第二章温度检测课件

第二章的问题1.常用的测温方法有哪些？2.常用的温度计有哪些？其测温范围如何？3.热电阻在测量电路中如何连接？4.哪种温度计可作为复现温标的基准？5.为什么热电偶是工业上首选的测温传感器？6.热电偶是如何测温的？7.冷端温度如何补偿？8.多支热电偶如何共用一台显示仪表？2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 1第二章的问题常用的测温方法有哪些？2023/8/11轮 机第二章第二章 温度检测温度检测一、温度一、温度 温度是一个基本物理量，表征物体的冷热程度。二、温标二、温标 温标是用来量度温度高低的尺度。(1)常用温标：热力学温标T（K）、摄氏温标t(C)、华氏温标t(F)(2)换算关系：t(F)=9/5 t(C)+32 F T(K)=273.15+t(C)摄氏温标摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“oC“100 等分0 C100 C1 C2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 2第二章 温度检测一、温度100 等分0 C100 C C太太阳阳表面表面5000 C灯丝灯丝2500 C火火焰焰1000 C沸腾沸腾的水的水 100 C人人体体 37 C熔化的冰熔化的冰 0 C冷藏食品冷藏食品20 C三、温度计三、温度计 制定了温标后，就可以用温度计度量温度。中新社记者从中科院合肥物质科学研究院获悉，中国中新社记者从中科院合肥物质科学研究院获悉，中国“人造人造太阳太阳”EASTEAST物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到物理实验获重大突破，实现在国际上电子温度达到50005000万度持续时间万度持续时间达达102秒秒的等离子体放电，标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前的等离子体放电，标志着中国在稳态磁约束聚变研究方面继续走在国际前列。列。EAST既定科学目标是实现既定科学目标是实现1亿度亿度1000秒的等离子体放电。秒的等离子体放电。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 3C太阳表面灯丝2500 C火焰沸腾的水 100 C四、温度测量四、温度测量 温度测量是内燃机、动力装置及其它热力系统测试的重要项目之一。动力工程中常用的测温效应有以下几种：第一种，物理状态的变化。如采用易熔合金测量零件温度。第二种，化学状态的变化。如示温涂料。第三种，物体体积的变化。如双金属温度计、玻璃水银温度计及压力式温度计等。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 4四、温度测量2023/8/11轮 机 工 程 测 第四种，电性能变化。如热电阻温度计、热敏电阻和热电偶等。第五种，辐射能力的变化。如光学高温计、红外辐射温度计 第六种，物体硬度的变化。如采用硬度法测量高温零件温度。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 5 第四种，电性能变化。如热电阻温度计、热敏电阻和热电偶五、测温方法五、测温方法 按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。1.1.接触式测温接触式测温 接触式的特点是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，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参效的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。2 2、非接触式测温、非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故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，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 6五、测温方法 按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非2-1 玻璃管液体温度计这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计。利用液体体积随温度升高而膨胀的原理制成。水银温度计有机液体温度计（酒精，甲苯等）膨胀室刻度标尺毛细管感温包 水银温度计用得最多，普通的水银温度计的测温范围在-38356 之间。在200以下，水银的膨胀系数几乎和温度呈线性关系，故可作为精密的标准温度计。为了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。如果在水银上面空间充以一定压力的氮气，玻璃材料用石英玻璃，测温范围可高达1200。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 72-1 玻璃管液体温度计这是应用最早而且当前使用最广泛的可调电接点式水银温度计 液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。全浸是指测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。部分浸入是把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测量精度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温，部分浸入式水银温度计常刻有校正时浸入量的刻度，在使用时若室温和浸入量均与校正时一致，所示温度是正确的。使用时，如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入，部分浸入式温度计露出部分的环境温度与标定时不一致，就会产生测量误差，故必须进行修正。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 8可调电接点式水银温度计 液体玻璃温度计分为全浸式和部分 修正方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液柱部分的平均温度，如图所示，并按下式估算温度修正量t，即式中：t 为温度修正值，被测温度的正确值为 t+t n为露出液柱所占的度数 t 为温度计示值或标定时露出部分的温度 t0为辅助温度计测出的液柱露出部分的平均温度 K为工作液体的膨胀系数(水银 K0.00016/,有机液K 0.00124/)?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 9 修正方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液2-2 压力式温度计 压力式温度计由于其抗振性好,价格便宜,被大量用在随机仪表盘或控制台仪表盘上,用以监测发动机及其装置的运行状况。根据密闭系统内工作介质不同，压力温度计可分为3类：1.液体压力式温度计 液体压力式温度计密闭系统内充满液体工质(如水银、甲醇)，利用液体体积随温度变化的特性进行测温。由于液体工质的线膨胀系数与温度呈线性关系，因此仪表盘刻度均匀，缺点是感温包与弹簧之间高度差的变化回带来静压误差，环境温度的变化也会导致误差。测温范围为-40200。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 102-2 压力式温度计 压力式温度计由于其抗振性好,2.气体压力式温度计 气体压力式温度计的工作原理是利用密闭系统内气体压力随温度变化的特性。所充气体通常为化学性质稳定、物理性质接近理性气体的氮或氦。其压力与温度也呈线性关系，因此表盘刻度均匀。一般感温包较大，且充气的原始压力较高。测温范围为-80550。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 11 2.气体压力式温度计2023/8/11轮 机 工 3.蒸汽压力式温度计 密闭系统内封入约占感温包容积2/3的挥发性液体（如丙烷、氯甲烷、丙酮等），其余容积充满了该液体的饱和蒸汽。测温范围为-20200。根据道尔顿(Dalton)蒸汽定律，如果同时存在液汽两相，则饱和蒸汽压力仅取决于温度，而与容器尺寸无关。根据这个原理，可以测量压力而知道温度大小。当感温包温度上升时,饱和蒸汽压力急剧增加,因此这种温度计灵敏度高，响应快。环境温度变化对毛细管内的蒸汽压力无影响，其压力由感温包的温度决定。优点：感温包较小，毛细管可较粗，结构简单，价格便宜。缺点：压力与温度的关系为非线性，表盘刻度不均匀，刻度误差较大，测量范围小。注意：使用时，感温包应立装，而不可倒装。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 12 3.蒸汽压力式温度计?2023/8/11轮 机 2-3 双金属温度计 双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 132-3 双金属温度计 双金属感温元件是由膨双金属温度计的测温范围为-100600。优点：抗振性能好，坚固缺点：精度较低，精度等级为1.0级、1.5 级、2.0级、2.5级和4.0级用途：常用于柴油机、废气涡轮增压器和废 气锅炉前后排气温度指示?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 14双金属温度计的测温范围为-100600。?2023/8/2-4 电阻式温度计一、热电阻变换器一、热电阻变换器 导体的电阻值一般是温度的函数，因此，通过测量电阻也可以知道温度。作为实际测温的热电阻变换器的材料要求有：较高的电阻温度系数；大的电阻率；稳定的物理化学性能；电阻与温度间为简单的函数关系；容易加工制造；互换性和复现性好等。为此，现代工业上使用的热电阻变换器材料只限于纯金属丝，铂丝和铜丝用得最广泛。电阻温度计：利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计大多数金属在温度升高1 C 时电阻将增加0.40.6。半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1 C，电阻约减小36。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 152-4 电阻式温度计一、热电阻变换器互换性和复现性好等1.铂热电阻 铂在氧化性介质中物理化学性能都非常稳定，能耐较高的温度，容易得到高纯度的铂，有良好的复现性，电阻率较大，应用温度范围宽，并且测量精度高，在国际实用温标中，在-259.34630.74OC温度范围内，铂热电阻作为复现温标的基准。缺点是在还原性介质中，特别是高温下很容易被从氧化物中还原出来的金属蒸汽所玷污，使铂丝变脆，并改变它的电阻与温度间的关系。铂电阻的测量精度和稳定性取决于所用铂的纯度。铂的纯度以其100oC时的电阻R100与0oC时的电阻R0的比值来表示。比值愈大，表示纯度愈高。对于标准铂电阻温度计，规定比值不小于1.3925：工业用的铂电阻温度计，比值为1.3912024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 161.铂热电阻2023/8/11轮 机 工 程 测 类似于热电偶，也把热电阻值与温度的关系制成分度表，以便查用。与热电阻配套的显示仪表的刻度也是根据分度表来确定的。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 17 类似于热电偶，也把热电阻值与温度的关系制成分度表，以2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 182023/8/11轮 机 工 程 测 试 技 2.铜热电阻 铜热电阻容易提纯和加工，价格便宜，有较高的电阻温度系数。电阻与温度的关系是线性的。铜热电阻的主要缺点是电阻率小，因此体积大，热惯性大。在150oC以上时易氧化，机械强度也显著下降，所以铜热电阻只能在150oC以下工作。我国采用的铜热电阻分度号为Cu50(R0=50)和Cu100(R0=100)两种。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 192.铜热电阻2023/8/11轮 机 工 程 测 二、热电阻传感器二、热电阻传感器 普通型热电阻传感器外形很像普通型热电偶传感器。感温元件主要由热电阻变换器、骨架和引出线组成。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 20二、热电阻传感器2023/8/11轮 机 工 程 测2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 212023/8/11轮 机 工 程 测 试 技 2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 222023/8/11轮 机 工 程 测 试 技 图5-17(b)所示铂热电阻感温元件是把铂丝绕在锯齿形云母片骨架上，然后用两片无锯齿云母片夹住，再用绑带扎紧。适用于500oC以下的温度测量。图5-17(c)是一种石英玻璃圆柱做骨架的铂热电阻。石英玻璃具有良好的绝缘和耐高温的性质，因此适用于500oC以上温度的测量。为了消除电感的影响，所有热电阻感温元件均采用双线绕法。热电阻也像热电偶一样，还可以制成铠装式的新型传感器结构。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 23 图5-17(b)所示铂热电阻感温元件是把铂三、测量仪器和方法三、测量仪器和方法 1.直流电桥 可用直流电桥测量热电阻的电阻值，从而确定热电阻所感受的温度。为了减小导线电阻随环境温度变化而变化对测量的影响，希望导线电阻相对热电阻值要尽量小。另外，还可以通过线路进行补偿。常用补偿方法有：三端连接；四端连接。电桥测量可分为零平衡电桥与偏差电桥（零平衡电桥仅适用于测量静态或变化缓慢的温度）。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 24三、测量仪器和方法（零平衡电桥仅适用于测量静态或变化缓慢的温2.电子式自动平衡交流电桥 电子式自动平衡交流电桥是零平衡电桥，只是电桥平衡是由测量装置自动调节。当Rt 随温度变化时，电桥失去平衡，输出端A和B 便有响应电压信号输送给放大器。经放大后，驱动可逆伺服电机转动。通过传动机构，一方面带动滑线电阻RW 的触头移动，使电桥恢复平衡；另一方面传动机构驱动指针和记录笔移动，指示出被测温度，并在由同步电机驱动的记录纸上绘出温度变化曲线。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 252.电子式自动平衡交流电桥?2023/8/11轮 机 工四、半导体热敏电阻四、半导体热敏电阻热敏电阻是由氧化锰、氧化镍、氧化铁等金属氧化物烧结而成的。(1)温度-电阻关系：(2)常用温度范围：-100300 C(3)优点：温度系数大（负电阻温度系数）、灵敏度高、不受引线电阻影响，便于远距离测量，可制成任意大小和形状，薄膜热敏电阻的响应可到毫秒量级。(4)缺点：无统一分度表、非线性严重、互(1)换性差、不适于高温测量。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 26四、半导体热敏电阻?2023/8/11轮 机 工 程 2-5 热电偶温度计一、热电变换器一、热电变换器热电偶热电偶 1.工作原理 把两种不同的金属导线连接成闭合回路。当两接点温度不同时，则在回路中有电流I 通过，成为热电流。若在任意一点切断回路，在断点处则有电动势E ，称为热电势。上述现象称为热电效应。它是1821年由塞贝克(Seebeck)首先发现的，因此也成为塞贝克效应。装配式热电偶装配式热电偶2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 272-5 热电偶温度计一、热电变换器热电偶装配式热电偶 热电势有两个来源：一个是由于两种不同金属相接触的接点温度不同而引起的接触电势；另一个是由于同一导体两端温度不同而引起的温差电势。回路总热电势为：2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 28 热电势有两个来源：回路总热电势为：2023/8/11 上式表明，热电势仅由热电偶材料及两个接点的温度所决定。一般来说，一个接点是测量待测的未知温度，称为热端或测量端；另一个接点通常保持一定温度，称为冷端或参考端。这样，热电势就仅为测量温度的函数。装配式热电偶装配式热电偶镍铬镍铬-镍硅镍硅 热电偶内芯热电偶内芯铠装热电偶铠装热电偶 2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 29 上式表明，热电势仅由热电偶材料及两个接点的温 （2）中间导体定律 在热电偶回路中引入中间金属时，只要这第三种金属引入的两个接点处温度相同，就不会影响净电动势。中间导体定律表明：可以把测量热电势的装置接入到回路中的任意点，只要全部接点均处于同样的温度下，则不会影响净电动势。2.热电偶的定律 （1）均质导体定律：在一种均质导体组成的闭合回路中，仅用加热的方法使导体内产生温度梯度，是不能产生热电势的。均质导体定律表明：对任何热电偶电路，必须要有两种不同的导体材料组成。ABCt0t2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 30 （2）中间导体定律 2.热电偶的定律ABCt0t 在制造热电偶中，可以使用接合材料。热电偶可以直接放在导体或非导体的表面上或直接嵌入内部，都不会改变热电偶的使用效果。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 31 在制造热电偶中，可以使用接合材料。热电偶可以直接放在 中间温度定律说明；可以只在某一参考温度下分度热电偶，在其它参考端温度时，只须加上一个修正值即可；在(t2，t3)间使用的是与热电偶(A，B)的热电特性相似的补偿导线时，对测量结果没有影响。（3）中间温度定律 由A、B两种材料组成的热电偶，当接点温度为t1、t2时产生的热电势为EAB(t1，t2)，接点温度为t2，t3时产生的热电势EAB(t2,t3)，则接点温度为t1,t3时其热电势为（5-4）t1t2t32024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 32 中间温度定律说明；可以只在某一参考温度下分度热电偶，2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 332023/8/11轮 机 工 程 测 试 技 二、热电极材料和常用热电偶二、热电极材料和常用热电偶 理论上任何两种不同性质的导体都可组成热电偶。但作为实际的测温元件，对导体的具体要求是：热电势对温度的变化率应足够大，即灵敏度高；热电势与温度间应是简单的函数关系，并尽可能是线性关系；在测量温度范围内其热电性能稳定，不随时间变化；物理化学性能稳定，抗氧化还原性能好，不受化学腐蚀，能在较宽的温度范围内应用；电阻温度系数小，电导率高，热导率小；复制性及加工性好，利于互换，便于批量生产，且价格便宜。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 34二、热电极材料和常用热电偶2023/8/11轮 机 工 实际上目前没有材料能同时满足上述全部要求，轮机工程测试中应用较多的热电偶有如下几种：（1）铂铑10铂热电偶（分度号S）长时间测温范围为-501768OC。测量精度高，复制性好，物理化学稳定性好，常作为标准热电偶，国际上还规定：在国际实用温标中，在630.741064.43OC温度范围内，铂铑10铂热电偶 作为复现温标的基准。（2）镍铬镍硅热电偶（分度号K）长时间测温范围为2701370OC。线性好，灵敏度高，在高温下抗氧化能力强，性能稳定，价格低廉，使用广泛。（3）镍铬康铜热电偶（分度号E）测温范围为270800OC。灵敏度最高，线性好，价格平宜。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 35 实际上目前没有材料能同时满足上述全部要求，轮机工程测 上述三种热电偶在我国列入了工业标准，称为标准化热电偶，是定型产品，成批生产。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 36 上述三种热电偶在我国列入了工业标准，称为标准化热电偶2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 372023/8/11轮 机 工 程 测 试 技 为了与国际标准统一，我国现使用新的热电偶分度标准及新的分度号。其他热电偶及分度号：铂铑30铂铑6（分度号为B），铂铑13铂（分度号为R），镍铬硅镍硅（分度号为N），铜康铜（分度号为T），铁康铜（分度号为J）。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 38 为了与国际标准统一，我国现使用新的热电偶分度标准及新允许误差是指热电偶的热电势与分度值的偏差。t为热电偶测量温度。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 39允许误差是指热电偶的热电势与分度值的偏差。?2023/8/1三、热电式温度传感器三、热电式温度传感器 1.普通型热电偶传感器 由以下四部分组成：（1）接线盒 一般由铝合金制成，供热电偶与补偿导线连接使用。（2）保护套管 保护热电偶不受化学腐蚀和机械损伤，避免高温火焰或气流的直接冲刷，防止导电介质与热电偶的直接接触。还有固定和支撑作用。常用保护套管材料如表5-5所示。选用时根据测量范围和被测介质对响应速度的要求等条件来决定。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 40三、热电式温度传感器 （1）接线盒2023/8/11轮 2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 412023/8/11轮 机 工 程 测 试 技 （3）绝缘套管 它的作用是防止两个热电极短路。套管材料的选用由使用温度范围确定。其结构形式有单孔和双孔两种。（4）热电偶 传感器的核心部分，通常加工成丝状，一端焊接。它的直径主要由材料的价格、机械强度、电导率、传感器的用途及测量范围所决定。长度由安装条件，特别是测量端在介质中的插入深度决定。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 42 （3）绝缘套管2023/8/11轮 机 工 程 2.铠装热电偶 它是将金属保护管和装在里面的热电极及绝缘材料一起逐步拉制成坚实的整体型热电偶。套管材料为铜、不锈钢或镍基高温合金。热电极材料一般有镍铬镍硅和镍铬考铜等。热电极之间和热电极与套管之间用氧化镁粉或氧化铝粉等高温绝缘材料填满。套管中的热电极有单丝、双丝和四丝。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 43 2.铠装热电偶2023/8/11轮 机 工 程 铠装热电偶的优点是外径可以很细（0.2512mm），长度可以根据需要来定，最长可达数百米；热惯性小，响应时间可达到毫秒数量级；具有可绕性，便于在结构复杂的装置上测量；结构坚实、耐压，不怕振动和冲击，适应恶劣工作环境下使用。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 44 铠装热电偶的优点是外径可以很细（0.2512mm）铠装热电偶的热端有三种结构型式：（1）露头型 反应快，制造简单，绝缘材料易吸潮，不耐压，偶丝易损坏使分度迅速漂移，偶丝与外界接触，使用寿命缩短。它一般用于温度不高、气氛良好和对偶丝不产生侵蚀的介质。（2）接壳型 偶丝的感温部分与金属套管接触在一起。响应稍慢于露头型，耐压较高（约达7107Pa），偶丝不受机械损伤，寿命长。当热接点没有保护性结构时，其偶丝于套管的热膨胀系数必须接近，避免热接点被拉断。适于温度较高、气氛较坏的场合。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 45 铠装热电偶的热端有三种结构型式：（2）接壳型 3.薄膜热电偶 通常时用真空蒸镀的方法将两种热电极材料蒸镀到很薄的的绝缘基片上，再在其上蒸镀一层二氧化硅薄膜制成。它的热端小而薄，因此热容量小，响应快，特别适于物体表面小面积上的温度或瞬变温度的测量。使用时用粘结剂将它粘贴在被测物壁面上。（3）绝缘型 偶丝与套管完全绝缘，响应较接壳型慢，耐高压达3108Pa以上。偶丝不受机械损伤，寿命长，热膨胀系数对偶丝与套管影响极微。制造困难，较贵。适用于电磁场干扰较大和要求偶丝与金属套管绝缘的仪表，如电子计算机等设备上。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 46 3.薄膜热电偶 （3）绝缘型 偶丝与套管完全 4.热电偶丝的直接使用a)将热电偶直接焊接在表面上，热电偶散热会带来一定的误差。b)将热电偶焊在一块导热良好的金属集热块上，以减小被测壁的热阻，从而减小误差。c)将热电偶一段与壁面平行，从而减小热接点向热电偶导热带来的误差。d)两根热电极分别焊在壁面上，测得的是两个测点的平均温度。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 47 4.热电偶丝的直接使用2023/8/11轮 机 e)用“B”材料作为一热电极，可以提高测量精度。f)将热电偶焊或埋在专门开的小槽里，以减小外边气体流动对热端的影响。g)焊接式压块结构，先用电容冲击焊将热电极焊在压块孔底，再填满耐热绝缘粘固剂后，将压块紧紧压入被测试件所钻的孔中。h)压接法。（h）和（g）均可避免误测零件表面以外的气体或液体温度。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 48用“B”材料作为一热电极，可以提高测量精度。2023/8/1 测量气体或液体的温度时，将热电偶的热接点直接放置在介质中，可以比有保护套管的热电偶得到快得多的响应。图5-10所示为这种测量方法的三个方案。其中图（a）方案比图（b）更精确。但为了防止折断，热电极不能太细。图（c）方案时在粗热电极2上焊上细的同种材料的热电极4，这样就大大减小了热惯性。这种方法让热电极直接接受介质的冲刷和侵蚀，因此使用寿命较短。它适用于流体动态温度的测量。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 49 测量气体或液体的温度时，将热电偶的热接点直接放置在介四、热电偶冷端温度补偿四、热电偶冷端温度补偿 热电偶分度表是以冷端为0oC而制作的。如果要直接利用分度表，应该保持冷端为0oC。但在使用中，往往由于环境和现场条件的限制，热电偶冷端不能维持在0oC，因此要进行补偿。可采用下述几种补偿方法。1.计算校正法 如果冷端温度不是0oC，而是一个不变的温度t0时。可采用此法。由式（5-4），令t1为测量端温度t，t2=t0，t3=0oC，则（5-5）显然，只要知道t0 值，就可以从分度表查得校正值E(t0，0oC)。再根据仪表在冷端为t0 时的指示值E(t，t0)。，即可算出校正后的E(t，0oC)，并由分度表查得t 值。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 50四、热电偶冷端温度补偿 1.计算校正法（5-5 例：用镍铬镍硅热电偶测量某柴油机的排气温度，已知冷端温度为30，测得的热电势为14.672mV，试求被测的排气温度。解：查表2-5，得E(30，0)=1.203(mV)，由中间温度定律，有查表2-5，得E(380，0)=15.552(mV)，E(390，0)=15.974(mV)按线性插值法，得因此，被测的排气温度为2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 51 例：用镍铬镍硅热电偶测量某柴油机的排气温度 2.补偿导线 为保持冷端温度恒定或变化不大，应使冷端远离被测的热源。随着控制技术的发展，常要把热电偶输出信号传输到较远的控制室。如将热电极直接延伸到较远的地方则不经济。实用中常采用补偿导线代替热电极的延长部分。对于有零位调整且刻度均匀的显示仪表，测量时可预先将其指针的起始值（即机械零点）调到已知的冷端温度点上，这样就相当与把校正值直接加到了显示仪器，则仪表工作时的指示值就是实际的被测值。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 52 2.补偿导线 对于有零位调整且刻 补偿导线在0100oC（或150oC）范围内，其热电特性与所配热电偶相同或相近，而且价格便宜。同时可以改善热电回路的机械和物理特性，还可以用来调整回路的电阻值和屏蔽外界干扰。但补偿导线并不能消除冷端不为0oC的影响。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 53 补偿导线在0100oC（或150oC）范 3.补偿电桥法冷端温度补偿器 在生产运行中，冷端温度很难保持不变，用查分度表来计算很麻烦。此时可采用冷端温度补偿器进行自动补偿。使用补偿电桥时，只须把显示仪表机械零点调到20oC温度上，则无论冷端温度如何变化，指示值均为实际被测值。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 54 3.补偿电桥法冷端温度补偿器2023/8五、热电势测量仪表五、热电势测量仪表 热电偶测温系统一般由热电偶、补偿导线、冷端恒温器、显示仪器等组成。测量热电势的仪表按其工作原理可分为动圈式、电位差计及数字式。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 55五、热电势测量仪表2023/8/11轮 机 工 程 1.动圈式仪表 测量热电势的动圈式仪表是一种高灵敏度的磁电式电流表。若整个测量回路电阻保持恒定（等于表盘上所注明的外接电阻值），则通过仪表的电流值与热电势成正比，仪表指针偏转角则指示出对应的热电势大小。动圈式测温仪表刻度标尺有毫伏和温度两种。动圈式测温仪的精度通常为1.0级和1.5级。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 56 1.动圈式仪表2023/8/11轮 机 工 程 2.自动电位差计 自动电位差计是利用测量电桥产生一个已知的电位差与热电偶产生的热电势相平衡而实现对热电势的指示和记录。自动电位差计实际上是一种零位法进行测量的自动平衡记录仪。它的测量精度高，一般为0.5级，有的可达0.2级。采用放大器作为检零元件，因此灵敏度较高。可实现自动记录、越限报警和自动控制。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 57 2.自动电位差计2023/8/11轮 机 工 3.数字式热电偶温度计 数字式热电偶温度计的工作原理如图5-14所示。热电势经放大器放大后，由A/D转换器转换为数字量。数字线性变换器对热电势与被测温度的非线性关系进行校正，使其线性化，然后由数字显示器直接显示被测温度的数值。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 58 3.数字式热电偶温度计?2023/8/11轮 机 4.多支热电偶共用一台显示仪表 为减少显示仪表及简化控制台台面，可以用一台显示仪表测量多点的温度。将多支热电偶通过一只切换开关可以顺序与显示仪表接通。有的场合环境温度波动较大，要使接线盒位于温度波动较小的地点，每支热电偶均要接相当长的补偿导线。为此可采用辅助热电偶，以节省大量补偿导线。有如图所示的两种补偿方式。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 59 4.多支热电偶共用一台显示仪表 有的场合环境温 应用辅助热电偶之后，接线盒内温度变化对测量无影响。但应注意两种补偿方式的接线极性不同，不得接错。所用热电偶的分度号均应与显示仪表所要求的相同。用外接电阻调整每支热电偶测量时的线路总电阻，使之均等于显示仪表所要求的外接电阻值。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 60 应用辅助热电偶之后，接线盒内温度变化对测量无影响。但 多支热电偶共用一台数字式测温仪的原理如图5-16所示。各路热电势信号和参考信号经单片机控制的多路开关分时送线性放大器放大，然后通过A/D 转换器转换为数字信号送入单片机数据总线，经单片机进行线性化处理及冷端温度修正后，送存储器、显示器、打印机或控制系统。参考信号是热电偶冷端温度信号，通常用热电阻测量得到。?2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 61 多支热电偶共用一台数字式测温仪的原理如图5-16所示一、热辐射引起的误差一、热辐射引起的误差 如图5-20所示，假设沿测温传感器保护套管的导热损失不计，则由于传感器感温部分向周围辐射传热产生的测量误差t 可由下式给出26 温度测量误差 由于热交换的存在，传感器感知的温度tk 与被测介质的实际温度t 之间存在误差。(5-9)式中，C0绝对黑体辐射系数，C05.67W/(m2.K4)；辐射换热系统黑度(与传感器感温部分表面 黑度k 近似相等)；介质向传感器感温部分表面对流换热系数；TK传感器感温部分的绝对温度；TW管道内壁的绝对温度。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 62一、热辐射引起的误差26 温度测量误差 由上式可见，要减小辐射引起的测量误差，应减小传感器感温部分表面黑度k ，为此要使感温部分表面尽量光滑，并应改善对流换热条件，以提高对流换热系数 。此外，应减小产生辐射换热两部分间的温度差，为此，可在管道外加绝热覆盖层以提高温度TW，或在传感器感温部分的周围加一薄的热容量小的防辐射隔离罩。如图5-21所示，由于隔离罩全部浸在介质中，其温度与传感器感温部分的温度接近，因此减少了辐射误差。二、热传导引起的误差二、热传导引起的误差 由于传感器的感温部分比其他部分的温度高，因此有一部分热量将传递给温度较低的部分，从而引起测量误差。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 63 由上式可见，要减小辐射引起的测量误差，应减小(5-10)式中，tp热传导引起的测量误差；t被测量介质温度；tz保护套管座处温度；L感温部分插入被测介质的深度；介质向感温部分的对流换热系数；U感温部分外圆周长；感温部分材料导热系数；f感温部分的截面积；chx双曲余弦函数；由上式可见，要减小热传导引起的误差，应采取如下措施：应使保护套管座处温度与被测介质温度尽量接近，为此必须将管道外壁及保护套管座处均加绝缘材料覆盖，以提高温度tz。增大感温部分的插入深度L。采用较薄的保护套管，以提高U/f比值。热传导引起的误差可由下式给出：2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 64(5-10)式中，tp热传导引起的测量误差；图5-22示出了传感器不同安装方法所产生的不同测量结果。传感器1 安装于弯管处，感温部分迎者介质流动方向，且位于管道中心线上介质流速最高处，这样既使插入深度L最大，又使对流换热系数 较大；并且外露部分也用绝热材料覆盖，因此1的测量结果比较正确。传感器2、3、4和5为径向安装，3 的保护套管较厚，增大了误差。4 的插入深度过浅，误差更大。5 的外露部分过大又无绝缘材料覆盖，因此误差最大。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 65 图5-22示出了传感器不同安装方法所产生的不同测 热电阻传感器应将感温元件长度的1/2放置在最高流速处，如图5-23(a)所示。铠装热电偶或铠装热电阻的安装则如图5-23(b)所示。若管道直径较小，可将传感器迎着介质流向倾斜，以增加插入深度L，如图5-23(c)所示。2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 66 热电阻传感器应将感温元件长度的1/2放置在最高三、高速气流滞止引起的误差三、高速气流滞止引起的误差 高速气流在感温元件附近会产生滞止，将气体的动能转化为热能，使感温元件附近局部温度升高而产生测量误差，尤其是当气流速度大于50m/s时，必须考虑此项误差，其误差值可由下式给出式中，tq气流滞止温度；恢复系数，其值与气体的性质、传感器感温部分结构及安装方式有关，通常由实验确定，因气流不会绝热全滞止，所以恒小于1；气体流速，m/s；CP气体定压比热容，J/(kg.K)(5-11)2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 67三、高速气流滞止引起的误差式中，tq气流滞止温度；(5-作业P41，第7、8、9题2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 68作业P41，第7、8、9题2023/8/11轮 机 工 作业答案8.9.2024/6/28轮 机 工 程 测 试 技 术 69作业答案8.2023/8/11轮 机 工 程 测