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1、第2章 溫度測(cè)量及儀表,2.1 國(guó)際溫標(biāo)與溫標(biāo)傳遞 2.1.1 溫度和溫標(biāo),1溫度從宏觀上看，溫度是表示物體冷熱程度的物理量 從微觀上看，溫度標(biāo)志著物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度,溫度的宏觀概念是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。任意兩個(gè)冷熱程度不同的物體相互接觸，它們之間必然會(huì)發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量要從溫度高的物體傳向溫度低的物體，直到兩物體之間的溫度完全一致時(shí)，這種熱傳遞現(xiàn)象才能停止。熱力學(xué)第零定律,2溫標(biāo)溫標(biāo)是溫度數(shù)值化的標(biāo)尺。各種溫度計(jì)的刻度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。 華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。,熱力學(xué)溫標(biāo) 熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開(kāi)氏溫標(biāo)（K）或絕對(duì)溫標(biāo)，它規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為絕對(duì)零度。它建于熱

2、力學(xué)基礎(chǔ)，體現(xiàn)出溫度僅與熱量有關(guān)而與測(cè)溫物質(zhì)的任何物理性質(zhì)無(wú)關(guān)的理想溫標(biāo)，已由國(guó)際權(quán)度大會(huì)采納作為國(guó)際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。,3國(guó)際溫標(biāo)為了使用方便，國(guó)際上經(jīng)協(xié)商，決定建立一種既使用方便，又具有一定科學(xué)技術(shù)水平的溫標(biāo)，這就是國(guó)際溫標(biāo)的由來(lái)。,2.1.2 溫度標(biāo)準(zhǔn)的傳遞 我國(guó)的溫標(biāo)量值傳遞建立的是三級(jí)傳遞系統(tǒng)：由國(guó)家級(jí)掌握的基準(zhǔn)器具和工作基準(zhǔn)器具向省級(jí)一等標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行檢定屬一級(jí)量值傳遞；由省級(jí)掌握的一等標(biāo)準(zhǔn)器向廠級(jí)二等、三等標(biāo)準(zhǔn)器具進(jìn)行檢定屬二級(jí)量值傳遞；由廠級(jí)二等、三等標(biāo)準(zhǔn)器具向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行檢定的屬三級(jí)量值傳遞；,2.2 溫度測(cè)量?jī)x表的分類,溫度不能直接測(cè)量，而是借助于物質(zhì)的某些物理特性是溫度的函

3、數(shù)，通過(guò)對(duì)某些物理特性變化量的測(cè)量間接地獲得溫度值。根據(jù)溫度測(cè)量?jī)x表地使用方式，通?？煞诸悶榻佑|法與非接觸法兩大類。,2.2.1 選作溫度計(jì)的物質(zhì) 1）物質(zhì)的某一屬性僅與溫度T有關(guān)，且必須是單調(diào)函數(shù)，最好是線性的。2）隨溫度變化的屬性應(yīng)是容易測(cè)量的，且輸出信號(hào)較強(qiáng)，以保證儀表的靈敏度和測(cè)量精確度。3）應(yīng)有較寬的測(cè)量范圍。4）有較好的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性。,2.2.2 溫度測(cè)量?jī)x表的分類,1.接觸法當(dāng)兩個(gè)物體接觸后，經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到熱平衡后，則它們的溫度必然相等。如果其中之一為溫度計(jì)，就可以用它對(duì)另一個(gè)物體實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，這種測(cè)溫方式稱為接觸法。特點(diǎn)：溫度計(jì)要與被測(cè)物體有良好的熱接觸，使兩者達(dá)到熱平

4、衡。,2.非接觸法利用物體的熱輻射能隨溫度變化的原理測(cè)定物體溫度，這種測(cè)溫方式稱為非接觸法。特點(diǎn)：不與被測(cè)物體接觸，也不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小。通常用來(lái)測(cè)定1000以上的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或反應(yīng)迅速的高溫物體的溫度。,接觸式測(cè)溫法是使感溫元件直接與被測(cè)物體或直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，感受被測(cè)物體或被測(cè)介質(zhì)的溫度變化。膨脹式、壓力式、熱電阻與熱電偶溫度計(jì),2.3 膨脹式溫度計(jì),2.3.1 雙金屬溫度計(jì),（1）原理（2）結(jié)構(gòu)型號(hào)WS-,圖2-2 WSS型雙金屬溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)1-指針；2-刻度盤(pán)；3-保護(hù)套管；4-細(xì)軸；5-感溫元件；6-固定端；7-自由端；8-緊固裝置,實(shí)驗(yàn)演示1 雙金屬溫度計(jì)測(cè)溫,設(shè)備

5、、工具：兩只同型號(hào)雙金屬溫度計(jì)，一只保溫桶步驟：1）展示一只雙金屬溫度計(jì)，注意指針起始位2）將感溫元件插入保溫桶中，注意觀察指針的偏轉(zhuǎn)方向3）將感溫元件移出保溫桶外，注意觀察指針的偏轉(zhuǎn)方向4）將兩只同型號(hào)雙金屬溫度計(jì)同時(shí)插入保溫桶中，一只插入較深，一只插入較淺，注意觀察兩支溫度計(jì)指針指示是否相同實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論：1）接觸式測(cè)溫方法，儀表指示值的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)如何？反應(yīng)如何？2）插入深度不同，為何指示值有差異？,（3）安裝與使用,安裝前要進(jìn)行標(biāo)定，簡(jiǎn)單的辦法是用一支標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)對(duì)照檢查它的室溫示值儀表經(jīng)常工作的溫度最好能在刻度范圍的1/23/4處。,2.3.2 壓力式溫度計(jì),圖2-3 WT型壓力表式

6、溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)1-溫包；2-毛細(xì)管；3-彈簧管；4-刻度盤(pán)；5-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；6-示值指針；7-表殼,實(shí)驗(yàn)演示2 壓力式溫度計(jì)測(cè)溫,設(shè)備、工具：兩只壓力式溫度計(jì)，一只保溫桶步驟：1）展示一只壓力式溫度計(jì)，注意指針在起始位2）將溫包插入保溫桶中，注意觀察指針的偏轉(zhuǎn)方向3）將溫包移出保溫桶外，注意觀察指針的偏轉(zhuǎn)方向4）將兩只同型號(hào)壓力式溫度計(jì)同時(shí)插入保溫桶中，一只溫包全部插入，一只溫包部分插入，注意觀察兩支溫度計(jì)指針指示是否相同5）將兩只同型號(hào)壓力式溫度計(jì)同時(shí)插入保溫桶中，一只毛細(xì)管彎折，注意觀察兩支溫度計(jì)指針指示是否相同實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論：1）接觸式測(cè)溫方法，儀表指示值的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)如何？讀數(shù)時(shí)注意什么

7、？2）插入深度不同，為何指示值有差異？3）毛細(xì)管彎折，指示值是否正確？,（1）充氣體的壓力溫度計(jì)氣體狀態(tài)方程式pV=mRT （2）充蒸汽的壓力溫度計(jì)lg p = -a/t+1.75lgt bt +c,2.4 熱電偶,熱電偶是目前世界上科研和生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍、最廣泛的溫度測(cè)量元件。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)化量程廣精度較高適用性好遠(yuǎn)傳,2.4.1 熱電偶測(cè)溫原理,熱電效應(yīng)Seeback effect,一、熱電偶測(cè)溫原理,兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成閉合回路，當(dāng)A和B相接的兩個(gè)接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。由此效應(yīng)所產(chǎn)生的電勢(shì)，通常稱為熱電勢(shì)。,圖中的閉合回路

8、稱為熱電偶，導(dǎo)體A和B稱為熱電偶的熱電極。熱電偶的兩個(gè)接點(diǎn)中，置于被測(cè)介質(zhì)（溫度為T(mén)）中的接點(diǎn)稱為工作端或熱端，溫度為參考溫度T0的一端稱為參考端或冷端。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成：接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。,1接觸電勢(shì),5,式中 e 單位電荷； K波爾茲曼常數(shù)； NA(T)、NB(T)材料A、B在溫度為T(mén)時(shí)的自由電子密度；,2溫差電勢(shì) 溫差電勢(shì)可表示為 式中符號(hào)同前式。,6,3熱電勢(shì) 對(duì)于由A和B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶閉合回路，設(shè)兩端溫度接點(diǎn)溫度分別為T(mén)和T0，且TT0，NANB；那么回路中存在兩個(gè)接觸電勢(shì)EAB(T)和EAB(T0)，兩個(gè)溫差電勢(shì)EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的總

9、熱電勢(shì)為,進(jìn)行推導(dǎo)整理后，可得 對(duì)于確定的材料A和B，NA和NB與T的關(guān)系已知，則上式可簡(jiǎn)寫(xiě)成下面的形式EAB(T,T0)= f(T) f(T0) 如果冷端溫度T0保持恒定，這個(gè)熱電勢(shì)就是熱端溫度T的單值函數(shù)，即 EAB(T,T0)= f(T) C,2.4.2熱電偶的基本定律,1均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論其截面和長(zhǎng)度如何以及沿長(zhǎng)度方向上各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。反之，如果回路中有熱電勢(shì)存在則材料必為非均質(zhì)的。,這條規(guī)律還要求熱電偶的兩種材料必須各自都是均質(zhì)的，否則會(huì)由于沿?zé)犭娕奸L(zhǎng)度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢(shì)，從而因熱電偶材料不均勻性引入誤差。,(1)熱電

10、偶必須由兩種材料不同的均質(zhì)熱電極組成；否則會(huì)由于沿?zé)犭娕奸L(zhǎng)度方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢(shì)，從而因熱電偶材料不均勻性引入誤差。(2)熱電勢(shì)與熱電極的幾何尺寸(長(zhǎng)度、截面積)無(wú)關(guān),(3)由一種導(dǎo)體組成的閉合回路中存在溫差時(shí)，如果回路中產(chǎn)生了熱電勢(shì)，那么該導(dǎo)體一定是不均勻的。由此可檢查熱電極材料的均勻性。(4)兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成的熱電偶，其熱電勢(shì)只決定于兩個(gè)接點(diǎn)的溫度，與中間溫度的分布無(wú)關(guān),2中間導(dǎo)體定律,由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點(diǎn)的溫度都相同，則回路中熱電勢(shì)的總和等于零。第三種導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，該導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的總電勢(shì)沒(méi)有

11、影響。 同理，熱電偶回路中接入多種導(dǎo)體后，只要保證接入的每種導(dǎo)體的兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)沒(méi)有影響。,該定律表明熱電偶回路中可接入各種儀表或連接導(dǎo)線。只要儀表或?qū)Ь€處于穩(wěn)定的環(huán)境溫度，原熱電偶回路的熱電勢(shì)將不受接入儀表或?qū)Ь€的影響。該定律還表明熱電偶的接點(diǎn)不僅可以焊接而成，也可以借助均質(zhì)等溫的導(dǎo)體加以連接。,3中間溫度定律 熱電偶回路中，兩接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0時(shí)的熱電勢(shì)，等于接點(diǎn)溫度為T(mén)、Tn和Tn、T0的兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電勢(shì)的代數(shù)和。 EAB(T,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0),連接導(dǎo)體定律,在熱電偶回路中，如果熱電偶的電極材料A和B分別與連接導(dǎo)體A和B相連接

12、，各有關(guān)接點(diǎn)溫度為t，tn和t0，那么回路的總熱電勢(shì)等于熱電偶兩端處于t和tn溫度條件下的熱電勢(shì)EAB(t,tn)與連接導(dǎo)線A和B兩端處于tn和t0溫度條件下的熱電勢(shì)EAB(tn,t0)的代數(shù)和。EABBA(t,tn,t0)= EAB(t,tn)+ EAB(tn,t0),中間溫度定律和連接導(dǎo)體定律是工業(yè)熱電偶測(cè)溫中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線的理論依據(jù)。,補(bǔ)償導(dǎo)線,原理：在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的熱電特性相同的一對(duì)帶有絕緣層的廉金屬導(dǎo)線為補(bǔ)償導(dǎo)線。,補(bǔ)償導(dǎo)線,回路總熱電勢(shì)為E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0),E=EAB(T,T0),EAB(T0,T0)=EAB(T0,T0),2.4.3熱電偶的

13、種類及結(jié)構(gòu)形成,熱電偶的材料 雖然任意兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料都可以配對(duì)制成熱電偶，但是作為實(shí)用的測(cè)溫元件，對(duì)它的要求卻是多方面的。 (1)能應(yīng)用于較寬的溫度范圍，物理性質(zhì)穩(wěn)定，在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電特性不隨時(shí)間變化；(2)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被氧化、還原和腐蝕；,(3)組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)率大，以得到較高的靈敏度，熱電勢(shì)與被測(cè)溫度成線性或近似線性關(guān)系；(4)有高導(dǎo)電率和低電阻溫度系數(shù)。這樣，熱電偶的內(nèi)阻隨溫度變化就??；(5)具有較好的工藝性能，便于成批生產(chǎn)。復(fù)制性好，即同樣材料制成的熱電偶，它們的熱電特性基本相同；便于采用統(tǒng)一的分度表。(6)材料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜。,（1）標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶廉金屬熱電偶

14、 1）T型（銅康銅）熱電偶 2）K型（鎳鉻鎳鋁或鎳硅）熱電偶 3）E型（鎳鉻康銅）熱電偶 4）J型（鐵康銅）熱電偶,貴金屬熱電偶 1）S型（鉑銠10鉑）熱電偶 2）R型（鉑銠13鉑）熱電偶 3）B型（鉑銠30鉑銠6）熱電偶,（2）非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 （1）鎢錸系熱電偶 （2）鎢銥系熱電偶 （3）其他非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶,（2）B型（鉑銠30鉑銠6）熱電偶 這是一種貴金屬熱電偶，它的特點(diǎn)是測(cè)溫上限短時(shí)可達(dá)1800，測(cè)量精度高，適于在氧化或中性氣氛介質(zhì)中使用。但不宜在還原氣氛中使用，靈敏度較低，價(jià)格昂貴。,（3）K型（鎳鉻鎳硅）熱電偶 這是一種賤金屬熱電偶，它的特點(diǎn)是價(jià)格低廉，靈敏度高，復(fù)現(xiàn)性較好，高溫下抗

15、氧化能力強(qiáng)，是工業(yè)和實(shí)驗(yàn)室中大量采用的一種熱電偶。但在還原性介質(zhì)或含硫化物氣氛中易被侵蝕。,（4）T型（銅康銅）熱電偶 這是一種賤金屬熱電偶，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好，低溫時(shí)靈敏度高，價(jià)格低廉。,（5）E型（鎳鉻康銅）熱電偶 這是一種賤金屬熱電偶，在以上幾種熱電偶中它的靈敏度最高，但抗氧化及抗硫化物介質(zhì)的能力較差，適于在中性或還原性氣氛中使用。,2.4.4 熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償,1. 恒溫法（1）把冷端引至冰點(diǎn)槽內(nèi)，維持冷端始終為0，但使用起來(lái)不大方便。（2）把冷端用補(bǔ)償導(dǎo)線引至電加熱的恒溫器內(nèi),2. 公式修正法 當(dāng)用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端延長(zhǎng)到某一溫度T0處（通常是環(huán)境溫度），然后再對(duì)冷端溫度進(jìn)

16、行修正。,3.補(bǔ)償裝置法 補(bǔ)償電橋法是在熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)中串聯(lián)一個(gè)不平衡電橋，此電橋輸出的電壓隨熱電偶冷端溫度變化而變化，從而修正熱電偶冷端溫度波動(dòng)引入的誤差。,4機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法要注意冷端溫度變化后，必須及時(shí)重新調(diào)整機(jī)械零點(diǎn)。在冷端溫度經(jīng)常變化的情況下，不宜采用這種方法。,2.4.5 熱電偶的結(jié)構(gòu),(1)普通型熱電偶 (2)鎧裝熱電偶 (3)熱套式熱電偶(4)薄膜式熱電偶,鎧裝熱電偶圖型,WRTK2-434/8*1000mm 鎧裝固定卡套法蘭熱電偶 WRSK-143/6*1000mm Gh3030 鎧裝防爆熱電偶 WRNK-332/4*1000mm Gh2520 鎧裝可動(dòng)卡套螺紋熱電偶,2.4.6 熱電偶的安裝,（1）測(cè)溫元件的基本安裝形式 （2）測(cè)溫元件的安裝方法,2.4.7 熱電偶的校驗(yàn),熱電偶的校驗(yàn)為了保證熱電偶的測(cè)量精度，必須定期進(jìn)行檢定。熱電偶的檢定方法有兩種，比較法和定點(diǎn)法。用被校熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶同時(shí)測(cè)量同一對(duì)象的溫度，然后比較兩者示值，以確定被檢電偶的基本誤差等質(zhì)量指標(biāo)，這種方法稱為比較法。,1影響熱電偶檢驗(yàn)周期的因素(1)熱電偶使用的環(huán)境條件。環(huán)境條件惡劣的，檢驗(yàn)周期應(yīng)