温度测量(含第2次作业)

1、第四章 温度测量v4.0 概述v4.1 热电偶测温v4.2 热电阻测温v4.3 其他接触式测温仪表v4.4 接触式测温技术及误差分析v4.5 非接触式温度测量 温度测量基本概念温度测量基本概念v本章学习的主要内容有本章学习的主要内容有:v1、了解、了解温度测量温度测量的的基本概念基本概念和方法；和方法；v2、了解、了解热电偶热电偶的工作原理，了解热电偶的工作原理，了解热电偶的的分类及特点分类及特点；v3、了解、了解热电阻热电阻的工作原理，了解热电阻的工作原理，了解热电阻的的分类及特点分类及特点。 重点重点：掌握热电偶与热电阻两种测温方法的原理、特点及应用场合：掌握热电偶与热电阻两种测温方法的原

2、理、特点及应用场合温度测量背景温度测量背景 国际单位制七个基本的物理量国际单位制七个基本的物理量测量领域测量领域动力、机械、化工、冶金、制冷、航天、电子、动力、机械、化工、冶金、制冷、航天、电子、 量的名称量的名称 (Quantity) (Quantity) 单位名称单位名称 (Name) (Name) 单位符号单位符号(Symbol)(Symbol) 长度长度 (length) (length) 米米(meter)(meter) m m 质量质量 (mass) (mass) 千克千克( (公斤公斤)(kilogram)(kilogram) kgkg 时间时间 (time) (time) 秒秒

3、 (second) (second) s s 电流电流 (electric current) (electric current) 安培安培 (ampere) (ampere) A A 热力学温度热力学温度 (thermodynamic temperature)(thermodynamic temperature) 开尔文开尔文(kelvin)(kelvin) K K 物质的量物质的量 (amount of substance) (amount of substance) 摩尔摩尔(mole)(mole) molmol 发光强度发光强度 (luminous intensity) (lumino

4、us intensity) 坎德拉坎德拉(candela)(candela) cdcd 4.0 概述v温度：反映了物体的冷热程度，与自然界中各种物温度：反映了物体的冷热程度，与自然界中各种物理和化学过程相联系。理和化学过程相联系。v温度测量：以热平衡为基础。温度测量：以热平衡为基础。v温度基本特性：当两个冷热程度不同的物体接触后温度基本特性：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热、换热，换热结束后两物体处于热平就会产生导热、换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，具有相同的温度。衡状态，具有相同的温度。v温度测量方式：接触式和非接触式。温度测量方式：接触式和非接触式。一、温度测量基本概念一、

5、温度测量基本概念 4.0 概述v一、温度的基本概念温度是一个基本物理量。v长度m、时间s、质量kg、热力学温度K、电流单位A、光强度单位cd（坎德拉）、物质量mol； n温度的宏观概念温度的宏观概念n冷热程度的表示，互为热平衡的两物体，其温度相等冷热程度的表示，互为热平衡的两物体，其温度相等。n处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质。处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质。n这一宏观特性用温度表示即一切互为热平衡的系统具有相同的温度。这一宏观特性用温度表示即一切互为热平衡的系统具有相同的温度。n温度的微观概念温度的微观概念n是大量分子运动平均强度的表示。是大量分子运动平

6、均强度的表示。n分子运动愈激烈其温度表现越高。分子运动愈激烈其温度表现越高。温度的概念温度的概念物体热平衡状态下物体热平衡状态下冷热程度冷热程度的物理量的物理量微观上微观上温度是物体内部温度是物体内部分子热运动分子热运动激烈程度的标志，是激烈程度的标志，是度量分子热运动度量分子热运动平均动能平均动能大小的指标大小的指标宏观上宏观上温度是决定系统热平衡的宏观性质。当两个系统温度是决定系统热平衡的宏观性质。当两个系统处于平衡状态时，它们拥有的处于平衡状态时，它们拥有的共同性质共同性质TA C TB C TC CA B C 热流热流TB CTA C热流热流 v一、温度的基本概念温度测量的基本原理v热

7、力学第零定律认为：“如果两个系统中每一个系统都与第三个系统处于热平衡，则该两个系统彼此也处于热平衡。” 自然界中，一些物质的某些物理属性具有随温度变化而自然界中，一些物质的某些物理属性具有随温度变化而发生相应变化的特点，如：气体在压强不变时的体积和体发生相应变化的特点，如：气体在压强不变时的体积和体积不变时的压强，液体的体积，导线的电阻，电势等等都积不变时的压强，液体的体积，导线的电阻，电势等等都具有随温度发生显著变化的特征，这些物质叫具有随温度发生显著变化的特征，这些物质叫感温介质感温介质。温度测量的基本原理v利用这些物质的不同感温特性可以制成不同类型的温度计。v当它与被测物体（介质）相互接

8、触，并处于热平衡状态时，温度计上所显示的数值就是被测物体（介质）的温度值。这就是测温的基本原理。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、光辐射传传感感器器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

9、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 2 Fe-Ni-Cu合金合金4.0 概述自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。由于不同物质的不同物理特性与温度有着不同的关系，因此即使用同一物质的不同特性，或不同物质的同一种特性对

10、同一个温度进行测量，也会得出不同的量值，这就需要建立统一的标准温度单位，即温标。二. 温标温标温标规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。二、温标 温度的数值表示称为温标。它利用一些物质的“相平衡温度”作为固定点刻在“标尺”上，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)来描述。各类温度计的刻度均由温标确定。v温标三要素：温度计、固定点和内插方程。v温标不是温度标准(Temperature Standard)，而是温度标尺(Temperature Scale)的简称。国际上规定的温标有很多种，最常用的是华氏温标(

11、美国)、摄氏温标、热力学温标等。几种温标间的换算关系摄氏度=5(华氏度-32)/9摄氏度=开氏度-273.15摄氏度=5兰氏度/9-273.15摄氏度=1.25列氏度=华氏度= 1.8摄氏度+32华氏度= 1.8开氏度-459.67华氏度=兰氏度-459.67华氏度=2.25列氏度+32=开氏度=摄氏度+273.15开氏度= 1.25列氏度+273.15开氏度= 5(华氏度-32)/9 +273.15开氏度= 5兰氏度/9 二、温标二、温标 1、温度的数值表示方法称为温标温度的数值表示方法称为温标。它规定了温。它规定了温度读数的起点度读数的起点(即零点即零点)以及温度的单位。各类温以及温度的单

12、位。各类温度计的刻度均由温标确定。度计的刻度均由温标确定。2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标和热力学温标和国际实用温标国际实用温标等。等。 华氏温标与摄氏温标：华氏温标与摄氏温标：F=9/5C+32摄氏温标与热力学温标：摄氏温标与热力学温标：C=K-273.15温度的概念温度的概念单位单位 摄氏温标（摄氏温标（） 华氏温标（华氏温标（ F） 国际温标（国际温标（K）常用常用摄氏温度摄氏温度5927332.16()CFCK二. 温标基本原理基本原理测温原理测温原理温度本身是一个温度本身是一个抽象的物理量抽象的物理量，不能直接与标准量比较

13、而测出，不能直接与标准量比较而测出通过测量某些随温度而变化的物体的性质，通过测量某些随温度而变化的物体的性质，间接地测量间接地测量物体温度物体温度传感器传感器：测量某些材料随温度单值变化的：测量某些材料随温度单值变化的物理参数物理参数，间接评估间接评估物理参数选择物理参数选择温度的温度的单值单值函数函数物理参数变化只与温度有关，与其它因素无物理参数变化只与温度有关，与其它因素无关或关系不大关或关系不大函数关系必须简单、函数关系必须简单、稳定稳定参数与温度之间的函数关系简单，参数与温度之间的函数关系简单，且变化是连续的且变化是连续的温度的跟踪性要好温度的跟踪性要好能够能够迅速迅速与被测介质达到热

14、平衡与被测介质达到热平衡1.经验温标v经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。v认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化1份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。v按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标和列氏温标。摄氏温标v所用标准仪器是水银玻璃温度计。v分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“ ”。华氏温标v华氏温标：标准仪器是水银温度计，选取氯化铵和冰水混合物的温度

15、为零度，人体温度为100华氏度。水银体积膨胀被分为100份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。v摄氏温度和华氏温度的关系为温标名称有关规定华氏温标（ ）1714年， Fahrenheit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(212 和32 )，这两个温度点之间用水银温度计分成180等份，每等份定为1华氏度( )。遗憾：把冰点定为32度而不是0度。 列氏温标(oR)1731年Raumur提出：水的冰点被定为列氏0度，而沸点则为列氏80度。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1080单位。 摄氏温

16、标 ()1742年Celsius提出：最初定义“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”。第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。开氏温标 (K)1854年Kelvin提出：把绝对零度(0K)到水的三相点温度(273.16K)等分为273.16份，每份就是1开氏度。其分度间隔和摄氏温标间隔一致，t(1)=T(1K)。兰氏温标(oR)Rankine 温标是美国工程界使用的一种温标。起点也为绝对零度，水的冰点和沸点分别为491.67和671.67兰氏度(oR) ，中间分成180等分，每一等分为1oR 。经验温标的优缺点v虽然

17、经验温标在历史上起过重要的作用，特别是摄氏温标一直沿用至今，但也存在着严重的缺陷，主要表现在测量精度低，应用范围窄。v其次经验温标把温度与物质的膨胀之间的关系看成简单的正比关系，这不符合实际情况。v为此，必须建立一种与测温介质的性质无关的温标。 2. 热力学温标v热力学温标是英国物理学家开尔文(Kelvin)于1848年以热力学第二定律为基础所引出的与测温物质无关的温标。v热力学温标是以卡诺循环为基础。卡诺定律指出，一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，其效率只与热源和冷源的温度有关。假设热机从温度为T2的热源获得的热量为Q2，放给温度为T1的冷源的热量为Q1，则有 1122QTQTv1

18、854年，开尔文建议用一个固定点来确定此温标。v人们发现水的三相点(273.16K)的稳定性能，长期维持在0.1mK范围内。因此，1954年第10届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温际的基本固定点此温标的表达式为：2273.16K1QTQn这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为称它为绝对热力学温标绝对热力学温标。由此而得的温度称为。由此而得的温度称为热热力学温度，力学温度，成为温度测量的基准。成为温度测量的基准。 热力学温标是纯理论的，无法直接实热力学

19、温标是纯理论的，无法直接实现。在热力学中从理论上证明了热力学温现。在热力学中从理论上证明了热力学温标与由理想气体状态方程建立的温标是完标与由理想气体状态方程建立的温标是完全一致的，所以借助于气体温度计可复现全一致的，所以借助于气体温度计可复现热力学温标。但气体温标的建立是相当繁热力学温标。但气体温标的建立是相当繁杂的，而且使用不方便。杂的，而且使用不方便。v为了实用方便，建立了一种紧密接近热力为了实用方便，建立了一种紧密接近热力学温标的简便温标，即学温标的简便温标，即国际实用温标。国际实用温标。v国际实用温标是用来复现热力学温标的。国际实用温标是用来复现热力学温标的。3. 绝对气体温标v据热力

20、学：所有气体在低压下，定压时的气体体积或定容时的气体压强均与温度成线性关系。这一发现在实际应用中具有重要意义，因为，当气体的压强趋近于零时，气体的特性便趋近于理想气体。v因此利用趋近于理想状态气体的性质所建立的温标就与气体的种类无关。v这种利用理想化气体的特性而建立的温标就叫理想气体温标。v波义耳定律：当温度一定时，pVC，C是只取决于温度的常数；v利用这一原理制造的温度计称为气体温度计，有定容式和定压式两种。v这种方法将温度测量转化成对气体压力或体积的测量。由查理定律和盖.吕萨克定律可知v在V=0或p=0的极限情况下，对应的温度为-273.15 。为了使温标具有连续性，因而把-273.15定

21、义为绝对温度的零度。v绝对温标的分度法与摄氏分度法相同，而绝对温度的单位是K。绝对温度(用T表示)与摄氏温度(用t表示)的关系为 式中 T0273.150TTt4. 国际实用温标和国际温标v经国际协议产生的国际实用温标，其指导思想是:1)尽可能地接近热力学温标;2)复现精度要高;3)制作较容易;4)性能稳定;5)使用方便.v各国均能以很高的准确度复现该温标，保证国际上温度量值的统一。v第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的国际实用温标。此后在1948、1960、1968年经多次修订，形成了近20多年各国普遍采用的国际实用温标称为(IPTS-68)。v1989年7月第77届国际计

22、量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS-90。为和IPTS-68温标相区别，用表示ITS-90温标。ITS-90基本内容为：（1）国际实用温标单位仍为K，1K等于水的三相点时温度值的1/273.16；（2）把水的三相点时温度值定义为0.01，同时相应把绝对零度修订为-273.15；这样国际摄氏温度t90 ()和国际实用温度T90 (K) 关系为：9090273.15tT(3) 规定把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下； 0.655.0 K，用3He和4He蒸汽温度计； 3.024.5561K，用3He和4He定容气体温度计； 13.803 K961.78，用铂电阻温度计； 961.

23、78 以上，用光学或光电高温计；(4) 新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。见下表所示。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指与国际实用温标有关的基准仪器均由国家指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存，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。 基本原理基本原理测温原理测温原理温度本身是一个温度本身是一个抽象的物理量抽象

24、的物理量，不能直接与标准量比较而测出，不能直接与标准量比较而测出通过测量某些随温度而变化的物体的性质，通过测量某些随温度而变化的物体的性质，间接地测量间接地测量物体温度物体温度传感器传感器：测量某些材料随温度单值变化的：测量某些材料随温度单值变化的物理参数物理参数，间接评估间接评估物理参数选择物理参数选择温度的温度的单值单值函数函数物理参数变化只与温度有关，与其它因素无物理参数变化只与温度有关，与其它因素无关或关系不大关或关系不大函数关系必须简单、函数关系必须简单、稳定稳定参数与温度之间的函数关系简单，参数与温度之间的函数关系简单，且变化是连续的且变化是连续的温度的跟踪性要好温度的跟踪性要好能

25、够能够迅速迅速与被测介质达到热平衡与被测介质达到热平衡三、测温方法与测温仪器的分类三、测温方法与测温仪器的分类v温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物理特温度不能直接测量，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化量的测性是温度的函数，通过对某些物理特性变化量的测量间接地获得温度值。量间接地获得温度值。v按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。测温方法测温方法利用物体的利用物体的热胀冷缩热胀冷缩现象测量温度现象测量温度利用物体的利用物体的热电效应热电效应随温度变化的现象测量温度随温度变化的现象测量温度利用物体的利用物体的导电率随温度变化导电率随温度变化的

26、现象测量温度的现象测量温度利用物体的利用物体的热辐射热辐射强度随温度变化的现象测量温度强度随温度变化的现象测量温度利用物体的利用物体的磁化率随温度变化磁化率随温度变化现象制造的磁温度计现象制造的磁温度计利用物体的利用物体的正向电压随温度变化正向电压随温度变化现象制造的温度计现象制造的温度计三、测温方法与测温仪器的分类常用温度计常用温度计16.273 KC测量测量50温温度可用度可用什么温什么温度计？度计？摄氏度三、测温方法与测温仪器的分类三、测温方法与测温仪器的分类1. 接触式测温v接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这是感温元件的某一物理参效

27、的量值就代表了被测对象的温度值。v优点：直观可靠。v缺点：感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。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：不与被测物体接触不与被测物体接触，也不改变被测物，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

28、。2、非接触式测温v非接触测温的特点1)感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。2)热惯性小，可达千分之一秒，便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。测温仪器 对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。 接触式测温仪器又可分为:v膨胀式温度计：包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计；v热电式温度计：包括热电偶和P-N结温度计；v电阻式温度计：包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计。v压力式温度计：压力式温度计：它是利用密闭容积内工作介质随温度升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，通过对工作介质的压

29、力测量来判断温度值的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机械式仪表。一种机械式仪表。测温仪器u非接触式测温仪表是采用感温元件与被测物体不直接接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。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难，可采用非在高温范围内，用直接接触测温法非常困难，可采用非接触式测温法，利用物体的热辐射特性对物体的温度进接触式测温法，利用物体的热辐射特性对物体的温度进行非接触式测量。行非接触式测量。u光学高温计光学高温计、比色高温计、辐射高温计。可用于测量炉、比色高温计、辐射高温计。可用于测量炉膛温度。膛温度。l接

30、触式温度传感器接触式温度传感器l非接触式温度传感器非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。提条件是被测物体的热容量要足够大。 非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发非接触式温度传感器主要

31、是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。耗；反应快等。三、温度传感器分类总结三、温度传感器分类总结 常用温度计常用温度计16.273 KC 方式测温方式测温 传感器传感器 测温范围（测温范围（） 主要特点主要特点 热电偶热电偶 20020017001700 种类多，结构简单，价廉，感温种类多，结构简单

32、，价廉，感温部小，广泛应用于电测部小，广泛应用于电测 金属热电阻金属热电阻 260260600600 种类多，精度高，感温部较大，种类多，精度高，感温部较大，广泛应用于电测广泛应用于电测 接触式接触式 热热电电阻阻 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 260260350350 体积小，响应快，灵敏度高，广体积小，响应快，灵敏度高，广泛应用于电测泛应用于电测 非接触式非接触式 辐辐射射式式 光学高温计光学高温计 比色高温计比色高温计 红外光电温度计红外光电温度计 202035003500 不干扰被测温度场，可对运动体不干扰被测温度场，可对运动体测温，响应较快。测温计结构复测温，响应较快。测温计结构复杂

33、，价高，需定标修正测量值杂，价高，需定标修正测量值 三、测温方法与测温仪器的分类三、测温方法与测温仪器的分类测温方式测温方式接触测温法接触测温法除高温区以外的温度测量大多采用此法除高温区以外的温度测量大多采用此法主要有：热电阻、热电偶、膨胀式、二极管等主要有：热电阻、热电偶、膨胀式、二极管等非接触测温法非接触测温法在高温范围（由于感温物质的材料特性的限制），利用物体的在高温范围（由于感温物质的材料特性的限制），利用物体的辐辐射特性射特性来测量物体的温度来测量物体的温度主要有：光学高温计、辐射高温计、光电高温计等主要有：光学高温计、辐射高温计、光电高温计等三、测温方法与测温仪器的分类 按照温度测

34、量范围，可分为超低温、低温、中温、高温和超高温温度测量。v超低温： 630.74 ；v超高温：10000 K。热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动热电偶、测温电阻器、热敏电阻、感温铁氧体、石英晶体振动器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、双金属温度计、压力式温度计、玻璃制温度计、辐射传感器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅器、晶体管、二极管、半导体集成电路传感器、可控硅分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称超高温用超高温用传感器传感器1500以上以上光学高温计、辐射传感器光学高温计、辐射传感器高温用高温用传感器传感器10001500光

35、学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中高温用中高温用传感器传感器5001000光学高温计、辐射传感器、光学高温计、辐射传感器、热电偶热电偶中温用中温用传感器传感器0500低温用低温用传感器传感器-2500极低温用极低温用传感器传感器-270-250BaSrTiO3陶瓷陶瓷晶体管、热敏电阻、晶体管、热敏电阻、压力式玻璃温度计压力式玻璃温度计见表下内容见表下内容 测测 温温 范范 围围分分 类类特特 征征传传 感感 器器 名名 称称测温范围宽、测温范围宽、输出小输出小测温电阻器、晶体管、热电偶测温电阻器、晶体管、热电偶半导体集成电路传感器、半导体集成电路传感器、可控硅、石英晶

36、体振动器、可控硅、石英晶体振动器、压力式温度计、玻璃制温度计压力式温度计、玻璃制温度计线性型线性型测温范围窄、测温范围窄、输出大输出大热敏电阻热敏电阻指数型指数型函数函数开关型开关型特性特性特定温度、特定温度、输出大输出大感温铁氧体、双金属温度计感温铁氧体、双金属温度计 测测 温温 特特 性性测温特性测温特性v1 热电偶测温原理热电偶测温原理v2 热电偶基本定律热电偶基本定律v3 热电偶冷端处理和补偿热电偶冷端处理和补偿v4 标准化热电偶标准化热电偶v5 热电偶分度表热电偶分度表v6 热电偶传感器的应用热电偶传感器的应用4.1 热电偶测温 4.1 热电偶测温 v热电偶是目前世界上科研和生产中应

37、用最普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。遍、最广泛的温度测量元件。v它将温度信号转换成电势（它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以）信号，配以测量电势的仪表或变送器可以实现温度的测测量电势的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。量或温度信号的转换。v热电偶温度计由热电偶（敏感元件）、电热电偶温度计由热电偶（敏感元件）、电测仪表和连接导线组成。测仪表和连接导线组成。热电偶测温主要特点热电偶测温主要特点 1、它属于、它属于自发电型自发电型传感器：（传感器：（有源传感器）有源传感器） 测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；测量时可以不需外加电源，可直

38、接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广、测温范围广：下限可达下限可达-270 C ，上限可达，上限可达1800 C以上；以上； 3、各温区中的热电势均符合、各温区中的热电势均符合国际计量委员会国际计量委员会的标准。的标准。 4、结构简单、制作方便；结构简单、制作方便； 5 5、性能稳定、准确度高、复现性好、体积小、响应时间短；、性能稳定、准确度高、复现性好、体积小、响应时间短； 6 6、直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和、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。控制等。 可适应各种测温对象的要求，如快速、点温测量等。可适应各种测温对象的要求，如快速、点温测量等

39、。4.1 热电偶测温 v热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应v4.1.1 热电偶的测温原理v 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度T和T0不相同时，回路中即产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。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右端称为：右端称为： 自由端自由端 参考端参考端 冷端冷端 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热电势

40、热电势ABv回路电势称为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结成工作端、热端，另一个称为参考端（或自由端、冷端）。v由于这种热电效应现象是1821年塞贝克（Seeback）首先发现提出，故又称塞贝克效应。4.1 热电偶测温 热电偶热电偶：两种不同的金属：两种不同的金属A和和B构成闭合回路，构成闭合回路，当两个接触端当两个接触端TT0时，回路中会产生热电势。时，回路中会产生热电势。 热电势由两种材料的接触电势热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定和单一材料的温差电势决定ABTT0热电效应：将温度信号转换成热电势热电效应：将温度信号转换成热电势 当当

41、不同材料不同材料的两导体和的的两导体和的两个结两个结点处温度不同点处温度不同时时，则回路中产生热电势，则回路中产生热电势热电偶：热电偶：两导体和组成两导体和组成接触电势接触电势：接触点电子密度不相同而形：接触点电子密度不相同而形成的电位差成的电位差温差电势温差电势：金属导体两端温度不同而可：金属导体两端温度不同而可产生的热电势产生的热电势等温时为零等温时为零 0000,ttetettetetteAABBABAB导导体体A导导体体B teAB 0teAB0,tteA0,tteB高温端高温端t低温端低温端t0e eABAB（t,tt,t0 0）金属金属A A和温度和温度t t分别表示热电偶的正极和

42、测量分别表示热电偶的正极和测量端端, ,后面的金属后面的金属B B和温度和温度t t0 0分别表示热电偶的负极和参考端分别表示热电偶的负极和参考端4.1 热电偶测温 1. 接触电势（珀尔帖电势）v两种导体相接触，由于导体内的自由电子密度不同，如果NANB ，电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散；v导体A由于失去了电子而具有正电位。导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。v在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了电位差，称之为接触电势。v式中vEAB(T)：为A、B两种材料在温度为T时的接触电动势；vK：玻耳兹曼常数；ve：电子电荷：vNA(T)、NB(T)：A、B两种材料在温

43、度T时的自由电子密度。 lnAABBNTKTETeNT温差电势示意图2. 温差电势（汤姆逊电势）对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电势。00,d1KE T TN teTTN在整个闭合回路中产生的总电动势在整个闭合回路中产生的总电动势EAB(T,T0)可表示为可表示为由式可知，热电偶总电动势与电子密度由式可知，热电偶总电动势与电子密度N NA A、N NB B及及两节点温度两节点温度T,T0有关，电子密度取决于

44、热电偶材有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势动势EAB(T,T0)成为温度成为温度T和和T0的函数差，的函数差，即即3. 回路的总热电动势4. 结论v热电偶回路热电势的大小，只与组成热电偶的材料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处的温度有关，与热电偶丝的直和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。径、长度及沿程温度分布无关。v只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同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。材料组成的闭合

45、回路不会产生热电势。v热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的大小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。如果只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒已知且恒定，则定，则f(T0)为常数。回路总热电势量为常数。回路总热电势量EAB(T,T0)只是只是温度温度T的单值函数。的单值函数。4.1.1 热电偶测温原理热电偶测温原理热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势热电势存在必须具备两个条件：热电势存在必须具备两个条件：a) 两种不同的金属材料组成热电偶；两种不同的金属材料组成热电偶； b) 两端存在温差。两端存在温差。 )()(,00000TfTfTTeT

46、eTTeTeTTEBABAABAB 热电势是热电势是T和和T0的温度函数的差，而不是温度的函数。当的温度函数的差，而不是温度的函数。当T0=0时，时，f(T0)=0则有：则有：)(),(0TfTTEAB E与与T间有唯一对应的单值函数关系，因此可用测量到的间有唯一对应的单值函数关系，因此可用测量到的热电势热电势E来得到对应的温度值来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只与，热电偶热电势的大小，只与导体导体A和和B的材料及冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及的材料及冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及接触面积无关。接触面积无关。 4.1.2 热电偶回路的基本定律1. 均质导体定律由均质材料构

47、成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。1.均匀导体定律均匀导体定律 在用同一种均质材料组成的在用同一种均质材料组成的回路回路中，不中，不论材料的截面积是否一致以及各处的温度分论材料的截面积是否一致以及各处的温度分布如何，该回路中的总布如何，该回路中的总热电势热电势等于零等于零.若要回路中产生若要回路中产生热电势热电势，必须采用两种不同性质的材料，必须采用两种不同性质的材料由同一种材料组成的闭合回路存在温差时，若回路中产生由同一种材料组成的闭合回路存在温差时，若回路中产生热电势便说明

48、该材料是不均匀的热电势便说明该材料是不均匀的eA(t, t0)0 tA t04.1.2 热电偶回路的基本定律1 均质导体定律均质导体定律 热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。热电极的温度分布无关。 如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。TT0 由一种匀质导体所组成的闭由一种匀质导体所组成的闭合回路，不论导体的截

49、面积及合回路，不论导体的截面积及导体的各处温度分布如何，都导体的各处温度分布如何，都不能产生热电势。热电偶必须不能产生热电势。热电偶必须采用两种不用材料的导体组成。采用两种不用材料的导体组成。4.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律2. 中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入另一种导体称中间导体在热电偶回路中接入另一种导体称中间导体C，只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势只要中间导体的两端温度相同，热电偶回路总电动势不受中间导体接入的影响。不受中间导体接入的影响。为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据为用测量仪表测量回路的热电动势提供理论依据TT0V4.1.2 热电偶基本定

50、律热电偶基本定律中间导体中间导体定律定律 在热电偶回路中加入第三种导体在热电偶回路中加入第三种导体C C，只要其两，只要其两端温度相同，热电偶产生的热电势保持不变端温度相同，热电偶产生的热电势保持不变不不受第三金属接入的影响受第三金属接入的影响Ct tABt t0 0t t0 0eAB(t)eBC(t0)eCA(t0)eB(t, t0)eA(t, t0)00,ttetteABABC 可以在热电偶回路中接入仪表以便检测热可以在热电偶回路中接入仪表以便检测热电势的大小从而测出温度电势的大小从而测出温度 相对另一种相对另一种金属金属C（标准电极）（标准电极）的热电势为的热电势为已知的金属已知的金属A

51、和和B，它们组成的热电偶，其，它们组成的热电偶，其热电势为它们对金属热电势为它们对金属C热电势的代数和：热电势的代数和： 建立通用建立通用（相对标准电极）（相对标准电极）分度表分度表000000,ABACCBABACBCet tet tet tet tet tet tACt toCBt toABt to2. 中间导体定律中间导体定律标准电极应用 如果两种导体与另一种参考导体的热电势已知，如果两种导体与另一种参考导体的热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。考导体热电势的代数和。 v由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，

52、易提纯，由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，通常选用纯铂丝作为标准电极，只要测得所以，通常选用纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电势，则各种各种金属与纯铂组成的热电偶的热电势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电势可直接金属之间相互组合而成的热电偶的热电势可直接计算出来。计算出来。3. 中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T 、Tn和Tn、T0时热电动势的代数和，即00ABABnABnET,TET,TET ,T中间温度中间温度定律定律 热电偶在接点温度为热电偶在接点温度为t t、t tn n的热电势为

53、的热电势为e eABAB(t,t(t,tn n),),在接在接点温度为点温度为t tn n 、t t0 0的热电势为的热电势为e eABAB(t(tn n,t,t0 0),),则当接点的温度为则当接点的温度为t t、t t0 0的热电势为：的热电势为： 结论结论：电势与温度间转换电势与温度间转换：无论热电偶的工作温度为多少，都可以用一具有：无论热电偶的工作温度为多少，都可以用一具有相同相同参考温度的分度表参考温度的分度表来确定其电势温度函数关系来确定其电势温度函数关系温差测量：只要已知温差测量：只要已知t和和tn温度下的电势，则对应于温度下的电势，则对应于t和和tn温差温差下下的热电势便的热电

54、势便为已知为已知00,ttettettenABnABAB00,ttettettenABABnABABt tnABtn toABt to131223,( , )( , )ABABABEetett tettt23. 中间温度定律 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接的两点温度相同

55、，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。度有关。v热电偶由于受到材料价格的限制不可能做热电偶由于受到材料价格的限制不可能做得很长，而要使其冷端不受测温对象的温得很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线就可以做到这一点。补偿导线就可以做到这一点。热电偶冷端的延长热电偶冷端的延长 v所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在的导线，在0100温度范围内与配接的热电偶温度范围内与配接的热电偶有一致的热电

56、特性，但价格相对要便宜。有一致的热电特性，但价格相对要便宜。v可可延长热电偶的延长热电偶的冷端冷端，使之远离高温区；可节约，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。大量贵金属；易弯曲，便于敷设。 回路总热电势为回路总热电势为E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0)EAB(T0,T0)=EAB(T0,T0)E=EAB(T,T0)v 利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所恒定的场所(如仪表室如仪表室)，其实质是相当于将，其实质是相当于将热电极延长。根据中间温度定律，只要热热电极延长。根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度

57、一致，是电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。不会影响热电动势输出的。 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蔽层带屏蔽层型型两种两种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补偿两种补偿导线导线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）和耐耐热用热用（0200）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)S13000B14008.914K3034.111T-145-5.324E80535J5651513.155158502059.30430.30

58、62.2.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

59、么？ 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组成热电偶，如果组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，他们所产生的热电动势为已知，A和和B两极配对后的热两极配对后的热电动势：电动势：000T ,TET ,TET ,TECBACABABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极4. 连接导体定律连接导体定律4.1.2 热电偶基本定律热电偶基本定律补偿导线的理论依据中间温度定律和标准电极定律 若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且它们之间连

60、接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。 纯金属与合金的种类很多，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量极大。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，通常选用高纯铂丝作为标准电极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势可直接计算得到。4.1.3 热电偶的材料、特点热电极材料应具备的条件：1.热电偶应输出热电偶应输出较大的热电势较大的热电势，且要求热电势和温度之间尽可能地呈线，且要求热电势和温度之间尽可能地呈线性函数关系；性函数关系；2.能应用于能应用于较宽的温度范围；较