第五章 溫度測量-0414

2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量1第五章溫度測量2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量2第一節(jié)概述第二節(jié)接觸式溫度計第三節(jié)非接觸式溫度計第四節(jié)氣體溫度計第五節(jié)紅外技術(shù)在溫度測量中的應(yīng)用主要內(nèi)容2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量3紅外測溫儀溫度測量儀通道溫度監(jiān)測機箱溫度監(jiān)測海水溫度監(jiān)測2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量4第一節(jié)概述一、溫度

溫度是表示物體冷熱程度的物理量。從分子運動的觀點看，溫度是物體內(nèi)部分子運動平均動能大小的一個度量標(biāo)志。一、溫度第一節(jié)概述2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量5第一節(jié)概述二、溫標(biāo)

用來度量溫度高低的尺度稱為溫度標(biāo)尺，簡稱“溫標(biāo)”，它規(guī)定了溫度的零點和基本測量單位。目前使用較多的溫標(biāo)有熱力學(xué)溫標(biāo)、國際實用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)。其中攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)之間的關(guān)系如下：tC為攝氏溫標(biāo)tF為華氏溫標(biāo)二、溫標(biāo)2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量6第一節(jié)概述二、溫標(biāo)

熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開爾文溫標(biāo)或絕對溫標(biāo)，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度。規(guī)定水的三相點（即液體、固體、氣體狀態(tài)的水同時存在的溫度）為273.1K。水的凝固點，即相當(dāng)攝氏溫標(biāo)0℃，相當(dāng)華氏溫標(biāo)32℉的開氏溫標(biāo)為273.15K。熱力學(xué)溫標(biāo)（符號為T）它的單位為開爾文（符號為K），定義為水三相點的熱力學(xué)溫度的1/273.16。t為攝氏溫標(biāo)T為熱力學(xué)溫標(biāo)2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量7第一節(jié)概述三、溫度計分類三、溫度計分類測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。1、接觸式溫度計溫度計分為接觸式和非接觸式兩大類。2、非接觸式溫度計非接觸測溫感溫元件不與被測對象相接觸，而是利用物體產(chǎn)生輻射能量的大小來測量溫度。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量8第一節(jié)概述三、溫度計分類接觸式溫度計和非接觸式溫度計各自的特點如下：1）由于接觸式溫度計必須將感溫元件與被測物體接觸，因此容易破壞被測溫度場，非接觸式溫度計則無此問題；2）接觸式溫度計感溫元件與被測物體達到熱平衡需要一定時間，所以產(chǎn)生的時間滯后比較大，非接觸式測溫計直接測量被測物體的熱輻射，響應(yīng)速度快；3）由于感溫元件難以承受很高的溫度，所以接觸式溫度計測量高溫時受到限制，非接觸式溫度計無此問題；2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量9第一節(jié)概述三、溫度計分類4）由于低溫時物體熱輻射很小，所以非接觸式溫度計不適合測量低溫；5）一般來說，接觸式溫度計的測量精度比非接觸式溫度計高。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量10第一節(jié)概述二、溫度計分類溫度計分類使用溫度范圍接觸式膨脹式壓力式溫度計雙金屬溫度計水銀溫度計有機液體溫度計-80~550℃-100~600℃-38~356℃-100~100℃電阻式鉑電阻溫度計銅電阻溫度計銠鐵電阻溫度計鍺電阻溫度計鎳電阻溫度計碳電阻溫度計熱敏電阻溫度計13.18~961.78K-50~150℃0.1~73K0.015~100K-60~180℃30K以下至mK-40~150℃熱電偶式銅-康銅鉑銠-鉑鎳鉻-康銅鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）-200~400℃0~1800℃0~800℃0~1300℃表5-1溫度計分類及使用溫度范圍（低溫、中溫、高溫）2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量11第一節(jié)概述二、溫度計分類溫度計分類使用溫度范圍非接觸式輻射式全輻射高溫計單色光學(xué)高溫計比色光學(xué)高溫計紅外溫度計700~2000℃800~2000℃800~2000℃100~700℃續(xù)表5-1溫度計分類及使用溫度范圍2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量12第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計利用物質(zhì)的體積隨溫度升高而膨脹的特性制作的溫度計。分類：玻璃管液體溫度計壓力式溫度計

第二節(jié)接觸式溫度計

一、膨脹式溫度計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量13第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計1、玻璃管液體溫度計

玻璃管液體溫度計可以充填不同的工作液體，常用水銀。水銀不粘玻璃，不易氧化，在相當(dāng)大溫度范圍內(nèi)（-38~356℃）保持液態(tài)，200℃以下，膨脹系數(shù)和溫度成線性關(guān)系，可作為精密標(biāo)準(zhǔn)溫度計。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量14第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計應(yīng)注意的問題：玻璃液體溫度計的溫度刻度是在溫度計液柱全部浸入介質(zhì)中標(biāo)定的。測量時外露部分處于環(huán)境溫度下，若環(huán)境溫度與標(biāo)定分度時的溫度不同，可按下式修正：玻璃的熱脹冷縮會引起零點位置的移動，因此使用玻璃管液體溫度計應(yīng)定期校驗零點位置。零點漂移露出液柱的校正2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量15第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計tB為標(biāo)定分度條件下外露部分空氣溫度n為露出部分液柱所占的度數(shù)γ為液體在玻璃管中的膨脹系數(shù)tA為使用條件下外露部分空氣溫度2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量16第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計玻璃管液體溫度計的特點：精確度高，讀數(shù)直觀，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，使用方便。不能遠程運輸，不能用于自動測量系統(tǒng)。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量172、壓力溫度計

第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計壓力式溫度計1-指針；2-刻度盤；3-彈簧管；4-連桿5-傳動機構(gòu)；6-毛細管；7-溫包；8-感溫工質(zhì)

壓力式溫度計是基于密閉系統(tǒng)內(nèi)的氣體或液體受熱后壓力變化的原理而制成的，它由溫包、毛細管和彈簧管所構(gòu)成的密閉系統(tǒng)和傳動指示機構(gòu)組成，如右圖2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量18第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計使用壓力式溫度計時，必須將溫包全部浸入被測物質(zhì)中。當(dāng)毛細管所處的環(huán)境溫度有較大波動時會給測量結(jié)果帶來誤差，所以毛細管不能太長。這種溫度計精度較低，但使用簡單，具有抗振動的優(yōu)點，檢測內(nèi)燃機和其他動力機械的油溫或水溫常用這種溫度計。2023/2/4熱能與動力工程測試技術(shù)第五章溫度測量19分類第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計

1）工質(zhì)為氣體，常用氮氣，測溫范圍-80-550℃。壓力與溫度關(guān)系近線性。2）工質(zhì)為低沸點液體，如氯甲烷、氯乙烷、丙酮。測溫范圍-20-200℃。由于飽和蒸汽壓和飽和溫度呈非線性關(guān)系，刻度不均勻。3）工質(zhì)為液體，如水銀、二甲苯、甲醇等，測溫范圍為-40-200℃。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量203、雙金屬溫度計

第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計工作原理：利用兩種金屬線脹系數(shù)不同的原理制成。當(dāng)溫度變化時，兩種金屬的膨脹不同，雙金屬片產(chǎn)生與被測溫度成正例的變形。特點：體積小、成本低、堅固、抗振性好，測溫范圍為-60℃~500℃，精度較低，主要用于工業(yè)中。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量21第二節(jié)接觸式溫度計二、熱電阻溫度計二、熱電阻溫度計

原理：利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性制作的溫度計。熱電阻溫度計由熱電阻、變送器、連接導(dǎo)線和顯示儀表等幾部分組成。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量22第二節(jié)接觸式溫度計二、熱電阻溫度計特點：測量精度較高。響應(yīng)速度快。整個測量范圍內(nèi)呈線性關(guān)系?？蓪崿F(xiàn)遠距離測量顯示和自動記錄。鉑熱電阻遠傳溫度計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量23第二節(jié)接觸式溫度計二、熱電阻溫度計常用的兩種熱電阻（探頭材料不同）鉑熱電阻：長期使用的溫度范圍是-200~500℃。銅熱電阻：長期使用的溫度范圍是-30~100℃。鉑熱電阻溫度計銅熱電阻溫度計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量24第二節(jié)接觸式溫度計三、熱電偶溫度計三、熱電偶溫度計

原理：利用“熱電效應(yīng)”制作的感溫元件。2023/2/4熱能與動力工程測試技術(shù)第五章溫度測量25第二節(jié)接觸式溫度計三、熱電偶溫度計（一）常用熱電偶的材料

熱電偶是利用“熱電效應(yīng)”制成的一種感溫元件，理論上任何兩種不同金屬或合金都可以組成熱電偶，但為保證工作可靠和足夠的測溫精度，熱電偶材料應(yīng)滿足第四章所述的要求。常用的有：1.鉑銠10-鉑熱電偶貴金屬熱電偶，使用直徑為0.35-0.5mm。精度高，理化性能穩(wěn)定，短期測溫上限達1600℃

，適用于氧化或中性氣氛中使用。缺點是在高溫還原介質(zhì)中易被侵蝕和污染，熱電動勢小，因此靈敏度較低。2023/2/4熱能與動力工程測試技術(shù)第五章溫度測量26第二節(jié)接觸式溫度計三、熱電偶溫度計2.鉑銠30-鉑銠6熱電偶貴金屬熱電偶，使用直徑為0.3-0.5mm。精度高，短期測溫上限達1800

℃，適用于氧化或中性氣氛中使用。缺點是靈敏度較低，價格昂貴。3.鎳鉻-鎳硅熱電偶賤金屬熱電偶，工業(yè)應(yīng)用時直徑為0.5-3mm。價格低，靈敏度高，測溫重復(fù)性好，高溫下抗氧化能力強，短期使用時測溫上限可達1300

℃，應(yīng)用較廣。缺點是在還原性介質(zhì)或含硫化物氣氛中容易被腐蝕。2023/2/4熱能與動力工程測試技術(shù)第五章溫度測量27第二節(jié)接觸式溫度計三、熱電偶溫度計4.銅-康銅熱電偶賤金屬熱電偶，常用直徑為0.2-1.6mm。測溫范圍-200~400

℃。特點是價格低廉，測量精度高，溫度性好，靈敏度較高。5.鎳鉻-康銅熱電偶賤金屬熱電偶，直徑一般為0.5-3mm。短期使用時測溫上限為800

℃，靈敏度在這五種熱電偶中最高，價格也最便宜，應(yīng)用前景非常廣泛。缺點是抗氧化及抗硫化物的能力較差，適用于中性或還原性氣氛中使用。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量28第二節(jié)接觸式溫度計三、熱電偶溫度計（二）熱電偶常用結(jié)構(gòu)：1、普通工業(yè)熱電偶

保護套管在測量溫度高于1000℃時用金屬，低于1000℃用工業(yè)陶瓷或鋁。保護套管有時不用以減小熱慣性，提高精度。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量29第二節(jié)接觸式溫度計三、熱電偶溫度計2、鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶可以做得很長、很細，且可以彎曲，可滿足測量的特殊需要。鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)1-保護套管；2-絕緣材料；3-熱電極；左為單芯結(jié)構(gòu)，右為雙芯結(jié)構(gòu)鎧裝熱電偶具有慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、牢固、抗振、可撓等特點。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量30第二節(jié)接觸式溫度計三、熱電偶溫度計3、薄膜熱電偶

采用真空蒸鍍或化學(xué)涂層的方法將熱電偶材料沉積在絕緣基板上制成的熱電偶稱為薄膜熱電偶。薄膜熱電偶適用于壁面溫度的快速測量。使用溫度范圍在300℃以下。薄膜熱電偶示意圖1-熱電極；2-熱接點；3-絕緣基板；4-引出線2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量31第二節(jié)接觸式溫度計四、溫度計的校驗兩點法一般工業(yè)熱電阻溫度計可只校驗0℃時和100℃時電阻值R0和R100，并檢查R0/R100是否符合規(guī)定。比較法將標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計或標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計與被校熱電阻溫度計一起插入恒溫?zé)嵩粗?，在?guī)定的溫度點下讀數(shù)比較，偏差不得超過規(guī)定的最大誤差。四、溫度計的校驗1、熱電阻溫度計的校驗2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量32熱電偶在使用一段時間后，由于氧化、腐蝕、還原等因素的影響，原分度值會逐漸產(chǎn)生偏差，使測量準(zhǔn)確度下降，因此熱電偶需要定期校驗。校驗裝置如右圖所示。2、熱電偶溫度計的校驗熱電偶比較式校驗裝置第二節(jié)接觸式溫度計四、溫度計的校驗穩(wěn)壓電源和調(diào)壓器管式電爐切換開關(guān)直流電位差計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量331、熱力學(xué)平衡條件感溫元件與被測對象成孤立的熱力學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)歷足夠時間二者達到熱平衡。2、傳感器的熱容和熱阻為零被測對象溫度變化時，感溫元件的溫度能實時地跟著變化。五、接觸式溫度測量誤差接觸式溫度計感溫元件須滿足的條件：第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量34（一）感溫元件傳熱的基本情況感溫元件接受的熱量基本上來自兩個方面：一是被測介質(zhì)傳給感溫元件的熱量，包括介質(zhì)對感溫元件的導(dǎo)熱、輻射和對流換熱；二是由于感溫元件阻擋流動介質(zhì)而在其附近發(fā)生氣流絕熱壓縮，因而使流體的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這種現(xiàn)象在測量高速氣流的溫度時應(yīng)當(dāng)予以足夠重視。感溫元件的散熱途經(jīng)基本上有兩種：一是由感溫元件向周圍冷壁的輻射散熱和傳熱，二是沿著感溫元件向外部介質(zhì)的傳導(dǎo)散熱（包括感溫元件露在外部介質(zhì)中的部分輻射散熱）。后者在靜態(tài)或中低速流動介質(zhì)中測量時會引起較大誤差。第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量35安裝誤差輻射引起的誤差熱傳導(dǎo)引起的誤差高速氣流的溫度測量誤差感溫元件的響應(yīng)時滯誤差來源：第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量36（二）安裝誤差：第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差滿足感溫元件的安裝要求理想安裝形式：管道中心與流體形成逆流2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量37第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差熱電偶的安裝方式不同引起的誤差安裝方式不同誤差不同2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量38第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差熱電偶的與被測表面的接觸方式a-點接觸式；b-面接觸式；c-等溫線接觸式；d-分立接觸式abcd熱電偶與被測表面的接觸方式2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量39第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差（三）輻射引起的誤差

Δtf為輻射誤差，是被測溫度與感溫元件溫度的差C0為輻射傳熱系數(shù)h為氣體向感溫元件表面的傳熱系數(shù)T0為容器內(nèi)壁熱力學(xué)溫度Tk為感溫元件熱力學(xué)溫度2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量40第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差采用表面光滑的感溫元件保護套，減小輻射傳熱系數(shù)C0；改善對流傳熱條件，增大氣體向感溫元件表面的傳熱系數(shù)h。在感溫元件周圍加一熱容量小的薄防輻射隔離罩，以減小輻射溫差。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量41第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差（四）熱傳導(dǎo)引起的誤差Δtp為熱傳導(dǎo)誤差t為被測介質(zhì)溫度tk為感溫元件的溫度t0為保護套處管壁溫度L為感溫元件插入被測介質(zhì)深度S為感溫元件外圍周長λ為感溫元件材料導(dǎo)熱率f為感溫元件材料的截面積h為被測介質(zhì)向感溫元件的傳熱系數(shù)2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量42第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差在管道外壁與保護套管座處加絕熱材料覆蓋，以提高保護套管座處的溫度t0；增加感溫部分的插入深度L；采用較薄的保護套管，提高S/f；注意安裝的基本要求。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量43第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差（五）高速氣流的測量誤差Ma為馬赫數(shù)T*總溫，靜溫動溫之和Tr為有效溫度k為氣體等熵指數(shù)r為恢復(fù)系數(shù)

由上式，傳感器的恢復(fù)系數(shù)越低，馬赫數(shù)越高，測量誤差越大。實驗表明測量誤差與被測氣體的性質(zhì)、馬赫數(shù)、傳感器結(jié)構(gòu)、安裝位置有關(guān)，對于高速氣流溫度測量用的傳感器要專門進行設(shè)計和實驗。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量44第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差（六）感溫元件的響應(yīng)

由于感溫元件的熱慣性和指示儀表的機械慣性，動態(tài)響應(yīng)誤差近似為：T為被測物體實際溫度Tk為溫度計的指示溫度τ為時間常數(shù)影響時間常數(shù)大小的因素包括感溫元件的質(zhì)量、比熱容、插入的表面積和表面積傳熱系數(shù)等。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量45第二節(jié)接觸式溫度計五、接觸式溫度測量誤差感溫元件的質(zhì)量和比熱容越小，時間常數(shù)越小，響應(yīng)越快；反之，時間常數(shù)越大，感溫元件的溫度越接近平均溫度。因此測量瞬時溫度時須采用時間常數(shù)小的感溫元件，測量平均溫度時可用時間常數(shù)大的感溫元件。（六）感溫元件的響應(yīng)

2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量46第三節(jié)非接觸式溫度計第三節(jié)非接觸式溫度計

非接觸式溫度計利用測定物體輻射能的方法測定溫度。由于它不與被測介質(zhì)接觸，不會破壞被測介質(zhì)的溫度場，且動態(tài)響應(yīng)好，因此可用于測量非穩(wěn)態(tài)熱力過程的溫度值。此外。它的測量上限不受材料性質(zhì)的影響，測量范圍大，特別適用于高溫測量。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量47第三節(jié)非接觸式溫度計一、熱輻射理論基礎(chǔ)一、熱輻射理論基礎(chǔ)任何物體的溫度高于熱力學(xué)溫度零度時就有能量釋出，其中以熱能方式向外發(fā)射的那一部分稱為熱輻射。

根據(jù)普朗克定律，絕對黑體的單色輻射出射度M0λ[W/(m2·m)]為式中，c1=3.74x10-16W·m2為普朗克第一輻射常量；c2=1.438x10-2m·K為普朗克第二輻射常量；λ為波長（m）；T為黑體的熱力學(xué)溫標(biāo)（K）2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量48第三節(jié)非接觸式溫度計一、熱輻射理論基礎(chǔ)當(dāng)溫度在3000K以下時，普朗克定律可用維恩公式代替由上兩式知，當(dāng)確定波長λ之后，只要能測定相應(yīng)波長的輻射出射度M0λ值，便可得到溫度T。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量49第三節(jié)非接觸式溫度計一、熱輻射理論基礎(chǔ)輻射出射度與波長和溫度的關(guān)系曲線右圖為普朗克定律確定的單色輻射出射度與波長和溫度的關(guān)系曲線。當(dāng)溫度升高時，單色輻射出射度隨之增加，曲線的峰值隨著溫度增高向波長較短的方向移動。單色輻射出射度峰值處的波長λm和熱力學(xué)溫度T之間的關(guān)系由維恩位移定律表示：λmT=2897μm.K2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量50第三節(jié)非接觸式溫度計一、熱輻射理論基礎(chǔ)普朗克定律只給出了絕對黑體單色輻射出射度，若想得到所有波長全部輻射出射度M0（W/m2）的總和，需對普朗克定律公式兩邊進行積分：式中，σ0=5.7x10-8W/(m2·K4),為斯忒潘-玻爾茲曼常數(shù)。上式稱為絕對黑體的全輻射定律，也稱為斯忒潘-玻爾茲曼定律。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量51第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計二、單色輻射式光學(xué)高溫計單色輻射式光學(xué)高溫計主要有：燈絲隱滅式光學(xué)高溫計。光電高溫計。

利用亮度比較取代輻射強度比較。當(dāng)物體的溫度高于700℃時就會明顯發(fā)出可見光，并具有一定的亮度，其單色亮度與單色輻射出射度M0λ成正比。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量52第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計單色輻射式光學(xué)高溫計是利用亮度比較取代輻射強度比較進行測溫的。由于物體的溫度高于700℃時就會明顯發(fā)出可見光，并具有一定的亮度，其單色亮度B0λ與單色輻射出射度M0λ成正比。即式中,C為比例系數(shù)。將維恩位移公式帶入上式得式中,Ts為絕對黑體的溫度。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量53第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計實際黑體也有類似上式的關(guān)系式，即式中,Bλ為實際物體的亮度；Mλ為實際黑體的單色輻射出射度；ελ為實際物體的單色發(fā)射率；T為實際物體的溫度。當(dāng)溫度為Ts的黑體的亮度B0λ與溫度為T的實際物體的亮度Bλ相等時，由上兩式聯(lián)立得2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量54第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計因為0<ελ<1，因此Ts<T。用光學(xué)溫度計直接測到的溫度Ts稱為被測物體的“亮度溫度”，它可定義為：在波長為λm的單色輻射中，若物體在溫度T時的亮度Bλ和絕對黑體在溫度為Ts時的亮度B0λ相等，則把Ts稱為被測物體的亮度溫度，亮度溫度要比物體的實際溫度低。所以必須根據(jù)物體表面的單色黑度系數(shù)ελ用上式加以修正，或據(jù)下圖所示的光學(xué)高溫計修正曲線進行修正。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量55第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計光學(xué)高溫計修正曲線2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量56第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計1、燈絲隱滅式光學(xué)高溫計燈絲隱滅式光學(xué)高溫計簡稱隱絲式高溫計，是一種典型的單色輻射光學(xué)高溫計，在所有的輻射式溫度計中，它的精度最高，因此常被用來作為基準(zhǔn)儀器，以復(fù)現(xiàn)黃金凝固點溫度以上的國際實用溫標(biāo)。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量57第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計隱絲式高溫計原理圖1-物鏡；2-吸收玻璃；3-標(biāo)準(zhǔn)燈；4-目鏡；5-紅色濾光片；6-測量電表；7-可調(diào)電阻7

由可調(diào)電阻7可以調(diào)整燈絲電流改變亮度，標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲的亮度溫度由測量電表6測出。調(diào)整目鏡的位置可以使觀察者能清晰的看到燈絲，調(diào)整物鏡的位置使被測物體成像在燈絲平面上，在物像形成的發(fā)光背景上可以看到燈絲。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量58隱絲式高溫計亮度調(diào)整觀察比較燈絲和背景的亮度。當(dāng)燈絲亮度與被測物體亮度相等時，燈絲隱滅在物像的背景里。測量電表指示的電流值就是被測物體亮度溫度對應(yīng)的度數(shù)。第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量59實物圖優(yōu)點：使用方便，靈敏度高，測量范圍廣缺點：主觀誤差大，測量不連續(xù)，也不能實現(xiàn)自動測量。第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量602、光電高溫計第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計光電高溫計采用光電器件被作為敏感元件感受輻射的亮度變化，并將其轉(zhuǎn)換成與亮度成正比的電信號，此信號經(jīng)放大后被自動記錄下來表示物體的溫度值。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量61光調(diào)制器光電高溫計原理圖第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量62光電高溫計優(yōu)勢靈敏度高測溫范圍廣響應(yīng)時間短可實現(xiàn)自動測量與控制實物圖第三節(jié)非接觸式溫度計二、單色輻射式光學(xué)高溫計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量63第三節(jié)非接觸式溫度計三、全輻射高溫計三、全輻射高溫計根據(jù)黑體的全輻射定律設(shè)計的高溫計稱為全輻射高溫計。全輻射高溫計是基于被測物體的輻射熱效應(yīng)進行工作的。在整個波長范圍內(nèi)，依據(jù)輻射能量與溫度的關(guān)系，并用輻射系數(shù)修正后，來確定物體的實際溫度。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量64全輻射高溫計原理圖熱電堆（由4-8只微型熱電偶組成）第三節(jié)非接觸式溫度計三、全輻射高溫計被測物體發(fā)出的輻射能量通過物鏡和補償光柵聚焦投射到熱電堆上，把溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸入到測溫儀表轉(zhuǎn)化為溫度顯示出來。熱電堆是由多支微型熱電偶串聯(lián)而成的，以得到較大的熱電勢。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量65第三節(jié)非接觸式溫度計三、全輻射高溫計全輻射高溫計是按絕對黑體對象進行分度的。用它測量發(fā)射率為ε

的實際物體溫度時，示值并非真實溫度，而是被測物體的“輻射溫度”。溫度為T的物體全輻射出射度M等于溫度為Ts的絕對黑體全輻射出射度M

0時，則溫度Ts稱為被測物體的輻射溫度。因為ε的定義為ε=M/M

0，故當(dāng)所測物體為發(fā)射率ε的物體時，其溫度可用下式進行修正。

發(fā)射率ε

，是指實際物體表面輻射出的能量與相同溫度的黑體輻射能量的比率。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量66第三節(jié)非接觸式溫度計四、比色高溫計四、比色高溫計

由維恩位移定律可知，當(dāng)溫度升高時，絕對黑體的最大輻射能量向波長減小的方向移動，因而兩個固定波長λ1和λ2的亮度比值隨溫度而變化。因此，測量亮度比就可確定黑體的溫度，比色高溫計就是根據(jù)此原理設(shè)計的。用這種方法測得的溫度稱為比色溫度。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量67比色溫度C2=1.438×10-2m·K為普朗克第二發(fā)射常量B0λ1為溫度為Ts波長λ1的亮度B0λ2為溫度為Ts波長λ2的亮度第三節(jié)非接觸式溫度計四、比色高溫計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量68第三節(jié)非接觸式溫度計四、比色高溫計

比色溫度可定義為：當(dāng)溫度T的物體在兩波長下的亮度等于溫度為Ts的黑體在同樣波長下的亮度比值時，

Ts就為這個物體的比色溫度。

再應(yīng)用維恩公式，就可推導(dǎo)物體實際溫度和比色溫度的關(guān)系為2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量69第三節(jié)非接觸式溫度計四、比色高溫計由上式知，對于絕對黑體和灰體，因為ελ1=ελ2，所以T=Ts；對于一般物體，因為ελ1≠ελ2，所以T≠Ts。當(dāng)一般物體的ελ1和ελ2的比值變化要比ελ和ε的單值變化小得多，因此，比色法測出的比色溫度要比亮度溫度和輻射溫度更接近物體的實際溫度值。當(dāng)被測物體難以得到其發(fā)射率時，用比色溫度代替真實溫度比其他方法更準(zhǔn)確。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量70單通道光電比色高溫計原理圖1-物鏡組（接收被測物體輻射能）；2-通孔成像鏡；3-調(diào)制盤（兩種不同顏色濾光鏡）；4-同步電動機；5-硅光電池（接收器）；6-目鏡（被測對象瞄準(zhǔn)）；7-倒像鏡；8-反射鏡第三節(jié)非接觸式溫度計四、比色高溫計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量71雙通道光電比色高溫計原理圖1-物鏡；2-反光鏡；3-倒像鏡；4-目鏡；5-人眼；6、10-硅光電池（輸出信號差值）；7-分光鏡（紅外光6和可見光10）；8-物鏡；9-視場光闌第三節(jié)非接觸式溫度計四、比色高溫計2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量72第四節(jié)氣體溫度計一、氣體溫度計的基本原理第四節(jié)氣體溫度計一、氣體溫度計的基本原理根據(jù)熱力學(xué)原理，理想氣體的狀態(tài)方程為pV=nRT，用理想氣體溫度計測出的就是熱力學(xué)溫度，是低溫測量技術(shù)中常用的，也可用作標(biāo)定其他溫度計的基準(zhǔn)溫度計。氣體溫度計有三種：定容氣體溫度計、定壓氣體溫度計和測溫泡定溫氣體溫度計。低溫時，氣體分子吸附作用的影響不大，且定容氣體溫度計技術(shù)上要求簡單，靈敏度高，所以低溫氣體溫度計多用定容法。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量73第四節(jié)氣體溫度計一、氣體溫度計的基本原理定容氣體溫度計由測溫泡、一根熱導(dǎo)率小的德銀毛細管和壓力表組成。其原理圖如下定容氣體溫度計原理圖2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量74第四節(jié)氣體溫度計一、氣體溫度計的基本原理定容氣體溫度計原理圖a)狀態(tài)1：溫度為T0時相應(yīng)壓力為p0b)狀態(tài)2：溫度改變?yōu)門時相應(yīng)壓力改變?yōu)閜2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量75第四節(jié)氣體溫度計一、氣體溫度計的基本原理通常，測溫泡用銅制作，其體積VB約為幾十立方厘米。壓力表（可以用水銀壓力計，也可用彈簧壓力表）的容積為VM，測溫泡和壓力表之間通常用一根外徑為0.5mm、內(nèi)徑為0.3mm的德銀（或不銹鋼）毛細管連接，毛細管體積為Vb，稱為有害體積或死體積。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量76第四節(jié)氣體溫度計一、氣體溫度計的基本原理當(dāng)Vb<<VB，則有當(dāng)VB、VM處于室溫T0下，上式可寫成2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量77第四節(jié)氣體溫度計一、氣體溫度計的基本原理由上式可得所測的某一壓力p下的溫泡溫度T，a、b均為常數(shù)，由實驗確定2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量78試驗室用氣體溫度計結(jié)構(gòu)示意圖B-低溫測溫泡；C-德銀毛細管；G-玻璃毛細管W、V-鉑銠管；N-針尖閥；S-微調(diào)閥；F-容器二、氣體溫度計結(jié)構(gòu)第四節(jié)氣體溫度計二、氣體溫度計結(jié)構(gòu)2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量79第四節(jié)氣體溫度計二、氣體溫度計結(jié)構(gòu)從低溫測溫泡B內(nèi)引出德銀毛細管C用環(huán)氧樹脂封接到玻璃毛細管G上，W和V為直徑10mm的玻璃管。W處的水銀面要盡量高，以減小VM，但不能進入玻璃直徑變化處，而且每次測量水銀面要在基準(zhǔn)O上，從而保證測溫泡氣體體積恒定。加一段玻璃毛細管的目的是為了觀察是否有水銀偶然進入毛細管中。水銀面的升降是靠向容器F充氣或抽空來實現(xiàn)的。N是一個針尖閥，它的前面有一個可控制水銀面高度的微調(diào)閥S。測溫泡受熱后，氣體存在泡D中，使水銀面降到J以下?？赏ㄟ^管V對溫度計進行抽空或充氣，隨測溫泡溫度T而變化的氣體壓力p由管V中水銀面相對于標(biāo)記O的高度讀出。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量80三、氣體溫度計的修正第四節(jié)氣體溫度計三、氣體溫度計的修正1、工作氣體的非理想性修正對于非理想氣體，不能用理想氣體狀態(tài)方程，結(jié)合實際氣體狀態(tài)方程，可算出由于氣體非理想性引起的溫度誤差為T1,T分別為充氣（標(biāo)定）溫度和待測溫度Bs,B(T)分別為充氣溫度和待測溫度下的第二維里系數(shù)2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量81第四節(jié)氣體溫度計三、氣體溫度計的修正2、毛細管體積修正假定這段毛細管溫度等于測溫泡的溫度，則由毛細管引起的溫度誤差為由上式，若要求溫度計的準(zhǔn)確度高于1%，則當(dāng)毛細管內(nèi)徑為0.5cm3，長度為50cm（VC=0.1cm3）時，測溫泡的體積應(yīng)大于10cm32023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量82第四節(jié)氣體溫度計三、氣體溫度計的修正3、測溫泡體積冷縮的修正嚴格地說，等容氣體溫度計并不是“等容”的，由于測溫泡體積受冷收縮ΔVB引起的測量誤差為由于ΔVB<0，故ΔT3<02023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量83第四節(jié)氣體溫度計三、氣體溫度計的修正4、熱分子壓差的修正當(dāng)氣體的平均自由行程比毛細管直徑大時，處在室溫T0下的壓力讀數(shù)和低溫泡中的實際壓力有所差別，這就是熱分子壓差效應(yīng)。

例如，毛細管內(nèi)徑為0.5mm，壓力p<2.66kPa時，其熱分子壓差引起的誤差為0.1%。

此項不可修正。2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量84第五節(jié)紅外技術(shù)在溫度測量中的應(yīng)用一、紅外測溫儀紅外測溫儀工作原理圖S-被測物體；L-光學(xué)系統(tǒng)；D-紅外探測器；A-放大器；K-相敏整流器；C-控制放大器；R-參考源；M-電動機；T-調(diào)制盤；I-指示器第五節(jié)紅外技術(shù)在溫度測量中的應(yīng)用一、紅外測溫儀2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量85第五節(jié)紅外技術(shù)在溫度測量中的應(yīng)用一、紅外測溫儀紅外測溫儀和光電高溫計的工作原理相似，為光學(xué)反饋式結(jié)構(gòu)。被測物體S和參考源R的紅外輻射經(jīng)調(diào)制后輸至紅外探測器D。調(diào)制盤T由同步電動機M帶動，探測器D的輸出電信號經(jīng)放大器A和相敏整流器K后送至控制放大器C，控制參考源的輻射強度。當(dāng)參考源和被測物體的輻射強度一致時，參考源的加熱電流即代表被測溫度。由指示器I顯示出被測物體的溫度值。紅外測溫儀工作原理2023/2/4熱能與動力測試技術(shù)第五章溫度測量86第五節(jié)紅外技術(shù)在溫度測量中的應(yīng)用一、紅外測溫儀紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)有透射式和反射式兩種。

透射式光學(xué)系統(tǒng)的透光鏡采用能透過被測溫度下熱輻射波段的材料。如被測溫度在700℃以上，輻射的波段主要在0.76~3μm的近紅外區(qū)，此時可采用一般光學(xué)玻璃或石英透鏡；當(dāng)被測溫度在100~700℃之間時，輻射的波段主要在3~5μm的中紅外區(qū)，此時多采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學(xué)透鏡；測量低于100℃的溫度時，輻射的波段主要在