第3章 温度测量

第1节概述第2节热电偶温度计第3节电阻温度计第4节接触测温的误差分析第5节热电偶与热电阻的校验第6节温度变送器与显示记录仪表一温标二.温度计的分类第1节概述标准大气压下纯水的冰融点为0度，沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为℃．1摄氏温标标准大气压下纯水的冰融点为32度，沸点为212度，中间等分为180格，每格为华氏1度，符号为F．2华氏温标水受热后体积膨胀一温标3热力学温标

又称开氏温标（K）或绝对温标．它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。为国际统一的基本温标，与测温物体的任何物理性质无关。

选定水的三相点为参考点，温度定义为273.16KQ1:热源在温度为T1时放出的热量；Q2:温度为T2的冷源所吸收的热量；

国际实用温标用来复现热力学温标，简称IPTS-681990年以国际温标（ITS-90）替代IPTS-68。

在ITS-90中指出：热力学温度（符号为T）是基本物理量，单位为开尔文（符号为K）。它规定水三相点热力学温度为273.16K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的1／273.16。。4.国际实用温标t90:国际摄氏温度（℃）；T90:国际开尔文温度（K

）；

ITS-90的一些规定：

（1）0.65K到4He临界点（5.2K）温度段内用3He和4He蒸汽压与温度的关系来确定温度。

（3）平衡氢三相点（13.8K）到银凝固点（962℃），标准仪器应用铂电阻温度汁。

（4）银凝固点（962℃）以上温度区间采用普朗克定律外推。

（2）4He沸点（4.2K）到氖三相点（24.6K），在三个规定温度点(氖三相点（24.6K）、平衡氢三相点（13.8K）、4He正常沸点（4.2K）)分度过的3He或4He气体温度计内插。接触式非接触式膨胀式:液体膨胀式，固体膨胀式压力表式：气压式，液压式，蒸汽式热电阻式热电偶式光学式比色式红外式二.温度计的分类一、热电偶的测温原理二、热电偶的基本定律三、热电偶的类型四、热电偶的构造五、热电偶的特点六、热电偶的冷端温度补偿第2节热电偶温度计（一）热电偶和热电效应1826年德国

T.J.seebeck热电效应，ABTT0工作端（测量端，热端）参考端（自由端，冷端）热电偶，热电势，热电极一、热电偶的测温原理（二）热电偶工作原理1.接触电势EAB(T)

动态平衡时，导体A、B间形成的电位差为接触电势ABNA

>NBABEAB方向：指向N大方向ES方向：材料A，B在温度e：单位电荷K：波尔兹曼常数T时的自由电子密度2.温差电势EA(T，T0)

动态平衡时，导体A冷热不同两端形成的电位差为温差电势AT>

T0AEA(T,T0)方向：指向T大向ES方向TT03.热电偶回路的热电势AT

>T0TT0BNA

>NB，EA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T0)EAB(T)整理后得到目录

（一）均质导体定律

（二）中间导体定律

（三）中间温度定律

二、热电偶的基本定律（一）均质导体定律

1.内容

凡是由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论其截面如何，沿长度方向各处的温度分布如何，都不会产生热电势。均质导体定律（一）均质导体定律

2.含义

１）任何热电偶都必须由两种不同性质的热电极组成；

２）热电偶所产生的热电势仅与热电极材料的性质及两个接点温度有关；

３）若热电极材质不均匀，存在温度梯度时会产生附加热电势，造成测量的不准确。均质导体定律（二）中间导体定律

1.内容

在热电偶回路中接入第三第四种均质材料的导体后，只要中间接入的导体两端具有相同的温度，就不会影响热电偶的热电势。（二）中间导体定律

2.公式AT

>T0TBNC>NA

>NB，EA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T)T0T0CECA(T0)ECB(T0)3.含义

１）可接入不只一种中间导体，只要保证其两端温度相同，则对热电势无影响；

２）只要热电偶连接显示仪表的两个接点温度相同，则接入仪表对热电势无影响；

３）远距离显示可接入连接导线；4）可以利用焊接方法制作热电偶。（三）中间温度定律

1.内容

热电偶回路中。两接点温度为T，T0时的热电势，等于接点温度为T，Ta

和Ta，T0

的两支同性质热电偶热电势的代数和。2.公式中间温度定律特别地，当Ta＝0时，3.含义

１）为制定热电偶的分度表奠定了理论基础：只要列出冷端温度为0℃时的热电势和测量端温度的关系，就可以求出冷端温度为任意温度时的热电势；

２）工业用热电偶补偿导线的理论依据：只要匹配与热电偶的热电性质相同的补偿导线，可以使冷端远离热源而不影响热电偶的测量精度。三、热电偶的类型1、对热电极材料的要求

1）温度每增加1℃时产生的热电势要大

，且与温度尽可能成线性关系；

2）物理稳定性高

3）化学稳定性高

4）材料组织均匀，有韧性，易被加工成丝状

5）复现性好2.热电偶类型

国际电工委员会（IEEE)对性能较好的材料，制定同一标准，共8种标准热电偶，分别用不同的字母表示（表3-2）1）铂铑10-铂热电偶（S型）材料：正极(SP)为含10％铑的铂，负极(SN)为铂

应用：铑、铂均为难以被氧化的耐高温金属，故抗氧化能力强，热电特性稳定，适合应用于高温氧化气氛中，如：高温加热炉、热处理炉、钢水测温。

铂长期在1400℃使用抗拉强度下降，热电特性易发生变化，长期最高使用温度1300℃，短期可达1600℃，不适于还原气氛中使用。2）铂铑13-铂热电偶（R型）材料：正极(RP)为含13％铑的铂，负极(RN)为铂

应用：与S型比，铑含量的提高使其具有更高的稳定性和更高灵敏度，同样适合应用于高温氧化气氛中

长期最高使用温度1350℃，短期可达1600℃，不适于还原气氛中使用。3）铂铑30-铂铑6热电偶（B型）

材料：正极(BP)为含30％铑的铂，

负极(BN)为含6％铑的铂，亦称双铂铑热电偶

长期最高使用温度1750℃，短期可达1800℃4）镍铬-镍铝（镍硅）热电偶（K型）

材料：正极(KP)为镍89-90％铬9-9.5％硅约0.5％

铁0.5％，

负极(KN)为镍95-96％硅1-1.5％铝1-2.3％

锰1.6-3.2％钴约5％

应用：测温范围宽、线性度好、灵敏度比较高、抗氧化能力较强、在氧化还原气氛中输出的电动势都比较稳定。适用于1300℃以下。5）镍铬-康铜热电偶（E型）

材料：正极(EP)与KP同，

负极(EN)为康铜：铜约55％镍约45％钴约0.1％

应用：在氧化还原气氛中都可以使用，灵敏度高性，能较稳定。适用于800℃以下，短期可达1100℃

。6）铁-康铜热电偶（J型）

材料：正极为纯度为99.5％的铁;

负极为康铜：铜约55％镍约45％少量其他元素，

注意不能与EN互换。

应用：氧化气氛中适用于750℃以下，

还原气氛中适用于950℃以下。铁-康铜热电偶7）铜-康铜热电偶（T型）

材料：正极(TP)为纯度为99.95％的纯铜，

负极(TN)为康铜

应用：灵敏度高性，能较稳定。适用于-200～+350℃。可以制作普通热电偶，也可以制作标准热电偶。铜-康铜热电偶8）镍铬硅-镍硅热电偶（N型）

材料：正极(NP)为镍84％铬14-14.4％硅1.3-1.5％

其他0.1％，

负极(NN)为镍约95％硅4.2-4.6％镁0.5-1.5％

应用：抗氧化性强,在1200℃氧化气氛中可以很好使用。四、热电偶的构造普通型铠装型薄膜型

其他还有表面温度热电偶、微型快速热电偶、测气流温度热电偶、多点热电偶等。五、热电偶的特点1.能测量较高的温度（工业用一般500℃以上）；2.便于远距离传送和多点测量；3.性能稳定，复现性好，准确可靠；4.结构简单，体积小，维护方便；5.热容量和热惯性小，可用以测量点温或表面温度。目录

1．冷端温度校正法2．补偿导线法3．仪表机械零点调整法5．补偿电桥法4．冰浴法六、热电偶的冷端温度补偿1．冷端温度校正法（计算法）

原理：中间温度定律冷端温度校正法（计算法）此时，即为热电势的修正值。仪表读数查分度表反查分度表2．补偿导线法

原理：中间温度定律补偿导线法

补偿导线:是廉金属制成的,在一定范围内（0～100℃），具有和所连接的热电偶相同的热电性能．1）补偿导线在规定温度范围内应具有与热电偶相同的热电特性，使用时正负极不能接反；2）不同型号的热电偶有不同的补偿导线；3）补偿导线与热电偶两个接点处温度相等；4）补偿导线的作用仅为延伸热电偶的自由端，如to≠0，仍需用其他方法补偿。3．仪表机械零点调整法

原理：中间温度定律将仪表零点调整至即可。注意：用于冷端温度恒定且可测时；冷端温度改变时需要重新调整。仪表机械零点调整法4．冰浴法冰浴法

一般用于实验室。注意水银上方应充少量蒸馏水或变压器油，或用石蜡封口。5．补偿电桥法

采用不平衡电桥产生的电势来补偿电偶因冷端温度变化而引起的热电势的变化值补偿电桥法

一、测温原理二、铂电阻三、铜电阻四、半导体热敏电阻五、使用电阻温度计的注意事项

第3节电阻温度计电阻温度系数α：温度变化1℃时，电阻值的相对变化量，单位：1／℃，电阻率（电阻系数或比电阻）：衡量物质导电性能的物理量，20℃时单位面积（1mm2)和单位长度(1m)的阻值.一、测温原理对热电阻测量的要求：1）α大，电阻率高；2）性能稳定，复现性好；3）温度阻值间呈线性关系；4）价廉，易于加工。电阻温度计金属：半导体：特点：精度和灵敏度高；测温范围广；便于实现信号远传和多点测量切换；应用广泛。温度上升1℃时，电阻增加0.4‾0.6%α为正α为负温度上升1℃时，电阻下降3‾6％，优点：1）精度高，稳定性好，性能可靠，工业用-200‾850℃；2）易于提纯，复现性好，工艺性好，易于加工。缺点：还原性高温气氛下易被污染变脆，使α改变；价高百度电阻比：

W(100)数值越大纯度越高。目前水平99.9995％,相当于W(100)=1.3930二、铂电阻电阻分度号：表明热电阻材料和0℃时的阻值。特性关系：结构：a)云母作骨架b)石英玻璃圆柱作骨架c)铠装型1-铂电阻横断面2-保护管3-银绑带4-保护用云母片5-锯齿形云母骨架6-铂丝7-银引出线8-接线盒9-连接法兰10-石英骨架pt100热电阻温度计WZP装配式铂电阻温度计医用测皮肤温度铂电阻温度计优点：1）电阻值与温度间线性关系；2）α大，价低，易提纯

。缺点：电阻率低，易氧化。应用：

用于精度要求不高且温度较低的场合，不适用于有腐蚀性场所。三、铜电阻

分度号：Cu50和Cu100特性关系：百度电阻比：W(100)=1.428±0.002允许使用温度：-50～150℃

材料：

由铁、镍、铜、钛、镁的金属氧化物制成优点：缺点：α较大，灵敏度高；电阻率大，体积可减小→连线电阻变化可忽略；结构简单；热惯性小。互换性差；非线性严重且温度特性不够稳定，测量不准确度大。TR铜半导体四、半导体热敏电阻

分类：1.PTC热敏电阻

正温度系数热敏电阻的简称。超过一定温度时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素等，可使其电阻率下降到10Ω.cm以下，成为良好的半导体陶瓷材料。这种材料具有很大的正电阻温度系数，在居里温度以上几十度的温度范围内，其电阻率可增大4~10个数量级，即产生所谓PTC效应。PTC热敏电阻特性曲线PTC热敏电阻2.NTC热敏电阻

负温度系数热敏电阻的简称，它的阻值是随着温度的升高而下降的。主要是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。NTC热敏电阻器温度系数-2%~-6.5%，可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。玻璃封装系列NTC热敏电阻环氧封装系列NTC热敏电阻1.震动与应力2.淬火与氧化效应3.磁阻效应

4.自热效应5.压力的影响6.引线电阻的影响7.热电势的影响8.传热误差9.迟滞10.绝缘不良的影响11.环境温度的影响五、使用电阻温度计的注意事项

一、传感器的传热误差二、传感器的动态误差

三、传感器材料的选择与安装

第4节接触测温的误差分析

传导、对流、辐射Q11θQ2Q3sθ一、传感器的传热误差

被测对象传感器被测对象传感器tθtθ二、传感器的动态误差

相对于传热误差

不能采用提高仪表精度的方法解决，只能在安装上采取改善措施：1.正确选择测点：测点应具有代表性来流迎向来流中心45°垂直减少外露或保温安装孔密封出线孔朝下三、传感器材料的选择与安装

2.避免热辐射引起的测温误差，应保证传感器插入深度，外露部分保温；3.测温元件安装于负压管道或设备时，应密封安装孔以避免冷（热）空气吸入后影响测量值；4.热电偶（阻）测温时，应防止干扰信号引入，同时接线盒出线孔