《温度测量技术》PPT课件.ppt

,热工测试技术,第4章 温度及温度场测试技术,4.1 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，即分子的平均能作所决定。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。热力学第零定律-热平衡定律：如果两个热力学系统中的每一个都与三个热力学系统处于热平衡，则它们也必定处于热平衡。从热力学第零定律出发，我们可以知道，处在相互热平衡状态的物体必然具有某一共同的物理性质。表征这个物理性质的量就是温度。温度概念的建立和温度的定量测量都是以热平衡现象为基础的。温度决定一系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质，其特征在于一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。,什么叫热平衡？假设两个热力学系统，原告各自处在一定的平衡态，现在让它们互相接触，经过一段时间后两个系统的状态不再发生变化，达到一个共同的平衡态，这种平衡态是两个系统发生传热的条件下达到的，所以叫热平衡。（4-1）绝对温度概念作了经典解释。式中，是体系的绝对温度的度量，k是玻尔兹曼常数，f为自由度，为体系的平均能量，E0为基态能。通常体系的绝对温度为正，0，或k0。由式（4-1）可知，对于绝对温度为T的体系，数值kT大致等于体系在每个自由度上的平均能量（超过基态能的能量）。T与体系的平均能量有关，而不是和体系中某个粒子的能量有关。,4.1.2 温标“温标”-“温度标尺”：为了确定温度的数值，首先要建立一个衡量温度的标度，温标规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。1、摄氏温标 摄氏温标和华氏温标都市是根据水银受热后体积膨胀的性质建立起来的。摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，中间等分100格，每格为摄氏1度，符号为。2、华氏温标 华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为0F，它与摄氏温标的关系如下式所示：（4-2）式中 C 和 F 分别代表摄氏和华氏的温度值。,由于没有一种物质的物理性质与温度呈线性关系，所以测得温度的数值都与温度计所采用的物质性质有关，如与水银纯度、玻璃管材料等因素有关，这样就不能保证世界各国所采用的基本测温单位（度）完全一致。3、热力学温标 热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温标，它是根据卡诺循环建立起来的，在卡诺循环中：上式表示工质在温度T1时吸收热量Q1，而在温度T2时向低温热源放出热量Q2，如果指定了一个定点T2的数值，就可以由热量的比例求得未知量T1，由于上述方程式与工质本身的种类和性质无关，因而避免了分度的“任意性”。但是卡诺循环实际上是不存在的，实践中要用这原理建立温标是不可能的，人们发现理想气体的压力P、体积V和温度T之间有如下的关系：,理想气体温标与热力学温标是互相一致的（只要选择同样的定点和原位），可借助于气体温度计来实现热力学温标（对于一定质量的气体，当体积保持不变时，压力就与温度成正比，这样就可以按气体压力的变化来测量温度，这种温度计叫做气体定容温度计，也可制做定压温度计）。由于理想气体是不存在的，我们可以用某些在性质上接近理想气体的真实气体（氢、氦和氨）来作温度计，并根据热力学第二定律得出对这种气体温度计的读数修正值，这就在实践中制定了热力学温标。然而，气体温度计本身非常复杂笨重，读数又非常迟缓，同时由于受到容器本身耐热性和气密性的限制，测量上限只能达到1500左右，因此用气体温度计来复现热力学温标是不方便的，在工业上更是不可能的。,为了克服气体温度计的缺点，便于温度的实际测量，于是就采用了协议性的国际实用温标。它自1927年开始建立，几经修改，最近一次定名为1990年国际实用温标（ITS-90），它于1990年元旦开始实施。1990年国际实用温标,代号为（ITS-90）。它不仅与热力学温标相接近，而且复现准确度高，使用方便。4、国际实用温标ITS-90简介（一）温度及其表示方法 最新的是1990年国际实用温标（ITS-90），它于1990年元旦开始实施。国际实用温标规定以热力学温度为基本温度，符号为T90，单位为开尔文，符号为K，它规定水三相点热力学温度为273.16K，定义1K等于水三相点温度的1/273.16。国际实用开尔文温度和摄氏温度的关系为 t=（T90-273.15）（4-5）（二）国际实用温标ITS-90的主要内容是：用17个定义基准点，它包括14个高纯物质的三相点、熔点和凝固点以及3个用蒸汽温度计或气体温度计测定的温度点。从而保证了基准温度的客观性。,规定了不同温度区域内复现热力学温标的基准仪器。例如，从0.65K到5.0K之间采用3He或 4He蒸汽压温度计作为内插仪器；从3.0K到24.5561K之间采用3He或 4He定容气体温度计作为内插仪器；从13.8033K到1234.93K之间采用铂电阻温度计作为内插仪器；961.78K以上的温区采用的内插仪器用光电（光学）高温计。建立了基准仪器的示值与国际温标温度之间关系的插补公式和偏差函数，从而使连续测温成为可能。对国际实用温标ITS-90的进一步了解，可参阅有关的专门资料。5、温度标准的传递 温标的传递一般说包括两个方面，一是生产中对各测温仪表的分度，把标准传递到测温仪表；其次是对使用中或修理后的测温仪表的检定，通过检定才能保证仪表的准确可靠。国际实用温标有关的基准仪器都是由国家规定的机构（中国计量科学研究院）保存，并通过省市计量机构传递下去。为了把温度,的正确数值传递到实用的测量仪表，需要按某一个传递系统进行，其传递关系如下：温度基准仪器传递系统框,IPTS定义基准点,基准温度计,一等标准温度计第二类辅助平衡温度计,三等标准温度计二等标准温度计,实验室仪 表,工业用仪表,4.1.3 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。而且，在一定条件下，这些物理量的每一个数值都对应着一定的温度。如果事先知道它偏与温度的对应关系，那么，便可通过测量这些物理量来达到测温的目的。同时，并且是至关重要的一点是希望用以判断物体温度变化的那一物理性质能连续地单值地随温度变化而变化，与其它因素无关，并且便于精确测量。选择这一物理性质的工作是件复杂而困难的工作。1、较为成熟的测温方法（一）利用物体热胀冷缩的物理性质测量温度。利用固体的热胀冷缩现象制成的双金属片温度计和利用液体的热胀冷缩现象制成的玻璃受水银温度计和酒精温度计。这类温度计结构简单，价格低廉，温度测量范围常用于-200700之间。利用气体的热膨胀冷缩现象制成的压力表式温度计，具有结构简单，具有防爆性，防震性，可运距离传示。但准确度较低，滞后性较大，,常用测量范围0300之间。（二）利用物体的热电效应测量物体的温度。两种不同的金属导体组成闭合回路时，当两接点温度不同时，回路内就产生热电势，利用物体的这种热电性质，将感受到的被测物体的温度转换或热电势作为信号输出。如热电偶温度计，它测量准确度高，能远距离传送，常用于测量-1001800范围内的温度，是目前温度测量中应用最广泛的温度计之一。（三）利用物体的导电率随温度变化而变化来测量温度。电阻温度计就是利用这一性质达到测温后的目的。（四）利用物质的辐射强度随温度变化而变化来测量温度。2、正在研究发展的测温方法（一）利用某些物质的介电常数在某个范围与温度相关测量温度。（二）利用载流电子的布朗运动产生的随机电压测量物体的温度。（三）利用压电石英的自然振动频率与温度有关来测量温度。石英温度计就是利用这一性质达到测温的目的，实验发现，石英的共振频率与温度有关。在250的温度范围内，石英的共振频率以1000HZ/K随温度呈成线性变化。所以石英温度计，即可用于高精度的温度测量，又可作为标准温度计进行温度基准传递，也,可在现场稳态条件下进行精密测温和控温。（四）利用物质的磁化强度与所施加磁场的比值与温度成反比来测量温度。顺磁温度计是基于顺磁盐的磁化率与热力学温度有关的原理研制而成的。使用方法是在互感电桥的线圈之间放置一个合适的材料样品，样品与所关心的介质有很好的热接触，在达到4.2K温度时很有效，并用于太空中的测量。（五）利用声速与气体静态温度的热力学关系式来测量温度。声速温度计基于这一原理用于测量流体或固体表面温度，传统上用于低温2.530K的温度测量。目前发展至用于高达1000的温度测量，用于探测海洋温度变化，通过接收跨海洋盆地传播的低频声音，于100HZ来测量温度。此外还有其它的测温方法，如超声波技术、激光技术、射流技术、微波技术、热成象测量技术，液品技术等等用于测量温度。本课程主要着重介绍以热电偶温度计为代表的接触式温度计和用辐射学方法测量温度的的温度计，并重点介绍用接触式感温元件测量温度的技术手段与方法。,3、以测温方法分类的温度计根据温度计测温方法的不同，可把温度计分为两类：（一）接触式测温：测温要求感温元件浸入被测介质或以被测物体直接接触的测温方法。如水银玻管温度计、热电偶及热电阻温度计等。接触式测温时，从根本上说，温度计指示的温度只是感温元件本身的温度。例如热电偶所测到的温度只是其热接点的温度。通常，人们将感温部的温度就当做被测对象的温度。例如，水银温度计指示100时，只表明温度计感温包的温度为100，然而我们需要的却是被测对象的温度，于是就有这样一个问题，被测温度能否用温度计的指示温度来表示呢？根据达到热平衡的诸物体具有相同温度的原理，只要温度计与被测介质之间的热交换达到平衡，则温度计的示值便可以用表示被测温度。不过在工程测量中，这不过是一种近似。绝大多数情况下，接触式感温元件与被测介质之间一是来不及达到热平衡。因为被介质的温度是随时间变化的，二是被测介质不单与感温元件进行热交换，还与其它部件进行热交换，因而此时的“热平衡”是近似的。所以必须从方法和手段上解决用接触式感温元件测温的误差问题。（二）非接触式测温：,非接触式测温感温元件与被测对象还有直接接触。用这种方法测温时，不会破坏被测对象的温度场，进而消除了由接触被测介质带来的一系列造成温度场畸变的因素，可实现远距离测量。4、以输出量性质分类的测温方法 在温度测量中，为了达到测量的目的，需要对温度量进行测温变换，所谓测量变换就是将一个物理量的大小去反映另一个与之有函数关系的理量的大小。目前常见的温度测量变换分为以下三类：（一）温度的力学测量方法 将温度信号变为水银玻管温度计或酒精温度计的液柱位移；将温度信号变成金属片的膨胀位移的双金属片温度计；将温度信号变成介质膨胀的压力式温度计等。这种将温度变化的输入量变换成力学量：位移、线位移、角位移等力学量输出称之谓温度和力学测量方法。（二）温度的电学测量方法 将温度信号变为热电偶温度计的热电势输出，将温度信号变换成测定热电阻值的电阻温度计等。这种将温度变化的输入量变换成电学量：热电势、热电阻等电学量输出称之谓温度的电学测量方法。,（三）温度的光学测量方法 工业测量中将温度信号变为光学量输出。测量气体发射或吸收辐射能的光谱法；利用黑体辐射定律来测量不透明表面温度的光测高温法。如红外热象仪在测量物体的表面温度时，就是利用“自然界中的一切物体，只要其温度高于绝对零度时，就总会用外发射辐射能”的原理。收集并探测这些辐射能，将输入的温度信号变成输出的光学量，最后获得被测物体的温度示值。利用光线在通过不均匀折射率场会发生弯曲的原理，将温度场的信号变为光线在空间变化的位置来测量及推算温度场变化的折射率法等等。这种将温度变化的输入量变换成光学量做为输出量的方法称之谓温度的光学测量方法。4.2 温度测量的力学方法4.2.1 玻璃管液体温度计 测量特点是测量准确、读数直观、结构简单、价格低廉、使用方便，因此应用十分广泛。其不足之处在于易碎、输出信号不能远传和自动记录。,液体介质采用水银是因为水银不易氧化变质，容易获得很高的测量精度，在相当大的温度范围内-38356保持液态，特别是在200以下，-38356 其膨胀系数几乎和温度成线性关系，所以水银玻管温度计可作为精密的标准温度计用于精密测量之用。玻璃管液体温度计在使用时应注意因玻璃的热胀冷缩引起的零点漂移。定期校验零点位置，避免由此带来的测量误差。4.2.2 双金属温度计 双金属温度计抗震性能好、坚固耐用，但精度较低，一般等级为12.5级。常用于工业生产中。测温范围为-60500左右。,4.2.3 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。充液采用的液体常用二甲苯、甲醇或丙酮等。测温范围一般为-40550，压力与温度的关系呈非线性关系。压力式温度计精度较低，但使用简便，而且抗震动。常用在对温度波动范围不大的场合做监测使用。,4.3 温度测量的电学方法 将输入的温度信号变换电学量信号输出称之谓温度的电学测量方法。常用的电阻温度计与热电偶温度计温度测量的电学方法的典型代表。4.3.1 热电偶温度计 目前最广泛使用的接触式测量温度的方法之一是用热电偶温度计测量温度。与其它温度计相比它有足够的测量精度，较好的动态响应，工作可靠，便于远距离多点测量和自动记录，它结构简单、维护方便、价格便宜，在工业测量中，已有不同型号的定型热电偶产品可供选用；在实验室和一些研究中，可根据不同的需要，自行制作一些特殊尺寸和结构的热电偶，因此，热电偶温度计是一种应用面宽、比较理想和方便的测温仪器。1、热电偶测温原理两种不同的导体A和B，把它们组成一个闭合回路时，就构成了一个热电偶。如图4-5（a）所示。导体A和B称为热电极。当两个接点的温度不同时，即TT0，回路中将产生热电势。如图4-5（b），就是最基本的热电偶测温线路。研究表明，热电势是由接触电势和温差电势组成。,图4-5 热电效应示意图,（一）接触电势（二）温差电势,A+-B,A+-B,接触电势 一些物质，其外围电子从外部能源吸收了足够的能量以后，可以脱离原子核的影响而变成自由电子，这些自由电子可以继续从外界吸收能量。它们的作用，通常可以假定为类似于理想气体的分子的作用。不相同的金属材料，即使它们处于相同的温度下，其中自由电子的能量和密度也不相同。因此，当两种金属材料A和B相互接触时，自由电子会穿过中间分界面而扩散。假定金属A中的自由电子的能量与密度比金属B中的高，那么，金属A中的自由电子就通过界面向金属B扩散。扩散的结果使得在界面处金属A的电位变正，金属B的电位变负，从而在界面处建立起一个电场。这个电场的方向正好对抗这一扩散过程的进行。所以，当接点处的温度一定时，也就是说，当自由电子的能量一定时，这一扩散过程会达到平衡。此时，在接点处所建立起来的电势称为接触电势。,温差电势若导体A和B都是均质导体，今取导体A为例，将其径向尺寸加以放大。由于导体 A 两端的温度不同，因此在导体 A 内存在有温度梯度。其两端的温差为dT 且 TT0。温度较高处比温度较低处的自由电子扩散的速率大，因此温度较高的一边因失去电子而带正电，温度较低的一边因得到电子而带负电，从而在高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。电子的迁移力和静电场力达到平衡时所形成的电位差叫温差电势。温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与导体两端温度和性质有关。,（三）热电偶回路的总热电势,图4-8热电偶回路热电势分布图,在整个闭合回路中，两端接点温度为T和T0。且TT0，。热电偶回路的总热电势为,热电偶回路热电势的大小，只与组成热电偶的材料性质和材料两端接点处的温度有关，而与热电偶的几何尺寸和中间各点的温度分布无关。当热电偶两接点处的温度相同时，回路中总的热电势等于零。只有用两种均匀的不同性质的导体才能构成热电偶。单一的相同材料组成的闭合回路中不会产生热电势。对于已确定的两种材料所构成的热电偶，如果保持其一端的温度固定不变，即保持T0=常数（实用中，一般常取T0=0），则EAB（T，T0）的数值将是T的单值函数。因此，可以用测量EAB（T，T0）的方法来测量温度T的数值，这就是利用热电偶测温的基本原理。这时，应该预先知道不同的T所对应的EAB（T，T0）的数值。在实际工作中，EAB（T，T0）数值并不是用式（4-10）来计算的，而是通过所谓标定（或称校准）的方法实际测出的。将这些数值制成热电偶的分度表，以供查用。热电偶测量温度时，放置在被测温度为T 的物体上的接点称之为热电偶的热端或测量端。而热电偶的处于恒定温度T0下的另一端，称之为热电偶的冷端或参考端。,两点重要结论：第一，至少要有两种均匀的金属材料，才能构成热电偶。第二，当热电偶两接点处的温度相同时，回路中总的热电势等于零。2、热电偶基本定律及其应用（一）均值导体定律任何一种均值导体组成的闭合回路，不论其各处的截面如何，不论其是否存在温度梯度，都不可能产生热电势。利用该定律可检验热电极材料的均匀性。（二）中间导体定律 为了测量热电势，必须在热电偶回路中接入测量仪表及其引线，图中用导体C来代表。那么，这种接入，对回路的热电势有无影响呢？在热电偶测量回路中，当接入第三种导体时，只要被接入的中间导体两端的温度相等，则对回路的热电势没有影响。这一原理称为中间导体定律。,图4-9 加有中间导体的热电偶回路,中间导体定律是当使用热电偶测温时，可以在回路中接入测量仪表的理论根据。,（三）连接导体定律,在热电偶回路，如果两个热电极A和B分别与另外两个连接导线A和B相接，相接处的温度为Tn，如图所示。现在讨论这一回路中总的热电势的值。该值用符号来表示。在这一个闭合回路中，总的热电势是由各接点的接触电势和各导线的温差电势所构成的。即：,加有连接导体的热电偶回路,（四）中间温度定律如图所示，两种不同的材料组成的热电偶回路，在两接点温度为T1和T2时，其热电势为，在接点为T2和T3时，其热电势为，则在接点T1和T3时，该热电偶的热电势为前二者之和，即,一定律是用热电偶测温时采用补偿导线的理论依据。3、中间温度定律 热电偶回路中，如果A和A为同一种导体，B和B也是同一种导体，这时构成了连接导体定律的一种特殊情况一个热电偶在两接点温度为T和T0时，热电势EAB（T，T0）等于该热电偶在T和Tn与T0之间相应的热电势EAB（T，T0）和EAB（Tn，T0）和的代数和。Tn 称为中间温度，这就是中间温度定律。此定律是制定和使用分度表的理论依据。三、热电偶的材料及其结构1、热电偶材料从原理上讲，任意两种不同的导体（或半导体）材料都可以构成势电偶。但在生产实际中，广泛使用的热电偶并不多，这是由于在测温时，对测温热电偶有一定要求，从而限制了某些材料的使用。一般说来，对于制造热电偶的材料有以下几方面的要求：配制成热电偶应有较高的热电势，而且性能稳定；能在一定的工作条件下长期工作，有足够的机械强度；便于加工及价格便宜等，常用的热电偶代号，分度号和测温范围见表，常用热电偶允许偏差见表,表4-1 常用热电偶代号、分度号和温度测量范围,（二）热电偶的基本结构,1、工业上常用的为铠装热电偶，也称为套管热电偶。它由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合加工而成。图4-12是工业用普通型铠装热电偶结构图。1-热电偶测量器；2-热电极；3-绝缘管；4-保护管；5-接线盒,2、自制的热电偶-“裸丝”热电偶。用每一极热电偶丝的外面都涂上了薄薄的绝缘漆热电偶丝，将其制作成不同规格或型号的热电偶。热电偶的测量端可用电弧焊、乙炔焊、盐溶氧化焊，水银焊和对接焊等办法焊接而成。（a）点焊；（b）对焊；）（c）绞状点焊,4、热电偶测量线路及静态标定（一）热电偶测温线路 如图所示，它由热电偶、补偿导线、连接导线和二次仪表组成。T表示被测温度，称为测量端温度，T1表示接线端温度，称为测量端温度，T0为参考端温度。A、B为热电偶热电极，A，B为补偿导线，C为连接导线。,（二）热电偶测温时参考端温度 热电偶分度表和根据分度表刻度的二次仪表都是以参考端温度保持在0为条件的。一般实验室作精密测温时，通常将参考端保持在0。然而，在工程测量时，参考端要保持0是困难的。这时，必须采取参考端温度修正或补偿等方法。在一个标准大气压下，冰和纯水的平衡温度为0。在实验室中，通常用碎冰与蒸馏水混合放在保温瓶中，并使它们达到热平衡。为了减少环境传热的影响，应使水面略低于冰屑面。插入玻璃试管中的参考端，其插入深度一般应大于140毫米。而且试管宜壁薄且直径小。这样实现的冰点平衡温度约为-0.06。对于热电偶测温可以认为参考端处于0。热电偶参考端插入试管中的方法有两种：一种是两个参考端分别插入两根试管底部，并与少量清洁的水银相接触。然后，分别用铜导线引出接往显示仪表。根据中间导体定律，（b）与（c）的线路等效。另一种方法如图4-16所示。两个参考端插入同一根试管底部，并与水银相接触。由于铜导线两端均为室温t1，所以图4-16（b）与（c）的线路等效。,（三）补偿导线的作用 在工程测量中，冷接点往往要远离测量端。此时，势必要把构成热电偶的两根热电极加长到所需的长度。从热电偶连接导体定律可知，将热电偶的两根热电极延长可采用与热电偶的的热电性能相似的材料作为连接导线。我们把这种连接导线称为“补偿导线”。用补偿导线连接在热电偶电极和冷端之间不会影响测量结果。补偿导线从本质上看，也是热电偶，但它们由于远离测量端，在与热电偶相连接处的温度下，其工作温度不会超过100150。在使用补偿导线时，必须注意，不能超过规定的使用温度范围，否则会给测量带来较大误差。此外，在使用时，应格外注意补偿导线不能将极性接错，二要保证接点牢固可靠。常用的补偿导线规格及性能见表4-5，4-6。,表4-5 标准型热电偶用补偿导线的型号规定,（四）热电偶的静态标定热电偶的标定就是将制成的热电偶进行分度，其方法就是将制成的热电偶的参考端恒定为0，改变热接点的温度，用适当精度的仪表测量出该热电偶所产生的热电势的数值，从而得到热电势与温度的关系，编制成表，以备查用。在实验室较常用的标定方法是比较法。,比较法标定时，需要精度和等级都比被标定的热电偶高几个等级的标准温度计，不同的温度范围，有不同的温度均匀，稳定，又可根据需要调节的精密恒温热源。如100以下，采用恒温水浴，与标准水银温度计进行比较；300以下，采用恒温油浴，与标准水银温度计进行比较；3001300，采用管式电炉，与标准铂铑-铂热电偶进行比较；13002000，采用钼丝炉，与一等或二等光学高温计进行比较；在高温下进行标定时，为了防止热电偶氧化，要将炉内先抽成真空，然后充入惰性气体。标定时，应把被标定的热电偶与作为标准用的热电偶的热接点置于炉内同一点上，以保证二者所处的温度相同。,4.4 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（一）什么是接触式测温？（二）接触式测量所得到的温度是被测对象的真实温度吗？2、影响接触式温度测量的各种因素 将一支热电偶插入气体流的管道中，按一般想法，气体将对热电偶测量端加热，使热电偶的测量端温度上升，当气流与热电偶测量端的热量交换达到动平衡时，热电偶所指示的测量端温度即为气流的温度。然而，实际问题并不那么简单，由于温度计与被测物体的“接触”。感温元件与被测对象的复杂换热现象使接触式温度计只能给出流体或固体中某处温度的近似值，使示值温度偏离真实温度。由于“接触”测温带来一系列问题：（一）温度场发生畸变；（二）速度场被破坏；（三）换热状态复杂,通过支杆与安装传感器的壁面发生热传导；测量端与可见表面发生辐射换热；与气流进行对流及辐射换热；高速气流中，测量端由于滞止作用，受到气动加热。另外，热电偶的套管、支杆也将参与与气流的热交换，这种热交换，又将影响测量端。而且，测量端的形状也并非是理论分析中常用的基本形状。由于上述种种原因，使温度测量误差作精密分析相当困难，目前只能对误差分析做数量级的估计，指出减小误差的基本途径。从而对测量误差，进行修正或采取相应的措施，使其减小到允许的范围。二、用接触式感温元件测量温度的误差（一）传热学方面的原因（二）气动力原因（三）被测温度随时间变化的原因（四）化学原因,测量液体温度的困难一般要比测量气体温度小得多，这是因为：A、液体的流速与气体相比一般较低，速度误差可不予考虑；B、液体的放热系数一般很大，与气体相比，常比气体大一至二个数量级（如气体强制对流换热系数h，一般在20100W/m2；而水的强制对流换热系数h，一般在1000-15000 W/m2），使液体的传热误差与动态误差远不如气体那么严重。,影响固体壁面温度测量的原因纯粹是传热学方面的原因。“接触”破坏了固体壁面原有的传热状况，造成温度场畸变，带来测量误差。,本节主要是以热电偶测量气流温度为分析对象。分析物理过程建立物理模型及建立相应的数学模型，由定性分析转入定量计算，才能有效地找出减小、修正测温误差的正确途径。,4.4.2 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将一对相同直径的，对焊的、裸露的热偶丝置于气流中，取热偶丝的轴线为x轴。由于偶丝的直径很小，可以认为在偶丝截面上的温度都是均匀的。因此，热偶丝轴线上的温度分布只是x的函数。从热偶丝上取温度为T、长度为dx的微元体，分析它的换热状况：,图4-19 细长杆的能量平衡物理模型,（一）单位时间通过热传导流入微元体的导热量：,（二）单位时间通过对流传入微元体的热量：,（三）微元体辐射换热的热量：,（四）单位时间微元体内能的变化量：,2、热电偶测量端的能量平衡方程式由微元体能量平衡关系式有：微元温度升高吸收的热量=通过导热流出的热量+通过对流传入的热量辐射损失的热量。,只要测量端存在着导热现象：,只要测量端存在着辐射换热，,只要测量端温度随时间变化，,热电偶温度计测量端的温度 不等于气流的真实温度。存在着测温误差。,3、热电偶的对流换热系数h是一个相当复杂的参数。h=f（热偶结构、物性、尺寸，被测介质的流态、物性等）常用的热电偶的对流换热系数无因次准则方程：（一）气流与对焊偶丝垂直 定性尺寸：偶丝直径d 定性温度：气流总温 使用范围 温度：15-1627,（二）气流与对焊偶丝平行定性尺寸：偶丝直径d；定性温度：气流总温 温度：T=16-538（三）气流绕球型测量端 定性尺寸：测量端直径；定性温度：气流总温,（二）典型的露头型铠装热电偶类型,气流与偶丝垂直的典型热电偶（尺寸单位）,4.4.3 气流温度测量误差分析,1、共性误差 传热误差是热电偶测温的共性问题。传热误差中的导热误差、辐射误差是同时出现的，此时二者是处于相同的数量级还是其中一项的影响大大大于另外一项，只有做具体的分析后，再决定取舍。如在对低速气流的温度测量时，若气流温度，辐射损失对测量端的影响与导热相比，居次要地位，因而可忽略辐射因素；而当 以上时，就不能不考虑辐射换热的影响。2、个性误差 动态，气动，化学因素为热电偶测温的个性问题。马赫数M0.2，可认为该气流为低速气流。低速气流一般认为无气动加热，即无速度误差。若被测气流中不存在着引起化学反应的条件，则不会产生化学原因误差；若被测气体温度不随时间变化，不会产生动态误差。3、气流温度测量误差分析 热工测试中所遇到的气流常常是无化学反应条件的气流。,4.4.4 低速气流的温度测量低速：M0.2，1、温度计的导热对测量的影响；2、温度计的辐射换热对测量的影响；3、同时考虑导热、对流、辐射时的分析方法五 高速气流的温度测量高速气流的测量特点：1、气体流速比较高，h值很大，对流换热比较强烈，对于高速常温的气流来说，此时虽仍存在着导、辐等误差，但与速度误差相比居次要地位。2、低速气流，由于忽略气动力因素的影响，认为气流的滞止温度，又称总温，,静温T与总温的作用：T 静温：计算主流的参数如总温：发动机或热力机械的工况计算中则需要测总温。,