内工大 测试技术 第9章 温度测量

第九章

温度测量第一节概述一、温度及其测量温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量，温度的测量是建立在热平衡基础上的。通过选择某一物体同被测物体相接触来测量它的温度，当两者达到热平衡时，对所选物体的物理参量（如液体的体积、导体的电阻等）进行测量，便可测出温度值。二、温标的概念温度的数值表示是通过建立温度标尺，即温标来实现。目前常用的是摄氏温标和国际温标。

1、摄氏温标：以水银热胀冷缩特性为基础，水的冰点定为0℃，沸水定为100℃，两点之间的温度均匀分为100分格，每格为1度（1℃）。

2、国际温标：建立在热力学理论基础上的，并规定以气体温度计为基准仪器，水的三相点(固相、液相、气相三相平衡点)为273．16度，以绝对零度(理想气体的压力为零时所对应的温度)到水的三相点之间的温度均匀分为273．16格，每格称为1“开尔文”(Kalvm)。

1989年第27届国际计量委员会(CIPM)通过“1990国际温标”，从1990年1月1日开始实施。国际温标同时使用国际开尔文温度(T90)和国际摄氏温度(t90)，它们的单位分别为开尔文(K)和摄氏度(℃)，其相互关系为

t90=T90-273.15三、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接触式两大类。

1.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，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数的量值就代表了被测对象的温度值。优点：直观可靠。缺点：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，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。3、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。

接触式仪器又可分为:

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)、

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)、

热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。

非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也按统称为辐射温度计。热电偶是工程应用最广泛的温度传感器。特点：构造简单，使用方便，准确度高，测温范围宽，适用于信号的远传，自动记录和集中控制。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。§9-2热电偶温度计热电偶的测温原理热电偶原理图TT0AB热端冷端一、热电效应定义：两种不同的导体或半导体A和B组成闭合回路，若A和B的两连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。热电偶的测温原理把两种不同导体或半导体的这种组合，称为热电偶。温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。A和B称为热电极。闭合回路称为热电回路。热电偶原理图TT0AB热端冷端1.接触电势eAB(T)——导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；e——单位电荷，e=1.6×10-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——导体A、B在温度为T时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势原理图+ABTeAB(T)-当两种金属材料A和B接触时，自由电子就要从密度大的金属材料扩散到密度小的金属材料中去，从而产生电子的扩散，当扩散达到平衡时，自由电子密度大的A材料失去电子带正电荷，而金属材料B得到电子带负电荷。从而在A，B接触处形成一定的电势差，这就是接触电势，其大小为：

eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；

T，T0——高低端的绝对温度；σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电动势，例如在0℃时，铜的σ=2μV/℃。2.温差电势AeA(T,To)ToT温差电势原理图在同一金属材料A中，当两端的温度不同，即T>T0时，两端电子能量就不同，温度高的一端电子能量大，则电子从高温端向低温端扩散的数量多，最后达到平衡。这样在金属材料A的两端形成一定的电位差，即温度电势，其大小为：由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果T＞T0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路总电势nAT、nAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度；nBT、nBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；σA

、σB——导体A和B的汤姆逊系数。热电偶的测温原理结论：热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。若两热电极A，B材料相同，nA=nB，σA=σB则无论两端温度如何，EAB（T,T0）≡0.若热电偶两端温度相同，T=T0，则EAB（T,T0）≡0.热电势与材料的中间温度无关，只与两结点温度有关。热电偶的测温原理导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。热电偶基本定律二、热电偶的基本定律中间导体定律（第三导体定律）一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则

E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0TABCTT三种不同导体组成的热电偶回路结论：将第三导体C接入由A、B组成的热电偶回路，只要其两个接入点的温度相同，则回路中的热电势保持不变。即：T0TAaBC23EABAT023ABEABTT2

CT0(a)(b)TnTnEAB(T,T0)=EAB(T)-EAB（T0）第三导体接入热电偶回路图热电偶基本定律热电偶基本定律根据上述原理，可以在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。ET0T0TET0T1T1T电位计接入热电偶回路热电偶基本定律标准电极定律当如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEAB(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB热电偶基本定律标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属的种类很多，而合金类型更多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们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根据上式直接计算出来。

例如：热端为100℃，冷端为0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV，则镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势应为

2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV连接导线定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。热电偶基本定律连接导体定律在热电偶回路中，着导体A、B分别与连接导线A’、B’相接，接点温度分别为T，Tn，T0如图所示，则回路的总热电势为上式为连接导体定律的数学表达式，即回路总热电势等于热电偶电势与连接导线电势的代数和。TT0TnTnAA′BB′热电偶基本定律中间温度定律热电回路中的热电势与中间温度无关.求得参考端温度为0℃时热电势与温度的关系，就可以根据上式求出参考温度不等于0℃时的热电势。TT0TnTnAABB中间温度定律是制定热电势分度表的理论基础常用热电偶及结构三、常用热电偶及结构常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所谓标准热电偶是指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的测量。我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC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设计型热电偶。常用热电偶及结构热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；导电率高，且电阻温度系数小；热电势高，热电势与温度之间呈线性或接近线形的单值函数关系。复现性好，便于成批生产，制造工艺简单，便于制造。常用热电偶及结构常用热电偶种类1．铂—铂铑热电偶分度号S

（旧LB—3）工业用热电偶丝：Φ0.5mm，实验室用可更细些。正极：铂铑合金丝,用90％铂和10％铑(重量比)冶炼而成。负极：铂丝。测量温度：长期：1300℃、短期：1600℃。100℃时的热电势：0.634mv常用热电偶及结构特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000℃以上高温。（高温热电偶）在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。常用热电偶及结构

2．镍铬—镍硅热电偶分度号K（旧EU—2）工业用热电偶丝：Φ1.2~2.5mm，实验室可细些。正极：镍铬合金(镍90.5%，铬9.5%)

负极：镍硅合金(镍97.5%，硅2.5%)。测量温度：长期900℃，短期1300℃。100℃时的热电势：4.10mv特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。复现性好，热电势大，线性好。高温下抗氧化能力强，但在还原性气体中易被侵蚀。稳定性差。常用热电偶及结构3．镍铬—考铜热电偶分度号为E（旧EA—2）工业用热电偶丝:Ф1.2～2mm，实验室可更细些。正极：镍铬合金负极：考铜合金（56％铜，44％镍冶炼而成）。测量温度：长期600℃，短期800℃。100℃时的热电势：6.95mv特点：

价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。常用热电偶及结构4．铂铑30—铂铑6热电偶分度号为B（旧LL—2）正极：铂铑合金（用70％铂，30％铑冶炼而成）。负极：铂铑合金（用94％铂，6％铑冶炼而成）。测量温度：长期可到1600℃，短期可达1800℃。100℃时的热电势：0.034mv特点：材料性能稳定，测量精度高。测温上限高。低温热电势极小，冷端温度在50℃以下可不加补偿。成本高。6、铜—康铜热电偶，分度号T（

MK）

热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为4.3mV/℃。它的正极是铜，负极是铜镍合金。测温范围为-200～+400℃。特点是精度高，价格便宜。在0～-200℃范围内，可制成标准热电偶，准确度可达土0.1℃。缺点是铜极易氧化，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃。

5、铁—康铜热电偶，分度号J

（TK）

灵敏度高，约为5.3mV/℃，线性度好，价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。它的正极是铁，负极是铜镍合金。测温范围为-200~+1300℃。主要缺点是铁极易氧化.常用热电偶及结构几种持殊用途的热电偶（1）铱和铱合金热电偶

如铱50铑—铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100℃的高温。（2）钨铼热电偶

是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围300～2000℃分度精度为1％。（3）金铁—镍铬热电偶主要用在低温测量，可在2～273℃范围内使用，灵敏度约为10μV／℃。（4）钯—铂铱15热电偶

是一种高输出性能的热电偶，在1398℃时的热电势为47.255mV，比铂—铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。常用热电偶及结构热电偶的结构工业用热电偶普通工业装配式热电偶作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从0℃到1800℃范围的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部分组成，工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝1234

常见普通工业装配式热电偶的外形结构

(1)热电极又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。普通金属做成的偶丝，其直径一般为0.5～3.2mm，贵重金属做成的偶丝，直径一般为0.3～0.6mm。偶丝的长度则由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决定，通常为300～2000mm，常用的长度为350mm。常用热电偶及结构

(2)绝缘管又称绝缘子，是用于热电极之间及热电极与保护套管之间进行绝缘保护的零件。形状一般为圆形或椭圆形。偶丝穿孔而过。材料为粘土质、高铝质等，材料选用视使用的热电偶而定。在室温下，其绝缘电阻应在5MΩ以上。

(3)保护套管是用来保护热电偶感温元件免受被测介质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管应具有耐高温、耐腐蚀的性能，要求导热性能好，气密性好。其材料有金属、非金属以及金属陶瓷三大类。形状一般为圆柱形。

(4)接线盒是用来固定接线座和作为连接补偿导线的装置。根据被测量温度的对象及现场环境条件，设计有普通式、防溅式、防水式和接插座式等四种结构形式．常用热电偶及结构热电偶的冷端温度补偿四、热电偶的冷端温度补偿从热电效应的原理可知，热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定，热电动势才是热端温度的单值函数。由于热电偶分度表是以冷端温度为0℃时作出的，因此在使用时要正确反映热端温度(被测温度)，最好设法使冷端温度恒为0℃。但在实际应用中，热电偶的冷端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正，常用的方法有以下几种：1.冷端恒温法（冰浴法）把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。mVABA’B’TCC仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T0热电偶的冷端温度补偿

2.冷端温度较正法

用普通室温计算出冷端实际温度TH，利用公式计算例：用铜-康铜热电偶测某一温度T，冷端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)热电偶的冷端温度补偿热电偶的冷端温度补偿

3、补偿导线法为了使冷端温度保持恒定（最好为0℃)，热电偶可以做得很长，使冷端远离工作端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方。但这种方法一方面安装使用不方便，另一方面也要多耗费许多贵重金属材料。因此一般是用一导线(称之为补偿导线)将热电偶的冷端延伸出来。这种补偿导线要求在0—l00℃范围内和所连接的热电偶应具有相同的热电性能，而其材料又是廉价金属。理论基础热电偶的冷端温度补偿ABT1T2T2A’B’T0热电偶补偿导线接线图E若导线A′，B′与A，B具有相同的热电特性，则有：热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过100℃，以免带来新的误差。热电偶的冷端温度补偿4.补偿电桥法较常用的一种补偿方法。原理：利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。设计时，在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0，电桥对仪表读数无影响。供电4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范围起补偿作用。RCu热电偶的冷端温度补偿

EAB(T,T0)T0T0TAB++-abUR1R2R3RUab注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。mV（T-T0）EAB(T,T0)T0RCUUab

回路中总电流U保持不变§9-3热电阻温度计绝大多数金属具有正的电阻温度系数，温度越高，电阻越大。利用这一规律可制成温度传感器，与热电偶对应，就称为“热电阻”。目前世界上大多采用铂和铜两种金属作为制造热电阻的材料。对于相对较低的温度测量，用热电偶测量输出的热电势较小，不方便测量。热电阻一般用于－200℃～600℃的温度测量。热电阻热电阻的特点：测量精度高；有较大的测量范围；易于使用在自动测量和远距离测量中。热电阻材料的特点高且稳定的温度系数和大的电阻率；良好的输出特性（近似线性）；使用范围内物理化学性能稳定；良好的工艺性。常用热电阻一、常用热电阻铂热电阻（－200℃～850℃）

式中R0、Rt——温度为0及t℃时的铂电阻的电阻值；

A、B、C——常数值，其中：

A=3.96847×10-3℃-1

B=5.847×10-7℃-2

C=4.22×10-12℃-4优点：物理化学性质极稳定，良好的工艺性，精度高（做基准热电阻）缺点：电阻温度系数小，价格昂贵，非线性误差大Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]常用热电阻铜热电阻（-50～150℃）优点：良好的输出特性，电阻温度系数高缺点：电阻率低，测温范围窄Rt=R0（1+α)

式中R0、Rt——温度为0及t℃时铜电阻的电阻值；