大连大学建筑工程学院 *1 建筑环境测试技术 2 第四次课复习 3 第三章 温度测量 3.1 温度测量概述 一、温标 l 温标基本内容：规定不同 温度范围内的基准仪器；选 择一些纯物质的平衡态温度 作为温标基准点；建立内插 公式可计算出任何两个相邻 基准点间的温度值。 温标三要素：温度计、 固定点、内插方程 4 1.经验温标 (1)摄氏温标 标准大气压下纯水的冰点是 摄氏零度，沸点为100度，而 将汞柱在这两点间等分为100 格，每等分格为摄氏1度，标 记。 (2)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，中间等分为212份，每一份为1度记作 。称为华氏温标。 5 Q1：卡诺热机从高 温热源吸收热量； Q0：卡诺热机向低 温热源放出热量 Q1/Q0 =T1/T0 假设一卡诺热机工作在温度 为T0的低温热源和未知温度热 源的高温热源之间，如果该卡 诺热机向低温热源放出的热量 为Q0 ，从高温热源吸收的热 量为Q1 ，那么高温热源的温 度为 T1 = Q1/Q0 T0 T0 T1 卡诺 热机 Q0 Q1 热力学温度的内 插方程 2.热力学温标 6 3国际温标 1927年建立，称ITS-27。此后大约每隔20年进行一次重大 修改，1990年新的国际温标（ITS-90）开始实施。 国际摄氏温度（）和国际实用温度（K）关系为： （3.1.3） 定义的基准点、基准仪器以及内插公式，温度标准的传递等。 7 测温仪表 接触式 非接触式 膨胀式 电阻式 热电式 固体式 液体式 压力式 金属 非金属 金属 非金属 全辐射高温计 单色高温计 比色高温计 红外高温计 二、温度测量方法及测量仪 表的分类 8 3.2 膨胀式温度计 膨胀式 固体式 液体式 压力式 双金属片 水银温度计、有机液体 气体、蒸汽压、液体 一、液体膨胀式温度计 二、固体膨胀式温度计 三、压力式温度计 9 1-玻璃温包 2-毛细管 3-刻度标尺 4-膨胀室 10 双金属温度计 11 实例 工业用双金属温度计 12 压力式温度计 13 本次课开始新内容 14 u具有结构简单、制作方便、 测量范围宽、准确度高、性 能稳定、复现性好、体积小 、响应时间短等各种优点。 3.3 热电偶测温 P69 u热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛 的温度测量元件。 u利用不同导体间的“热电效应”现象制成，将温度信号转 换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可 实现温度的测量或温度信号的转换。 15 背景知识（热电效应） 塞贝克1770年生于塔林（现爱沙尼亚首都）。 1820年代初期，塞贝克通过实验方法研究了电 流与热的关系。1821年，塞贝克将两种不同的 金属导线连接在一起，构成一个电流回路。他 将两条导线首尾相连形成一个结点，他突然发 现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而 另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。 -百度百科 16 背景知识 1834年法国物理学家帕尔帖 （钟表匠）在铜丝的两头各接 一根铋丝，在将两根铋丝分别 接到直流电源的正负极上，通 电后，发现一个接头变热，另 一个接头变冷。这说明两种不 同材料组成的电回路在有直流 电通过时，两个接头处分别发 生了吸放热现象。这就是热电 制冷的依据 。 17 背景知识 汤姆逊1824年生于爱尔兰，十岁便入读格拉斯哥大学 ，约在 14岁开始学习大学程度的课程，15岁时凭一篇题为“地球形 状”的文章获得大学的金奖章。后来到了剑桥大学学习，并 以全年级第2名的成绩毕业。 在格拉斯哥大学创建了第一所现代物理实验室；24岁时发表 一部热力学专著，建立温度的“绝对热力学温标”；27岁时 发表热力学理论一书，建立热力学第二定律，使其成为 物理学基本定律；与焦耳共同发现气体扩散时的焦耳汤姆 逊效应；历经9年建立欧美之间永久大西洋海底电缆。汤姆逊 一生研究范围相当广泛，他在数学物理、热力学、电磁学、 弹性力学、以太理论和地球科学等方面都有重大的贡献。 1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理 发现了第三热电 效应。 18 接触电势 温差电势 热电势 A和B所组成回路的两个接合点处的温度 不相同; 两种不同的导体或半导体材料A和B组成 闭合回路; 回路中就有电流产生，说明回路中有电动 势存在，这种现象叫做热电效应。也称为 塞贝克效应。由此效应所产生的电动势， 通常称为热电势。 一、热电偶的工作原理 19 (一）接触电势（珀尔帖电势） 最终形成由A向B的静电场。当扩 散力和电场力达到平衡时，材料A 和B之间就建立起一个固定的电动 势。 两种材料自由电子密度不同而在其接触处形成电动势的 现象，称珀尔帖效应。其电动势称为接触电势。 材料A电子密度大于材料B A失去电子而呈正电位，B获得电 子而呈负电位； 由于导体或半导体材料内部电 子密度不同，当两种不同性质的 材料相互接触时，会在接触面发 生电荷扩散移动； 接触电势EAB（T） 20 理论上已证明该接触电势的大小和方向主要取决于 两种材料的性质和接触面(点）温度的高低。其关系式为 : 单位电荷，4.80210-10绝对静电单位； 玻耳兹曼常数，1.3810-23J/； 材料A和B在温度为T时的电子密度； 式中： 接触处的温度，K。 对应的两个接触面(点）的电 势可分别由式(3.3.1)表示: (3.3.1) 即式(3.3.2)和(3.3.3)。 特点： 温度越高电势越大 ； 两导体电子密度比 值越大，接触电势 越大。 21 材料两端温度不同，两端电子所具有能量 不同，温度较高端电子具有较高能量，其电 子将向温度较低的端运动； 材料两端形成一由高温端向低温端的静电 场，这个电场将阻止电子的移动； 当达到动态平衡，两端建立温差电势。 由同一种导体或半导体材料因其 两端温度不同而产生电动势的现象 称为汤姆逊效应。其产生的电动势 称为温差电势。 (二）温差电势 （汤姆逊电势） TT0 22 N-材料的电子密度，是温度的函数； T，T0-材料两端的温度； t -沿材料长度方向的温度分布。 材料的温差电势大小与材料两端温度和材料性质有关。 (三）闭合回路的总热电势 接触电势温差电势 工作端、热端 参考端、冷端 (3.3.4) (3.3.5) (3.3.6) 接触电势大于温差电势，EAB(T)最大 23 分别带入(3.3.4)式(3.3.5)推导整理 后可得： 可见，若材料A和B已定，则NA和NB 只是温度的单值函数。即 如果冷端温度T0保持恒定，这个热电势就是热端温 度T的单值函数，即 (3.3.7) 24 热电偶的工作原理 25 u工程上所使用的各种类型热电偶均把E(t)和t的关系制 成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度 表。 见335页附表1 举例： ！本专业学生基本技能，应该掌握 26 1.已知：T=260 ,测得的E（260，0） = ？ mv 2.已知：E（T，0）=4.386mv T=? 0.317mv 950 27 结论： u热电偶回路热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材 料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度 及沿程温度分布无关。 u只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材 料组成的闭合回路不会产生热电势。 u热电偶的两种材料确定之后，热电势的大小只与热电 偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒定，则f(T0)为 常数。回路总热电势EAB(T,T0)只是温度的单值函数。 u热电偶冷端温度必须保持恒定，最好是零度。 28 （一）均质导体定则 由一种均质导体组成的闭合回路，不论沿材料长度方向 各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。反之，如果 回路中有热电势存在则材料必为非均质的。 （二）中间导体定则 在热电偶回路中接入第三种（或多种）均质材料， 只要所接入的材料两端连接点温度相同，则所接入的第 三种材料不影响原回路的热电势。 二、热电偶的应用定则 29 1.利用热电偶的分度表（在冷端保持为0条件下得 出的），可以求得冷端在任意实际温度下（例如冷端在室 温T0时），被测温度的实际值。 2.用补偿导线延长热电偶到温度稳定的地方。 中间温度定则应用 （三）中间温度定则 两种不同材料组成的热电偶回路，其接点温度分别 为T和T0时的热电势EAB(T,T0)等于热电偶在接点温度为 (T,Tn)和(Tn,T0)时相应的热电势和的代数和，其中Tn为 中间温度。 30 三、常用热电偶的结构与分类 热电偶材料应满足以下要求。 1.两种材料所组成的热电偶应输出较大的热电势，以得到 较高的灵敏度，且要求热电势和温度之间尽可能呈线性的 函数关系。 31 2.能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电 特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧化、 抗还原、抗腐蚀等性能。 3.具有高导电率和低电阻温度系数。 4.材料复现性好，便于成批生产，制造简单，价格 低廉。 三、常用热电偶的结构与分类 热电偶材料应满足以下要求。 32 （一）热电偶的结构 1-接线盒 2 -保护套管 3-绝缘套管 4-热电偶丝 工业用热电偶 u绝缘套管-多为氧化铝管或工业陶瓷管。 u保护套管-根据测温条件来确定，测量1000 以下的温度一般用金属套管，测量1000以上的 温度则多用工业陶瓷甚至氧化铝保护套管。 u热电偶-多用细热电极丝制成。 科学研究中所使用的热电偶有时不加保护套 管以减少热惯性，改善动态响应指标，提高测量 精度。 33 两个 热电极 34 热电偶 接点 35 36 37 （二）常用标准化热电偶(P75表3.3.1) 铂铑10铂热电偶;分度号S v正极是铂铑合金，其成分为铂90%与铑10% v负极由纯铂制成。 镍铬镍硅热电偶 分度号K v正极为镍铬，负极为镍硅。 铜康铜热电偶 分度号T v正极为铜，负极为康铜。 铂铑30铂铑6热电偶 分度号B 38 v由热电极、绝缘材料和金属套 管三者一起经拉细加工组成一 体。 v铠装热电偶具有性能稳定、结 构紧凑、牢固、抗震等特点； v由于测量端热容量小，所以热 惯性小，具有很好的动态特性 。 v外径、长度和测量端的结构型 式可根据需要而选定。外直径 从0.2512mm不等 铠装式热电偶 1-金属套管； 2-绝缘材料； 3-热电极 铠装式热电偶断面结构图 39 铠装热电偶的结构 40 v由两种金属薄膜制成的一种特殊结 构的热电偶。采用真空蒸镀或化学涂 层等制造工艺将两种热电偶材料蒸镀 到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶， 其热端接点既小且薄，约为0.01 0.1m。 v适于壁面温度的快速测量，且响应 快，其时间常数可达到微秒级，因而 可测瞬变的表面温度。 v热电极有镍铬镍硅、铜康铜等 。 v测温范围一般在300以下。 v基板尺寸为60mm6mm0.2mm。 薄膜式热电偶 薄膜式热电偶示意图 1-热电极 2-热接点 3-绝缘基板 4-引出线 41 四、热电偶测温系统 (一）热电偶参考端（冷端）的处理 已知： 只有当冷端温度恒定的情况下，热电偶的热电势是被测 热端温度的单值函数。 理论修正法 补偿导线法 冷端补偿器法 机械零位法 冰浴法 保持冷端温度恒定方法有以下几种： 42 1.补偿导线法 采用一种特殊的导线（ 称为补偿导线）代替部分 热电偶丝作为热电偶的延 长。 电阻率低，价格比主热电偶丝便宜很多。 补偿导线的热电特性在0100范围内与所取代 的热电偶丝的热电