1、1,第十章 溫度測量,2,10.1 概述,一、溫度的基本概念和測量方法 宏觀概念-是物體冷熱程度的表示. 熱平衡的兩物體，其溫度相等。 微觀概念-是大量分子運(yùn)動(dòng)平均強(qiáng)度的表示。 分子運(yùn)動(dòng)愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。,3,一、溫度的基本概念和測量方法,溫度量的特殊性: 1. 二溫度不能相加或相減； 2. 無標(biāo)準(zhǔn)量直接進(jìn)行比較測量； 3. 溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。,4,用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。 它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測量溫度的基本單位。 目前國際上用的較多的溫標(biāo)有經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)(華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)等)、熱力學(xué)溫標(biāo)。,二、 溫標(biāo),5,二、 溫標(biāo),1.經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo) 以物體熱

2、脹冷縮現(xiàn)象為基礎(chǔ)。 認(rèn)為選定的測溫物質(zhì)體積的變化與溫度成線性關(guān)系。 把在兩溫度點(diǎn)之間體積的總變化分為若干等分，每個(gè)等分定義為1度。 按這個(gè)原則建立的有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo) 。,6,攝氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計(jì)。規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)為0度，沸點(diǎn)為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對應(yīng)每份的溫度定義為1攝氏度，單位為“oC”； 華氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀溫度計(jì)，按照華氏溫標(biāo)，水的冰點(diǎn)為32oF，沸點(diǎn)是212oF。分成180等份，對應(yīng)每份的溫度為1華氏度，單位為“oF”。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為：,7,2.熱力學(xué)溫標(biāo),熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開爾文溫標(biāo)，或稱絕對溫標(biāo)。 分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為

3、絕對零度； 熱力學(xué)溫標(biāo)（符號為T）它的單位為開爾文（符號為K），定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16。 相當(dāng)攝氏溫標(biāo)0，華氏溫標(biāo)32的開氏溫標(biāo)為273.15K。,8,三、測溫方法與測溫儀器的分類,溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。 1. 接觸式測溫 測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換達(dá)到熱平衡，這時(shí)感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。 優(yōu)點(diǎn)：直觀可靠。 缺點(diǎn): 感溫元件影響被測溫度場的分布； 接觸不良等帶來測量誤差； 高溫和腐蝕性介質(zhì)影響感溫元件的性能和壽命。,9,2、非接觸式測溫 感溫元件不與被測對象相接觸，而通過熱輻射進(jìn)行熱交換； 具有較高的

4、測溫上限； 熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于測量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度。,10,3、測溫儀器,接觸式測溫儀器 膨脹式溫度計(jì)（包括液體和固體膨脹式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)）：利用物體熱脹冷縮原理 電阻式溫度計(jì)（包括金屬熱電阻溫度計(jì)和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)）：利用電阻隨溫度變化的特性 熱電式溫度計(jì)（包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計(jì)以及其它原理的溫度計(jì)）：利用熱電效應(yīng) 非接觸式溫度計(jì) 可分為輻射溫度計(jì)、亮度溫度計(jì)和比色溫度計(jì)，由于它們都是以熱輻射為基礎(chǔ)，故也統(tǒng)稱為輻射溫度計(jì)。,11,10.2 膨脹式溫度計(jì),1. 液體膨脹式溫度計(jì) 由液體儲存器、毛細(xì)管和標(biāo)尺組成。 測溫上限取決于所用液體汽化點(diǎn)的溫度，下限

5、受液體凝點(diǎn)溫度的限制。 為防止毛細(xì)管中液柱出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，并提高測溫液體的沸點(diǎn)，常在毛細(xì)管中液體上部充以一定壓力的氣體。,12,13,液體玻璃溫度計(jì)分全浸式和部分浸入式兩種。 全浸：測溫時(shí)把液柱部分全部浸入被測介質(zhì)中。 部分浸入：把溫度計(jì)部分插入被測介質(zhì)中。 全浸式測量精度較高，故多用于實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，部分浸入式用于一般工業(yè)測溫。,修正值計(jì)算：,14,2、固體膨脹式溫度計(jì) 利用兩種材料的膨脹系數(shù)不同的原理制成，分為桿式和雙金屬式兩大類。 范圍：-30600oC； 精度：0.5-1.0級,15,16,雙金屬片溫度計(jì) 雙金屬片溫度計(jì)是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固結(jié)合在一起而制成，一端固定，另一

6、端為自由端。 當(dāng)溫度變化時(shí)，由于兩種材料的膨脹系數(shù)不同而使雙金屬片的曲率發(fā)生變化，自由端產(chǎn)生位移，經(jīng)傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針指示溫度值。 為了滿足不同用途的要求，雙金屬元件制成各種不同的形狀。,17,18,10.3 熱電偶溫度計(jì),熱電偶是當(dāng)前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應(yīng)。 （一）熱電效應(yīng)及基本定律 兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸點(diǎn)（稱為結(jié)點(diǎn)）溫度t和t0不同時(shí)，回路中即產(chǎn)生電勢，并有電流流通，這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,19,稱回路電勢為熱電勢。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中與被測介質(zhì)接觸的一個(gè)稱為測量端或工作

7、端、熱端，另一個(gè)稱為參考端或自由端、冷端。 (切記 兩線 兩端 ),20,熱電勢的組成,兩根異質(zhì)材料的接觸電勢 導(dǎo)線兩端的溫差電勢,21,（1）兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢,兩種導(dǎo)體A、B接觸時(shí)，由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子密度不同，如果NANB，電子密度大的導(dǎo)體A中的電子就向電子密度小的導(dǎo)體B擴(kuò)散，導(dǎo)體A失去電子而具有正電位，導(dǎo)體B由于接收了電子而具有負(fù)電位。這樣在擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)A、B之間就形成了一個(gè)電位差。這個(gè)電位差稱為接觸電動(dòng)勢。,22,EAB(T)- A、B兩種材料在溫度為T時(shí)的接觸電動(dòng)勢； K- 玻耳茲曼常數(shù)（1.3810-23J/K）； e為電子電荷（1.602189210-19C）； NA(

8、T)、NB(T)為A、B兩種材料在溫度T時(shí)的自由電子密度。,23,回路中總的接觸電勢為：,24,（2）單一導(dǎo)體中的溫差電動(dòng)勢 對單一金屬導(dǎo)體，兩端溫度不同，兩端的自由電子就具有不同的動(dòng)能。溫度高則動(dòng)能大，動(dòng)能大的自由電子就會(huì)向溫度低的一端擴(kuò)散。失去了電子的這一端就處于正電位，而低溫端由于得到電子處于負(fù)電位。這樣兩端就形成了電位差，稱為溫差電動(dòng)勢。,25,在整個(gè)閉合回路中產(chǎn)生的總電動(dòng)勢EAB(T,T0)可表示為:,對于由A、B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路，在A、B兩導(dǎo)體上產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢之和為：,26,熱電偶總電動(dòng)勢與電子密度NA、NB及兩節(jié)點(diǎn)溫度T、T0有關(guān)，電子密度取決于熱電偶材料的特性。當(dāng)熱電偶

9、材料一定時(shí)，熱電偶的總電動(dòng)勢EAB(T，T0)成為溫度T和To的函數(shù)差，即,如果T0固定，則：,27,(二) 熱電偶基本定律,（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律 由均質(zhì)材料構(gòu)成的熱電偶，熱電動(dòng)勢的大小只與材料及結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。與熱電偶的尺寸大小、形狀及沿電極溫度分布無關(guān)。如材料不均勻，由于溫度梯度的存在，將會(huì)有附加電動(dòng)勢產(chǎn)生。,28,（2）中間導(dǎo)體定律 將A、B構(gòu)成的熱電偶的T0端斷開，接入第三種導(dǎo)體C，只要保持第三導(dǎo)體兩端溫度相同，接入導(dǎo)體C后對回路總電動(dòng)勢無影響。,29,（3）連接導(dǎo)體定律,在熱電偶回路中，如果熱電極A、B分別與連接導(dǎo)線A、B相連接，結(jié)點(diǎn)溫度分別為T、Tn、T0 ，那么回路的熱電勢將等于熱電

10、偶的熱電勢EAB(T,Tn ) 與連接導(dǎo)線A、B在溫度Tn、T0 時(shí)熱電勢 EAB(T,Tn ) 的代數(shù)和，即 ：,EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),30,如A與A、B與B材料相同，且結(jié)點(diǎn)溫度分別為T、Tn、T0時(shí)，有： 熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電勢值EAB(T,T0 )，等于熱電偶在(T,Tn ) 、 (Tn,T0 ) 時(shí)相應(yīng)的熱電勢EAB(T,Tn )與 EAB(Tn,T0 ) 的代數(shù)和。如下式所示：,EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),（3）連接導(dǎo)體定律,連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測量的理論基礎(chǔ)。

11、,31,（4）中間溫度定律,在熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢，等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為T、Ta和Ta、T0時(shí)熱電動(dòng)勢的代數(shù)和，即,已知參比端為0oC時(shí)的熱電勢和溫度的關(guān)系，則兩端點(diǎn)在任意溫度時(shí)的熱電勢為：,32,（5）標(biāo)準(zhǔn)電極定律,兩種導(dǎo)體A、B分別與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶，如果A、C和B、C熱電偶的熱電動(dòng)勢已知、那么這兩種導(dǎo)體A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的電動(dòng)勢可由下式求得,33,(四) 熱電偶的參比端處理,為使熱電偶的熱電動(dòng)勢與被測量間呈單值函數(shù)關(guān)系，熱電偶的參比端溫度必須固定。 熱電偶的溫度熱電動(dòng)勢關(guān)系以及分度表是在參比端為0C得到的?？刹捎靡韵路椒ㄌ幚怼?(1) 0C恒溫法

12、將冰水混合物放置在保溫容器中，使熱電偶的參比端保持在穩(wěn)定的0C環(huán)境。,34,（2）參比端溫度修正法,當(dāng)熱電偶參比端為不等于0 C時(shí)，需對儀表的示值加以修正。修正公式： ( 中間溫度定律),35,(3）電橋補(bǔ)償法,36,（4）補(bǔ)償導(dǎo)線的應(yīng)用,補(bǔ)償導(dǎo)線就是用熱電性質(zhì)與熱電偶相近的材料制成導(dǎo)線，用它將熱電偶的參比端延長到需要的地方，而且不會(huì)對熱電偶回路引入超出允許的附加測溫誤差； 國際電工委員會(huì)也制定了補(bǔ)償導(dǎo)線國際標(biāo)準(zhǔn)，適合于標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶使用。,37,38,10.4 電阻溫度計(jì),利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化這一性質(zhì)做成的溫度計(jì)稱為電阻溫度計(jì)。 大多數(shù)金屬在溫度升高1C 時(shí)電阻將增加0.40.6。

13、 半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高1 C ，電阻約減小26。 目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳。,39,(一) 鉑電阻溫度計(jì),鉑是一種貴金屬。它的特點(diǎn)是精度高，性能穩(wěn)定性，耐氧化性能很強(qiáng)。鉑在1200C以下都能保證上述特性。 鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，可制成很細(xì)的鉑絲（0.02mm或更細(xì)）或極薄的鉑箔。與其它材料相比，鉑有較高的電阻率，因此普遍認(rèn)為是一種較好的熱電阻材料。 缺點(diǎn)：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較??； 價(jià)格貴,40,在0C 以上，其電阻與溫度的關(guān)系接近于直線，其電阻溫度系數(shù)A為3.8510-3/C 。 按IEC標(biāo)淮，使用溫度已擴(kuò)大到-200850 C，

14、初始電阻有100和10兩種。,41,(二) 銅電阻溫度計(jì),在測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地使用銅電阻。 它可用來測量-50+150C的溫度，在這溫度范圍內(nèi)，銅電阻和溫度呈線性關(guān)系：,42,銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率小。 制成相同阻值的電阻時(shí)，銅電阻絲要細(xì)，這樣機(jī)械強(qiáng)度就不高，或者就要長，使體積增大。 銅很容易氧化，所以它的工作上限為150 C 。但銅電阻價(jià)格便宜，因此仍被廣泛采用。 初始電阻有100和50兩種。,43,材料：,特點(diǎn)：,分類：,（1）溫度系數(shù)大 靈敏度高 （為熱電阻10-100倍）,（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小 可以測量點(diǎn)溫度,（3）電阻率高、熱慣性小 適于動(dòng)態(tài)測溫,（4）易于維護(hù)

15、、使用壽命長 適于現(xiàn)場測溫,（5）互換性差，非線性嚴(yán)重，精度低,正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC),負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC),臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR),半導(dǎo)體 - 半導(dǎo)體熱電阻,（6）成本低，應(yīng)用廣泛,非線性,(三) 半導(dǎo)體熱敏電阻,44,(四) 熱電阻測量電路,熱電阻把溫度量轉(zhuǎn)換成電阻量，測量電阻通?？衫脷W姆表或電橋。,w平衡電橋法 如果電阻R1=R2，當(dāng)熱電阻Rt阻值隨溫度變化時(shí)，調(diào)節(jié)電位器Rw的電刷位置x，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有,L、R0電位器有效長度和總電阻 x電刷位置,45,(五) 電阻溫度計(jì)的測溫誤差,熱電阻測溫系統(tǒng)的誤差包括： 熱電阻的基本誤差 指示儀表的誤差 電阻體自熱

16、誤差 引線電阻誤差,46,電阻溫度計(jì)的測溫誤差之一,自熱誤差 由流過電阻體的電流引起 電流 ，輸出信號 ，自熱誤差 一般工業(yè)熱電阻工作電流被限制在6mA以內(nèi)，這樣自熱溫差就不會(huì)超過0.1C。,47,引線電阻誤差 電路中兩根連線的電阻隨環(huán)境溫度變化時(shí)，全部變化量都加在同一橋臂上，帶來連線誤差。 為了減小該項(xiàng)誤差，一般采用三線連接法，將熱電阻的兩根連線分別置于相鄰兩橋臂內(nèi)，溫度引起連線電阻的變化對電橋的影響相互抵消。,48,三線制接法,49,二線制接法 要求引線電阻不超過銅電阻R0的0.2%,50,四線制接法 電位差計(jì)測量電阻電路,51,(五) P-N結(jié)與集成電路溫度傳感器,1、鍺和硅二極管的正向

17、壓降以-2mV/C的斜率隨溫度變化； 2、晶體管的基極-發(fā)射極電壓Vbe與溫度基本成線性關(guān)系。 集成電路溫度傳感器將溫敏晶體管與激勵(lì)電路、放大電路等輔助電路集成在同一塊芯片上，能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出，一般用于-55150之間的溫度測量，AD590（1A/C），ICL8073（1mV/C ）.,52,10.5 光輻射測溫方法及儀表,非接觸測溫利用光輻射來測量物體溫度 1、任何物體溫度高于絕對零度（-273.16C）時(shí)，都將有熱輻射，溫度越高，則發(fā)射到周圍空間的能量就越多。 2、輻射能以波動(dòng)形式表現(xiàn)出來，其波長的范圍極廣，從短波、x光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。 3、溫度

18、測量中主要是可見光和紅外光，因?yàn)榇祟惸芰勘唤邮找院?，多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使物體的溫度升高，所以一般就稱為熱輻射。,53,輻射測溫特點(diǎn)： 非接觸測量 - 不影響被測溫度分布 響應(yīng)速度快：對高速運(yùn)動(dòng)物體測溫。 靈敏度高，能分辨微小的溫度變化； 測量范圍廣(-101300C)； 抗干擾能力強(qiáng)，無需修正。,54,一、熱輻射基本定律,(一) 基爾霍夫定律 (二) 斯忒潘玻耳茲曼定律 （三）普朗克定律 （四）維恩位移定律,55,出射輻射能與吸收輻射能的一致性 輻通量：單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的輻射能，又稱輻射功率，SI單位為瓦。,(一) 基爾霍夫定律,光譜吸收率 ： -表示物體對輻射到其上的輻通量可吸收的比例。,

19、式中， 為被物體吸收的輻通量； 為照射到物體單位面積上的輻通量。,56,基爾霍夫定律,57,基爾霍夫證明了：,輻射出射度：從輻射源表面單位面積發(fā)射出的輻通量，某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。,58,基爾霍夫定律：在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。,59,結(jié)論：,則：物體的光譜發(fā)射率等于其光譜吸收率。,吸收輻射能力強(qiáng)的物體，受熱后向外輻射的能力也強(qiáng)；,60,(二)斯忒潘玻耳茲曼定律 物體輻射出射度與溫度間的關(guān)系,溫度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長的輻射出射度 與溫度T的

20、四次方成正比。,輻射式溫度計(jì)測溫的理論根據(jù)。,61,（三）普朗克定律（單色輻射強(qiáng)度定律）,式中， c光速； h普朗克常數(shù)，6.62617610-34Js； k波爾茲曼常數(shù)，1.3806624410-23J/K； C1第一輻射常數(shù)，3.741810-16Wm2； C2第二輻射常數(shù)，1.438810-12mK； T絕對溫度。,溫度為T的單位面積元的絕對黑體，在半球面方向所輻射的波長為的輻射出射度為,描述輻射能量在各波長上的分布關(guān)系,也可以用輻射亮度來表示：,62,（四）維恩位移定律 最大輻射波長與溫度的關(guān)系,熱輻射光譜中包含著各種波長，從實(shí)驗(yàn)可知，物體峰值輻射波長 與物體自身的絕對溫度T成以下關(guān)系

21、,63,溫度升高： 單色輻射強(qiáng)度隨溫度升高而增加； 總輻射能量增加； 峰值波長減小。,每一條曲線下的面積表示該溫度下物體輻射能量的總和，與溫度的四次方成正比。,64,二、輻射溫度計(jì),（一）全輻射溫度計(jì) 利用物體的溫度與總輻射出射度的關(guān)系來測量溫度的。根據(jù)斯忒潘一玻耳茲曼定律總輻射出射度為：,65,采用敏感元件測量出輻射功率的大小，就可以測量出被測對象的溫度； 主要由光學(xué)系統(tǒng)、輻射接收器、測量儀表和輔助裝置組成； 可用于測量-5020000C的高溫； 對物體黑度系數(shù)的估計(jì)偏差會(huì)給儀表帶來誤差； 環(huán)境溫度的變化也會(huì)使儀表產(chǎn)生誤差。,二、輻射溫度計(jì),66,被測物與儀表之間的距離要滿足距離系數(shù)要求： L/D（傳感器前端面到被測對象表面的距離與被測對象的有效直徑之比） 進(jìn)行正確瞄準(zhǔn)，使目標(biāo)的像充滿接收器，不能偏離，否則也會(huì)產(chǎn)生誤差。,67,應(yīng)該注意：儀表是以絕對黑體輻射功率與溫度的關(guān)系分度的，而實(shí)際使用時(shí)，被測物體并不是黑體，這樣測出的溫度自然要低于被測物體的實(shí)際溫度。這個(gè)溫度被稱為 “輻射溫度”。,T和TF分別