第11章 温度测量

第三章温度的测量和变送第一节温度的测量方法第二节热电偶温度计第三节电阻温度计第四节半导体电阻温度计(热敏电阻)第五节辐射式高温计第六节温度信号的远传第一节温度的测量方法温度是表征物体冷热程度的物理量，它是不能直接加以测量的。工业上的温度测量是以热平衡现象为基础的．任何两个冷热程度不同的物体相接触，必然发生热量由高温物体向低温物体的传递，直至两物体的冷热程度完全一致，即达到热平衡。由热平衡定律可知，处于同一热平衡状态的两个物体必然会拥有一个或多个相同的物理性质，而能够最明显地表示热的物理性质的量就是温度。利用这一原理，我们可选择一些物理性质能连续而且单值地随温度成线性或某一规律变化的物体做测温物体，使之与被测物质相接触并达到热平衡，这时测温物体的温度等于被测物体的温度。于是只要把测温物体在这一温度下的某些物理性质的变化(如体积、密度、电导率、热容量、热电势和幅射强度等)测量出来，便可以定量地给出被测物体的温度值．随着科学技术的发展，工业上还应用了一些新的测温原理．如射流测温、涡流测温，激光测温等．下面只重点介绍利用物体热电效应的测温仪表——热电偶温度计和热电阻温度计．第二节热电偶温度计一、热电偶测温原理二、热电偶的基本定律三、常用热电偶种类四、热电偶的结构类型五、热电偶冷端温度补偿。一、热电偶测温原理热电偶温度计是目前应用最广的一种测温仪表。它主要由热电偶和指示温度的二次仪表组成。热电偶是温度的传感器，是这种温度计的核心。热电偶是基于热电效应这一原理测量温度的。1821年塞贝克(T．J.Seebeek)发现，当两种不同导体两端结合成一封闭回路时，加热其中一端，则在另一端可测到电动势，回路中有电流流动．这一现象称做热电效应，所产生的电动势叫塞贝克电势或热电势。图3—2—1为热电偶测温原理的示意图．热电偶是由两根不同的导体A、B焊接而成。A、B导体又叫作热偶丝或热电极．焊接的一端(T端)称作工作端，用以插入被测介质中进行测温，故又称为热端．与导线接连的另一端T0端为自由端或冷端。如果两端所处的温度不同(T≠T0，)，则测量仪表将指示出热电偶所产生的热电势。该热电势E与热电偶材料、热电偶两端的温度有关，而与热电极的长度和直径无关。如果T0不变，且热电极材料一定时．E只是T的函数。由理论分析知道，热电势由接触电势和温差电势组成．(一)温差电势

温差电势也叫汤姆逊电势，当一根均质金属的两端置于不同的温度场T和T0中时，于是两端有一温度差。高温端(T端)金属中的自由电子必然比低温端(T0端)金属中的自由电子要获得更多的能量，因而电子由T端向T0端扩散的速率(或数目)要大于电子由T0端向T端扩散的速率(或数目)。T瑞金属因失电子而带正电，T0端则因得电子而带负电，由此在金属两端便建立起一个电位差，此电位差的存在将阻止电子由T端向T0端的进一步扩散，直到电子扩散的能力与上述电场的阻力平衡时，自由电子的扩散才达到动平衡。这种由温度差在均质金属上产生的电位差就被称为温差电势。记作eA(T,T0)由式(3—2—1)可以看出：1．温差电势的大小仅取决于金属的材料和两端的温度T和T0，而与金属(丝)的直径和长度无关；2．当金属(丝)两端温度相等(T＝T0)时，温差电势为零；3．与沿热电极的温度分布无关．（二）、接触电势

两种不同材料的金属中所含有的电子密度是不同的．当两根不同材料的金属丝连接在一起时，在接点处便有电子的扩散。设A和B金属电子密度分别为NA和NB，且NA＞NB,则由A金属扩散到B金属中的自由电子数必然大于由B金属扩散到A金属中的自由电子数，于是A金属因失电子而带正电．B金属因得电子而带负电，在接点处形成一个由A指向B的电位差即电动势。这一电动势将阻碍电子由A金属向B金属的继续扩散，直到电子扩散的能力与电场的阻力相平衡时，上述扩散达到动平衡．这种由两金属中电子密度不同而在接点处产生的电位差即接触电势，记作eAB（T）和eAB(T0)。接触电势的大小仅和所造金属材料的性质及接点温度有关，而与金属材科的几何尺寸无关。显然，如两金属材料相同。即NA＝NB，则接触电势为零．(三)热电偶回路的热电势由上所述，热电偶的热电势是由接触电势和温差电势所组成，见式(3-2-3)。一般温差电势远小于接触电势。因此热电势的方向决定于接触电势的方向，因t＞t0亦即决定于eAB(t)的方向，如图3-2-2所示．T热端T0冷端A(正极)B（负极）eA(T,T0)eB(T,T0)EAB

(T,T0)eAB(T)eAB(T0)图3-2-2将（3-2-4）代入（3-2-3）得：fAB(t)和fAB(t0)称为分热电势。实际上，fAB(t)和fAB(t0)的大小是无法知道的，只能由实验确定。将实验的结果，即热电势-温度的对应关系列成表格，称为分度表。由式(3-2-5)知，当t0恒定时，fAB(t0)为一常数C，则有:热电势仅是热端温度t(被测温度)的单值函数．分度表是在t0为0°C时确定的．而工业上常使t0恒定在常温．

有两点需要指出：1．热电偶的热电势-温度关系是非线性的．即在不同温域中，温度差即使相等，其对应的热电势差并不相等．2．热电势代号EAB(t,t0)中，写在前面的A和t分别代表正极和高温,写在后面的B和t0分别代表负极和低温．各文字代号的前后位置不要排乱，如果它们的前后位置有一个互换，则该代号表示的热电势的极性相反。如：EAB(t，t0)=－EAB(t0，t)EAB(t，t0)=－EBA(t，t0)二、热电偶的基本定律（一）均质导体定律（二）中间温度定律（三）中间导体定律（四）标准电极定则(一)均质导体定律由两种均质导体组成的热电偶，其热电势的大小仅与热电极的材料和两端温度有关，是两端温度差的函数，而与热电极的几何形状及长度、沿热电极的温度分布无关。如果组成热电极是非均质导体，则热电偶回路就会出现附加误差．(二)中间温度定律设热电偶回路中间温度为tn(如图3-2-3所示)，热电偶A、B的热电势只与接点温度t,t0有关，而与中间温度tn无关。证明如下：图3-2-3式(3-2-6)也说明了热电偶A、B在接点温度t、t。时的热电势等于热电偶在接点温度为t,tn和tn,t0时热电势的总和.这一重要定律为后面讲到的补偿导线法提供了理论根据。(三)中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种材料的中间导线C，(如图3-2-4所示)只要中间导线C两端温度相同，第三种材料导线的接入不会影响热电偶的热电势大小．这里有两种情况．第一种情况如图3-2-4(a)所示，热电偶A、B间接上第三种材料导线C，各接点的温度分别力t．t。。这时的回路总热电势为：亦即当第三种材料导线C的两端点温度均为t。时．热电偶总热电势不受导线C影响。第二种情况如图3—2—4(b)所示。三种材料之间各接点的温度为t、t。、t1，这时,回路总热电势为：亦即当第三种材料导线C的两端点温度均为t1时,热电偶总热电势同样不受导线C的影响。根据这一定律,我们可以在回路中接入各种仪表和连接导线，而不必担心它们对热电势的影响。也可据此定律采用开路热电偶(即两热电极不直接连接)对液态金属或金属壁面进行温度测量，即直接把热偶丝的工作端接入或焊接在被测金属上．这时液态金属或金属壁面即为第三种材料，只要两热电极插入地方的温度一致，则对整个回路的热电势不产生影响。四、标准电极定则如图所示，中间导体c为标准电极，因其两端的温度相同，故热电势仍为EAB(T,T0).另一方面，又可看成是有A、C和C、B两对热电偶所组成，故有：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0)=EAC(T,T0)-EBC(T,T0)EAC(T,T0)EAC(T,T0)EAC(T,T0)T0T0T0TTACCB由上式可知，采用同一个标准热电极与不同材料组成热电偶，先测试出各热电势，再根据上式计算合成热电势。这是测试热电偶材料的通用方法，可以大大简化热电偶的选配工作。由于纯铂丝的物理化学性能稳定、熔点高、易提纯，故常用铂丝作为标准电极。三、常用热电偶类型及构造根拥热电效应原理，任意两种导体都可做为热电极以组成热电偶，但为了确保工程技术中的可靠性和足够的测量精度．必须对其严格选择。要求如下：(1)在测温范围内其热电性质要稳定，不随时间变化；(2)在测温范围内耍有足够的物理、化学稳定性，不易被氧化或腐蚀；(3)电阻温度系数要小，电导率要高，组成热电偶后产生的热电势耍大，其值与温度成线性关系或有简单的函数关系；(4)重现性要好，有良好的互换性，材料组织均匀，有韧性以便于加工成丝。一般情况下纯金属的热电极容易复制，但热电势率小；非金届的热电偶的热电势率大，但其重现性和稳定性差。合金热电极的热电特性和工艺性能介于纯金属和非金属之间．目前常用热电偶多用纯金属与合金相配对或是合金与合金相配对而成。工业上常用的(己标准化的)热电偶有如下几种：(一)铂铑10—铂热电偶分度号为LB3，正极是由90%的铂和10%的铑制成的合金丝，负极为纯铂丝。优点是：热电特性稳定，便于复制，精确度高，一般用作精密测量和国际实用温标中630.755~1064.42℃范围的热电偶．它的熔点高，测温上限1600℃以上(长期1300℃，短期l600℃)。抗氧化性能好，适于氧化性、中性气氛及真空中使用。缺点是：与其它热电偶相比，其热电势小，须配灵敏度高的显示仪表、价贵，故—般制成直径0.5mm以下细丝，因而机械强度低，易断：在还原性气氛(如氢和一氧化碳)、二氧化碳、硫、硅、碳和碳化合物所产生的蒸汽中易被沾污变质，故在这些气氛中工作时必须另加保护套管。另外．这种热电偶的非线性较大，热电极在高温下会升华，铑分子渗透到铂极中沾污铂极，导致热电势不稳定。(二)铂铑30—铂铑6热电偶

分度号是LL-2．是六十年代发展起来的一种高温热电偶，在高温测量中得到广泛应用。优点是：由于两个热电极均为铂铑合金，故提高了机械强度和抗沾污能力。与铂佬—铂热电偶相比，其热电特性在高温下也更稳定。长期使用最高温度达l800℃。缺点是：热电势率较小，必须配用灵敏度较高的显示仪表．铂佬—铂姥热电偶在室温下热电势极小，故使用时一般不需要进行冷端温补。(三)镍铬—镍硅(或镍铬—镍铝)热电偶分度号为EU-2，其正极镍铬成分是：9~10%铬、0.4%硅、其余为镍，负极镍硅成分为2.5-3%硅、≤0.6％钴、其余为镍。优点是：因两热电极合金中含有大量的镍所以有较强的抗氧化性和抗腐蚀性；化学稳定性好，复制性好。其热电势率高，为铂铑10-铂的4~5倍，温度-热电势关系近似为直线性：热电极的材料价格便宜。它是我国工业生产应用最广泛的热电偶。通常在500℃以下可在还原性气性、中性和氧化气氛中可靠地工作．测温范围为．一50℃~1000℃。缺点是：因热电极中含有大量镍，所以具有较明显的磁性，不利于温度测量控制回路的设计。另外在500℃以上易氧化，且易受还原性气体及琉和碳等产生的蒸汽侵蚀变质，引起热电特性变化，故—般要加保护套管。精度较铂铑-铂热电偶低。镍铬—镍硅和镍铬—镍铝热电偶的热电特性几乎完全—致，但镍硅合金比镍铝抗氧化性好。目前我国基本上用镍铬—镍硅热电偶取代了镍铬—镍铝热电偶。(四)镍铬—考铜热电偶分度号在EA-2其特点是热电势率较大，仅次于半导体热电偶，所以对显示仪表灵敏度的要求要低一些；和镍路—镍硅相比，含镍量要少一些，因而价格低廉．其负极在高温下易氧化变质，测温上限长期为600℃，短期可达800℃，但能用于一200℃的低温测量，是一种重要的低温热电偶。(五)、铜—康钢热电偶分度号为CK．其特点是灵敏度高，热电极容易复制，价格低廉，在测低温(0~100℃)时精确度较高，可做成二等标准热电偶。但由于铜易氧化，一般测量上限不超过300℃。四、热电偶的结构类型（一）普通插入式热电偶这种热电偶的测量端（即热端）插入被测对象的内部，常用以测量容器或管道内部介质温度。它的结构主要有三部分：热电偶保护套管和绝缘子。如果热电偶的热偶丝为贵金属，则一般做得很细(直径：0.36~0.65mm)；如非贵金属时．其直径一般则为1~2mm。热电偶的长度根据使用时插入深度的实际需要决定。带有保护套管的普通插入式热电偶的长度一般在300~2150mm之间。绝缘子的作用是防止热电偶两极之间短路，常用的绝缘材料及使用温度如下：橡皮、绝缘漆：60~80℃丝、绝缘漆：100~130℃珐琅、绝缘漆：100~150℃玻璃管：500℃以下石英管；1000℃以下瓷管；1000~1500℃高温陶瓷管：1500℃以上图3-2-5(a)图3—2—5（a）插入式热电偶结构1--热电极2--绝缘套管3--保护管4--接线盒在某些特殊场合，如化工厂、冶炼厂、发电厂、水泥厂等，用普通热电偶、热电阻就极易损坏。因此，在这些场合就必须采用耐磨热电偶。该热电偶特别适用硫化床、磨煤机出口，一次，二次风煤及水泥行业测温。特征：

在WR、WZ系列基础上，其保护套的插入部分，可全部或部分制成。

耐磨，同时耐冲刷，耐腐蚀。

寿命长。高温下可使用6个月以上，低温下可使用8个月以上。

热电偶，热电阻为铠式结构。技术指标

*T为感温元件实测温度。名称分度号测温范围℃允许偏差△t镍铬—镍硅K0~1200±2.5℃或0.75%t镍铬—铜镍E0~600±2.5℃或0.75%t铂电阻PT100-100~500±（0.15+0.002t）铜电阻Cu50-50~100±（0.30+6.0*10-3t）图3-2-5（b）绝缘套管瓷绝缘子使用的最多，有双孔、单孔等形式，见图3-2-5，也有四孔的可装两支热电偶。保护套管是为了免遭有害气体的腐蚀和沾污及防止机械损伤。热电偶常需装在保护套管中。套管的尾部有接线盒便于接线。接线盒上的盖板防止灰尘、水汽进入．为安装方便保护套管上还带有安装螺丝或法兰(见图3-2-5)，它们分固定式和可移式两种。常用保护套管及其使用温度：无缝钢管：600℃以下不锈钢管：1000℃以下高铬钢管：石英管：1200℃以下普通瓷管：1400℃以下高氧化铝瓷管：1500℃以下高温陶瓷管：1500℃以上一船l000℃以下的温度测量主要采用无缝碳钢管作保护套管．测量烟气温度的热电偶采用氧化铝瓷管作保护套管．(二)特殊热电偶铠装热电偶是把保护套管1(材料为不锈钢或镍基高温合金)、绝缘材料2(高纯脱水氧化镁或氧化铝)与热偶丝3组合在一起拉制而成的，也称套管热电偶。如图3-2-6图3-2-6图3-2-6铠装热电偶1--保护套管2--绝缘材料3--热偶丝A—碰底型B--非碰底型C--露头型D--帽型套管中热偶丝有单丝、双丝和多丝几种，彼此间由绝缘物隔开。其测量端又分露头型和带帽型。铠装热电偶的优点是：小型化．因体积小，热容量小，也就具有较小的热惯性，时间常数小，对被测温度反应快。例如普通型工业热电偶的时间常数最小的为≤20秒，稍大的为20秒~4分钟，而d=0.25mm的露头型铠装热电偶的时间常数为0.05秒，碰底型为0.3秒，不碰底型为1.5秒。另外．很细的整体组合结构，使铠装热电偶的柔性大．可弯成各种形状，故适于结构复杂的测量对象。对于热电偶型式的选择一般在常压下可采用普通式结构：测量动态温度时采用时间常数小的热电