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1、1,热工测量仪表,温度测量概述,2,一、温度测量的意义,温度：衡量物体冷热程度的物理量、分子无序运动平均动能的体现对于平衡系统,它标志物体内部分子无规则热运动的剧烈程度 借助某种物质的某种特性(如体积,长度和电阻)随温度变化规律测量,从而形成各种不同温度计温度为内涵量，不像其它基本物理量（广延量）可以叠加,3,二、温标,温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。温标三要素（基本条件）：温度计、固定点、内插函数目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。,4,1 华氏温标和摄
2、氏温标华氏温标（oF）规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为oF。摄氏温标（）规定：在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每等分为摄氏1度，符号为。,5,2 热力学温标（绝对温标）热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。1848年汤姆逊首先依据卡诺循环为基础提出。在卡诺循环中有以下方程式：表示工质在温度为T1的热源吸收热量Q1，而在温度为T2的能源释放热量Q2。如果指定定点温度T2，就可以根据上式求得未知温度T1。显然上式与工质本身的种类和性质无
3、关，所以这个方法建立起来的热力学温标就避免了分度的“任意性”。（针对华氏和摄氏温标）但卡诺循环是理想循环，不是真实存在的。实际上使用氢、氦和氮等近似理想气体作出定容式温度计，并根据热力学第二定律定出这种气体温度计的修正值，然后用气体温度计来制定热力学温标。,6,3 国际温标由于气体温度计结构复杂，使用不便，除了在低温测量中使用外，还必须建立一种能够用计算公式传递的、既能高精度复现温标，又在使用上简便的温标，用它来统一各国之间的温度计量，这就是国际温标。经国际上协商建立的国际温标，它通常具备的条件：尽可能接近热力学温度复现精度高，各国均能以很高的准确度复现同样的温标用于复现温标的标准温度计使用方
4、便、性能稳定,7,1927年国际温标(ITS-27)1948年国际温标(ITS-48)1968年国际温标(ITS-68)1990年国际温标(ITS-90)国际温标做重大修改的原因：固定点的改变内插标准仪器（温度计）的改变内插公式的改变，各国开始使用ITS-90温标国际温标同时使用国际开尔文温度T90和国际摄氏温度t90：t90=T90-273.15,8,国际温标,（1）温度的单位热力学温度（符号T或T90）：K（开尔文）它规定水的三相点热力学温度为273.16K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的1/273.16。由于习惯，温度也可以使用摄氏温度来表示，其符号为t，单位为。它定义为：t=T
5、-273.15因此水的三相点为0.01,9,（2）国际温标ITS-90的温度范围 ITS-90由0.65K向上到基于普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。与直接测量热力学温度相比，T90的测量要方便得多，而且更为精密，并具有很高的复现性。,10,（3）ITS-90的定义第一温区为0.65K到5.00K之间,T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间T90是用氦气体温度计来定义.第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78)之间,T90是由铂电阻温度计来定义.它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插
6、法来分度.第四温区:银凝固点(961.78)以上的温区,T90是按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温计,11,ITS-90的定义固定点共17个,12,ITS-90温度范围内插仪器,13,（4）温标的传递国际温标由各国计量部门按规定分别保持和传递。在我国由中国计量科学研究院用国际温标规定的各定义固定点和一整套基准仪器来复现，并由各省级计量局逐级传递到测温仪表和实验用精密测温仪表。,14,我国温标传递系统示意图,15,三、测温原理,1、接触式测温原理2、热辐射测温原理,16,1.接触法 原理：当温度计与物体接触并经足够长时间达到热平衡后，二者温度必然相等 特点：温度计与被测物体需良好热接触
7、二者达到热平衡易测量1000以下温度，精度通常为0.5%1%，据测量条件可达0.01%响应速度较慢(12min)，可能会破坏温度场，不适于运动物体易受被测介质腐蚀，对感温元件结构、性能要求苛刻 常用接触式测温仪表：膨胀式温度计、压力式温度计、热电阻、热电偶等,17,2.非接触法 原理：凡高于绝对零度的物体都具有发出辐射的能力,利用物体的热辐射随温度变化原理 特点：测量1000以上移动、旋转或反应迅速的高温物体温度测量；不与被测物体接触，不改变被测物体的温度分布，热惯性小响应速度较快，约23s 常用非接触式测温仪表：光学高温计、比色高温计和辐射高温计,18,普朗克辐射定律,19,黑体辐射亮度与波
8、长及温度的关系,20,四、测温方法的分类,按测温原理及所用的感温元器件的不同可分为：膨胀式、电阻式、热电式和辐射式以及比较特殊的半导体温度传感器、光纤温度传感器等按测温元件是否与被测物体接触，可分为接触式和非接触式,21,常见的几种测温方法,22,五、利用热胀冷缩原理的温度计,1 膨胀式温度计：液体膨胀式温度计固体膨胀式温度计2 压力式温度计：液体压力式温度计气体压力式温度计蒸气压力式温度计,23,5.1 膨胀式温度计,1 液体膨胀式温度计,液体膨胀式温度计中使用最广泛的就是水银玻璃温度计，简称玻璃温度计。构造简单、使用方便、准确度高和价格低廉。多为棒式。测温范围一般为：39356摄氏度。如在
9、玻璃管内充8MPa的氮气，采用石英玻璃管，上限可到750摄氏度。如用其它低凝固点的液体，下限可到200摄氏度。按用途：1工业用：尾部多样，带保护罩。2标准用：分为一等和二等，校验用。按测温范围制成多只成套用。3实验室用：结构和标准相仿，准确度较高。使用方法：液柱全部浸入，才能得到准确值。,24,原理工作液的膨胀系数远大于玻璃,安装：方便读数，安全可靠垂直安装为宜测量管道内流体温度时，应使温度计的温包置于管道中心线位置，插入方向须与流体流动方向相反,25,测温误差分析玻璃材料较大热滞后效应，当测高温后立即测低温，温包不能立即恢复至起始体积，使温度计零点漂移，引起误差温度计浸没深度不够引起误差温度
10、计标定时，全部液柱均浸没于被测介质中，实际使用时只有部分液柱浸没其中，引起指示值偏离被测介质的真实值部分浸没时，需修正：t=n(t-ta)n露出部分所占刻度数工作液对玻璃的相对体膨胀系数（汞0.00016，酒精0.000103）t 温度计的示值ta 环境温度,26,练习题,某测量蒸气管道中蒸汽温度的水银温度计指示值为280，温度计浸没深度处的刻度为60，液柱露出部分的环境平均温度为30，试求蒸汽的真实温度？,27,2 固体膨胀式温度计,利用固体受热膨胀原理制成的温度计，分为：杆式温度计和双金属温度计。其中双金属温度计使用最多。双金属温度计原理：两种线膨胀系数不同的双金属片叠焊在一起制成。金属片
11、一段固定，另一端可自由移动。如果下方金属的线膨胀系数较大，则温度升高时会向上弯曲变形。温度越高，弯曲的角度越大。,28,为了使双金属材料长而结构紧凑，占据的空间小而变形显著，常将金属片绕制成螺旋形，将一段固定，另一端和指针相连接，受热后金属片自由端的偏转角度可用下式计算式中：K-比弯曲，t-被测温度，t0-仪表起始温度，h-双金属片厚度，L-双金属片展开长度,29,双金属温度计又可分为杆型和盒型两种，通常以杆型双金属温度计使用最多，杆型中按其表盘位置的不同可分为轴向型和径向型，也有设计成表盘位置可以任意转动的。双金属温度计的准确度等级自1.0级至2.5级都有。,30,双金属温度计由于结构简单，
12、抗震性能好，比水银温度计坚固，且可避免水银污染，因此工业上逐步用它取代水银温度计。,双金属温度计结构（a）轴向型（b）径向型1-表壳 2-刻度盘 3-活动螺母 4-保护套管 5-指针轴 6-感温元件 7-固定端,31,5.2 压力式温度计,原理：根据在封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化制作，并用压力表测量这种压力变化来测得温度。结构：温包、毛细管和弹性压力表受毛细管长度限制，工作距离60mm，工作温度：-50550动态性能差，滞后性大，不能测量快速变化的温度,32,1 液体压力式温度计原理：金属温包和金属毛细管一端相连，毛细管另一端和弹簧压力计连接。温包、毛细
13、管和弹簧管内充满液体。液体受热后压力升高，压力经毛细管传递给弹簧管，使弹簧管变形，从而使弹簧管压力表工作，并在其温度标尺上给出被测温度值。测量上限压力可达17.5MPa。,33,34,2 气体压力式温度计原理：根据理想气体状态方程式PV=mRT可知：如果体积一定，压力和温度成正比。在温度不太低而压力不太高时，一般气体都能较准确地遵守气体状态方程式。温度测量范围：氮气，测量最高温度可达500到550摄氏度，低温下充氢气，测温下限可达120摄氏度。压力范围：初始充气压力为13MPa，上限压力受系统承受的限制，一般为6MPa。,35,3 蒸汽压力式温度计原理：道尔顿饱和蒸汽压定律液体的饱和蒸汽压只和气液分界面的温度有关。注意：压力和温度的关系非线性，需要采用补偿措施（变刚度弹簧管或压力表的连杆机构补偿）使温度刻度线性化。,36,4 压力式温度计的附加误差（1）温包浸入深度的影响；（2）环境温度的影响；（3）大气压力的影响；（4）液柱高度的影响。,37,压力温度计基本参数表,
