第五章温度检测原理

1、第五章第五章 温度测量温度测量 第一节第一节 温度测量概述温度测量概述 一、温度与温标一、温度与温标 （一）温度（一）温度 u温度是表征物体冷热程度的物理量温度是表征物体冷热程度的物理量 u温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物 理量理量 u温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量 u温度的温度的宏观概念宏观概念是建立在热平衡基础上的。是建立在热平衡基础上的。 任意两个冷热程度不同的物体相互接触，任意两个冷热程度不同的物体相互接触， 它们之间必然会发生热交换现象，热量要它们之间必然会发生热交换现象，热量要 从温度高的物体

2、传向温度低的物体，直到从温度高的物体传向温度低的物体，直到 两物体之间的温度完全一致时，这种热传两物体之间的温度完全一致时，这种热传 递现象才能停止。这也就是热力学第零定递现象才能停止。这也就是热力学第零定 律所描述的，系统温度相等是建立热平衡律所描述的，系统温度相等是建立热平衡 的充要条件。的充要条件。 u温度的温度的微观概念微观概念表明：物体温度的高低标志表明：物体温度的高低标志 着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程 度，即对其分子平均动能大小的一种量度。度，即对其分子平均动能大小的一种量度。 显然物体的物理化学特性与温度密切相关。显然物体的物理化学

3、特性与温度密切相关。 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 一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就 是是测温的依据测温的依据。如果事先已经知道一个物体的。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的确定关系，就可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变化情况，这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础。就是设计与制作温度计的数学物理基础

4、。 虽然有不少物体的某些性质或状态（如电阻、虽然有不少物体的某些性质或状态（如电阻、 体积、电势等）会随温度的变化而变化，但并体积、电势等）会随温度的变化而变化，但并 不是所有的物质都可制作成温度计。选作温度不是所有的物质都可制作成温度计。选作温度 计的物质，计的物质，其性质必须满足以下条件：其性质必须满足以下条件： u物质的某一属性物质的某一属性G仅与温度仅与温度T有关，即有关，即G = G(T)，且，且 必须是单调函数，最好是线性的。必须是单调函数，最好是线性的。 u随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强，随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强， 以保证仪表的灵敏度和测量精

5、确度。以保证仪表的灵敏度和测量精确度。 u应有较宽的测量范围。应有较宽的测量范围。 u有较好的复现性和稳定性。有较好的复现性和稳定性。 （三）温标（三）温标 温标是温度数值化的标尺。它规定了温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。各种度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。温度计的刻度数值均由温标确定。 1 1经验温标经验温标 它是借助于某一种物质的物理量与温度变它是借助于某一种物质的物理量与温度变 化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温 标。标。 u摄氏温标摄氏温标 摄氏温标规定标准大气压

6、下纯水的冰摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰 融点为融点为0度，水沸点为度，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，符号为度，符号为。 u 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华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点 为为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，每 格为华氏格为华氏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： 5 CF32 9 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

7、性性 2热力学温标热力学温标 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）或绝对温 标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。 它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关它建于热力学基础，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的理想温标，而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标， 已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温 标。标。 热力学中卡诺定理指出：热力学中卡诺定理指出：一个理想的卡诺一个理想的卡诺 机，当它工作于温度为机，当它工作于温度为T T2 2的热源与温度为的热源与温度

8、为T T1 1的的 冷源之间，它从热源中吸收的热量冷源之间，它从热源中吸收的热量Q Q2 2与向冷源与向冷源 中放出的热量中放出的热量Q Q1 1，应遵循以下关系：，应遵循以下关系： 这就是建立热力学温标的物理基础。如果这就是建立热力学温标的物理基础。如果 指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比 求得未知温度值。求得未知温度值。 11 22 TQ TQ 热力学温标规定水在标准大气压下热力学温标规定水在标准大气压下 的三相点为的三相点为273.16K273.16K，沸点与三相点之间，沸点与三相点之间 分为分为100100等分，每等分等分，每等分1K1K，

9、将水的三相点，将水的三相点 以下以下273.16K273.16K定为绝对零度（定为绝对零度（0K0K）。）。 3 3国际温标国际温标 u为了使用方便，国际上经协商，决定建立一为了使用方便，国际上经协商，决定建立一 种既使用方便，又具有一定科学技术水平的种既使用方便，又具有一定科学技术水平的 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复现精度高，各国均能以很高的准确度复现复现精度高，各国均能以很高的准确度复现 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用于复现温标的标准温度计，使用方便

10、，性用于复现温标的标准温度计，使用方便，性 能稳定能稳定 国际实用温标国际实用温标是用来复现热力学温标的，简是用来复现热力学温标的，简 称称IPTS-68IPTS-68，它是由，它是由19681968年国际权度会议通过的。年国际权度会议通过的。 这个温标经过这个温标经过2020多年使用，发现了一些问题，已多年使用，发现了一些问题，已 无法满足现代科学发展对温度测量的要求。国际无法满足现代科学发展对温度测量的要求。国际 计量委员会决定用计量委员会决定用19901990年国际温标（年国际温标（ITS-90ITS-90）代）代 替替IPTS-68IPTS-68。 在在19901990年国际温标中指出

11、，热力学温标是基年国际温标中指出，热力学温标是基 本物理量。单位开尔文，符号为本物理量。单位开尔文，符号为K K。它规定水的。它规定水的 三相点热力学温度为三相点热力学温度为273.16K273.16K，定义开尔文一度，定义开尔文一度 等于水三相点热力学温度的等于水三相点热力学温度的1/273.161/273.16。 在在ITS-90中同时使用国际开尔文温度（符号中同时使用国际开尔文温度（符号 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单位为开尔文（单位为开尔文（K），），t90单位为摄氏度单位为摄氏度 （

12、）。这里所说的摄氏度符合国际实用温标）。这里所说的摄氏度符合国际实用温标 （ITS-90）的规定。）的规定。 ITS-90的一些规定如下：的一些规定如下： u由由0.65K到到4He临界点（临界点（5.2K）温度范围为一温）温度范围为一温 度段，在此温度段内用度段，在此温度段内用3He和和4He周期压力与温度周期压力与温度 的关系来确定温度。的关系来确定温度。 u由由4He沸点（沸点（4.2K）到氖三相点（）到氖三相点（24.6K）温度）温度 范围内，范围内，T90的确定采用在三个规定温度点分度的确定采用在三个规定温度点分度 过的过的3He或或4He气体温度计内插。这三个点分别是气体温度计内插

13、。这三个点分别是 氖三相点（氖三相点（24.6K）、平衡氢三相点（）、平衡氢三相点（13.8K） 和和4He正常沸点（正常沸点（4.2K）。）。 u由 平 衡 氢 三 相 点 （由 平 衡 氢 三 相 点 （ 1 3 . 8 K ） 到 银 凝 固 点） 到 银 凝 固 点 （962），这个温度段内，标准仪器应用铂），这个温度段内，标准仪器应用铂 电阻温度计。电阻温度计。 u银凝固点（银凝固点（962）以上温度区间采用普朗克）以上温度区间采用普朗克 定律外推。定律外推。 二、温度标准的传递二、温度标准的传递 与国际实用温标有关的基准仪器均由国家与国际实用温标有关的基准仪器均由国家 指定机构（我

14、国由中国计量科学研究所）保存，指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存， 并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督 局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行 校验。校验。 三、温度测量方法及测量仪表的分类三、温度测量方法及测量仪表的分类 u温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物 理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变 化量的测量间接地获得温度值。化量的测量间接地获得温度值。 u根据温度测量仪表地使用方式，通常可分类为根据温度测量仪表

15、地使用方式，通常可分类为 接触法接触法与与非接触法非接触法两大类。两大类。 1. 接触法接触法 u当两个物体接触后，经过足够长的时间达到当两个物体接触后，经过足够长的时间达到 热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其 中之一为温度计，就可以用它对另一个物体中之一为温度计，就可以用它对另一个物体 实现温度测量，实现温度测量，这种测温方式称为接触法这种测温方式称为接触法。 u特点：特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，温度计要与被测物体有良好地热接触， 使两者达到热平衡。使两者达到热平衡。 2.非接触法非接触法 u利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定利用物体

16、的热辐射能随温度变化的原理测定 物体温度，物体温度，这种测温方式称为非接触法这种测温方式称为非接触法。 u特点：特点：不与被测物体接触，也不改变被测物不与被测物体接触，也不改变被测物 体的温度分布，热惯性小。体的温度分布，热惯性小。 u通常用来测定通常用来测定10001000以上的移动、旋转或反以上的移动、旋转或反 应迅速的高温物体的温度。应迅速的高温物体的温度。 u按工作原理来划分，也根据温度范围按工作原理来划分，也根据温度范围 （高温、中温、低温等）或仪表精度（高温、中温、低温等）或仪表精度 （基准、标准等）来划分。（基准、标准等）来划分。 3.测量仪表的分类测量仪表的分类 u接触式测温法

17、是使感温元件直接与被测物接触式测温法是使感温元件直接与被测物 体或直接与被测介质接触，感受被测物体体或直接与被测介质接触，感受被测物体 或被测介质的温度变化。或被测介质的温度变化。 u膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计 u非接触式测温仪表是采用感温元件与被测非接触式测温仪表是采用感温元件与被测 物体不直接接触的方法来测量温度。物体不直接接触的方法来测量温度。 u在高温范围内，用直接接触测温法非常困在高温范围内，用直接接触测温法非常困 难，可采用非接触式测温法，利用物体的难，可采用非接触式测温法，利用物体的 热辐射特性对物体的温度进行非接触式测热辐射特性对物

18、体的温度进行非接触式测 量。量。 u光学高温计光学高温计、比色高温计、辐射高温计、比色高温计、辐射高温计 型 式 温度计种类 优 点 缺 点 使用范围 玻璃液体温度计 结构简单、使用方便、 测量准确、价格低廉 容易破损、读数麻烦、一 般只能现场指示，不能记 录与远传 100100(150)有机液体 O350(一30650) 水银 接双金属温度计 结构简单、机械强度 大、价格低、能记录、 报警与自控 精度低、不能离开测量点 测量，量程与使用范围均 有限 0300，-50600) 触 式 压力式温度计 结构简单、不怕震动、 具有防爆性、价格低 廉、能记录、报警与 自控 精度低、测量距离较远时。 仪

19、表的滞后性较大、一般 离开测量点不超过10米 O500(-50600)液体型 0100(-50200)蒸汽型 温 度 电阻温度计 测羹精度高，便于远 距离、多点、集中测 量和自动控制 结构复杂、不能测量高温， 由于体积大，测点温度较 困难 一150500(一200 600)铂电阻 Onl00(一50150)铜电阻 50150(180)镍电阻 100200(300)热敏电阻 计热电偶温度计 测温范围广，精度高， 便于远距离、多点、 集中测量和自动控制 需冷端温度补偿，在低温 段测量精度较低 一201300(1600)铂铑10一铂 一501000(1200)镍铬一镍硅 一40800(900)镍铬一

20、铜镍 一40300(350)铜一铜镍 非 接 触 光学高温计 携带用、可测量高温、 测温时不破坏被测物 体温度场 测量时，必须经过人工调 整，有人为误差，不能作 远距离测量，记录和自控 9002000(7002000) 式 温 度 计 辐射高温计 测温元件不破坏被测 物体温度场，能作远 距离测量、报警和自 控、测温范围广 只能测高温，低温段测量 不准，环境条件会影响测 量精度，连续测高温时须 作水冷却或气冷却 1002000(502000) 第二节 膨胀式温度计 膨胀式温度计是利用物体受热膨胀膨胀式温度计是利用物体受热膨胀 的原理制成的温度计，主要有的原理制成的温度计，主要有液体膨胀液体膨胀

21、式温度计、固体膨胀式温度计和压力式式温度计、固体膨胀式温度计和压力式 温度计温度计三种。三种。 一、液体膨胀式温度计一、液体膨胀式温度计 1. 测温原理测温原理 2. 主要特点主要特点 3. 分类分类 4. 测温误差分析测温误差分析 二、固体膨胀式温度计二、固体膨胀式温度计 它是利用两种线膨胀系数不同的材料它是利用两种线膨胀系数不同的材料 制成，有杆式和双金属片式两种。制成，有杆式和双金属片式两种。 感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成 的 三、压力式温度计三、压力式温度计 u它是利用密闭容积内工作介质随温度它是利用密闭容积内工作介质随温度 升高而压力升高的性质，通过对工作升

22、高而压力升高的性质，通过对工作 介质的压力测量来判断温度值的一种介质的压力测量来判断温度值的一种 机械式仪表。机械式仪表。 u工作介质是气体、液体或蒸气工作介质是气体、液体或蒸气 u简单可靠、抗振性能好，具有良好的简单可靠、抗振性能好，具有良好的 防爆性防爆性 u动态性能差，示值的滞后较大，不能动态性能差，示值的滞后较大，不能 测量迅速变化的温度测量迅速变化的温度 第三节第三节 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

23、）信号，）信号， 配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现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。温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。小、响应时间短等各种优点。 u它既可以用于流体温度测量，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

24、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。 铠装热电偶图型铠装热电偶图型 WRTK2-434/8*1000mm 铠装固定卡套法兰热电偶铠装固定卡套法兰热电偶 WRSK-143/6*1000mm Gh3030 铠装防爆热电偶铠装防爆热电偶 WRNK-332/4*1000mm Gh2520 铠装可动卡套螺纹热电偶铠装可动卡套螺纹热电偶 一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理 两种不同的导体（或半导体）两种不同的导体（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相接的两个相接的两个 接点温度接点温度T T和和T T0 0不

25、同时，则在回路中就会产生不同时，则在回路中就会产生 一个电势，这种现象叫做一个电势，这种现象叫做热电效应热电效应。由此效。由此效 应所产生的电势，通常称为应所产生的电势，通常称为热电势热电势，用符号，用符号 EAB（T，T0）表示。表示。 B A TT0 参考端 冷端 工作端 热端 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 称为热电偶的称为热电偶的热电极热电极。热电偶的两个接点中，。热电偶的两个接点中， 置于被测介质（温度为置于被测介质（温度为T）中的接点称为）中的接点称为工作工作 端或热端端或热端，温度为参考温度，温度为参考温度T0的一端称为的一端称为参参 考端或

26、冷端考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分。热电偶产生的热电势由两部分 组成：组成：接触电势和温差电势接触电势和温差电势。 1接触电势接触电势 接触电势用接触电势用EAB(T)表示，其数值可用下式表表示，其数值可用下式表 示示 式中式中 e 单位电荷，单位电荷，4.802X10-10静电单位；静电单位； K波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，K=1.3810-23J/K； NA(T)、NB(T)材料材料A、B在温度为在温度为T时时 的自由电子密度；的自由电子密度； TA、B接触点的温度，接触点的温度，K。 A AB B N (T)KT E(T)ln eN (T) u从理论上可以证明该接触电势的大小和从

27、理论上可以证明该接触电势的大小和 方向主要取决于方向主要取决于两种材料的性质（电子两种材料的性质（电子 密度）和接触面温度的高低密度）和接触面温度的高低。 u温度越高，接触电势越大；两种导体电温度越高，接触电势越大；两种导体电 子密度比值越大，接触电势也越大。子密度比值越大，接触电势也越大。 2 2温差电势温差电势 温差电势可表示为温差电势可表示为 式中符号同前式。式中符号同前式。 0 T A0A T A K1 E (T,T )d(NT) eN 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 对于由对于由A和和B两种导体组成的热电偶闭两种导体组成的热电偶闭 合回路，设两端温度接点温度分别为

28、合回路，设两端温度接点温度分别为T和和T0， 且且TT0，NANB；那么回路中存在两个接触；那么回路中存在两个接触 电势电势E A B (T)和和E A B (T 0 )，两个温差电势，两个温差电势 EA(T,T0)和和EB(T,T0)。因此回路的总热电势。因此回路的总热电势 为为 AB0ABAB0B0A0 E (T,T )E (T) E (T ) E (T,T ) E (T,T ) 进行推导整理后，可得进行推导整理后，可得 对于确定的材料对于确定的材料A和和B，NA和和NB与与T的关的关 系已知，则上式可简写成下面的形式系已知，则上式可简写成下面的形式 EAB(T,T0)= f(T) f(T

29、0) 如果冷端温度如果冷端温度T0保持恒定，这个热电势就保持恒定，这个热电势就 是热端温度是热端温度T的单值函数，即的单值函数，即 EAB(T,T0)= f(T) C 0 T A AB0 T B N (T)K E(T,T )lndT eN (T) 两个两个 热电极热电极 热电热电 偶接偶接 点点 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热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材 料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电 偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。 u只

30、有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶， 相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。 u热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的 大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0 已知且恒定，则已知且恒定，则f（T0）为常数，回路总热电势）为常数，回路总热电势 EAB（T，T0）只是温度）只是温度T的单值函数。的单值函数。 u工程上所使用的各种类型的热电偶均把工程上所使用的各种类型的热电偶均把 E(t)和和t的关系制成易于查找的表格形式，的关系制成易于

31、查找的表格形式， 这种表格称为这种表格称为热电偶的热电偶的分度表分度表。 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 由一种均质导体组成的闭合回路中，不论由一种均质导体组成的闭合回路中，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。反之，如果度分布如何，都不能产生热电势。反之，如果 回路中有热电势存在则材料必为非均质的。回路中有热电势存在则材料必为非均质的。 u这条规律还要求热电偶的两种材料必须各这条规律还要求热电偶的两种材料必须各 自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度自都是均质的，否则会由于沿热

32、电偶长度 方向存在温度梯度而产生附加电势，从而方向存在温度梯度而产生附加电势，从而 因热电偶材料不均匀性引入误差。因热电偶材料不均匀性引入误差。 2中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体，只要第在热电偶回路中接入第三种导体，只要第 三种导体两端温度相同，该导体的引入对热电三种导体两端温度相同，该导体的引入对热电 偶回路的总电势没有影响。偶回路的总电势没有影响。 同理，热电偶回路中接入多种导体后，只同理，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，则对要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。热电偶的热电势没有影响。 u该定律表明热

33、电偶回路中可接入各种仪表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或连接导线。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环境温度，原热电偶回路的热电势将不受 接入仪表或导线的影响。接入仪表或导线的影响。 u该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接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而成，也可以借助均质等温的导体加以连 接。接。 3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时时 的热电势，等于接点温度为的热电势，等于接点温度为T、TN和和TN、T0的的 两支同

34、性质热电偶的热电势的代数和。两支同性质热电偶的热电势的代数和。 EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0) 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，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。 4.4.连接导体定律连接导体定律 在热电偶回路中，如果热电偶的电极材在热电偶回路中，如果热电偶的电极材 料料A和和B分别与连接导体分别与连接导体A和和B相连接，各相连接，各 有关接点温度为有关接点温度为t，tn和和t0，那么回路的总热，那么回路的总

35、热 电势等于热电偶两端处于电势等于热电偶两端处于t和和tn温度条件下温度条件下 的热电势的热电势EAB(t,tn)与连接导线与连接导线A和和B两端处两端处 于于tn和和t0温度条件下的热电势温度条件下的热电势EAB(tn,t0)的代的代 数和。数和。 EABBA(t,tn,t0)= EAB(t,tn)+ EAB(tn,t0) u中间温度定律和连接导体定律中间温度定律和连接导体定律是工业热是工业热 电偶测温中应用补偿导线的理论依据。电偶测温中应用补偿导线的理论依据。 1. 热电偶热电偶 分度号分度号 测量端温度测量端温度 () 参考端温度参考端温度 () 热电势热电势 (mV) S13000 B

36、14008.914 K3034.111 T-145-5.324 E80535 J56515 13.155 15 850 20 59.304 30.306 2.2.用热电偶测量金属壁面温度有两种方案，如下用热电偶测量金属壁面温度有两种方案，如下 图所示，当热电偶具有相同的参考端温度图所示，当热电偶具有相同的参考端温度t t0 0时，时， 问在壁温相等的两种情况下，仪表的示值是否问在壁温相等的两种情况下，仪表的示值是否 一样？为什么？一样？为什么？ 3.用两支分度号为用两支分度号为K的热电的热电 偶测量偶测量A区和区和B区的温差，区的温差， 连接回路如右图所示。连接回路如右图所示。 当热电偶参考端

37、温度当热电偶参考端温度t0 为为0时，仪表指示时，仪表指示 200。问在参考端温度。问在参考端温度 上升上升25时，仪表的指时，仪表的指 示值为多少？为什么？示值为多少？为什么？ 三、常用热电偶的材料、结构和分类三、常用热电偶的材料、结构和分类 1 1热电偶的材料热电偶的材料 虽然任意两种导体或半导体材料都可以配虽然任意两种导体或半导体材料都可以配 对制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对对制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对 它的要求却是多方面的。它的要求却是多方面的。 （1）两种材料所组成的热电偶应输出较大的）两种材料所组成的热电偶应输出较大的 热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势热

38、电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势 和温度之间尽可能呈线性的函数关系。和温度之间尽可能呈线性的函数关系。 （2）能应用于较宽的温度范围，物理化学性）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。性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能。 （3）要求热电偶材料有高导电率和低电阻温）要求热电偶材料有高导电率和低电阻温 度系数。度系数。 （4）具有较好的工艺性能，便于成批生产。）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。具有满意的复现性，便于采用统一的分度表。 2.

39、 热电偶结构热电偶结构 （1）热电极）热电极 （2）绝缘套管）绝缘套管 （3）保护套管）保护套管 （4）接线盒）接线盒 2. 标准化热电偶标准化热电偶 （1）廉金属热电偶）廉金属热电偶 1）T型（铜康铜）热电偶型（铜康铜）热电偶 2）K型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶 3）E型（镍铬康铜）热电偶型（镍铬康铜）热电偶 4）J型（铁康铜）热电偶型（铁康铜）热电偶 （2）贵金属热电偶）贵金属热电偶 1）S型（铂铑型（铂铑10铂）热电偶铂）热电偶 2）R型（铂铑型（铂铑13铂）热电偶铂）热电偶 3）B型（铂铑型（铂铑30铂铑铂铑6）热电偶）热电偶 3.非标准化热电偶非标准化热电偶

40、（1）钨铼系热电偶）钨铼系热电偶 （2）钨铱系热电偶）钨铱系热电偶 （3）其他非标准化热电偶）其他非标准化热电偶 四、热电偶测温系统四、热电偶测温系统 热电偶测温系统是由热电偶、补偿导热电偶测温系统是由热电偶、补偿导 线、测量仪表及相应的电路构成的。线、测量仪表及相应的电路构成的。 （一）热电偶参考端的温度处理（一）热电偶参考端的温度处理 1. 1. 补偿导线法补偿导线法 u原理：原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的在一定温度范围内，与配用热电偶的 热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导 线为补偿导线。线为补偿导线。 补偿导线补偿导线 补偿导线补偿导线

41、回路总热电势为回路总热电势为 E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0) E=EAB(T,T0) EAB(T0,T0)=EAB(T0,T0) u常用补偿导线的结构分为常用补偿导线的结构分为普通型普通型和和带屏带屏 蔽层型蔽层型两种两种 u按照补偿原理分为按照补偿原理分为补偿型补偿型及及延伸型延伸型两种两种 补偿导线补偿导线 u按使用温度可分为按使用温度可分为一般用一般用（0100） 和和耐热用耐热用（0200） 2. 计算修正法计算修正法 当用补偿导线把热电偶的冷端延长到某当用补偿导线把热电偶的冷端延长到某 一温度一温度T0处（通常是环境温度），然后再处（通常是环境温度），然后再 对冷端温度

42、进行修正。对冷端温度进行修正。 3. 冷端恒温法冷端恒温法 （1）把冷端引至冰点槽内，维持冷端始终）把冷端引至冰点槽内，维持冷端始终 为为0，但使用起来不大方便。，但使用起来不大方便。 （2）把冷端用补偿导线引至电加热的恒温）把冷端用补偿导线引至电加热的恒温 器内器内 4.补偿电桥法补偿电桥法 补偿电桥法是在热电偶测温系统中串补偿电桥法是在热电偶测温系统中串 联一个不平衡电桥，此电桥输出的电压随联一个不平衡电桥，此电桥输出的电压随 热电偶冷端温度变化而变化，从而修正热热电偶冷端温度变化而变化，从而修正热 电偶冷端温度波动引入的误差。电偶冷端温度波动引入的误差。 （二）热电偶的检定和误差分析（二

43、）热电偶的检定和误差分析 1. 1. 热电偶的检定热电偶的检定 u为了保证热电偶的测量精度，必须定期进为了保证热电偶的测量精度，必须定期进 行检定。热电偶的检定方法有两种，行检定。热电偶的检定方法有两种，比较比较 法法和和定点法定点法。 u用被校热电偶和标准热电偶同时测量同一用被校热电偶和标准热电偶同时测量同一 对象的温度，然后比较两者示值，以确定对象的温度，然后比较两者示值，以确定 被检电偶的基本误差等质量指标，这种方被检电偶的基本误差等质量指标，这种方 法称为法称为比较法比较法。 2. 热电偶测温误差分析热电偶测温误差分析 （1）分度误差分度误差：指检定时产生的误差，其值：指检定时产生的误

44、差，其值 不得超过允许误差。不得超过允许误差。 （2）冷端温度引起的误差冷端温度引起的误差 （3）补偿导线的误差补偿导线的误差：它是由于补偿导线的：它是由于补偿导线的 热电特性与所配热电偶不完全相同所造成的热电特性与所配热电偶不完全相同所造成的 （4）热交换所引起的误差热交换所引起的误差 （5）测量线路和显示仪表的误差测量线路和显示仪表的误差 （6）其他误差其他误差 （三）热电偶的使用与安装（三）热电偶的使用与安装 1. 使用注意事项使用注意事项 2. 安装原则安装原则 第三节第三节 电阻温度计电阻温度计 WZP2-240/A级级3线线300/150mmE(0-300)隔爆热电阻隔爆热电阻 W

45、ZC-111/12*1000mm Cu50铜热电阻铜热电阻 WZPK2-103/B级级6*515mm(0-300)铂热电阻铂热电阻 导体或半导体的电阻率与温度有关，利导体或半导体的电阻率与温度有关，利 用此特性制成电阻温度感温件，它与测量电用此特性制成电阻温度感温件，它与测量电 阻阻值的仪表配套组成电阻温度计。阻阻值的仪表配套组成电阻温度计。 优点：测温准确度高，信号便于传送。优点：测温准确度高，信号便于传送。 缺点：不能测太高的温度，需外部电源缺点：不能测太高的温度，需外部电源 供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而 产生测量误差。产生测量误差。 一、热

46、电阻的特性一、热电阻的特性 u热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温 元件。元件。 u铂热电阻和铜热电阻属国际电工委员会推荐的，铂热电阻和铜热电阻属国际电工委员会推荐的， 也是我国国标化的热电阻。也是我国国标化的热电阻。 电阻温度系数：在某一温度间隔内，温电阻温度系数：在某一温度间隔内，温 度变化度变化1 1 时的电阻相对变化量，单位为时的电阻相对变化量，单位为 1/1/。 0 000 () tt tt RRR RttRt 大多数金属热电阻随其温度升高而增加，当大多数金属热电阻随其温度升高而增加，当 温度升高温度升高1时，其阻值约增加时，其阻值约增加0

47、.4%0.6%，称，称 具有正的电阻温度系数。电阻值具有正的电阻温度系数。电阻值Rt与温度与温度t（） 的关系可表示为的关系可表示为 Rt = R0（1 + At + Bt2 + Ct3） 式中式中 Rt 温度为温度为t时金属导体的电阻；时金属导体的电阻； R0 温度为温度为0时金属导体的电阻；时金属导体的电阻； A、B、C 与金属材料有关的常数。与金属材料有关的常数。 大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而 减 小 ， 当 温 度 升 高减 小 ， 当 温 度 升 高 1 时 ， 其 阻 值 约 减 小时 ， 其 阻 值 约 减 小 3%6%，称具有负的

48、电阻温度系数。电阻值，称具有负的电阻温度系数。电阻值RT 与热力学温度与热力学温度T（K）的关系可表示为）的关系可表示为 RT = RT0exp B (1/T)B (1/T0) 式中，式中，RT0 热力学温度热力学温度T0（K）时的电阻值；）时的电阻值； B 与半导体材料有关的常数。与半导体材料有关的常数。 虽然大多数金属和半导体的电阻与温度之虽然大多数金属和半导体的电阻与温度之 间都存在着一定的关系，但并不是所有的金属间都存在着一定的关系，但并不是所有的金属 或半导体都能做成电阻温度计。用于测温的热或半导体都能做成电阻温度计。用于测温的热 电阻（或热敏电阻）应满足以下要求：电阻（或热敏电阻）

49、应满足以下要求： （1 1）电阻温度系数要大，以得到高敏感度；）电阻温度系数要大，以得到高敏感度； （2 2）在测温范围内化学与物理性能要稳定；）在测温范围内化学与物理性能要稳定； （3 3）复现性要好；）复现性要好； （4 4）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而 保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响 应比较快；应比较快； （5 5）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分 度和读数；度和读数； （6 6）价格相对低廉。）价格相对低廉。 目前已被采用的电阻温度计具有如下特点：目

50、前已被采用的电阻温度计具有如下特点： （1）在中低温范围内其精确度高于热电偶温度计；）在中低温范围内其精确度高于热电偶温度计； （2）灵敏度高，当温度升高）灵敏度高，当温度升高1时，大多数热电阻时，大多数热电阻 的阻值增加的阻值增加0.4%0.6%，半导体材料的阻值降低，半导体材料的阻值降低 3%6%； （3）热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得）热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得 多，因此不宜测量点温度与动态温度，半导体热多，因此不宜测量点温度与动态温度，半导体热 敏电阻虽然体积较小，但其稳定性和复现性却较敏电阻虽然体积较小，但其稳定性和复现性却较 差。差。 热电阻的电阻值与温度的关系特性有热电阻的电阻值与温度的关系特性有 三种表示方法：三种表示方法： 作图法作图法 函数表示法函数表示法 列表法列表法 二、常用热电阻元件二、常用热电阻元件 1铂热电阻铂热电阻 u特点：特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化 性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都 非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的 工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。 与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。与其他热电阻