建筑环境测试技术 第3章 温度测量.ppt

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1、1 第2篇测量仪表 第四章湿度测量 第五章压力测量 第六章物位测量 第三章温度测量 第七章流速及流量测量 第八章热量测量 第九章建筑环境测量 第十章其它参数的测量 第十一章电动显示仪表 2 第三章温度测量 3 1温度测量概述3 2膨胀式温度计3 3热电偶测温3 4热电阻测温 3 5接触式测温3 6非接触式测温3 7集成型传感器测温 3 3 1温度测量概述 3 1 1温标用来衡量温度的标准尺度 确定温度的单位 4 华氏温标 1714年 德国人法伦海脱 Fahrenheit 以水银为测温介质 制成玻璃棒水银温度计 规定水的沸点为212度 氯化铵与冰的混合物为0度 中间等分为212份 每一份为1度记

2、作 称为华氏温标 摄氏温标 水银体膨胀是线性的 标准大气压下纯水的冰点是0 沸点为100 将水银柱在这两点之间等分为100格 每一格为1 经验温标 借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系 用实验方法或经验公式所确定的温标 5 热力学温标K 经验温标具有局限性和随意性 不能适用于任何地区或场合 开尔文定律 1848年 在可逆条件下 工作于两个热源之间的卡诺热机与两个热源的关系 Q1 卡诺热机从高温热源T1吸收的热量Q0 卡诺热机向低温热源T0放出的热量Q1 Q0 T1 T0 1954年 国际计量会议选定水的三相点为273 16 并以1 273 16定为一度 这样热力学温标就完全确定了 即 T

3、273 16 Q1 Q2 6 热力学温标是一种理想温标 为了实用方便 国际温标同时使用国际开尔文温度 K 和国际摄氏温度 规定水的三相点温度为273 16 单位为K 1K的大小为水的三相点热力学温度的1 273 16 由于摄氏温标将冰点定义为0 而冰点比水的三相点低0 01K 那么冰点温度为273 15K 即 国际温标ITS 90 7 温度计固定点 给定的温度值 华氏温标 规定水的沸点为212度 氯化铵与冰的混合物为0度 摄氏温标 标准大气压下纯水的冰点是0度 沸点为100度 热力学温标 选定水的三相点为273 16K 温标三要素 内插方程 确定各点温度间的计算公式 华氏温标 0 212度等分

4、为212份 每一份为1 摄氏温标 标准大气压下纯水的冰点是0 沸点为100 0 100度等分为100分 每一份为1 热力学温标 以1 273 16定为1K 8 3 1 2温度测量方法 测量仪表分类 9 接触式测温与非接触式测温 10 3 2膨胀式温度计 原理 物体受热膨胀 液体膨胀式温度计压力式温度计固体膨胀式温度计 11 3 2 1液体膨胀式温度计 原理 玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀 优点 直观 测量准确 结构简单 造价低廉 缺点 不能自动记录 不能远传 易碎 延迟 1 水银储存器2 毛细管3 标尺4 膨胀室 玻璃材料 300 以上 使用特殊的硅硼玻璃 500 以上 使用石英玻璃 1

5、2 玻璃棒温度计 13 液体膨胀式玻璃管温度计的误差分析 1 玻璃材料有较大的热滞后效应 造成零点漂移 2 温度计插入深度不够 若只有部分液柱被浸没时 应对指示值进行修正 其中 n 露出液体部分所占的刻度数 工作液体对玻璃的相对体膨胀系数 1 汞0 00016 酒精0 000103 t 温度计的示值 ta 露出液柱部分所处的环境温度 14 3 非线性误差 水银随着温度变化 体积膨胀看成完全的线性关系 事实并非完全如此 存在一定的非线性度 4 工作液的迟滞性 水银与玻璃管壁面之间的表面吸附力 造成水银流动的迟滞性 甚至出现液柱中断的情况 温度计与被测介质应接触足够长的时间 轻弹温度计 5 读数误

6、差 视线与刻度不垂直 视线应与刻度垂直 并与液柱处于同一水平面上 例 使用水银温度计测量蒸汽温度 温度计的指示值为280 温度计插入处的刻度是60 液柱漏出部分的环境平均温度为30 求真实温度 15 3 2 2压力式温度计 原理 密封系统中工作介质的压力随温度变化 工作过程 弹簧管4一端焊接在基座3上 内腔与毛细管2相通 另一端封死 为自由端 温度变化时 弹簧管4内的压力发生变化 带动自由端变化 自由端通过拉杆 齿轮传动机构与指针相连 指针的转角在刻度盘上指示出温度 弹簧管 温包 毛细管 基座 自由端 指针 工作距离不超过60m 温度范围 50 550 特点 抗振性能好 动态性能差 示值滞后较

7、大 不能测量迅速变化的温度 16 3 2 3固体膨胀式温度计 原理 将两种具有不同线膨胀系数的金属片焊成一体 构成双金属片温度计 工作过程 双金属片的一端固定 另一端为自由端 温度变化时 由于两种金属线膨胀系数不同 双金属片发生弯曲变形 弯曲的偏转角 反映了被测温度值 特点 结构简单 可靠 测量精度不高 K 比弯曲 1 L 双金属片的有效长度 mm 双金属片总厚度 mm t t0 被测温度和起始温度 17 3 3热电偶测温 热电偶温度计 以热电偶作为测温元件 用热电偶测得与温度相应的热电动势 由仪表显示出温度 工作原理 基于1821年塞贝克 Seebeck 发现的热电现象 两种不同的导体A B

8、连接在一起 构成一个闭合回路 当两个接点1和2的温度不同时 如T T0 在回路中就会产生电动势EAB 热电效应 导体A B称为热电极 测量时 接点1置于待测温度场中 称为被测量端 接点2要求温度恒定 称为参考端 18 电动势 接触电动势 温差电动势 1 接触电动势导体内部的电子密度是不同的 当两种电子密度不同的导体A和B互相接触时 就会发生自由电子电子扩散现象 自由电子从电子密度高的导体A流向电子密度低的物体B 导体A因为失去电子 带正电 导体B因为得到电子 带负电 形成电位差 帕尔贴电势 接触电动势 K 玻尔兹曼常数 e 电荷单位 NAT NBT 温度为T时 A和B的电子密度 T 接触处的温

9、度 19 接触电动势 注 脚标A B的顺序代表电位差的方向 如果改变脚标顺序 E前面的符号也相应改变 接触电动势的大小只与接触点的温度 导体A和B的电子密度N有关 20 电动势 接触电动势 温差电动势 2 温差电动势由于导体两端温度不同而产生的电势 由于温度梯度 改变了电子的能量分布 高温端 T 电子向低温端 T0 迁移 使得高温端带正电 低温端带负电 导体A B分别产生的温差电动势为 NAt NBt A和B在温度为t时的电子密度 21 热电偶回路中总热电势 接触电动势 温差电动势 A与B相接触产生的接触电动势 B的温差产生的温差电动势 A的温差产生的温差电动势 减号 在任何温度下 如果A的电

10、子密度高于B 电子都是从A流向B A总是正电 B总是负电 EAB的方向都是A B 在整个循环回路中 是两个相反的方向 所以需要用减号 测量端 参考端 课本图错误 EB的方向与EAB一致 而EA的方向与EAB相反 22 结论 任意两种不同性质的导体材料都可制成热电偶 对于两种材料A和B 热电偶所产生的电动势 仅与T和T0有关 与A和B的形状与尺寸无关 热电偶的参考端温度T0必须保持恒定 一般保持在0 23 1 均质导体定律由同一均质导体 电子密度处处相等 组成的闭合回路中 不论导体的截面 长度以及温度分布如何 均不产生热电势 3 3 2热电偶的应用定则 A B必须为不同的导体材料 2 中间导体定

11、则在热电偶回路中接入第三种导体C 只要A B与C相连接的两端温度相同 则不会对热电偶回路的总电势造成影响 24 3 中间温度定则热电偶在两接点温度为T T0时的热电势等于该热电偶在两接点温度分别为T TN和TN T0时相应热电势的代数和 意义 如果实际应用中 T0的温度不是0 而是某一个中间温度TN 则仪表显示的电动势EAB T TN 通过查分度表获得EAB TN 0 就可以通过上式计算EAB T 0 25 热电偶分度表中冷端温度为0 在实际测量中 若热电偶的冷端温度为20 则可应用中间温度定律进行计算 举例 用铂铑10 铂热电偶测温 冷端温度为20 输出电势为0 668mV 试求被测对象的温

12、度 再查表得被测温度为122 附录3只是分度表的整数部分数据 查表 26 3 3 3热电偶的结构和标准化 按照结构分类 铠装热电偶 薄膜式热电偶 1 铠装热电偶 铠装 在产品的最外面加装一层金属保护 以免内部的有效层在运输和安装时受到损坏 例如铠装电缆 热电极4 直径由材料的价格 机械强度 导电率 用途 测温范围决定 热电极 27 1 铠装热电偶 28 2 薄膜式热电偶采用真空蒸镀或者化学涂层等制造工艺 将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上 形成薄膜状热电偶 热极点非常薄 约0 01 0 1微米 适用于表面温度的快速测量 响应时间约为数毫秒 测温范围在300 以下 29 3 3 4热电偶的分类 1

13、 标准化热电偶 工艺成熟 成批生产 性能优良且已列入工业标准文件中的热电偶 具有统一的分度表 附录3 国际电工委员会 ICE 推荐了7种标准化热电偶 标准化热电偶 非标准化热电偶 30 3 3 5热电偶测温系统 1 热电偶参考端温度的处理 1 补偿导线法 2 计算修正法 3 冷端恒温法 4 补偿电桥法2 热电偶的校准和误差 1 热电偶的校准 2 热电偶测温误差 31 1 热电偶参考端温度的处理 在热电偶的分度表中 冷端温度T0保持在0 实际使用时 由于现场条件的限制 冷端温度无法维持在0 使得热电偶输出的电势值产生误差 因此 需要对热电偶的冷端温度进行处理 1 补偿导线法原理 A B 为补偿导

14、线 其热电性能分别与A B基本相同 热电偶的冷端从T0 处移到T0处 如果T0 0 则可以直接计算得出T值 如果T0 0 则继续修正 32 常用的补偿导线型号为SC KC KX EX JX TX 第一个字母为主热电偶A和B的分度号 第二个字母为X 代表延伸型导线 第二个字母为C 代表补偿型导线 延伸型导线 A B 与A B的化学成分相同 补偿型导线 A B 与A B的化学成分不同 精度较低 优点在于价格便宜 33 如果T0 0 如何处理 2 计算修正法原理 中间温度定则 例 用K型热电偶在冷端温度为25 测得的电动势为34 36V 试求热电偶热端的实际温度 解 1 根据附录3 查K型热电偶分度

15、表 E 20 0 0 798405mV E 30 0 1 203408mV 2 利用插值公式 计算25 时的热电动势为1 00mV 3 已知E T 25 34 36mV E 25 0 1 00mV 则E T 0 E T 25 E 25 0 34 36 1 00 35 36mV 4 再查分度表 E 850 0 35 314404mV E 860 0 35 718403mV 利用插值公式 得到实际温度T为851 14 34 3 冷端恒温法第一种方法 把冷端引至冰点槽内 维持冷端温度始终为0 一般用于实验室精密测量 可以购买高精度的冰点槽 也可以使用保温瓶自制冰点槽 第二种方法 把冷端补偿导线引至加

16、热的恒温器内 维持冷端为某一恒定的温度 适用于工业应用 35 4 补偿电桥法原理 在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥 此电桥的输出电压随着热电偶冷端的温度变化而变化 从而修正热电偶冷端温度波动引入的误差 36 2 热电偶的校准和误差 1 热电偶的校准热电偶出厂使用一段时间后 必须定期校准 热电偶校准方法 比较法 使用被校准的热电偶和标准热电偶同时测量同一对象的温度 然后比较两者示值 以确定被测热电偶的基本误差 37 2 热电偶测温误差 1 分度误差 使用标准热电偶检定时产生的误差 2 冷端温度变化引起的误差 3 补偿导线的误差 补偿导线与主导线不完全相同 4 热交换引起的误差 热电偶的热端难

17、以直接与被测对象接触 5 测量线路和显示仪表的误差 外部线路带入的电阻 6 其它误差 由于屏蔽不良导致的干扰电压等等 38 3 4热电阻测温 3 4 1热电阻的特性 3 4 2常用热电阻 3 4 3热电阻测温电路 3 4 4热电阻的校准 原理 导体或半导体的电阻率与温度有关 常用测温范围 200 600 优势 低温测量 准确度高 39 3 4 1热电阻的特性 热电阻 用金属导体或半导体材料制成的感温元件 电阻温度系数 在某一温度间隔内 温度变化1 时的电阻相对变化量 单位为1 其中 Rt t 时的电阻值 Rt0 t0 时的电阻值 金属导体的电阻一般随温度升高而增大 为正值 半导体材料的 为负值

18、 40 金属热电阻铂热电阻铜热电阻镍热电阻半导体热敏电阻 3 4 2常用热电阻 41 3 5 1流体温度测量3 5 2高温气体温度测量3 5 3壁面温度测量 3 5接触式测温方法 接触式测温 当两个物体接触 经过足够长的时间达到热平衡之后 其温度相等 优点 温度测量准确度高 缺点 破坏被测物体的热平衡状态 有时受到被测物质的腐蚀作用 相类似 42 3 5 1流体温度测量 测量管道或容器内流体的温度时 温度传感器一般安装在套管内 起保护作用 因此 需要考虑保护套管导致的导热误差 导热误差 温度传感器套管的管壁和容器的温度与流体温度接近 蓝色圈圈处达到平衡 流体向传感器传热 同时 传感器向环境散热

19、 减小导热误差的措施 采取有效的安装方式 温度传感器管道安装原理图 1 传感器外露部分做好保温 2 传感器的工作端置于管道中流速最大的地方 3 传感器要有足够的插入深度 4 如果套管管径太小 可选择适宜部位安装扩大管 5 迎着流体的流动方向沿着管道中心线安装传感器 6 尽量选择直径细 导热性能差的套管 43 3 5 3壁面温度测量 温度传感器在测量固体表面温度时 容易改变固体表面的热状态 因此准确测量固体表面温度存在很多困难 减小导热误差的措施 连接温度传感器的导线直径要小 减小导线的导热误差 实际安装时 最好把温度传感器辐射在壁面以内 凹槽 保持壁面的原状 温度传感器与被测壁面的接触方式a

20、点接触b 薄片接触 面接触 c 针式接触 等温线接触 44 3 6 1热辐射测温的基本原理3 6 5红外温度计及红外热像仪 3 6非接触测温 非接触测温 利用被测环境或被测物体的光学辐射原理或红外辐射原理进行的温度测量 光学辐射 红外辐射 45 3 6 1热辐射测温的基本原理 绝对黑体的单色辐射强度 普朗克定律 辐射强度与波长和温度的关系曲线 绝对黑体的全辐射定律 辐射强度与热力学温度的四次方成正比 46 3 6 5红外温度计及红外热像仪 原理 任何物体只要其温度高于绝对零度 都会因为分子的热运动而辐射红外线 物体发出红外辐射能量与物体的绝对温度的四次方成正比 1 红外温度计 物镜 滤光片 红

21、外探测器 调制盘 47 2 红外热像仪红外温度计测量的是物体表面某点周围非常小的面积的平均温度 如果要测量物体表面的温度分布 就要采用红外热像仪 测量二维温度场 焦平面热像仪成像机理简图 焦平面热像仪外形结构图 原理 焦平面探测器呈二维平面形状 具有电子子扫描功能 被测物体的红外辐射通过物镜之后 聚焦成像在探测器的阵列平面上 阵列平面将信号以不同的亮度和颜色组合成整体图像 48 3 7集成型传感器测温 将温度传感器 校正电路 变送电路及其它电路集成为一个集成电路芯片 构成集成型温度传感器 集成型温度传感器主要分为模拟式集成温度传感器和数字式集成温度传感器两大类 3 7 1模拟式集成温度传感器特点 输出量与温度呈线性关系 例 电流输出式集成温度传感器AD5901 正极2 负极3 连接壳管工作原理 采用激光修正的校准电阻 使得298K 25 下的输出电流恰好为298 2 A 对应于温度每变化1K 输出电流就变化1 A AD590外形 a 与符号 b 49 3 7 2数字式集成温度传感器例 DS18B20 单总线式集成温度传感器 用户可以组网进行温度测量和信号传输 引脚与封装 内部原理框图 50 作业 P104 1052 3 5 6 7 8 9 11