2温度测量仪表Word格式文档下载.docx

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1、定义

导热是指由于物体内部分子、原子和电子等微观粒子的热运动，而组成物体的物质并不发生宏观的位移，将热量从高温区传到低温区的过程。

2、温度场

物质系统内各个点上温度的集合称为温度场

3、导热基本定律

在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。

　　用热流密度q表示时形式如下：

　　q＝-λ（dt/dx）

　　可以用来计算热量的传导量。

　　相关的公式如下

　　Φ＝-λA（dt/dx）

　　其中Φ为导热量，单位为W

　　λ为导热系数，w/（m*k）

　　A为传热面积，单位为m^2

　　t为温度，单位为K

　　x为在导热面上的坐标，单位为m

　　q是沿x方向传递的热流密度（严格地说热流密度是矢量，所以q应是热流密度矢量在x方向的分量）单位为W/m^2

　　dt/dx是物体沿x方向的温度梯度，即温度变化率

　　一般形式的数学表达式：

q=-λgradt=-λ（dt/dx）n

　　式中：

gradt是空间某点的温度梯度（temperaturegradient）；

n是通过该点的等温线上的法向单位矢量，

　　指温度升高的方向

　　上述式中负号表示传热方向与温度梯度方向相反

λ表征材料导热性能的物性参数（λ越大，导热性能越好）

二、对流换热

1、定义及分类

对流换热是指流体与固体表面的热量传输。

对流换热是在流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。

当流体作层流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。

对流换热与热对流不同，既有热对流，也有导热；

不是基本传热方式。

形成对流的原因有两种：

流体各部分因温度引起的密度差所形成的运动称为自然对流；

由风机、泵等所驱动的流体运动称为受迫对流。

相应的换热过程分别称为自然对流换热和受迫对流换热。

。

2、对流换热计算公式

流体与固体表面之间的换热能力，即物体表面与附近空气温差1℃、单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。

单位为W/（m2·

℃）。

表面对流换热系数的数值与换热过程中空气的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及空气的流速等都有密切关系。

表面附近的气流速度愈大，其表面对流换热系数也愈大。

如人处在风速较大的环境中，由于皮肤表面的对流换热系数较大，其散热（或吸热）量也较大。

对流换热系数可用经验公式计算，通常用巴兹公式计算。

　　对流传热系数也称对流换热系数。

对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出，又称牛顿冷却定律。

牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即：

　　q=h*（tw-t∞）

　　Q=h*A*（tw-t∞）

　　q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，单位W/m^2；

　　tw、t∞分别为固体表面和流体的温度，单位K；

　　A为壁面面积，单位m；

　　Q为面积A上的传热热量，单位W；

　　h称为表面对流传热系数，单位W/m.K。

　　对流换热系数h的物理意义是：

当流体与固体表面之间的温度差为1K时，1m壁面面积在每秒所能传递的热量。

h的大小反映对流换热的强弱。

　　如上所述，h与影响换热过程的诸因素有关，并且可以在很大的范围内变化，所以牛顿公式只能看作是传热系数的一个定义式。

它既没有揭示影响对流换热的诸因素与h之间的内在联系,也没有给工程计算带来任何实质性的简化，只不过把问题的复杂性转移到传热系数的确定上去了。

因此，在工程传热计算中，主要的任务是计算h。

计算传热系数的方法主要有实验求解法、数学分析解法和数值分析解法。

3、影响对流换热的因素

1）流体流动状态的影响

2）流体流动产生的原因

3）流动物理性质的影响

4）流体相变的影响

5）换热表面的形状和尺寸的影响

三、辐射换热

1、热辐射的基本概念

体由于具有温度而辐射电磁波的现象。

热量传递的3种方式之一。

一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。

热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。

由于电磁波的传播无需任何介质，所以热辐射是在真空中唯一的传热方式。

　　温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,当温度为300摄氏度时热辐射中最强的波长在红外区.当物体的温度在500度以上至800度时,热辐射中最强的波长成分在可见光区.

　　关于热辐射,其重要规律有4个:

基尔霍夫辐射定律,普朗克辐射分布定律,斯蒂藩-玻耳兹曼定律.维恩位移定律.这4个定律,有时统称为热辐射定律.

　　物体在向外辐射的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。

物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。

但是，在热平衡状态下，辐射体的光谱辐射出射度（见辐射度学和光度学）r（λ，T）与其光谱吸收比a（λ，T）的比值则只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关，即

　　上述规律称为基尔霍夫辐射定律，由德国物理学家G.R.基尔霍夫于1859年建立。

式中吸收比a的定义是：

被物体吸收的单位波长间隔内的辐射通量与入射到该物体的辐射通量之比。

该定律表明，热辐射辐出度大的物体其吸收比也大，反之亦然。

　　黑体是一种特殊的辐射体，它对所有波长电磁辐射的吸收比恒为1。

黑体在自然条件下并不存在，它只是一种理想化模型，但可用人工制作接近于黑体的模拟物。

即在一封闭空腔壁上开一小孔，任何波长的光穿过小孔进入空腔后，在空腔内壁反复反射，重新从小孔穿出的机会极小，即使有机会从小孔穿出，由于经历了多次反射而损失了大部分能量。

对空腔外的观察者而言，小孔对任何波长电磁辐射的吸收比都接近于1，故可看作是黑体。

将基尔霍夫辐射定律应用于黑体，有

　　可见，基尔霍夫辐射定律中的函数f（λ，T）即黑体的光谱辐射出射度。

2、热辐射度量

A辐射能Q

B辐射通量Φ

C辐射出度M和辐射照度E

a辐射出度M

b单色辐射出度

c辐射照度E

D辐射亮度L和单色辐射亮度L

a立体角

b辐射亮度

c勃朗特定律

d单色辐射亮度L

3、辐射测温的基本定律

A普朗克定律及其推论

a普朗克定律

b维恩近似公式

c普朗克定律的推论

2.3膨胀式温度计

一、概述

温度计有胀式温度计、压力式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式温度计等还有很多其他的特殊的温度计。

日常生活中我们常用的是膨胀式温度计，它是利用物质的热涨冷缩的原理来制造的。

膨胀式温度计中表示温度的物质有液体的和固体的，有金属的和非金属的。

其结构一般为密封的玻璃管中装有膨胀介质，介质的材料一般有水银、酒精、煤油等液体。

为了能够看得清晰，酒精、煤油常常染成红颜色。

为了使介质能够在温度很低是聚集在一起，玻璃管装介质的一端做成了玻璃泡，使大部分介质装在里面。

当温度升高时，膨胀的介质沿着细管上升，温度升得越高，介质升的越多，并可以从玻璃管上的刻度看出来，从而表示了温度的高低。

二、玻璃液体温度计

玻璃液体通度计（li咖d一in刁翻the~ter）由感温泡、玻瑞毛细管和刻度标尺3部分组成的温度计。

其侧温原理是基于物质的热膨胀特性。

当温度计插人温度高于温度计初始温度的被测介质时，感温液受热膨胀，从而使感温液柱在毛细管内上升。

常用的感沮液体有汞、汞蛇合金和有机液体。

玻璃液体温度计按结构可分为棒式、内标式和外标式3种。

玻璃液体沮度计在使用过程中，零位变化是最主要的一项误差来源。

温度计的零位严格地讲不是一个定值，而是与最后一次受热状态有关。

零位变化有两种形式:

①由于玻瑞内部组织老化引起的感温泡体积收缩造成温度计零位永久上升;

②温度计加热后感温泡膨胀，再急冷至室温，感温泡不能立即恢复原状，造成零位暂时性降低，必须通过退火来恢复。

三、固体膨胀式温度计

固体膨胀式温度计它是利用固体线膨胀原理制造的,它是利用固体线膨胀原理制造的,线的关系为:

膨胀δl与温度变化δT的关系为:

δl=lαδT（α-线膨胀系数）线膨胀系数）分类:

杆式和双金属.分类:

杆式和双金属.1.双金属式工1.双金属式工作原理双金属式由感温元件,传递机构,由感温元件,传递机构,指示装置组温度改变时成.当温度改变时,双金属因膨胀系数不弯曲,带动指针转动批示被测温度T.指针转动,同而弯曲带动指针转动,同而弯曲,62.双金属式的结构形式双金属式的结构形式为了提高灵敏度,则常把双金属体做成为了提高灵敏度,直回旋形和盘旋形两种结构形式.直回旋形和盘旋形两种结构形式.两种结构形式73.特点

（1）测温范围:

-80~+600度,测温范围:

精度有:

1,1.5,2.5级.

（2）结构简单,价格便宜,刻度清晰,结构简单,价格便宜,刻度清晰,使用方便,耐振动.使用方便,耐振动.已有代替液体温度计的趋势,消除已有代替液体温度计的趋势,"

汞.害"

从应用上看突出优点:

动振大的场合适用于动振大的场合;

①适用于动振大的场合;

消除"

汞害"

②消除"

.4.使用合理选用量程,避免老化影响寿命;

（1）合理选用量程,避免老化影响寿命;

（2）安装前需要进行标定;

安装前需要进行标定;

保持表体清洁,以便读数,（3）保持表体清洁,以便读数,避免感温部分腐蚀,锈烂.感温部分腐蚀,锈烂。

四、压力是温度计

概述

　　新一代液体压力式温度计以及由此开发的系列化测温仪表，克服了原仪表性能单一，可靠性差以及温包积大的缺点，并将测温元件体积缩小到原来的1/30或1/60，创造性地将传感器热电阻安装于测温元件内，实现了机电一体化的测温功能。

形成了以液体压力式温度计为基本测温仪表的远传、防震、防腐、电接点、温度信号变送等多功能系列化温度仪表。

分为两个系列，普通型和防爆型。

工作原理

该温度计的原理是基于密闭测温系统内蒸发液体的饱和蒸气压力和温度之间的变化关系，而进行温度测量的。

当温包感受到温度变化时，密闭系统内饱和蒸气产生相应的压力，引起弹性元件曲率的变化，使其自由端产生位移，再由齿轮放大机构把位移变为指示值，这种温度计具有温包体积小，反应速度快、灵敏度高、读数直观等特点，几乎集合了玻璃棒温度计、双金属温度计、气体压力温度计的所有优点，它可以制造成防震、防腐型，并且可以实现远传触点信号、热电阻信号、0-10mA或4-20mA信号。

是目前使用范围最广、性能最全面的一种机械式测温仪表。

2.4电阻式温度计

金属的电阻会随温度增加而增加，风速仪在温度变化不大的情况下，其电阻与温度约成线性关系，在更大的温度范围，通常可用简单的二次多项式表示。

透过测量金属的电阻，便可知道温度为何。

此种温度计通常用白金线制成，可精确到10-3摄氏度，常用于精密的测量。

由于白金熔点高，所以可测量的温度范围更大，约在摄氏-250℃至1200℃左右。

二、金属热电阻温度计

采用双金属温度计[1]与热电阻/热电偶一体的方式，既满足现场测温需求，亦满足远距离传输需求,可以

热电阻双金属温度计

直接测量各种生产过程中的-80-+500℃范围内液体、蒸气和气体介质以及固体表面测温。

主要技术参数

　　标度盘公称直径：

100、150

　　热响应时间：

≤40s

　　精度等级：

1.0、1.5

　　热电偶：

I级1.5℃；

II级2.5℃

　　热电阻：

A级±

（0.15+0.005ItI）

　　B级±

（0.30+0.005）

　　防护等级：

IP55

选型须知

　　a型号

　　b热电偶/热电阻分度号

　　c热电偶/热电阻精度等级

　　d双金属温度计精度等级

　　e测温范围

　　f安装固定形式

　　g保护管材质

　　h插入长度

　　例A：

热电偶双金属温度计，轴向型，E型I级测温范围0-400℃。

活动螺纹M27x2，保护管316插入长度300mm.即为：

WSSE-4010-400℃l=300mmI级保护管316

工作原理

　　利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。

当阻值变化时，工作仪表便显示出阻值所对应的温度值。

系统组成

（1）热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。

必须注意以下两点：

　　①热电阻和显示仪表的分度号必须一致

　　②为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。

具体内容参见本篇第三章。

（2）铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ1~φ8mm，最小可达φmm。

与普通型热电阻相比，它有下列优点：

　　①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；

　　②机械性能好、耐振，抗冲击；

　　③能弯曲，便于安装

　　④使用寿命长。

　　（3）端面热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面。

它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。

　　（4）隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用。

三、半导体电阻温度计

半导体温度计主要用碳、锗等。

电阻温度计使用方便可靠，已广泛应用。

它的测量范围为-260℃至600℃左右。

2.5热电偶温度计

原理

　　两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；

冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

　　热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：

1：

热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度函数的差，而不是热电偶冷端与工作端，两端温度差的函数；

　　2：

热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；

　　3：

当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；

若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图所示。

当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。

热电偶就是利用这一效应来工作的。

应用

　　采用双金属温度计引与热电偶/热电阻一体的方式，既满足现场测温需求，亦满足远距离传输需求,可以直接测量各种生产过程中的-80-+500℃范围内液体、蒸气和气体介质以及固体表面测温。

　用途　用于测量各种温度物体，测量范围极大，远远大于酒精、水银温度计。

它适用于炼钢炉、炼焦炉等高温地区，也可测量液态氢、液态氮等低温物体。

温差电序

旧称“热电序”，按金属（或半导体，下同）在温差电现象中的性质排成的序列。

从序列中任取两种金属制成一温差电偶时，在温度高的结合点，电流从序列中在前的金属流向序列中在后的金属。

常见温差电序如下：

　Bi-Ni-Co-K-Rb-Ca-Pd-Na-Hg-Pr-Ta-Al-Mn-Pb-Sn-Cs-W-Tl-In-Ir-Ag-Re--Cu-Au-Cd-Zn-Mo-Ce-Li-Fe-Sb-Ge-Te-Se

热电偶的校验和误差分析热电偶的误差来源主要有以下一些:

分度误差:

由于热电极材料成分不符要求和材料均匀性等原因,使热电偶的热电性质与统一的分度表之间产生分度误差。

补偿导线误差:

由于补偿导线和热电极材料在1000C以下的热电性质不同将产生误差。

参比端温度变化引起的误差:

在利用补偿电桥进行参比温度补偿时,由于不能完全补偿而产生误差。

由于热电极变质,使热电性质变化而产生误差。

2.6辐射温度计

在测温学中，就温度传感器或温度计与被测温场之间的关系而言．测温方法可以分为两类：

接触测温法和非接触测温法。

后者也可称为辐射测温法。

　　辐射测温法包括亮度法（光学高温计）、辐射法（辐射高温计）和比色法（比色温度计）。

各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。

只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。

如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。

对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。

附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。

利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。

最为典型的附加反射镜是半球反射镜。

至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。

通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。

在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。

　　自1800年Herschel发现红外辐射以来，辐射测温学已有将近200年的发展历史。

如果说在19世纪各国科学家主要致力于发现各种热辐射定律，例如克希霍夫定律（1859）、斯蒂芬—玻尔兹曼定律（1879—1884）、普朗克定律（1900）、维恩=位移定律（1894）等，那么20世纪则主要着重于应用。

本世纪60年代之前，辐射测温主要用于高温范围（800℃以上），但随着红外技术的发展．它已逐步扩展到中温、常温甚至低温范围。

辐射测温技术的另一个重要发展趋势是动态与快速测量。

毫秒级、亚微秒级甚至微秒级辐射温度计的相继问吐，标志着这种技术进入了—个崭新的阶段。

在这方面．计算机技术的广泛应用作出了重要的贡献。

　　与接触测温例如电阻测温、热电偶测温不同，辐射测温直接应用基本的辐射定律。

它的测量可以与热力学温度联系起来，因此可以直接测量热力学温度。

在制订1990年国际温标（ITS—90）的过程中，铝凝固点（630℃）以上的某些数值来自于辐射的测量结果就是一个证明。

　　辐射测温法的优点是显而易见的。

它的测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度。

辐射测温的另一个特点是，在理论上无测量上限，所以它可以测到相当高的温度。

此外，其探测器的响应时间短，易于快速与动态测量。

在一些特定的条件下，例如核子辐射场，辐射测温可以进行准确而可靠的测量。

辐射测温法的主要缺点在于，一般来说，它不能直接测得被测对象的实际温度。

要得到实际温度．需要进行材料发射率的修正，而发射率是一个影响因素相当复杂的参数。

这就增加了对测量结果进行处理的难度。

另外，由于是非接触，辐射温度计的测量受到中间介质的影响。

特别是在工业现场条件下，周围环境比较恶劣，中间介质对测量结果的影响更大。

在这方面，温度计波长范围的选择是很重要的。

此外．由于辐射测温的相对复杂的原理、温度计的结构也相对复杂，从而其价格较高。

这也限制了辐射温度计在某些方面的使用。

2.7光纤温度计

光纤是一种由透明度很高的材料制成的传输光信息的光导纤维，共分三层。

光纤的工作原理是光的全反射。

这种新式温度计的感应器由塑料光纤制成，比普通玻璃温度计结实耐用，内装从亚麻籽中榨出的油，具有不受电磁波干扰的特性。

而玻璃温度计中的水银则极易受电磁波干扰，易使测量产生误差。

光纤温度计的最佳测量温度范围为35℃～45℃，故适宜在有医疗器械电磁波干扰的场合测量人体温度。

此外，这种温度计还具有方便、实用和生产成本低等优点。

二、光纤辐射温度计

光纤温度计可克服一般辐射温度计的透镜直径大，不能用于空间狭小测温或目标被遮挡难以接近等场合的难题，无法用于低温区。

三、非功能型光纤温度计

1、荧光光纤温度计

2、半导体光纤温度计

3、热色效应光纤温度计

四、功能型光纤温度计

1、马赫-珍得相位干涉型光纤温度计

2、法布里-珀光纤温度计

五、分布式光纤测温系统

1、测温的物理基础

2、分布式光纤测温系统原理框图

2.8集成温度传感器测温技术

一、模拟集成温度传感器

传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性

温度传感器

不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；

热惯性大，响应时间慢。

集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。

二、模拟集成温度控制器

1、概述

它是一种带温度控制功能的集成电路。

2、基于TMP01的温度/电流变送器

三、智能温度传感器

它是20世纪90年代中期问世的，是微电子技术、计算机技术和自动控制测试技术的结晶，它是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。

2、基于DS18S20的温度巡回检测系统

3、恒温控制器

2.9温度测量仪表的应用

一、熔融金属的温度测量

1、钢水温度的测量

2、其他熔融金属的温度测量

二、气流温度测量

用点偶测量高速气流温度

用辐射换热方

2、低速气流的温度测量

三、接触式测温插入深度的研究

四、基于MAX1668的多通道温度巡回检测系统