第五章温度检测原理

第五章温度测量

第一节温度测量概述一、温度与温标（一）温度温度是表征物体冷热程度的物理量温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们之间必然会发生热交换现象，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。这也就是热力学第零定律所描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。温度的微观概念表明：物体温度的高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度。显然物体的物理化学特性与温度密切相关。

温度的测量当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时，则它们就具有相同的温度。因此可以从一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就是测温的依据。如果事先已经知道一个物体的某些性质或状态随温度变化的确定关系，就可以以温度来量度其性质或状态的变化情况，这就是设计与制作温度计的数学物理基础。

虽然有不少物体的某些性质或状态（如电阻、体积、电势等）会随温度的变化而变化，但并不是所有的物质都可制作成温度计。选作温度计的物质，其性质必须满足以下条件：物质的某一属性G仅与温度T有关，即G=G(T)，且必须是单调函数，最好是线性的。随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强，以保证仪表的灵敏度和测量精确度。应有较宽的测量范围。有较好的复现性和稳定性。

（三）温标

温标是温度数值化的标尺。它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。

1．经验温标它是借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。摄氏温标

摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为℃。

华氏温标华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为℉。它与摄氏温标的关系为：

类似的经验温标还有兰氏、列氏等经验温标的缺点在于它的局限性和随意性

2．热力学温标 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。它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。

热力学中卡诺定理指出：一个理想的卡诺机，当它工作于温度为T2的热源与温度为T1的冷源之间，它从热源中吸收的热量Q2与向冷源中放出的热量Q1，应遵循以下关系：这就是建立热力学温标的物理基础。如果指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比求得未知温度值。

热力学温标规定水在标准大气压下的三相点为273.16K，沸点与三相点之间分为100等分，每等分1K，将水的三相点以下273.16K定为绝对零度（0K）。

3．国际温标为了使用方便，国际上经协商，决定建立一种既使用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这就是国际温标的由来。具备的条件：尽可能接近热力学温标复现精度高，各国均能以很高的准确度复现同样的温标，确保温度量值的统一用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定

国际实用温标是用来复现热力学温标的，简称IPTS-68，它是由1968年国际权度会议通过的。这个温标经过20多年使用，发现了一些问题，已无法满足现代科学发展对温度测量的要求。国际计量委员会决定用1990年国际温标（ITS-90）代替IPTS-68。在1990年国际温标中指出，热力学温标是基本物理量。单位开尔文，符号为K。它规定水的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。

在ITS-90中同时使用国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90），其关系为t90=T90－273.15T90单位为开尔文（K），t90单位为摄氏度（℃）。这里所说的摄氏度符合国际实用温标（ITS-90）的规定。

ITS-90的一些规定如下：由0.65K到4He临界点（~5.2K）温度范围为一温度段，在此温度段内用3He和4He周期压力与温度的关系来确定温度。由4He沸点（~4.2K）到氖三相点（~24.6K）温度范围内，T90的确定采用在三个规定温度点分度过的3He或4He气体温度计内插。这三个点分别是氖三相点（~24.6K）、平衡氢三相点（~13.8K）和4He正常沸点（~4.2K）。由平衡氢三相点（~13.8K）到银凝固点（~962℃），这个温度段内，标准仪器应用铂电阻温度计。银凝固点（~962℃）以上温度区间采用普朗克定律外推。二、温度标准的传递

与国际实用温标有关的基准仪器均由国家指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存，并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行校验。

三、温度测量方法及测量仪表的分类温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变化量的测量间接地获得温度值。根据温度测量仪表地使用方式，通常可分类为接触法与非接触法两大类。

1.接触法当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，使两者达到热平衡。2.非接触法利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。按工作原理来划分，也根据温度范围（高温、中温、低温等）或仪表精度（基准、标准等）来划分。3.测量仪表的分类接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被测介质接触，感受被测物体或被测介质的温度变化。膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计非接触式测温仪表是采用感温元件与被测物体不直接接触的方法来测量温度。在高温范围内，用直接接触测温法非常困难，可采用非接触式测温法，利用物体的热辐射特性对物体的温度进行非接触式测量。光学高温计、比色高温计、辐射高温计型式温度计种类优点缺点使用范围／℃玻璃液体温度计结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示，不能记录与远传～100～100(150)有机液体O～350(一30～650)水银接双金属温度计结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控精度低、不能离开测量点测量，量程与使用范围均有限0～300，-50～600)触式压力式温度计结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控精度低、测量距离较远时。仪表的滞后性较大、一般离开测量点不超过10米O～500(-50～600)液体型0～100(-50～200)蒸汽型温度电阻温度计测羹精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制结构复杂、不能测量高温，由于体积大，测点温度较困难一150～500(一200600)铂电阻Onl00(一50～150)铜电阻～50～150(180)镍电阻～100～200(300)热敏电阻计热电偶温度计测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿，在低温段测量精度较低一20～1300(1600)铂铑10一铂一50～1000(1200)镍铬一镍硅一40～800(900)镍铬一铜镍一40～300(350)铜一铜镍非接触光学高温计携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场测量时，必须经过人工调整，有人为误差，不能作远距离测量，记录和自控900～2000(700～2000)式温度计辐射高温计测温元件不破坏被测物体温度场，能作远距离测量、报警和自控、测温范围广只能测高温，低温段测量不准，环境条件会影响测量精度，连续测高温时须作水冷却或气冷却100～2000(50～2000)第二节膨胀式温度计膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。一、液体膨胀式温度计1.测温原理2.主要特点3.分类4.测温误差分析二、固体膨胀式温度计

它是利用两种线膨胀系数不同的材料制成，有杆式和双金属片式两种。双金属温度计

感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的三、压力式温度计它是利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。工作介质是气体、液体或蒸气简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度第三节热电偶温度计

热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。铠装热电偶图型

WRTK2-434/ⅡΦ8*1000mm

铠装固定卡套法兰热电偶

WRSK-143/ⅡΦ6*1000mmGh3030

铠装防爆热电偶

WRNK-332/ⅠΦ4*1000mmGh2520

铠装可动卡套螺纹热电偶一、热电偶的测温原理

两种不同的导体（或半导体）A和B组成闭合回路，如下图所示。当A和B相接的两个接点温度T和T0不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电势，通常称为热电势，用符号EAB（T，T0）表示。BATT0参考端冷端工作端热端

图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称为热电偶的热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T）中的接点称为工作端或热端，温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。1．接触电势接触电势用EAB(T)表示，其数值可用下式表示式中e——单位电荷，4.802X10-10静电单位；K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；NA(T)、NB(T)——材料A、B在温度为T时的自由电子密度；T——A、B接触点的温度，K。从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。2．温差电势温差电势可表示为

式中符号同前式。3．热电偶闭合回路的总热电势

对于由A和B两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接点温度分别为T和T0，且T>T0，NA>NB；那么回路中存在两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为

进行推导整理后，可得对于确定的材料A和B，NA和NB与T的关系已知，则上式可简写成下面的形式EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)如果冷端温度T0保持恒定，这个热电势就是热端温度T的单值函数，即

EAB(T,T0)=f(T)－C

两个热电极热电偶接点从以上式子可以得到如下结论：热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒定，则f（T0）为常数，回路总热电势EAB（T，T0）只是温度T的单值函数。工程上所使用的各种类型的热电偶均把E(t)和t的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。二、热电偶的基本定律1．均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。

这条规律还要求热电偶的两种材料必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。2．中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，该导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。

该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借助均质等温的导体加以连接。3．中间温度定律热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的热电势，等于接点温度为T、TN和TN、T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。

EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0)该定律说明当热电偶参比端温度t0≠0℃时，只要能测得热电势E(t,t0)，且t0已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度t值。4.连接导体定律在热电偶回路中，如果热电偶的电极材料A和B分别与连接导体A’和B’相连接，各有关接点温度为t，tn和t0，那么回路的总热电势等于热电偶两端处于t和tn温度条件下的热电势EAB(t,tn)与连接导线A’和B’两端处于tn和t0温度条件下的热电势EA’B’(tn,t0)的代数和。EABB’A’(t,tn,t0)=EAB(t,tn)+EA’B’(tn,t0)中间温度定律和连接导体定律是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。1.热电偶分度号测量端温度(℃)参考端温度(℃)热电势(mV)S13000B14008.914K3034.111T-145-5.324E80535J5651513.155158502059.30430.3062.用热电偶测量金属壁面温度有两种方案，如下图所示，当热电偶具有相同的参考端温度t0时，问在壁温相等的两种情况下，仪表的示值是否一样？为什么？3.用两支分度号为K的热电偶测量A区和B区的温差，连接回路如右图所示。当热电偶参考端温度t0为0℃时，仪表指示200℃。问在参考端温度上升25℃时，仪表的指示值为多少？为什么？三、常用热电偶的材料、结构和分类

1．热电偶的材料

虽然任意两种导体或半导体材料都可以配对制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求却是多方面的。（1）两种材料所组成的热电偶应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势和温度之间尽可能呈线性的函数关系。

（2）能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧性、抗还原、抗腐蚀等性能。（3）要求热电偶材料有高导电率和低电阻温度系数。（4）具有较好的工艺性能，便于成批生产。具有满意的复现性，便于采用统一的分度表。2.热电偶结构（1）热电极（2）绝缘套管（3）保护套管（4）接线盒2.标准化热电偶（1）廉金属热电偶1）T型（铜－康铜）热电偶2）K型（镍铬－镍铝或镍硅）热电偶3）E型（镍铬－康铜）热电偶4）J型（铁－康铜）热电偶（2）贵金属热电偶

1）S型（铂铑10－铂）热电偶2）R型（铂铑13－铂）热电偶3）B型（铂铑30－铂铑6）热电偶3.非标准化热电偶

（1）钨－铼系热电偶（2）钨－铱系热电偶（3）其他非标准化热电偶四、热电偶测温系统

热电偶测温系统是由热电偶、补偿导线、测量仪表及相应的电路构成的。（一）热电偶参考端的温度处理1.补偿导线法原理：在一定温度范围内，与配用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的廉金属导线为补偿导线。补偿导线补偿导线回路总热电势为E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0)常用补偿导线的结构分为普通型和带屏蔽层型两种按照补偿原理分为补偿型及延伸型两种补偿导线按使用温度可分为一般用（0～100℃）和耐热用（0～200℃）2.计算修正法

当用补偿导线把热电偶的冷端延长到某一温度T0处（通常是环境温度），然后再对冷端温度进行修正。3.冷端恒温法（1）把冷端引至冰点槽内，维持冷端始终为0℃，但使用起来不大方便。（2）把冷端用补偿导线引至电加热的恒温器内4.补偿电桥法

补偿电桥法是在热电偶测温系统中串联一个不平衡电桥，此电桥输出的电压随热电偶冷端温度变化而变化，从而修正热电偶冷端温度波动引入的误差。（二）热电偶的检定和误差分析1.热电偶的检定为了保证热电偶的测量精度，必须定期进行检定。热电偶的检定方法有两种，比较法和定点法。用被校热电偶和标准热电偶同时测量同一对象的温度，然后比较两者示值，以确定被检电偶的基本误差等质量指标，这种方法称为比较法。2.热电偶测温误差分析（1）分度误差：指检定时产生的误差，其值不得超过允许误差。（2）冷端温度引起的误差（3）补偿导线的误差：它是由于补偿导线的热电特性与所配热电偶不完全相同所造成的（4）热交换所引起的误差（5）测量线路和显示仪表的误差（6）其他误差（三）热电偶的使用与安装1.使用注意事项2.安装原则第三节电阻温度计

WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300℃)隔爆热电阻WZC-111/Φ12*1000mmCu50铜热电阻WZPK2-103/B级Φ6*515mm(0-300℃)铂热电阻

导体或半导体的电阻率与温度有关，利用此特性制成电阻温度感温件，它与测量电阻阻值的仪表配套组成电阻温度计。

优点：测温准确度高，信号便于传送。

缺点：不能测太高的温度，需外部电源供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。一、热电阻的特性热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温元件。铂热电阻和铜热电阻属国际电工委员会推荐的，也是我国国标化的热电阻。

电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变化1℃时的电阻相对变化量，单位为1/℃。

大多数金属热电阻随其温度升高而增加，当温度升高1℃时，其阻值约增加0.4%~0.6%，称具有正的电阻温度系数。电阻值Rt与温度t（℃）的关系可表示为Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）式中Rt——温度为t℃时金属导体的电阻；R0——温度为0℃时金属导体的电阻；A、B、C——与金属材料有关的常数。

大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减小，当温度升高1℃时，其阻值约减小3%~6%，称具有负的电阻温度系数。电阻值RT与热力学温度T（K）的关系可表示为RT=RT0·exp[B(1/T)－B(1/T0)]式中，RT0——热力学温度T0（K）时的电阻值；B——与半导体材料有关的常数。

虽然大多数金属和半导体的电阻与温度之间都存在着一定的关系，但并不是所有的金属或半导体都能做成电阻温度计。用于测温的热电阻（或热敏电阻）应满足以下要求：（1）电阻温度系数要大，以得到高敏感度；（2）在测温范围内化学与物理性能要稳定；

（3）复现性要好；（4）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响应比较快；（5）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分度和读数；（6）价格相对低廉。

目前已被采用的电阻温度计具有如下特点：（1）在中低温范围内其精确度高于热电偶温度计；（2）灵敏度高，当温度升高1℃时，大多数热电阻的阻值增加0.4%~0.6%，半导体材料的阻值降低3%~6%；（3）热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得多，因此不宜测量点温度与动态温度，半导体热敏电阻虽然体积较小，但其稳定性和复现性却较差。

热电阻的电阻值与温度的关系特性有三种表示方法：

作图法函数表示法列表法二、常用热电阻元件

1．铂热电阻特点：精度高，稳定性好，性能可靠。在氧化性的气氛中，甚至在高温下的物理化学性质都非常稳定。它易于提纯，复现性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。与其他热电阻材料相比，有较高的电阻率。缺点：电阻温度系数较小，在还原性气氛中，特别是在高温下易被沾污变脆，价格较贵。

在－200℃~0℃范围内，铂的电阻温度关系为Rt=R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]在0~650℃范围内，其关系