1、热能与动力工程测试技术热能与动力工程测试技术第一章 测量系统概论及误差分析第一节 测量的基本概念第二节 误差分析第一节第一节 测量的基本概念测量的基本概念n测量技术是一门实用性很强学科，探求事物之间量、质关系的科学，与其他学科有着广泛而密切的联系。n其次，根据测量的复杂程度合理组成测量系统。因此其可分为简单测量系统和复杂测量系统。n再次，任何测量都不可避免地含有误差。误差理论是测量技术的核心，它能够分析和判断结果的可靠性和有效性。一一. 测量意义测量意义n无论在科学实 验还是在生产过程中都离不开测量技术，否则会给工作带来巨大的盲目性.n只有通过可靠的测量，然后用误差理论正确判断测量结果的可靠性
2、和有效性，才能进一步解决工程技术上提出的问题。n由此可见，测试技术水平高低，将直接影响科技的发展。二二. 测量方法测量方法n1 按照获得测量结果的方法不同分类n1) 直接测量：n将被测量直接与测量单位进行比较，或用预先标定好的测量仪器进行测量其测量结果可直接从测量仪表上获得，称为直接测量。nA 直读法：直接从仪表上读出测量结果。如：压力表温度计等。nB 比较法：与某一已知量或标准量具进行比较，其测量精度比直读法高。-直接测量：直接测量：采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值采用仪器、设备、手段测量被测量，直接得到测量值测量结果：测量结果：20.1 mm- 相对测量：相对测量：将被测量直
3、接与基准量比较，得到偏差值将被测量直接与基准量比较，得到偏差值特点：简单、直观、明了；特点：简单、直观、明了； 测量精度不高测量精度不高基准量：基准量：20.00 mm测量值：测量值：+0.08 mm结结 果：果：20.08 mm特点：精度高；复杂、成本高、要求高特点：精度高；复杂、成本高、要求高n2) 间接测量： ：n在工程上许多测量参数往往不能用直接测量法得到，如内燃机功率P=M*N/9550 ,这种通过直接测量量与被测量有确定函数关系的各变量，然后将所测得的数值代入函数关系式进行计算，从而求得测量值的方法，称为间接测量法。 三三. 测量系统测量系统n为了测量某一被测量的值，根据测量精度要
4、求，将若干测量设备,按照一定的方式连接起来，这种连接组合即构成了一种测量系统。n根据测量复杂程度，可分为：n1 简单测量系统n2 复杂测量系统四四. 测量元件测量元件n1 感受元件n感受被测量的变化，随之内部产生变化，并向外发出一个相应的信号。n（举例：水银温度计感受元件作用）包括两个功能：拾取信息和把拾取的信息进行变换，一般是将其变换成另一种物理量，如：位移、压差、电压等。n主要有两种变换方式：na 非电信号变换（如：水银柱位移信号）nb 将感受到的被测信号直接变换成电信号输出（如：热电偶）n需具备的条件：na 变换速度快；nb 抗干扰能力强；nc 良好的线性变换；nd 尽量不干扰被测介质的
5、状态。 2传递元件n将感受元件发出的信号，经加工或变换成显示元件易于接收的信号（作用）n（举例：电阻应变片）n若感受元件发出的信号过小（或过大），传递元件应将信号放大（或衰减）；n转换和处理一般也有两种形式：n1 非电量的转换；n2 电量的转换和处理。n这些经处理后的信号一般是模拟信号，可直接送到显示部分，也可通过A/D转换，变成数字量，传输到计算机进行信息处理，当然也可送到数字式仪表。 3 显示元件显示元件n根据传递元件传来的信号向观测根据传递元件传来的信号向观测人员显示出被测量在数量上的大小和变化。n一般可分为模拟显示和数字显示。微机的CRT显示屏既能显示模拟信号，又能显示数字信号和文字。
6、 五.测量仪表的主要性能1 量程 一般测量系统能测量的最大输入量称为测量上限，其最小输入量称为测量下限。测量上、下限代数差的模，称为量程，即测量范围。n例：某温度计：-40+80 2 精度（准确度）指测量某物理量时，测量值与真值的符合程度。仪表精度的表示方法常用满量程时仪表所允许的最大相对误差的百分数来表示。%100%10000maxAAjn测量精度精度：精度：测量结果与真值吻合程度测量结果与真值吻合程度定性概念定性概念测测量量精精度度举举例例不精密（随机误差大）不精密（随机误差大） 准确（系统误差小）准确（系统误差小） 精密（随机误差小）精密（随机误差小）不准确（系统误差大）不准确（系统误差
7、大）不精密（随机误差大）不精密（随机误差大）不准确（系统误差大）不准确（系统误差大）精密（随机误差小）精密（随机误差小）准确（系统误差小）准确（系统误差小）3 灵敏度n灵敏度表示测量系统在作静态测量时，输出变化量与输入变化量的比值。n灵敏度有量纲，它是输出、输入量的量纲之比。4 分辨率n与灵敏度有关的另一性能指标，是指测量系统能够检测出的最小输入变化量。XYK5 稳定性n指在规定的工作环境条件和时间内，仪表性能的稳定程度，它用观测时间内的误差来表示。6 重复性n在相同测量条件下，对同一被测量进行多次重复测量，测量结果的一致程度，用重复性误差Rn来表示。%100maxmaxYRRN 7 温度误差
8、n输出特性随温度变化而不同，当环境温度偏离仪表的定标温度（20），其输出值的变化称温度误差。 8 零点温漂n在一定环境和工作条件下，测量系统的输入量固定不变时，其输出量发生变化，这种变化称为漂移。在系统零点产生的漂移，则为零漂。漂移往往是由于测量系统（仪表）内部温度变化或零件性能不稳定引起的。n把主要由于温度引起输出量的变化的漂移称作 温漂。%10020max,20,0,0tYYYXtst 9 动态误差与频响特性n动态误差，亦称动态特性，在测量某些随时间变化而变化的物理量时，仪表在动态下的读数，和它在同一瞬间相应量值的静态读数之间的差值。n一个仪表可看成一个振动系统，在动态测量中，要求仪表具有
9、良好频响特性，也就是说要求它的幅值比 ，在所要求的频率范围内变化不大，即动态误差小，同时在这个频率范围内相位差也很小，相位差太大将会导致仪表失真。n可通过拉普拉斯变换求解微分方程，获得传递函数。第二节第二节 误差分析误差分析-一一 误差存在的绝对性n“误差是不可避免的”-无论使用多么精密的仪器，无论测量方法多么完善，无论操作多么细心。通过测量系统对被测物理量进行测量，所得到的数值称为测量值X，而被测物理量具有客观存在的量值，称为真值X0，但遗憾的是，在任何方式下测得的值X都不可能是真正的被测量值-真值X0，只能对X0的近似。近似程度的大小，就是误差的大小。n总之，测量结果都具有误差，误差自始至
10、终存在于一切科学实验和测量过程中。 二 研究误差的目的n虽然每次得到的测量值不是真值，而是近似值，我们所关心的是每次测量，其测量误差是否在允许范围内。n我们研究方向是：1）找出测量误差产生的原因，并设法避免或减少产生误差的因素，提高测量精度；2）求出测量误差大小或其变化规律，修正测量结果，并判断测量可靠性。 三三 误差表达形式n一般有两种表达形式：绝对误差和相对误差n1 绝对误差n2 相对误差n绝对误差只能表示出误差量值的大小，而不能表示出测量结果的精度n相对误差可以表示测量精度，小，精度越高。 四 测量误差分类1 根据误差出现规律 （误差性质及其产生原因） a) 系统误差n定义：在相同条件下
11、，对某个量进行多次测量时，误差的绝对值和符号或均保持恒定，或按照一定规律变化。n产生原因：一类原因可能是仪表制造，安装，或使用不正确或试验装置受外界干扰；另一类原因是试验理论和试验方法不完善。n如何消除：系统误差是客观存在的，有时难以消除，这就只能通过修正测量值才能达到测量精度，而修正值是从专门的试验中求得的。 b) 过失误差（粗大误差）n定义：在测量过程中，完全由于人为过失而明显造成了歪曲测量结果的误差；n产生原因：测量人员粗心大意，读错，记错，算错或错误操作等；n判断方法：最简单的方法是拉伊特法，即残差大于3时就可以判定它是过失误差；n如何消除：剔除 c) 随机误差n定义：在对同一个量进行
12、多次测量时，由于受到某些不可知随机因素的影响，测量误差时小时大，时正时负地变化，没有一定的规律，并且无法估计。但也同时发现测量次数足够多时，这种误差的分布服从统计规律，把它称为随机误差或偶然误差。n产生原因：a 仪表内部零件之间存在间隙和摩擦，其变化不规则；b 测量人员对模拟指示型仪表最末一位估计不准，在数字式仪表中，计数脉冲造成1数字误差；c周围环境不稳定对测量对象和测量仪器的影响。n特点：与测量次数有关，当测量次数增加时，随机误差的算术平均值将逐渐减小，并趋近于零。2. 按照测量误差产生的来源a) 人为误差（操作误差）；b) 环境误差；c) 方法误差；d) 动态误差；e) 仪表误差（装置误
13、差）俗称:人,机,料,法,环 五 误差理论基础n在测量结果中，在修正好系统误差，剔除过失误差后，所得数值测量精度就取决于随机误差了。所以有必要对随机误差进行研究。 1.随机误差分布的性质n有界性：在一定测量条件下，测定值总是相当窄的范围内变动，故而随机误差也是在一定的，相当窄的范围内变动，绝对值很大的误差出现的概率为零，即随机误差不会超过一定的界限。n对称性：当测量次数足够多时，大小相等，符号相反的正负误差出现的概率相同，即随机误差的概率密度曲线是对称的。n抵偿性：全部随机误差的算术平均值在测量次数不断增加趋向于无穷时趋于零。n单峰性：误差的绝对值越小，出现的次数就越大，当误差为零（测量值等于
14、算术平均值时），出现概率最大，即：随机误差概率密度曲线的单峰性。2. 随机误差概率密度分布曲线n从上述4点性质充分表明，大多数测量的随机误差都服从正态分布规律。分布密度函数 一定是随机误差x的平方的函数。这个分布是1796年高斯提出的，所以也称为高斯分布，其函数分布形式为： n 如图1-2: n式中，x-测量值与真值之差 （X-X0）；n Y-概率密度（误差等于x）；n -均方根误差或称标准误差n该正态分布主要由两个特征参数决定，即：X0，X0代表被测量参数的真值，完全由被测参数本身决定，当测量次数趋于无穷大时，子样平均值等于真值。 xy 22221xexy图1-2 backn ：则表示测定值
15、在真值周围的散布程度，由测量条件决定：n点概率：n区间概率： n误差分布曲线性质：a) 曲线关于y轴对称： ；b) 当x0时，y达到最大值 ；c) 当时 ， ，最大误差存在概率极小。如图1-3:niinXnxx101limniinniinXXnXn120121lim1lim22121121 xexyxx时，dxeydxyxxxxxxxx22221212121 时， xyxy21x0ynxnii123 误差表示方法（测量结果误差评价）n无论是直接测量，还是间接测量，其目的都是要求出某一物理量的真值，但即使是熟练的实验者用高精度仪表，仔细地测量，也不可避免会有误差。因此，必须在给定条件下，找出测量
16、值与真值的关系，从一组测量数据中确定最佳值，用它来代表所测物理量。标准误差（均方根误差）a) 当测量次数足够多时，标准误差为 ：backn 为绝对误差Xi-X；n其意义是：当进行多次测量后，测量误差在范围内的概率是68.3，即： n n =0.683n当测量次数为有限多次时，此时我们用有限次测量求得的算术平均值近似地看成真值。n此时样本方根差： ，其中 为残差ixdxeydxx22221112nniiib）或然误差n在一组测量中，当 时，随机误差的绝对值大于或然误差或小于或然误差出现的概率各占一半，即： 0.5 n得：对于置信度1-50时，置信区间 ，0.6745对于多次测量，则有：测量结果子
17、样平均值 或然误差 （P50）ndxeydxx22221,nc) 极限误差n定义极限误差范围（即置信区间）是均方根误差的三倍，记为3 对应于置信区间的3 置信度为99.7n即：测量误差落在-3,+3范围内的概率为99.7 n也就是说：被测量真值落在范围之内的概率已接近100，而落在这个范围之外的概率极小，可认为不存在，所以将此误差定义为极限误差，一般的仪表都是采用极限误差来定义精度的。nd) 平均误差测量列平均误差指该测定值全部随机误差绝对值的算术平均值。n与标准误差的关系：n测量误差落在 范围内的概率为57.5，置信度57.5。nnii17979.0n4. 各种误差与标准误差关系各种误差与标
18、准误差关系n 如图如图1-4:%.5.57,%;7.99,%;50,%;3.68,back六间接测量中的误差分析n间接测量：是指被测量的数值是由测得的与被测量有一定函数关系的直接测量量经计算求得。所以可知，间接测量误差不仅与直接测量量的误差有关，而且还与它们之间的函数关系有关。一次测量，间接测量误差的计算一次测量，间接测量误差的计算n由于手条件限制，试验时只对被测量进行一次测量，这样的情况我们是经常遇到的。如何来分析误差呢？1）这时我们只能根据所采用的测量仪表的允许误差来估算测量结果中所包含的极限误差，看它是否超过所规定的误差范围。n其中，n：仪表精度等级；nA0：仪表量程；nA：实测时仪表读
19、数；n仪表所允许最大相对误差maxA0，n精度：%0maxAAn从上式可知，采用一定量程的仪表，测量小 示值的相对误差比测量大示值的相对误差要大。因此，选择测量仪表的量程，应尽可能使示值接近于满刻度，这样可得到较为精确的测量结果。n设：间接测量量Y，随机误差为yn直接测量量为X1，X2，Xn，（设有n个），相互独立，随机误差为x1，x2，xnn函数关系：Yf（X1，X2，Xn）n考虑误差后，变成：nY+yf（X1+x），（X2+x），（Xn+xn）n将等式右边用泰勒级数展开，并忽略高阶项，得： n f(X1,X2,Xn)+ n可完成两方面工作：n用直接测量量误差来计算间接测量量误差n根据所给出
20、的被测量的允许误差来分配各直接测量量误差n（举例）n多次测量，间接测量误差的计算nnxXYxXYxXY.2211nnxXYxXYxXYy.2211n设：间接测量量Y，随机误差为yn直接测量量为X1，X2，Xn，（设有n个），相互独立，随机误差为x1，x2，xnn函数关系：Yf（X1，X2，Xn）nY1f(X11,X21,Xn1)nY2f(X12,X22,Xn2)nnYnf(X1n,X2n,Xnn)n每次测量误差分别为：nn根据误差分布规律，等值，正负误差的数目相等，故上述n式各项平方和中的非平方项可抵消。12121111.nnxXYxXYxXYy22221212.nnxXYxXYxXYynnn
21、nnnxXYxXYxXYy.2211n则则:n两边同除以两边同除以n，变成，变成，n则：则：n间接测量值多次测量时的极限误差为：间接测量值多次测量时的极限误差为：22222221212.niniiixXYxXYxXYy第二章 温度测量n温度是我们经常要接触的一个参数，也是制冷空调中需要经常测量的一个参数。例如冷却水温度，制冷剂温度，空气温度等。温度是一个很重要的物理量，它是表征物质性质的重要参数，物质的热物理性质及某些特征参数均与温度有着密切联系。还有，它是国际单位制（SI）七个基本物理量之一测温的热力学原理测温的热力学原理温度物理概念 “温度”这个物理量主要是用来描述人们对周围环境或物体的冷
22、热感觉。热感觉说明温度高，冷感觉说明温度低。换句话说，温度是衡量物体冷热程度的物理量。但是，它不可能用直接的方式来获得，而只能借助于冷热不同的物体之间热交换以及物体的某些物理性质随冷热程度变化的特性来间接地加以测量。 n 下面继续从宏观和微观两个角度来说明“温度”这个概念。n 温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。n 温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。n温标n是“温度标尺”的简称，温度数值的表示方法，用来衡量物体温度的标尺。“温标”规定了温度的起始点（零点）和测量温度的基本单位。 二、 温标n1 摄氏温标（摄氏温标（）n
23、较早出现，应用较广泛的一种温标。较早出现，应用较广泛的一种温标。n其原理是规定汞随温度的体膨胀是线性的。其原理是规定汞随温度的体膨胀是线性的。n分度方法：规定在标准大气压下纯水的冰分度方法：规定在标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度，沸点是点是摄氏零度，沸点是100，把汞柱在，把汞柱在这两点之间变化的液柱长度分为这两点之间变化的液柱长度分为100等分。等分。每一等分代表每一等分代表1摄氏度，用符号摄氏度，用符号记之。记之。n2 华氏温度（华氏温度（F）n其选用原理和摄氏一样，差别在于固定其选用原理和摄氏一样，差别在于固定点，华氏温标规定在标准大气压下纯水点，华氏温标规定在标准大气压下纯水的冰点为华
24、氏的冰点为华氏32度，沸点为华氏度，沸点为华氏212度，度，然后把这两点之间变化的汞柱长度划分然后把这两点之间变化的汞柱长度划分成成180等分，每等分为等分，每等分为1华氏度，用华氏度，用F表表示。示。n3 热力学温标（热力学温标（K）n又称绝对温标或开尔文温标，是以热力学又称绝对温标或开尔文温标，是以热力学为基础建立起来的，体现温度仅与热量有为基础建立起来的，体现温度仅与热量有关而与工质无关的理想温标。关而与工质无关的理想温标。n由卡诺定理，我们可知，由卡诺定理，我们可知，n对于一个理想的卡诺机，如它工作在温度对于一个理想的卡诺机，如它工作在温度为为T2的热源和温度为的热源和温度为T1的冷源
25、之间，它从的冷源之间，它从热源中吸收热量热源中吸收热量Q2，在冷源放出热量，在冷源放出热量Q1，则温度与热量之间有如下关系：则温度与热量之间有如下关系：n可见温度只与热量有关，与工质无关。可见温度只与热量有关，与工质无关。n如果我们指定了一个定点如果我们指定了一个定点T2的数值，就可的数值，就可由热量的比例求得未知量由热量的比例求得未知量T1。n绝对温标规定水在标准大气压下的三相点温绝对温标规定水在标准大气压下的三相点温度为度为273.16K。n但实际上，理想卡诺循环无法实现，所以热但实际上，理想卡诺循环无法实现，所以热力学温标无法实现，使用中是以气体温度计力学温标无法实现，使用中是以气体温度
26、计经过示值修正后来复现热力学温标的。（因经过示值修正后来复现热力学温标的。（因为理论证明热力学温标与理想气体温标一致，为理论证明热力学温标与理想气体温标一致，再某些惰性气体的性质与理想气体近似，故再某些惰性气体的性质与理想气体近似，故利用它来制成气体温度计。）利用它来制成气体温度计。）n4 国际实用温标国际实用温标 IPTS-90n1990年元旦开始实施的国际实用温标年元旦开始实施的国际实用温标（最新）（最新）n它规定热力学温度是基本的物理量，符号它规定热力学温度是基本的物理量，符号为为T，单位：开尔文，单位：开尔文K。它规定水的三相点。它规定水的三相点温度为温度为273.16K，定义热力学温
27、度开尔文，定义热力学温度开尔文等于水三相点温度的等于水三相点温度的1/273.16n国际实用开尔文温度和摄氏温度关系为：国际实用开尔文温度和摄氏温度关系为：t(T-273.15)na 该温标包围温度范围：该温标包围温度范围：0.65K单色辐射单色辐射高温计实际可测量的最高温度（高温计实际可测量的最高温度（2000）nb 定义固定点和温度点共有定义固定点和温度点共有17个。（其中个。（其中14个为高纯度物质的三相点，熔点，凝固个为高纯度物质的三相点，熔点，凝固点；点；3个是用蒸汽或气体测定的温度点；个是用蒸汽或气体测定的温度点；nc 在不同温度范围内，选择稳定性较高的温在不同温度范围内，选择稳定
28、性较高的温度计来作为复现热力学温标的标准仪器。度计来作为复现热力学温标的标准仪器。nd 更为实用，更为科学更为实用，更为科学n第二节第二节 热电偶测温技术热电偶测温技术n热电偶是目前温度测量中应用最广泛的温度传感元件之一。一般用于测量高温。n特点：结构简单，准确度高，热惯性小，它将输入的信号转换成电势信号输出，便于信号远传和转换。n一一,热电偶测温原理热电偶测温原理n要追溯到1821年，著名科学家塞贝克偶然发现了一种现象，叫热电现象。n也就是说，由两种不同导体A，B组成的闭合回路，当两接点处的温度不同时，回路中将产生电流，既而就会有热电动势产生，而且温度差越大，产生的热电动势也越大，这就是著名
29、的热电现象,又称为塞贝克效应。n我们把导体A、B称为热电极；产生的电流称热电流；n产生的电动势称热电势；将放置在被测对象中的接点，称为测量产生的电动势称热电势；将放置在被测对象中的接点，称为测量端，热端，工作端；而将另一端，称为参考端、冷端、自由端。端，热端，工作端；而将另一端，称为参考端、冷端、自由端。n经研究发现，热电势是由温差电势和接触电势组成。经研究发现，热电势是由温差电势和接触电势组成。n1 温差电势温差电势 n定义：由于导体两端温度不同而产生的一种电势。定义：由于导体两端温度不同而产生的一种电势。n从温度微观概念知道，它是反映导体内部自由电子平均运动动能从温度微观概念知道，它是反映
30、导体内部自由电子平均运动动能大小的标志。所以温度高的一端的电子能量往往比温度低的一端大小的标志。所以温度高的一端的电子能量往往比温度低的一端电子能量大，那么从高温端跑到低温端电子数比低温端跑到高温电子能量大，那么从高温端跑到低温端电子数比低温端跑到高温端的要多。那这样会造成什么结果呢？端的要多。那这样会造成什么结果呢？n造成的结果是，高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子造成的结果是，高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电。从而在温度不同的导体两端之间形成一个从高温端指而带负电。从而在温度不同的导体两端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。向低温端的静电场。n该静电场有两个作
31、用：该静电场有两个作用：a 阻止高温端电子跑向低温端；阻止高温端电子跑向低温端；nb 加速低温端电子跑到高温端。这样，最后就达到动态平衡状态。加速低温端电子跑到高温端。这样，最后就达到动态平衡状态。 n那么在导体两端便产生一个相应的电位差。那么在导体两端便产生一个相应的电位差。称为温差电势，其方向是由低温端指向高温称为温差电势，其方向是由低温端指向高温端，其大小只与导体性质和导体两端温度有端，其大小只与导体性质和导体两端温度有关。关。n其中其中NA：导体：导体A的电子密度，它是温的电子密度，它是温度函数；度函数；ne：单位电荷；：单位电荷；nk：波尔兹曼常数；：波尔兹曼常数；nt：导体各断面的
32、温度；：导体各断面的温度；nT,T0：导体两端温度。：导体两端温度。tNdNekEATTATTA001, 2 接触电势定义：当两种不同的导体A、B相接触，由于二者不同的电子密度而产生的一种电动势。从扩散原理，可知由于导体间接触处的电子数不同，那么电子在向两个方向扩散速率肯定也会不同，假设：导体A电子密度NA大于导体B电子密度NB，这样导体A的电子扩散速率比导体B要来的大，n从而A失去电子而带正电，B得到电子而带负电，在A、B接触面上就会形成一个方向由A向B的静电场。它和温差电势中的静电场功能相似，将阻止电子进一步从A向B扩散，当扩散力和电场力平衡时，在A、B之间形成了一个固定的接触电势，其方向
33、：又B指向A，其大小取决于A、B材料的性质和接触点的温度，可用下式表示。 如图2-3 (a):n其中，NAT：导体A在温度为T时，电子密度；nNBT：导体B在温度为T时的电子密度。 BTATTABNNekTEln 3 回路总热电势回路总热电势 一个由A、B两种均匀导体组成的热电偶，接点温度分别为T、T0，且NANB，则回路中的总电势: 若A、B材料已定，则NA、NB只是温度的函数，则上式可表示为： 0000,TTATABTTBTABTTABEEEEE 0,0TfTfETTABn通过上式可得出如下结论结论：n1 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处的温度有关，与热电偶丝
34、的直径、长度及沿程温度分布无关；n2 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；n3 热电偶的两个电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。n如果T0已知且恒定，则f(T0)为常数。回路总热电势 只是温度T的单值函数。0,ttABE二二 热电偶回路的基本定律及其应用热电偶回路的基本定律及其应用n在实际测温时，热电偶回路中必然要引入测量热电势的显示仪表和连接导线，因此理解了热电偶的测温原理之后还要进一步掌握热电偶的一些基本规律，并能在实际测温中灵活而熟练地运用这些规律。n1 均质导体定律均质导体定律n任何一种均质导体组成的闭合回路，不论其各处
35、的截面积如何，不论其是否存在温度梯度，都不可能产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质。n应用：a 检验热电极材料的均匀性nb 要求组成热电偶的两种材料A、B必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。因此，要进行均匀性检验和退火处理。2.中间导体定律 如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。n3 中间温度定律中间温度定律n两种不同材料两种不同材料A和和B组成热电偶，其接点组成热电偶，其接点 温度分别为温度分别为t和和t0时时的热
36、电势的热电势n 等于热电偶在连接点温度为（等于热电偶在连接点温度为（t，tn）和（）和（tn，t0）时）时相应的热电相应的热电n势势 和和 的代数和。其中的代数和。其中tn为中间温度，即。如图为中间温度，即。如图2-8:n应用：应用：a 提供了冷端温度不是零度时如何应用热电偶分度表提供了冷端温度不是零度时如何应用热电偶分度表的方法；的方法；nb 连接导线定律（当在原来热电偶回路中分别引入与材料连接导线定律（当在原来热电偶回路中分别引入与材料A、B有同样热电性质的材料有同样热电性质的材料A，B，即引入所谓补偿导线，相，即引入所谓补偿导线，相当于将热电偶延长而不影响热电偶的热电势。如图当于将热电偶
37、延长而不影响热电偶的热电势。如图2-9:0,ttABE00,ttABttABttABnnEEEnttABE,0,ttABnEb ba ac ck k几种常用的热电偶及其性能几种常用的热电偶及其性能n热电极材料热电极材料n要求要求:n1，在测温范围内，物理化学性能稳定，在测温范围内，物理化学性能稳定n2，热电特性好，热电势与温度的关系呈线，热电特性好，热电势与温度的关系呈线性关系。性关系。n3，温度变化时，热电势变化应足够大，温度变化时，热电势变化应足够大n4，电阻温度系数要小，导电率要高，电阻温度系数要小，导电率要高n5，复制性能好。，复制性能好。n热电偶分类热电偶分类na 按热电势温度关系是
38、否标准化可分为标按热电势温度关系是否标准化可分为标准化热电偶和非标准化热电偶；准化热电偶和非标准化热电偶；nb 按热电极材料的性质可分为：金属热电偶，按热电极材料的性质可分为：金属热电偶，半导体热电偶，非金属热电偶三类；半导体热电偶，非金属热电偶三类；nc 按热电极材料的价格可分为：贵金属热电按热电极材料的价格可分为：贵金属热电偶和贱金属热电偶；偶和贱金属热电偶；nd 按使用温度范围分：高温热电偶和低温热按使用温度范围分：高温热电偶和低温热电偶要求学生从以下几个方面掌握：电偶要求学生从以下几个方面掌握：n分度号；材料贵贱；使用温度范围；优缺点分度号；材料贵贱；使用温度范围；优缺点（特点）；适用
39、条件等。（特点）；适用条件等。 标准化热电偶标准化热电偶n是指生产工艺成熟、能成批生产，性能稳定，应用广泛，具有统一的分度表，并已列入国际专业标准中的热电偶。按惯例正极成分一般写在前面。常见的有以下6种标准化热电偶。n1铂铑10铂热电偶n分度号为S，为贵金属热电偶，其准确度在所有热电偶中是最高的，常用于科学研究和准确度要求比较高的场合。物理化学性能良好，热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化和惰性气氛中连续使用。n缺点：价格昂贵，电极丝直径通常很细，机械强度较低，与其它热电偶相比，其热电势偏小，热电势率也较小，因此灵敏度低。n2铂铑铂铑13铂热电偶分度号为铂热电偶分度号为R，为贵金，为贵金属热电偶
40、，其性质与铂铑属热电偶，其性质与铂铑10-铂热电偶基铂热电偶基本相同，唯一的差别是正极中铑的含量略本相同，唯一的差别是正极中铑的含量略高一些，这样热电势也稍大一些，大高一些，这样热电势也稍大一些，大15左右，而且比左右，而且比S型热电偶稳定，复现性好。型热电偶稳定，复现性好。问题：是不是铑的含量再高一点更好呢？问题：是不是铑的含量再高一点更好呢？答：也不是，如果合金极中铑的含量达到答：也不是，如果合金极中铑的含量达到20，则在高温下会发脆，影响热电偶的，则在高温下会发脆，影响热电偶的寿命。寿命。 n3 铂铑铂铑30铂铑铂铑6热电偶（双铂铑热电偶）热电偶（双铂铑热电偶）n分度号为分度号为B，属于
41、贵金属热电偶，属于贵金属热电偶n正极：含铑正极：含铑30的铂铑合金；负极：含铑的铂铑合金；负极：含铑6的铂铑的铂铑合金合金n是是60年代发展起来的一种用于测量高温的热电偶。年代发展起来的一种用于测量高温的热电偶。n使用温度范围：使用温度范围：1600（长期），（长期），1800（短期）（短期）n特点：由于其两极都是由合金构成的，因而提高了抗特点：由于其两极都是由合金构成的，因而提高了抗玷污能力和机械强度，其寿命比玷污能力和机械强度，其寿命比R,S型热电偶要大得型热电偶要大得多。性能稳定，但不如多。性能稳定，但不如R,S型热电偶好。测量准确度型热电偶好。测量准确度高，其热电势率比铂铑高，其热电势
42、率比铂铑10铂还要小，但同时带来的铂还要小，但同时带来的好处是可不用补偿导线，但须配用灵敏度高的仪表。好处是可不用补偿导线，但须配用灵敏度高的仪表。n适用条件：适于氧化性质和中性介质中使用，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽气氛中使用。 n4 镍铬镍硅热电偶n分度号为K，是廉价金属热电偶，应用十分广泛，在我国它的产量占了所有贱金属热电偶产量的一半左右。n这种热电偶的测量范围很宽，从-270到1300；n使用温度范围： 1000（长期）， 1300（短期）。n特点：热电势率大，灵敏度比较高；热电特性近乎线性，线性度好，使得显示仪表的刻度均匀；稳定性和均匀性很好；高温下抗氧化，抗腐蚀能力都很强
43、，比其它廉金属热电偶好；化学稳定性好。n适用条件：适用于氧化性和中性介质中使用，在还原性气体中易被腐蚀。在500到1300温区的氧化性、惰性气氛中，广泛为用户所采用。n5 镍铬铜镍（康铜）热电偶n分度号为E，热电势率是目前各类金属热电偶中最高的，灵敏度最高，灵敏度比镍铬镍硅高一倍。n使用温度范围（-200800）： 600（长期），800（短期）。n特点：最大的特点是在常用热电偶中，热电势率最大，即灵敏度最高。热电特性线性度较好，价廉；耐热和抗氧化性要比铜康铜强。缺点是其负极难以加工，而且热电均匀性也比较差。n适用条件：适宜在氧化和惰性气氛中使用，但不能用于还原气氛或硫气氛中。n6 铜铜镍（康
44、铜）热电偶n分度号为T， n使用温度范围：-200350n特点：热电性能稳定，特别是在0-200下使用，稳定性更好。在廉价金属中准确度最高的；价格便宜，是标准化热电偶中最便宜的一种；能抵抗湿气的侵蚀，可用在真空，氧化，还原及中性气氛中，但不能超过300，因铜在高温下易被氧化。n7镍铬金铁热电偶n适用于一些特定温度测量场合n低温下仍有很大的热电势，可在2273K低温范围内使用，热电势稳定，复现性好，易于加工成丝。非标准化热电偶非标准化热电偶n热电偶结构热电偶结构n1 普通工业用热电偶普通工业用热电偶n主要由：热电极，绝缘套管（多采用氧化铝主要由：热电极，绝缘套管（多采用氧化铝管或工业陶瓷管，其作
45、用是防止两个热电极管或工业陶瓷管，其作用是防止两个热电极短路），保护套管（短路），保护套管（1000以下用金属管，以下用金属管，1000以上用工业陶瓷甚至氧化铝保护套以上用工业陶瓷甚至氧化铝保护套管，其作用防止热电偶不受化学腐蚀和机械管，其作用防止热电偶不受化学腐蚀和机械损伤）以及接线盒（用铝合金制成，供热电损伤）以及接线盒（用铝合金制成，供热电偶与补偿导线连接之用）等组成。偶与补偿导线连接之用）等组成。n缺点：体积大，笨重，热惯性大等。缺点：体积大，笨重，热惯性大等。普通热电偶：普通热电偶：1。热电极；。热电极；2。绝缘套管。绝缘套管3。保护套管；。保护套管；4。接线盒；。接线盒；5。盒盖。
46、盒盖n2 铠装热电偶n主要是由热电偶丝，耐高温的金属氧化物粉末（如：Al2O3等）绝缘物，以及不锈钢套管三者组合冷加工，由粗坯逐步拉制而成。n其结构形式有下列四种，具体见下图所示：a 碰底型；b 不碰底型；c 露头型；d 帽型。n其突出优点：测量端热容小，动态响应快，结构紧凑，耐压，抗震，可挠，使用方便。 热电偶参考端温度补偿热电偶参考端温度补偿n热电偶材料选定后，热电势只与热端和冷端温度有关。所以，只有当冷端（参考端）温度保持恒定时，热电偶的热电势和热端（测量端）温度才有单值函数关系，而且我们知道，热电偶分度表均以冷端温度等于摄氏零度的条件下制定的。在实际测温中，冷端温度往往既不稳定，也不一
47、定是摄氏零度，故：必须对冷端温度进行修正，消除冷端温度影响。n1 保持冷端温度恒定的方法（当冷端温度恒保持冷端温度恒定的方法（当冷端温度恒定，但不是零度时）定，但不是零度时）na 冰浴法n这是一种实验室常用的方法，即：使冷端直接置于 0下，采取的措施是将冷端直接置于装有冰水混合物的保温容器中，冰点槽法是一个准确度很高的参比端处理方法。n（用圆球法测导热系数时用热电偶测温时）nb 热电势修正法热电势修正法n由中间温度定律： 式中 就是冷端温度 t0 ，而为恒值时的引入误差。n只要测出冷端温度t0值，并由相应的热电偶分度表查出的 值，将其加到测得的热电势 上，得到其冷端温度等于零摄氏度时的热电势的
48、 值0,0,00tABttABtABEEE0,0tABE0 ,tABE0,ttABEn摄氏度时的热电势值摄氏度时的热电势值 ，然后便可从，然后便可从分度表求得热端温度即被测温度真值。分度表求得热端温度即被测温度真值。nc 仪表机械零点调整法仪表机械零点调整法n在在tn已知时，可先断开测量线路，然后把已知时，可先断开测量线路，然后把仪表起始点调到仪表起始点调到tn处，相当于在测温之前处，相当于在测温之前就给仪表输入电势就给仪表输入电势 ，这样在进行测，这样在进行测量时，输入仪表的热电势为，量时，输入仪表的热电势为，n 因此，仪表的指针就能指出热端温度因此，仪表的指针就能指出热端温度t。0, tA
49、BE0,0,ttttEEEnn0,ntEn2 参考端温度参考端温度t0波动时的补偿方法波动时的补偿方法na 补偿导线补偿导线n实际中使用的热电偶，尤其是贵金属热电偶往往实际中使用的热电偶，尤其是贵金属热电偶往往是长度一定，结构固定的，由于测温现场温度波是长度一定，结构固定的，由于测温现场温度波动不定，这就往往需要将其参考端移至远离被测动不定，这就往往需要将其参考端移至远离被测对象，且温度场较稳定的场合。这可以采用在一对象，且温度场较稳定的场合。这可以采用在一定温度范围内其热电特性与所配的热电偶基本一定温度范围内其热电特性与所配的热电偶基本一致，而且价格较便宜的补偿导线来作为热电偶丝致，而且价格
50、较便宜的补偿导线来作为热电偶丝的延伸部分。的延伸部分。n根据中间温度定律，补偿导线的引入并不会影响根据中间温度定律，补偿导线的引入并不会影响热电偶的热电势。热电偶的热电势。b 参比端温度补偿器参比端温度补偿器n是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因参考端温度变化而引起的热电势变化。桥因参考端温度变化而引起的热电势变化。桥臂电阻臂电阻R1、R2、R3、RCu与热电偶参考端与热电偶参考端处于相同的环境温度，其中：处于相同的环境温度，其中：R1=R2=R3=1，由锰铜丝绕制。，由锰铜丝绕制。E(4V)为桥路直流电源，为桥路直流电源，Rs为限流电阻，一般选择为限
