第2章 温度检测技术

自动化仪表第2章检测仪表温度检测仪表压力的检测流量检测仪表物位检测仪表机械量检测仪表本章内容过程控制对检测仪表有以下几个基本要求：(1)测量值要能正确地反映被测变量的大小，误差不超过规定的范围；(2)测量值必须迅速反映被测变量的变化，即动态响应比较迅速；(3)检测仪表在工作环境条件下，应能长期工作，以保证测量值的可靠性。第2章检测仪表42.1温度检测技术2.1.1温度与标定2.1.3热膨胀式测温方法2.1.5热阻式测温方法2.1.2测温方法分类及其特点2.1.6辐射法测温2.1.4热电式测温方法2.1.7温度变送器5温度

→标志（物体内部分子无规则热运动剧烈程度）两个物体温度相同

→热平衡状态(第零定律)基准温度值

→比较

→

得待测物体的温度2.1温度检测技术62.1.1温标与标定一、温标

原因：目前尚难以直接测量物体内部的分子动能，为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。经验温标，热力学温标绝对气体温标国际实用温标和国际温标温标经历了一个逐渐发展，不断修改和完善的渐进过程72.1.1温标与标定1、经验温标

定义：根据某些物质体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。华氏温标：单位：华氏度，记作：℉

水的冰点为32℉，沸点为212℉

摄氏温标：单位：摄氏度，记作：℃

水的冰点为0℃，沸点为100℃82.1.1温标与标定摄氏温度和华氏温度的关系：式中：T—华氏温度值；

t—摄氏温度值；局限性：

经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、下限(如摄氏为0℃、l00℃)。超过了这个温区，摄氏将不能进行温度标定。92.1.1温标与标定2、热力学温标以-273.15℃作为零度；单位：开尔文，记作：K；它的每一度大小与摄氏温度每一度大小相同；热力学温度的零度即0K（或-273.15℃）叫绝对零度，它表示在宇宙中只能无限接近，但不可能达到的低温的极限。102.1.1温标与标定3、绝对气体温标从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标；若选用同一固定点(水的三相点)来作参考点，则两种温标在数值上将完全相同。112.1.1温标与标定4、国际实用温标和国际温标IPTS一90温标

重申国际实用温标单位仍为K；热力学温度（T）与摄氏温度（t）之间的换算关系：

T=t+273.15；122.1.2测温方法分类及其特点测温方式→

接触式和非接触式接触式温度计

非接触式测温132.1.2测温方法分类及其特点方式接触式非接触式测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上测量范围特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300℃以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2～3秒钟

其它特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温控温一体化的温度控制装置测温仪器

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。

2.1.2测温方法分类及其特点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。2.1.2测温方法分类及其特点按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温一般是指0～10K，低温指10～800K，中温指800～1900K，高温指1900～2800K的温度，2800K以上被认为是超高温。超高温传感器如：前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光谱高温计,其测量范围为400～6000℃,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。

2.1.2测温方法分类及其特点超声波温度传感器特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。目前国外有可测到5000℉的产品。激光温度传感器适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做的光反射计可测很高的温度，精度为1％。美国麻省理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚变研究。瑞士BrowaBorer研究中心用激光温度传感器可测几千开(K)的高温。2.1.2测温方法分类及其特点

1．超高温与超低温传感器，如+3000℃以上和–250℃以下的温度传感器。

2．提高温度传感器的精度和可靠性。

3．研制家用电器、汽车及农畜业所需要的价廉的温度传感器。

4．发展新型产品，扩展和完善管缆热电偶与热敏电阻；发展薄膜热电偶；研究节省镍材和贵金属以及厚膜铂的热电阻；研制系列晶体管测温元件、快速高灵敏热电偶以及各类非接触式温度传感器。

5．发展适应特殊测温要求的温度传感器。

6．发展数字化、集成化和自动化的温度传感器。温度传感器的主要发展方向：2.1.2测温方法分类及其特点192.1.3热膨胀式测温方法属于接触式测温方式一种基本原理：基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。热膨胀式测温方法的分类液体膨胀式玻璃温度计液体或气体膨胀式压力温度计固体膨胀式双金属温度计202.1.3热膨胀式测温方法一、玻璃温度计水银凝固点：-38.9℃；

上限：538℃。酒精下限：-62℃；甲苯下限：-90℃；戊烷下限：-20l℃。全浸式局浸式较低温度测量212.1.3热膨胀式测温方法二、压力温度计

原理：一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系。压力温度计结构示意图温度变化→感温介质体积变化→压力变化→弹簧变形→指针偏转毛细管细而长，用于传递压力。长度长，温度计响应慢；管细，准确度高。测温范围：-100℃～

600℃油、水系统的温度测量222.1.3热膨胀式测温方法232.1.3热膨胀式测温方法三、双金属温度计

基本原理：固体长度随温度变化而变化，公式如下：式中：L1固体在温度t1时的长度；

L0固体在温度t0时的长度；

k固体在温度t0、t1之间的平均线膨胀系数。242.1.3热膨胀式测温方法把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件。温度越高线膨胀差越大

弯曲角度也越大。弯曲变形252.1.3热膨胀式测温方法感温双金属元件的形状：平面螺旋型直线螺旋型测温范围：-80～600℃精度等级：1.5级左右双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。262.1.4热电式测温方法热电偶测温特点：测温范围宽、精度较高、性能稳定、电信号1、测温基本原理

工作端或热端参比端或冷端热电极热电极热电效应→热电势→温差电势、接触电势272.1.4热电式测温方法接触电势示意图导体材料不同→电子密度不同→

电子扩散→接触电势

数量级：10-2～10-3V接触电势282.1.4热电式测温方法接触电势示意图由物理学可知，导体A、B在接触点1、2的接触电势EAB(T)和EAB(T0)

分别为：

可以得出回路中总的接触电势为：总接触电势只与导体A、B的性质和两接触点的温差有关。当T=T0时，尽管两接触点处都存在接触电势，但回路中总接触电势等于零。292.1.4热电式测温方法温差电势示意图导体材料两端温度不等→温差电势

数量级：10-5V

温差电势T1>T212302.1.4热电式测温方法温差电势示意图当导体A、B两端的温度分别为T和T0，且T>T0时，导体A、B各自的温差电势分别为

：

可以得出回路中总的温差电势为：312.1.4热电式测温方法结论：两热电极材料确定→总电势仅仅与

(T、T0)有关322.1.4热电式测温方法回路的热电势是两个接点的温度函数之差：

当冷端（自由端）温度T0固定不变时，即f(T0)=常数。此时：热电偶测温基本公式标准的热电偶分度表：将自由端温度保持为0℃，通过实验建立热电势与温度之间的数值关系332.1.4热电式测温方法2、热电偶分类及特性1.分类国际电工委员会(IEc)推荐的工业用标准热电偶为八种。贵金属热电偶：由铂和铂铑合金制成。包括分度号为S、R、B三种热电偶。属贱金属热电偶：由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成。包括分度号为K、N、T、E、J的五种热电偶。2.1.4热电式测温方法2.常用标准化热电偶介绍a.铂铑10一铂热电偶(分度号：S)由直径为0.5mm以下的铂铑合金丝(铂90％，铑10％)和纯铂丝制成。属贵金属热电偶。具有较高的复制精度，且测量准确度较高，可用于精密温度测量。S型热电偶在氧化性或中性介质中具有较高的物理化学稳定性，在1300℃以下范围内可长时间使用。主要缺点：金属材料的价格昂贵；热电势小，而且热电特性曲线非线性较大；在高温时易受还原性气体所发出的蒸气和金属蒸气的侵害而变质，失去测量准确度。2.1.4热电式测温方法b.铂铑30一铂铑6热电偶(B型)具有S型热电偶的各种特点。两个热电极都是铂铑合金，提高了抗污染能力，其长期使用温度可达1600℃。主要缺点：热电势很小(在所有标准化热电偶中热电势为最小)，当t≤50℃，热电势小于3μV，因此在测量高温时基本可不考虑自由端的温度补偿。2.1.4热电式测温方法c.镍铬一镍硅热电偶(K型)使用十分广泛的贱金属热电偶，热电丝直径一般为1.2～2.5mm。热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可在氧化性或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度。K型热电偶具有复现性好，产生的热电势大，而且线性好，价格便宜等优点；测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量要求。主要缺点：不宜用于还原性介质中，热电极会很快受到腐蚀，在还原性介质中应用，只能用于测量500℃以下的温度。2.1.4热电式测温方法d.镍铬一铜镍合金热电偶(E型)（镍铬一康铜热电偶）热电势大，在所有标准化热电偶中为最大，可测量微小变化的温度。对于高湿度气体的腐蚀不甚灵敏，宜在我国南方地区使用或湿度环境较高的纺织工业中使用。缺点：负极(铜镍合金)难于加工，热电均匀性比较差，不能用于还原性介质中。

2.1.4热电式测温方法e.铜—康铜热电偶，分度号T

热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43μV/℃。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K～473K的低温实验室测量中。2.1.4热电式测温方法f.铁—康铜热电偶，分度号J

灵敏度高，约为53μV/℃，线性度好，价格便宜，可在800℃以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。2.1.4热电式测温方法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2～273K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。2.1.4热电式测温方法422.1.4热电式测温方法3、热电偶结构①普通工业用热电偶普通性热电偶一般由热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等部分组成。432.1.4热电式测温方法②铠装热电偶热电偶丝、绝缘材料

→紧压→金属保护管特点：测温范围-200

～

160℃响应速度快挠性好使用寿命长机械强度、耐压性能好外径尺寸范围宽0.2～8mm长度可以做得很长500m442.1.4热电式测温方法452.1.4热电式测温方法③薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成的一种特殊热电偶，薄膜热电偶的热接点可以做得很小（可薄到0.01～0.1um），具有热容量小、反应速度快等特点，热响应时间达到微秒级，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。直接粘贴或压着在被测物表面，测其表面温度462.1.4热电式测温方法日本千野薄膜热电偶472.1.4热电式测温方法类型性能特点典型时间常数应用范围普通热电偶结构简单、安装空间小，接线方便，已做成标准型式。但时间滞后大，动态响应慢，安装较困难。分级测量气体、蒸汽、液体等介质的温度等实时性要求不高、但要快速拆卸的环境。铠装热电偶热惯性小；有良好的柔性，便于弯曲；抗振性能好；动态响应快。秒级测量狭小的对象上各点的温度或实时性要求较高的场合薄膜热电偶厚度很薄，达微米级。热惯性小，动态响应最快。毫秒级适用于各种物体表面温度的测量。如汽轮机叶片表面温度测量，火箭、飞机喷嘴的温度，钢锭、轧辊等表面温度测量等。482.1.4热电式测温方法4、热电偶基本定律均质导体定律中间温度定律中间导体定律标准电极定律1.均质导体定律

由两种均质导体组成的热电偶，其热电动势的大小只与两材料及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极各处的温度分布无关。即热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。意义：有助于检验两个热电极材料成分是否相同及材料的均匀性。2.1.4热电式测温方法502.1.4热电式测温方法2中间温度定律

中间温度定律：指当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电势等于该热电偶两接点温度为T、T1和T1、T0时所产生的热电势之代数和，即：

T1称为中间温度512.1.4热电式测温方法应用：可以根据该定律，在冷端温度为任一恒定值时，利用热电偶分度表求出工作端的被测温度值。例子用镍铬—镍硅K型热电偶测量炉温，当冷端温度T1=30℃时，测得热电势E(T,T1)=39.17mv，求实际炉温。

解答：由T1=30℃查分度表得E(30,0)=1.2mv，根据中间温度定律得:

E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=39.17+1.2=40.37(mv)

则查表得炉温T=976℃。

522.1.4热电式测温方法3中间导体定律

中间导体定律

：在热电偶回路中，只要接入的第三导体两端温度相同，则对回路的总的热电势没有影响。

应用：在热电偶测温回路中，接入导线和测量仪表。532.1.4热电式测温方法4标准电极定律标准电极定律：如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另一电极C组成的热电偶的热电势为EAC(T,T0)和EBC(T,T0)

，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势EAB(T,T0)

为：电极C称为标准电极542.1.4热电式测温方法应用：在工程测量中，由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提钝，所以目前常将纯铂丝作为标准电极。标准电极定律为热电偶电极的选配提供了方便。

例子铂铑30—铂热电偶的EAC(1084.5,0)=13.976mv,铂铑6—铂热电偶的EBC(1084.5,0)=8.354mv，根据标准电极定律，铂铑30—铂铑6热电偶的EAB(1084.5,0)=13.976-8.354=5.622mv。

552.1.4热电式测温方法4、热电偶温度测量①补偿导线

定义：绝缘层导线～热电偶→

热电特性相同

作用：延长热电偶的冷端→

远离热源、温度较恒定

特点：不能消除参比端不为0℃的影响

↓

须将参比端的温度修正到0℃562.1.4热电式测温方法补偿导线型号配用热电偶型号补偿导线绝缘层颜色正极负极正极负极SCKCKXEXSKKESPC(铜)KPC(铜)KPX(镍铬)EPX(镍铬)SNC(铜镍)KNC(康铜)KNX(镍硅)ENX(铜镍)红红红红绿蓝黑棕2.1.4热电式测温方法补偿导线型号的头一个字母与配用热电偶的型号相对应；第二个字母“X”表示延伸型补偿导线(补偿导线的材料与热电偶电极的材料相同)；字母“C”表示补偿型补偿导线。2.1.4热电式测温方法补偿导线应用时必须注意的问题：补偿导线只能在规定的温度范围内(一般为0～100℃)与相应热电偶的热电势相等或相近；

不同型号的热电偶有不同的补偿导线；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度；补偿导线有正、负极，需分别与热电偶的正、负极相连；补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度t0≠0时，还需进行其他补偿与修正。2.1.4热电式测温方法602.1.4热电式测温方法②参比端处理

热电偶分度表

→

热电偶参比端为0℃

实验室条件：冰水混合物，电子式恒温槽

工业测温现场：很难保持参比端为0℃

解决方法：中间温度定律+软件补偿方法冰点槽法计算修正法校正仪表零点法冷端补偿器法软件处理法2.1.4热电式测温方法冰点槽法（自由端恒温法）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。2.1.4热电式测温方法2.1.4热电式测温方法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用计算修正法当冷端温度T0不等于0℃，需要对热电偶回路的测量电势值EAB（T，T0）加以修正。当工作端温度为T时，分度表可查EAB(T,0)与EAB(T0,0)。根据中间温度定律得到：EAB(T,0)=EAB(T,T0)+EAB(T0,0)

2.1.4热电式测温方法652.1.4热电式测温方法［例］：用K型热电偶测炉温，测得参比端温度t1＝38℃，测得测量端和冷端间的热电动势E(t,38)＝29.90mV，求实际炉温。

［解］：由K型分度表查得E(38,0)＝1.53mV，

则E(t,0)＝E(t,t1)+E(t1,0)

＝29.90+1.53=31.43mV

查K型分度表，31.43mV→755℃

讨论:

若参比端不作修正

则E(t,38)＝29.90mV

查K型分度表,29.90mV→718℃

755℃－718℃＝37℃

相对误差≈5%

662.1.4热电式测温方法校正仪表零点法应用领域：如果冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。672.1.4热电式测温方法例3：用一S型热电偶测温，没有采取冷端补偿措施，显示仪表显示数值为400℃，已知冷端温度为30℃，现将仪表零点调至30℃，则仪表是否显示430℃，为什么？求真实温度？解：求真实温度T，则先求E(T,0)E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=E(400,0)+E(30,0)查表得：

=3.259mV+0.173mV=3.432mV反查表得：T=418℃冷端补偿器法（补偿电桥法）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。

2.1.4热电式测温方法692.1.4热电式测温方法r1、r2、r3(均为锰铜电阻)和rCu(铜电阻)组成电桥，串联在热电偶回路中，热电偶自由端与电桥中rCu处于相同温度(t0)。测量回路输出电势：

U=Uab+EAB(T,T0)情况1：

T0=0℃，

Uab=0,U=EAB(T,0)情况2：

T0=T0’℃，

调整Rs，使得

Uab=EAB(T0’,0)

则：

U=EAB(T,T0‘)+Uab=EAB(T,0)

702.1.4热电式测温方法注意：桥臂rCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。实际补偿电桥一般是按T0=20℃时电桥平衡设计的，即当T0=20℃时，补偿电桥平衡，无电压输出。712.1.4热电式测温方法软件处理法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。

722.1.4热电式测温方法在工业现场实际测量温度时，智能化仪器增加一路测量参比端（冷端）：

1、通过补偿导线将热电偶冷端置于一个温度变动范围不大的现场正常环境中；

2、在这个环境中可采用价格十分低廉的铜电阻或半导体集成温度传感器等测量环境温度。热电偶实用测温电路

热电偶可以测量单点温度、两点之间的温差、平均温度和几点温度之和。1)测量某一点的温度

测量某一点温度的原理电路如图2.8所示。图中T为工作端，A′B′为延伸导线，与导体A、B具有相近的热电特性；T0为原参考端温度，T0′为新的冷端温度。连接时应注意，热电偶冷端和补偿导线接点的两个端子必须保持在同一温度上，否则将引起误差。2.1.4热电式测温方法图2.8带补偿导线的热电偶测温原理图A、B－热电极；A'、B'－补偿导线；T0'－原参考端温度；T0－新参考端温度2)热电偶的串联

图2.11为若干支同型号的热电偶正向串联，称为热电堆，其总电势为各热电势之和。采用热电堆来测量同一温度，可使输出电势增加，提高仪表的灵敏度。但当一支热电偶出现故障，整个仪表回路开路，不能正常工作。图2.11热电偶正向串联2.1.4热电式测温方法图2.12为两支同型号热电偶反向串联，测温回路总电势等于两热电偶电势之差。3)热电偶的并联

将n支同型号的热电偶的正极和负极分别连接在一起，组成热电偶并联电路，如图2.13所示，如果这n支同型号的热电偶的电阻值相等，则并联电路的总电势等于n支热电偶热电势的平均值。图2.12热电偶反向串联图2.13热电偶并联

2.1.4热电式测温方法762.1.5热阻式测温方法根据金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系的原理实现温度测量的。实验证明：温度每增加1℃，导体：电阻增加0.4~0.6%

半导体：电阻减少3～6％导体电阻与温度关系可表示为：Rt0－t0℃时的阻值；α－平均电阻温度系数（即温度每升高1℃时的电阻相对变化量。半导体：RT=Aeb/Tα=(dRT/RT)/dT=-b/T2T-绝对温度，K；e－自然对数的底；A,b－常数，其值与半导体材料结构有关。一、对金属测温电阻的要求测温热电阻材料必须满足：1）电阻温度系数大电阻系数：温度变化10C时电阻值的相对变化量2）在测温范围内物理及化学性质稳定。3）有较大的电阻率。（电阻体积小）。4）线性度好。5）复现性好，6）价格便宜。2.1.5热阻式测温方法工业用的热电阻材料有铂、铜、铁、镍。铁难提纯，我国目前只生产铂、铜、镍电阻温度系数的定义是：温度变化1℃时电阻值的相对变化量，用α来表示，单位是℃-1，根据定义，α用下式表示：2.1.5热阻式测温方法电阻温度系数越大，热电阻的灵敏度越高，测量温度时就越容易得到准确的结果。792.1.5热阻式测温方法铂电阻测温1、概述

特点：电阻率大；电阻～温度关系

→

非线性；测温范围广，精度高；氧化性介质中、高温下，物理、化学性质很稳定

铂的纯度：用百度电阻比W100表示，W100＝R100／R0

W100↑

→纯度↑

→电阻反应越明显802.1.5热阻式测温方法铂电阻分度号：分度号是用以确定各种温度传感器在测温范围内随温度变化准确对应的电压或电阻关系的数列，通常用K、E、T、Cu50、Pt10、Pt100等字母数字来表示。

产品名称分度号测量范围镍铬-镍硅（镍铝）热电偶K－250~1200℃铁-康铜热电偶J－200~1100℃镍铬-康铜热电偶E－250~800℃铜-康铜热电偶T－250~400℃铜热电阻Cu50－50~150℃铂热电阻Pt10600~850℃铂热电阻Pt100－200~600℃812.1.5热阻式测温方法测温范围：-200℃～850℃当-200℃＜t＜0℃时当0℃≤t≤850℃时

822.1.5热阻式测温方法Pt100热电阻温度-阻值对照表2铜电阻特点：电阻值与温度关系几乎线性，电阻温度系数较大，材料易提纯，价格较便宜。测温范围：－50-＋1500C应用范围：测量准确度要求不是很高，温度较低的场合。缺点：2500C以上容易氧化，故只能在低温及没有腐蚀的介质中应用，铜的电阻率较小，ρ=0.017Ω.mm2/m，铜的热电阻体积较大。2.1.5热阻式测温方法铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃

两种分度号：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。2.1.5热阻式测温方法852.1.5热阻式测温方法2、热电阻的结构热电阻感温元件用来感受温度的电阻器，是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。123451－云母片骨架；2－铂丝；3－银丝引出线；4－保护用云母；5－绑扎用银带2.1.5热阻式测温方法2.1.5热阻式测温方法882.1.5热阻式测温方法铂电阻测温计热电阻薄膜型及普通型铂热电阻2.1.5热阻式测温方法汽车用水温传感器及水温表铜热电阻2.1.5热阻式测温方法铂电阻温度显示、变送器922.1.5热阻式测温方法3、热电阻的引线形式内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。两线制、三线制及四线制三种932.1.5热阻式测温方法①两线制两线制热电阻测量电桥示意图两线制热电阻测量电桥等效原理图942.1.5热阻式测温方法②三线制三线制热电阻测量电桥示意图粗细要相同，长度要相等，阻值要一致在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线制。用它构成如图所示测量电桥，可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。当电桥平衡时，可写出下列关系：（Rt＋r）R2＝（R3＋r）R1Rt＝（R3＋r）R1－rR2/R2＝R3R1/R2＋R1r/R2－r若R1=R2，则含有r的项消去。2.1.5热阻式测温方法2.1.5热阻式测温方法③四线制

972.1.5热阻式测温方法其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表982.1.5热阻式测温方法铜电阻和热敏电阻测温1、铜电阻特点：电阻～

温度关系

→

线性；价格低廉

电阻率较低而体积较大，热响应慢测温范围：-40℃～120℃（工业用铜热电阻-分度号分别为Cu50和Cul00

）当-50℃≤t≤150℃时，电阻与温度的关系为：

992.1.5热阻式测温方法1002.1.5热阻式测温方法1012.1.5热阻式测温方法2、半导体热敏电阻特点：缺点：电阻～

温度关系

→

指数变化；

互换性差；稳定性较差；优点：灵敏度高（10-100倍）；体积小结构简单；响应速度快；价格低廉；适于远传

测温范围：0℃～150℃（普遍）1022.1.5热阻式测温方法1032.1.5热阻式测温方法1042.1.5热阻式测温方法1052.1.5热阻式测温方法热敏电阻测量电路热敏电阻温度面板表

热敏电阻LCD2.1.5热阻式测温方法热敏电阻体温表

2.1.5热阻式测温方法108测温范围（℃）精度灵敏度复现性导线影响热电阻-200—+850高

较高好中热电偶-190—+1820中低好高热电阻、热电偶性能比较2.1.5热阻式测温方法1092.1.6辐射法测温法热辐射：任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生,与物体本身温度有关、传播热能的辐射，称为热辐射。

辐射式温度计：检测热辐射能量→温度非接触测量，不破坏原来温度场测量运动物体的温度1102.1.6辐射法测温法2.1.6.1幅射测温的基本原理辐射式感温元件工作在可见光和红外光区域可见光的光谱很窄→

0.3～0.72μm红外光谱相对较广→

0.72～l000μm

感温元件使用波长→

0.3～40μm1112.1.6辐射法测温法绝对黑体

如果某一个物体在任何温度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量，则称之为绝对黑体。

根据基尔霍夫定律得知，具有最大吸收本领的物体，在其受热后，也将具有最大的辐射本领。选择吸收体：与温度有关，还与波长有关；

灰体：与温度有关，不与波长有关；

绝对黑体在任何温度下都能全部吸收辐射到其表面的全部辐射能；同时它在任何一个温度上，它向外辐射的辐射出射度(简称辐出度)亦最大；其它物体的辐出度总小于绝对黑体。在同一温度T，某一物体在全波长范围的积分辐射出射度M（T）与绝对黑体在全波长范围的积分幅射出射度Mo（T）之比，称该物体的全辐射率(或称全辐射系数)ε(T)，其值在0～1之间。2.1.6辐射法测温法1132.1.6辐射法测温法辐射测温的两个物理基础普朗克(Ptanck)热辐射定律斯蒂潘一玻耳兹曼(Stefan—Boltzmann)定律

1）普朗克(Ptanck)热辐射定律

绝对黑体的辐射出射度M0λ（单位：w/m3）与其波长λ、热力学温度T的关系：维恩公式

C1＝2πc2h—普朗克第一辐射常数，C1＝3.74l8×10-16W·m2

C2＝hc/k—普朗克第二辐射常数，C2＝1.438786×10-2m·K

使用条件：温度低于3000K，波长较短的可见光范围内，用维恩公式代替普朗克定律，误差不超过1%规律：a)T上升，M0λ增大。b)T高，M0λ的峰值对应的波长变短。2.1.6辐射法测温法1152.1.6辐射法测温法2）斯蒂潘一玻耳兹曼(Stefan—Boltzmann)定律

绝对黑体总的辐出度或亮度与其热力学温度的四次方成正比：实际物体的发射率低于绝对黑体，辐射亮度公式：式中:ε(T)～实际物体的全发射率通过测量物体的辐射亮度就可得到物体的温度适合所有非黑体的实际物体M0=σT4M=ε(T)σT41162.1.6辐射法测温法2.1.6.2光谱辐射温度计光谱辐射出射度辐射亮度物体的温度光学高温计；光电高温计；全辐射温度计1172.1.6辐射法测温法1、光学高温计原理：特点：结构较简单，使用方便测温范围：1000K～3500K精度等级：1.0级和l.5级亮度温度：读出的不是该物体实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度

L=cM=cελM0c-比例常数。1182.1.6辐射法测温法基本工作原理：红色单色光，0.66土0.01μm

的单一波长物体光谱辐射亮度Lλ

～标准光源光谱辐射亮度↓比较↓温度灯丝隐灭式光学高温计恒定亮度式光学高温计光电亮度式光学高温计1192.1.6辐射法测温法灯丝隐灭式光学高温计

由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量的。国产WGGZ型光学高温计2.1.6辐射法测温法2.1.6辐射法测温法1222.1.6辐射法测温法2、光电高温计

1232.1.6辐射法测温法特点：①灵敏度高：光学高温计灵敏度最佳值为0.5℃，而光电高温计却能达到0.005℃②精确度高：至少比光学高温计提高一个数量级③使用波长范围不受限制：可见光与红外光范围均可应用④光电探测器的响应时间短

⑤

便于自动测量与控制

⑥光电器件的互换性差：若要更换硅光电池和反馈灯，必须对整个仪表重新进行调整和标定

全辐射高温计的构造示意图1—物镜；2—光阑；3—铜壳；4—玻璃泡；5—热电堆；6—铂黑片；7—吸收玻璃；8—目镜；9—小孔；10—云母片3.全辐射高温计2.1.6辐射法测温法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：只要采用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。2.1.6辐射法测温法原理：通过测物体两个不同波长下的光谱辐射出射度的比值推得温度。通过测波长λ1，λ2下的光谱辐射亮度两式相除后取对数，整理后：比色温度2.1.6辐射法测温法2.1.6.3比色高温计1272.1.6辐射法测温法比色温度定义：实际物体（温度T）在两个波长λ1，和λ2的相应亮度比值等于绝对黑体（Ts）在两个波长λ1，和λ2的亮度比，绝对黑体的温度TS就称为实际物体的比色温度。实际物体的温度公式：根据定义，用维恩公式，可导出：ελ1

、ελ2为实际物体的在波长λ1，和λ2时的光谱发射率比色高温计和单色辐射高温计、辐射温度计相比较，测量准确度更高。因为实际物体一般ελ1和ελ2的比值变化相对要比ελ和ε的单位变化小得多，比色高温计可在周围环境较恶劣下测温中间介质加水蒸汽，二氧化碳、灰尘等对波长λ1和λ2的单色辐射强度均有吸收，尽管吸收律不一定相同，但对单色辐射强度比值的影响比较小．比色高温计的特点：2.1.6辐射法测温法国产WDS-II双通道光电比色高温计1一物镜2一平行平面玻璃3一回零通孔硅光电池4一透镜5一分光镜6一红外滤光片7一硅光电池E28一硅光电池El9一可见光滤光片10一反射镜11一倒像镜12一目镜光电比色高温计的结构2.1.6辐射法测温法1302.1.6辐射法测温法比色温度计测量温度更接近真实温度，环境的粉尘，水气，烟雾等对测量结果的影响小。可用于冶金、水泥、玻璃等工业部门。1312.1.6辐射法测温法2.1.6.4红外测温1、红外辐射

红外辐射俗称红外线，是一种人眼看不见的光线。红外辐射的物理本质是热辐射

↓

物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强

1322.1.6辐射法测温法2、红外测温原理

斯蒂芬—玻尔兹曼定律式中：W-物体单位面积所发射的辐射功率，数值上等于物体的全波辐射出射度；

ε-物体表面的法向比辐射率；

σ

-斯蒂芬—玻尔兹曼常数；

T-物体的绝对温度(K)。

下图是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许8～14μm的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。2.1.6辐射法测温法图12–2红外测温仪方框图2.1.6辐射法测温法2.1.6辐射法测温法

特点：非接触测温反应速度快灵敏度高准确度较高应用范围广泛

在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900~C，其误差不得超过±5~C，否则会影响锻件的质量，所以控制锻件的温度是一关键问题。以往的办法是由工人目测温度，看到差不多了，把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，可以测量出工件的温度。

具体应用2.1.6辐射法测温法1372.1.6辐射法测温法

市售的HBW-B型红外测温仪是非接触式数字显示仪表，它利用被测物的热辐射来确定物体温度，测温范围600℃以上。测量距离是根据被测物目标大小来确定的，被测物目标越大，测量距离越远。测量误差小于量程上限的1%。

2.1.6辐射法测温法主要技术指标：SM320手枪式红外测温仪⑧重量：220克①测量范围：-32～320℃（-25～608℉）；②测量精度：±2℃（±4℉）或±2%；③分辨力：0．1℃（0．1℉）；④响应时间：500ms；⑤使用环境：0～50℃（32～122℉），10～90%RH；⑥电源：9V6F22；⑦外型尺寸：155×56×187mm；2.1.6辐射法测温法

作用：

*与测温元件配合使用，将温度或温差信号转换成为标准的统一信号；在结构上，有一体化结构和分体式结构之分

分类：模拟式温度变送器智能式温度变送器*作为直流毫伏变送器使用，用以将其它能够转换成直流毫伏信号EI的工艺参数转换成为标准的统一信号。2.1.7温度变送器2.1.7温度变送器典型模拟式温度变送器模拟式温度变送器实例———

DDZ-ІІІ型温度变送器

DDZ-ІІІ型温度变送器有带非线性补偿电路与不带非线性补偿电路的热电偶温度变送器和热电阻温度变送器以及直流毫伏变送器等多个品种，各品种的原理和结构大致相仿。现介绍其中两种：热电偶温度变送器热电阻温度变送器。

§2.1.7温度变送器

热电偶温度变送器构成框图

二、热电偶温度变送器§2.1.7温度变送器（一）热电偶温度变送器的作用及特点热电偶温度变送器tiEtV01~5VI04~20mAmV℃二、热电偶温度变送器作用：与热电偶测温元件配套使用，将温度信号Ti线性地转换成标准信号（I0、V0）输出。

ti→测温元件→温度变送器→标准（I0、V0）输出特点:①采用负反馈回路来实现t→V0线性化②具有冷端温度自动补偿功能§2.1.7温度变送器（二）热电偶温度变送器的结构组成量程单元放大单元冷端温度补偿部分直流→交流→直流变换器整流滤波集成运算放大器隔离输出功率放大器非线性反馈部分Et24vDCV0

-1~5VI04~20mA+mVI0+

-+

-+

-i0V02VzVf△V隔离反馈If热电偶t§2.1.7温度变送器放大单元:

(1)结构组成

集成运放器、功率放大器、隔离输出电路、隔离反馈电路、交/直/流变换器（2）作用

①将ΔV进行放大，并转换成I0、V0②将输出信号I0、V0经隔离反馈回路转换成反馈电压Vf送至量程单元③实现输入、输出、电源回路相互隔离。避免输出与输入端之间有直接的联系，以实现隔离传输、供电（三）热电偶温度变送器的工作原理§2.1.7温度变送器

1、作用：（1）零点、零迁、量程调整（2）VZ’、Et、Vf’比较（3）热电偶冷端温度自动补偿（4）热电偶特性线性化

2、量程单元线路原理

(1)电路组成：

输入回路