第3章温度测量精选文档.ppt

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1、第3章温度测量本讲稿第一页，共八十一页u温度的测量温度的测量 当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时，则当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时，则它们就具有相同的温度。因此可以从一个物体的温度它们就具有相同的温度。因此可以从一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就是得知另一个物体的温度，这就是测温的依据测温的依据。如果事。如果事先已经知道一个物体的某些性质或状态随温度变化先已经知道一个物体的某些性质或状态随温度变化的确定关系，就可以以温度来量度其性质或状态的的确定关系，就可以以温度来量度其性质或状态的变化情况，这就是设计与制作温度计的数学物理基变化情况，这就是设计与制作温度计的数学物理基础

2、。础。本讲稿第二页，共八十一页3.1.2 温标温标 温标是温度数值化的标尺。它规定了温度的温标是温度数值化的标尺。它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。刻度数值均由温标确定。1 1经验温标经验温标 它它是是借借助助于于某某一一种种物物质质的的物物理理量量与与温温度度变变化化的的关关系系，用用实实验验方方法法或或经经验验公公式式所所确确定定的的温温标标。主主要要的经验温标有华氏温标和摄氏温标。的经验温标有华氏温标和摄氏温标。本讲稿第三页，共八十一页u摄氏温标摄氏温标 摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为摄氏温标规

3、定标准大气压下纯水的冰融点为0度，度，水沸点为水沸点为100度，中间等分为度，中间等分为100格，每格为摄氏格，每格为摄氏1度，度，符号为符号为。n 华氏温标华氏温标 华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为度，水沸点为212度，中间等分度，中间等分180格，每格为华格，每格为华氏氏1度，符号为度，符号为。它与摄氏温标的关系为：它与摄氏温标的关系为：本讲稿第四页，共八十一页u类似的经验温标还有兰氏、列氏等类似的经验温标还有兰氏、列氏等u经验温标的缺点在于它的局限性和随意经验温标的缺点在于它的局限性和随意性性本讲稿第五页，共八十一页 2热力学温

4、标热力学温标热力学温标又称开氏温标（热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温标，它建于热力学基）或绝对温标，它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。已由国的理想温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。热热力力学学温温标标规规定定水水在在标标准准大大气气压压下下的的三三相相点点为为273.16K273.16K，沸沸点点与与三三相相点点之之间间分分为为100100等等分分，每每等等分

5、分1K1K，将将水水的的三三相相点点以以下下273.16K273.16K定为绝对零度（定为绝对零度（0K0K）。）。本讲稿第六页，共八十一页 3 3国际实用温标国际实用温标u为为了了使使用用方方便便，国国际际上上经经协协商商，决决定定建建立立一一种种既既使使用用方方便便，又又具具有有一一定定科科学学技技术术水水平平的的温标，这就是国际温标的由来。温标，这就是国际温标的由来。u具备的条件：具备的条件：u尽可能接近热力学温标尽可能接近热力学温标u复复现现精精度度高高，各各国国均均能能以以很很高高的的准准确确度度复复现现同样的温标，确保温度量值的统一同样的温标，确保温度量值的统一u用用于于复复现现温

6、温标标的的标标准准温温度度计计，使使用用方方便便，性性能稳定能稳定 本讲稿第七页，共八十一页 目目前前我我国国使使用用的的是是19901990年年国国际际温温标标ITS-90ITS-90标准。标准。在在19901990年国际温标中指出，热力学温年国际温标中指出，热力学温标是基本物理量。单位开尔文，符号为标是基本物理量。单位开尔文，符号为K K。它规定水的三相点热力学温度为它规定水的三相点热力学温度为273.16K273.16K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的的1/273.161/273.16。本讲稿第八页，共八十一页 在在ITS-90中中同同时时使使

7、用用国国际际开开尔尔文文温温度度（符符号号为为T90）和国际摄氏温度（符号为和国际摄氏温度（符号为t90），其关系为），其关系为t90=T90 273.15 T90单单位位为为开开尔尔文文（K），t90单单位位为为摄摄氏氏度度（）。这这里里所所说说的的摄摄氏氏度度符符合合国国际际实实用用温温标标（ITS-90）的的规规定。定。本讲稿第九页，共八十一页n国际温标三要素：标准仪器、固定点、内插公国际温标三要素：标准仪器、固定点、内插公式式(1)(1)固定点：定义固定温度点固定点：定义固定温度点 定义了定义了1717个固定温度点，如个固定温度点，如表表3-13-1所示。所示。(2)(2)标准仪器：复

8、现固定温度点的方法标准仪器：复现固定温度点的方法 0.655.0K0.655.0K间为间为3 3HeHe或或4 4HeHe蒸气压温度计；蒸气压温度计；3.024.5561K3.024.5561K间为间为3 3HeHe或或4 4HeHe定容气体温度计；定容气体温度计；13.8033K961.7813.8033K961.78间为铂电阻温度计；间为铂电阻温度计；961.78961.78以上为光学或光电高温计。以上为光学或光电高温计。(3)(3)内插公式：确定固定点之间任意点的温度值内插公式：确定固定点之间任意点的温度值本讲稿第十页，共八十一页3.1.3 温度测量方法温度测量方法u根根据据温温度度测测

9、量量仪仪表表的的使使用用方方式式，通通常常可可分分类类为为接接触式触式与与非接触式非接触式两大类。两大类。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，达到平衡时二者的温度相等，这时测流进行热交换，达到平衡时二者的温度相等，这时测量体的温度反映了被测物体的温度。量体的温度反映了被测物体的温度。优优点：结构简单、可靠，测温精度较高。点：结构简单、可靠，测温精度较高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换缺点：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，这样容易破坏被测对象的温度且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被

10、测对象的温度场，同时带来测温过程的滞后时间较大，不适于测量热场，同时带来测温过程的滞后时间较大，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。本讲稿第十一页，共八十一页非接触式非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是利用测温元件不与被测对象接触，而是利用热辐射原理或电磁原理得到被测物体温度。热辐射原理或电磁原理得到被测物体温度。优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被优点：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，对被测对象干扰小，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

11、运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场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。合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵复杂，价格比较昂贵。本讲稿第十二页，共八十一页测温测温测温测温方式方式方式方式温度计种温度计种温度计种温度计种类类类类 优点优点优点优点 缺点缺点缺点缺点 使用范围使用范围使用范围使用范围接接触触式式测测温温仪仪表表玻璃液体玻璃液体温度计温度计 结构简单、使用方便、测量结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉准确、价格低廉 容易破损、读数麻烦、一般只容易破损、读数麻烦、一般只能现场指

12、示能现场指示 ,不能记录与远传不能记录与远传-100-100100100（150150）有机液体）有机液体0 0 350350（-30-30 650650）水银）水银双金属温双金属温度计度计结构简单、机械强度大、价结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控格低、能记录、报警与自控 精度低、不能离开测量点测量精度低、不能离开测量点测量,量程与使用范围均有限量程与使用范围均有限 0 0 300300（-50-50 600600）压力式温压力式温度计度计结构简单、不怕震动、具有结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控报警与自控 精度低、测量距离较远

13、时精度低、测量距离较远时,仪表仪表的滞后性较大、一般离开测量点的滞后性较大、一般离开测量点不超过不超过 10米米 0 0 500500（-50-50 600600）液体型）液体型0 0 100100（-50-50 200200）蒸汽型）蒸汽型电阻温度电阻温度计计测量精度高测量精度高,便于远距离、便于远距离、多点、集中测量和自动控制多点、集中测量和自动控制 结构复杂、不能测量高温结构复杂、不能测量高温,由于由于体积大体积大,测点温度较困难测点温度较困难-150-150 500500（-200-200 600600）铂电阻）铂电阻0 0 100100（-50-50 150150）铜电阻）铜电阻-5

14、0-50 150150（180180）镍电阻）镍电阻-100-100 200200（300300）热敏电阻）热敏电阻热电偶温热电偶温度计度计测温范围广测温范围广,精度高精度高,便于远便于远距离、多点、集中测量和自距离、多点、集中测量和自动控制动控制 需冷端温度补偿需冷端温度补偿,在低温段测量在低温段测量精度较低精度较低-20-20 13001300（16001600）铂铑）铂铑1010-铂铂-50-50 10001000（12001200）镍铬）镍铬-镍硅镍硅-40-40 800800（900900）镍铬）镍铬-铜镍铜镍-40-40 300300（350350）铜）铜-铜镍铜镍非接非接触式触式

15、测温测温仪表仪表光学高温光学高温计计携带用、可测量高温、测温携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场时不破坏被测物体温度场 测量时测量时,必须经过人工调整必须经过人工调整,有有人为误差人为误差,不能作远距离测量不能作远距离测量,记录和自控记录和自控 900 900 20002000（700 700 20002000）辐射高温辐射高温计计测温元件不破坏被测物体温测温元件不破坏被测物体温度场度场,能作远距离测量、报能作远距离测量、报警和自控、测温范围广警和自控、测温范围广 只能测高温只能测高温,低温段测量不准低温段测量不准,环环境条件会影响测量精度境条件会影响测量精度,连续测连续测高温时须作

16、水冷却或气冷却高温时须作水冷却或气冷却 100 100 20002000（50 50 20002000）各种温度计的优缺点及使用范围各种温度计的优缺点及使用范围各种温度计的优缺点及使用范围各种温度计的优缺点及使用范围本讲稿第十三页，共八十一页3.2 膨胀式温度计 膨胀式温度计是利用物体热胀冷缩膨胀式温度计是利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，主要有原理制成的温度计，主要有液体膨胀式液体膨胀式温度计、气体膨胀式压力温度计温度计、气体膨胀式压力温度计以及以及固固体膨胀式双金属温度计体膨胀式双金属温度计等。等。本讲稿第十四页，共八十一页一、玻璃液体温度计一、玻璃液体温度计玻璃液体温度计是利用感温液体在

17、透明玻璃液体温度计是利用感温液体在透明玻璃感温泡和毛细管内的热膨胀作用来玻璃感温泡和毛细管内的热膨胀作用来测量温度的。测量温度的。常见：水银温度计、酒精温度计常见：水银温度计、酒精温度计本讲稿第十五页，共八十一页本讲稿第十六页，共八十一页玻璃液体温度计玻璃液体温度计本讲稿第十七页，共八十一页特点n结构简单，制造容易，价格便宜结构简单，制造容易，价格便宜n测温范围广，精确度较高；测温范围广，精确度较高；n可直接读数，使用方便可直接读数，使用方便n易损坏，且破损后，有些物质会易损坏，且破损后，有些物质会污染环境污染环境本讲稿第十八页，共八十一页安装与使用n不能有破损、裂缝；感温液注不应有不能有破损

18、、裂缝；感温液注不应有断节、气泡、灰尘；刻度线、板等完断节、气泡、灰尘；刻度线、板等完整；整；n安装温度计的管道应绝热保温，以减安装温度计的管道应绝热保温，以减少温度计与管道之间热量损失，从而少温度计与管道之间热量损失，从而提高测量精度；提高测量精度；n温度计外套可装保护管，提高强度，温度计外套可装保护管，提高强度，减少热冲击。减少热冲击。本讲稿第十九页，共八十一页误差分析误差分析（1）玻璃材料有较大的热滞后效应。）玻璃材料有较大的热滞后效应。（2）温度计插入深度不够将引起误差，）温度计插入深度不够将引起误差，（3）非线性误差）非线性误差（4）工作液的迟滞性）工作液的迟滞性（5）读数误差）读数

19、误差本讲稿第二十页，共八十一页3.2.2 压力式温度计压力式温度计u利用密闭容积内工作介质随温度升高而压利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压力测力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。量来判断温度值的一种机械式仪表。本讲稿第二十一页，共八十一页三三.压力式温度计压力式温度计（一）工作原理与结构形式（一）工作原理与结构形式1 原理原理 压力式温度计是利用密封系统中测温物压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力随温度变化来测温；质的压力随温度变化来测温；2 分类分类按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式

20、发式按功能分：指示式、记录式、报警式和温度按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等调节式等本讲稿第二十二页，共八十一页仪表封闭系统由温包、传压元件（毛细管）和压力敏感元件（弹簧管）组成。温包内充工作介质，再测量温度时，将温包置于被测介质中，受介质温度影响，温包内部工作介质的体积或压力发生变化经毛细管将此压力变化传递给弹性元件（如弹簧管），弹性元件变形，自由端产生位移，借助于传动机构，带动指针在度盘上指示出温度数值。本讲稿第二十三页，共八十一页液体压力式电接点温度计液体压力式电接点温度计本讲稿第二十四页，共八十一页压力式温度计的使用测温元件放在被测介质中保持一定时间，示值稳定后再读数；如果

21、被测介质有较高压力或对温包有腐蚀作用时，应将温包安装在耐压或搞腐蚀的保护管中。液体压力式温度计，最好用来测量处于测量范围中间部分的介质温度；而蒸汽压力式温度计，最好用来测量范围中间部分稍高的介质温度本讲稿第二十五页，共八十一页压力式温度计的使用安装时毛细管应拉直，最小弯曲半径不应小于50mm。测量时应将温包全部插入被测介质中，以减少导热误差。安装温度计时必须注意显示仪表和温包尽量处于同一高度，以减少由于液体静压力引起的误差。对蒸气和液体压力式温度计的示值将带来误差。对于气体压力式温度计的影响则可以忽略不计。本讲稿第二十六页，共八十一页3.2.3 双金属温度计双金属温度计利用膨胀系数不同利用膨胀

22、系数不同的两种金属元件来的两种金属元件来测量温度的仪器。测量温度的仪器。l可作温度继电控制、极可作温度继电控制、极值温度控制信号值温度控制信号固定端自由端在温度变化时将使在温度变化时将使在温度变化时将使在温度变化时将使自由端自由端自由端自由端产产生生位移位移，借此，借此，借此，借此带动指针带动指针带动指针带动指针在在在在温温度刻度盘上转动度刻度盘上转动构成温度计。构成温度计。构成温度计。构成温度计。本讲稿第二十七页，共八十一页双金属温度计双金属温度计本讲稿第二十八页，共八十一页最简单的最简单的双金属温度开关双金属温度开关是由一是由一端固定的端固定的双金属条形敏感元件双金属条形敏感元件直接带动直

23、接带动电接点电接点构成的。构成的。温度低时电接点接触，电热丝温度低时电接点接触，电热丝加热；温度高时双金属片向下加热；温度高时双金属片向下弯曲，电接点断开，加热停止。弯曲，电接点断开，加热停止。温度切换值可用调温旋钮调整，温度切换值可用调温旋钮调整，它可以调整弹簧片的位置，也它可以调整弹簧片的位置，也就改变了切换温度的高低。就改变了切换温度的高低。双金属片温度计的测量范围与玻双金属片温度计的测量范围与玻璃液体温度计相近，它的精度稍璃液体温度计相近，它的精度稍差，但在振动和受冲击的应用场差，但在振动和受冲击的应用场合，更为适用。合，更为适用。双金属温度开关 本讲稿第二十九页，共八十一页3.3 3

24、.3 热电偶温度计热电偶温度计 u热电偶是目前世界上科研和生产中应用热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。最普遍、最广泛的温度测量元件。u它将温度信号转换成电势（它将温度信号转换成电势（mVmV）信号，）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。度的测量或温度信号的转换。u具有结构简单、制作方便、测量范围宽、具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。响应时间短等各种优点。本讲稿第三十页，共八十一页u它既可以用于流体温

25、度测量，也可以用它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。也能测量动态温度。u并且直接输出直流电压信号，便于测量、并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。信号传输、自动记录和控制等。本讲稿第三十一页，共八十一页一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理 两种不同材料的导体（或半导体）两种不同材料的导体（或半导体）A A和和B B组成组成闭合回路，如下图所示。当闭合回路，如下图所示。当A A和和B B相接的两个接点温相接的两个接点温度度T T和和T T0 0不同时，则在回路中就会产生一个电势，

26、不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做这种现象叫做热电效应热电效应。由此效应所产生的电。由此效应所产生的电势，通常称为势，通常称为热电势热电势，用符号，用符号EAB（T，T0）表表示。示。本讲稿第三十二页，共八十一页图中的闭合回路称为图中的闭合回路称为热电偶热电偶，导体，导体A和和B称称为热电偶的为热电偶的热电极热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为度为T）中的接点称为）中的接点称为工作端或热端工作端或热端，温度，温度为参考温度为参考温度T0的一端称为的一端称为参考端或冷端参考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分组成：热电偶产生的热电势由

27、两部分组成：接触电接触电势和温差电势势和温差电势。本讲稿第三十三页，共八十一页1 1 1 1 接触电动势接触电动势 当两种不同性质的导体或半导体材料当两种不同性质的导体或半导体材料相互接触时，由于内部电子密度不同，相互接触时，由于内部电子密度不同，例如材料例如材料A A的电子密度大于材料的电子密度大于材料B B，则会，则会有一部分电子从有一部分电子从A A扩散到扩散到B B，使得，使得A A失去失去电子而呈正电位，电子而呈正电位，B B获得电子而呈负电位，获得电子而呈负电位，最终形成由最终形成由A A向向B B的静电场。静电场的作用的静电场。静电场的作用又阻止电子进一步地由又阻止电子进一步地由

28、A A向向B B扩散。当扩散扩散。当扩散力和电场力达到平衡时，材料力和电场力达到平衡时，材料A A和和B B之之间就建立起一个固定的电动势。间就建立起一个固定的电动势。由于两种材料自由电子密度不同而在其由于两种材料自由电子密度不同而在其接触处形成电动势的现象，称为接触处形成电动势的现象，称为珀尔帕珀尔帕效应效应。其电动势称为。其电动势称为珀尔帕电势珀尔帕电势或或接触电势接触电势。本讲稿第三十四页，共八十一页理论上已证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的理论上已证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低。其关系式为性质和接触面温度的高低。其关系式为:式中：式中：

29、单位电荷，单位电荷，4.802104.80210-10-10绝对静电单位；绝对静电单位；玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，1.38101.3810-23-23J/J/；材料材料A A和和B B在温度为在温度为T T时的电子密度；时的电子密度；接触处的温度，接触处的温度，K K。接触电势的大小只与接触电势的大小只与接点温度接点温度的高低以及导体的高低以及导体A A和和B B的的电子密度电子密度有有关。温度越高，接触电势越大，两种材料电子密度比值越大，接关。温度越高，接触电势越大，两种材料电子密度比值越大，接触电势也越大。触电势也越大。结论结论本讲稿第三十五页，共八十一页2 2 2 2 温差电动势温差电

30、动势温差电动势温差电动势 因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量不同，因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量不同，温度较高的一端电子具有较高的能量，其电子将向温温度较高的一端电子具有较高的能量，其电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端之间形成一个由度较低的一端运动，于是在材料两端之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个电场将吸引电子从温高温端向低温端的静电场，这个电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一端，最后达到动态平衡。度低的一端移向温度高的一端，最后达到动态平衡。由于同一种导体或半导体材料因其两端温度不同由于同一种导体或半导体材料因其两端温度不同而产生电动势的现象称为而产

31、生电动势的现象称为汤姆逊效应汤姆逊效应。其产生的电。其产生的电动势称为动势称为汤姆逊电动势汤姆逊电动势或或温差电势温差电势。温差电势的方向是。温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料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。性质有关。e eA A(T T，T T0 0)导体导体A A两端温度为两端温度为T T、T T0 0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T T，T T0 0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度；A A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A A两端的温度差为两端的温度差为11时所产生的温差电动势，时所产生的温差电动势，例如在例如在00

32、时，铜的时，铜的=2V/=2V/。本讲稿第三十六页，共八十一页3热电偶闭合回路的总热电势热电偶闭合回路的总热电势 对对于于由由A和和B两两种种导导体体组组成成的的热热电电偶偶闭闭合合回回路路，设设两两端端温温度度接接点点温温度度分分别别为为T和和T0，且且TT0，NANB；那那么么回回路路中中存存在在两两个个接接触触电电势势EAB(T)和和EAB(T0)，两两个个温温差差电电势势EA(T,T0)和和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为因此回路的总热电势为本讲稿第三十七页，共八十一页 热电偶回路总电势由接触电势和温差电势热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，

33、叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成：热电势基本由接触电势构成：本讲稿第三十八页，共八十一页从以上式子可以得到如下结论：从以上式子可以得到如下结论：u热热电电偶偶回回路路热热电电势势的的大大小小只只与与组组成成热热电电偶偶的的材材料料和和材材料料两两端端连连接接点点所所处处的的温温度度有有关关，与与热热电电偶偶丝丝的直径、长度及沿程温度分布无关。的直径、长度及沿程温度分布无关。u只只有有用用两两种种不不同同性性质质的的材材料料才才能能组组成成热热电电偶偶，相相同同材材料组成的闭合回路不会产生热电势。料组成的闭合回路不会产生热电势。u热热电电偶偶的的两两个个热热电电极极

34、材材料料确确定定之之后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端接接点点的的温温度度有有关关。如如果果T0已已知知且且恒恒定定，则则f（T0）为为常常数数，回回路路总总热热电电势势EAB（T，T0）只只是是温度温度T的单值函数。的单值函数。本讲稿第三十九页，共八十一页二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律1均质导体定律均质导体定律 由同一种均质材料组成的闭合回路中，不论由同一种均质材料组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。分布如何，都不能产生热电势。结论：结论：1.热电偶必须由两种不

35、同质的材料组成，但其截面和长度不限。热电偶必须由两种不同质的材料组成，但其截面和长度不限。2.如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。本讲稿第四十页，共八十一页2中间温度定律中间温度定律 热电偶回路中，两接点温度分别为热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的热电时的热电势，等于接点温度为势，等于接点温度为T、TN和和TN、T0的两支同性质的两支同性质热电偶的热电势的代数和。热电偶的热电势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0)本讲稿第四十一页，共八十一页u该定律说明当热电偶参比端温度该定律说明当热电偶参比端温度t00时

36、，时，只要能测得热电势只要能测得热电势E(t,t0)，且，且t0已知，仍已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度可以采用热电偶分度表求得被测温度t值。值。本讲稿第四十二页，共八十一页3中间导体定律中间导体定律 在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入第第三三种种导导体体，只只要要第第三三种种导导体体两两端端温温度度相相同同，该该导导体体的的引引入入对对热热电电偶偶回回路路的的总总电电势没有影响。势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的两端温度相同，则对热电保证接入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。偶的热电势没有

37、影响。本讲稿第四十三页，共八十一页u该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。的影响。u该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借助均质等温的导体加以连接。也可以借助均质等温的导体加以连接。本讲稿第四十四页，共八十一页4.4.标准电极定律标准电极定律 如果已知热电偶的两个电极如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另分别与另一电极一电极C组成

38、的热电偶的热电势为组成的热电偶的热电势为EAC（T，T0）和和EBC（T，T0），则在相同接点温度（，则在相同接点温度（T，T0）下，由电级组成的热电偶的热电势下，由电级组成的热电偶的热电势EAB（T，T0）为：为：本讲稿第四十五页，共八十一页 已知热电偶在某一给定冷端温度（已知热电偶在某一给定冷端温度（t0）下进下进行的分度，只要进行一些简单的计算，就行的分度，只要进行一些简单的计算，就可以在另外的冷端温度（可以在另外的冷端温度（t1）下使用。）下使用。为制定热电偶的热电势温度关系分度为制定热电偶的热电势温度关系分度表奠定了理论基础。表奠定了理论基础。中间温度定律的应用一：中间温度定律的应用

39、一：本讲稿第四十六页，共八十一页比较查出的比较查出的3 3个热个热电势，判断热电势电势，判断热电势与温度的关系与温度的关系是是否为否为线性？线性？热电偶的热电势热电偶的热电势E E（t t，t t0 0）与温度）与温度t t的关系的关系热电特热电特性性冷端冷端t t0 0为为00时，时，将热电偶热电特将热电偶热电特性（性（E Et t）制成的）制成的表表分度表分度表本讲稿第四十七页，共八十一页实际测量时，冷端t0为往往为环境温度。如t020时，测得 EAB(t，20)，要求 t？根据中间温度定律有 EAB(t，0)EAB(t，20)EAB(20，0)本讲稿第四十八页，共八十一页解：查表得解：查

40、表得EK(25，0)1mV,则则 EK(t，0)EK(t，25)EK(25，0)18.537mV 查分度表求得查分度表求得 t=450.5 。如果用如果用EK(t，25)17.537mV直接查表，则得直接查表，则得t=427 ，显，显然误差是很大的。然误差是很大的。例：一支镍铬镍硅热电偶，在冷端温度为室温例：一支镍铬镍硅热电偶，在冷端温度为室温2525时，测得热电势时，测得热电势EK(t，25)17.537mV，试求，试求热电偶所测的实际温度热电偶所测的实际温度 t？本讲稿第四十九页，共八十一页 热电势的大小与热端温度有关，也与冷端温热电势的大小与热端温度有关，也与冷端温度有关，只有当冷端温度

41、固定不变，才能通过度有关，只有当冷端温度固定不变，才能通过热电势的大小去判断热端温度的高低。当冷端热电势的大小去判断热端温度的高低。当冷端温度波动较大时，必须首先使用补偿导线将冷温度波动较大时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，然后再考虑将端延长到一个温度稳定的地方，然后再考虑将冷端处理为冷端处理为00，这称为，这称为热电偶的冷端处理和热电偶的冷端处理和补偿。补偿。3.3.3 3.3.3 热电偶的冷端处理与补偿热电偶的冷端处理与补偿本讲稿第五十页，共八十一页恒温法恒温法 这是一种精度最高的处理办法，这是一种精度最高的处理办法，可以使可以使t t0 0稳定地维持在稳定地维持在0

42、0。其实施办法是将冰水混合物放其实施办法是将冰水混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水混合物中，试管底部插入冰水混合物中，试管底部注入适量的油类或水银，热电注入适量的油类或水银，热电偶的参比端插到试管底部，实偶的参比端插到试管底部，实现了现了t t0 0=0=0的要求。的要求。1-1-冰水混合物；冰水混合物；2-2-保温瓶；保温瓶；3-3-油类或水银；油类或水银；4-4-蒸馏水；蒸馏水；5-5-试管；试管；6-6-盖；盖；7-7-铜导线；铜导线；8-8-热电势测量仪表热电势测量仪表 本讲稿第五十一页，共八十一页 如果某介质的温度为如果某介质的温度为t，用热电偶进行

43、测量，其冷端温，用热电偶进行测量，其冷端温度为度为t0，测得的热电势为，测得的热电势为EAB（t,t0）。根据中间温度定）。根据中间温度定律，有律，有 EAB（t,0）EAB（t,t0）EAB（t0,0）得出标准热电势得出标准热电势EAB（t,0），再查分度表就可得出），再查分度表就可得出被测温度。被测温度。示值修正法示值修正法本讲稿第五十二页，共八十一页 例：用例：用K型热电偶测量某加热炉的温度。测得的型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势热电势E（t，t0）36.122mV，而自由端的温度，而自由端的温度t030，求被测的实际温度。，求被测的实际温度。解解 由分度表可以查得由分度表可以查

44、得 E（30，0）1.203mV则则 E（t，0）E（t，30）+E（30，0）36.122+1.20337.325mV 再查分度表可以查得再查分度表可以查得37.325mV 对应的温度为对应的温度为900 。计算法适用于实验或临时测温。计算法适用于实验或临时测温。本讲稿第五十三页，共八十一页当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A A、B B同样热电特性的同样热电特性的材料材料C C、D(D(如图如图)即引入所谓补偿导线时，则回路总电动势为：即引入所谓补偿导线时，则回路总电动势为：ABT1T2T2CDT0T0热电偶补偿导线接线图EE=EAB(T1,T2)

45、+ECD(T2,T0)E=EAB(T1,T0)EAB(T2,T0)=ECD(T2,T0)只要只要T T1 1、T T0 0不变，接入不变，接入C C、D D后不管接点温度后不管接点温度T T2 2如何变化，都不影响总热如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。电势。这便是引入补偿导线原理。补偿导线法补偿导线法本讲稿第五十四页，共八十一页实实质质：采采用用补补偿偿导导线线将将热热电电偶偶延延伸伸到到温温度度恒恒定定或或温温度度波波动动较较小小处处。即即相相当于把冷端从温度为当于把冷端从温度为t t1 1处延伸到温度为处延伸到温度为 t t0 0的控制室或恒温处。的控制室或恒温处。原理：

46、中间温度定律。原理：中间温度定律。要要求求：在在温温度度0 0200 200 范范围围内内，其其热热电电特特性性与与热热电电偶偶近近似似相相 同，且是廉价金属同，且是廉价金属注意：注意：两个接点温度不能超过规定温度两个接点温度不能超过规定温度各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用两个接点温度应当相同两个接点温度应当相同正负极不能接反正负极不能接反需要修正需要修正本讲稿第五十五页，共八十一页补偿导线外形补偿导线外形 AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层本讲稿第五十六页，共八十一页t+RcuER1R2R3+ab+它它它它利利利利用用用用不不不不平平平平衡衡衡衡

47、电电电电桥桥桥桥产产产产生生生生的的的的电电电电压压压压来来来来补补补补偿偿偿偿热热热热电电电电偶偶偶偶因因因因冷冷冷冷端端端端温温温温度度度度的的的的变变变变化化化化而而而而引引引引起起起起热热热热电势的变化电势的变化电势的变化电势的变化如如如如图图图图，电电电电桥桥桥桥由由由由R R R R1 1 1 1、R R R R2 2 2 2、R R R R3 3 3 3（均均均均为为为为锰锰锰锰铜铜铜铜电电电电阻阻阻阻）和和和和R R R RCuCuCuCu（热热热热敏敏敏敏铜铜铜铜电电电电阻阻阻阻）组成。组成。组成。组成。在在在在设设设设计计计计的的的的冷冷冷冷端端端端温温温温度度度度（例例例

48、例如如如如t t t t0 0 0 00000）时时时时，满满满满足足足足R R R R1 1 1 1R R R R2 2 2 2，R R R R3 3 3 3R R R RCuCuCuCu，这这这这时时时时电电电电桥桥桥桥平平平平衡衡衡衡，无无无无电电电电压压压压输输输输出出出出，即即即即U U U Uabababab=0=0=0=0，回回回回路路路路中中中中的的的的输输输输出出出出电电电电势势势势就就就就是是是是热热热热电电电电偶偶偶偶产产产产生生生生的热电势的热电势的热电势的热电势补偿电桥法补偿电桥法本讲稿第五十七页，共八十一页当当当当冷冷冷冷端端端端温温温温度度度度由由由由t t t

49、t0 0 0 0变变变变化化化化到到到到t t t t 0 0 0 0时时时时，不不不不妨妨妨妨设设设设t t t t 0 0 0 0 tttt0 0 0 0，热热热热电电电电偶偶偶偶输输输输出出出出的的的的热热热热电电电电势势势势减减减减小小小小，但但但但电电电电桥桥桥桥中中中中R R R RCuCuCuCu随随随随温温温温度度度度的的的的上上上上升升升升而而而而增增增增大大大大，于于于于是是是是电电电电桥桥桥桥两两两两端端端端会会会会产产产产生一个不平衡电压生一个不平衡电压生一个不平衡电压生一个不平衡电压Uab(tUab(tUab(tUab(t 0 0 0 0)此时回路中输出的热电势为此时

50、回路中输出的热电势为此时回路中输出的热电势为此时回路中输出的热电势为:经经经经过过过过设设设设计计计计，可可可可使使使使电电电电桥桥桥桥的的的的不不不不平平平平衡衡衡衡电电电电压压压压等等等等于于于于因因因因冷冷冷冷端端端端温温温温度度度度变变变变化化化化引引引引起起起起的的的的热热热热电电电电势变化，即势变化，即势变化，即势变化，即于是实现了冷端温度的自动补偿。于是实现了冷端温度的自动补偿。于是实现了冷端温度的自动补偿。于是实现了冷端温度的自动补偿。实实实实际际际际的的的的补补补补偿偿偿偿电电电电桥桥桥桥一一一一般般般般是是是是按按按按t t t t0 0 0 020202020设设设设计计