电偶的热电动势。热电偶温度计热电偶温度计(5/15)本讲稿第十四页,共四十六页l 中间温度定律 热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势 EAB(T1,T3)等于热电偶 AB在接点温度为T1、T2和T2、T3时热电动势EAB(T1,
8、T2)和EAB(T2,T3)的代数和,即 EAB(T1,T3)EAB(T1,T2)EAB(T2,T3)中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。而且,这条基本定律也是工业测温中应用补偿导线的理论依据,因为只要匹配与热电偶的热电性质相同的补偿导线,便可使热电偶的冷端远离热源,而不影响热电偶的测量精度。热电偶温度计热电偶温度计(6/15)本讲稿第十五页,共四十六页10.2.3 标准化热电偶标准化热电偶l 标准化热电偶 工业用热电极材料应满足以下要求:1)物理和化学性质稳定,温差电特性显著,复现性好,同种材料的电极之间具有良好的互换性,且不为测温介质所腐蚀,高温下不被氧化。2)电阻温度系数小,
9、电导率高,组成电偶对输出的温差电动势大,且与温度呈线性或简单的函数关系,以便于提高仪表的灵敏度和准确度,并便于仪表的刻度和测量。3)材质均匀,塑性好,易拉丝,成批生产。热电偶温度计热电偶温度计(7/15)本讲稿第十六页,共四十六页n 铂铑30-铂铑6热电偶(分度号B)也称双铂铑热电偶,是典型的高温热电偶。以铂铑30(铂 70%,铑30%)为正极,铂铑6(铂 94%,铑 6%)为负极。由于两个热电极都是铂铑合金,因而提高了抗污染能力和机械强度,在高温下其热电特性较为稳定,宜在氧化性和中性介质中使用。长期使用的最高温度可达1 600,短期使用温度可达1 800。这种热电偶的热电动势较小,因此冷端温
10、度在40以下使用时,一般不必进行冷端温度的补偿。n 铂铑10-铂热电偶(分度号S)铂铑10为正极,纯铂丝为负极。适宜在氧化性及中性介质中长期使用。其测温上限长期使用可达1 300,短期可达1 600。缺点:热电动势较小,价格昂贵,机械强度低;不宜在还原性介质中使用。热电偶温度计热电偶温度计(8/15)本讲稿第十七页,共四十六页n 镍铬-镍铝或镍铬-镍硅热电偶(分度号K)以镍铬合金为正极,镍铝(或镍硅)合金为负极,是一种廉价金属热电偶。具有较好的抗氧化性和抗腐蚀性;复现性较好;热电动势大;热电动势与温度关系近似于线性关系;其成本较低,虽然测量精度不高,但能满足工业测温的要求,是工业上最常用的热电
11、偶;其长期使用的最高温度为1 000,短期使用温度可达1 200。n 镍铬-康铜热电偶(分度号F)以镍铬合金为正极,康铜(含镍40%的镍铜合金)为负极。由于康铜在高温下容易氧化,其测温范围为-200870。热电动势大,价格便宜,低温下性能稳定,尤其适宜在0 以下使用。n 铜-康铜热电偶(分度号T)以纯铜为正极,康铜为负极,其测温范围为-200300。铜热电极容易氧化,一般在氧化性气体中使用不宜超过300。其热电动势较大,热电特性良好,材料质地均匀,成本低。热电偶温度计热电偶温度计(9/15)本讲稿第十八页,共四十六页l 热电偶的结构 普通型热电偶 由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒四部分组成。
12、常用的有螺纹和法兰两种连接方式,还有卡套等连接方式。热电偶温度计热电偶温度计(10/15)本讲稿第十九页,共四十六页铠装热电偶 将热电偶丝与绝缘材料及金属套管经整体复合拉伸工艺加工而成可弯曲的坚实组合体。铠装热电偶较好地解决了普通热电偶体积及热惯性较大,在弯曲结构复杂的对象上不便安装等问题 热电偶温度计热电偶温度计(11/15)本讲稿第二十页,共四十六页l 热电偶的冷端补偿热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定,热电动势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中,热电偶的冷端通常靠近被测对象,且受到周围环境温度的影响,其温度不是恒定不变的。为此,必须采取一些相应的措施进行补偿或修
13、正。n 冰浴法 将热电偶冷端置于冰点恒温槽中,使冷端温度恒定在0时进行测温。冰浴法适用于实验室或精密温度测量。n 冷端温度修正 热电偶分度表是以冷端温度为 0 为基础而制成的,如果直接利用分度表,根据显示仪表的读数求得温度必须使冷端温度保持为0。如果冷端温度不为0,如冷端温度恒定在T0 0 时,则测得的热电势将小于该热电偶的分度值,为了求得真实温度,可利用 EAB(T1,T3)EAB(T1,T2)EAB(T2,T3)修正。热电偶温度计热电偶温度计(12/15)本讲稿第二十一页,共四十六页n 冷端补偿导线 用补偿导线代替部分热电偶丝作为热电偶的延长部分,使冷端移到离开被测介质较远的地方。补偿导线
14、的热电特性须与所取代的热电偶丝一样。补偿导线在测温回路中的连接 注意,对于具有补偿导线的热电偶,其冷端温度应该是补偿导线的末端温度。热电偶温度计热电偶温度计(13/15)本讲稿第二十二页,共四十六页常用热电偶补偿导线热电偶名称补偿导线工作端为100 冷端为0 时的标准热电势/mV正极负极材料颜色材料颜色铂铑-铂铜红镍铜白0.640.03镍铬-镍硅铜红康铜白4.100.15镍铬-康铜镍铬褐绿康铜白6.950.30铜-康铜铜红康铜白4.100.15热电偶温度计热电偶温度计(14/15)本讲稿第二十三页,共四十六页n 冷端补偿器 利用不平衡电桥所产生的不平衡电压来补偿热电偶参考端温度变化而引起的热电
15、动势的变化。限流电阻 冷端温度与电阻 Rcu 所处的温度一致。在常温下(取冷端温度t0 20 )使电桥平衡,当t0偏离20,如 t0升高时,Rcu 随t0 升高而增大,则桥路输出uab也随之增大,而热电偶回路中的总热电动势随 t0 的升高而减小。适当选择桥路电流,使uab的改变量与热电动势的改变量相同,使uab与热电动势叠加后保持电动势不变,从而实现冷端补偿。采用这种温度补偿电桥时,应将显示仪表的零位预先调整到电桥平衡温度。热电偶温度计热电偶温度计(15/15)本讲稿第二十四页,共四十六页10.3 热电阻温度计热电阻温度计(Thermo-Resistor Based Thermometer)金
16、属材料或半导体材料的电阻值会随着温度而变化,电阻值和温度之间具有单一的函数关系。利用这一函数关系来测量温度的方法,称为热电阻测温法,而用于测温的材料称为热电阻。热电阻性能稳定,测量精度高。工业上广泛用于测量-200850 范围内的温度。制作电阻的金属和合金应具有以下条件:温度系数较高,电阻温度关系线形良好,材料的化学与物理性能稳定,容易提纯和复制,机械加工性能好等。常用热电阻的金属材料有铂、铜、镍、铟、铑等。半导体材料电阻主要有锗电阻、热敏电阻、碳电阻等。按感温元件的材料分,热电阻可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。本讲稿第二十五页,共四十六页10.3.1 金属电阻温度计金属电阻温度计l 电
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