温度测量幻灯片.ppt

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1、温度测量第1页，共37页，编辑于2022年，星期日第十章第十章 温度测量温度测量 温度温度是表征物体冷热程度的物理量，是国际是表征物体冷热程度的物理量，是国际单位制单位制(SI)(SI)七个基本量之一。它在生产和科学七个基本量之一。它在生产和科学试验中占有极重要的地位。试验中占有极重要的地位。研究表明，几乎所有物质的性质都与温度研究表明，几乎所有物质的性质都与温度有关，例如有关，例如尺寸尺寸、体积、体积、密度密度、粘度粘度、硬度、硬度、弹性模量弹性模量、破坏性强度、破坏性强度、电导率电导率、导通率、导通率、光辐光辐射强度射强度等，因此我们也可以利用这些性质及其随等，因此我们也可以利用这些性质及

2、其随温度变化规律可进行温度测量。温度变化规律可进行温度测量。第2页，共37页，编辑于2022年，星期日 在机械工程中，在机械工程中，温度温度往往可以表征一部机往往可以表征一部机器的器的工作状态工作状态。由于相互运动件之间的摩擦、。由于相互运动件之间的摩擦、流体与流体或流体与流道之间的摩擦，以及燃流体与流体或流体与流道之间的摩擦，以及燃料的燃烧和热传递（如内燃机）等都会造成机料的燃烧和热传递（如内燃机）等都会造成机器的温升，但在机器正常工作时，其温升不应器的温升，但在机器正常工作时，其温升不应超过一定的范围。如柴油机其冷却水出水温度超过一定的范围。如柴油机其冷却水出水温度不应高于不应高于9090

3、，否则将说明柴油机的冷却系统，否则将说明柴油机的冷却系统可能存在某种问题。依据机器的可能存在某种问题。依据机器的设计数据或经设计数据或经验数据验数据，通过，通过检测检测其某部位的其某部位的温度温度，即可，即可判定判定机器的机器的工作是否正常工作是否正常。第十章第十章 温度测量温度测量第3页，共37页，编辑于2022年，星期日 10-1 10-1 温度基准量温度基准量 温温度度是是定定量量的的描描述述物物体体冷冷热热程程度度的的物物理理量量。如如果果两两物物体体的的温温度度相相同同，则则它它们们处处于于热热平平衡衡状状态态；如如果果两两物物体体温温度度不不同同，它它们们之之间间就就不不会会热热平

4、平衡衡，热热量量将将由由高高温温物物体体向向低低温温物体物体传递传递。一、温标一、温标 温温度度的的高高低低用用温温标标来来度度量量。所所谓谓温温标标就就是是标标有有温温度度单单位位和温度高低和温度高低数值数值的的标尺标尺。工程中常用工程中常用摄氏温标（摄氏温标（centigrade scalecentigrade scale）来度量温度，来度量温度，它规定在标准大气压下冰的融点为它规定在标准大气压下冰的融点为0 0度。水的沸点为度。水的沸点为100100度。用度。用来表示。来表示。第4页，共37页，编辑于2022年，星期日10-1 10-1 温度基准量温度基准量 热力学中规定采用热力学中规定

5、采用绝对温标绝对温标（Absolute Absolute scalescale）度量温度，国际单位中其单位叫）度量温度，国际单位中其单位叫开尔开尔文文，简称开，用符号，简称开，用符号K K表示。表示。绝对温标绝对温标的零点的零点为摄氏温标的为摄氏温标的273.15273.15度度，绝对温标的分度间，绝对温标的分度间隔与摄氏温标相等。隔与摄氏温标相等。英、美国家习惯采用英、美国家习惯采用华氏温标华氏温标（Fahrenheit Fahrenheit scalescale）度量温度。华氏温标规定标准大气压）度量温度。华氏温标规定标准大气压下冰的溶点和水的沸点分别为下冰的溶点和水的沸点分别为3232度

6、和度和212212度，度，用符号用符号“”表示。表示。第5页，共37页，编辑于2022年，星期日 摄摄氏氏温温度度与与绝绝对对温温度度和和华华氏氏温温度度之之间间的的关关系系为：为：t=Tt=T273.15273.15 t=5/9t=5/9（TT3232）式中式中t t摄氏温度的度数，摄氏温度的度数，；T T绝对温度的度数，绝对温度的度数，K K；TT华氏温度的度数，华氏温度的度数，。第6页，共37页，编辑于2022年，星期日 温标的三要素温标的三要素（基本条件）：（基本条件）：温度计温度计、固定点固定点、内插方程内插方程（计算公式）。（计算公式）。固定点：固定点：基准点温度值是以一些物质的基

7、准点温度值是以一些物质的“相平衡温度相平衡温度”作为固定点的。作为固定点的。内插方程内插方程（内插函数）：固定点之间的温内插函数）：固定点之间的温度值是利用一定函数关系来描述。度值是利用一定函数关系来描述。第7页，共37页，编辑于2022年，星期日 一般按测温仪表与被测介质的接触情况，可一般按测温仪表与被测介质的接触情况，可分为分为接触式测温接触式测温和和非接触式测温非接触式测温两类。两类。前者基于前者基于热平衡原理热平衡原理，测温敏感元件必须，测温敏感元件必须与被测介质接触（与被测介质接触（受热膨胀原理受热膨胀原理和和物体电物体电气参数随温度变化的特性气参数随温度变化的特性）。后者利用物质的

8、后者利用物质的热辐射原理热辐射原理，测温敏感元，测温敏感元件不必与被测介质接触件不必与被测介质接触（热辐射强度热辐射强度与与温温度度关系）。关系）。第8页，共37页，编辑于2022年，星期日10-2 10-2 温度测量方法温度测量方法一、常用测温仪表一、常用测温仪表1.1.玻璃液体温度计玻璃液体温度计：利用液体的体积随温度变：利用液体的体积随温度变化而引起液柱高度改变的性质。化而引起液柱高度改变的性质。测温范围：测温范围：-50400-50400 测温介质：测温介质：汞、酒精等；汞、酒精等；优优点点：结结构构简简单单，使使用用方方便便，测测量量的的精精确确度度高，价格便宜。高，价格便宜。缺点：

9、缺点：测量上限和精确度受玻璃质量的限制，测量上限和精确度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录和远传。易碎，不能记录和远传。第9页，共37页，编辑于2022年，星期日2.2.压压力力式式温温度度计计：利利用用定定容容气气体体、液体压力随温度变化的性质。液体压力随温度变化的性质。测温范围：测温范围：05000500；测温介质：测温介质：惰性气体、液体等。惰性气体、液体等。优优点点：结结构构简简单单，不不怕怕振振动动，具有防爆性，价格低廉。具有防爆性，价格低廉。缺点：缺点：测量精度低，测量距离测量精度低，测量距离较远时，仪表滞后较大。较远时，仪表滞后较大。第10页，共37页，编辑于2022年，星期日10

10、-2 10-2 温度测量方法温度测量方法3.3.双金属温度计：双金属温度计：原原理理：利利用用双双金金属属片片受受热热变形的性质。变形的性质。测温范围：测温范围：03000300；测温介质：测温介质：金属。金属。优点优点：结构简单，机械强度：结构简单，机械强度大，价格低。大，价格低。缺点：缺点：测量精度低，量程测量精度低，量程和使用范围均有限。和使用范围均有限。以上这三种温度计是以上这三种温度计是膨胀膨胀式式测温。测温。第11页，共37页，编辑于2022年，星期日10-2 10-2 温度测量方法温度测量方法4.4.热电阻温度计热电阻温度计 原理：原理：利用物体的电阻随温度变化的性质，利用物体的

11、电阻随温度变化的性质，测温范围：测温范围：-200500-200500，测温介质：测温介质：金属、半导体。金属、半导体。优优点点：测测量量精精确确度度高高，便便于于远远距距离离、多多点点集集中测量和自动记录。中测量和自动记录。缺点：缺点：不能测量高温，由于体积大，故测量不能测量高温，由于体积大，故测量点温度比较困难。点温度比较困难。第12页，共37页，编辑于2022年，星期日第13页，共37页，编辑于2022年，星期日10-2 10-2 温度测量方法温度测量方法5.5.热电偶温度计热电偶温度计 原理：原理：利用导体或半导体的热电效应的性质，利用导体或半导体的热电效应的性质，测温范围：测温范围：

12、-2692800-2692800，测温介质：测温介质：金属、半导体。金属、半导体。优优点点：测测量量范范围围广广，测测量量精精度度较较高高，便便于于远远距离、多点集中测量和记录。距离、多点集中测量和记录。缺点：缺点：需进行冷端温度补偿，在低温段精度需进行冷端温度补偿，在低温段精度比较差，且线性差。比较差，且线性差。第14页，共37页，编辑于2022年，星期日10-2 10-2 温度测量方法温度测量方法6.6.晶体管温度计晶体管温度计 原原理理：利利用用二二极极管管的的电电压压降降随随温温度度变变化化的的性性质。质。测温范围：测温范围：-200200-200200 测温范围：测温范围：晶体管（二

13、极管）。晶体管（二极管）。优优点点：测测量量精精度度高高，仪仪表表的的灵灵敏敏度度高高，线线性性好，便于自动记录。好，便于自动记录。缺点：缺点：测温范围有限，互换性差。测温范围有限，互换性差。上述六种温度计均为上述六种温度计均为接触式温度测量仪表接触式温度测量仪表。第15页，共37页，编辑于2022年，星期日10-2 10-2 温度测量方法温度测量方法7.7.辐射高温计辐射高温计 原理：原理：利用物体的辐射能随温度变化的性质。利用物体的辐射能随温度变化的性质。种种类类：光光学学高高温温计计、辐辐射射温温度度计计、部部分分辐辐射射测测温温计计及及比比色色测温计。测温计。测温范围：测温范围：100

14、20001002000，测温介质：测温介质：能量。能量。优优点点：感感温温元元件件不不破破坏坏被被测测介介质质的的温温度度场场，时时间间常常数数小小，测温范围广。测温范围广。缺点：缺点：只能测高温，低温段精度较差，环境条件会影响测只能测高温，低温段精度较差，环境条件会影响测量精度。量精度。第16页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 一、热电阻一、热电阻 热热电电阻阻是是利利用用某某些些金金属属导导体体或或半半导导体体的的电电阻阻随随温温度度的的变变化化而而改改变变的的性性质质（热热阻阻效效应应）进行工作的。本章只讲金属热电阻。进行工作的。本章只讲金属热

15、电阻。在在一一定定的的温温度度范范围围内内，金金属属导导体体的的电电阻阻与与温度温度的关系可用下式表达。的关系可用下式表达。第17页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器式中，式中，Rt温度为温度为t时的电阻值；时的电阻值；Rt0温度为温度为t0时的电阻值；时的电阻值；t-t0温度的变化，即温度的变化，即t=t-t0；温温度度在在t-t0之之间间金金属属导导体体的的平平均均电电阻阻温度系数温度系数第18页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 所所谓谓电电阻阻温温度度系系数数，就就是是温温度度每每变变化化1时时材材料料

16、电电阻阻的的变变化化率率。显显然然，越越大大，电电阻阻温温度度计计越越灵灵敏敏。当当电电阻阻与与温温度度的的关关系系为为非非线线性性时时，值值也也随随温温度度而而变变化化，所所以以用用平平均均温温度度系系数数来来表表达达。大大多多数数金金属属温温度度每每升升高高 1其其阻阻值值约约增增加加0.40.6%。作为作为热电阻的材料热电阻的材料应有较高的电阻温度系应有较高的电阻温度系数，最好电阻随温度呈数，最好电阻随温度呈线性线性变化，而且变化，而且比电阻比电阻大，化学稳定性好，易于提纯和复制，以及价大，化学稳定性好，易于提纯和复制，以及价格便宜等。工业生产中常用的热电阻材料有格便宜等。工业生产中常用

17、的热电阻材料有铂铂和和铜铜，其次是，其次是铁铁、镍镍等。等。第19页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 热敏电阻：热敏电阻：由金属氧化物（由金属氧化物（NiO,MnO2,NiO,MnO2,CuO,TiO3CuO,TiO3等）粉末按一定比例混合烧结而成等）粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。的半导体。阻值随温度上升而下降阻值随温度上升而下降。优点优点：电阻温度系数大、灵敏度高、分辨：电阻温度系数大、灵敏度高、分辨率高、体积小、热惯性小、响应速度快。率高、体积小、热惯性小、响应速度快。缺点缺点：非线性严重，老化较快，对环境温：非线性严重，老化较快，对环境温

18、度的敏感性大。度的敏感性大。第20页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 二、热电偶二、热电偶 1.1.工工作作原原理理：在在两两种种不不同同的的导导体体(金金属属或或合合金金)A)A、B B组组成成的的闭闭合合回回路路中中，如如果果两两接接合合点点温温度度不不同同，即即TTTT0 0在在回回路路中中就就有有电电流流产产生生。这这个个电电流流称称为为热热电电流流，产产生生热热电电流流的的电电动动势势称称为为热热电电势势。这种由于温度不同而产生热电势的现这种由于温度不同而产生热电势的现象称为象称为热电效应热电效应。这种现象是在。这种现象是在18211821

19、年首先由塞贝克（年首先由塞贝克（seebackseeback）发现的，）发现的，故称为故称为塞贝克现象塞贝克现象（塞贝克效应）。（塞贝克效应）。第21页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 热电势由两部分组成，即热电势由两部分组成，即接触电势接触电势和和温差温差电势电势。第22页，共37页，编辑于2022年，星期日 2.2.热热电电偶偶回回路路中中的的热热电电势势 对于由导体对于由导体A A和和B B组组成的热电偶，如下图成的热电偶，如下图所示，仍设所示，仍设N NA AN NB B，T TT T0 0，则热电偶回路，则热电偶回路中的总热电势中的总热电势

20、 E EABAB（T T，T T0 0）=e=eABAB(T T)+e)+eB B(T T,T T0 0)e eABAB(T T0 0)e eA A(T T,T T0 0)第23页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 由于由于温差电势温差电势比比接触电势接触电势小，又小，又TT0，所以在总电势，所以在总电势EAB（T，T0）中以导体中以导体A A，B B在在T T端的接触电势端的接触电势e eABAB（T T）所所当百分比最大，故总电势当百分比最大，故总电势EAB（T，T0）的方向取决于的方向取决于eAB(T)的方向，在热电势的方向，在热电势EAB（T，

21、T0）中规定写在前面中规定写在前面的的A A和和T T分别表示热电偶的分别表示热电偶的正极正极和和热端热端，写在后面的，写在后面的B B和和T0表示表示负极负极和和冷端冷端。总总热热电电势势与与电电子子密密度度N NA A、N NB B及及两两接接点点的的温温度度T T、T T0 0有有关关。所所以以当当热热电电偶偶的的材材料料一一定定时时，总总电电势势E EABAB（T T、T T0 0）就就成成为温度为温度（T T、T T0 0）的函数，的函数，E EABAB（T T，T T0 0）=f=f（T T）f f（T T0 0）第24页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度

22、传感器温度传感器 如如果果能能使使冷冷端端温温度度T T0 0固固定定，即即为为某某一一常常数数，则则对对一一定定的的导导体体材材料料，其其总总热热电电势势就就只只与与温温度度T T成单值函数关系，即成单值函数关系，即 E EABAB（T T，T T0 0）=f=f（T T）C=C=（T T）因此，只要测量出因此，只要测量出E EABAB（T T，T T0 0）即可得到被）即可得到被测温度测温度T T。第25页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器3.3.热电偶的基本定律热电偶的基本定律 用热电偶进行温度测量时，应满足用热电偶进行温度测量时，应满足三条基本

23、定律三条基本定律：1 1）均质导体定律）均质导体定律 由此定律可以得到如下结论：由此定律可以得到如下结论：（1）热电偶必须由）热电偶必须由两种不同两种不同性质的性质的材料材料构成。构成。（2）由一种材料组成的闭合回路中存在温差时，回路如）由一种材料组成的闭合回路中存在温差时，回路如产生热电势便说明该材料是不均质的。可以根据此结论产生热电势便说明该材料是不均质的。可以根据此结论检检查热电偶材料查热电偶材料的的均匀性均匀性。第26页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 2 2）中间导体定律）中间导体定律 在在热热电电偶偶回回路路中中，只只要要导导体体C C两

24、两端端的的温温度度相相同同，那那么么在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入中中间间导导体体后后对对热热电偶回路的总电势没有影响。电偶回路的总电势没有影响。3 3）中间温度定律）中间温度定律 接接点点温温度度为为T1T1和和T3T3的的热热电电偶偶，它它的的热热电电势势等等于于接接点点温温度度分分别别为为T1T1、T2T2和和T2T2、T3T3的的两两支支同同性质的热电偶的热电势的代数和，性质的热电偶的热电势的代数和，第27页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 由此定律可以得到如下由此定律可以得到如下结论结论：（1 1）已已知知热热电电偶偶在在某某一一给给

25、定定冷冷端端温温度度下下进进行行的的分分度度，只只要要引引入入适适当当的的修修正正，就就可可以以在在另另外外的的冷冷端端温温度度下下使使用用。这这就就为为制制定定热热电电偶偶的的热电势热电势温度关系分度表奠定了理论基础。温度关系分度表奠定了理论基础。（2 2）和热电偶具有同样性质的补偿导线）和热电偶具有同样性质的补偿导线可以引入到热电偶中，相当于把热电偶延长而可以引入到热电偶中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶的热电势。这就为工业测温中应不影响热电偶的热电势。这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。用补偿导线提供了理论依据。第28页，共37页，编辑于2022年，星期日 3.3.热电极材料和

26、常用热电偶热电极材料和常用热电偶 热电极材料应热电极材料应满足满足如下如下要求要求：物物理理稳稳定定性性要要好好，即即在在测测温温范范围围内内其其热热电电性性质质不不随随时时间而变化间而变化，以保证测量准确性。，以保证测量准确性。化学稳定性要高化学稳定性要高，即在高温下不被氧化和腐蚀。，即在高温下不被氧化和腐蚀。电电阻阻温温度度系系数数要要小小，导导电电率率要要高高，在在不不同同温温度度下下的电阻值相差不大。的电阻值相差不大。有有较较高高的的热热电电势势，即即在在测测温温范范围围内内，单单位位温温度度变变化化引引起起的的热热电电势势变变化化大大，这这样样有有利利于于提提高高仪仪表表的的测测量量

27、精度。精度。第29页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 热电势热电势和和温度温度之间最好成之间最好成线性线性或或近似线近似线性的单值函数关系性的单值函数关系，这样有利于温度的标定和，这样有利于温度的标定和测量。测量。材料复现性好，在使用上保证有良好的材料复现性好，在使用上保证有良好的互换性互换性。材料组织要均匀，要有良好的韧性，便材料组织要均匀，要有良好的韧性，便于加工成型。于加工成型。第30页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器 测量范围测量范围：-200-2003000C3000C；优点优点：精度高、测温范围

28、广、便于远距离和：精度高、测温范围广、便于远距离和多点测量。多点测量。热电偶的材料热电偶的材料：大多为纯金属与合金，或合：大多为纯金属与合金，或合金与合金相配。常见有镍铬考铜、铂铑铂、金与合金相配。常见有镍铬考铜、铂铑铂、镍铬镍硅、镍铬铜镍、铂铑铂铑等镍铬镍硅、镍铬铜镍、铂铑铂铑等第31页，共37页，编辑于2022年，星期日10-3 10-3 温度传感器温度传感器4.4.热电偶的结构热电偶的结构 普普通通热热电电偶偶的的结结构构如如图图所所示示。它它由由热热电电极极、绝绝缘缘套套管管、保护管保护管以及以及接线盒接线盒等部分组成。等部分组成。热热电电极极：构构成成热热电电偶偶两两种种材材料料为为

29、热热电电极极，贵贵重重金金属属的的热热电电极极直直径径为为0.30.65mm0.30.65mm，普普通通金金属属热热电电极极的的直直径径一一般般为为0.53.2mm0.53.2mm。热电极的长度通常为。热电极的长度通常为3502000mm3502000mm。绝缘套管绝缘套管：它的作用是防止两个热电极短路。：它的作用是防止两个热电极短路。保保护护套套管管：保保护护套套管管的的作作用用是是保保护护热热电电偶偶不不受受化化学学腐腐蚀蚀和机械损伤。和机械损伤。接接线线盒盒：一一般般由由铝铝合合金金制制成成，供供热热电电偶偶与与补补偿偿导导线线连连接接之之用。用。第32页，共37页，编辑于2022年，星

30、期日10-4 10-4 温度的测量与标定温度的测量与标定 一、温度测量系统一、温度测量系统 典型的温度测量系统如图所示。该系统由一次仪表典型的温度测量系统如图所示。该系统由一次仪表（温度传感器：热电偶或热电阻）、二次仪表（温度变送（温度传感器：热电偶或热电阻）、二次仪表（温度变送器）和数据采集、处理、输出部分（器）和数据采集、处理、输出部分（A/DA/D转换器和计算机）转换器和计算机）组成。组成。第33页，共37页，编辑于2022年，星期日10-4 10-4 温度的测量与标定温度的测量与标定 二、温度的标定二、温度的标定 建建立立计计算算机机所所采采集集的的电电压压值值与与待待测测温温度度之之

31、间间的关系，称为作温度信号的标定。的关系，称为作温度信号的标定。其方法是将温度传感器置于恒温油浴中，以其方法是将温度传感器置于恒温油浴中，以大于温度传感器的热响应时间作为稳定周期。大于温度传感器的热响应时间作为稳定周期。分别将温度调至不同点，由计算机采集温度变分别将温度调至不同点，由计算机采集温度变送器输出的相应在线电压值。然后确定整个系送器输出的相应在线电压值。然后确定整个系统的仪表常数，具体方法如下：统的仪表常数，具体方法如下：第34页，共37页，编辑于2022年，星期日10-4 10-4 温度的测量与标定温度的测量与标定待测温度与所采集电压之间的关系为：待测温度与所采集电压之间的关系为：

32、T=TT=T0 0+U +U 式中，式中，T T待测温度，待测温度，；T T0 0零点迁移温度，零点迁移温度，；U U采集的电压值，采集的电压值，V V；待定常数；待定常数；/V/V。设在温度标定中获得设在温度标定中获得n n组数据（组数据（U U1 1，T T1 1）、）、（U U2 2，T T2 2）、）、。根据最小二乘法，可得到下。根据最小二乘法，可得到下列关于列关于的方程组：的方程组：第35页，共37页，编辑于2022年，星期日10-4 10-4 温度的测量与标定温度的测量与标定求解上式，可得求解上式，可得之值。之值。第36页，共37页，编辑于2022年，星期日第37页，共37页，编辑于2022年，星期日