第二章 温度测量 - - 网络教学及精品课程制作平台 广东轻工

1、第二章温度测量本章主要内容：测温仪表的分类双金属片温度计玻璃液柱温度计压力式温度计热电偶温度计热电阻温度计温度计的选择及安装其他测温仪表第一节测温仪表的分类一、温度和温标温度冷热程度，分子热运动的剧烈程度。温标：摄氏温标华氏温标热力学温标国际实用温标规定水三相点热力学温度为273.16K，1K定义为水三相点热力学温度的1273.16。现行国际实用温标：ITS90几种温标的对比几种温标的对比 正常体温正常体温为为37 C C ，相当于华相当于华氏温度多氏温度多少度？少度？)32(95Ft换算公式：15.273 tT二、温度检测的主要方法及分类温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测

2、量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。 常用的测温方法、类型及特点见表2-1。介绍几种温度测量方法介绍几种温度测量方法示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满热水后图案装满热水后图案变得清晰可辨变得清晰可辨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体积体积热膨胀式热膨胀式 不需要电源，耐用；不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。但感温部件体积较大。 气体的体积与气体的体积与热力学温度成正比热力学

3、温度成正比红外温度计红外温度计 第二节双金属片温度计两片热膨胀系数不同的金属片粘贴在一起，一端固定，另一端为自由端。当温度变化是自由端产生一定的角位移。0ftt第二节双金属片温度计两片热膨胀系数不同的金属片粘贴在一起，一端固定，另一端为自由端。当温度变化是自由端产生一定的角位移。0ftt双金属条一般卷绕成平面螺旋形或细旋管。第二节双金属片温度计两片热膨胀系数不同的金属片粘贴在一起，一端固定，另一端为自由端。当温度变化是自由端产生一定的角位移。0ftt双金属条一般卷绕成平面螺旋形或细旋管。测温范围：80600特点：机械强度高，抗振性能好，结构简单，但精度不高，测量范围不大。双金属温控器第三节玻璃

4、液柱温度计一、玻璃液柱膨胀式温度计的分类、结构形式和特点第三节玻璃液柱温度计一、玻璃液柱膨胀式温度计的分类、结构形式和特点分类：按感温液体分类按用途精度分按结构形式分结构：图2-2。特点：结构简单，测量准确、价廉，读数和使用方便。缺点：易损坏，热惯性大，对温度波动跟随性差，不能远传信号和自动记录。电接点水银温度计二、玻璃液体膨胀式温度计的使用玻璃液体膨胀式温度计的允许误差见表23玻璃液体膨胀式温度计的误差原因及处理零点位移：将位移值加到读数上。标尺位移：位移数值小的，可忽略不计；位移量较大的，报废之。液柱断裂：用加热、冷却、重力法和离心法使之连接。如不能连接，将之报废。温度计惰性：用带橡皮头的

5、木棒轻敲之。浸入深度：全浸式：尽量插入介质中；局部浸入式：浸没到规定深度（60mm)。读数方法不正确：视线与温度计标尺相垂直；水银计，读凸面最高点；酒精等读凹面最低点。第四节压力式温度计温度压力第四节压力式温度计温度压力一、充气体的压力式温度计pV=nRT摩尔数n和体积V一定时，pT。充氮气，测温上限达500550。充氢气，测温下限达120。二、充蒸气的压力式温度计感温包中，23容积充低沸点工作液体，其余容积充液体的饱和蒸气。毛细管和弹簧管中，充工作液体辅助液体工作液体有：氯甲烷、氯乙烷、丙酮等优点：感温包尺寸小、灵敏度高。缺点：测量范围小、标尺刻度不均匀，精度受大气压力影响。特点：结构简单，

6、强度较高，抗振性较好。压力式压力式(机械式机械式)温度控制器温度控制器结论：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。 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 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） 第五节第五节 热电偶温度计热电偶温度计 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作（工作端、热端、热端）端） 热电极热电极B B热电势热电势AB热电偶回路划内产生的热电势由：接触电势和温差电势两部分组成。 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内

7、自由电子的密度不同，在两金属自由电子的密度不同，在两金属A和和B的接触点处会的接触点处会发生自由电子的发生自由电子的扩散现象扩散现象。自由电子将从密度大的金。自由电子将从密度大的金属属A扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属B，使，使A失去电子带正电失去电子带正电，B得到电子带负电得到电子带负电，从而产生，从而产生接触接触热电势热电势。 自由自由电子电子ABeAB（ T T ）T T接触电势（也叫珀尔帖电势）( )ln,AAABBBNNkTETf TeNN接触电势EAB(T)的大小：温差电势（也叫汤姆逊势）在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。其大小为：0000, , TTAABBTT

8、ET TdTET TdT按顺时钟方向写出个电动势之和为：热电偶回路的总热电势从上式可看出，当T0为定值时,与之间有惟一对应的关系。因此可以用测量的热电势来找到对应的温度值。 00000000, =ABABABBATTABABABABET TETETE T TE T TETdTETdT 00, =ABET Tf Tf Tf TC电热偶的总热电势与热端温度有一一对应的关系如何由热电偶的热电势查热端温度值如何由热电偶的热电势查热端温度值 设设冷端为冷端为0 0 C C，根据以下电路中的毫伏表的根据以下电路中的毫伏表的示示值值及热电偶的及热电偶的分度表分度表，查出，查出热端的温度热端的温度tx 。K热

9、电偶的热电偶的分度表分度表 二、热电偶基本定律均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面、长度如何以及各处的温度如何分布，都不会产生热电势。中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端温度相等，则中间导体的接入对回路总电动势没有影响。如图2-8。00,ABCABET TET T实际意义：仪表中可接中间导体；使用开路热电偶测液态金属和金属壁面温度。开路热电偶测液态金属演示开路热电偶测液态金属演示中间温度定律如图2-9所示，在热电偶回路中，两接点温度为t、t0时的热电势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的热电势的代数和。00,ABABnABnEt tEt

10、tEt t指导意义：当热电偶冷端不等于时，也可使用分度表。例：S型热电偶测量某一温度，若参比端tn=25，测得的热电势为0.729mV，求测量端实际温度。连接导体定律在热电偶回路中，如果热电极和B别与连接导体和相接，其接点温度分别为t、tn和t0，则回路的总热电势等于热电偶的热电势EAB(t,tn)与连接导体的热电势EAB(tn,t0)之代数和。即指导意义：工业测温中使用补偿导线提供了理论基础。00,ABB AnABnA BnEt ttEt tEtt如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any question, D

11、O NOT hesitate to ask me !欢欢 迎迎 提提 问问三、热电偶的材料、分类和构造热电偶的材料一般应满足如下要求：性能稳定；导电率高，电阻温度系数要小；dE/dt要大，且为常数；强度高，复现（制）性好，便宜。热电偶的分类标准热电偶：共有八种非标准热电偶型：铂铑型：铂铑1010铂铂型：铂铑型：铂铑1313铂铂型：铂铑型：铂铑3030铂铑铂铑6 6型：镍铬镍硅型：镍铬镍硅型：镍铬硅镍硅型：镍铬硅镍硅型：镍铬铜镍型：镍铬铜镍（康铜）（康铜）型：铁铜镍型：铁铜镍( (康铜康铜) )型：铜铜镍型：铜铜镍( (康铜康铜) )用于制造用于制造铂铂热电偶热电偶的各种的各种铂铂热电偶丝热电偶

12、丝几种常用热电偶的测温范围及热电势几种常用热电偶的测温范围及热电势 分度号分度号 名称名称 测量温度范围测量温度范围 1000 C热电势热电势/ mVB铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6501820 C C4.8344.834R铂铑铂铑1313铂铂-501768 C C10.50610.506S铂铑铂铑1010铂铂-501768 C C9.5879.587K镍铬镍铬镍铬镍铬 (铝铝) -2701370 C C 41.27641.276E镍铬铜镍镍铬铜镍 (康康 铜铜)270800 C C?5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？几种常用热电偶的热电势与温度

13、的关系几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线曲线 哪几种热哪几种热电偶的测温上电偶的测温上限较高？限较高？ 哪几种热电哪几种热电偶的线性较差？偶的线性较差？ 哪一种热电偶哪一种热电偶的灵敏度较高？的灵敏度较高？ 哪一种热电偶哪一种热电偶的灵敏度较低？的灵敏度较低？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）？热电偶的结构普通型：由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒组成。如图2-11。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普通普通装配型装配型热热电偶的电偶的结构结构放大图放大图 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

14、厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 铠装型热电偶外形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 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护套管保护套管（铠体）（铠体） BA绝缘绝缘 材料材料铠装型热电偶铠装型热电偶横截面横截面铠装型热电偶铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好

15、的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。 薄膜型：采用真空蒸镀法将两种电极材料蒸镀到绝缘基板上，上面再蒸镀一层二氧化硅薄膜作为绝缘和保护层。测量端既小又薄，热容量很小，可用于微小面积上温度测量；动态响应快，可测快速变化的表面温度。四、热电偶冷端温度补偿当冷端不为时，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，然后再考虑将冷端处理为。四、热电偶冷端温度补偿当冷端不为时，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，然后再考虑将冷端处理为。补偿导线法补偿导线通常由补偿导线合金丝、绝

16、缘层、护套和屏蔽层组成。在100以下的常温范围内，它具有与所匹配的热电偶的热电势称值相同的特性。起到延长热电偶冷端的作用。常用补偿导线见表。延伸型补偿型补偿电桥法电桥产生的不平衡电压Vab，与热电势相叠加，起到了补偿作用。校正法计算修正：由E(t,0)，反查分度表即可得到准确的被测温度t值。00,0,0E tE t tE t0,0,abE tE t tV测温电阻冰浴法冰浴法用于实验室。现已有电子式冰点恒温装置。 在冰瓶中，冰水混合物的温在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在度能较长时间地保持在00不变。不变。仪表机械零点调整法把显示仪表机械零点从调至与t0对应的位置。指针被预调到室温（指

17、针被预调到室温（40 C ） 可补偿冷端损失可补偿冷端损失软件处理法软件处理法-专用热电偶冷端温度补偿芯片专用热电偶冷端温度补偿芯片 MAX6675是是基于基于SPI总线总线、专门用于对工业中、专门用于对工业中最常用的最常用的镍络镍络-镍硅镍硅K型热电偶进行温度补偿型热电偶进行温度补偿的芯片。的芯片。它能将补偿后的热电势转换为代表温度的数字脉冲，它能将补偿后的热电势转换为代表温度的数字脉冲，从从SPI串行接口输出串行接口输出。 如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any question, DO NOT hesit

18、ate to ask me !欢欢 迎迎 提提 问问补充补充: : 热电偶的应用及配套仪表热电偶的应用及配套仪表 由于我国生产的热电偶均符合由于我国生产的热电偶均符合ITS-90国际温标国际温标所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定所规定的标准，其一致性非常好，所以国家又规定了与标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，了与标准热电偶配套的仪表，它们的显示值为温度，而且均已线性化。国家标准的而且均已线性化。国家标准的动圈式显示仪表命名动圈式显示仪表命名为为XC系列系列。有。有指示型（指示型（XCZ）和和指示调节型（指示调节型（XCT）等系列品种。与等系列品种。与K型热电偶配套的动圈仪表型

19、号为型热电偶配套的动圈仪表型号为XCZ-101或或XCT-101等。数字式仪表也有等。数字式仪表也有指示型指示型（XMZ）和）和指示调节型（指示调节型（XMT）等几种系列品种。等几种系列品种。 XCZ系列指针式显示仪表系列指针式显示仪表 XC系列系列动圈式仪动圈式仪表测量机构的核心部件表测量机构的核心部件是一个是一个磁电式毫伏计磁电式毫伏计。动圈式仪表与热电偶配动圈式仪表与热电偶配套测温时，热电偶、连套测温时，热电偶、连接导线（补偿导线）、接导线（补偿导线）、调整电阻和显示仪表组调整电阻和显示仪表组成了一个成了一个闭合回路闭合回路。 1热电偶热电偶 2补偿导线补偿导线 3冷端补偿器冷端补偿器

20、4外接调整电阻外接调整电阻 5铜导线铜导线 6动圈动圈 7张丝张丝 8磁钢（极靴）磁钢（极靴） 9指针指针 10刻度面板刻度面板 XMZ系列智能系列智能数字显示仪表数字显示仪表 特点特点： 1、带冷端温度、带冷端温度自动补偿自动补偿； 2、单片机智能化设计，、单片机智能化设计，仪表零点、量程仪表零点、量程等全部等全部参数可参数可按键设定按键设定； 3、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行、具有软件校验功能，可通过按键对仪表进行校准校准； 4、具有超量程指示、断线指示等、具有超量程指示、断线指示等故障自诊断故障自诊断功功能；能； 5、采用、采用开关电源开关电源，电压适应范围宽，仪表体积，电压适

21、应范围宽，仪表体积小、重量轻。小、重量轻。 6、220VAC或或24VDC供电电源供电电源。XMZ系列智能系列智能 数数字显示仪表外形字显示仪表外形 XMT系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点系列热电偶智能数字显示控制仪表的特点n带冷端温度自动补偿；带冷端温度自动补偿； n具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能；具有超量程指示、断线指示等故障自诊断功能； n双屏显示、副屏显示内容可设定；双屏显示、副屏显示内容可设定； n最多可带最多可带4路报警控制继电器输出；路报警控制继电器输出； n每个报警控制点的回差可设定；每个报警控制点的回差可设定； n每个报警控制点的报警方式（上限报警或下限报每个报

22、警控制点的报警方式（上限报警或下限报警）可分别设定。警）可分别设定。其他与热电偶配套的仪表其他与热电偶配套的仪表 数字式温度数字式温度 显示调节仪显示调节仪 DDZ DDZ型电动单元组合型电动单元组合 仪表中的变送单元之一：仪表中的变送单元之一： 轨装式温度变送器轨装式温度变送器 它能将热电偶（或热电阻）它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测热电站、纺织、

23、造纸等行业的测温控制系统中。温控制系统中。 请将请将右图各有右图各有关设备关设备正正确地连接确地连接起来，组起来，组成热电偶成热电偶测温、控测温、控温电路。温电路。黄黄绿绿红红L L1 L L2 L L3 接大地铜排接大地铜排接零接零热电偶输出端热电偶输出端电炉电炉交流接交流接触器触器三相三相 空气开关空气开关技能培养380V380V线圈线圈的交流接的交流接触器连接触器连接过程过程 当温当温度控制器度控制器测得的温测得的温度达到度达到设设定值时定值时，5-6两端两端开开路路，交流，交流接触器接触器失失电电，电炉，电炉回路被切回路被切断断。接大地铜排接大地铜排黄黄绿绿红红L L1 L L2 L

24、L3 电炉电炉接零接零“3”端接何处端接何处热电偶热电偶再看一次再看一次第六节热电阻温度计热电阻温度计是利用金属导体或金属氧化物半导体做测温质，利用随温度而变化的电阻值来进行测温的。特点：中低温范围精度高；灵敏度高；感温部分体积大。一、金属热电阻传感器温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。的变化趋势相

25、同。铂热电阻使用范围：200850电阻与温度的关系：见式（2-14）和（2-15）分度号：Pt50时阻值为50，主要用于650以上温区； Pt100时阻值为100,主要用于650以下温区。纯度：用R100/R0表示。1.3925为标准铂热电阻，1.391为工业用铂热电阻。铂热电阻特点：精度高、线性好、性能稳定、复现性好、抗氧化强。但价格高，高温下容易被还原性气氛所污染（变脆）。学习查学习查“铂热电阻分度表铂热电阻分度表”铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱 旋转式机械旋转式机械 设定开关设定开关 拨码式拨码式 设定开关设定开关铜热电阻线性好、

26、价格低，电阻温度系数较大。但易氧化、测量准确度不高。使用范围：50150。分度号：Cu50和Cu100电阻温度关系：Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)在-50150内，电阻温度特性可表示为0-331=4.25 10 4.28 10/式中tRRtC二、半导体热敏电阻温度计二、半导体热敏电阻温度计材料：铁、镍、锰、铂、钛、镁、铜等的氧化物，碳酸盐、硝酸盐、氯化物等。热敏电阻有负温度热敏电阻有负温度系数（系数（NTC）和正温度系数（）和正温度系数（PTC）之分。）之分。优点：具有大的负电阻温度系数()，灵敏度高，电阻率大，体积小，热惯性小。缺点：同种热敏电阻的电阻温度特性分散性大，非线性严重，性

27、能不稳定，互换性差、精度较低。测温范围：100300。电阻温度特性：B材料有关的常数。其确定方法：在两个温度分别为T和T0的恒温源中测得电阻值RT和RT0，再由下式算出：0110lnlnTTRRBTT0110exp 2-18TTRRB TT三、热电阻测温元件的结构小型铂热电阻小型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表铜热电阻铜热电阻热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12 MF12型型 NTCNTC热敏电热敏电阻阻聚脂塑料封装聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 N

28、TC热敏电热敏电阻阻MF58 型热敏电阻型热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）（续） 贴片式贴片式NTC热敏热敏电阻电阻其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）（续） MF58型（珠形）型（珠形）高精度负温度系高精度负温度系数热敏电阻数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）非标热敏电阻非标热敏电阻热敏电阻温度面板表热敏电阻温度面板表 热敏电阻热敏电阻 LCD热敏电阻体温表热敏电阻体温表 热敏电阻用于热敏

29、电阻用于电热水器电热水器的温度控制的温度控制 如果您有任何问题，如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出请毫不犹豫地提出 ! !In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !欢欢 迎迎 提提 问问半导体集成温度传感器及半导体集成温度传感器及热电偶冷端温度的测量热电偶冷端温度的测量 PN结是集成温度传结是集成温度传感器的最基础的测感器的最基础的测温原件温原件 PN结的结的 温度特性温度特性 结论：结论：二极管的二极管的正向电压正向电压降降UD以以 -2mV/ 的趋势的趋势变化变化 集成温度传感器的类型集成温度传感器的类型 集成

30、温度传感器可分为：集成温度传感器可分为：模拟型模拟型集成温度传感集成温度传感器和器和数字型数字型集成温度传感器。模拟型的输出信号形集成温度传感器。模拟型的输出信号形式有式有电压型电压型和和电流型电流型两种。两种。 电压型的灵敏度多为电压型的灵敏度多为10mV/（以摄氏温度以摄氏温度0作为电压的零点作为电压的零点），），电电流型的灵敏度多为流型的灵敏度多为1A/K（以绝对温度以绝对温度0K作为电流作为电流的零点的零点）；）；数字型又可以分为开关输出型、并行输数字型又可以分为开关输出型、并行输出型、串行输出型出型、串行输出型等几种不同的形式。等几种不同的形式。 模拟型集成温度传感器模拟型集成温度传感器 电流输出型集成温度传感器电流输出型集成温度传感器 电流输出型温度电流输出型温度传感器能产生一个传感器能产生一个与与绝对温度成正比的电绝对温度成正比的电流作为输出流作为输出，AD590是电流输出型温度传是电流输出型温度传感器的典型产品。感器的典型产品。 AD590封装示意图封装示意图 空脚（接地）空脚（接地）AD590的基本转换电路的基本转换电路 电流电流- -电压转换电路电压转换电路（10mV/K） 增加负载电增加负载电阻的阻值可提阻的阻值可提高输出电压。高输出电压。电压输出型集成温度传感器电压输出型集成温度传感器 LM35/45LM35/45