先進熱動力測試技術AdvancedThermalandPowerEngineeringMeasurementTechnology目錄PAGEDIRECTORY緒論1測量技術的基本知識2誤差分析與測量不確定度3溫度測量4壓力測量5流量測量7液位測量8氣體成分及顆粒物測量9轉速、轉矩及功率測量10振動與噪聲測量11流速測量6先進測試技術發展1204第四章溫度測量概述膨脹式溫度計熱電偶測溫技術熱電阻測溫技術接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析非接觸式溫度測量技術先進溫度測量技術及應用第一節概述一、溫標（thermometricscale）溫標（thermometricscale）是溫度數值化的標尺，它規定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。選定測溫物質及其測溫屬性010203選取基準點確定分度法測溫屬性隨溫度變化的規律常用的溫標4.國際實用溫標3.熱力學溫標2.華氏溫標1.攝氏溫標溫標三要素第一節概述一、溫標（thermometricscale）1、攝氏溫標和華氏溫標都是根據水銀受熱后體積膨脹的性質建立起來的。三要素的規定：三要素攝氏溫標華氏溫標測溫物質純水純水基準點（1atm）標準大氣壓下純水冰融點為0°C純水沸點為100°C氯化銨和冰水混合物0°F人體正常體溫100°F純水冰融點為32°F純水沸點為212°F分度法基準點間的1/100基準點間的1/100(1/180)°C°F100°C212°F0°C32°Ft°Ct°F攝氏溫度與華氏溫度的關系：攝氏溫度和華氏溫度是經驗溫標，測得的溫度數值與溫度計算采用的物質性質有關攝氏溫度和華氏溫度三要素第一節概述一、溫標（thermometricscale）2、熱力學溫標與測溫物質物理性質無關。規定分子運動停止時的溫度為絕對零度。根據卡諾定理：式中，Q1—卡諾熱機從高溫熱源T1吸收的熱量；Q2—卡諾熱機向低溫熱源T2放出的熱量。dabcΔsTss2s1T2T1Q1W1Q2W2OdabcpVQ1W1Q2W2s2s1T2T1O四個可逆過程：1、絕熱壓縮d→a；2、定溫吸熱a→b3、絕熱膨脹b→c；4、定溫放熱c→d卡諾循環第一節概述一、溫標（thermometricscale）2、熱力學溫標如果指定了一個定點溫度數值，就可通過熱量比求得未知溫度值。規定水的三相點為參考點，該點的溫度為273.16K，相應的換熱量為Q參，則：與測溫物質和測溫屬性無關，故熱力學溫標避免了分度的“任意性”。但是理想的卡諾循環是不存在的，因此熱力學溫標是理論的溫標，需要建立起能夠用計算公式表示的溫度——國際實用溫標。第一節概述一、溫標（thermometricscale）3、國際實用溫標1990年國際溫標中指出，熱力學溫度（符號T）是基本物理量，單位：K。水的三相點熱力學溫度為273.16K，開爾文一度等于水三相點熱力學溫度為1/273.16。ITS?90給出了國際開爾文溫度（T90，單位：K）和國際攝氏溫度（t90，單位：°C）的關系國際溫標規定，ITS–90所包含的溫度范圍自0.65K至單色輻射高溫計實際可測量的最高溫度，定義的固定點和溫度點共有17個，它包括14個高純物質的三相點、熔點和凝固點以及3個用蒸氣溫度計或氣體溫度計測定的溫度點。第一節概述二、溫度測量方法及測量儀表的分類根據溫度測量儀表的測量方法，可分為：含義：利用物體熱輻射能隨溫度變化的原理測定物體溫度。特點：不與被測物體接觸；不改變被測物體的溫度分布；熱慣性小；測溫無上限，一般可測定1000°C以上的移動、旋轉或反應迅速的高溫物體的溫度。缺點：受介質影響，誤差較大。含義：溫度計與被測物體直接接觸，實現溫度測量。特點：溫度計要與被測物體具有良好的熱接觸，并達到熱平衡，測溫準確度高。缺點：溫度計與被測物體接觸時，破壞被測物體的熱平衡狀態，并易被腐蝕，故對感溫元件的結構、性能要求苛刻。接觸法非接觸法第一節概述二、溫度測量方法及測量儀表的分類分類測溫范圍/°C特點接觸式膨脹式液體膨脹式?200~700結構簡單，價格低廉，一般只作為就地測量固體膨脹式壓力表式蒸汽壓力式0~300結構簡單，具有防爆性，不怕震動，可做近距離傳示，準確度低，滯后性大氣體壓力式液體壓力式熱電阻式金屬熱電阻?200~850?100~300準確度高，能遠距離傳送，適用于低、中溫測量，體積大，側點溫困難半導體熱敏電阻熱電偶式?200~1600能遠距離傳送，適于中、高溫測量，需冷端補償非接觸式光學式單色光學高溫計光電高溫計全輻射高溫計600~2000適用于不能直接測量場合，多用于高溫測量，測量值需修正比色式比色儀紅外式全紅外輻射儀單紅外輻射儀04第四章能源與動力學院溫度測量概述膨脹式溫度計熱電偶測溫技術熱電阻測溫技術接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析非接觸式溫度測量技術先進溫度測量技術及應用第二節膨脹式溫度計一、概述定義：利用物質的熱膨脹（體膨脹或線膨脹）性質與溫度的物理關系制作的溫度計稱為膨脹式溫度計。特點：膨脹式溫度計具有結構簡單、使用方便、測溫范圍廣(?200~600°C)，測溫準確度較高、成本低廉等優點。應用：在石油、化工、醫療衛生、制藥、農業、氣象和人工環境等工農業生產和科學研究的各個領域中有著廣泛的應用。分類：液體膨脹式固體膨脹式壓力式第二節膨脹式溫度計二、液體膨脹式溫度計1、結構安全泡——安全泡是指位于玻璃毛細管頂端的擴大泡，其容積大約為毛細管容積的三分之一。標尺（含輔助標尺）——標尺用來表明所測溫度的高低，其上標有數字和溫度單位符號。玻璃毛細管——玻璃毛細管是連接在感溫泡上的中空細玻璃管，感溫液體隨溫度變化在其內上下移動。中間泡——中間泡是為了提高示值的準確度，在感溫泡和標尺下限刻度之間制作的一個貯液泡。感溫泡——感溫泡位于溫度計的下端，是玻璃液體溫度計的感溫部分，可容納絕大部分的感溫液，所以也稱為貯液泡。感溫液——感溫液是封裝在溫度計感溫泡內的測溫物質。液體膨脹式溫度計結構第二節膨脹式溫度計二、液體膨脹式溫度計1、結構左：棒式溫度計1、安全泡；2、標尺；3、毛細管；4、中間泡；5、輔助標尺；6、感溫泡中：內標式溫度計1、標尺板；2、安全泡；3、毛細管；4、輔助標尺；5、感溫泡右：外標式溫度計1、毛細管；2、標尺不同型式的液體膨脹式溫度計第二節膨脹式溫度計二、液體膨脹式溫度計2、工作原理溫度變化引起的工作液體體積變化：式中，Vt0、Vt1、Vt2—分別為工作液體在0°C、t1和t2時體積。β、β'—分別為工作液體和玻璃的體膨脹系數。工作液體的體膨脹系數β越大，溫度計的靈敏度就越高，測溫精度也越高。第二節膨脹式溫度計二、液體膨脹式溫度計3、誤差分析1）由于玻璃材料有較大的滯后效應，測完高溫后立即測量低溫，其溫包不能立即恢復到初始狀態，使溫度計的零點發生漂移；2）溫度計插入深度不夠，t=t指

+nβe(t?ta)，βe是工作液對玻璃的相對膨脹系數（視膨脹系數），n是露出部分液柱所占的度數；3）體積膨脹隨溫度的非線性變化；4）工作液的遲滯性；5）讀數誤差。第二節膨脹式溫度計三、固體膨脹式溫度計1、結構左：桿式雙金屬溫度計1、拉簧；2、杠桿；3、指針；4、基座；5、彈簧；6、自由端；7、外套；8、芯桿；9、固定端右：螺旋式雙金屬溫度計1、指針；2、雙金屬片；3、自由端；4、金屬保護管；5、刻度盤；6、表殼；7、傳動機構；8、固定端雙金屬溫度計雙金屬片受熱變形示意圖1、固定端；2、主動層；3、被動層；4、自由端線膨脹系數不同的金屬片焊制成一體受熱前受熱后桿式螺旋式第二節膨脹式溫度計三、固體膨脹式溫度計1、結構固定膨脹式溫度計（雙金屬溫度計）第二節膨脹式溫度計三、固體膨脹式溫度計2、原理線膨脹系數不同的金屬片焊制成一體，一端固定，另一端為自由端。當溫度變化時，由于兩種金屬的線膨脹系數不同，雙金屬片發生彎曲變形，彎曲的偏轉角α可反映被測溫度的數值式中，K—比彎曲，°C?1；L—雙金屬片有效長度，mm；

δ—雙金屬片總厚度，mm；

t、t0—被測溫度和初始溫度，°C。除了選用金屬材料，還可選用石英、陶瓷等。第二節膨脹式溫度計四、壓力式溫度計利用密閉容積內工作介質隨溫度升高而壓力升高的性質，通過對工作介質的壓力測量來判斷溫度值。根據感溫介質的種類，分為蒸汽壓力式溫度計、氣體壓力式溫度計和液體壓力式溫度計。測溫系統是由充有感溫介質的溫包、毛細管和彈性元件組成的封閉系統。彈性元件（如彈簧管）一端焊在基座上，內腔與毛細管相通，另一端封死為自由端。自由端通過拉桿、齒輪傳動機構與指針相連接。指針的轉角在刻度盤上指示出被測溫度。適用于對感溫包無腐蝕作用的液體、蒸氣和氣體溫度的測量。被測溫度一般為–80～600°C，準確度等級可達1.0級。帶溫度補償的液體壓力式溫度計04第四章能源與動力學院溫度測量概述膨脹式溫度計熱電偶測溫技術熱電阻測溫技術接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析非接觸式溫度測量技術先進溫度測量技術及應用第三節熱電偶（Thermocouple）測溫技術熱電偶溫度計以熱電偶作為溫度傳感器，一般在工業上用于測量500°C以上的高溫，長期使用可達1600°C。熱電偶將溫度信號轉換成電勢（mV）信號，配以測量毫伏的儀表或變送器可以實現溫度的測量或溫度信號的轉換。熱電偶溫度計具有性能穩定、復現性好、體積小，響應時間較小等優點。手持式固定式熱電偶測溫原理第三節熱電偶測溫技術一、熱電偶的測溫原理兩種不同的導體（或半導體）A、B組成閉合回路。當A、B相接的兩個接點溫度不同時，則在回路中產生的電勢，稱為熱電勢。閉合回路稱為熱電偶。導體A和B稱為熱電偶的熱電極。在熱電偶的兩個接點中，置于被測介質（溫度為T）中的接點為工作端，稱為熱端；溫度為參考溫度T0的一端稱為冷端。熱電偶閉合回路珀耳帖效應是指當有電流通過不同的導體組成的回路時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。這是法國科學家J.C.A.珀耳帖在1834年發現的。如果電流通過導線由導體1流向導體2，則在單位時間內，導體1處單位面積吸收的熱量與通過導體1處的電流密度成正比。第三節熱電偶測溫技術一、熱電偶的測溫原理熱電偶產生的熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢。1、接觸電勢兩種不同導體A、B接觸時，由于材料不同，兩者具有不同電子密度，如NA>NB，則在接觸面處產生自由電子擴散現象，從A到B擴散的電子數要比從B到A的多。結果A因失去電子而帶正電荷，B因得到電子而帶負電荷。在A、B接觸面上便形成一個從A到B的靜電場ES，這個靜電場將阻礙擴散作用的繼續進行，同時加速電子向相反方向的轉移。熱端T

A

B冷端T0ESEAB(T)接觸電勢第三節熱電偶測溫技術一、熱電偶的測溫原理1、接觸電勢在一定溫度下，從導體A擴散到導體B去的電子數等于從導體B向導體A轉移的電子數時，就達到了動態平衡。A、B之間形的電位差稱為接觸電勢，用EAB(T)表示式中，e—單位電荷，e=1.6×10?19C；K—玻爾茲曼常數，K=1.38×10?23J/K；NA(T)、NB(T)—材料A、B在溫度T時的自由電子密度；T—A、B接觸點溫度，K。熱端TA

B冷端T0ESEAB(T)接觸電勢第三節熱電偶測溫技術一、熱電偶的測溫原理2、溫差電勢在同一導體內，由于兩端的溫度不同而產生的電勢稱溫差電勢。設導體A（或B）兩端溫度分別為T和T0，且T>T0。由于溫度不同，自由電子所具有的能量也不同。溫度高、能力大，能力大的自由電子往溫度低端移動，使溫度高端帶正電，溫度低端帶負電，于是在A（或B）兩端產生了一個從高溫端到低溫端的靜電場ES。這個靜電場ES將吸引電子從溫度低的一端移向溫度高的一端，最后達到動態平衡。此時，在導體A（或B）兩端產生的電位差，就是溫差電勢式中，e—單位電荷，e=1.6×10?19C；K—玻爾茲曼常數，K=1.38×10?23J/K。溫差電勢熱端T

A

B冷端T0ESEA(T,T0)第三節熱電偶測溫技術一、熱電偶的測溫原理3、熱電偶回路的熱電勢對于A和B兩個導體構成的熱電偶回路中，總熱電勢包括兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，即：熱電偶閉合回路的電勢分布示意圖EAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)第三節熱電偶測溫技術一、熱電偶的測溫原理3、熱電偶回路的熱電勢小結：1）熱電偶回路熱電勢的大小只與熱電偶的材料及兩端溫度有關，與熱電偶的長度、粗細（截面積）無關。2）只有用兩種不同性質的材料（導體或半導體）才能組合成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會產生熱電動勢。3）如果冷端溫度T0已知且恒定，回路總熱電勢EAB(T,T0)

只是T的單值函數。通常是將熱電偶的冷端溫度保持為0°C，通過實驗將所得的實驗數據做成EAB(T,T0)與T的關系表格，即各種標準熱電偶的分度表。熱電偶閉合回路的電勢分布示意圖EAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)第三節熱電偶測溫技術二、熱電偶的基本定律1、均質導體定律由此定律可知，熱電偶必須由兩種材料不同的均質材料組成；熱電勢與熱電極的幾何尺寸無關；如果由一種材料組成的閉合回路中有熱電勢產生，則此材料一定是非均質的。實際生產中，可以利用該定律檢驗熱電偶材料是否均質。。由一種均質導體或半導體組成的閉合回路中，不論其截面和長度如何以及沿長度方向上各處的溫度分布如何，都不能產生熱電勢。均質導體定律E(T,T0)E(T,T0)第三節熱電偶測溫技術二、熱電偶的基本定律2、中間導體定律若接入中間導體C或儀表M后，熱電偶回路的總熱電勢為：因為：中間導體定律在熱電偶回路中接入中間導體C后，只要中間導體兩端溫度相同，中間導體的引入對熱電偶回路的總電勢沒有影響。第三節熱電偶測溫技術二、熱電偶的基本定律2、中間導體定律且有：得到：同理，接入多種導體，只要保證接入的每種導體的兩端溫度相同，就對熱電偶的熱電勢沒有影響。根據這一定律，只要熱電偶連接顯示儀表的兩個接點溫度相同，則接入儀表對熱電偶回路中的熱電勢沒有影響。中間導體定律第三節熱電偶測溫技術二、熱電偶的基本定律3、中間溫度定律根據這一定律，只要給出冷端為0°C的熱電勢和溫度的關系（分度表），就可以求出冷端為任意溫度t0的熱電偶熱電勢，即：中間溫度定律熱電偶回路中，兩接點溫度為T、T0時的熱電勢，等于接點溫度為T、Ta和Ta、T0的兩支同性質熱電偶的熱電勢的代數和。T0TTa+TaTT0=－TT0=T0TTaTa第三節熱電偶測溫技術三、熱電偶的類型近年來IEC對性能較好的材料制定了統一的標準，共有七種，我國采用IEC標準。

1、鉑銠?鉑熱電偶S，B，R可測0~1300°C（1600°C）2、鎳鉻?鎳硅熱電偶K可測<1000°C3、銅?康銅熱電偶T可測?200~400°C（900°C）4、鎳鉻?康銅熱電偶E可測?200~400°C（900°C）5、鐵?康銅熱電偶J可測?40~750°C用分度號（熱電偶材料的標記符號）區別不同的熱電偶。第三節熱電偶測溫技術三、熱電偶的類型廉金屬熱電偶標準化熱電偶非標準化熱電偶貴金屬熱電偶鎢–錸系熱電偶鎢–銥系熱電偶其他非標準化熱電偶T型（銅–康銅）熱電偶K型（鎳鉻–鎳硅）熱電偶E型（鎳鉻–康銅）熱電偶J型（鐵–康銅）熱電偶N型（鎳鉻硅–鎳硅）熱電偶S型（鉑銠10–鉑）熱電偶R型（鉑銠13–鉑）熱電偶B型（鉑銠30–鉑銠6）熱電偶鎳鉻–金鐵熱電偶（NiCr–AuFe型）銅–金鐵熱電偶（Cu–AuFe型）鎳鈷–鎳鋁熱電偶非金屬熱電偶鎢錸3–鎢錸25（D型）、鎢錸5–鎢錸26（C型）及鎢錸5–鎢錸20（A型）銥銠40、銥銠50和銥銠60三種合金與銥第三節熱電偶測溫技術三、熱電偶的類型名稱分度號測溫范圍

/°C100°C時熱電動勢/μV1000°C時熱電動勢/μV特點鉑銠30–鉑6B50～1820334834熔點高，測溫上限高，性能穩定，精度高，100°C以下熱電動勢極小，所以可不必考慮參考端溫度補償；價格昂貴，熱電動勢小，線性差；只適用于高溫域的測量鉑銠13–鉑R–50～176864710506使用上限較高，精度高，性能穩定，復現性好；但熱電動勢較小，不能在金屬蒸氣和還原性氣氛中使用，在高溫下連續使用時特性會逐漸變壞，價格昂貴；多用于精密測量鉑銠10–鉑S–50點同上；但性能不如R型熱電偶；長期以來曾經作為國際溫標的法定標準熱電偶鎳鉻–鎳硅K–270～1370409641276熱電動勢大，線性好，穩定性好，價廉；但材質較硬，在1000°C以上長期使用會引起熱電動勢漂移；多用于工業測量鎳鉻硅–鎳硅N–270～1300274436256是一種新型熱電偶，各項性能均比K型熱電偶好，適宜于工業測量鎳鉻–銅鎳E–270～800631966787（900°C）熱電動勢比K型熱電偶大50％左右，線性好，耐高濕度，價廉；但不能用于還原性氣氛；多用于工業測量鐵–銅鎳J–210～760526942919（760°C）價格低廉，在還原性氣體中較穩定；但純鐵易被腐蝕和氧化；多用于工業測量銅–銅鎳T–270～400427917819（350°C）價廉，加工性能好，離散性小，性能穩定，線性好，精度高；銅在高溫時易被氧化，測溫上限低；多用于低溫域測量。可作–200～0°C溫域的計量標準第三節熱電偶測溫技術三、熱電偶的類型例1：鉑銠10?鉑熱電偶（S型）、鉑銠13?鉑熱電偶（R型）、鉑銠30?鉑銠6（R型）。其含義是：正極采用90%Pt（鉑）、10%Rh（銠）制成

負極采用100%Pt（鉑）制成名稱極性代號名義化學成分（%）PtRh鉑銠10合金絲正極SP9010鉑絲負極SN、RN100-鉑銠13合金絲正極RP8713鉑銠30合金絲正極BP7030鉑銠6合金絲負極BN946GB/T1598-2010《鉑銠10-鉑熱電偶絲、鉑銠13-鉑熱電偶絲、鉑銠30-鉑銠6熱電偶絲》第三節熱電偶測溫技術三、熱電偶的類型例2：銅-康銅（銅鎳）熱電偶（T型）例3：鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）名稱極性代號名義化學成分（%）NiCu銅絲正極TP-100銅鎳合金絲負極TN4555GB/T2903-2015《銅-銅鎳（康銅）熱電偶絲》名稱極性代號名義化學成分（%）NiCrSiAl鎳鉻合金絲正極KP9010--鎳硅合金絲負極KN97-3-GB/T2614-2010《鎳鉻-鎳硅熱電偶絲》第三節熱電偶測溫技術三、熱電偶的類型幾種常見熱電偶的特性（冷端溫度為0°C）E型（鎳鉻–康銅）熱電偶T型（銅–康銅）熱電偶K型（鎳鉻-鎳硅熱電偶）熱電偶S型（鉑銠10–鉑）熱電偶B型（鉑銠30–鉑銠6）熱電偶第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造普通型：由熱電極，絕緣管，保護套管和接線盒組成；鎧裝型：由熱電極，絕緣材料和金屬套管三者組合經深加工而成的堅固組合體。薄膜型：用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣基板上，二者牢固的結合在一起，形成薄膜狀熱接點。鍍膜在0.01~0.1μm，尺寸小，反應時間短。普通型鎧裝型熱電偶外型第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造普通型普通型熱電偶結構示意圖

1、鏈條；2、出線孔螺母；3、出線孔密封圈；4、蓋子；5、接線柱；6、蓋子的密封圈；7、接線盒；8、接線座；9、保護管；10、絕緣套管；11、熱電極鎧裝型熱電偶結構示意圖

1、保護套管(金屬)；2、絕緣材料；3、熱電極；4、封帽a、露頭型；b1、b2、b3、帶帽碰底型；c1、c2、帶帽不碰底型鎧裝型雙芯單芯測量端形狀第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造薄膜型薄膜熱電偶是采用真空蒸鍍、真空濺射、化學涂層或者電鍍的方法將兩種金屬薄膜（熱電極材料）直接鍍制在絕緣基板上制成的熱電偶。早期的薄膜熱電偶熱電極材料主要以鎳鉻–鎳硅、銅–康銅等為主，使用溫度一般在300°C以下。薄膜型熱電偶結構示意圖復合管型鎧裝熱電偶結構示意圖1、外層鎧裝；2、內層鎧裝；3、熱電偶絲；4、絕緣物MgO第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造薄膜型近年來研發了不同系列的用于航空發動機熱端部件表面溫度測量的中溫、高溫和超高溫薄膜熱電偶。根據感應層材料的不同，分為金屬合金類薄膜熱電偶、陶瓷及復合類薄膜熱電偶。不同基底材料上的薄膜熱電偶對于導電金屬基板，如高溫合金材料，首先通過電子束蒸發或濺射沉積將MCrAlY涂層沉積到基板上（M為Fe、Co、Ni或Co和Ni的組合）。通過熱處理，這種涂層形成穩定的、粘附的電絕緣氧化鋁層。另外一層氧化鋁濺射沉積或電子束蒸發到表面，以填補生長氧化物中可能出現的針孔或裂紋。第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造薄膜型近年來研發了不同系列的用于航空發動機熱端部件表面溫度測量的中溫、高溫和超高溫薄膜熱電偶。根據感應層材料的不同，分為金屬合金類薄膜熱電偶、陶瓷及復合類薄膜熱電偶。不同基底材料上的薄膜熱電偶對于導電性陶瓷材料，如碳化硅，則首先通過熱氧化以形成穩定的、粘附的二氧化硅層，然后是另一層用來絕緣的氧化鋁層。熱電偶的感應層被制作到氧化鋁層上。第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造薄膜型近年來研發了不同系列的用于航空發動機熱端部件表面溫度測量的中溫、高溫和超高溫薄膜熱電偶。根據感應層材料的不同，分為金屬合金類薄膜熱電偶、陶瓷及復合類薄膜熱電偶。不同基底材料上的薄膜熱電偶對于不導電材料，如氮化硅、氧化鋁和莫來石，薄膜傳感器是直接在不導電材料表面制造的。第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造薄膜型中間合金膜、介質膜構成測量膜，與葉片基體之間的電氣絕緣，測量膜即為傳感器的敏感元件。中間合金膜直接濺射（或沉積）在渦輪葉片表面，其合金與渦輪葉片材料成分相近。二者可通過部分化合結合，經過熱處理，膜與葉片接觸處的界面上相互擴散和固相溶解，從而增加了膜與基體的結合力。在該膜的表面會形成α-Al2O3膜，厚度僅為數百或數千埃。在這層膜上再沉積一層厚度為2μm的Al2O3層。這兩層薄膜成分相同、性質相近，因此可以牢固結合。界面是Al2O3膜與測量膜的結合面。一種典型的薄膜熱電偶第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造薄膜型中間合金膜是一層過渡膜，它把測量膜與葉片基體連在一起，既保證整個傳感器牢固地附著在葉片表面上，又要確保傳感器的測量膜與基體間的可靠電絕緣。其合金選擇與葉片成分相近的NiCoCrAlY，與葉片材料有很好的相容性，合金中的鋁是其中的重要成分，經過高溫氧化處理，會在膜的表面上形成Al2O3膜。中間合金膜具有良好的飛韌性，黏接性和高的介電常數，可以承受高溫燃氣的沖擊和腐蝕。在屈服極限內不會把熱應力和機械應力傳輸到堅硬的氧化鋁層上，使氧化鋁膜保持在強度和彎曲極限之內。合金中加入Y（釔）后，經熱處理，鍍層表面的釔下沉，與金屬中的其他成分結合形成深入到晶粒邊界中的爪，增強了膜與基體上的附著力。一種典型的薄膜熱電偶第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造薄膜型測量膜用貴金屬鉑銠l0和鉑制成，這2種金屬與Al2O3膜不能形成化學鍵合。為了獲得附著力，采用真空濺射鍍膜的方法，使金屬以較大的能量機械地嵌入到較為粗糙的表面，使二者形成物理性質的結合。薄膜熱電偶的測量膜和引線材料根據測量溫度上限而選擇貴金屬鉑和鉑銠l0（Pt-Pt10％Rh）。這兩種材料比所有常規熱電偶材料成分簡單，由此減少了鍍膜時由于鍍膜材料成分偏析而引起熱電偶電動勢偏離標準分度值的可能性。熱電性能符合國際規定的薄膜熱電偶可方便地與二次儀表配套使用。一種典型的薄膜熱電偶第三節熱電偶測溫技術四、熱電偶的構造薄膜型與傳統的熱電偶相比，薄膜熱電偶可以隨意安裝在被測表面，特別適用于壁面溫度的快速測量，具有測量端部小（測量膜厚度可小至幾個μm）、熱容量小，可用于微小面積上的溫度測量；響應速度快，時間常數可達微秒級，實現動態溫度測量；對被測表面換熱和流場干擾影響小，避免了常規熱電偶測量位置不準確、蠕變滯后等弊端。沉積在鋁基板上的薄膜熱電偶導向葉片表面的薄膜熱電偶陣列低壓渦輪導向葉片上的薄膜熱電偶渦輪葉片上的薄膜熱電偶第三節熱電偶測溫技術五、小結1、熱電勢、熱電偶、熱電極、熱端、冷端熱端TA

B冷端T0ESEAB(T)接觸電勢溫差電勢熱端TA

B冷端T0ESEA(T,T0)熱電偶閉合回路的電勢分布示意圖EAB(T)EAB(T0)EA(T,T0)EB(T,T0)第三節熱電偶測溫技術五、小結2、三個定律中間導體定律中間溫度定律T0TTa+TaTT0=－TT0=T0TTaTa均質導體定律E(T,T0)E(T,T0)第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償由熱電偶的原理可知，只有當熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測溫度的單一函數關系。但在實際應用時，冷端暴露在空氣中，容易受到周圍環境溫度影響波動的影響，因而冷端溫度難以保持恒定，需要進行冷端溫度補償：冷端溫度校正法（計算法）儀表機械零點調整法補償電橋法補償導線法冰浴法0102030405熱電偶冷端溫度補償方法第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償1、冷端溫度校正法（計算法）如果某介質的溫度為t，用熱電偶進行測量，其冷端溫度為t0，測得的熱電勢為EAB(t,t0)。根據中間溫度定律，有：即把測得的熱電勢EAB(t,t0)加上室溫t0作為熱端時熱電偶的熱電勢EAB(t0,0)，才得到實際溫度下的熱電勢EAB(t,0)，然后通過分度表（此表是按冷端溫度為零度制出的）查得被測溫度值。第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償2、補償導線法為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定，可把熱電偶加長，使冷端遠離熱端，并連同測量儀表一起置在恒溫或溫度波動較小的地方（如集中控制室）。這種方法要多耗費許多貴重金屬。因此，一般是用某種導線將熱電偶冷端延伸，此導線稱為補償導線，是廉金屬制成的。在一定范圍內（0~100°C），它具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能。使用中正負極性不能接錯。補償導線法第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償2、補償導線法補償導線型號配用熱電偶補償導線的線芯材料絕緣層著色正極負極SC或RCS（鉑銠10-鉑）SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KCK（鎳鉻-鎳硅）KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍KXK（鎳鉻-鎳硅）KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NXN（鎳鉻硅-鎳硅）NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EXE（鎳鉻-康銅）EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JXJ（鐵-康銅）JPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TXT（銅-康銅）TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白補償導線的型號和性能簡表第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償3、儀表機械零點調整法如果熱電偶冷端溫度比較恒定，與之配套的顯示儀表機械零點調整又比較方便，則可采用此法。預先測知熱電偶冷端溫度t0，然后將儀表的機械零點從0°C調至t0處，這相當于在輸入熱電偶電勢之前，先給儀表輸入電勢EAB(t0,0)，使輸入儀表的電勢相當于：所以儀表的指針就指出熱端的溫度t。應該注意，當冷端溫度變化時，需要重新調整儀表的機械零點，此法適宜冷端溫度穩定的場合。第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償4、冰浴法在實驗室條件下，可將熱電偶冷端至于冰點恒溫槽中，使冷端溫度恒定在0°C時進行測溫，此法稱冰浴法。將兩熱電極的冷端分別放入兩個插入冰點恒溫槽的試管中，并與其底部的少量水銀相接觸，水銀上面放有少量蒸餾水。因冰水混合物的溫度是0°C，所以冷接點溫度為0°C。冰浴法補償電橋法第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償5、補償電橋法采用不平衡電橋產生的電勢來補償電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。補償電橋由電阻R1、R2、R3（錳銅絲無感繞制，電阻溫度系數趨于零）和R4（銅絲無感繞制，電阻溫度系數約為4.3×10–3°C–1）四個臂和橋路穩壓電源組成，電橋的不平衡電壓串聯在電偶回路中。R4與熱電偶冷端同處于t0°C，而R1=R2=R3=1Ω，橋路電源4V，由穩壓電源供電，Rg為限流電阻，其阻值因熱電偶不同而不同。補償電橋法第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償5、補償電橋法電橋通常取在20°C時處于平衡，這時電橋四個臂電阻R1=R2=R3=R4，ab端無輸出。當冷端溫度偏離20°C，例如冷端溫度升高，R4隨著增大，Uab也隨著增大，而熱電偶的熱電勢卻隨著冷端溫度的升高而降低，電橋產生的電勢來補償電偶因冷端溫度升高而降低。如果Uab與熱電勢減少的量相等，Uab與熱電勢疊加后輸出電勢則保持不變，從而起到了冷端溫度變化的自動補償作用。晶體三極管冷端補償電路第三節熱電偶測溫技術六、熱電偶冷端溫度補償5、補償電橋法還可以采用晶體三極管冷端補償電路或集成溫度傳感器補償法。其實質是在熱電偶輸出端疊加一個電壓，此時，熱電偶輸出的熱電勢只與測量端溫度有關，可得到式中，Uout為熱電偶輸出的熱電勢，mV；Utc為熱電偶的熱電勢，mV；γ為晶體三極管的溫度系數，°C–1；T0為冷端溫度，K。第三節熱電偶測溫技術七、熱電偶測溫的應用正向串聯反向串聯并聯1—顯示儀表2—銅導線3—恒溫器或補償電橋4—補償導線5—熱電偶增大電動勢測量多點平均溫度測量溫差測量多點平均溫度第三節熱電偶測溫技術七、熱電偶分度表將熱電偶的熱電勢和溫度的對應關系列成表格稱為熱電偶分度表。在對溫度儀表熱電偶進行檢定或測量時，用電測儀表測得的是熱電偶的熱電勢值（μV），而不是溫度值（°C）。這就需要將所測得的熱電勢值轉換成溫度值，而熱電偶的分度表所起到的就是這個作用。熱電偶的分度表主要作用是：將測量的電動勢轉換為相應的被測溫度將溫度轉換成相應的熱電偶的熱電勢國家標準GB/T16839.1-1997《熱電偶第1部分分度表》詳細規定了常見國際標準化熱電偶的分度表。熱電偶分度表第三節熱電偶測溫技術例題：用K型熱電偶在冷端溫度為25°C時，測得的熱電勢為34.36mV，試求熱電偶熱端的實際溫度。分析：中間溫度定律解：根據題意，已知E(t,25)=34.36mV，查分度表，求E(25,0)。由分度表，E(20,0)=0.7981mV，E(30,0)=1.2033mV利用插值公式，可得：根據中間溫度定律，可到：再次利用分度表，大約在850°C至860°C之間：E(850,0)=35.3131mV、E(860,0)=35.7177mV故利用插值公式：第三節熱電偶測溫技術第三節熱電偶測溫技術04第四章能源與動力學院溫度測量概述膨脹式溫度計熱電偶測溫技術熱電阻測溫技術接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析非接觸式溫度測量技術先進溫度測量技術及應用第四節熱電阻（Thermalresistance）測溫技術一、概述電阻溫度計的傳感器是熱電阻。溫度變化1°C時，電阻值的相對變化量定義為電阻的溫度系數，用α表示，單位是1/°C：電阻溫度系數α越大，溫度計的靈敏度越高，測量結果也準確。材料純度越高，熱電阻的溫度系數越高。半導體熱敏電阻金屬熱電阻大多數金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增加，當溫度升高1°C，其阻值增加0.4%~0.6%，具有正的溫度系數。半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，當溫度升高1°C，其阻值減小3%~6%，具有負的溫度系數。常用熱電阻的特性曲線銅熱電阻鉑電阻第四節熱電阻測溫技術一、概述熱電阻的特點：①熱電阻測溫精度高，測溫范圍寬，復現性好；②由于是電信號傳遞，有利于實現遠距離檢測、控制，易于實現多點切換；③靈敏度高，不需要冷端，輸出信號強，便于識別、檢測。對熱電阻材料要求：①電阻溫度系數大，②電阻率大，③化學、物理性能穩定，④復現性好，⑤電阻與溫度的關系接近線性、⑥價廉。當熱電阻材料的電阻率越大，熱電阻體積可以做小點，熱容量和熱慣性就小，響應快。比較適合做熱電阻的材料：金屬熱電阻：鉑，銅，鎳，銦，錳，碳半導體熱電阻：鐵、鉬、鈦、鎂、銅的氧化物第四節熱電阻測溫技術二、鉑電阻1、特點精度高、穩定性好、性能可靠。在氧化氣氛下，甚至在高溫下的物理、化學性質非常穩定。鉑易提純、復制性好，有良好的工藝性，可制成極細的鉑絲（d=0.02mm）或極薄的鉑箔。有較高的電阻率。2、缺點電阻溫度系數小，在還原氣氛下，特別是高溫下易被玷污變脆，價格較高。第四節熱電阻測溫技術二、鉑電阻3、純度鉑的純度用百度電阻比W(100)表示：W(100)=R100/R0R100和R0分別為100°C和0°C的鉑電阻值。W(100)越高，純度越高，目前可達W(100)=1.3930，相應鉑純度99.9995%。采用IEC標準制成的工業鉑電阻溫度計，使用溫度范圍可達?200~850°C，W(100)=1.3850。4、熱電阻分度號是表明熱電阻材料和0°C時阻值Pt100：熱電阻材料為鉑、溫度為零度時電阻值R0=100ΩPt10：熱電阻材料為鉑、溫度為零度時電阻值R0=10Ω第四節熱電阻測溫技術二、鉑電阻5、鉑的電阻溫度關系在?200~0°C范圍內，鉑的電阻溫度關系：在0~850°C范圍內，鉑的電阻溫度關系：式中，A、B、C—分度常數，與百度電阻比W(100)有關。對于滿足上述關系的熱電阻，其溫度系數為：第四節熱電阻測溫技術二、鉑電阻6、鉑電阻的結構型式普通型工業用鉑電阻溫度計結構

1、出線孔密封圈；2、出線孔螺母；3、小鏈；4、蓋；5、接線柱；6、蓋的密封圈；7、接線盒；8、接線座；9、保護管；10、絕緣管；11、引出線；12、感溫元件熱電阻感溫元件結構

1、引出線；2、骨架；3、鉑絲；4、外殼或絕緣片玻璃骨架陶瓷骨架云母骨架第四節熱電阻測溫技術二、鉑電阻6、鉑電阻的結構型式鎧裝型工業用鉑電阻溫度計結構

1、金屬套管；2、感溫元件；3、絕緣材料；4、引出線第四節熱電阻測溫技術二、鉑電阻7、熱電阻分度表溫度°C0123456789電阻值（Ω）-40

-30

-20

-10

084.27

88.22

92.16

96.09

100.0083.87

87.83

91.77

95.69

99.6183.48

87.43

91.37

95.30

99.2283.08

87.04

90.98

94.91

98.8382.69

86.64

90.59

94.52

98.4482.29

86.25

90.19

94.12

98.0481.89

85.85

89.80

93.73

97.6581.50

85.46

89.40

93.34

97.2681.10

85.06

89.01

92.95

96.8780.70

84.67

88.62

92.55

96.480

10

20

30

40100.00

103.90

107.79

111.67

115.54100.39

104.29

108.18

112.06

115.93100.78

104.68

108.57

112.45

116.31101.17

105.07

108.96

112.83

116.70101.56

105.46

109.35

113.22

117.08101.95

105.85

109.73

113.61

117.47102.34

106.24

110.12

114.00

117.86102.73

106.63

110.51

114.38

118.24103.12

107.02

110.90

114.77

118.63103.51

107.40

111.29

115.15

119.0150

60

70

80

90119.40

123.24

127.08

130.90

134.71119.78

123.63

127.46

131.28

135.09120.17

124.01

127.84

131.66

135.47120.55

124.39

128.22

132.04

135.85120.94

124.78

128.61

132.42

136.23121.32

125.16

128.99

132.80

136.61121.71

125.54

129.37

133.18

136.99122.09

125.93

129.75

133.57

137.37122.47

126.31

130.13

133.95

137.75122.86

126.69

130.52

134.33

138.13Pt100熱電阻分度表第四節熱電阻測溫技術三、銅電阻1、特點電阻值與溫度的關系是線性的；電阻溫度系數比較大；材料易提純；價格便宜。2、缺點電阻率低，易被氧化。因此，在溫度不高、對傳感器體積沒有什么特殊限制時，可使用銅熱電阻。第四節熱電阻測溫技術三、銅電阻3、銅熱電阻分度號Cu100：熱電阻材料為銅、溫度為零度時電阻值R0=100ΩCu50：熱電阻材料為銅、溫度為零度時電阻值R0=50Ω4、銅的電阻溫度關系在?50~150°C范圍內，銅的電阻溫度關系：式中，α—銅電阻溫度系數，α=4.25~4.28×10?3°C?1。第四節熱電阻測溫技術三、銅電阻5、銅電阻的結構型式鉑、銅電阻的結構型式第四節熱電阻測溫技術三、銅電阻5、銅電阻的結構型式用直徑0.1mm的絕緣銅線采用無感雙線繞法分層繞在圓柱形塑料骨架上。銅電阻溫度計感溫元件結構

1、骨架；2、銅絲；3、扎線；4、補償繞組；5、引出線第四節熱電阻測溫技術四、鎳熱電阻電阻溫度系數α較大，約為鉑熱電阻的1.5倍。測溫范圍在?50~300°C，由于溫度200°C左右具有特異點，故多用于150°C以下。鎳熱電阻溫度關系：鉑、銅、鎳熱電阻均是標準化熱電阻，其中鉑熱電阻還用來制造精密的標準熱電阻，銅、鎳只作為工業用熱電阻。第四節熱電阻測溫技術五、半導體熱敏電阻1、特點電阻溫度系數大（約為?3~6%）——靈敏度高；電阻率大，因而體積小，電阻值很大，故連接導線的電阻變化的影響可以忽略；結構簡單；熱慣性小。2、缺點同一型號的熱敏電阻溫度特性分散性很大，互換性差，非線性嚴重；電阻溫度特性不穩定，測量不確定度大。第四節熱電阻測溫技術五、半導體熱敏電阻3、半導體熱敏電阻的電阻溫度關系大多數半導體熱敏電阻具有負的溫度關系，電阻值與溫度關系：4、熱敏電阻的結構型式熱敏電阻的結構形式

a）圓片形；b）薄膜形；c）桿形；d）管形；e）平板形；f）珠形；g）扁圓形；h）墊圈形；i）桿形（金屬帽引出）RT、RT0—分別為溫度為T和T0時的電阻值；B—常數，與材料成分、結構有關，約在1500~5000K范圍。04第四章能源與動力學院溫度測量概述膨脹式溫度計熱電偶測溫技術熱電阻測溫技術接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析非接觸式溫度測量技術先進溫度測量技術及應用第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析一、溫度測量儀表校驗1、熱電偶的校驗首先進行外觀檢查，主要檢查熱端焊接點是否光滑、牢固，熱電極是否變脆、變色、發黑、嚴重腐蝕等。熱電偶的校驗采用比較法。按下表校驗，各校驗點的溫度控制在±10°C范圍以內。熱電偶校驗點溫度（°C）鉑銠10?鉑鎳鉻?鎳硅鎳鉻?康銅600、800、1000、1200400、600、800、1000（100）、300、400（或500）、600（1）當熱電偶在300°C以下使用時，要增加100°C校驗點。校驗時可在水槽或油槽中與標準水銀溫度計進行比較，計算誤差。（2）300°C以上各點的校驗是在管形電爐中與標準鉑銠10?鉑熱電偶相比較，使用電位差計測出熱電偶的熱電勢，計算誤差。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析一、溫度測量儀表校驗1、熱電偶的校驗熱電偶校驗設備。要注意測量順序：按照等時間間隔循環進行。各校驗點的溫度誤差應滿足規定要求，若校驗不合格，應更換熱電偶，或將熱端剪去一段，重新焊接，并進行校驗。熱電偶校驗設備

1、調壓變壓器；2、鎳塊；3、管狀電爐；4、標準熱電偶；5、被檢熱電偶；6、冰點槽；7、試管；8、切換開關；9、直流電位差計第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析一、溫度測量儀表校驗1、熱電阻的校驗用比較法對熱電阻進行分度和純度校驗。1）熱電阻分度校驗將被校熱電阻置于加熱恒溫器中，使恒溫器達到各校驗點溫度，并保持恒定。用標準水銀溫度計測溫。用電位差計測量并計算各校驗點的電阻值。在同一溫度點反復測量幾次，然后進行數據處理，求其測量值。將各校驗點R值與相應熱電阻分度表對照，求其誤差。再與規定的最大允許誤差相比，確定是否符合精度要求。一、溫度測量儀表校驗2）熱電阻純度校驗利用冰點器和水沸點器分別造成準確的0°C和100°C的溫度，將被校熱電阻插入冰點器和沸點器中，用電位差計分別測量和計算R0和R100，并計算R100/R0值，檢查是否在允許誤差之內，確定是否合格。熱電阻校驗設備

1、加熱恒溫器；2、被校熱電阻；3、標準溫度計；4、毫安表；5、標準電阻RN；6、分壓器；7、切換開關；8、電位差計第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析

AB接觸式測溫誤差傳感器的傳熱誤差A傳感器的動態誤差B熱力學平衡條件：感溫元件與被測對象必須充分接觸，并經歷足夠長的時間，使二者完全達到熱平衡。當被測對象溫度變化時，感溫元件的溫度能實時地跟著變化，即要使傳感器的熱容和熱阻為零。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析1、感溫元件傳熱的基本情況感溫元件接收的熱量：一是被測介質傳給感溫元件的熱量，包括介質對感溫元件的導熱、輻射和對流換熱；二是由于感溫元件阻擋流動介質而在其附近發生氣流絕熱壓縮，從而使流體的動能轉變為熱能，這種現象在測量高速氣流的溫度時尤為明顯。感溫元件的散熱途徑：一是沿著感溫元件向外部介質的傳導散熱（包括感溫元件裸露在外部介質中的部分輻射散熱）；二是由感溫元件向周圍冷壁的輻射散熱和傳熱。前者在靜態或中低速流動介質中測量時會引起較大誤差。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析2、固體內部溫度測量誤差當熱電偶插入物體內部時，將有熱量沿熱電偶向外界傳遞，因此熱電偶測出的溫度將低于測點處被測物體的溫度。當熱電偶牢固地插在測孔內時，測量誤差Δt可表示為tg為被測點物體的真實溫度，°C；tτ為熱電偶熱接點溫度（即傳感器測量的溫度），°C；q為沿熱電偶導出的熱流量，W；λ為熱電偶導線的平均導熱系數，W/（m·°C）；d2為熱電偶插入孔直徑，m；f為熱電偶導線的截面積，m2；G為沿熱電偶方向的溫度梯度，°C/m；t0為物體外部介質溫度，°C；h為熱電偶孔內表面的換熱系數，W/（m2·°C）；L為熱電偶埋入深度，m。固體內部溫度測量示意圖第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析2、固體內部溫度測量誤差若熱電偶孔內無填充物若熱電偶熱接點直接焊在物體上面熱電偶埋入深度L越大，測量誤差越小。但當埋入深度達到一定值后，測量誤差趨于定值，再增加埋入深度已無法改善測量精度。式中，d為熱電偶熱接點的直徑，m；h為熱電偶熱接點和被測物體接觸處的換熱系數，W/（m2·°C）；f1為熱電偶熱接點和被測物體的接觸面積，m2；λ1為被測物體的導熱系數，W/（m·°C）。固體內部溫度測量示意圖第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析3、壁面溫度測量誤差點接觸：溫度傳感器直接與被測表面接觸；面接觸：溫度傳感器先與導熱性能良好的金屬薄片焊在一起；然后再與被測表面接觸；等溫線接觸：將連接溫度傳感器的導線沿被測表面絕緣敷設至少20倍線徑的距離，以減少導線的傳熱誤差。誤差減小點接觸面接觸等溫線接觸第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析3、壁面溫度測量誤差對于被測溫壁面的換熱情況，當壁面是絕熱的，熱電偶可以認為是一根導熱性能良好的細金屬桿與表面接觸。熱量會從壁面沿著熱電偶絲導出，接觸點處的壁面溫度將低于未敷設熱電偶時的真實溫度。如果壁面與其周圍的介質存在換熱時，若流體的溫度低于固體壁面溫度，熱電偶將熱量從固體壁面向外傳遞。若流體的溫度高于固體壁面溫度。誤差減小點接觸面接觸等溫線接觸第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析3、壁面溫度測量誤差壁面溫度測量誤差近似表達式中，tw為被測壁面的真實溫度，°C；tf為周圍介質的溫度，°C；hc為熱接點處的壁面與周圍介質的換熱系數，W/（m2·°C）；ri為熱電偶熱接點的半徑，m；λc1和λc2分別為兩根熱電偶絲的導熱系數，W/（m·°C）；λw為熱接點處的熱電偶表面絕熱層的導熱系數，W/（m·°C）。誤差減小點接觸面接觸等溫線接觸第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析3、壁面溫度測量誤差減小壁面溫度測量誤差的措施：1）采用導熱系數較小的熱電偶材料。2）選用細絲熱電偶，減小熱電偶熱接點。3）使熱電偶接點接近被測表面，而不是在表面之上或表面之下。4）減小熱電偶接點和壁面之間的接觸熱阻。若壁面材料導熱系數很低可以采用加裝集熱片的方式，即先將熱電偶的測量端與導熱性能良好的金屬片焊在一起，然后再與被測表面接觸（面接觸）。5）熱電偶引線至少要沿測溫點等溫線敷設約20倍線徑的長度（等溫線接觸）。6）熱電偶的敷設和引出，應當盡量減小對介質流動和壁面狀況的改變。7）增加熱電偶絲與介質之間的換熱熱阻。例如可將熱電偶絲包上絕熱材料。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析4、流體溫度測量在管道和容器的保溫很好時，管壁和容器壁的溫度與流體溫度接近，流體以對流換熱方式傳熱給溫度傳感器，溫度傳感器再通過導熱方式，向外部環境散熱，從而產生測量誤差。溫度傳感器可以看作是從管壁上伸出的既有導熱又有沿程對流換熱的擴展換熱面，按直肋換熱過程計算。溫度傳感器底部測量的溫度和被測介質實際溫度之差，即所求的測溫誤差Δt可表示為接觸式溫度測量的管道內外溫度接觸式溫度測量的管道內外溫度第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析如果溫度傳感器尚有部分長度露出在器壁外面，此時的測溫誤差Δt為tτ、tf、tL—測量溫度、流體實際溫度、外露部分環境溫度(°C)；L1、L2—傳感器管道內外的安裝長度(m)；h1、h2—管道內外介質與傳感器套管之間對流換熱系數[W/(m2·°C)]；λ1、λ2—管道內外傳感器套管導熱系數[W/(m2·°C)]；U1、U2—管道內外傳感器套管的外圓周長(m)；A1、A2—管道內外傳感器套管的截面積(m2)。雙曲函數（HyperbolicFunction）第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析接觸式測溫系統中的傳熱同時具有導熱、對流和輻射三種形式。不能通過提高儀表精確度來解決傳感器的傳熱誤差，只能針對傳感所處的傳熱狀況，采取某些措施減小誤差。（1）應使傳感器插得深一些，縮短外露部分。同時要保證測溫元件與流體充分接觸，以減少測量誤差。（增大l1，減小l2）探頭應全部插入管道逆流正交順流第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析（2）外露部分要保溫，以減少外露部分的放熱系數。（|tL-tf|盡可能減小，并減小h2）（3）欲增大內插部分的放熱系數，應把傳感器安裝在流速最大的地方，或迎著來流方向，減小導熱誤差。（增加h1）（4）探頭應與測溫空間相適應，若工藝管道過小（直徑小于80mm），安裝測溫元件處應接裝擴大管。（5）熱電偶、熱電阻的接線盒面蓋應向上，以避免雨水或其他液體、臟物進入接線盒中。斜插插入彎頭處接裝擴大管第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析前述的是針對傳感所處的傳熱狀況，從溫度計的安裝方式方面所采取的減小傳熱誤差的方式，此外，還可以從改進溫度傳感器的材料和結構方面采取措施，例如：（1）減小溫度計套管的導熱系數λ：不宜采用高導熱系數的材料做套管，但λ過小將會增加測溫動態誤差；（2）增加套管的外圓周長和截面積之比U/A：在強度允許的條件下可采用薄壁或小直徑套管。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析5、輻射引起的測量誤差當被測氣體的溫度較高時，溫度傳感器與周圍物體（容器壁）的輻射換熱不容忽視。在忽略導熱及其他誤差時，輻射引起的測溫誤差為：式中，tτ、t、ts—傳感器測量溫度、被測氣體溫度、周圍物體（容器壁）壁面溫度(°C)；ε—系統黑度；σ0—黑體輻射常數[W/(m2·K4)]；h—被測氣體對傳感器的對流傳熱系數[W/(m2·°C)]。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析5、輻射引起的測量誤差減小輻射誤差的措施：（1）提高溫度傳感器周圍物體（容器壁）壁面溫度ts：在溫度傳感器的測溫頂端加裝遮熱罩，并應盡可能減小遮熱罩內表面的輻射率（光亮鍍鎳等）；（2）加大對流換熱系數h：可采用抽氣設施，提高溫度傳感器測溫局部的氣體流速；（3）降低溫度傳感器的黑度系數ε。高溫氣體壓縮空氣噴嘴混合室擴張管外金屬套管遮熱罩遮熱罩帶有隔熱罩的熱電偶傳感器抽氣式熱電偶傳感器第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析6、高速氣流的溫度測量誤差馬赫數Ma>0.2～0.3時，氣流速度對于氣體溫度測量的影響就必須加以考慮。在大馬赫數下，當高速氣流受到擾動時，分子的有向運動很容易轉變為無序運動，而使氣體溫度升高。插入氣流中的溫度計便是一種擾動的來源，因此，溫度計感受到的是升高了的溫度。這是用接觸式方法測量高速氣流溫度所遇到的特殊問題。各航空航天強國激烈競爭的熱點領域北京-華盛頓1.8h(Ma5)北京-莫斯科0.95h(Ma5)ValkyrieIISR-72LAPCAT第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析6、高速氣流的溫度測量誤差氣流中的溫度有“靜溫”和“總溫”。靜溫是氣體無規則的分子運動的平均動能，記作T0，氣體在運動中的總能用總溫度量，記作T*。總能與分子平均總能之差即為氣體運動的規則動能，即動溫。根據能量方程：如果測溫元件處于高速氣流中，它感受到的是靜溫和動溫之和，即總溫。但事實上，不同結構的測溫元件測量同一對象所得到的總溫是不同的。原因是——氣體制動過程中，不可能使全部速度（動能）轉變為動溫（熱能），轉變多少，與測溫元件的結構及氣流沖刷的方向有關。v是氣體流速，Tv是氣體動溫，cp是氣體質量定壓比熱容。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析6、高速氣流的溫度測量誤差引出了有效溫度Tg，同時T0<Tg<T*。為了能夠測量高速氣流的總溫，要求測溫元件的探頭具有穩定又有較高的恢復系數。r——恢復系數（復溫系數）。表示氣流動能全部恢復為內能的數量，0<r<1。與氣流的Ma、Pr、Re及熱電偶尺寸、結構形式、安裝方法、材料種類等有關。一般是采用實測的方法測定。加裝滯止罩的熱電偶傳感器第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析6、高速氣流的溫度測量誤差除了用恢復系數r來表示動能恢復為熱能的程度外，還可用恢復率（復溫率）R來表示動能恢復為熱能的程度，其定義為：恢復系數

r與恢復率

R之間的關系為：恢復率R與來流馬赫數Ma的關系第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析6、高速氣流的溫度測量誤差例題：現用一恢復系數r=0.9的熱電偶測得馬赫數Ma=0.8時的空氣溫度為80°C，且絕熱指數為1.4。試求該氣體的靜溫、總溫和測溫誤差。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析二、接觸式溫度測量的誤差分析7、感溫元件的動態響應誤差測量快速變化的溫度時，由于傳感器熱慣性的影響，其溫度變化跟不上被測溫度變化，此時就產生了動態誤差。減小動態誤差的措施：（1）減小傳感器的體積，減小熱容量，加快響應速度；（2）選用比熱小、導熱好的保護管的材料；（3）增大傳感器與被測介質的接觸面積。被測溫度t傳感器輸出θ正弦輸入信號下溫度變化T為被測物體的實際溫度；Tk為溫度計的指示溫度；τ為時間常數，表征感溫元件響應快慢的參數。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析三、溫度變送器熱電偶、熱電阻的輸出信號不是標準統一的，如果轉換成標準信號，就便于和通用顯示單元、控制單元相接，實現對溫度的顯示、控制。溫度變送器的任務就是將不標準的溫度檢測信號轉換成標準信號輸出。在電動溫度變送器中，盡管配用的傳感器種類不同，但組成基本相同，大體分為：輸入回路、自激振蕩調制放大器、檢波功率放大器和反饋回路組成。三、溫度變送器傳感器熱電偶或熱電阻將被測溫度轉換成直流電勢Et或電阻Rt信號后，送至輸入回路（測量回路）并轉換成直流信號ui，該信號在放大器的輸入端與反饋電壓信號uf進行比較，其差值電壓信號Δu經自激振蕩調制放大器放大，并經檢波功率放大器轉換成統一的滯留信號。與此同時，輸出電信號經負反饋回路反饋電壓uf。當變送器處于穩定狀態時，輸出的電信號的變化，反映輸入信號的變化。第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析Et以DDZ-III型熱電偶溫度變送器為例放大電路

電源輸入電路輸出電路

反饋第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析四、顯示儀表1、動圈式指示儀表動圈式指示儀表常與熱電偶、熱電阻配合用來指示溫度。若與霍爾片式壓力變送器或電阻式遠傳壓力計配和可用來指示壓力；若與電感式膜片差壓計配合可用來指示壓差。核心部件是一個磁電式毫伏表。動圈測量機構原理：用漆包銅線繞成矩形動圈，并裝有指針。用張絲把動圈懸置在永久磁鋼的磁場空間中。當電流流過動圈時，動圈將受磁場力作用而轉動，帶動指針偏轉。同時張絲扭轉產生反力矩，與磁場力平衡。動圈測量機構第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析四、顯示儀表1、動圈式指示儀表——配熱電偶的動圈儀表動圈測量儀要求輸入直流毫伏信號，而熱電偶輸出即為毫伏級的熱電勢，兩者可直接相連。張絲動圈鐵心面板指針磁鋼配熱電偶的動圈儀表RD動圈電阻RM錳銅絲電阻R串量程調整電阻，

調節儀表全偏轉電流RT半導體熱敏電阻RL外接線路電阻熱電偶第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析四、顯示儀表1、動圈式指示儀表——配熱電阻的動圈儀表是一個不平衡電橋的測量線路，將熱電阻（或可變電阻）接入電橋一個橋臂上，通過電橋將電阻轉換為毫伏信號（不平衡電橋的輸出），再接入動圈測量機構。因在指示被測量時電橋處于不平衡狀態，故稱不平衡電橋。配電阻的動圈儀表第五節接觸式溫度測量儀表檢驗與誤差分析四、顯示儀表1、動圈式指示儀表——配熱電阻的動圈儀表常采用三根導線連接熱電阻，一根與電源相連，電阻變化不影響橋路平衡；另兩根電阻分別置于電橋的相鄰兩臂內，隨環境溫度變化對電橋平衡的影響，可大部分得到補償。受電流表精度、環境溫度、電源電壓穩定度的限制，測量精度不高，為1.0