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专业测试技术及实验安全 第一章专业测试技术 一 测试技术的地位及作用二 温度测量的基本概念三 热电偶的测温原理及基本定律四 标准热电偶及结构五 热电偶的校验第二章实验安全一 人身安全二 设备安全三 防火教育 第一章专业测试技术 一 测试技术的地位及作用在科学研究中 任何科学理论的建立和科学研究成果的提出都必须通过大量的试验与测量 并对通过测量所获得的数据进行分析和计算 以验证科学理论以及研究成果的正确性和可靠性 在工业生产过程中 为了保证生产的正常进行 必须对生产过程中的各种参数进行测量 并在分析测量结果的基础上 对生产过程进行监视和控制 以保证产品的质量 在这些测量过程中所应用的测量手段就是测量仪器或仪表 而应用测量仪器或仪表来实现测量目的的技术工艺则称为测试技术 二 温度测量的基本概念 1 温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量 温度的高低 通常可由人的感觉器官感觉出来 但这很不可靠 更谈不上准确了 因此 用人的感觉来判断温度的高低是不科学的 也无法定量表示出物体的温度数值 定量地 即用数值加单位来表示温度 就要用到温标 温标就是温度的数值表示方法 2 测温几种温标 摄氏温标 华氏温标 热力学 开尔文 温标 国际温标 为了实用方便 国际上经协商决定建立一种既使用方便 又具有一定科学技术水平的温标即国际温标 国际温标通常具备以下条件 1 尽可能接近热力学温度 2 复现精度高 各国均能以很高的推确度复现同样的温标 确保温度量值的统一 3 用于复现温标的标推温度计使用方便 性能稳定 1990年国际温标中同时使用热力学温标 T 和华氏温标 t 两种温标之间换算关系为 T t 273 15 3 温度测量方法 按测温的物质 感温元件 是否与被测温物质 被测物体 相接触来分 有接触式测温和非接触式测温两种测温方法 1 接触式测温 含有玻璃温度计 双金属温度计 半导体温度计 热电偶测温 热电阻测温等 2 非接触式测温 含有辅射式温度计 红外式测温等 三 热电偶的测温原理 两种不同材料的导体A和B连接在一起 形成一个闭合回路 如图2 1所示 当两端接点温度不同 分别为T T0 时 在回路中就会产生一个电动势 这种物理现象称为热电效应 塞贝克效应 这一电动势称为热电势 塞贝克电势 热电偶就是利用这个原理来测量温度的 上述热电偶回路中产生的热电势 是由接触热电势和温差热电势两个部分组成的 1 接触热电势 各种导体中都存在着大量的自由电子 不同导体自由电子的密度也不同 两种不同材料 导体A 电子密度NA 和B 电子密度NB 相接触时 由于两者电子密度不同 如NA NB 则自由电子在接触处由A向B和由B向A的扩散速率不同 即在同一瞬时内 由A扩散到B中去的电子数要比由B扩散到A中去的电子数多 这样电子密度大的导体A失去电子而带正电 相反 电子密度小的导体B得到电子而带负电 在A B的接触面上便形成一个静电场Es 如图2 2所示 此电场对电子扩散起阻碍作用 并且引起自由电子的反向移动 当电子的扩散作用和静电场阻碍电子扩散作用达到动态平衡时 A B接触面处将具有一定的 稳定的电位差 称为接触电势 这个接触电势除与材料有关外 还与接触面处的温度有关 温度越高 接触电势越大 热电极的电子密度相差越大 接触电势也越大 2 温差电势对同一导体 在两端温度不同时 两端也将产生一定大小的电动势 这就是温差电势 产生这个电动势的原因主要是在不同温度下 自由电子具有不同的动能 温度高时动能大 如图2 3所示 设A导体两端的温度分别为T和T0 T T0 高温T端的电子 动能比低温To端的电子动能大 这样从T端跑到To端的电子数比从T0端跑到T端的电子数要多 结果T端因失去电子而带正电荷 To端因得到电子而带负电荷 于是在T To端之间形成一个由T端指向To端的静电场Es 此电场将阻碍电子从T端跑向To端 同时吸引电子从To端跑向T端 最后达到动态平衡 此时在导体A的两端便产生一个一定的 稳定的电位差 这就是温差电势 3 热电偶回路的热电势由两种导体A B构成的热电偶回路如图2 4所示 回路的热电势应为两接点T To的接触电势及两导体A B本身温差电势四部分的代数和 若以接触电势EAB T 的方向为参考 则热电偶回路热电势EAB T T0 表达式为 EAB T T0 EAB T EAB T0 EB T T0 EA T T0 经推导其热电势EAB T To 只取决于热端温度T和冷端温度T0的函数差 即EAB T To f T To 得出如下结论 1 热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的导体材料及两端温度有关 而与热电极的几何形状 长短 粗细和截面形状 无关 2 如果热电偶两热电极材料相同为A或B 则无论热电偶两端温度如何 热电偶回路热电势总为零 3 如果热电偶两端温度相同为T或To 则尽管两电极材料不同 热电偶回路的热电势总为零 4 如果参考端 To 温度恒定 即f To c 常数 EAB T To f T C热电偶回路热电势EAB T To 仅为工作端温度T的单值函数 只要测出热电势EAB T To 的大小就间接地知道了工作端 即被测的 温度T了 这就是热电偶测温的基本原理 5 热电偶热电极的极性由导体材料的电子密度大小确定 电子密度大的导体为正极面电子密度小的导体为负极 热电偶回路中 接触电势远大于温差电势 4 热电偶的基本定律在使用热电偶测温时 必然要在热电偶回路中接入电势测量仪表以及相应的连接导线 为了不致影响原来的热电势数值 保证热电偶测温的准确性 下而介绍几条对于正确应用热电偶有密切关系的基本定律 4 1 均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路 不论导体的截面 长度以及各处的温度分布如何 都不产生热电势 该定律说明 如果热电偶的两根热电极是由两种均质导体组成 那么 热电偶的热电势与热电极直径 长度及沿热电极长度上的温度分布无关 只与热电极材料和两接点温度有关 如果热电极为非均质导体 当它处于具有温度梯度的温场时 将产生附加热电势 如果此时仅从热电偶的热电势大小来判断温度的高低 就会引起误差 所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要标志之一 如果要检查热电极材料是否均匀 可将该热电极组成闭合回路 并局部加热 若无热电势输出 便说明该热电极材料是均匀的 4 2 中间导体定律在热电偶回路中接入第三 第四种或更多种导体 只要接入导体的两端温度相等 且导体是均质的 则无论接入导体的温度分布如何 都不会影响原来热电偶的热电势的大小 在热电偶实际测温线路中 必图2 5须有连接导线和显示仪表 如图2 5所示 而这些接入回路的导线和仪表的材料与热电极的材料可能是不同的 若把连接导线和显示仪表看作是中接的第三种导体 只要它们的两端温度相同 就不影响热电偶所产生的热电势 这就是中间导体定律 四 标准热电偶及结构 1 对热电偶材料的要求 根据热电偶的测温原理 似乎任意两种不同的导体材料都可以作为热电极组成热电偶用来测量温度 但实际并非如此 要求如下 1 热电势要足够大 并且与温度的关系最好呈线性或近线性 2 在使用温度范围内 物理 化学性能稳定 3 热电性能稳定 易于复现 同类热电偶互换性好 4 电导串高 电阻温度系数要小 5 加工方便 价格便宜 但是 完全满足上述要求的材料很难找到 因此只能根据被测温度的高低 选择适当的热电极材料 金 银和铂族金属共八个元素 称为贵金属 由这些金属及其合金构成的热电偶称为贵金属热电偶 除此之外统称贱金属热电偶 同贵金属热电偶相比 贱金屑热电偶具有灵敏度高 热电特性近似线性 可在还原性气氛中使用 抗氧化耐腐蚀性欠佳 热电极均匀性差 高温稳定性差 寿命短 贵金属的缺点和优点正好与贱金属相反 2 标准热电偶 标准化热电偶是指生产工艺成熟 成批生产 性能优良并已列人工业标准文件中的热电偶 这类热电偶发展早 性能稳定 应用广泛 具有统一的分度表 可以互换 并有与其配套的显示仪表可供使用 十分方便 以下简要介绍标淮化热电偶的主要特性 1 铂铑10 铂热电偶 分度号为s 属贵金属热电偶 热电极直径通常为0 5mm 它的长期使用温度为14000C 我国规定为13000C 短期使用温度为16000C 它的热电性能稳定 抗氧化性强 宜在氧化性及惰性气氛中连续使用 在真空中可短期使用 不宜直接在金属蒸气 金属氧化物 二氧化碳 氢气等还原性介质中使用 除非选用可靠的保护管 在高温下这种热电偶会产生挥发现象 铑分子会渗透到铂电极中污染铂极 导致热电势下降及铂电极折断等 2 铂铑13 铂热电偶 分度号为R 属贵金属热电偶 它的性能与铂铑10 铂热电偶基本相同 只是它的温度灵敏度稍高些 例如13000C时 铂铑10 铂热电偶输出热电势为13 155MV 而铂铑13 铂热电偶则为14 826MV 3 铂铑30 铂热电偶 分度号为B 属贵金屑热电偶 其长期使用最高温度可达16000C 短期使用温度可达18000C 宜在氧化性和中性气氛中使用 在真空中可短期使用 它不能直接在还原性气氛及含有金属或非金屑蒸气的气氛中使用 除非外面套有合适的非金属保护管 它具有铂铑10 铂的各种优点 其抗污染能力强 主要缺点是灵敏度低 热电势小 冷端温度在16000C以时可不必进行冷端温度补偿 4 镍铬 镍硅 镍铬 镍铝 热电偶 分度号为K 属贱金属热电偶 长期使用最高温度可达9000C上 短期可达12000C 热偶丝直径一般为1 2 2 5mm 用于测量5000C以下时 可用于氧化 还原及中性气氛中 测量温度高于5000C时只能用于氧化及中性气氛中 5 镍铬硅 镍硅热电偶 分度号为N 属贱金属热电偶 N型热电偶的使用温度范围为 2000C 13000C 长期使用温度为12000C 短期为13000C 实验结果表明 在相同条件下 尤其在11000C 13000C的高温条件下 N型热电偶的高温稳定性及使用寿命较K型有成倍的提高 与s型热电偶接近 其价格仅为s型的1 10 它为现有贱金属热电偶显然不能胜任的场合提供了新型的测温材料 也为在13000C以下部分 取代s型热电偶提供了依据 因此 在 2000C 13000C整个温度范围内 有全面代替贱金届热电偶和部分代替s型热电偶的趋势 3 热电偶的结构 1 普通型热电偶 图2 7是普通型热电偶的结构示意图 它由热电极 绝缘套管 保护套管及接线盒等部分组成 热电极 热电极的直径由材料价格 机械强度 导电率以及热电偶的用途和测量范围来决定 贵金属热电偶的热电极大多采用直径为0 3 0 65mm的 细丝 普通金属热电偶热电极的直径一般为0 5 3 2mm 热电偶的长度由安装条件 特别是工作端在介质中的插入深度来决定 通常为350 2000mm 热电偶工作端通常采用焊接方式形成 对焊点的要求是焊点光滑 无夹渣和裂纹 焊点直径应不超过热电极直径的两倍 以保证测温的可靠性和准确性 2 铠装热电偶铠装热电偶是20世纪60年代发展起来的一种小型化 长寿命 结构牢固的新型热电偶 它由热电极 绝缘材料和金属套管三者组合加工而成的坚实的组合体 其断面形式和工作端的形式如图2 10所示 这种热电偶可做得很长 很细 在测量中可根据需要进行弯曲 最长可达100m 员短可做成100mm以下 外径D最细可达0 25mm 最粗为12mm 套管材料为铜 不锈钢或镍基高温合金等 热电极和套管之间的绝缘材料有氧化镁 氧化铝等 3 使用热电偶注意如下事项 1 根据测量的范围与对象 合理选择适当的热电偶的型号 规格和保护套管的材料 2 选择合适的 冷端温度补偿 方法和所需用的器材 包括补偿导线 冷端温度补偿器等 3 热电偶的安装地点 应避免在炉旁或加热设备距离过近之处 热电偶的冷端 接线盒 的温度不应超过100 并尽量保持稳定不变 4 热电偶插入炉内的深度 可按实际需要决定 但工作端与发热体接触的距离不得小于100mm 它的接线盒不可碰到妒壁 5 带瓷管保护套管的热电偶 应尽可能避免忽冷忽热以防瓷管破裂 并安装在不妨碍被测加热物移动之处 以免碰断瓷管 6 除不带保护套管的热电偶和表面热电偶外 不允许把热电偶从保护套管中抽出 直接与测温介质接触 7 使用中应经常检查热电偶保护套管的状况 如保护套管壁厚小于1 5mm 或发现焊接处和表面有侵蚀情况 就应更换新的保护套管 8 热电偶接线时 打开接线盒 按图2 12线路连接 把补偿导线的出线孔隙用石棉绳塞紧 然后盖上接线盒盖 在线路连接时 应注意补偿导线的极性 不可接反 9 要保护补偿导线 避免受到机械损伤和外磁场的干扰 并把补偿导线套入接地的钢管内 不得有迂回的地方 10 每对热电偶不可同时与多只毫伏计连接 但允许与一只毫伏计和一台自动平衡显示仪表连接 4 热电偶的温度补偿 由热电偶测温的基本原理可知 只有当热电偶的冷端温度保持不变时 热电势才与被测温度成一一对应关系 在实际应用中 热电偶安装在现场设备上 其冷端暴露于空气中 受到周围环境温度的影响 同时热电偶的冷端与工作端 热端 离得很近 所以冷端温度难以保持恒定 因而会引起测量误差 减小或消除由于热电偶冷端温度变化而产生的测温误差 称为热电偶的冷端温度补偿 它是保证热电偶测温准确性的重要措施 通常采用的冷端温度补偿方法有以下几种 1 补偿导线法 2 计算校正法 3 冷端恒温法 4 仪表机械零点调整法 5 补偿电桥法下面重点介绍补偿导线法 由于热电偶一般做得比较短 冷端温度受被测对象及环境温度影响 波动较大 为此可将热电偶冷端延伸到温度比较稳定的地方 如仪表控制室 如果用与热电极材料相同的导线来延伸 对于贵金属热电偶要耗费许多贵金属材料 很不经济 一般用补偿导线将热电偶冷端延伸出来 补偿导线是一对在某一温度范围内 一般0 1000C 热电特性与某种热电偶相同或十分相近的导线 且其材料又是廉价金属 通过补偿导线可以把热电偶冷端延伸到温度比较稳定处 其效果与热电偶本身延长相同 按国际电工委员会 IEC 补偿导线的有关规定见表2 3 例如 SC表示适用于铂铑10 铂热电偶 S 的补偿型补偿导线 C KX表示镍鉻 镍硅热电偶 K 的延伸型补偿导线 X 补偿导线合金丝一栏中的 P 和 N 分别表示相应补偿导线的正 负极 在使用补偿导线时应注意 热电偶和补偿导线的两个接点保持同样温度T 热电偶和补偿导线必须配套使用 正负极不可接错 五 热电偶的校验 热电偶在使用过程中 由于工作端受到氧化 腐蚀和在高温下热电极材料的再结晶 都会引起热电偶的热电特性发生变化 从面产生一定的测量误差 为了使热电偶测量温度能保证良好的精度 因而使用单位必须定期地对热电偶进行校验 以测出其误差的大小 当其测量误差超出规定范围时 要更换热电偶或把原来热电偶的工作端剪去一段 重新焊接后加以使用 但在使用前还必须进行校验 所谓校验 就是用实验的方法 确定温度与热电势的关系 热电偶的校验 一般又叫做热电偶的刻度标定 1 校验温度点 热电偶的校验工作应根据国家规定的技术条件 在规定的温度点进行校验 这些校验温度点的误差 必须控制在允许范围内 工业上常用热电偶校验温度点列于表2 6中 对于廉价金属热电偶 在3000C以下使用时 应增加1000C校验点 校验时在油槽中与二级标准水银温度计比较 工业用热电偶一般用比较法进行校验 它是利用上一级标准热电偶作为标准仪器 把标准与被校热电偶置于相同温区内 把它们的工作端绑扎在一起 这样可以认为它们的工作端温度是相同的 通过测取标推与被校热电偶的热电势输出 并确定它们之间的误差来进行校验工作的 2 校验装置 一般校验温度在300 12000C的热电偶校验装置如图2 18所示 主要由管式电炉 冰点槽 切换开关 电位差计及标准热电偶组成 校验用标准热电偶应符合表2 7的规定 管式电炉的管子内径为50 60mm 管子长度为600 1000mm 管内最好要求有100mm左右的恒温区 读数时要求恒温区的温度变化每分钟不得超过0 2 否则不能读数 温度数值的变更 通过调压变压器来实现 电位差计精度等级不得低于0 03级 一般在大口玻璃保温瓶内贮盛冰水混合物作为冰点槽 3 外观检查校验前一般先进行外观检查 热电偶热端焊点应牢固光滑 无气孔和斑点等缺陷 热电极不应变脆或有裂纹 贵金属热电偶热电极无变色等现象 外观检查无异常方可进行校验 4 校验方法当校验铂铑 铂热电偶时 用铂丝将被校热电偶与标推热电偶的工作端 都去掉保护套管 绑扎在一起 插到管式炉内的恒温区中 若被校热电偶是镍铬 镍硅 K 等廉价热电偶时 为了避免被校偶热电对标推热电偶产生有害影响 要将标准热电偶套上石英套管 然后用镍铬丝将被校热电偶和标准热电偶 套有石英套管的 工作端绑扎在一起 插到管式炉内的恒温区中 为保证被校与标准热电偶的热端处于同一温度 可以把两热电偶的工作端放在钻有孔的金属镍块中 再把镍块放于炉中的恒温区内 炉口应用石棉堵严 插入管式电炉内的热电偶插入深度一般为300mm 最小不得小子150mm 热电偶的冷端应置于冰点槽中以保持0 校验时用调压变压器来调整炉温 当炉温达到所需 校验温度点的 10 范围内 且温度变化速率小于每分0 2 时 就可以用电位差计测量被校及标推热电偶的热电势值 校验读数时 在每一个校验温度点上对标准和被校热电偶热电势的读数都不得少于4次 然后求取电势读数的平均值 并用它查分度表 通过比较得出被校热电偶在各校验温度点上的温度误差值 并与表2 8进行比较 若温度误差超出允许范围 则热电偶不能使用 第一章 实验安全 实验安全是实验中永远的主题 科研课题及研究生论文的试验研究工作常常伴随着危险 无论怎样简单的试验都不能粗心大意 一旦发生事故 不仅使人身和设备受到损害 同时在精神上给人很大的打击 事故发生的重要原因之一是研究工作者的不安全行为所致 因此 了解试验安全常识 杜绝不规范的操作 增强防范意识并做好预防措施 才能使科学研究工作顺利有效地开展 忽视了这一点 一旦发生事故 特别是人身事故 我们所做的一切一切都会受到影响乃至造成终生遗憾 一 人身安全 1 根据各专业特点谈人身安全 1 铸造研究生在进行浇铸工作的安全1 指导教师和学生操作时均要穿戴好工作服 2 铸造设备 造型材料要在指导教师的指导后才可动用 3 造型时不要用嘴吹型砂 以免砂粒飞入眼里 4 浇注时严格遵守炉前安全操作规程 避免铁水飞溅伤人 5 两人抬的水包应互相配合 特别注意铁水包的意外倾斜防止铁水溢出烫人 6 浇注剩余的铁水不能随意乱倒 7 浇注场地不能有积水 乱放器械 应保持浇注铸型周围的道路通畅 8 观察开炉与浇注时 应站在一定距离外的安全位置 不要站在浇注往返的通道上 如遇火星或熔化金属飞溅时应保持镇静 同时要防止碰坏砂型或发生其他事故 2 焊接研究生在进行焊接工作的安全1 从事焊接工作时应使用防护用品 既绝缘鞋 手套等 2 当焊接铜 锌 铅等有色金属时 必须带口罩 工作场地应进行清理 无杂乱物品 排除危险因素 3 焊接工作场所内 不得有火 油或易燃 易爆物品 否则不得进行焊接工作 4 不戴防护面罩的人不得观察电弧 以免灼伤眼睛 5 气焊操作必须进行严格培训 并有持证焊工在现场指导方可操作 否则不得操作 6 氧气瓶和乙炔瓶须相距5m以上放置 氧气瓶不得撞击和触及油物 附近严禁烟火 7 焊机外壳必须可靠接地 以防触电 一旦设备发生故障时 应立即切断焊机电源 及时进行检修 8 焊后清渣时 要防止焊渣崩入眼中 2 锻压研究生在工作的安全1 操作者必须通过阅读设备使用说明书 完全掌握设备使用要领 并通过考核 指导教师在场方可使用设备 2 工作前必须认真检查设备状态 即检查各安全防护装置 防护罩 限位开关 限位档铁 电气接地 保险装置等 应齐全完好 安装正确可靠 检查润滑部位 油池 油箱 油杯导轨以及其他滑动面 油量应充足 并按润滑批示图表加油 3 进行空运转试车 起动要寸动 检查各操作装置 安全保险装置 制动 换向 联锁 限位 保险等 各指示装置 指示仪表 指示灯等 工作应灵敏 准确可靠 各部位动作应协调 供油应正常 润滑应良好 机床运转无异常声音 振动 温升 气味 烟雾等现象 确认一切正常 方可开始工作 4 按说明书规定的技术规范使用设备 不得超规范 超负荷使用设备 1 实验工作中共性的人身安全 1 试验中易出问题设备的操作安全 1 砂轮切片机取样 砂轮机是最常用的取样设备之一 各个工种可能用到它 砂轮质脆易碎 转速高 使用频繁极易伤人 因此使用时必须符合安全操作规 注意以下几点 a 被切割试件必须加紧 b 砂轮切片机的砂轮片工作时侧面不允许磨试件 C 注意操作场地是否有切过镁合金材料的粉末 若有清理干净后 在进行试件的切割 避免起火烧伤 2 高校实验室事故按其发生原因可分为6种类型 因人员操作不慎 使用不当和粗心大意酿发的人为责任事故 因仪器设备或各种管线年久失修 老化损坏酿发的设备设施事故 因自然现象酿发的自然灾害事故 因心理失常者的恶作剧而引发的侵害事故 如计算机被病毒感染 计算机遭黑客攻击等 因犯罪分子的行为而引发的设备被盗事故 因敌对分子的阴谋而引发的破坏事故和失密事故 思考题 1 热电偶的测温原理是什么 2 热电偶的热电势几部分组成 是如何产生的 3 热电偶均质导体定律说明什么 中间导体定律又说明什么 4 给13500C的炉子配标准热电偶 你选哪种热电偶 为什么 5 热电偶为什么需要校验 6