热工测试技术第4章--温度及温度场测试技术.ppt

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1、第第4章章 温度及温度场测试技术温度及温度场测试技术4.1 4.1 基本概念基本概念4.1.1 温度的概念温度是表征物体冷热程度的状态参数，而物体的冷热程度又是由物体内部分子热运动的激烈程度，即分子的平均动能所决定。因此，严格地说，温度是物体分子运动平均动能大小的标志。只有从热力学第零定律出发，才能得到温度和绝对温度的概念以及计量温度的方法。14.1.2 温标1.摄氏温标2.华氏温标3.热力学温标4.国际实用温标ITS90简介5.温度标准的传递2图4.1 温度基准仪器传递系统框34.1.3 温度测量的机理与方法温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随

2、冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。物质的某些物理量，如体积、密度、硬度、粘度、弹性模数、破坏强度、导电率、导热率、热容量、热电势、热电阻和辐射强度等均随温度变化而变化。41.较为成熟的测温方法1）利用物体热胀冷缩的物理性质测量温度2）利用物体的热电效应测量物体的温度3）利用物体的导电率随温度变化而变化的物理性质测量温度4）利用物体的辐射强度随温度变化而变化的物理现象测量物体温度52.正在研究、发展的测温方法1）利用某些物质的介电常数在某个范围内与温度相关来测量温度2）利用载流电子的布朗运动产生的随机电压测量温度3）利用压电石英的自然振动频率与温度有关来测量温度4）利用物质的磁化强度与所施

3、加磁场的比值与温度成反比来测量温度5）利用声速与气体静态温度的热力学关系式来测量温度63.以测温方法分类的温度计1）接触式测温2）非接触式测温74.以输出量性质分类的测温方法1）温度的力学测量方法2）温度的电学测量方法3)温度的光学测量方法84.2 4.2 温度测量的力学方法温度测量的力学方法4.2.1 玻璃管液体温度计图4.2为玻璃管液体温度计示意图。其基本结构由装有感温液的感温泡、玻璃毛细管和刻度标尺三部分组成。使用时通过感温液体随温度变化而体积发生变化与玻璃随温度变化而体积变化之差来测量温度，温度计所显示的示值即液体体积与玻璃毛细管体积变化的差值。9图4.2 玻管温度计示意图104.2.

4、2 双金属温度计用线膨胀系数不同的两种金属焊成一体就构成了双金属温度计。如图4.3所示，双金属片作为感温元件，一端固定，另一端处于自由状态。11图4.3 双金属温度计原理图124.2.3 压力式温度计图4.4为压力式温度计示意图，由温包、毛细管和弹簧管压力表组成。若封闭系统中充进气体，称之为充气式压力式温度计。充以氮气压力式温度计其测温上限可达500，压力与温度的关系近似线性；若封闭系统中充进液体，称之为充液式压力式温度计。13图4.4 压力式温度计结构示意图144.34.3 温度测量的电学方法温度测量的电学方法4.3.1 热电偶温度计1.热电偶测温原理1）接触电势2）温差电势3）热电偶回路的

5、总热电势2.热电偶基本定律及其应用1）均值导体定律2）中间导体定律3）连接导体定律4）中间温度定律153.热电偶的材料及其结构1）热电偶材料2）热电偶的基本结构4.热电偶测量线路及静态标定1）热电偶测温线路2）热电偶测温时参考端温度3）补偿导线的作用4）热电偶的静态标定16图4.5 热电效应示意图17图4.6 接触电势产生原理18图4.7 温差电势产生原理19图4.8 热电偶回路热电势分布图20图4.9 加有中间导体的热电偶回路21图4.10 加有连接导体的热电偶回路22图4.11 中间温度定律23图4.12 铠装热电偶的基本结构24图4.13 热电偶测量端焊接形式25图4.14 热电测温线路

6、图26图4.15 参考端连接示意图（一）27图4.16 参考端连接示意图（二）28图4.17 管式电炉热电偶标定线路图294.3.2 电阻温度计1.热电阻及热敏电阻1）铂热电阻2）铜热电阻3）热电阻的分度4）热敏电阻5）热电阻的结构形式30图4.18 金属电阻值与温度的关系曲线31图4.19 铂热电阻测温装置32图4.20 热电阻元件33图4.21 热敏电阻元件结构342.热电阻阻值测量1）平衡电桥2）自动电子平衡电桥3.热电阻温度计测量中应注意的问题1）不应有附加电阻2）用电阻温度计本身的电阻温度关系推算温度35图4.22 平衡电桥测量原理图36图4.23 三线补偿法原理图37图4.24 自

7、动电子平衡电桥测量原理图384.4 4.4 用接触式感温元件测量温度的技术用接触式感温元件测量温度的技术4.4.1 用接触式感温元件测量温度的一般问题1.概述2.影响接触式温度测量的各种因素1）传热学方面的原因2）气动力原因3）被测温度随时间变化的原因4）化学原因39图4.25 气流中温度传感器的传热途径404.4.2 一维问题的能量平衡方程1.接触式温度计的物理模型建立和简化1）单位时间通过热传导流入微元体的导热量：2）单位时间通过对流传入微元体的热量：3）微元体辐射换热的热量：4）单位时间微元体内能的变化量：412.热电偶测量端的能量平衡方程式3.热电偶的对流换热系数1）热电偶安放位置与准

8、则方程式2）典型的露头型铠装热电偶类型42图4.26 细长杆的能量平衡43图4.27 气流与偶丝垂直的典型热电偶44图4.28 气流与偶丝平行的典型热电偶454.4.3 气流温度测量误差分析1.共性误差2.个性误差3.气流温度测量误差分析464.4.4 低速气流的温度测量1.导热对温度计测量的影响1）导管热电偶模型2）导管热电偶的温度分布表达式3）m L的测量及物理意义4）减少导管热电偶导热误差的措施472.导热对裸丝热电偶的影响1）对焊裸丝热电偶模型2）对焊裸丝热电偶的温度分布表达式3）对焊裸丝热电偶温度分布微分方程的测量意义483.可以修正导热误差的热电偶1）四线三端对焊裸丝热电偶2）三线

9、两端对焊裸丝热电偶4.温度计的辐射换热对测量的影响1）辐射误差的分析模型2）减小辐射误差的一般措施3）可减小或修正辐射误差的方法和温度计5.同时考虑导热、对流、辐射时的分析方法49图4.29 套管热电偶分析模型50图4.30 温度计的导热误差51图4.31 电加热提高温度计的根部温度52图4.32 带肋片的温度计套53图4.33 放气式热电偶54图4.34 对焊裸丝热电偶55图4.35 对焊裸丝热电偶的分析模型56图4.36 稳态情况下沿x方向裸丝热电偶的温度分布 57图4.37 修正导热误差的热电偶58图4.38 三线两测量端热电偶59图4.39 测量端加装辐射屏蔽罩示意图60图4.40 测

10、量锅炉烟气的屏蔽型61图4.41 测量燃气温度的屏蔽热偶62图4.42 屏蔽罩做成文都利管的屏蔽热偶63图4.43 粗细双测量端热电偶64图4.44 用于研究锅炉燃烧的抽气热电偶654.4.5 高速气流的温度测量1.概述1）高速气流的温度测量特点2）复温系数（恢复系数）r2.高速常温气流的温度测量1）高速常温气流速度误差的修正2）高速常温气流速度误差的减小3）复温系数的实验测定3.高速高温气流的温度测量66图4.45 测量端边界层内的温度分布67图4.46 空气中不同复温系数的热电偶：Tg/T*=f（M）的关系曲线68图4.47 带滞止罩的热电偶69图4.48 测量滞止温度的热电偶温度计70图

11、4.49 复温系数测试系统71图4.50 同时考虑速度、导热与辐射误差分析模型724.4.6 动态温度的测量1.概述1）气流动态温度的测量特点：2）温度传感器的动态响应2.气流温度作阶跃变化时的响应3.气流温度线性变化时的响应4.气流温度做正弦振荡时的响应5.温度传感器的时间常数73图4.51 热电偶的阶跃响应曲线74图4.52 气流温度线性变化热电偶响应曲线75图4.53 气流温度做正弦变化时热电偶的响应曲线764.4.7 固体壁面温度测量1.安装系数2.安装方式1）表面敷设2）表面埋没77图4.54 热电偶与固体表面的接触方式78图4.55 热电偶表面焊接形式79图4.56 固定式壁面温度

12、测量装置80图4.57 管壁上装置热电偶示意图814.5 4.5 温度测量的光学方法温度测量的光学方法 在接触式温度测量中，无论是力学的方法还是电学的方法，测温传感器必须与被测对象直接接触，且大多数情况下要使感温元件和被测对象达到热平衡后进行测量。824.5.1 温度测量的辐射学方法1.基本概念1）热辐射2）辐射学基本定律832.测量固体表面温度的辐射学方法1）辐射高温计的分类2）全辐射高温计3）单色辐射温度计4）光电高温计5）比色高温计843.测量高温气体温度的辐射学方法1）概述2）高温气体温度的辐射学测量特点3）测量高温气体温度的辐射学方法4）测量高温气体温度的基本思想5）常用的测量高温气

13、体温度的辐射学方法85图4.58 可见光及红外光谱和相应的辐射探测器86图4.59 全辐射高温计示意图87图4.60 隐丝式光学高温计原理图88图4.61 亮度对比的三种情况89图4.62 单通道光电比色高温计工作原理图90图4.63 喷气发动机燃烧室排气的红外光谱91图4.64 辐射亮度的定义92图4.65 光谱辐射亮度与可见面积93图4.66 单色辐射吸收法原理图94图4.67 看谱镜目视反转法测温装置光路图954.5.2 温度场的光学测量技术1.概述1）温度场的热成像测试技术2）温度场的折射率测试技术3）温度场的全息干涉测量技术2.温度场的热成像技术1）热像仪工作原理2）热像仪基本成像类

14、型96图4.68 扫描式热像仪原理示意图97图4.69 基本热像仪系统框图98图4.70 光机扫描成像系统993.温度场的折射率显示技术1）概述2）折射率与密度与温度的关系气体折射率n气体的折射率与密度的关系Gladstone-Dale公式3）气体折射率与浓度的关系4）光线在非均匀折射场中的偏转5）两种诊断气体中密度场、温度场、浓度场的光学装置100图4.71（a）光线通过未加热铜管的流场显示图；（b）光线通过加热铜管的流场显示图101图4.72 光线在通过测试段的变化示意图102图4.73 光线在非均匀介质中的偏转103图4.74 光线离开测试段的折射104图4.75 典型的双凸透镜纹影仪光

15、路结构图105图4.76 在刀口处对应给定偏转角的光线位移图106图4.77 在刀口光源像示意图107图4.78 折射率梯度对视屏上照度的影响108图4.79 具有内热源圆柱体自然对流场的纹影图109图4.80 纹影法实验装置光路图110图4.81 阴影仪实验装置原理图111图4.82 阴影仪光束位移基本原理图112图4.83 测试段折射率的二阶导数为常数光线图113图4.84 光线经过线性光楔示意114图4.85 测试段折射率的二阶导数线性增加光线图115图4.86 光线经过圆形光楔示意图116图4.87 测试段不均匀折射率场的二阶导数变化光线图117图4.88 用于测量表面热流的阴影仪118图4.89 与图4.71中相同圆柱体的阴影图119图4.90 光波沿Z轴的传播120图4.91 扰动光线与未扰动光线的相位121图4.92 M-Z干涉仪光路布置简图122图4.93 空气在内加热圆柱体和外冷却圆筒之间的环形间隙内123图4.94 空气绕流加热的水平圆柱体自然对流时的等温线124图4.95 燃烧火焰的干涉图自然对流时的等温线125图4.96 由两相交平面光束的照度图126图4.97 垂直楔条纹图127图4.98 楔形条纹的偏移图型128图4.99 受热圆柱体的楔条纹位移图129图4.100 火焰的楔条纹位移图130