第五章.温度测量(化工)

1、第四章第四章 温度测量温度测量本章主要内容：本章主要内容：1.概述概述2.接触式温度测量接触式温度测量热电偶温度计热电偶温度计热电阻温度计热电阻温度计温度显示仪表温度显示仪表3.非接触式温度测量非接触式温度测量理论依据理论依据光学高温计光学高温计辐射式温度计辐射式温度计本章重点：本章重点：1.热电偶温度计的测量原热电偶温度计的测量原理、应用定则、常用热电理、应用定则、常用热电偶、热电偶冷端温度处理。偶、热电偶冷端温度处理。2.热电阻温度计的测温原热电阻温度计的测温原理及常见热点组的种类及理及常见热点组的种类及特点。特点。3.电子电位差计的工作原电子电位差计的工作原理及特点。理及特点。难点难点：

2、接触式温度计的有关计算。接触式温度计的有关计算。4.1 概述概述4.1.1、温度的基本概念和测量方法、温度的基本概念和测量方法 温度是一个基本物理量。温度是一个基本物理量。 温度的宏观概念是冷热程度的表示，或温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为者说，互为热平衡的两物体，其温度相热平衡的两物体，其温度相等。等。 温度的微观概念是大量分子运动平均强温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其温度表现度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。越高。自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密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、科学试验以及日相关，

3、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常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。理量。温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标标、热力学温标.4.1.2、 温标

4、温标v1.经验温标经验温标经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点关系。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，并把引起体积变化一份的温度为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为定义为1度。度。经验温标与测温介质有关经验温标与测温介质有关，有多，有多少种测温介质就有多少个温标。少种测温介质就有多少个温标。按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标按照这个原则建立的有摄

5、氏温标、华氏温标 。v摄氏温标摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单摄氏度，单位为位为“oC“v华氏温标华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为温标，水的冰点为32oF，沸点是，沸点是212oF。分成。分成180份，对应每份的温度为份，对应每份的温度为1华氏度，单位为华氏度，单位为“oF”。摄

6、氏温度和华氏温度的关系为。摄氏温度和华氏温度的关系为 2.热力学温标热力学温标热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，水的三相点，定分子运动停止时的温度为绝对零度，水的三相点，即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为即液体、固体、气体状态的水同时存在的温度，为273.16K，水的凝固点，即相当摄氏温标，水的凝固点，即相当摄氏温标0，相当，相当华氏温标华氏温标32 的开氏温标为的开氏温标为273.15K。热力学温标。热力学温标（符号为（符号为T）它的单位为开尔文（符号为）它的单位为开尔文（符号为K），定），定义

7、为水三相点的热力学温度的义为水三相点的热力学温度的1/273.16。273.15tTCK4.1.3、测温方法与测温仪器的分类、测温方法与测温仪器的分类 按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非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。接触式两大类。 1. 接触式测温接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，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，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。测对象的温度值。优点优点：直观可靠

8、、。：直观可靠、。缺点缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不：是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。介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。 2、非接触式测温、非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有故可避免接触测温法的缺点，具有较高较高的测温上限的测温上限。此外，非接触测温法。此外，非接触测温法热惯热惯性小性小，可达千

9、分之一秒，故，可达千分之一秒，故便于测量运便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。动物体的温度和快速变化的温度。测温仪器测温仪器 对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和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。非接触式两大类。 接触式仪器接触式仪器又可分为又可分为: 膨胀式温度计膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计度计)、 电阻式温度计电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计温度计)、 热电式温度计热电式温度计(包括热电偶和包括热电偶和P-N结温度计结温度计)以及其它原

10、理以及其它原理的温度计。的温度计。 非接触式温度计非接触式温度计又可分为又可分为辐射温度计、亮度温度辐射温度计、亮度温度计和比色温度计计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为故也统称为辐射温度计。辐射温度计。 按照温度测量范围，可分为超低温、低按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温温、中高温和超高温温度测量。超低温一般是指一般是指010K，低温指，低温指10800K，中温指中温指8001900K，高温指，高温指19002800K的温度，的温度，2800K以上被认为是超以上被认为是超高温。高温。形式原理种类适用范围优点缺点接

11、触式膨胀式玻璃管-80500结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉 结构简单，机械强度大，价格低廉 结构简单，不怕震动，具有防爆性，价格低谦测量上限和精度受玻璃质量限制，易碎，不能记录和远传 双金属-80500精度低，量程和使用范围易有限制 气体压力式-100500精度低，测温距离较远时，仪表的滞后现象较严重 热电阻铂、铜热电阻-200600-50300测温精度高，便于远距离、仪器测量和自动控制不能测量高温，由于体积大，测量点温度较困难 半导体热电阻热电偶铜-康铜-20030001600测温范围广，精度高，便于远距离、集中测量和自动控制需要进行冷端补偿，在低温段测量时精度低 铂-铑铂感温元件不

12、破坏被测物体的温度场，测温范围广非接触式 辐射辐射式高温计1002000只能测高温，低温段测量不准，环境条件会影响测量准确度。 4.2 膨胀式温度计膨胀式温度计v1. 液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计 这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计，这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计，典型结构如图所示。它由液体储存器、毛细管和标典型结构如图所示。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。尺组成。 液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制为了防止毛的温度，下限受液体凝点温度的限制为了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测

13、温液体的沸点细管中液注出现断续现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。全浸是指测温时把液柱部分全部浸两种。全浸是指测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。部分浸入是把温度计浸入入被测介质中。部分浸入是把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。如图标志以下的部分插入被测介质中。如图 (b)所示。所示。 全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测量精度较高，故多用于实验室和标准温度量精度较高，故多用于实验室和标准温度计，部

14、分浸入式用于一般工业测温。计，部分浸入式用于一般工业测温。 使用时，如果全浸式温度计的液柱部分使用时，如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入，如图不能全部浸入，如图 (a)所示，部分浸所示，部分浸入式温度计露出部分的环境温度与标定入式温度计露出部分的环境温度与标定时不一致，就会产生测量误差，故必须时不一致，就会产生测量误差，故必须进行修正。方法是用一个小的辅助温度进行修正。方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液柱部分的平均温度，计度计测出露出液柱部分的平均温度，如图如图22所示，并按下式估算温度修正所示，并按下式估算温度修正量量 t，即即21()ttt n2、固体膨胀式温度计、固体膨胀式温度

15、计 这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为杆式和双金属式两大类。料制成，分为杆式和双金属式两大类。 图图93所示为杆式温度计的原理图。由于所示为杆式温度计的原理图。由于芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。 双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，

16、另一端为自由端。当温度变化时，由于两另一端为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。为了满足不大机构带动指针指示温度值。为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状，如图的形状，如图94所示。所示。4.3 热电偶温度计热电偶温度计 4.3.1热电偶的测温原理热电偶的测温原理 热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感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温元件，它的

17、工作原理是基于热电效应v1.热电效应热电效应两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一两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，当两个接触点起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点称为结点)温度温度t和和t0不相同时，回路中既产不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成生电势，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。电能的现象称为热电效应。称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。称回路电势为热电势。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端或工作两个结点中与被测介质接触的一个称为测量端或工作端、热端，另一个称

18、为参考端或自由端、冷端。端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。2.两种导体的接触电动势两种导体的接触电动势v两种导体接触的时候，由于导体内的自由电两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果子密度不同，如果NANB电子密度大的导电子密度大的导体体A中的电子就向电子密度小的导体中的电子就向电子密度小的导体B扩散，扩散，从而由于导体从而由于导体A失去了电子而具有正电位。失去了电子而具有正电位。相反导体相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时有负电位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为之间就形

19、成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。接触电动势。式中式中EAB(T)为为A、B两种材料在温度为两种材料在温度为T时的接时的接触电动势；触电动势；K为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数(1.3810-6)；e为电子电荷为电子电荷(1. .602189210-19);NA(T)、NB(T)为为A、B两种材料在温度两种材料在温度T时的自由电子时的自由电子密度密度。回路中总的接触电势为：回路中总的接触电势为： 3.单一导体中的温差电动势单一导体中的温差电动势 对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自对单一金属导体，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，动能大的由电子

20、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。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，称为温差电动势。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。4.综上所述，在整个闭合回路中产生的综上所述，在整个闭合回路中产生的总电动势总电动势EAB(T,T0)可表示为可表示为由式可知，由式可知，热电偶总电动势与电子密度热电偶总电动势与电子密度NA、NB及及两节点温度两节点温度T、T0有关，有关，电子密度取决于热电偶材电子密度取决于热电偶材料

21、的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电料的特性。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To的函数差，即的函数差，即v5.结论结论v热电偶回路中热电动势的大小，只与组热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度两接点温度t和和t0 0的函数差。的函数差。v 如果使冷端温度如果使冷端温度t0保持不变，则热电动保持不变，则热电动势便成为热端温度势便成为热端

22、温度t的单一函数。的单一函数。“冷端冷端温度温度t0保持不变保持不变”是热电偶测温的是热电偶测温的前提条前提条件件。v热电偶的特性热电偶的特性热电偶的主要特性如下：热电偶的主要特性如下：稳定性：稳定性：指热电偶的热电特性随使用时间变化指热电偶的热电特性随使用时间变化小。小。不均匀性：不均匀性： 指热电极的不均匀程度，所引起指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度的的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。不匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。不均匀性降

23、低测温的准确度，影响热电偶的稳定均匀性降低测温的准确度，影响热电偶的稳定性和互换性。造成不均匀性的原因有杂质分布性和互换性。造成不均匀性的原因有杂质分布不均，成份偏析，局部表面金属的挥发和氧化，不均，成份偏析，局部表面金属的挥发和氧化，局部的腐蚀和沾污，应力分布不均匀和晶体结局部的腐蚀和沾污，应力分布不均匀和晶体结构不均匀等。构不均匀等。热惰性：热惰性：指被测介质从某一温度跃迁到另一温指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%63.2%所需的时间。所需的时间。 4.3.2、热电偶基本定律、热电偶基本定律1.均质导体

24、定律均质导体定律 由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小由均质材料构成的热电偶、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，将会有附加不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。电动势产生。 2.中间导体定律中间导体定律 如图所示，将如图所示，将A、B构成的热电偶的构成的热电偶的T0端断开，接入第三端断开，接入第三种导体种导体C，只要保，只要保持第三导体两端温持第三导体两端温度相同，接入导体度相同，接入导体C后对回路总电动后对回路总电动势无

25、影响势无影响。 3.中间温度定律中间温度定律 在热电偶回路中，两接点温度为在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和和Ta、T0时热电动势的代数和，即时热电动势的代数和，即两端点在任意温度时的热电势为：两端点在任意温度时的热电势为：4.标准电极定律标准电极定律 如下图所示，两种导体如下图所示，两种导体A、B分别与第三种导体分别与第三种导体C组成热电偶如果组成热电偶如果A、C和和B、C热电偶的热电热电偶的热电动势已知、那么这两种导体动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶组成的热电偶产生的电动势可由下式求得产生的电

26、动势可由下式求得000( ,)( ,)( ,)ABACBCET TET TET T4.3.3 常见热电偶的组成及特点常见热电偶的组成及特点v1.普通热电偶的结构普通热电偶的结构v(2)热电偶的结构形式热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：地工作，对它的结构要求如下：组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离

27、。保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。v热电偶的结构有两种热电偶的结构有两种,普通型和铠装型。普通普通型和铠装型。普通性热电偶一般由热电极性热电偶一般由热电极,绝缘管绝缘管,保护套管和接保护套管和接线盒等部分组成线盒等部分组成,而铠装型热电偶则是将热电而铠装型热电偶则是将热电偶丝偶丝,绝缘材料和金属保护套管三者组合装配绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后后,经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。普通热电偶的结构2.铠装热电偶的结铠装热电偶的结构构v2.常见热电偶常见热电偶v常用热电偶可分为标准热电偶和非标准常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

28、所调用标准热电偶是指热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶。的测量。标准化热电偶。v我国从我国从1988年年1月月1日起，热电偶和热电阻日起，热电偶和热电阻全部按全部按IE

29、C国际标准生产，并指定国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶设计型热电偶。热电偶型号偶丝直径最高使用温度长期使用 ()短期使用 ()B0.516001700R0.514001600S0.513001600KN0.30.50.8 1.01.2 1.62.0 2.53.27008009001000110012008009001000110012001300热电偶型号偶丝直径最高使用温度长期使用()短期使用()E0.3 0.50.8 1.0 1.21.6 2.02.5 3.2350450550650750450550650750

30、900J0.3 0.50.8 1.0 1.21.6 2.02.5 3.2300400500600400500600750T0.2 0.3 0.5 0.81.0 1.21.6 2.0150200250300200250300350*KB,*KR,*KS0.08 0.1-15544.3.4热电偶的参比端处理热电偶的参比端处理 如前所述，为使热电偶的热电动势与被如前所述，为使热电偶的热电动势与被测量间呈单值函数关系，热电偶的参比测量间呈单值函数关系，热电偶的参比端可采用以下方法处理。端可采用以下方法处理。 1.冰点槽法冰点槽法 这种方法是将热电偶的参比端保持在稳这种方法是将热电偶的参比端保持在稳定的

31、定的0 C环境中。环境中。 2.参比端温度修正法参比端温度修正法v当热电偶参比端为不等于当热电偶参比端为不等于0 C时，需对仪表时，需对仪表的示值加以修正，因为热电偶的温度热电的示值加以修正，因为热电偶的温度热电动势关系以及分度表是在参比端为动势关系以及分度表是在参比端为0 C得到得到的。修正公式：的。修正公式：3.电桥补偿法电桥补偿法4.补偿导线的应用补偿导线的应用v 所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶相所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线用它将热电偶的参比端近的材料制成导线用它将热电偶的参比端延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路引入超

32、出允许的附加测温误差。引入超出允许的附加测温误差。v 随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。适合于标准化热电偶使用。补偿导线合金丝和绝缘层颜色补偿导线合金丝和绝缘层颜色补偿导线型号配用热电偶的分度号补偿导线合金丝绝缘层着色正极负极正极负极SC(铂铑10-铂)SPC(铜)SNC(铜镍)红绿NC(镍铬硅-镍硅)NPC(铁)NNC(铜镍)红黄KC(铜-康铜)KPC(铜)KNC(铜镍)红蓝KX(镍铬-镍硅)KPX(镍铬)K N X(镍硅)红黑EX(镍铬-铜镍)E

33、PX(镍铬)ENX(铜镍)红棕JX(铁-铜镍)JPX(铁)JNX(铜镍)红紫TX(铜-铜镍)TPX(铜)TNX(铜镍)红白注：注：SC型补偿导线可以配用型补偿导线可以配用R型分度号热电偶型分度号热电偶 4.4 电阻温度计电阻温度计v利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高属在温度升高1 C 时电阻将增加时电阻将增加0.40.6。但半导体电阻一般随温度升高而减小，。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高其灵敏度比金属高，每升高1 C ，电阻约减，电阻约减

34、小小26。v目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的应用。铜和镍，它们已得到广泛的应用。4.4.1铂电阻温度计铂电阻温度计v铂是一种贵金属。它的特点是铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，精度高，稳定性好，性能可靠性能可靠，尤其是，尤其是耐氧化性能耐氧化性能很强。很强。 铂在很宽的温度范围内约铂在很宽的温度范围内约1200 C以下都能保证上述以下都能保证上述特性。特性。铂很容易提纯铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝可制成很细的铂丝(0.02mm或更细或更细)或极薄的铂箔。或极薄

35、的铂箔。与其它材料相比，与其它材料相比，铂有较高的电阻率铂有较高的电阻率，因此普遍认，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。为是一种较好的热电阻材料。v缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小；价格贵。缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小；价格贵。 在在0 C 以上，其电阻与温度的关系接近于以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数直线，其电阻温度系数A为为3.9103/ C 。 我国已采用我国已采用IEC标准制作工业铂电阻。按标准制作工业铂电阻。按IEC标淮，使用温度已扩大到标淮，使用温度已扩大到-200850 C ，初始电阻有，初始电阻有100 和和50 两种。两种。0(1)tRRAt4.4.2

36、铜电阻温度计铜电阻温度计v 在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。它可用来测量普遍地使用铜电阻。它可用来测量50150 C 的温度，在这温度范围内，铜电阻和的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：温度呈线性关系： 铜电阻的缺点是电阻率小铜电阻的缺点是电阻率小 所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。此外铜很容易氧化，长，使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为所以它的工作上限为150 C 。但铜电阻。但铜电阻

37、价格便宜，因此仍被广泛采用。价格便宜，因此仍被广泛采用。881.7 109.81 10CuPtmm4.4.3热电阻测量电路热电阻测量电路 热电阻把温度量转换成电阻置，这样就可热电阻把温度量转换成电阻置，这样就可以通过测量电阻来测量温度。测量电阻通以通过测量电阻来测量温度。测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。常可利用欧姆表或电桥。v 平衡电桥法平衡电桥法 平衡电桥法如图所示。在图平衡电桥法如图所示。在图(a)中，如果中，如果电阻电阻R1=R2，当热电阻，当热电阻Rt阻值随温度变化阻值随温度变化时，调节电位器时，调节电位器Rw的电刷位置的电刷位置x，使电桥使电桥处于平衡状态，则有处于平衡状态，则有00

38、txRRnRLL、R0电位器有效长度和总电阻电位器有效长度和总电阻x电刷位置电刷位置4.4.4电阻温度计的测温误差电阻温度计的测温误差（一）热电阻的基本误差热电阻的基本误差 热电阻测温系统的误差由热电阻的基本误差、热电阻测温系统的误差由热电阻的基本误差、指示仪表的误差、电阻体自热误差和引线电阻误指示仪表的误差、电阻体自热误差和引线电阻误差组成。差组成。 自热误差是由流过电阻体的电流引起，电流大自热误差是由流过电阻体的电流引起，电流大可提高输出信号，但带来的自热误差也大。一般可提高输出信号，但带来的自热误差也大。一般工业热电阻工作电流被限制在工业热电阻工作电流被限制在6mA以内，这样以内，这样自

39、热温差就不会超过自热温差就不会超过0.1 C。 图图926电路中两根连线的电阻随环境温电路中两根连线的电阻随环境温度变化时，全部变化量都加在同一桥臂度变化时，全部变化量都加在同一桥臂上，从而带来连线误差。为了减小该项上，从而带来连线误差。为了减小该项误差，一般采用三线连接法，如图所示。误差，一般采用三线连接法，如图所示。由于热电阻的两根连线分别置于相邻两由于热电阻的两根连线分别置于相邻两桥臂内，温度引起连线电阻的变化桥臂内，温度引起连线电阻的变化 对电对电桥的影响相互抵消。至于电源连线电阻桥的影响相互抵消。至于电源连线电阻的变化，对供桥电压影响是极其微小的，的变化，对供桥电压影响是极其微小的，

40、可忽略不计。可忽略不计。 电位差计测量电阻电路4.5光辐射测温方法及仪表光辐射测温方法及仪表v非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类而在温度测量中主要是

41、可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。高，所以一般就称为热辐射。4.5.1热辐射基本定律热辐射基本定律 ( (一一) )基尔霍夫定律基尔霍夫定律 ( (二二) )斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律（三）普朗克定律（三）普朗克定律（四）维恩位移定律（四）维恩位移定律 （一）基尔霍夫定律（一）基尔霍夫定律( , )( )( )dTTd 式中，式中， 为照射到物体单位面积上的辐为照射到物体单位面积上的辐通量通量(包括有不同波长包括有不同波长 的辐射的辐射)； 为被物为被物体吸收的辐通量。体吸收的辐通

42、量。( , )dT ( )d 光谱吸收比光谱吸收比( )( )( )( ):MTfTTMT物体的光谱辐射出射度（光出射度） 在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率在热平衡时被分析物体向四周的辐射功率等于它吸收的功率等于它吸收的功率，00( )( )( )( )( )MTT MTMTMTT式中：为非黑体光谱辐射出射度，为黑体温度 的光谱辐射出射度( )fT就是温度就是温度T时绝对黑体的光谱辐射出射度时绝对黑体的光谱辐射出射度0( )( )( )MTTMT( )( )TT光谱发射率等于它的光谱吸收率。光谱发射率等于它的光谱吸收率。( (二二) )斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律v斯式潘根据实验得

43、出结论，物体的总的辐斯式潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比射出射度与温度的四次方成正比。04424( )( )TMTTM TTTTW m KT -3对于非黑体的一般物体：式中：为温度为 时全波长范围的材料发射率，也称为黑度系数；为斯忒潘玻耳兹曼常数；5.6696 10为物体的热力学温度（三）普朗克定律（三）普朗克定律也可用亮度表示也可用亮度表示：式中，式中， 为波长；为波长；c1为普朗克第一辐射常数为普朗克第一辐射常数, c2为普朗克第为普朗克第二辐射常数，二辐射常数，h为普朗克常数；为普朗克常数；c为光速；为光速；k为玻耳兹曼常为玻耳兹曼常数数（四）维恩位移定律（四

44、）维恩位移定律v 热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验热辐射电磁波中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长可知，物体峰值辐射波长m与物体自身的与物体自身的绝对温度绝对温度T成以下关系成以下关系2897()mTm k4.5.2辐射温度计辐射温度计v全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：律总辐射出射度为：v只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被

45、测对象的温度。就可以测量出被测对象的温度。v 应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。我们一般把这个温度被测物体的实际温度。我们一般把这个温度称为称为“辐射温度辐射温度”。式中，式中，T和和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；分别为物体的真实温度和辐射温度； T为温度为温度T时物体全辐射的黑度系数时物体全辐射的黑度系数v由于由于0T1，所以，所以，辐射温度辐射温度TF总要低于物总要低于物体

46、的真实温度体的真实温度。v值得注意的是值得注意的是,T 与光谱发射率一样，涉及的与光谱发射率一样，涉及的因素很多，它随物体的化学成分、表面状态、因素很多，它随物体的化学成分、表面状态、温度及辐射条件的不同而改变。例如金属镍，温度及辐射条件的不同而改变。例如金属镍，在在10001400范围内范围内,T 0.0560.069；在类似温度范围内氧化镍的在类似温度范围内氧化镍的 却为却为0.540.87，大致相差一个数量级。又如磨光的铂在大致相差一个数量级。又如磨光的铂在260538范围内范围内,T 0.060.10；而在；而在完全相同的温度范围内，铂黑的完全相同的温度范围内，铂黑的T 高达高达0.9

47、60.97。由此可见，被测物体的化学成分或表面。由此可见，被测物体的化学成分或表面状态的差异，均可能造成状态的差异，均可能造成 的很大变化。的很大变化。T 辐射高温计光学系统的作用是聚集被测物体的辐射高温计光学系统的作用是聚集被测物体的辐射能。其形式有透射型和反射型两大类。光辐射能。其形式有透射型和反射型两大类。光学系统中的物镜通常为平凸形透镜。透镜的材学系统中的物镜通常为平凸形透镜。透镜的材料选用取决于温度计测温范围。测温范围为料选用取决于温度计测温范围。测温范围为4001200时，应选石英玻璃材料时，应选石英玻璃材料(它可透它可透过过0.30.4 m的光谱段的光谱段)；当测温范围为；当测温

48、范围为7002000时，透镜材料应选用时，透镜材料应选用K9型光型光学玻璃学玻璃(透过光谱段为透过光谱段为0.32.7 m)。所以测量。所以测量范围不同的辐射温度计的物透镜材料是不同的。范围不同的辐射温度计的物透镜材料是不同的。下图是采用热电堆作敏感元件的辐射温度计结下图是采用热电堆作敏感元件的辐射温度计结构示意图。构示意图。v被测物体波长且被测物体波长且0的全辐射能量由物的全辐射能量由物镜镜1聚焦后经光阑聚焦后经光阑2投射到热接受器投射到热接受器(热电堆热电堆)4上。按测温起始点不同，热电堆分别由上。按测温起始点不同，热电堆分别由16对对或或8对直径为对直径为005007mm的镍铬一考的镍铬

49、一考铜热电偶串联而成，每一对热电偶的热端焊铜热电偶串联而成，每一对热电偶的热端焊在靶心镍箔上，冷端由考铜箔串联起来，以在靶心镍箔上，冷端由考铜箔串联起来，以获得较大的热电势，其输出热电势由显示仪获得较大的热电势，其输出热电势由显示仪表或记录仪表读出。表或记录仪表读出。 v辐射高温计的测量仪表按显示方式可分为自辐射高温计的测量仪表按显示方式可分为自动平衡式、动圈式和数字式三类。它们均包动平衡式、动圈式和数字式三类。它们均包括测量电路、显示驱动电路、指示器；数字括测量电路、显示驱动电路、指示器；数字式测量仪表还包括模拟数字转换电路。自式测量仪表还包括模拟数字转换电路。自动平衡式测量仪表需有平衡驱动

50、的执行器，动平衡式测量仪表需有平衡驱动的执行器，如小型步进电机。如小型步进电机。 辐射高温计的辅助装置主要包括水冷却辐射高温计的辅助装置主要包括水冷却和烟尘防护装置。与光学高温计相比较，和烟尘防护装置。与光学高温计相比较，辐射高温计的测量误差要大一些。其原辐射高温计的测量误差要大一些。其原因是被测物体的光谱发射率因是被测物体的光谱发射率比比其全辐射其全辐射发射率稳定、准确。另外在发射率稳定、准确。另外在0.66 m时，光谱辐射能的增加量比全辐射能的时，光谱辐射能的增加量比全辐射能的增加量大得多，故光学高温计的灵敏度增加量大得多，故光学高温计的灵敏度高。鉴于以上原因，辐射高温计在使用高。鉴于以上

51、原因，辐射高温计在使用上远不及光学高温计普遍，并有进一步上远不及光学高温计普遍，并有进一步被淘汰的趋势。被淘汰的趋势。4.5.3亮度温度计v灯丝隐灭式光学温度计灯丝隐灭式光学温度计v光电亮度温度计光电亮度温度计v光学高温计是发展最早、应用最广的非接触光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度计之一。它结构简单，使用方便，测式温度计之一。它结构简单，使用方便，测温范围广（温范围广（7003200），一般可满足工），一般可满足工业测温的准确度要求。目前广泛用于高温熔业测温的准确度要求。目前广泛用于高温熔体、炉窑的温度测量，是冶金、陶瓷等工业体、炉窑的温度测量，是冶金、陶瓷等工业部门十分重要的高温

52、仪表。部门十分重要的高温仪表。v光学高温计是利用受热物体的单色辐射光学高温计是利用受热物体的单色辐射强度随温度升高而增加的原理制成的，强度随温度升高而增加的原理制成的，由于采用单一波长进行亮度比较，因而由于采用单一波长进行亮度比较，因而也称单色辐射温度计。物体在高温下会也称单色辐射温度计。物体在高温下会发光，也就具有一定的亮度。物体的亮发光，也就具有一定的亮度。物体的亮度度B与其辐射强度与其辐射强度E成正比，即：成正比，即：B=CE，式中，式中C为比例系数。所以受热为比例系数。所以受热物体的亮度大小反映了物体的温度数值。物体的亮度大小反映了物体的温度数值。通常先得到被测物体的亮度温度，然后通常

53、先得到被测物体的亮度温度，然后转化为物体的真实温度。转化为物体的真实温度。1.物镜；物镜；2.灰色吸收玻璃；灰色吸收玻璃；3.灯泡；灯泡；4.目镜；目镜；5.红色滤光片；红色滤光片；6.显示表头显示表头WGGZ型光学高温计原理图型光学高温计原理图v物镜物镜1和目镜和目镜4可前后移动，调节物镜使物体的可前后移动，调节物镜使物体的像落在灯泡像落在灯泡3内的灯丝平面上，调节目镜内的灯丝平面上，调节目镜4，使，使灯丝和物体的像能清晰地看到，然后边比较两灯丝和物体的像能清晰地看到，然后边比较两者的亮度，边慢慢调节滑动电位器的触点位置，者的亮度，边慢慢调节滑动电位器的触点位置，改变流过灯丝的电流，使灯泡灯

54、丝的亮度作相改变流过灯丝的电流，使灯泡灯丝的亮度作相应的改变。当被测物体的亮度大于灯丝亮度时，应的改变。当被测物体的亮度大于灯丝亮度时，灯丝在背景灯丝在背景(对应于被测物体亮度对应于被测物体亮度)上呈现暗丝上呈现暗丝(背景比灯丝亮背景比灯丝亮)；当被测物体的亮度小于灯丝；当被测物体的亮度小于灯丝的亮度时的亮度时,则灯丝在背景中呈亮丝则灯丝在背景中呈亮丝(背景比灯丝背景比灯丝暗暗)；逐渐调节滑动电位器，使灯丝亮度和背；逐渐调节滑动电位器，使灯丝亮度和背景亮度达到一致，此时，灯丝便景亮度达到一致，此时，灯丝便隐灭隐灭在背景中；在背景中；表头表头6这时指示出这时指示出(由滑动电位器位置所决定由滑动电

55、位器位置所决定)被被测物体的亮度温度。得到了被测物体的测物体的亮度温度。得到了被测物体的亮度温亮度温度度，再根据该物体的光谱发射率，便可获得该，再根据该物体的光谱发射率，便可获得该物体的真实温度。物体的真实温度。 2是是灰色吸收玻璃灰色吸收玻璃，其作用是扩大光学高温计其作用是扩大光学高温计的量程的量程。灯丝在其亮度温度超过。灯丝在其亮度温度超过1400时，将时，将由于灯丝易过热发生氧化进而使灯丝的电阻发由于灯丝易过热发生氧化进而使灯丝的电阻发生改变，致使电流与亮度温度关系偏置原标定生改变，致使电流与亮度温度关系偏置原标定值；同时值；同时1400以上的高温，使灯泡的金属丝以上的高温，使灯泡的金属

56、丝要升华，将在玻璃泡上沉积形成灰暗的薄膜，要升华，将在玻璃泡上沉积形成灰暗的薄膜，改变原亮度特性而带来测量误差。因此，当测改变原亮度特性而带来测量误差。因此，当测量高于量高于1400的亮度温度时，在物镜与灯炮之的亮度温度时，在物镜与灯炮之间安装吸收率为常量的灰色吸收玻璃，以减弱间安装吸收率为常量的灰色吸收玻璃，以减弱被测热源的辐射亮度。测量时，用已经减弱了被测热源的辐射亮度。测量时，用已经减弱了的热源亮度和灯丝亮度进行比较，这就可以使的热源亮度和灯丝亮度进行比较，这就可以使原最高亮度温度为原最高亮度温度为1400的钨丝灯，能测量更的钨丝灯，能测量更高的温度。高的温度。v光学高温计通常有光学高温

57、计通常有两个刻度两个刻度，一个是不加灰色吸收，一个是不加灰色吸收玻璃的刻度，其范围为玻璃的刻度，其范围为8001400；另一个是；另一个是加灰色吸收玻璃的刻度。为能测量更高的温度，有加灰色吸收玻璃的刻度。为能测量更高的温度，有的光学高温计在物镜前再加一块吸收玻璃，以进一的光学高温计在物镜前再加一块吸收玻璃，以进一步减弱被测物体辐射亮度；这样可使光学高温计测步减弱被测物体辐射亮度；这样可使光学高温计测量亮度温度高达量亮度温度高达3200物体的温度。无论采用何种物体的温度。无论采用何种形式，光学高温计形式，光学高温计钨丝本身最高温度均不可超过钨丝本身最高温度均不可超过1400。v5是是红色滤光片红

58、色滤光片，它的作用是滤除人眼不敏感，它的作用是滤除人眼不敏感的光谱段，仅让中心光谱波长为的光谱段，仅让中心光谱波长为0.66 m的窄波段通过。此工作光谱段愈窄效果愈好。的窄波段通过。此工作光谱段愈窄效果愈好。对于工业用光学高温计。光谱范围在对于工业用光学高温计。光谱范围在O.62O.7m范围所造成的误差可忽略不计。范围所造成的误差可忽略不计。现在光学高温计均是统一按绝对黑体来进行温度现在光学高温计均是统一按绝对黑体来进行温度刻划。所以，用光学高温计测量被测物体的温刻划。所以，用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体

59、此时相当于绝对黑体的温度，即而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的所谓的“亮度温度亮度温度”。 亮度温度的定义是：在波长为亮度温度的定义是：在波长为 、温度为、温度为T时。某物体的辐射亮度时。某物体的辐射亮度L与温度为与温度为TL的绝对黑的绝对黑体的亮度体的亮度L0 相等，则称相等，则称TL为这个物体在波长为这个物体在波长为为时的亮度温度。其数学表达式为时的亮度温度。其数学表达式为式中，式中，(，T)实际物体在温度为实际物体在温度为T、波长为、波长为时的光谱发射率；时的光谱发射率；T实际物体的真实温度，单位为实际物体的真实温度，单位为K;TL黑体温度，也即实际物体的亮度温度，单位为黑体

60、温度，也即实际物体的亮度温度，单位为K。),(),(),(),(00LTLTLTTL 在常用温度和波长范围内，通常用维恩公式来在常用温度和波长范围内，通常用维恩公式来近似表示光谱辐射亮度，这时上式成为近似表示光谱辐射亮度，这时上式成为两边取对数，整理后得两边取对数，整理后得这样，物体的真实温度为这样，物体的真实温度为 对于真实物体总是对于真实物体总是l，故测得的亮度温度总比，故测得的亮度温度总比物体的实际温度为低，即物体的实际温度为低，即TLT。 2211/55( , )LCTCTCCTee 1ln112CTTL22lnCTTCTLLv光学高温计的缺点是以人眼观察，并需用手光学高温计的缺点是以