温度场的获得与测量.ppt

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1、1,6.1 低温场的获得6.2 恒温的获得及应用6.3 高温场的获得 6.4 温度测量与控制6.5 耐火及保温材料,第六章 温场获得与测量,2,6.1低温场的获得,6.1.1 常用低温液体6.1.2 获得低温的方法：,液态氮：63K(三相点)到室温液态氦：可以获得毫K级的超低温,绝热膨胀,节流过程,低温液体减压,6.1.4 低温的测量与控制,稀释致冷及磁冷却,6.1.3 冶金实验室中常用的获得低温的方法,3,6.1.3 冶金实验室中常用的获得低温的方法,(1)冰盐共溶体系 例如：3份冰十1份NaCl(质量比)可以得到-20的温度 3份冰十3份CaCl2(质量比)可以得到-40 2份冰十1份浓H

2、NO3可以得到-56(2)干冰浴 干冰的升华温度为-78.3，用时常加一些惰性溶剂，如丙酮、醇、氯仿等以便它的导热性更好些。(3)液氮 氮气液化的温度是-195.8，在科学实验中经常用到。(4)液氦 液化温度为-268.95，可获得更低的温度。,4,6.1.4 低温的测量与控制,蒸气压温度计液体蒸气压随温度而改变，因此通过测量蒸气压即可知道其温度。,对于氮蒸汽压温度计，其饱和蒸汽压与温度的关系是：,5,6.1.4 低温的测量与控制,(2)低温的控制有两种途径：,恒温冷浴,冰水浴,干冰浴,低温恒温器,6,6.2 恒温的获得及应用,(1)利用物质的相变点温度 液氮（-196）、干冰-丙酮（-78）

3、、冰（0）、沸点水（100）、沸点萘（218.0）、沸点硫（444.6）等，处于相平衡时，温度恒定而构成一个恒温介质浴，将需要恒温的测定对象置于该介质浴中，就可以获得一个高度稳定的恒温条件。(2)利用电子调节系统 利用电子调节系统对加热器或致冷器的工作状态进行自动调节，使被控对象处于设定的温度之下。如恒温水浴、恒温油浴和恒温盐浴等都是常用的控温方式。它通过电子继电器对加热器自动调节，来实现恒温目的。,7,当水槽温度低于设定值时，线路I是通路，因此加热器工作，使水槽温度上升；当水槽温度升高到设定值时，温度调节器接通，此时线路II为通路，因电磁作用将弹簧片D吸下，线路I断开，加热器停止加热；当水槽

4、温度低于设定值时，温度调节器断开，线路II断路，此时电磁铁失去磁性，弹簧片回到原来的位置，使线路I又成为通路。,8,当转动磁性调节冒时螺杆转动，可带动螺母和金属丝上下移动，螺母在温度调节指示标尺的位置就是要控制温度的大致温度值。顶部引出的两根导线，分别接在水银温度计和上部金属丝上，这两根导线再与继电器相连。当浴槽温度升高时，水银膨胀上升，与上面的金属丝接触，继电器内线圈通电产生磁场，加热线路弹簧片吸下，加热器停止加热。随着浴槽热量的散失，温度下降，水银收缩并与上面的金属丝脱离，继电器电磁效应消失，弹簧片回到原来位置，接通加热电路，系统温度回升。,9,高温场的获得,耐火材料的选择,温度测量与控制

5、,电热体的选择,高温炉的设计制作,6.3 高温场的获得,10,11,连铸系统浇钢图片,12,13,正在使用的长水口,14,15,16,6.3.1 高温场的获得方法,（1）获得高温的方法 电（高温炉）、燃料、新能源（光、地热）等（2）高温炉的具体要求 足够高的温度及合适的气氛 炉温便于测量及控制 炉体简易灵活、便于制取 炉膛易于密封和气氛调节,17,6.3.1.1 高温电炉分类(加热方式的差异)(1)电阻炉(2)感应炉(3)电弧炉(4)等离子炉(等离子电弧炉)(5)电子束炉,6.3.1 高温场的获得方法,(电流通过导体受阻产生热能)。,18,6.3.1 高温场的获得方法,电阻炉是冶金实验中最常用

6、的加热设备，有如下特点:设备简单 制作方便 温度分布及调节控制比较方便可靠 炉内气氛易于调节等。,特点,19,关于电阻炉的设计是本章的重点 能够画出电阻炉示意图 根据温度和气氛要求选择合适的电热体 选择合适的耐火材料 电阻炉设计制作,要求,6.3.1 高温场的获得方法,20,（1）炉壳,电阻炉结构,（2）电源引线,（3）炉衬,管式（卧式）电阻炉结构示意图,电阻炉结构,6.3.1 高温场的获得方法,21,图 管式（立式）电阻炉结构示意图,1-炉盖,2-绝缘瓷珠,3-接线柱,4-接线柱保护罩,5-电源导线,6 电热体,7-控温热电偶,8-绝缘保温材料,9-耐火管,10-炉管,11-接地螺丝,12-

7、炉架,22,(1)炉壳,一般情况下作成圆筒形,这样钢性好焊缝小,散热面积小；炉壳外径决定于工作区大小,它决定了炉温高低,耐火砖衬及绝热材料厚度、炉壳要求的温度及工作管的直径；炉壳的厚度不仅要满足强度要求,还要考虑刚性和结构加工的要求,炉壳厚度计算时一般要考虑可能发生爆炸时的冲击应力。,电阻炉结构,23,(2)电源引线（要求）,接线柱应与炉壳绝缘；接线柱应有足够的断面,以保证电流密度不至于过大.一般紫铜接线柱的电流密度为2,有水冷时为10-18A/mm2.炉内引线应改为双股,外穿绝缘珠,以防导线间短路或炉壳带电。线与绝缘柱接触要好,否则会引起接线柱发热甚至烧坏；接线柱以水平布置为妥,并且要离开炉

8、壳有一定距离,外设保护罩。,电阻炉结构,24,炉衬的主要作用是保证工作区的温度稳定;目前使用较多的是轻质耐火砖和各种耐火纤维、耐热纤维毡。靠近炉壳的是绝热材料、靠近电热元件的是耐火材料。,（3）炉衬,电阻炉结构,25,作用：把电能转化成热能，使被加热的样品达到所要求的温度，它决定炉子的工作能力和寿命。性能:分类：a.金属电热体 b.非金属电热体,注意使用温度和气氛,a.最高使用温度b.电阻系数和电阻温度系数 c.表面负荷及允许表面负荷,电热元件,26,电热元件的性能,a.最高使用温度（电热元件本身最高的承受温度）=炉温+(50150)(查教材表6-4）炉膛的最高温度主要取决于电热元件的使用温度

9、,电热元件,27,b.电阻系数和电阻温度系数,电阻系数,又叫电阻率,指温度在20、1m长度的电热体1mm2端面所具有的电阻值,其单位：mm2/m。(查教材表6-5）电热体的电阻随着温度变化而变化，衡量这个变化程度的叫电阻温度系数。可按下式计算：式中 为电热元件在20的电阻率；(查教材表6-5）为电阻温度系数，-1；(查教材表6-4）为电热元件的工作温度，。,电热元件,28,c.表面负荷及允许表面负荷,指电热元件单位工作面积上分担的功率。在一定电热炉功率条件下，电热元件表面负荷选得越大，则电热元件用量就越少。但电热元件表面负荷越大，其寿命越短。实际上，只有选择得当，才能得到最佳效果。,电热元件,

10、29,a.金属电热体,()铬镍合金和铁铬铝合金,()纯金属电热体 钨、钼、钽（Mo、W、Ta）,()铂和铂铑合金(Pt,Pt-Rh),电热元件分类,电热元件,30,()铬镍合金和铁铬铝合金,使用：温度范围在10001300范围内，空气中使用最多。它们抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大和电阻温度系数小。为何可以在氧化性气氛中使用?它们抗氧化因为在高温下由于空气的氧化能生成致密的Cr2O3或NiCrO4，阻止进一步氧化。,铬镍合金:铬镍合金的产品塑性好,具有抗氮能力,电阻系数、电阻温度系数、密度均较大。铁铬铝合金:电阻系数比铬镍合金高,电阻温度系数则较低密度也低,耐热性能好,可以在氧化气氛下使用。,

11、电热元件,31,()纯金属电热体钨、钼、钽（Mo、W、Ta）,共性：在真空或适当气氛下获得更高的温度；电阻系数大，熔点高，抗氧化差(不能在空气中使用),钼：常 用 温 度 16001700,钨：22002400,熔点3400,钽：20002100，,熔点2900,高纯氢,氨分解气,无水酒精蒸汽,真空。,但钼在氧化气氛下生成氧化钼升华；,易渗碳变脆，,最高使用温度2500,使 用 气 氛,真空、高纯氢气或惰性气体,真空和惰性保护气氛（注意：氮气中不能用),最高使用温度2200,不能处渗碳气氛中,32,（）铂和铂铑合金(Pt,Pt-Rh),铂：多用于微型电热炉中,如卧式显微镜的微型加热炉,测定冶金

12、熔体熔点的小型电炉及标定热电偶的小型电炉中；使用温度为13001400,铂铑合金丝可用到1600。,铂电热体 优点,，。,能经受氧化气氛,电阻系数小,升温导热快,电热性能稳定,缺点,不能经受还原性气氛及硅、铁、硫、碳元素的侵蚀,价格十分昂贵,电热元件,33,b.非金属电热体,碳化硅(SiC)电热体 二硅化钼(MoSi2)电热体碳系电热元件 铬酸镧（LaCrO3）发热元件,电热元件分类,电热元件,34,碳化硅电热体,形状:常为棒状或管状，也有U型及W型。耐温度骤变性好，化学性能稳定，不与酸性材料反应；耐高温，在空气中常用温度为1450。注意:SiC电热体不能在真空和氢气气氛中使用;可以在1300

13、 将它浸于B2O3中并升温至1500，则其表面形成硼化膜，增加其使用寿命。,在使用过程中电阻率缓慢增大老化,如何延长其使用寿命?,优点,电热元件,35,棒状常用于箱式电阻炉(马弗炉）管状常用于管式电阻炉,SiC 棒,电热元件,36,二硅化钼电热体,适用于空气，可用于氮气、惰性气体中;使用到1200 1650;没有“老化”现象,在空气中长时间使用而电阻 率不变,MoSi2,注意:不能用于还原性气氛和真空中,“MoSi2疫”,低温(500700)空气中使用时，Mo被大量氧化，而又不能形成保护膜。,MoSi2疫,避免低温空气中使用,为何MoSi2电热体可以在高温下，氧化性气氛中使用？,在高温下，发热

14、体表面生成MoO3挥发出去，从而在发热体表面形成致密的SiO2保护膜，阻止其进一步受到氧化。,37,主要为“U”型棒MoSi2电热元件在氧化性气氛中可在1700下使用不同的气氛对应的使用温度不同,硅钼电热体,电热元件,38,碳质电热体,为防止高温氧化而烧毁，应在保护气氛中（氢气、氮气、二氧化碳、氩气）和真空中使用。,以碳系发热体做热源的高温炉，常用温度18002200。,最高使用温度可达3600,电热元件,39,铬酸镧（LaCrO3）发热元件,铬酸镧发热元件是以铬酸镧为主要成分，在高温氧化气氛电炉中使用的电阻发热元件；其耗能少，可以精确控制温度。能够在空气气氛表面温度允许1900，可获 得18

15、50的炉温；能在氧化气氛下长期使用；适合于高精度温度的自动化控制，炉温稳定度可在1之内。,优点,40,常加工成棒状用于管式炉对气氛和湿度较敏感,41,6.3.2 管式电阻炉的设计,前面就电阻炉的结构和电热体作了介绍,目的是为着手设计制作电阻炉打下基础。在实验室中，根据各种需要设计制作的电阻炉,大部分是小型电炉，一般功率在10Kw以下。所谓电阻炉设计,主要包括确定炉子功率、选择电热体、计算电热体的尺寸、选择耐火材料和保温材料,设计炉体结构等方面。,42,6.3.2.1.确定电炉功率,电炉功率是从能量的角度衡量电炉大小的指标。应当看到,由于实际电炉散热条件的复杂性,要想从理论上确定炉子所输入功率下

16、所能达到的温度,是非常困难的。故一般都靠一些经验或半经验的方法和辅以能量平衡的基本概念来确定之。,确定试验用小型电炉所需功率的简单方法,对一圆筒形炉管（炉膛），首先要求出欲加热的炉管部分的内表面积，假定炉子为中等保温程度，则可有下表的经验数据查出每100cm2加热管内表面所需功率。,43,不同温度下每100cm2炉管内表面所需功率表,例.有一炉管，内径3cm，加热部分长40cm，欲加热到800，求在中等保温情况下炉子所需功率。,（1）计算加热炉堂内表面积,（2）查表6-6,800时每100cm2加热管内表面所需功率,因此，上述炉管所需功率为,6.3.2.1.确定电炉功率,44,电热体的选择,炉

17、子最高工作温度,炉内气氛,（1）根据炉膛所要达到的最高温度和炉子 的工作气氛，决定电热体种类,（2）选择发热体时，除了考虑最高使用温度和工作气氛外，,温度分布的好坏,价格是否便宜,附属设备的复杂程度,还应考虑,取决于,45,如果使用SiC棒与MoSi2棒为发热体，炉膛内温度的分布不可能很均匀；Pt或Pt-Rh炉虽然温度分布好且抗氧化，但因为价格昂贵所以使用受到限制；碳质发热体虽可达到很高的工作温度，但需要有保护气氛和大电流变压器才行。可见，在电阻炉设计中，电热体的正确选用是非常重要的环节。,电热体的选择,例如欲制作一台在空气中最高使用温度为1200电阻丝炉，,可选Cr25A15电热丝为发热体,

18、铬镍合金、铁铬铝合金,46,6.3.2.3 电热体的计算,(1).有关电热体的几个参数(A)元件最高使用温度：电热元件最高使用温度是指电 热体在干燥的空气中表面的最高温度,并非指炉膛温度.由于散热条件不同，一般要求炉膛最高温度比电热体 最高使用温度低1000C左右为宜。(B)电热体的表面负荷：电热体的表面负荷是指电热体在 单位表面积上所承担炉子的功率。在一定炉子功率条 件下,电热体表面负荷选的大,则电热体用量就少。但电 热体表面负荷越大,其寿命 越短。实际上只有选择适当,才能得到最佳效果.对不同电热体,在一定条件下(散热 条件,适用温度等)都有规定的表面允许负荷值。,47,mm(6-9),(6

19、-8),(2).电热体尺寸计算公式（圆线）,mm(6-11),mm2,(6-10),P加载功率,kW,电热元件端电压,V,炉膛内壁表面积,电热体总电阻,电热元件表面负荷,电热体长度,电热体工作温度t,20的总电阻率,电阻温度系数,其中:,电热体直径,6.3.2.3 电热体的计算,48,在进行电热体计算时，为了使用安全，电热体允许表面负荷值一般取下限;对于小型电炉，使用单相市电(220V)十分方便，因此在设计计算时，为了留出电压可调余地，工作电压通常以200V计算。,(3).电热体尺寸计算公式中参数的选取,6.3.2.3 电热体的计算,49,电热丝的缠绕,为了维持较长而均匀的恒温带，在炉子热损失

20、大的地方要把电热丝缠的密一些。卧式管式炉：两边密，中间疏。竖式管状炉：底下密，上头疏。,50,在冶金实验研究中往往要进行恒温实验。但由于试样的大小，故要求炉膛内具有一定恒温精度的恒温带。所谓恒温带，是指具有一定恒温精度的加热带长度而言。因此，测出其长度的同时，应该指出其工作温度和恒温精度。三要素,工作温度,恒温带长度,精度,电热丝的缠绕,51,以下面一组数据说明,沿炉管纵向等距离测得一组温度值,试求ag和bf长度上的恒温带.（1）ag两点间温度平均值为956,其平均算术均差为6 由此得到炉管ag两点间的恒温带为.（2）用同样的方法可得bf长度上的恒温带为.,电热丝的缠绕,52,关于电热丝缠绕方

21、式对恒温带的影响,电炉结构与温度分布情况,炉丝外覆一层保温材料：(a)炉管内均匀缠有电热丝；(b)电热丝炉口密绕,电热丝的缠绕,53,电阻炉使用前的准备工作,(1)烘炉(2)温度场标定(3)其他,烘炉的目的是逐出水分，消除应力。烘炉前应根据筑炉材料特性来制定烘炉曲线，升温过程中应注意砖衬、结构的体积变化。烘炉由电热元件供热，应设排气孔，以利水气顺利排走。,(1)烘炉,54,(2)温度场标定,电炉工作空间的温度不可能是均匀一致的，为了把试样和热电偶端处于合理的位置，必须标定炉内温度工作分布。标定需要两只热电偶，一只是固定，热端尽可能放在高温恒温区内，一只是移动的。以固定的热电偶基准，把炉温升至常

22、用温度水平，并恒定，而后移动可移动的热电偶位置，测得不同位置上的温度值。,电阻炉使用前的准备工作,55,对于需要一定气氛保护的炉子,应进行打压实验.由水冷的也要打水试压；炉壳应接地.炉壳带电一是交变电源感应产生的,还可能是电热体及其引线与炉壳有接触产生的,对后一因素应及时处理；几何对称的炉子,应检查对中是否符合设计要求.,电阻炉使用前的准备工作,(3)其他,56,例:已知条件：炉管尺寸,要求炉膛工作温度为1000，电源电压220V，氧化性工作气氛，炉体中等保温，加热带长度为400mm。画出电阻炉示意图，并求电热丝的直径与长度。,电阻炉设计实例,电阻炉示意图,57,(1)加热面积计算：,式中D为

23、炉管内径，L为加热带长度,(2)功率计算：由表6-6查得1000左右时，每100 cm2炉管面积所需功率 190W,电阻炉设计实例,58,不同温度下每100cm2炉管内表面所需功率表（6-6）,电阻炉设计实例,59,(3)电热体及其参数确定：已知电炉在氧化性气氛中达1000高温,查表6-4可知,可选Cr25A15铁铬铝丝为电热体.再查表知,Cr25A15电热体在1000工作温度允许的表面负荷为1.151.5W/cm2.为安全,取下限值=1.15W/cm2,Cr25A15电热体在20 时的电阻系数,其温度系数,因此,1000时的电阻系数为,电阻炉设计实例,60,(4)据式(6-9)计算电热丝直径

24、：(5)据式(6-11)计算电热丝长度：,电阻炉设计实例,61,（6）用式(6-12)进行核算：与设计时选用表面负荷(2)是相近的，故可保证安全使用。采用上述步骤，便可计算出所需电热丝的直径与长度，接着便是如何绕制的问题。,电阻炉设计实例,62,(7)匝间距离的确定,该匝间距离是对于均匀缠绕而言的,H为加热带长度（400mm）.对于炉子的不同使用方式(卧式或竖)或对温度场的特殊要求,可以调整匝间距离.另外,边缘要留出引线余份.,电阻炉设计实例,炉管外径,63,(8)炉管外涂层,炉丝绕好后,为了避免匝间短路,一般用Al2O3(不含SiO2)粉调水（稍加些淀粉）称糊状，涂在炉管外面，但不宜过厚，以

25、免干裂脱落。涂层涂好后，先在空气中阴干，然后在烘箱烘干后便可装炉。,电阻炉设计实例,64,可用薄铁板制做,为使保温均匀,形状以圆筒形为好.对于1000以下的炉子,炉壳内可直接填充保温材料.对于1200以上的电阻丝炉,在靠近电热体部分,应该有一层耐火材料,其外层为保温材料.对于1200左右的电阻丝炉,耐火层厚度约为5070mm,保温层厚度为100130mm.,(9)炉壳,如果加入的耐火、保温材料均为粉料，则在二者应该使用耐火陶瓷管隔开，以免二者掺混后在高温下发生造渣反应。,电阻炉设计实例,65,作业题：6-10,66,6.3.3 其他高温炉,感应炉电弧炉等离子电弧炉电子束炉悬浮熔炼炉燃烧炉,67

26、,感应炉,原理：感应炉是利用震荡电流通过一个感应加热线圈，被加热的金属导体在交变电磁场作用下产生感应电流，由于导体的电阻感应电流很快转化为电能,使物体加热到高温,它是一种非接触式的加热装置,温度高,升温快,易控制,液态金属样品在电磁力的作用下能自动搅拌,温度和成份均匀。b)中频感应炉:1501000HZ,广泛应用 c)高频感应炉:10300kHZ(逐渐被中频炉取代)d)真空感应炉:(感应圈,坩埚全部在密封炉壳内),a)工频感应炉:直接采用工业频率(50HZ)为电源,常用感应炉,68,悬浮熔炼炉（感应炉）,熔炼炉,高频圈通电产生一个磁场,导体试样在此高频磁场中由于感应作用,产生感应电流,同时产生

27、一个与原磁场相反方向的磁场,从而产生斥力,使导体试样悬浮于空间,并得到加热.,69,等离子电弧炉,用电弧放电加热气体，以形成高温等离子体为热源进行熔炼和加热。,等离子电弧炉,1-等离子发生器,2-炉顶密封部分,3-底部电极,4-倾出口,70,电子束重熔过程示意图,电子束的加热的原理,高速电子流轰击被加热的金属表面，将它的动能转化成热能，从而金属被加热，融化并流入冷铜模内。,电子束炉,71,总结：常用高温炉对比,72,6.4 温度测量与控制,意义：实验是在控制条件下进行的，高温实验室首先要测量温度，而后才能控制温度。温度测量和控制是高温技术重要的组成部分。,温标温度测量方法及测温仪器的分类6.4

28、.3 冶金实验中常用的测温仪器 热电偶,73,温标,温度是表征物体冷热程度的物理量。用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点(零点)和测量温度的基本单位。,A 温标的确定,74,B 温标的分类,1)经验温标,摄氏温标,华氏温标,2)国际温标,3)热力学温标,温标,75,1740年瑞典Celsius（摄氏）定义：在1atm下，水的冰点为0，沸点为100，用这两个固定点分度玻璃水银温度计100份，每份为1。所用标准仪器是水银温度计。,经验温标的测定原理：利用测温物质体积膨胀与温度的变化成线性关系。把两温度之间体积的总变化分成若干等份，把引起一份体积变化的温度定义为1度。经验温标与测

29、温介质有关，按照这一原则建立的温标有摄氏温标和华氏温标。,(1)经验温标,摄氏温标:,华氏温标：,按照华氏温标，水的冰点为32，沸点是212。将冰点至沸点的温度段分成180等份。对应的每份温度为1华氏度，单位为，标准仪器亦是水银温度计。,温标,76,国际温标就是以这些固定点的温度给定值以及在这些固定点上分度过的标准仪器和查补公式来复现热力学温标的。,目前各国采用的是1990年国际温标,国际温标是以一些纯物质的相平衡点(即定义固定点)为基础建立起来,这些点的温度数值是给定的。,到目前为止,还不可能用一种温度计复现整个温标,所以,国际温标采用四种标准仪器分段复现热力学温标：,(1)0.655.0K

30、,3He和4He蒸气压温度计；(2)3.024.5561K,3He和4He定容气体温度计；(3)13.8033K961.780C,铂电阻温度计；(4)961.780C以上，光学或光电高温计。,(2)国际温标,77,国际温标定义固定点举列(共17种物质),78,1990年国际温标(ITS-90),仍以热力学温度作为基本温度为了区别以前的温标,用“T90”代表新温标的热力学温度,单位为开尔文(符号为K).与此并用的摄氏温度计为t90,单位为“摄氏度”(符号为0C).T90与 t90的关系仍为：,t90=T90-273.15,(1)固定点总数较1968年国际实用温标IPTS-68(75)增加4个,变

31、得更准确；(2)取消了水沸点,氧沸点等,增加氖,汞等三相点及镓等熔点及凝固点；(3)低温下限延伸至0.65K；(4)高温范围的铂铑10-铂热电偶,作为温标的标准仪器已被取消,代之为铂电阻温度计。,ITS-90国际温标的特点,(2)国际温标,79,温度测量方法及测温仪器的分类,(1)温度测量方法的分类:温度的测量方法通常分为接触式与非接触式两种 a.接触式测温:就是测温元件要与被测物体有良好的接触，使两者处于相同温度，由测温元件得知被测物体温度的方法；b.非接触式测温:测温元件不与被测物体接触，而是利用物体的热辐射或电磁性质来测定物体的温度。,80,(2)测量仪器的分类,对应于两种测温方法，测温

32、仪器亦分为接触式和非接触式两大类。(1)接触式仪器:膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)；电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)；热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。(2)非接触式温度计:可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。,温度测量方法及测温仪器的分类,81,(3)选择测温计的原则,(1)合适的使用温度范围和准确度，合适的使用气氛，符合耐蚀、抗热震性的要求；(2)响应速度，误差，互换性及可靠性能否达到要求；(3)读速，记录，控制，报警等性能是否达到要求；(4)价格要低，

33、寿命要长，维护使用方便。,温度测量方法及测温仪器的分类,82,冶金实验研究中常用的测温计,6.4.3 冶金实验中常用的测温仪器,83,6.4.4 热电偶,热电温度计是以热电偶作为测温元件，以测得与温度相对应的热电动势，再通过仪表显示温度。热电温度计是由热电偶、测量仪表及补偿导线构成的。常用于测量3001800范围内的温度，在个别情况下，可测至2800的高温。热电温度计具有结构简单、准确度高、使用方便、适于远距离测量与自动控制等优点。因此，无论在生产还是在科学研究中，热电偶都是主要的测温工具。,84,测温热电偶工作原理,热电偶是热电温度计的敏感元件。测温原理:是基于1821年赛贝克发现的热电现象

34、。两种不同的导体A和B连接在一起，构成一个闭合回路，当两个接点1与2的温度不同时在回路中就会产生电动势，此种现象称为热电效应，该电动势即为“赛贝克温差电动势”，简称热电动势记为EAB。热电偶就是利用这个原理测量温度。,6.4.4 热电偶,85,热电偶测温的基本规律,a.均质导体定律,b.中间金属定律 c.中间温度定律,d.参考电极定律,a.“由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度及各处的温度分布如何，都不产生热电动势”。,该定律说明，如果热电偶的两根热电极是由两种均质导体组成，那么，热电偶的热电动势仅与两接点温度有关，与热电极的温度分布无关。,6.4.4 热电偶,86,a.均质导体

35、定律辨析,若热电极为非均质导体，当它处于具有温度梯度的温度场时，将产生附加电势，如果此时仅从热电偶的热电动势大小来判断温度的高低，就会引起误差。,因此，热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要标志之一 同时也可依此定律校验两根热电极成分及应力分布是否相同。若不同则有电动势产生。,6.4.4 热电偶,87,b.中间金属定律,“在热电偶测温回路内，串联第三种导体，只要其两端温度相同，则热电偶所产生的热电动势与串联的中间金属无关”。,若把连接导线和显示仪表看作是串联的第三种金属，只要他们两端的温度相同，就不影响热电偶所产生的热电动势。,6.4.4 热电偶,88,3-热电偶,2-连接导线,中间金属定律

36、示意图,由中间金属的热电偶回路示意图（利用中间金属测量金属熔体温度）,1-显示仪表,4-金属熔体,6.4.4 热电偶,89,图2-8 由中间金属的热电偶测温回路示意图,(a)有中间金属的热电偶测温回路示意图,(b)利用中间金属测量金属熔体温度的示意图,(c)利用第三种金属测量表面温度示意图,90,c.中间温度定律,“在热电偶测温回路中，热电偶工作端温度为t1，连接导线各端点温度分别为tn,t0，若A与A、B与B的热电性质相同，则总的电动势仅取决于t1,t0的变化,而与热电偶自由端温度tn无关”。在实际测温线路中，为消除热电偶自由端温度变化的影响，常常根据中间温度定律采用补偿线连接仪表。如果连接

37、导线A 与B具有相同的热电性质，则按中间金属定律总的热电动势只取决于t1,tn，而与t0无关。,A,B-热电偶电极,A,B-补偿导线或铜线,用导线连接热电偶的测温回路示意图,6.4.4 热电偶,91,d.参考电极定律,如果两种金属或合金A,B分别与参考电极C(或称标准电极)组成热电偶，若他们产生的热电动势为已知，那么A与B两热电极配对后的热电动势可按下式求得:只要知道两种金属分别与参考电极组成热电偶时的热电动势,就可依据参考电极定律计算出由此两种金属组成热电偶时的热电动势.因此,简化了热电偶的选配工作.由于铂的物理化学性质稳定,熔点高,易提纯。所以，人们多采用高纯铂丝作为参考电极。,参考电极回

38、路示意图,EAB(t1,t0)=EAC(t1,t0)-EBC(t1,t0),6.4.4 热电偶,92,参考电极回路示意图,6.4.4 热电偶,93,稳定的物理、化学性能(最基本要求):高温下不产生再结晶或蒸发；具有足够的抗氧化、抗还原能力及耐腐蚀能力；良好的热电性能：热电势与温度呈简单的单值函数关系；热电势和热电率要大，复制性要好；,热电偶材料,（1）常用热电偶材料的性能与特点：,良好的加工性能：良好的朔性和足够强的机械性能,其它性能:较高的熔点(以便在较大的温度区间工作)、较低的蒸气压等.,94,（a)标准化热电偶,国际电工委员会(IEC)推荐的标准化热电偶共八种：铂铑10铂热电偶；铂铑13

39、铂热电偶；铂铑30铂铑6热电偶；镍铬镍硅(镍铝)热电偶；镍铬硅镍硅热电偶；铜康铜热电偶；镍铬 康铜热电偶；铁 康铜热电偶.,（2）常用热电偶,常用热电偶中又分为标准化与非标准化热电偶,热电偶材料,95,铂铑10铂热电偶(S型热电偶),该种热电偶的正极为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂。特点是热电性能稳定、抗氧化性强;宜在氧化性、惰性气氛中连续长期使用。长期使用温度为1400。是热电偶中准确度最高的，其分度号为S。,铂铑13铂热电偶(R型热电偶),这类热电偶的正极为含铑13%的铂铑合金，负极为纯铂。同S型相比，它的电动势高15%左右，其他性能几乎完全相同。分度号为R。,热电偶材料,96,铂铑30

40、铂铑6热电偶(B型热电偶),正极为含铑30%的铂铑合金，负极为为含铑6%的铂铑合金因两极都为铂铑合金，又称双铂铑热电偶。这种热电偶特点是，在室温下热电动势极小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略参考端变化的影响。适宜在氧化性或中性气氛下使用，也可在真空下短期使用。,镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型热电偶),正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅0.3%的镍硅合金。特点是适用温度范围宽，高温下性能稳定，热电动势与温度的关系近似线性，价格便宜。目前用量最大的热电偶。适于在氧化性极惰性气氛中使用,分度号为K。,97,热电偶的使用,（1）首先要正确选择好适合使用温度范围气氛的热电偶（2）测温端的焊接、清洗

41、与退火 实验用热电偶有相当部分是自制的。热端焊接有下列几种方法：,a 直流电弧焊,b.交流电弧焊等,（3）热电偶的校验 常用的是比较法，即用标准热电偶与被校热电偶进行比较修正。把两支热电偶的工作端捆扎在一起，放在温度均匀的高温炉中，冷端放在0的恒温器中，在各检定点比较两支热电偶的示值，而后画成对照曲线就可应用。检定时炉温控制要严格。此法操作简便，可以用不同型号的热电偶作比较。,6.4.4 热电偶,98,（4）冷端处理 标准的热电势是指冷端温度处于0时的数值。实际工作条件下冷端不一定处于0,由此会带来误差.应采取措施加以消除或补正.这些措施有：()计算法补正:若热电偶的接点的温度为t,tn时，则

42、热电势为：(6-14),()冷端恒温法。最好把冷端恒定在0这样能与分度表一致。一般是把冷端放在冰瓶里（或电子零点仪中)。此方法方便，使用较多。有的把冷端放在热惰性大的恒温器中，而后作一次性补正就可以用了。,6.4.4 热电偶,99,例题：用k分度号的热电偶与显示仪表配合测炉温，热电偶自由端的温度为t0=30C，测得热电势为E(t,t0)=39.17mv,求炉温为多少度？解：根据题意求炉温即应求E(t,0)由E(t,t0)=39.17mv，查热电偶分度附表D-2可知：E(30,0)=1.203mv,则由中间温度定律有：E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)所以E(t,0)=39.17+1.

43、203=40.373mv 查K型热电偶的分度表可知，对应的温977C。,100,()补偿式冷端接点当热电偶两接点温度分别为t,tn时，其热电势为EAB(t,tn),如果在线路中串接一个电势V=EAB(t,t0),如式（6-20）就可以得到正确的测量,()采用补偿导线 一般测量仪表不宜安装在被测对象旁边，可以用补偿导线把热电势引到温度恒定或波动不大的地方。在一定的温度范围内，补偿导线的热电性能与热电偶的热电性能很接近，但它不能消除冷端温度不为的影响，因此仍然要进行补正。补偿导线一般的使用温度为-20100，耐热型的为40200。,6.4.4 热电偶,101,特点:在一定温度范围内，其热电性能与热

44、电偶基本一致。作用:只是把热电偶的自由端移至离热源或环境恒定的地方，但不能消除自由端不为0 的影响。,补偿导线的特点与作用,6.4.4 热电偶,102,各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；极性不能接反，+与+，-与-；由于其材料与热电偶并不完全相同（延伸形除外），连接点的温度必须完全相同。补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定 的使用温度。,注意事项,6.4.4 热电偶,103,补偿导线示例：,104,分为串联、并联和反向串联等。各种连接方法是根据不同要求和条件形成的,其利弊可以用冷端处理知识和测量仪表的特点加以分析，在实际应用中，应根据不同的要求选择合适的线路。,（5）热电偶的测

45、温线路,串接热电势：,E串=E1+E2+E3+En,并联热电势：,6.4.4 热电偶,105,实验中需精确测量温度时,如测定相变温度,差热分析,熔点等,可以采用电桥电位差计,需要自动测温并控温的可采用电子式自动平衡仪表。转换器可以与自动控制仪表相连接,或与计算机或单版机相配套，形成测温、显示纪录、控制、报警等功能。,（6）测量仪表,6.4.4 热电偶,106,107,6.5 耐火与保温材料,冶金高温实验中，高温炉炉衬材料和反应容器材料的选择是十分重要的，它往往是高温实验成败的一个重要因素。实验研究人员必须了解耐火材料的性能和使用范围，才能适应实验的需要。,耐火材料 耐火材料的工作特性 耐火材料

46、的结构特性 耐火材料的工作稳定性 冶金试验中常用的耐火材料保温材料,108,耐火材料,耐火材料的工作特性也就是使用性能,主要指标,耐火度,荷重软化点,化学稳定性,热稳定性,热导率,导电性,耐火材料的工作特性,109,耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能。因为绝大多数耐火材料由多种成分组成的矿物，没有固定的熔点，而是在一定温度范围内熔化，耐火度仅代表耐火材料开始熔化至软化到一定程度时的温度。只有高纯氧化物耐火制品的耐火度和熔点才比较接近。,(1)耐火度,耐火材料的工作特性,110,(2)荷重软化点,耐火材料在使用中多少要受到载荷和应力作用,当达到一定温度时,耐火材料内部组织局部开始熔化,机械强度会

47、急剧减低。为了查清这类变化，对耐火材料样品施加一定压力并以一定升温速度加热,当耐火材料塌毁(以加压力方向收缩一定值作标志)时的 温度称为荷重软化点。荷重软化点表征耐火材料的机械特性,而耐火度表示其热性质.显然，耐火材料的实际使用温度不得超过 荷重软化点,更不能超过耐火度。,耐火材料的工作特性,111,(3)热稳定性,耐火材料在温度急剧变化条件下,不开裂,不破碎的性能叫热稳定性,也有叫抗热震性,表征耐急冷急热的性能。用测定高温而引起的容积变化表示，其中有永久的变化和暂时的变化，前者叫做残存线膨胀收缩，后者叫热膨胀收缩。残存线膨胀收缩是以一定的温度和时间加热然后冷却的膨胀收缩来表示，它在耐火材料制

48、造时，由于烧成中的矿物变化和物理变化而引起的容积变化还未结束时发生的。这个变化值大，往往使高温下耐火材料龟裂、脱落。热膨胀收缩以膨胀收缩随温度上升的比率来表示，它是推定抗剥裂性及矿物变态引起异常变形的重要指标。一般热膨胀高的制品往往抗热震性较差。,耐火材料的工作特性,112,(4)化学稳定性,耐火材料在使用过程中,在高温条件下均与一定的气相、凝聚相(如金属,炉渣)相接触,在这样的条件下,耐火材料能否稳定存在,对实验过程和耐火材料作用都有重大影响。,(5)热导率,耐火材料的热导率表示其导热能力的大小，用导热系数表示，单位为：J/m.h。,耐火材料中矿物晶型变化将使热导率变化，最明显的例子是SiO

49、2,例如,0时结晶的二氧化硅热导率比石英玻璃高几倍。,耐火材料的工作特性,113,(6)导电性一般耐火材料中除碳质、石墨、碳化硅、粘土质、炭化硅制品外，在室温下都是不良电导体。随温度升高，大多数耐火材料导电性提高，电阻率下降。最明显的是氧化锆。,耐火材料的工作特性,114,耐火材料的结构特性,一般指耐火材料的气孔率和透气性。气孔率高的耐火制品，由于其表面大，表面活化能大，其化学稳定差，即抗渣铁侵蚀的能力差，不适合做冶金熔体的容器。气孔率高则材料机械强度低，不适用于承重大的地方。,115,某些耐火材料的工作稳定性,(1)在氧化气氛中的稳定性 耐火氧化物大多是其金属元素的最高价氧化物，在高温氧化气

50、氛下是稳定的。如果在分解或蒸发温度以下工作，其氧化气氛中的最高温度可以接近其耐火度（或熔点）。但碳素耐火材料在氧化气氛中是不稳定的。,116,(2)在H2和CO气氛下的稳定性 氧化物耐火材料能否与氢起作用，可以通过热力学计算作出初步判断。冶金实验温度一般不高于1727,大多数耐火氧化物在氢气氛下是稳定的。CO的还原能力比H2弱，因此大多数氧化物在CO气氛下都是稳定的。在高温下CaO能与水气反应，然而MgO、Al2O3和ZrO2对水气则是稳定的。但1727下,SiO2与H2作用的平衡pH2O稍高。,某些耐火材料的工作稳定性,117,（3）在其它气氛下,Al2O3在N2和HCl气氛中是稳定的,在高