实验三热电偶高温气体温度的测量.doc

实验三 　热电偶高温气体温度的测量

一、实验目的
1、实际使用热电偶对高温空气的温度进行测量；
2、了解用热电偶测量高温气体温度存在哪些误差及减小这些误差的方法；
3、结合已经学过的《传热学》和《测试技术》知识，自行设计实验方案，提高测量精度。
二、实验内容及基本原理
高温气体温度的准确测量是热工领域里科研和生产中的一个技术难题。本实验台是根据热电偶测量温度的原理和《测试技术》课程中关于温度测量的相关知识而建立的。用裸露热电偶直接测量管道内温度比较高的透明气体温度时，由于热电偶与管壁之间存在辐射换热，使得所测温度与实际温度存在很大差别。
设气体与热电偶之间的对流换热流为Q1，热电偶与管壁的辐射换热流与它自身的储热热流、导热的热流之和为Q2（），当Q1=Q2也即达到了所谓的热平衡时，热电偶所指示的温度就是所测得的空气温度，它与气流的真实温度有很大差别。
（1）通过对流换热，高温空气对热电偶测量端(节点)的加热热流为：
(1)
（2）热电偶测量端与周围管壁的辐射换热：
(2)
（3）热电偶测量端沿引线的导热：
(3)
（4）热电偶测量端的储热：
(4)
其中：—热电偶与高温空气的对流换热系数；—热电偶测量端表面积；—热电偶测量端的温度；—系统黑度（由于热电偶测量端的表面积远小于被它“看见”的管壁面积，接近热电偶材料的表面黑度）；—玻尔兹曼常数；—壁面温度；—热电偶测量端材料导热系数；—热电偶引线的横断面积。
实际上，由于用热电偶测温时，深入到高温气体中的引线相对于测点来说比较长，沿热电偶引线的导热热流可以忽略。当测量气流的温度不变且热电偶测点达到热稳定时，热电偶测量端的储热热流，故有:
(5)
则 (6)
可以看出，只有当黑度为零或对流换热系数为无穷大或管壁温度等于气体温度时，才有。但实际上黑度不可能为零，也不可能为无穷大，由于存在热损失，管壁温度也不可能等于气体温度，因此，热电偶的指示温度永远不会等于气流的真实温度，用裸露热电偶测量高温气体温度时误差总是存在的。
本实验只提供高温空气环境，要求学生自行设计实验方案对所提供的高温空气的温度(℃)进行测量，并与实验台提供的准标准值进行比较，优秀的测试方案将在以后的科研中采用。
三、实验使用的仪器设备及实验装置
实验台由四大部分组成，分别为进气部分、加热部分、测量部分、尾气处理部分。如图1设备总体图所示。
整个实验台由光滑的不锈钢圆管制成，除进气段和实验段外其余部分均被绝热箱体包裹。
空气由鼓风机引入，其流量可以通过翻板阀来进行控制，空气加热后进入实验段，学生在实验段对其温度进行测量，实验段出口的高温空气进入引风降温管路，与冷空气混合后排向大气。
加热段内有加热电阻丝和绝缘陶瓷圆管，加热量约为3KW，具体数值由电压和电流表读取。
图1 实验台总体图

图2 学生测点安装示意

实验台有两个实验段，开设两个学生测点，分别为“学生测点1”和“学生测点2”，两个学生可以同时在不同的实验段进行实验。在实验段上开有M20的螺纹孔，在与其配合的螺柱上开有的通孔，学生自制的测温装置将被夹装在这里，如图2所示。

实验室提供条件
因为本实验为学生自主实验，要求学生根据学过的基本知识进行高温气体温度测量，故实验室只提供如下测试元件、仪表和相关实验材料：
测试类：NiCr-NiSi热电偶、XST系列单输入通道数字式智能仪表、数字电流表、数字电压表。
工具类：钳子、剪刀、扳手、台钳、什锦挫、镊子、螺丝刀、点焊机等。
消耗品类：0.1mm厚不锈钢带、直径4mm不锈钢管、直径3mm瓷管等。

四、具体实验步骤
1、了解实验设备。
2、自行设计实验方案，制作测试元件。
3、起动风机，调节到合适风量。
4、接通加热电源，对空气进行加热，注意观察仪表上数字的变化情况。
5、给定额定加热功率，当每5分钟温度变化不超过1度时，可以认为实验台达到了热稳定状态，开始记录实验数据。
6、改变加热功率，空气温度也发生相应的变化，按第5步骤重新进行实验。要求测试不同功率时标准测点与学生测点的不同温度值。
7、实验结束后，先关闭加热电源，并持续通风十分钟左右，待实验台温度降下来后才可以关闭鼓风机。整理实验台，将设备恢复到原来的状态。

五、实验要求
根据所学基本知识和实验室提供的条件，自行设计实验方案进行高温空气温度测量。并给出最终测试结果，与实验台提供的准标准值进行比较，然后，将与和（或）与画到同一张坐标纸上进行比较。

六、实验准备及预习要求
本实验是综合实验，要求学生根据所学专业知识并根据实验指导要求，实验前充分了解实验原理，并能提出一到两种设计方案，希望广大同学发挥聪明才智，好的设计方案将被采用并得到一定的奖励。

七、注意事项
1、实验过程中，严禁身体的任何部分接触实验台的测量段，防止烫伤！
2、实验过程中，严禁改变测量段的标准测点的任何布置！

八、思考题
1、热电偶测温的误差来源都有哪些？如何减小这些误差？
2、在实验中忽略了热电偶导热的影响，为什么可以这样做？
3、测点1与测点2的实验数据有什么不同？为什么存在这些不同？
4、从实验和理论方面提出减小高温气体测量误差方法的一些建议。

九、实验报告内容及格式
1、实验目的
2、实验内容、原理
3、实验装置
4、实验步骤
5、提出1至2种高温气体测量设计方案
6、实验结果与误差分析（包括实验数据、处理图形）
7、思考题解析