测控基础(5-1)温度

1、第五章第五章 温度的测量与变送温度的测量与变送 温度是一个很重要的物理量，它是国际单位制中基本温度是一个很重要的物理量，它是国际单位制中基本物理量之一，也是工业生产中的主要工艺参数。物理量之一，也是工业生产中的主要工艺参数。 物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。因此，温度的测生产过程均是在一定温度范围内进行的。因此，温度的测量是保证生产正常进行，确保产品质量和安全生产的关键量是保证生产正常进行，确保产品质量和安全生产的关键环节。环节。 一、温标一、温标 温度是表示物体冷热程度的物理量。温度是表示物体

2、冷热程度的物理量。用来量度物体温用来量度物体温度高低的标尺叫温度标尺，简称温标。它规定了温度的起度高低的标尺叫温度标尺，简称温标。它规定了温度的起点和测量温度的基本单位。点和测量温度的基本单位。各种温度计的分度值都是由温各种温度计的分度值都是由温标决定的。目前国际上用的较多的温标有摄氏温标和国际标决定的。目前国际上用的较多的温标有摄氏温标和国际实用温标，我国法定计量单位现已采用了这两种温标。实用温标，我国法定计量单位现已采用了这两种温标。1 1摄氏温标摄氏温标 摄氏温标是根据物体受热后体积膨胀的性质建立起来的，摄氏温标是根据物体受热后体积膨胀的性质建立起来的，一般用符号一般用符号t t表示，单

3、位是度，记作表示，单位是度，记作。规定在标准大气。规定在标准大气压下冰的熔点为零度（压下冰的熔点为零度（00），将水的沸点定为），将水的沸点定为100100。在在0 0100100之间划分之间划分100100等分，每一等分为等分，每一等分为1 1度（度（11）。）。摄氏温标是工程上通用的温度标尺。摄氏温标是工程上通用的温度标尺。2 2国际实用温标国际实用温标 国际温标是一个国际协议性温标。由英国物理学家开尔国际温标是一个国际协议性温标。由英国物理学家开尔文提出了热力学温标和绝对零度的概念。从绝对零度算起，文提出了热力学温标和绝对零度的概念。从绝对零度算起，水的冰点为水的冰点为273.15K 2

4、73.15K ，沸点为，沸点为373.15K 373.15K 。用符号。用符号T T表示，表示，单位是开尔文，记为单位是开尔文，记为K K。它与摄氏温度之间的关系为：。它与摄氏温度之间的关系为： t tT T273.15273.15 式中：式中：T T单位是开尔单位是开尔文，文，K K； t t单位是摄氏度，单位是摄氏度，。 温度的测量与变送（续）温度的测量与变送（续） 二、膨胀式温度计二、膨胀式温度计 基于物体受热膨胀的性质而制成的温度计叫做膨胀式温基于物体受热膨胀的性质而制成的温度计叫做膨胀式温度计。它又分为液体膨胀、气体膨胀和固体膨胀三大类。度计。它又分为液体膨胀、气体膨胀和固体膨胀三大

5、类。（一）玻璃管液体温度计（一）玻璃管液体温度计 液体膨胀式温度计中应用最广泛的是玻璃管液体温度计，液体膨胀式温度计中应用最广泛的是玻璃管液体温度计，其结构简单、使用方便、精确度高、价格低廉。其结构简单、使用方便、精确度高、价格低廉。1 1测温原理测温原理 当玻璃温包插入被测介质中，由于被测介质的温度变当玻璃温包插入被测介质中，由于被测介质的温度变化，使感温液体膨胀或收缩，因而沿毛细管上升或下降，化，使感温液体膨胀或收缩，因而沿毛细管上升或下降，由刻度标尺显示出温度的数值由刻度标尺显示出温度的数值。温度的测量与变送（续）温度的测量与变送（续）液体受热后体积膨胀和温度的关系可用下式表示：液体受热

6、后体积膨胀和温度的关系可用下式表示： V Vt tV Vt0t0( )(t t-t t0 0) ) 式中：式中：V Vt t液体在温度为液体在温度为tt时的体积；时的体积； V Vt0t0液体在温度为液体在温度为t t0 0时的体积；时的体积； 液体的体积膨胀系数；液体的体积膨胀系数； 盛液容器的体积膨胀系数。盛液容器的体积膨胀系数。 从式可以看出，从式可以看出，液体的膨胀系数液体的膨胀系数越大，温度计的灵越大，温度计的灵敏度就越高。敏度就越高。一般多常采用水银和酒精做工作液，其中一般多常采用水银和酒精做工作液，其中水银工作液较其它液体有许多优点，如不粘玻璃，不易水银工作液较其它液体有许多优点

7、，如不粘玻璃，不易氧化，容易提纯，线性较好等氧化，容易提纯，线性较好等 。玻璃管液体温度计（续）玻璃管液体温度计（续） 2 2结构与分类结构与分类 按结构可分为三种：棒状温度计、按结构可分为三种：棒状温度计、内标尺式温度计和外标尺式温度计。内标尺式温度计和外标尺式温度计。 棒状温度计如图（棒状温度计如图（a a）所示，它的标）所示，它的标尺直接刻在玻璃管的外表面上。尺直接刻在玻璃管的外表面上。 图（图（b b）是内标尺式温度计，它有）是内标尺式温度计，它有乳白色的玻璃片温度标尺，该标尺放乳白色的玻璃片温度标尺，该标尺放置在连通玻璃温包的毛细管后面，将置在连通玻璃温包的毛细管后面，将毛细管和标尺

8、一起套在玻璃管内，此毛细管和标尺一起套在玻璃管内，此温度计热惰性较大，但观测比较方便。温度计热惰性较大，但观测比较方便。外标尺式温度计是将连通玻璃温包的外标尺式温度计是将连通玻璃温包的毛细管固定在标尺板上，这种温度计毛细管固定在标尺板上，这种温度计多用来测量室温。多用来测量室温。玻璃管液体温度计（续）玻璃管液体温度计（续）水银玻璃管液体温度计水银玻璃管液体温度计 a）棒状；（）棒状；（b）内标尺式）内标尺式 1玻璃温包；玻璃温包；2毛细管；毛细管； 3刻度；刻度； 4玻璃外壳玻璃外壳 按用途分类又可分为：工按用途分类又可分为：工业、标准和实验室用三种。业、标准和实验室用三种。 标准玻璃温度计标

9、准玻璃温度计有棒状、有棒状、内标尺式的，其分度值为内标尺式的，其分度值为0.050.050.10.1；作为标准，用；作为标准，用于校验其它温度计。于校验其它温度计。 工业用温度计工业用温度计一般做成内一般做成内标尺式的，其尾部有直的、标尺式的，其尾部有直的、弯成弯成9090或或135 135 角，为了避角，为了避免工业用温度计在使用时被免工业用温度计在使用时被碰伤，在玻璃管外通常罩有碰伤，在玻璃管外通常罩有金属保护套管，在玻璃温包金属保护套管，在玻璃温包与金属套管壁之间填有良好与金属套管壁之间填有良好的导热物质。实验室用温度的导热物质。实验室用温度计形式和标准的相仿，精度计形式和标准的相仿，精

10、度也较高也较高玻璃管液体温度计（续）玻璃管液体温度计（续）工业用玻璃管液体温度计三、压力式温度计三、压力式温度计 压力式温度计压力式温度计是根据封闭容器中的液体、是根据封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽压，受热后体气体或低沸点液体的饱和蒸汽压，受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制作的，并用积膨胀或压力变化这一原理而制作的，并用压力表来测量此变化，从而测得温度。压力表来测量此变化，从而测得温度。1 1测温原理测温原理 对一定质量的气体或液体，如果它的体积对一定质量的气体或液体，如果它的体积一定，则它的压力与温度之间的关系可用下一定，则它的压力与温度之间的关系可用下式表示：式表示： 00

11、()ttpptt温度的测量与变送（续）温度的测量与变送（续） 式中：式中：P Pt t气、液体在温度气、液体在温度t t时的压力；时的压力； P Pt0t0气、液体在温度气、液体在温度t t0 0时的压力；时的压力； 气、液体的体积膨胀系数；气、液体的体积膨胀系数； 气、液体的压缩系数。气、液体的压缩系数。 当密封系统的容积不变时，气体或液体的压力与温度当密封系统的容积不变时，气体或液体的压力与温度呈线性关系，呈线性关系，由此原理制成的压力式温度计的标尺应为由此原理制成的压力式温度计的标尺应为均匀刻度均匀刻度。蒸气的压力与温度之间也呈一定的函数关系。蒸气的压力与温度之间也呈一定的函数关系。这就

12、是压力式温度计的测温原理。这就是压力式温度计的测温原理。压力式温度计（续）压力式温度计（续） 压力式温度计的基本结构如图所示。它是由充有感温介压力式温度计的基本结构如图所示。它是由充有感温介质的温包、传压元件（毛细管）及压力敏感元件（弹簧管）质的温包、传压元件（毛细管）及压力敏感元件（弹簧管）构成的全金属组件。温包内充填的感温介质有气体、液体构成的全金属组件。温包内充填的感温介质有气体、液体及蒸发液体等。测温时将温包置于被测介质中，温包内的及蒸发液体等。测温时将温包置于被测介质中，温包内的工作物质因温度升高体积膨胀而导致压力增大工作物质因温度升高体积膨胀而导致压力增大。该压力变该压力变化经毛细

13、管传给弹簧管并使其产生一定的形变，然后借助化经毛细管传给弹簧管并使其产生一定的形变，然后借助齿轮或杠杆等传动机构，带动指针转动，指示出相应的温齿轮或杠杆等传动机构，带动指针转动，指示出相应的温度度 。压力式温度计（续）压力式温度计（续） 由此可见，由此可见，温包、毛细管及弹簧管是压力式温度计的温包、毛细管及弹簧管是压力式温度计的三个主要部分，三个主要部分，其性能对该温度计的精度影响极大。其性能对该温度计的精度影响极大。 温包是直接与被测介质相接触的感温元件，要求它具温包是直接与被测介质相接触的感温元件，要求它具有一定强度、较低的膨胀系数、较高的热导率及一定的有一定强度、较低的膨胀系数、较高的热

14、导率及一定的抗腐蚀性能。抗腐蚀性能。 毛细管主要用来传递压力变化。毛细管主要用来传递压力变化。 如果毛细管细而长，则传递压力的滞后现象很严重，如果毛细管细而长，则传递压力的滞后现象很严重，致使温度计的响应速度变慢。但是，在长度相同的条件致使温度计的响应速度变慢。但是，在长度相同的条件下，毛细管越细，仪表的精确度越高。下，毛细管越细，仪表的精确度越高。 液体压力式温度计多以有机液体（甲苯、酒精等）或液体压力式温度计多以有机液体（甲苯、酒精等）或水银作为感温介质；气体压力式温度计多以氮气或氢气水银作为感温介质；气体压力式温度计多以氮气或氢气为感温介质；蒸汽压力式温度计以低沸点液体（丙酮、为感温介质

15、；蒸汽压力式温度计以低沸点液体（丙酮、乙醚等）为感温介质。乙醚等）为感温介质。 压力式温度计（续）压力式温度计（续）工作原理工作原理：（1 1）当介质的温度发生变化时，）当介质的温度发生变化时，温包中的感温液体的体积就发温包中的感温液体的体积就发生变化；生变化；（2 2）温度升高体积膨胀，多出）温度升高体积膨胀，多出温包的体积经毛细管进入多圈温包的体积经毛细管进入多圈弹簧管内腔，使内腔压力增高，弹簧管内腔，使内腔压力增高，从而使多圈弹簧管自由端产生从而使多圈弹簧管自由端产生大小和温度的变化成正比的角大小和温度的变化成正比的角位移；位移；（3 3）多圈弹簧管自由端带动记）多圈弹簧管自由端带动记录

16、笔杆旋转，笔尖的位移反映录笔杆旋转，笔尖的位移反映了温度的变化。了温度的变化。（4 4）钟机通过摩擦片带动螺杆）钟机通过摩擦片带动螺杆转动，并记录下记录筒的垂直转动，并记录下记录筒的垂直位移，记录筒向下移动正比于位移，记录筒向下移动正比于时间，所以卡片上记录到的就时间，所以卡片上记录到的就是温度和时间的关系曲线。是温度和时间的关系曲线。工作原理工作原理：（1 1）当介质的温度发生变化时，）当介质的温度发生变化时，温包中的感温液体的体积就发温包中的感温液体的体积就发生变化；生变化；（2 2）温度升高体积膨胀，多出温）温度升高体积膨胀，多出温包的体积经毛细管进入多圈弹包的体积经毛细管进入多圈弹簧管

17、内腔，使内腔压力增高，簧管内腔，使内腔压力增高，从而使多圈弹簧管自由端产生从而使多圈弹簧管自由端产生大小和温度的变化成正比的角大小和温度的变化成正比的角位移；位移；（3 3）多圈弹簧管自由端带动记录）多圈弹簧管自由端带动记录笔杆旋转，笔尖的位移反映了笔杆旋转，笔尖的位移反映了温度的变化。温度的变化。（4 4）钟机通过摩擦片带动螺杆转）钟机通过摩擦片带动螺杆转动，并记录下记录筒的垂直位动，并记录下记录筒的垂直位移，记录筒向下移动正比于时移，记录筒向下移动正比于时间，所以卡片上记录到的就是间，所以卡片上记录到的就是温度和时间的关系曲线。温度和时间的关系曲线。四、双金属温度计四、双金属温度计 利用两

18、种膨胀系数不同的金属元利用两种膨胀系数不同的金属元件来测量温度的温度计称双金属温件来测量温度的温度计称双金属温度计。度计。 它是一种固体膨胀式温度计。其它是一种固体膨胀式温度计。其结构简单、牢固，可部分取代水银结构简单、牢固，可部分取代水银温度计，用于气、液体及蒸汽的温温度计，用于气、液体及蒸汽的温度测量。采用双金属温度计是解决度测量。采用双金属温度计是解决汞害的一条途径。汞害的一条途径。 双金属温度计是由种膨胀系数不双金属温度计是由种膨胀系数不同的金属薄片叠焊在一起制成的。同的金属薄片叠焊在一起制成的。如图（如图（a a）所示。双金属片受热后由）所示。双金属片受热后由于两种金属片的膨胀系数不

19、同而产于两种金属片的膨胀系数不同而产生弯曲变形，弯曲的程度与温度高生弯曲变形，弯曲的程度与温度高低成比例。低成比例。 温度的测量与变送（续）温度的测量与变送（续） 为了提高仪表的灵敏度，工业为了提高仪表的灵敏度，工业上应用的双金属温度计是将双金上应用的双金属温度计是将双金属片制成螺旋形，如图（属片制成螺旋形，如图（b b）所）所示。示。 一端固定在测量管的下部，另一端固定在测量管的下部，另一端为自由端，与插入螺旋形双一端为自由端，与插入螺旋形双金属片的中心轴焊接在一起。当金属片的中心轴焊接在一起。当被测温度发生变化时，双金属片被测温度发生变化时，双金属片自由端发生位移，使中心轴转动，自由端发生

20、位移，使中心轴转动，经传动放大机构，由指针指示出经传动放大机构，由指针指示出被测温度值被测温度值双金属温度计（续）双金属温度计（续） SW150型井下温度计除感温部型井下温度计除感温部分外，其余部分与分外，其余部分与CY614型型压力压力式式井下温度计基本相同。井下温度计基本相同。 感温部分有螺旋形双金属片、进感温部分有螺旋形双金属片、进液短节和护套组成。液短节和护套组成。 螺旋双金属片的材料，内层为螺旋双金属片的材料，内层为2Cr3Ni32，外层为，外层为Ni36。两层厚。两层厚度相同均为度相同均为0.21mm，宽为，宽为5.5mm，被卷成外径为被卷成外径为8.4mm、螺距、螺距6mm、约约

21、20圈的直螺旋柱，螺旋形双金属圈的直螺旋柱，螺旋形双金属片下端固定在护套上，上端固定着片下端固定在护套上，上端固定着记录笔杆和记录笔，为自由端。记录笔杆和记录笔，为自由端。工作原理：当热双金属在介质温度工作原理：当热双金属在介质温度变化时，由于内外两层的热膨胀系变化时，由于内外两层的热膨胀系数差别极大，在两层金属片相互叠数差别极大，在两层金属片相互叠焊不能自由伸长的条件下，便会向焊不能自由伸长的条件下，便会向膨胀系数小的一侧弯曲，每一点弯膨胀系数小的一侧弯曲，每一点弯曲积累的结果，其自由端就要产生曲积累的结果，其自由端就要产生相应的角位移带动装在热双金属螺相应的角位移带动装在热双金属螺旋自由端

22、的记录笔杆绕轴向旋转，旋自由端的记录笔杆绕轴向旋转，记录笔转角的大小代表了温度变化记录笔转角的大小代表了温度变化的多少，它构成记录卡片上的纵轴的多少，它构成记录卡片上的纵轴。装有记录卡片的记录筒钟机带动。装有记录卡片的记录筒钟机带动，沿螺旋杆做轴线运动，构成记录，沿螺旋杆做轴线运动，构成记录卡片的横轴。这样所测得的记录曲卡片的横轴。这样所测得的记录曲线就是温度随时间变化的曲线。线就是温度随时间变化的曲线。 五、热电偶温度计五、热电偶温度计 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。它的测热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。它的测量范围广、结构简单、使用方便，测温准确可靠，便于信量范围广、

23、结构简单、使用方便，测温准确可靠，便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。领域中应用极为普遍。 热电偶温度计是由热电偶、连接导线及显示仪表三部分热电偶温度计是由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。下图是最简单的热电偶温度计测温系统示意图。组成。下图是最简单的热电偶温度计测温系统示意图。123图3-6-6 热电偶温度计1-热电偶；2-导线；3-显示仪表123图3-6-6 热电偶温度计1-热电偶；2-导线；3-显示仪表温度的测量与变送（续）温度的测量与变送（续）（一）热电偶的测温原理（一）热电偶的测温原理 热电

24、偶是由两种不同的导体（或半导体）材料焊接或热电偶是由两种不同的导体（或半导体）材料焊接或绞接（见下图）而成，绞接（见下图）而成，焊接的一端与被测介质充分接触，焊接的一端与被测介质充分接触，感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端；另一端与导感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端；另一端与导线连接，称为自由端或冷端。线连接，称为自由端或冷端。导体导体A A、B B称为热电极。称为热电极。 热电效应：将热电效应：将热电偶热端加热，使得冷、热两端温度不热电偶热端加热，使得冷、热两端温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象叫热电效应。叫热

25、电效应。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 在热电偶回路中产生的热电势有在热电偶回路中产生的热电势有温差电势和接触电势温差电势和接触电势两部分两部分组成。组成。 （1 1）温差电势）温差电势 它是在同一导体材料的两端因其温度不同，它是在同一导体材料的两端因其温度不同，自由电子分布不均匀，而产生温差电动势。记为自由电子分布不均匀，而产生温差电动势。记为e e（t t，t t0 0）。）。此电势只与导体性质和导体两端的温度有关此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而与导体长度、，而与导体长度、截面大小及沿导体长度上的温度分布无关。截面大小及沿导体长度上的温度分布无关。 Att0U图3-6-8

26、温差电势的产生eA（t ,t0）热电偶温度计（续）热电偶温度计（续）（2 2）接触电势）接触电势: : 它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。电势。 当两种不同的导体当两种不同的导体A A和和B B相接触时，其自由电子密度不等，相接触时，其自由电子密度不等，则在两导体的接触面上，有电子扩散现象因而产生接触电则在两导体的接触面上，有电子扩散现象因而产生接触电势，记为势，记为e eABAB(t)(t)。 接触接触电势只与两种导体的性质和接触点的温度有关，电势只与两种导体的性质和接触点的温度有关，当当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接

27、触点的温度有关。两种导体的材料一定，接触电势仅与其接触点的温度有关。温度越高，导体中的电子就越活跃，由温度越高，导体中的电子就越活跃，由A A导体扩散到导体扩散到B B导体导体的电子数就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，的电子数就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。因而接触电势也就越大。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续）ABtUeAB（t）图3-6-9 接触电势的产生热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 导体导体A和和B相接触时，其自由相接触时，其自由电子密度不等，则在两导体的接电子密度不等，则在两导体的接触面上，有电子扩散现象因而产触面上，有电子扩散现象因而

28、产生接触电势，记为生接触电势，记为eAB(t)。 综上所述，由综上所述，由A A、B B两种不同导体组成的热电偶回两种不同导体组成的热电偶回路中，如果两接触点的温度不同，假设路中，如果两接触点的温度不同，假设 t tt t0 0，电子，电子密度密度 NNA ANNB B，则存在两个温差电势，则存在两个温差电势e eA A（t t，t t0 0）和）和e eB B（t t，t t0 0），两个接触电势），两个接触电势e eABAB(t)(t)和和e eABAB(t (t0 0) )，各电势的，各电势的方向示于图中。方向示于图中。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续）由图中可知，由图中可知，两个温差

29、电势的方向相反，两个接触电两个温差电势的方向相反，两个接触电势的方向也相反，因温差电势往往远小于接触电势，势的方向也相反，因温差电势往往远小于接触电势，所以常常把它忽略不计所以常常把它忽略不计.热电偶温度计（续）热电偶温度计（续）电路中的总电势电路中的总电势EAB(t，t0)可表示为：可表示为： EAB(t，t0)eAB(t)eAB(t0) 下脚注下脚注AB的顺序表示热电势的方向，的顺序表示热电势的方向，A表示为正极表示为正极（电子密度大的）导体，（电子密度大的）导体，B表示为负极（电子密度小的）表示为负极（电子密度小的）导体，导体，t表示高温端，表示高温端，t0表示低温端。如果次序改变，则表

30、示低温端。如果次序改变，则热电势前面的符号也应随之改变。即热电势前面的符号也应随之改变。即 eAB(t) eBA (t) EAB(t，t0)EBA (t，t0) EAB(t0，t) 由热电偶回路中的总电势可知，当由热电偶回路中的总电势可知，当A A、B B两种材料确定两种材料确定之后，热电势仅与两接点的温度之后，热电势仅与两接点的温度t t和和t t0 0有关，如果有关，如果t t0 0端温端温度保持不变，即度保持不变，即e eABAB(t (t0 0) )为常数，则热电偶回路中的总电为常数，则热电偶回路中的总电势就成为热端温度势就成为热端温度t t的单值函数，的单值函数，只要测出只要测出E

31、EABAB(t (t，t t0 0) )的的大小，就能得到被测温度大小，就能得到被测温度t t，这就是利用热电现象来测温，这就是利用热电现象来测温的原理。的原理。 说明：说明：如果组成热电偶回路的如果组成热电偶回路的A A、B B 导体材料相同，则无论两导体材料相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路内的总电势为零。接点温度如何，热电偶回路内的总电势为零。如果热电偶两端温度相同，尽管如果热电偶两端温度相同，尽管A A、B B两导体材料不同，两导体材料不同，热电偶回路内的总电势也为零。热电偶回路内的总电势也为零。热电偶回路中的热电势除了与两接点处的温度有关外，热电偶回路中的热电势除了与两接点处的温

32、度有关外，还与热电极的材料有关，也就是说不同热电极材料制成还与热电极的材料有关，也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的，参见各的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的，参见各种热电偶分度表。种热电偶分度表。 热电偶温度计（续）热电偶温度计（续）（3 3）引入第三种导体的问题）引入第三种导体的问题 为了测量热电偶产生的热电势，必须要用导线与显示仪表为了测量热电偶产生的热电势，必须要用导线与显示仪表构成闭合回路，这样就在热电偶回路中加入了第三导体，构成闭合回路，这样就在热电偶回路中加入了第三导体，而第三导体的引入又构成了新的接点，如下图中的点而第三导体的引入又构成了新的

33、接点，如下图中的点3 3和和点点4 4、点、点2 2和点和点3 3 ，引入第三导体后会不会影响热电偶的热，引入第三导体后会不会影响热电偶的热电势呢？下面分别对以下两种情况进行分析。电势呢？下面分别对以下两种情况进行分析。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） EABC(t，t1，t0)eAB (t)eBC (t1) eCB (t1)eBA (t0) ） 因为因为 eBC (t1)eCB (t1) eBA (t0) eAB (t0) 所以，式可以改写成：所以，式可以改写成： EABC(t，t1，t0)eAB (t)eAB (t0) EAB (t，t0)热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） A:右图

34、所示情况右图所示情况在电路中，在电路中，3、4接点温度相同接点温度相同（均为（均为t1），故回路中总的热），故回路中总的热电势为：电势为：所以回路中总的热电势与引入第三导体无关。 B:右图所示情况电路中的右图所示情况电路中的2、3接接点的温度相同（均为点的温度相同（均为t0），故回路中），故回路中总的热电势为：总的热电势为：根据能量守恒定律，多种导体组成根据能量守恒定律，多种导体组成的闭合回路中，尽管它们的材料不同，的闭合回路中，尽管它们的材料不同，只要各接点的温度相等，则此闭合回只要各接点的温度相等，则此闭合回路中的总电势等于零。即路中的总电势等于零。即ABC三种导三种导体组成的闭合回路，体

35、组成的闭合回路，EABC(t，t0)eAB (t)eAB (t0) EAB(t， t0) 结果表明热电势与第三导体的引入无关。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续）EABC(t，t0)eAB (t)eBC (t0) eCA (t0)EABC(t0，t0)eAB (t0)eBC (t0) eCA (t0) 0则：eAB (t0) eBC (t0) eCA (t0) （3-6-9）三个接点温度相同（均为t0），则回路中总热电势为：将式（3-6-9）代入前式得： 经过分析知：经过分析知： 在热电偶回路中，在热电偶回路中，接入第三种导体后，只要与第三种接入第三种导体后，只要与第三种导体连接的两接点的温度

36、相同，则对热电偶回路中的热导体连接的两接点的温度相同，则对热电偶回路中的热电势没有影响。电势没有影响。 同理，如在回路中引入多种导体，只要保证引入的导同理，如在回路中引入多种导体，只要保证引入的导体两端温度相同，均不会影响热电偶回路中的热电势体两端温度相同，均不会影响热电偶回路中的热电势。 这是热电偶回路中一个很重要的性质，正是由于这种这是热电偶回路中一个很重要的性质，正是由于这种性质的存在，才可以在回路中根据需要方便地引入各种性质的存在，才可以在回路中根据需要方便地引入各种连接导线及显示仪表。连接导线及显示仪表。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续）（二）常用热电偶二）常用热电偶 根据热电偶测

37、温原理，理论上任意两种导体都可以组根据热电偶测温原理，理论上任意两种导体都可以组成热电偶。但实际为保证一定的测量精度，对组成热电成热电偶。但实际为保证一定的测量精度，对组成热电偶的材料必须进行严格地选择。工业用热电极材料应满偶的材料必须进行严格地选择。工业用热电极材料应满足以下要求：足以下要求：1 1、热电极的物理和化学稳定性要高，即在测温范围内热电热电极的物理和化学稳定性要高，即在测温范围内热电特性（热电势与温度之间的关系）不随时间变化；特性（热电势与温度之间的关系）不随时间变化；2 2、电阻温度系数小，导电率高；电阻温度系数小，导电率高；3 3、温度每升高温度每升高11所产生的热电势要大，

38、而且热电势与温所产生的热电势要大，而且热电势与温度之间尽可能为线性关系；度之间尽可能为线性关系；3 3、材料组织要均匀，有韧性，复现性好（用同种成分材材料组织要均匀，有韧性，复现性好（用同种成分材料制成的热电偶其热电特性均相同的性质称复现性），料制成的热电偶其热电特性均相同的性质称复现性），便于成批生产及互换等。便于成批生产及互换等。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 在实际生产中同时具备上述要求的热电极材料在实际生产中同时具备上述要求的热电极材料是难以找到的。因此，应根据不同的测温范围，是难以找到的。因此，应根据不同的测温范围，选用不同的热电极材料。选用不同的热电极材料。 目前在国际上被公

39、认的比较好的热电极材料只目前在国际上被公认的比较好的热电极材料只有几种，这些材料是经过精选而且标准化了的，有几种，这些材料是经过精选而且标准化了的，应用在各种温度范围内，测量效果较好。现将工应用在各种温度范围内，测量效果较好。现将工业上最常用的（已标准化了的）几种热电偶介绍业上最常用的（已标准化了的）几种热电偶介绍如下：如下： 热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 1 1铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶（分度号为热电偶（分度号为B B） 也称双铂铑热电偶，是典型的高温热电偶。以铂铑也称双铂铑热电偶，是典型的高温热电偶。以铂铑3030（铂（铂7070，铑，铑3030）为正极，铂铑）为正极，铂

40、铑6 6（铂（铂9494，铑，铑6 6）为负极，其测温上限长期使用可达为负极，其测温上限长期使用可达16001600，短期可达，短期可达18001800。其热电特性在高温下更为稳定，适于在氧化性。其热电特性在高温下更为稳定，适于在氧化性或中性介质中使用。但它产生的热电势小，价格贵。在或中性介质中使用。但它产生的热电势小，价格贵。在室温下热电势极小（室温下热电势极小（2525时为时为2V2V，5050时为时为3V3V），因此当冷端温度在），因此当冷端温度在4040以下范围使用时，一以下范围使用时，一般不需要进行冷端温度补偿。般不需要进行冷端温度补偿。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 2 2铂

41、铑铂铑1010铂热电偶（分度号为铂热电偶（分度号为S S） 铂铑铂铑1010为正极，纯铂丝为负极，测温上限长期使用为为正极，纯铂丝为负极，测温上限长期使用为13001300，短期可达，短期可达16001600，适于在氧化性及中性介质中，适于在氧化性及中性介质中使用。物理化学性能稳定，耐高温，不易氧化，在所有使用。物理化学性能稳定，耐高温，不易氧化，在所有的热电偶中，它的精度最高，可用于精密温度测量和作的热电偶中，它的精度最高，可用于精密温度测量和作基准热电偶。基准热电偶。 3 3镍铬镍铬镍硅热电偶（分度号为镍硅热电偶（分度号为K K） 镍铬为正极，镍硅为负极，测温上限长期使用为镍铬为正极，镍硅

42、为负极，测温上限长期使用为10001000，短期使用可达，短期使用可达12001200。 此热电偶由于正、负极材料中都含镍，故抗氧化性抗此热电偶由于正、负极材料中都含镍，故抗氧化性抗腐蚀性好，腐蚀性好，500500以下可用于氧化性及还原性介质中，以下可用于氧化性及还原性介质中，500500以上只宜在氧化性和中性介质中使用。热电势与以上只宜在氧化性和中性介质中使用。热电势与温度近似为线性，热电势比铂铑温度近似为线性，热电势比铂铑1010铂热电偶高铂热电偶高3 34 4倍，倍，价格便宜，应用广泛。价格便宜，应用广泛。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 4 4镍铬镍铬康铜热电偶（分度号康铜热电偶（

43、分度号为为E E） 镍铬为正极，康铜（含镍镍铬为正极，康铜（含镍4040的铜镍合金）为负极，测的铜镍合金）为负极，测温范围为温范围为200200870870，但在，但在750750以上只宜短期使用。以上只宜短期使用。该热电偶稳定性好，价格低廉，该热电偶稳定性好，价格低廉，并可用于低温测量，尤其并可用于低温测量，尤其适宜在适宜在00以下使用以下使用，而且在湿度大的情况下，较其它热，而且在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀。电偶耐腐蚀。 5 5铜铜康铜热电偶（分度号康铜热电偶（分度号为为T T） 该热电偶正极为纯铜，负极为康铜，适用测温范围一般该热电偶正极为纯铜，负极为康铜，适用测温范围一般为为2

44、00200300300，短期可达，短期可达350350。在廉价金属热电偶中。在廉价金属热电偶中它的精确度高，稳定性好，低温测量灵敏度高，可用于真它的精确度高，稳定性好，低温测量灵敏度高，可用于真空、氧化、还原及中性介质中。但由于铜在高温时易氧化，空、氧化、还原及中性介质中。但由于铜在高温时易氧化，故一般使用时不超过故一般使用时不超过300300，因铜热电极的热导率高，在，因铜热电极的热导率高，在低温下易引入误差。低温下易引入误差。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续）6 6铁铁康铜热电偶（分度号为康铜热电偶（分度号为J J） 该热电偶正极为铁，负极为康铜，一般测温范围为该热电偶正极为铁，负极为康

45、铜，一般测温范围为4040750750。它是廉价金属热电偶，适用的介质同铜。它是廉价金属热电偶，适用的介质同铜康康铜热电偶，这种热电偶在铜热电偶，这种热电偶在700 700 以下线性非常好，具有较以下线性非常好，具有较高的灵敏度。由于铁易氧化生锈，故它不能在高温或含硫高的灵敏度。由于铁易氧化生锈，故它不能在高温或含硫的介质中使用。的介质中使用。 各种常用热电偶的热电势与温度的关系可由标准数据表各种常用热电偶的热电势与温度的关系可由标准数据表中查到，这种表称为热电偶的分度表，中查到，这种表称为热电偶的分度表，分度表是在热电偶分度表是在热电偶冷端温度冷端温度t t0 000的条件下，得到的热电势与

46、测量端温度的条件下，得到的热电势与测量端温度对应关系。对应关系。分度号相同的热电偶可以共用同一分度表。几分度号相同的热电偶可以共用同一分度表。几种常用热电偶的分度表见本章附录一。种常用热电偶的分度表见本章附录一。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 普通型热电偶由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒普通型热电偶由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒四部分组成，其结构如图所示。四部分组成，其结构如图所示。 热电极是组成热电偶的两根热偶丝，热电极的直径由热电极是组成热电偶的两根热偶丝，热电极的直径由材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的测温范围材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的测温范围等决定。贵金

47、属的热电极大多采用直径为等决定。贵金属的热电极大多采用直径为0.30.30.65mm0.65mm的细丝，普通金属电极直径一般为的细丝，普通金属电极直径一般为0.50.53.2mm3.2mm。其长。其长度由安装条件及插入深度而定，一般为度由安装条件及插入深度而定，一般为3503502000mm2000mm。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 绝缘子用于防止热电偶两极之间及热电极与保护套管绝缘子用于防止热电偶两极之间及热电极与保护套管之间形成短路，在热电极上套入绝缘子，其材料视被测之间形成短路，在热电极上套入绝缘子，其材料视被测温度高低而定。最常用的绝缘子是瓷管和高温陶瓷管，温度高低而定。最常用

48、的绝缘子是瓷管和高温陶瓷管，其结构有单孔、双孔和四孔的。其结构有单孔、双孔和四孔的。 保护套管是套在热电极及绝缘子外边，其作用是保保护套管是套在热电极及绝缘子外边，其作用是保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。其材质一般根据测护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。其材质一般根据测温范围、插入深度、被测介质性质以及测温时间常数等温范围、插入深度、被测介质性质以及测温时间常数等条件来决定。条件来决定。 对材料的要求是：耐高温，耐腐蚀，有良好的气密性，对材料的要求是：耐高温，耐腐蚀，有良好的气密性，足够的机械强度，具有较高的导热系数等。最常用的保足够的机械强度，具有较高的导热系数等。最常用的保护套管是碳钢和不

49、锈钢。护套管是碳钢和不锈钢。 为了便于安装，保护套管又分为螺纹连接和法兰连接为了便于安装，保护套管又分为螺纹连接和法兰连接两种型式。两种型式。热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） （三）热电偶冷端温度处理方法（三）热电偶冷端温度处理方法 为了使用上的方便，与各种标准化热电偶配套的显示仪为了使用上的方便，与各种标准化热电偶配套的显示仪表是根据所配热电偶的分度表将热电势转换为对应的温度值表是根据所配热电偶的分度表将热电势转换为对应的温度值来进行刻度的。来进行刻度的。前面已提到过各热电偶的分度表均是在冷端前面已提到过各热电偶的分度表均是在冷端温度（温度（t t0 0）为）为00的条件下的热电势与温度

50、（的条件下的热电势与温度（t t）之间的关系）之间的关系，因此要求热电偶工作时，冷端必须保持在因此要求热电偶工作时，冷端必须保持在00，否则将产生，否则将产生误差。但在工业上使用时，要使冷端保持在误差。但在工业上使用时，要使冷端保持在00是比较困难是比较困难的，因此要根据不同的使用条件及要求的测量精度，对热电的，因此要根据不同的使用条件及要求的测量精度，对热电偶冷端采用一些不同的处理方法偶冷端采用一些不同的处理方法。 热电偶温度计（续）热电偶温度计（续） 1 1补偿导线补偿导线 由于热电偶一般做得比较短（除铠装热电偶外），特别由于热电偶一般做得比较短（除铠装热电偶外），特别是贵金属热电偶就更短

51、。这样热电偶的冷端离被测对象很是贵金属热电偶就更短。这样热电偶的冷端离被测对象很近，使冷端温度较高且波动较大。如果把热电偶做得很长，近，使冷端温度较高且波动较大。如果把热电偶做得很长，使冷端延长至温度比较稳定的地方，这种办法由于热电极使冷端延长至温度比较稳定的地方，这种办法由于热电极线不便于敷设，对于贵金属热电偶很不经济。采用专用导线不便于敷设，对于贵金属热电偶很不经济。采用专用导线将热电偶的冷端延伸出来，如图所示，这种导线也是由线将热电偶的冷端延伸出来，如图所示，这种导线也是由两种材料制成，在一定温度范围内（两种材料制成，在一定温度范围内（0 0100100）与所连接）与所连接的热电偶具有相

52、同或十分近似的热电特性，其材料又是廉的热电偶具有相同或十分近似的热电特性，其材料又是廉价金属，称为补偿导线。价金属，称为补偿导线。 ABt0t0ABt0t0ABABEAB（t，t0）图3-6-17 补偿导线的作用热电偶冷端温度处理方法（续）热电偶冷端温度处理方法（续） 不同热电偶所用的补偿导线也不同，在使用时要注意型不同热电偶所用的补偿导线也不同，在使用时要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过不应超过100100。各种型号热电偶所配用的补偿导线材料。各种型号热电偶所配用的补偿导线材料列于表。列于表。补偿导线合金丝绝缘

53、层颜色正极负极正极负极SPC（铜）K P C（铜）K P X（镍铬）E P X（镍铬）J P X（铜）T P X（铜）SNC（铜镍）KNC（铜镍）KNX（镍硅）ENX（铜镍）JNX（铜镍）TNX（铜镍）红红红红红红绿蓝黑棕紫白补偿导线配用热电偶的分度号SCKCKXEXJXTXS（铂铑1 0 铂 ）K（镍铬镍硅）K（镍铬镍硅）E（镍铬铜镍）J（铁铜镍）T（铜铜镍）热电偶冷端温度处理方法（续）热电偶冷端温度处理方法（续） 补偿导线表示并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只补偿导线表示并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只是起到了热电偶冷端的延伸作用，改变热电偶的冷端位是起到了热电偶冷端的延伸作用，改变热电

54、偶的冷端位置，以便于采用其它的补偿方法。置，以便于采用其它的补偿方法。 另外，即使在规定使用温度范围内，由于补偿导线热另外，即使在规定使用温度范围内，由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误差。差。热电偶冷端温度处理方法（续）热电偶冷端温度处理方法（续） 2 2冰点法冰点法 热点偶的分度表都是在冷端温度为热点偶的分度表都是在冷端温度为00的情况下制定的，的情况下制定的，如果把冷端置于能保持温度为如果把冷端置于能保持温度为00的冰点槽内，则测得的的冰点槽内，则测得的热电势就代表被测实际温度。保温瓶内盛满冰水混合物，热电势就代表

55、被测实际温度。保温瓶内盛满冰水混合物，为了防止短路，两根电极丝要分别插入各自的试管中，试为了防止短路，两根电极丝要分别插入各自的试管中，试管则置于保温瓶中，使其温度保持在管则置于保温瓶中，使其温度保持在00，然后用铜导线，然后用铜导线引出接入显示仪表。引出接入显示仪表。热电偶冷端温度处理方法（续）热电偶冷端温度处理方法（续） 冰点法一般在实验室里精密测量中使用。因为这种冰点法一般在实验室里精密测量中使用。因为这种方法需要保持冰水两相共存，使用起来比较麻烦，故方法需要保持冰水两相共存，使用起来比较麻烦，故一般工业测量中均不采用。一般工业测量中均不采用。热电偶冷端温度处理方法（续）热电偶冷端温度处

56、理方法（续）3 3计算修正法计算修正法当热电偶冷端温度不是当热电偶冷端温度不是00而是而是t t0 0时，测得的热电偶回路时，测得的热电偶回路中的热电势中的热电势为为E E（t t，t t0 0），这时可采用下式进行修正：），这时可采用下式进行修正： E E（t t，0 0）E E（t t，t t0 0）E E（t t0 0，0 0）式中：式中：E E（t t，0 0）冷端为冷端为00，热端为，热端为tt时的热电势；时的热电势； E E（t t，t t0 0）冷端为冷端为t t0 0，热端为，热端为tt时的热电势；时的热电势； E E（t t0 0，0 0）冷端为冷端为0 0，热端为，热端为t

57、 t0 0时的热电势，时的热电势， 即冷端温度不为即冷端温度不为00时热电势校正值。时热电势校正值。例：用镍铬例：用镍铬镍硅（镍硅（K K型）热电偶测温，热电偶冷端温度型）热电偶测温，热电偶冷端温度t t0 03030，测得的热电势，测得的热电势E E（t t，t t0 0）25.5666mV25.5666mV，求被测，求被测的实际温度。的实际温度。解：由解：由K K分度表中查分度表中查得得E E（3030，0 0）1.203mV 1.203mV 则：则：E E（t,0t,0）E E（t,30t,30）E E（30,030,0）25.566625.56661.2031.203 26.769mV

58、 26.769mV 再查分度表得实际温度为再查分度表得实际温度为644644。热电偶冷端温度处理方法（续）热电偶冷端温度处理方法（续）思考题：1、什么是热电效应？在热电偶回路中产生在热电偶回路中产生的热电势哪两部分组成？的热电势哪两部分组成？ 2、热电偶为何要进行冷端温度补偿？补偿方法有哪几种？3、用铂铑-铂热电偶测温，冷端温度为30OC，显示仪表（无冷端补偿措施）读数为985OC，所测得的实际温度为多少？热电偶冷端温度处理方法（续）热电偶冷端温度处理方法（续） 六、热电阻温度计六、热电阻温度计 热电偶温度计是一种较为理想的高温测量仪表，但在热电偶温度计是一种较为理想的高温测量仪表，但在测量较

59、低温度时，由于产生的热电势较小，测量精度相应测量较低温度时，由于产生的热电势较小，测量精度相应降低。因此降低。因此在在-200-2005005000 0C C温度范围内，一般使用热电阻温度范围内，一般使用热电阻温度计测量效果较好。温度计测量效果较好。 图热电阻温度计图热电阻温度计 热电阻温度计是由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻温度计是由热电阻、连接导线及显示仪表组成，由于热电阻输出的是电阻信号，所以热电阻温度计与热电由于热电阻输出的是电阻信号，所以热电阻温度计与热电偶温度计一样，也便于远距离显示或传送信号。但是由于偶温度计一样，也便于远距离显示或传送信号。但是由于热电阻温度计的感温元件

60、热电阻温度计的感温元件热电阻的体积较大，因此热容热电阻的体积较大，因此热容量较大，动态特性不如热电偶。量较大，动态特性不如热电偶。温度的测量与变送（续）温度的测量与变送（续） 1 1、 热电阻的测温原理热电阻的测温原理 热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度呈热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系的原理实现温度测量的。一定函数关系的原理实现温度测量的。实验证明，大多数实验证明，大多数金属导体当温度上升金属导体当温度上升11时，其电阻值均增大时，其电阻值均增大0.40.40.60.6；而半导体当温度上升而半导体当温度上升11时，其电阻值则下降时，其电阻值则下降3 3