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第2章温度检测与仪表第1页，共85页，编辑于2022年，星期一第一节温标及测温方法一、温标 温度的数值表示称为温标温度的数值表示称为温标。它。它利用一些物利用一些物质的质的“相平衡温度相平衡温度”作为作为固定点固定点刻在刻在“标尺标尺”上，上，而固定点中间的温度值则是利用一种函数关系而固定点中间的温度值则是利用一种函数关系(内插函数或称为内插方程内插函数或称为内插方程)来描述来描述。各类温度计的。各类温度计的刻度均由温标确定。刻度均由温标确定。v温标温标三要素三要素：温度计、固定点和内插方程。：温度计、固定点和内插方程。v温标不是温度标准温标不是温度标准(TemperatureStandard)，而是，而是温度标尺温度标尺(TemperatureScale)的简称。的简称。国际上规定的温标有很多种，最常用的是华国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标氏温标(美国美国)、摄氏温标、热力学温标等。、摄氏温标、热力学温标等。低温低温高高温温第2页，共85页，编辑于2022年，星期一温标名称温标名称有关规定有关规定华氏温标华氏温标（）1714年，年，Fahrenheit把标准大气压下纯水的沸点和冰点这两个把标准大气压下纯水的沸点和冰点这两个恒定温度作固定点恒定温度作固定点(212 和和32)，这两个温度点之间用水银温，这两个温度点之间用水银温度计分成度计分成180等份，每等份定为等份，每等份定为1华氏度华氏度()。遗憾：把冰点定为。遗憾：把冰点定为32度而不是度而不是0度。度。列氏温标列氏温标(oR)1731年年Raumur提出：水的冰点被定为列氏提出：水的冰点被定为列氏0度，而沸点则为度，而沸点则为列氏列氏80度度【因为标准浓度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从因为标准浓度的酒精在水的冰点和沸点之间体积从1000单位膨胀到单位膨胀到1080单位单位】。摄氏温标摄氏温标()1742年年Celsius提出：最初定义提出：最初定义“水的冰点定为一百摄氏度，沸水的冰点定为一百摄氏度，沸点定为零摄氏度，其间分成一百等分，一等分为一摄氏度点定为零摄氏度，其间分成一百等分，一等分为一摄氏度”。第。第二年将刻度颠倒过来使用，即当今用法。当前应用最广，二年将刻度颠倒过来使用，即当今用法。当前应用最广，ITS-90有专门定义。有专门定义。开氏温标开氏温标(K)1854年年Kelvin提出：把绝对零度提出：把绝对零度(0K)到水的三相点温度到水的三相点温度(273.16K)等分为等分为273.16份，每份就是份，每份就是1开氏度。其分度间隔和摄开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致，氏温标间隔一致，t(1)=T(1K)。兰氏温标兰氏温标(oR)Rankine 温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度，水的冰点和沸点分别为度，水的冰点和沸点分别为491.67和和671.67兰氏度兰氏度(oR)，中间，中间分成分成180等分，每一等分为等分，每一等分为1oR。第3页，共85页，编辑于2022年，星期一几种温标间的换算关系摄氏度摄氏度=5(华氏度华氏度-32)/9摄氏度摄氏度=开氏度开氏度-273.15摄氏度摄氏度=5兰氏度兰氏度/9-273.15摄氏度摄氏度=1.25列氏度列氏度=华氏度华氏度=1.8摄氏度摄氏度+32华氏度华氏度=1.8开氏度开氏度-459.67华氏度华氏度=兰氏度兰氏度-459.67华氏度华氏度=2.25列氏度列氏度+32=开氏度开氏度=摄氏度摄氏度+273.15开氏度开氏度=1.25列氏度列氏度+273.15开氏度开氏度=5(华氏度华氏度-32)/9+273.15开氏度开氏度=5兰氏度兰氏度/9第4页，共85页，编辑于2022年，星期一二、测温方法及分类 测温方法很多种，可分为：测温方法很多种，可分为：v按按测量方法测量方法可分为可分为接触式接触式和和非接触式非接触式；v按按工作原理工作原理可分为可分为膨胀式、电阻式、热电式、膨胀式、电阻式、热电式、辐射式辐射式等；等；v按按输出方式输出方式分，有分，有自发电型、非电测型自发电型、非电测型等；等；v按按用途用途分，有分，有基准温度计和工业温度计基准温度计和工业温度计。第5页，共85页，编辑于2022年，星期一物物理理现现象象体积热膨胀体积热膨胀电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传播速度变化超声波传播速度变化物质物质颜色颜色PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化可控硅动作特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计示温涂料示温涂料液晶液晶半导体二极管半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅可控硅辐射温度传感器辐射温度传感器光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计2.玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计6.气体压力温度计气体压力温度计1热铁氧体热铁氧体2Fe-Ni-Cu合金合金第6页，共85页，编辑于2022年，星期一应用热膨胀原理测温应用热膨胀原理测温 测量原理测量原理物体受热时产生膨胀物体受热时产生膨胀 液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计 固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计 玻璃管温度计玻璃管温度计 双金属温度计双金属温度计第7页，共85页，编辑于2022年，星期一体积热膨胀式 不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。气体的体积与热力学温度成正比第8页，共85页，编辑于2022年，星期一装满热水后图案变得清晰可辨装满热水后图案变得清晰可辨示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）第9页，共85页，编辑于2022年，星期一变色涂料在电脑内部温度中的示温作用变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散散热风扇热风扇低温时显示低温时显示蓝色蓝色温度升高后变为红色温度升高后变为红色第10页，共85页，编辑于2022年，星期一红外温度计红外温度计第11页，共85页，编辑于2022年，星期一接触式：接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。流进行热交换。优点：优点：结构简单、可靠，测温精度较高。结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏容易破坏被测对象的温度场，被测对象的温度场，同时带来测温过程的延同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对对腐蚀性腐蚀性介质测量。介质测量。第12页，共85页，编辑于2022年，星期一非接触式：非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。被测对象的温度。优点：优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。结构复杂，价格比较昂贵。第13页，共85页，编辑于2022年，星期一第二节热电偶温度计v热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。之一。v特点：结构简单、测量范围宽、准确度高、热惯特点：结构简单、测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号，便于远传或性小，输出信号为电信号，便于远传或信号转换。信号转换。v用途：用来测量流体、固体以及固体壁面的温度。用途：用来测量流体、固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。测量。第14页，共85页，编辑于2022年，星期一先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端、冷端、冷端）端）左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）热电极热电极B B热电势热电势AB一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理热电极热电极A A左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）热电极热电极B B热电极热电极A A左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端）热电极热电极B B热电极热电极A A左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端）第15页，共85页，编辑于2022年，星期一从实验到理论：从实验到理论：热电效应热电效应 1821 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说明什么？）减小（又说明什么？）。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。个结点的温差有关。第16页，共85页，编辑于2022年，星期一热电偶温度计是根据热电效应工作的。当两种不同的导体或半导热电偶温度计是根据热电效应工作的。当两种不同的导体或半导体材料体材料A和和B组成闭合回路组成闭合回路(如下图如下图)，如果两个结合点处的温度不相等，如果两个结合点处的温度不相等，则回路中就会有电流产生。也就是回路中会有电动势存在，这种现象则回路中就会有电流产生。也就是回路中会有电动势存在，这种现象叫做叫做热电效应热电效应，该效应首先由赛贝克发现，故也称赛贝克效应。，该效应首先由赛贝克发现，故也称赛贝克效应。回回路路中中所所产产生生的的电电动动势势，叫叫热热电电势势。热热电电势势由由两两部部分分组组成成，即即温温差差电电势和接触电势。势和接触电势。热电偶原理图热电偶原理图TT0AB冷端热端自由端自由端工作端工作端第17页，共85页，编辑于2022年，星期一热电偶有关术语v两种不同的导体或半导体材料两种不同的导体或半导体材料A和和B组成闭合回组成闭合回路，如果两个结合点处的温度不相等，则该回路，如果两个结合点处的温度不相等，则该回路中就会有电动势产生，称该现象为路中就会有电动势产生，称该现象为热电效应。热电效应。v回路中所产生的电动势称为回路中所产生的电动势称为热电势热电势。v称导体称导体A,B为为热电极热电极。v其中一个接点通常是焊接在一起被置于测温场其中一个接点通常是焊接在一起被置于测温场感受被测温度，称为感受被测温度，称为测量端、热端测量端、热端或或工作端工作端；而另一个接点远离测量端，且要求温度恒定，而另一个接点远离测量端，且要求温度恒定，称为称为自由端、冷端自由端、冷端或或参比端参比端。第18页，共85页，编辑于2022年，星期一(一)接触电势电子密度不同的导体或半导体材料电子密度不同的导体或半导体材料相互接触时，在其接点处产生电势，该相互接触时，在其接点处产生电势，该电势主要取决于两种材料的性质和接触电势主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低：面温度的高低：式中，式中，NA(T)和和NB(T)材料材料A和和B在温度在温度T时的电子密度；时的电子密度；e单位电荷，单位电荷，4.80210-10绝对静电单位；绝对静电单位；K波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，1.3810-23J/；T材料温度，材料温度，K。NANB第19页，共85页，编辑于2022年，星期一(二)温差电势由于两端温度不同，在导体或半由于两端温度不同，在导体或半导体材料两端产生电势，温差电势的方向导体材料两端产生电势，温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关端温度和材料性质有关：式中，式中，N材料的电子密度，是温度的函数；材料的电子密度，是温度的函数；T,T0材料两端的温度；材料两端的温度；t沿材料长度方向的温度分布。沿材料长度方向的温度分布。E(T,T0)第20页，共85页，编辑于2022年，星期一(三)热电偶闭合回路的总热电动势闭合回路总热电动势应为接闭合回路总热电动势应为接触电势和温差电势的代数和，即触电势和温差电势的代数和，即：结论结论：(1)只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，且两端只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，且两端温度必须不同；温度必须不同；(2)热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的大小尺寸及沿程温度分布两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的大小尺寸及沿程温度分布无关。无关。第21页，共85页，编辑于2022年，星期一二、热电偶的基本定律(性质)(一)均质材料定律由一种均质材料组成的闭合回路，不论沿材料长度方向各由一种均质材料组成的闭合回路，不论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。处温度如何分布，回路中均不产生热电势。它要求组成热电偶的两种材料它要求组成热电偶的两种材料A和和B必须各自都是均质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热电势，引入不均匀性误差。因此在进行精密测量附加热电势，引入不均匀性误差。因此在进行精密测量时要尽可能对电极材料进行均匀性检查和退火处理。该时要尽可能对电极材料进行均匀性检查和退火处理。该定律是同名极法检定热电偶的理论根据。定律是同名极法检定热电偶的理论根据。第22页，共85页，编辑于2022年，星期一(二)中间导体定律在热电偶测温回路中插入第三种在热电偶测温回路中插入第三种(或多种或多种)导体导体(如图中导体如图中导体C)，只要其两端温度相同，则热电偶回路的总热电势与串联，只要其两端温度相同，则热电偶回路的总热电势与串联的中间导体无关的中间导体无关【证明请参考教材证明请参考教材2.2.2.2节节】。第23页，共85页，编辑于2022年，星期一(三)中间温度定律在热电偶测温回路中，测量端的温度为在热电偶测温回路中，测量端的温度为T，连接导线各端点的温，连接导线各端点的温度分别为度分别为Tn和和T0(见图见图)，如，如A与与A，B与与B 的热电性质相同，则总的热的热电性质相同，则总的热电动势等于热电偶的热电动势电动势等于热电偶的热电动势EAB(T,Tn)与连接导线的热电动势与连接导线的热电动势EA B(Tn,T0)的代数和，其中的代数和，其中Tn为中间温度，即为中间温度，即 EABB A(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA B(Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)中间导体定律和中间温度定律中间导体定律和中间温度定律是工业热电偶测温中应用补偿导线是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。的理论依据。第24页，共85页，编辑于2022年，星期一(四)参考电极定律两种导体两种导体A，B分别与参考电极分别与参考电极C(标准电极标准电极)组成热电组成热电偶偶(如图如图)，如果它们所产生的热电动势为已知，那么，如果它们所产生的热电动势为已知，那么，A与与B两热电极配对后的热电动势可按下式求得：两热电极配对后的热电动势可按下式求得：EAB(t,t0)=EAC(t,t0)+ECB(t,t0)人们多采用高人们多采用高纯铂丝作为参考电极，纯铂丝作为参考电极，这样可大大简化热电这样可大大简化热电偶的选配工作。偶的选配工作。第25页，共85页，编辑于2022年，星期一三、热电偶结构典型工业用热电偶结构如图所示。它一般由典型工业用热电偶结构如图所示。它一般由热电极、热电极、绝缘套管、保护管和接线盒绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。无固定装置等多种形式。第26页，共85页，编辑于2022年，星期一v热热电电极极：一般金属：一般金属0.53.2mm，昂贵金属，昂贵金属0.30.6mm，长，长度与被测物有关，一般在度与被测物有关，一般在3002000mm，通常在，通常在350mm左右。左右。v绝绝缘缘管管：隔离热电偶与被测物，一般在室温下要：隔离热电偶与被测物，一般在室温下要5M以上。以上。v保护套管保护套管：避免受被测介质的化学腐蚀或机械损伤。：避免受被测介质的化学腐蚀或机械损伤。v接接线线盒盒：固定接线座，连接补偿导线。：固定接线座，连接补偿导线。(1)应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势E(t)和温度和温度t之之间尽可能地呈线性函数关系；间尽可能地呈线性函数关系；(2)能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能；有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能；(3)要求热电偶材料有较高的导电率和较低的电阻温度系数；要求热电偶材料有较高的导电率和较低的电阻温度系数；(4)具有较好的工艺性能，便于成批生产。具有满意的复现性，便于具有较好的工艺性能，便于成批生产。具有满意的复现性，便于采用统一的分度表。采用统一的分度表。热电极材料要求第27页，共85页，编辑于2022年，星期一普通装配型普通装配型热电偶的外形热电偶的外形安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰第28页，共85页，编辑于2022年，星期一普通装配型热电偶结构接线盒接线盒引出线套管引出线套管固定螺纹固定螺纹(出厂时用塑料包裹出厂时用塑料包裹)热电偶工作端热电偶工作端(热端热端)不锈钢不锈钢保护管保护管第29页，共85页，编辑于2022年，星期一四、热电偶的分类(一)标准热电偶国际电工委员会国际电工委员会(IEC)推荐的工业用标准热推荐的工业用标准热电偶为八种电偶为八种(目前我国的国家标准与国际标准统目前我国的国家标准与国际标准统一一)：B、R、S、K、N、E、J、T。S、R、B三种热电偶均由铂和铂铑合金制三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，称贵金属热电偶。成，称贵金属热电偶。K、N、T、E、J五种热五种热电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成，称为廉价金属热电偶。金属的合金制成，称为廉价金属热电偶。工业用标准热电偶基本性能见表工业用标准热电偶基本性能见表2-1。第30页，共85页，编辑于2022年，星期一表2-1工业用热电偶测温范围名称名称分度号分度号测测量范量范围围/适用气氛适用气氛稳稳定性定性铂铑铂铑30铂铑铂铑6B2001800氧化、中性氧化、中性1500，良，良铂铑铂铑13铂铂R-401600氧化、中性氧化、中性1400，良，良铂铑铂铑10铂铂S镍铬镍铬镍镍硅硅(铝铝)K-2701300氧化、中性氧化、中性中等中等镍铬镍铬硅硅镍镍硅硅N-2701260氧化、中性、氧化、中性、还还原原良良镍铬镍铬康康铜铜E-2701000氧化、中性氧化、中性中等中等铁铁康康铜铜J-40760氧化、中性、氧化、中性、还还原、真空原、真空500，差，差铜铜康康铜铜T-270350氧化、中性、氧化、中性、还还原、真空原、真空-170200，优优钨铼钨铼3钨铼钨铼25WRe3-WRe2502300中性、中性、还还原、原、真空真空中等中等钨铼钨铼5钨铼钨铼26WRe5-WRe26第31页，共85页，编辑于2022年，星期一几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析 为什么所有的曲线均过原点（零度点）？为什么所有的曲线均过原点（零度点）？第32页，共85页，编辑于2022年，星期一热电偶的分度表热电偶的分度表第33页，共85页，编辑于2022年，星期一(二)非标准化(特殊)热电偶1、铠装热电偶、铠装热电偶结构结构：将热电偶丝用无机物绝缘及金属套管封装，压实成可挠的：将热电偶丝用无机物绝缘及金属套管封装，压实成可挠的坚实组合体坚实组合体(如图如图)。特性特性：惯性小；挠性、机械强度及耐压性能好。：惯性小；挠性、机械强度及耐压性能好。适用场合适用场合：可用于快速测温或热容量很小的物体的测温部位，结：可用于快速测温或热容量很小的物体的测温部位，结构坚实可耐强烈的振动和冲击，还可用于高压设备上测温。构坚实可耐强烈的振动和冲击，还可用于高压设备上测温。1-金属套管；金属套管；2-绝缘材料；绝缘材料；3-热电极热电极第34页，共85页，编辑于2022年，星期一铠装型热电偶外形法兰法兰铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达长达上百米上百米薄壁金属薄壁金属 保保护套管护套管(铠体铠体)BA绝缘绝缘 材材料料铠装型热电偶横铠装型热电偶横截面截面第35页，共85页，编辑于2022年，星期一2、快速微型热电偶v特性特性：测温元件小，响应速度快，无需定期维修，准确度：测温元件小，响应速度快，无需定期维修，准确度较高；较高；v适用场合适用场合：高温熔体：高温熔体(钢水、铁液等金属熔体钢水、铁液等金属熔体)的温度测量。的温度测量。目前我国有两类快速热电偶，即快速铂铑热电偶与目前我国有两类快速热电偶，即快速铂铑热电偶与快速钨铼热电偶。快速钨铼热电偶。1-外保护帽；外保护帽；2-U形石英管；形石英管；3-外纸管；外纸管；4-绝热水泥；绝热水泥；5-热电偶自由端；热电偶自由端；6-棉花；棉花；7-绝热纸管；绝热纸管；8-小纸管；小纸管；9-补偿导线；补偿导线；10-塑料插件塑料插件第36页，共85页，编辑于2022年，星期一3、薄膜式热电偶、薄膜式热电偶v结构特点结构特点：采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶，其种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶，其热端接点极薄，约热端接点极薄，约0.010.1m。v适用场合适用场合：适于壁面温度适于壁面温度300的快速测量。的快速测量。1-热电极；热电极；2-工作端；工作端；3-绝缘基板；绝缘基板；4-引出线引出线第37页，共85页，编辑于2022年，星期一4、钨铼系热电偶钨铼热电偶是最成功的难熔金属热电偶，钨铼热电偶是最成功的难熔金属热电偶，可以测到可以测到24002800高温。高温。它的特点是在高温下易氧化，只能用于真它的特点是在高温下易氧化，只能用于真空和惰性气氛中。热电势率大约为空和惰性气氛中。热电势率大约为S型的型的2倍，在倍，在2000时的热电势接近时的热电势接近30mV，价格仅为，价格仅为S型的型的1/10。WRe热电偶已成为冶金、材料、航天、航热电偶已成为冶金、材料、航天、航空及核能等行业中重要的测温工具。空及核能等行业中重要的测温工具。第38页，共85页，编辑于2022年，星期一五、热电偶冷端温度补偿v为什么要进行冷端温度补偿为什么要进行冷端温度补偿(1)根据热电偶测温原理根据热电偶测温原理【E(t,t0)f(t)f(t0)】，只有当参比端，只有当参比端温度温度t0稳定不变且已知时，才能得到热电势稳定不变且已知时，才能得到热电势E和被测温度和被测温度t的的单值函数关系。单值函数关系。(2)实际使用的热电偶分度表中热电势和温度的对应值是以实际使用的热电偶分度表中热电势和温度的对应值是以t0=0为基础的，但在实际测温中由于环境和现场条件为基础的，但在实际测温中由于环境和现场条件等原因，参比端温度等原因，参比端温度t0往往不稳定，也不一定恰好等于往往不稳定，也不一定恰好等于0，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。常用的冷端补偿方法有如下几种：常用的冷端补偿方法有如下几种：第39页，共85页，编辑于2022年，星期一(一)零度恒温法(冰浴法)这是一种精度最高的处理方法，可以使这是一种精度最高的处理方法，可以使t0稳定地维持在稳定地维持在0。将碎冰和纯水的混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水混合物将碎冰和纯水的混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水混合物中，在试管底部注入适量的油类或水银，热电偶的参比端就插到试管底中，在试管底部注入适量的油类或水银，热电偶的参比端就插到试管底部，满足部，满足t0=0的要求。的要求。mVABT仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液AB第40页，共85页，编辑于2022年，星期一(二)计算修正法原理：在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端置于已知原理：在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端置于已知的恒温条件，得到稳定的的恒温条件，得到稳定的t0，故可根据分度表查得，故可根据分度表查得E(t0,0)；根据中间；根据中间温度定律公式计算得到温度定律公式计算得到E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)。然后根据所测得的热电势。然后根据所测得的热电势E(t,t0)和查到的和查到的E(t0,0)二者之和再去查热电偶分度表，即可得到被测量的实二者之和再去查热电偶分度表，即可得到被测量的实际温度际温度t。例例1：用铜：用铜-康铜热电偶测某一温度康铜热电偶测某一温度t，参比端在室温环境，参比端在室温环境tn中，测得热电动势中，测得热电动势E(t,tn)=1.999mV，又用室温计测出，又用室温计测出tn=21，求实际温度，求实际温度t。解：查解：查T分度号表得分度号表得E(21,0)=0.830mV，故：，故：E(t,0)=E(t,21)+E(21,0)=1.999+0.830=2.829(mV)再次查分度表，得实际温度再次查分度表，得实际温度t68。注意：注意：分度表中分度表中68对应对应2.820mV，69时的热电势为时的热电势为2.864mV，实际温度，实际温度应采用应采用插值法插值法计算出来。计算出来。第41页，共85页，编辑于2022年，星期一(三)冷端补偿器法结构特点：结构特点：R1=R2=R3=1，采用锰铜丝无感绕制，其电阻温度系数，采用锰铜丝无感绕制，其电阻温度系数趋于零。趋于零。R4用铜丝无感绕制，其电阻温度系数约为用铜丝无感绕制，其电阻温度系数约为4.310-3-1，当温度，当温度为为0时时R4=1，R1-4组成不平衡电桥组成不平衡电桥(补偿器补偿器)。仪表输入端电压为热电。仪表输入端电压为热电势势EAB(t,t0)与电桥不平衡电势与电桥不平衡电势Uba之和，即之和，即EE(t,t0)+Uba。第42页，共85页，编辑于2022年，星期一(四)补偿导线法补偿导线是在一定温度范围内补偿导线是在一定温度范围内(包括常温包括常温)具有与所匹配的热具有与所匹配的热电偶的热电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线。用它电偶的热电动势的标称值相同的一对带有绝缘层的导线。用它们连接热电偶与测量装置，从而可们连接热电偶与测量装置，从而可将热电偶的参比端移到离被测介将热电偶的参比端移到离被测介质较远且温度比较稳定的场合质较远且温度比较稳定的场合，以免参比端温度受到被测介质的热干，以免参比端温度受到被测介质的热干扰。扰。t0变化频繁变化频繁t0较为稳定较为稳定第43页，共85页，编辑于2022年，星期一1、补偿导线类型(1)按结构按结构可分为普通型和带屏蔽层型；可分为普通型和带屏蔽层型；(2)按补偿原理按补偿原理分为补偿型及延伸型两种；分为补偿型及延伸型两种；(3)按使用温度按使用温度可分为一般用可分为一般用(0100)和耐热用和耐热用(0150)；(4)按精度按精度可分为普通级与精密级。可分为普通级与精密级。(1)用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导线，以节约贵金属热电偶；用廉价的补偿导线作为贵金属热电偶的延长导线，以节约贵金属热电偶；(2)将热电偶的参比端迁移至离被侧对象较远且环境温度较恒定的地方，有利于参比端温度的修将热电偶的参比端迁移至离被侧对象较远且环境温度较恒定的地方，有利于参比端温度的修正和测量误差的减少；正和测量误差的减少；(3)用粗直径和导电系数大的补偿导线作为热电偶的延长线，可减小热电偶回路电阻，用粗直径和导电系数大的补偿导线作为热电偶的延长线，可减小热电偶回路电阻，以利于动圈式仪表的正常工作。以利于动圈式仪表的正常工作。2、补偿导线作用(1)各种补偿导线只能与相应型号的热电偶用；各种补偿导线只能与相应型号的热电偶用；(2)使用时必须各级相连，切勿将其极性接反；使用时必须各级相连，切勿将其极性接反；(3)热电偶和补偿导线连接点的温度不能超过规定的使用温度范围，规定为热电偶和补偿导线连接点的温度不能超过规定的使用温度范围，规定为0100及及0150两种。两种。3、补偿导线的使用第44页，共85页，编辑于2022年，星期一(五)仪表机械调零法(现场近似法)在不需精确测量的前提下，且热电偶冷端温度较为稳定，可在不需精确测量的前提下，且热电偶冷端温度较为稳定，可将显示仪表的机械零点先调整到将显示仪表的机械零点先调整到t0(按温度刻度按温度刻度)或者毫伏或者毫伏E(t0,0)(按毫伏刻度按毫伏刻度)，从而实现近似补偿，参见下图。，从而实现近似补偿，参见下图。该法常见于动圈式仪表中。该法常见于动圈式仪表中。指针被预调指针被预调到冷端温度到冷端温度(40 C)第45页，共85页，编辑于2022年，星期一六、热电偶测温线路(一)单点测温基本线路53211热电偶；热电偶；2补偿导线；补偿导线；3铜导线；铜导线；4温度补偿电桥；温度补偿电桥；5显示仪表显示仪表4第46页，共85页，编辑于2022年，星期一(二)多点测温基本线路1工作端热电偶；工作端热电偶；2工作端补偿导线；工作端补偿导线；3接线板；接线板；4铜导线；铜导线；5切换开关；切换开关；6数字显示仪；数字显示仪；7参比端补偿导线；参比端补偿导线；8参比端热电偶参比端热电偶第47页，共85页，编辑于2022年，星期一(三)两点温度差的测量两点温度差的测量若热电动势若热电动势E与温度与温度T呈线性关系，则呈线性关系，则t=T1-T2。tBAABAABE=E1E2E1E2T1T2第48页，共85页，编辑于2022年，星期一(四)多点平均温度的测量多点平均温度的测量t 三个热电偶工作在三个热电偶工作在线性区时代表着平均温线性区时代表着平均温度。每个热电偶需串联度。每个热电偶需串联较大电阻，且分度与单较大电阻，且分度与单个热电偶一样。个热电偶一样。某一热电偶坏了不某一热电偶坏了不易及时发现。易及时发现。BABABAT1T2T3第49页，共85页，编辑于2022年，星期一(五)多点温度和测量多点温度和测量t 三个热电偶工作在线三个热电偶工作在线性区时代表着多点温度之性区时代表着多点温度之和。任一热电偶烧坏都可和。任一热电偶烧坏都可立即知道，且可得到较大立即知道，且可得到较大的电动势。的电动势。每一热电偶引出的补偿每一热电偶引出的补偿导线必须接到仪表的冷端处。导线必须接到仪表的冷端处。BABABAT1T2T3第50页，共85页，编辑于2022年，星期一第三节电阻温度计一、热电阻测温原理电阻温度计工作原理就是当温度变化时，感温元件的电阻值随温电阻温度计工作原理就是当温度变化时，感温元件的电阻值随温度而变化，将变化的电阻值作为电信号输入显示仪表，通过测量电路度而变化，将变化的电阻值作为电信号输入显示仪表，通过测量电路的转换，在仪表上显示出温度的变化值。的转换，在仪表上显示出温度的变化值。(一)铂热电阻采用高纯度铂丝绕制成。具有测温精度高、性能稳定、复现性好、采用高纯度铂丝绕制成。具有测温精度高、性能稳定、复现性好、抗氧化性强等优点，是低温测温标准仪器。抗氧化性强等优点，是低温测温标准仪器。绕制铂电阻感温元件的铂丝纯度是决定温度计精度的关键：绕制铂电阻感温元件的铂丝纯度是决定温度计精度的关键：(1)铂丝纯度愈高其稳定性、复现性越好、测温精度也愈高；铂丝纯度愈高其稳定性、复现性越好、测温精度也愈高；(2)铂丝纯度常用铂丝纯度常用R100/R0表示，表示，R100和和R0分别表示分别表示100和和0条件下的电条件下的电阻值。对于标准铂电阻温度计，规定阻值。对于标准铂电阻温度计，规定R100/R01.3925；对于工业用铂；对于工业用铂电阻温度计，根据电阻温度计，根据ITS-90，R100/R0=1.38511.3925。第51页，共85页，编辑于2022年，星期一铂电阻的电阻-温度关系v-200t0:Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3v0t850:Rt=R01+At+Bt2当当R100/R0=1.3851时，时，A=3.908310-3(-1);B=-5.77510-7(-2);C=-4.18310-12(-4)铂电阻的分度号及允许误差表铂电阻的分度号及允许误差表铂热电铂热电阻阻测测温范温范围围分度号分度号R0/最大允最大允许误许误差差/A级级-200850Pt10Pt10010100(0.15+0.002|t|)B级级Pt10Pt10010100(0.30+0.005|t|)第52页，共85页，编辑于2022年，星期一(二)铜热电阻在准确度要求不高，且温度较低的场合，可采用铜电阻测在准确度要求不高，且温度较低的场合，可采用铜电阻测温。测温范围为温。测温范围为-50150，分度号为，分度号为Cu50和和Cu100，在，在0时时R0的阻值分别为的阻值分别为50和和100。铜电阻电阻温度系数较大，。铜电阻电阻温度系数较大，价格便宜，但电阻率低，体积大，热惯性较大。价格便宜，但电阻率低，体积大，热惯性较大。铜电阻铜电阻阻值阻值-温度关系温度关系(ITS-90)为：为：Rt=R01+At+Bt(t-100)+Ct2(t-100)式中，式中，A=4.28010-3(-1);B=-9.3110-8(-2);C=1.2310-9(-3)。铜热电阻的铜热电阻的允许误差允许误差为：为：(0.30+0.006|t|)第53页，共85页，编辑于2022年，星期一(三)其他热电阻1、镍热电阻特点：特点：电阻温度系数较铂大，约为铂的电阻温度系数较铂大，约为铂的1.5倍。倍。在在-50150内，其电阻与温度关系为内，其电阻与温度关系为Rt=100+0.5485t+0.66510-3t2+2.80510-9t4半导体热敏电阻的电阻值随温度呈指数变化。在许多场合下半导体热敏电阻的电阻值随温度呈指数变化。在许多场合下(-40350)，它已经取代传统的温度传感器。，它已经取代传统的温度传感器。电阻可以根据需要做成各种形状，由于体积可以做得很小，热电阻可以根据需要做成各种形状，由于体积可以做得很小，热惯性小，适合快速测温；电阻温度系数大，灵敏度较高；电阻值高，惯性小，适合快速测温；电阻温度系数大，灵敏度较高；电阻值高，在使用时连接导线电阻所引起的误差可以忽略；功耗小，适于远距在使用时连接导线电阻所引起的误差可以忽略；功耗小，适于远距离的测量与控制。但它的稳定性和互换性较差。离的测量与