第三章:基本参量的测量 温度、流体压力与流体流量是材料科学与工程学领域中普遍应用 的重要过程参量 31温度量的测量 311概述 1.温度 温度是度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量,它反映了物体 内部微粒无规则运动的平均动能 温度是国际单位制(SI)中的7个基本物理量之—(位移、速度、 加速度、力、温度、光、时间) 很多物质的物理属性以及众多的物理效应均与温度有关人们常 利用其随温度变化的规律来检测温度: 因密度变化引起热胀冷缩 液柱式温度计双金属温度计 导体电阻率改变 热电阻 热辐射强度变化 辐射温度计 相互接触的导体产生热电势 热电偶 等等 等等 见P114表4-1M
第三章：基本参量的测量 温度、流体压力与流体流量是材料科学与工程学领域中普遍应用 的重要过程参量. 3.1 温度量的测量 3.1.1 概述 1.温度 温度是度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量，它反映了物体 内部微粒无规则运动的平均动能. 温度是国际单位制（SI）中的7个基本物理量之一(位移、速度、 加速度、力、温度、光、时间) 很多物质的物理属性以及众多的物理效应均与温度有关,人们常 利用其随温度变化的规律来检测温度: 因密度变化引起热胀冷缩 液柱式温度计,双金属温度计 导体电阻率改变 热电阻 热辐射强度变化 辐射温度计 相互接触的导体产生热电势 热电偶 等等 等等 见P114表4-1
31温度量的测量 述 2.温标 要测量就必须有标准量! 温标给出了 温度表示方法的通用规则 温度的测量标准量(一系列基准温度点以及单位的分割) 温度标准的复现和传递方法 随着人类对自然日益了解,温标的建立与完善历经漫长的过程 历史上产生过多种类型的温 经验温标: 华氏温标(1726,标准气压下纯水三相点32F沸点2125180等分)No1水银 列氏温标(1730,水的冰点0R沸点80R80等分) No.1酒精 摄氏温标(1742标准气压下纯水三相点0C沸点100℃,100等分) 热力学温标 开氏温标(1848开尔文利用卡诺循环,绝对零度,标准气压下纯水三相点 理论温标,只能作温标硏究用 273.15F) 国际温标: 国际温标ⅡS27(1927) 1948、1960、1968、1975数次修订 国际温标Is90(1990发布我国1991年7月1日实施)
3.1 温度量的测量 概述 2. 温标 要测量就必须有标准量! 温标给出了: 温度表示方法的通用规则 温度的测量标准量(一系列基准温度点以及单位的分割) 温度标准的复现和传递方法 随着人类对自然日益了解，温标的建立与完善历经漫长的过程。 历史上产生过多种类型的温标: 经验温标: 华氏温标(1726, 标准气压下纯水三相点32F,沸点212F, 180等分）No.1水银 列氏温标(1730, 水的冰点０R,沸点80 R, 80等分） No.1酒精 摄氏温标(1742, 标准气压下纯水三相点０℃,沸点100 ℃, 100等分） 热力学温标: 开氏温标(1848,开尔文利用卡诺循环, 绝对零度，标准气压下纯水三相点 理论温标，只能作温标研究用 273.15F） 国际温标: 国际温标ITS—27(1927) 1948、1960、1968、1975数次修订 国际温标ITS—90(1990发布,我国1991年7月1日实施)
31温度量的测量 述 国际权度局温度咨询委员会制定的现行国际温标IS90: 定点温标 定义了17个固定基准点 开尔文温度(单位K,表示为T9)与国际摄氏温度(单位C,表示为t) 并行 关系为:t如o=T90-273.15 温标传递规则与基准仪器
3.1 温度量的测量 概述 国际权度局温度咨询委员会制定的现行国际温标ITS—90： 定点温标 定义了17个固定基准点 开尔文温度（单位K，表示为T90）与国际摄氏温度（单位℃，表示为t90 ） 并行 关系为： t90 = T90 －273.15 （4-1） 温标传递规则与基准仪器
31温度量的测量 述 3.测温方法分类 根据感温元件与被测介质接触与否,温度测量方法分为以下两类 接触式测温: 传感器与被测介质接触,通过热传导、热对流等传热方式与被测介 质达到热平衡 非接触式测温 传感器不与被测物体相接触,直接利用被测对象的辐射能与温度的 对应关系来测量其温度。 非接触式测温方法有如下优点 1)动态响应快,无须与被测对象达到热平衡,不干扰其温度场分布 2)适用于运动对象和有强腐蚀等特殊场合 3)测温范围宽,测温上限理论上不受传感器材料限制,其下限也随技术 发展在向中、低温扩展。 但,非接触式测温法必须获得被测对象的热辐射强度,因此存在缺点 1)受热辐射线通过的中间介质(如粉尘、烟雾和水气)影响很大 2)结构相对复杂 3)能量转换环节多,输出需要进行修正
3.1 温度量的测量 概述 ３．测温方法分类 根据感温元件与被测介质接触与否，温度测量方法分为以下两类： 接触式测温： 传感器与被测介质接触，通过热传导、热对流等传热方式与被测介 质达到热平衡 非接触式测温： 传感器不与被测物体相接触，直接利用被测对象的辐射能与温度的 对应关系来测量其温度。 非接触式测温方法有如下优点： 1）动态响应快，无须与被测对象达到热平衡，不干扰其温度场分布 2）适用于运动对象和有强腐蚀等特殊场合 3）测温范围宽，测温上限理论上不受传感器材料限制，其下限也随技术 发展在向中、低温扩展。 但，非接触式测温法必须获得被测对象的热辐射强度，因此存在缺点： 1）受热辐射线通过的中间介质（如粉尘、烟雾和水气）影响很大 2) 结构相对复杂 3）能量转换环节多，输出需要进行修正
31.2接触法测温 常用接触式测温方法详见P114表4-1 体积变化法 电阻变化法 PN结电压变化法 热电势变化法 其中体积变化法是将温度量变换成另一个非电量来实现检测,因此 虽然简便,但多用于人工测温或直接构成非电检测系统 通常把以温度为检测对象的测试系统简称为温度计 本课程以种常用温度传感器为主线介绍接触式温度检测系统 热电偶 热电阻 晶体管温度传感器
3.1.2 接触法测温 常用接触式测温方法详见P114表4-1, 体积变化法 电阻变化法 PN结电压变化法 热电势变化法 其中体积变化法是将温度量变换成另一个非电量来实现检测，因此 虽然简便，但多用于人工测温或直接构成非电检测系统 通常,把以温度为检测对象的测试系统简称为温度计 本课程以几种常用温度传感器为主线介绍接触式温度检测系统 热电偶 热电阻 晶体管温度传感器
1.热电偶测温 热电偶是目前工业生产过程中应用非常广泛的温度传感器按照其输 出电量类型属于电势型传感器它利用热电效应将被测量温度转换成热电 势输出 1)热电偶工作原理 1812年德国物理学家塞贝克(TJ. Scheck)在硏究电磁感应过程中偶 然发现 在两种不同导体或半导体构成的闭合回路中(如下图),当两个接点温度 不等时(T≠0),回路中有电流流过,即:回路中存在电势 而且,该电势的大小仅随接点温度与T变化 这说明 A 该电势由热现象造成而非电磁现象造成 固称:热电势 T T 此物理现象被后人成为”塞贝克”效应 又称:电效应 B 生成的热电势表示为:EAB(TT 因热电效应发生于一对不同导体或半导体组成的闭合回路中固称之为 组成热电偶的AB两极称正热极与负热极
1. 热电偶测温 热电偶是目前工业生产过程中应用非常广泛的温度传感器.按照其输 出电量类型属于电势型传感器.它利用热电效应将被测量温度转换成热电 势输出 1)热电偶工作原理 1812年德国物理学家塞贝克(T.J.Secbeck)在研究电磁感应过程中偶 然发现： 在两种不同导体或半导体构成的闭合回路中（如下图），当两个接点温度 不等时（T≠T0 )，回路中有电流流过，即：回路中存在电势． 而且，该电势的大小仅随接点温度T与To变化. 这说明: 该电势由热现象造成而非电磁现象造成 固称:“热电势” 此物理现象被后人成为”塞贝克”效应 又称:热电效应 生成的热电势表示为:EAB(T,T0 ) 因热电效应发生于一对不同导体或半导体组成的闭合回路中,固称之为: 热电偶 组成热电偶的A,B两极称正热极与负热极
1.热电偶测温 工作原理 热电效应揭示了热电回路中热电势与两热节点温度之间的关系: A:正热极 T工作端温度(热端温度) E(,70)=f(7,o)B:负热极 T:参考端温度(冷令端温度) 后人应用电子理论对热电效应进行了进步研究揭示了热电势产 生机理获知 热电势由两部分构成:接触电势与温差电势 A.接触电势 当两种不同的导体A和紧密接触时,由于拥有不同的自由电子浓度nA与 "设nA> nB,则在同一瞬间自由电子从浓度高的A侧向浓度低的B侧扩散的 v数量就比相反方向扩散的多至使界面附近A 电子带正电,B侧得到 n电子带负电,从而在两导体接触的界面处形成自建电场当电子扩散达到动 态平衡时,电场的电势eAB为 Kr. n ,To:A、B两材料接两触处的绝对温度 e ng eAB(T):材料A和B在温度T下的接触电势 e4(T)KT、n eA(D材料A和B在温度T0下的接触电势 波尔兹曼常数。 电子电荷量 可见,接触电势的大小只与热电极A、B的性质和两接触点的温度 有关,而与热电极的几何形状尺寸无关
1. 热电偶测温 工作原理 热电效应揭示了热电回路中热电势与两热节点温度之间的关系: A:正热极 T:工作端温度(热端温度) B:负热极 T0 :参考端温度(冷端温度) 后人应用电子理论对热电效应进行了进一步研究,揭示了热电势产 生机理.获知: 热电势由两部分构成: 接触电势与温差电势 A.接触电势: 当两种不同的导体A和紧密接触时，由于拥有不同的自由电子浓度nA与, 设nA > nB ，则在同一瞬间自由电子从浓度高的A侧向浓度低的B侧扩散的 数量就比相反方向扩散的多，至使界面附近A侧失去电子带正电，B侧得到 电子带负电，从而在两导体接触的界面处形成自建电场,当电子扩散达到动 态平衡时，电场的电势eAB为: T，T0 : A、B两材料接两触处的绝对温度 eAB(T) : 材料A和B在温度T下的接触电势 eAB(T0 ): 材料A和B在温度T0下的接触电势 K : 波尔兹曼常数。 e : 电子电荷量 可见，接触电势的大小只与热电极A、B的性质和两接触点的温度 有关，而与热电极的几何形状尺寸无关。 ( , ) ( , ) 0 T T0 E T T f AB = ( ) B A AB n n e KT e T = ln ( ) B A AB n n e KT e T0 = ln
1.热电偶测温 工作原理 B温差电势 在同一均质导体内(A或B),当两端温度不同时,导体内自由电子的运动速 度不同,高温端自由电子的动能高于低温端。因此,电子从髙温端冋低温 端的扩散速度大于相反方向,结果使高温端失去电子而带正电,低温端得 到电子而带负电,当电子运动达到动态平衡时,在导体内形成内建电场电 场的电势称为导体A或B的温差电势用eATT或e(TT0)表示 e(t, To) e,(T, To)=o 式中 04、0分别为导体A、B的汤姆逊系数 T>TO °e(,x)= ToDt 上式表明热电势中的温差电势仅与热电极材料性质和两接点温度 TT有关,而与热电极的几何尺寸。沿热电极的温度分布无关
1. 热电偶测温 工作原理 B.温差电势 在同一均质导体内(A或B),当两端温度不同时，导体内自由电子的运动速 度不同，高温端自由电子的动能高于低温端。因此，电子从高温端向低温 端的扩散速度大于相反方向，结果使高温端失去电子而带正电，低温端得 到电子而带负电，当电子运动达到动态平衡时，在导体内形成内建电场,电 场的电势称为导体A或B的温差电势,用eA(T,T0 )或eB (T,T0 )表示: 式中: 、 分别为导体A、B的汤姆逊系数 上式表明,热电势中的温差电势仅与热电极材料性质和两接点温度 T,T0有关，而与热电极的几何尺寸。沿热电极的温度分布无关。 ( ) = T T eA T T A dT 0 0 , ( ) = T T eB T T B dT 0 0 , σ A σB
1.热电偶测温 工作原理 综合接触电势与温差电势当有T>T0时由均质材料A、B作正、负 热电极的热电回路中有热电势EAB(TT EB(T, To)=e (T)-eaBTo+es(t, To)(T, T en()-en(T)+∫o7-Jor n(7)-en()+∫(a-o) +\(a、AB (T)+[(GB-o1)d EAB(T)-EAB(TO 上式可归纳如下结论 当构成热电偶的两热极材料相同时恒有EA(TT0)=0或EB(TT0)=0 当冷、热端温度相同(T=T0)时,恒有EA=0 热电势的大小只与两热电极的性质和冷、热端温度有关,而与热电极与热接 点的几何形状尺寸无关,与沿热电极的温度分布无关
1. 热电偶测温 工作原理 综合接触电势与温差电势,当有T>T0时,由均质材料A、B作正、负 热电极的热电回路中有热电势EAB(T,T0 ) : 上式可归纳如下结论: 当构成热电偶的两热极材料相同时,恒有EAA(T,T0 )=0或EBB(T,T0 )=0 当冷、热端温度相同 (T=T0 )时,恒有EAA=0 热电势的大小只与两热电极的性质和冷、热端温度有关，而与热电极与热接 点的几何形状尺寸无关,与沿热电极的温度分布无关. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ) ( ) ( ) , , , E T E T e T σ σ dT e T σ σ dT e T e T σ σ dT e T e T σ dT σ dT E T T e T e T e T T e T T A B A B T T A B B A A B B A T T A B A B B A T T A T T A B A B B A B A B A B B A = − = + − − + − = − + − = − + − = − + −
1.热电偶测温 工作原理 理论与实践证明对于电子浓度很大的金属导体热电极σA-B量值 可以忽略不记因此在其热电势中温差电势所占份额亦可忽略. 即有: EB(7,G)=ea()-eB()=f()-f(70) 如果固定冷端温度T0即有f(T)=C 实现了通过测量回路热电势大小来检测热端温度的目的 成了 温度量匚量转换 一热电偶工作原理 一般热电偶的T一EAB(TT0)关系常用三种方式给定 Ear(t, o)(mv) 解析式E=∑qt多项式 ET关系曲线 分度表 直接给出数值对应表不需面 注意无论哪种方式均必须固定冷端温度一般
1. 热电偶测温 工作原理 理论与实践证明,对于电子浓度很大的金属导体热电极,σA-σB量值 可以忽略不记,因此在其热电势中温差电势所占份额亦可忽略. 即有: 如果固定冷端温度T0 ,即有f(T0 )=C. 实现了通过测量回路热电势大小来检测热端温度的目的 完成了: 温度量 电量转换 热电偶工作原理 一般,热电偶的T—EAB(T,T0 )关系常用三种方式给定: 解析式: 多项式 E-T关系曲线 分度表 直接给出数值对应表 注意:无论哪种方式,均必须固定冷端温度,一般:T0=0℃ ( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 T0 E T T e T e T f T f AB = AB − AB = − i n i i E a t = = 0