现代检测技术第11章 温度测量

第11章温度测量11.2热电偶11.3热电阻和热敏电阻11.4集成温度传感器AD59011.1概述现代检测技术第11章温度测量第三篇常见过程参数的测量

过程控制系统至少包括被控对象（或称被控过程）、检测装置（包括传感器和变送器）和控制器（或调节器）以及执行机构四个基本部分。检测装置将被测参数如温度、压力、流量、液位以及成分量等检测出来，并变换成相应的统一标准信号，系统显示、记录或进行下一步的调整控制作用。检测装置实际上包括两部分内容，首先是将被控参数检测出来，然后变送器将其变换成统一标准信号。现代检测技术第11章温度测量11.1概述

温度是表征物体冷热程度的一种物理量，是工业生产和科学实验中最普遍、最重要的热工参数之一。

温度不能直接进行测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性，来进行间接的测量。

根据测温的方式可以分为接触式测温法与非接触式测温法两大类。现代检测技术第11章温度测量11.1概述11.1.1温度测量方法

⑴接触式测温接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此时温度计的示值就是被测对象的温度。以接触式方法测温的常用温度计有玻璃温度计、压力温度计、双金属温度计、热电偶以及热电阻等接触式温度测量特别适合以下，热容大，无腐蚀性对象的连续在线测温。现代检测技术第11章温度测量11.1概述⑵非接触式测温非接触式温度测量的特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。为了保证温度量值的准确并利于传递，需要建立一个衡量温度的统一尺度，即温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。现代检测技术第11章温度测量11.1概述1.经验温标根据某些物质的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。①华氏温标华氏温标规定在大气压下纯水的冰点为32度，沸点为212度，中间划分为180等份，每一等份为1华氏度.②摄氏温标摄氏温标将标准大气压下水的冰点定为零度，水的沸点定为100度，在0-100之间划分了100等份，每一等份为1摄氏度，用符号t表示。11.1.2温度的单位现代检测技术第11章温度测量11.1概述摄氏温标与华氏温标的关系为 （11-1）⒉热力学温标1848年由开尔文提出的以卡诺循环为基础建立的热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基本物理单位之一。

它与摄氏温度之间的关系为（11-2）单位是开，记为K。现代检测技术第11章温度测量11.1概述3.绝对气体温标从理想气体状态方程入手，复现的热力学温标称为绝对气体温标，由波义尔定律，有

（11-3)

式中，为P一定质量的气体的压强；为V该气体的体积；为R普适常数；为T热力学温度。当气体的体积为恒定时，其压强就是温度的单值函数 （11-4）

这种比值关系与开尔文给出的热力学温标的比值关系完全类似。因此若用同一固定点（水的三相点）来作参考点，两种温标在数值上就完全相同。上式就是理想气体的温标方程。现代检测技术第11章温度测量11.1概述⒋国际温标根据国际温标规定：热力学温度是基本温度，用符号T表示，单位是开，记为K。它规定水的三相点热力学温度（即固态、液态、气态三相共存时的平衡温度）为273.16K，定义1K（开尔文1度）等于水的三相点热力学温度的1/273.16。通常将比水的三相点温度低0.01K的温度规定为摄氏零度，它与摄氏温度之间的关系为（11-5）温度量程的分段与内插方程。摄氏温度与热力学温度之间的关系仍如式（11-5）所示，可记为（11-6）现代检测技术第11章温度测量11.1概述11.1.3温度测量仪表的分类

温度测量范围广，测温仪表的种类很多。按工作原理分，有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两类。按温度范围范围，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，高温指，以上被认为是超高温。现代检测技术第11章温度测量测温方式类别典型仪表名称测温原理测量范围

接触式测温仪表膨胀式双金属温度计固体热膨胀变形量随温度变化压力式温度计气体、液体在定容条件下，压力随温度变化玻璃管液体温度计液体热膨胀体积量随温度变化电阻类热电阻金属或半导体电阻值随温度变化热电类热电偶热电效应表11-1常用测温仪表现代检测技术第11章温度测量测温方式类别典型仪表名称测温原理测量范围

其它电学类石英晶体温度计晶体的固有频率随温度变化集成温度传感器半导体器件的温度效应非接触式测温仪表光电亮度温度传感器物体单色辐射强度及亮度随温度变化全辐射温度传感器物体全辐射能随温度变化部分辐射温度传感器限于特定部分光谱范围工作内辐射能随温度变化光电比色温度传感器两个波长的亮度比随温度变化现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

在温度测量中虽有许多不同测量方法，但利用热电偶作为测温元件应用最为广泛，其主要优点为：①结构简单，其主体实际上是由两种不同性质的导体或半导体互相绝缘并将一端焊接在一起而成的。②具有较高的准确度。③测量范围宽，常用的热电偶，低温可测到，高温可测达到左右，配以特殊材料的热电极，最低可测，最高可达的温度。④具有良好的敏感度。⑤使用方便。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

两种不同材料的导体或半导体A、B串接成一个闭合回路，并使结点1和2处于不同的温度T、，那么回路中会存在热电势，因而就有电流产生，这一现象称为热电效应。11.2.1热电效应图11-1

热电偶回路现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-2

温差电势一、热电势的产生

热电偶产生的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的。

热电偶的温差电势只与热电极的材料和两结点的温度有关，而与热电极的几何尺寸无关。

现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⒈单一导体的温差电势

在一根匀质的导体中，如果两端温度不同，则在导体的内部也会产生电势，这种电势称为温差电势。记为

（11-7）A、B的温差电动势分别为：现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-3接触电势接触电势：⒉两种导体的接触电势接触电势与接触点温度有关，与材料有关。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⒊热电偶回路总热电势由A、B两种不同导体组成热电偶回路中，如果两个接触点的温度和两个导体的电子密度不同，假如，回路中的总电势（11-8）现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶二、热电偶基本定律⒈均质导体定律

由一种均质导体（或半导体）组合的闭合回路，不论导体（或半导体）的截面和长度如何以及各处的温度如何，都不能产生热电势。由均质导体A组成的闭合回路如下：图11-4

均质导体回路现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶所以，回路中总热电势

在实际应用中要注意以下几点：①任何热电偶都必须由两种性质不同的导体构成。②如果热电偶由两种均质导体组成，则热电偶的热电势仅与两接点温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。

在闭合回路中，由于材料相同，即两接点，接触电势为零：即

由于导体A两端温度不同，故有温差电势产生，但回路中两支路温差电势大小相等，方向相反，回路中总温差电势为零，即

现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⒉中间导体定律中间导体定律是指，在热电偶回路中，只要中间导体两端的两端温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路的总热电势无影响。该叙述可表示为：（11-9）

现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-5

有中间导体的热电偶回路现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶所以

因为以图11-5a为例进行分析现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶在图11-5b中因为

所以

现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⒊标准电极定律

标准电极定律是指：如果将导体C（热电极，一般为纯铂丝）作为标准电极，并已知标准电极与任意导体配对时的热电势，那么在相同结点温度（、）下，任意两导体A、B组成的热电偶，其热电势可由下式求得：（11-10）—结点温度为—结点温度仍为与标准电极C组成热电偶时产生的热电势。，由导体A、B组成热电偶时产生的热电势；现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-6

标准电极定律现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⒋连接导体定律和中间温度定律

连接导体定律指出，在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A'、B'相连接，结点温度分别为，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势

与连接导线A'、B'在温度

时的热电势

的代数

和，即

（11-11）

连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

当A与A'，B与B'材料分别相同且结点温度为

时，根据连接导体定律得该回路的热电势，图11-7

连接导体定律

（11-12）现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶表明,热电偶在结点温度为就等于热电偶在（），（）时相应的热电势与的代数和，这就是中间温度定律，称为中间温度。时，热电势其中

中间温度定律为热电偶制定分度表提供了理论依据，根据这一定律只要列出参考温度为

时的热电势—温度关系，那么参考温度不等于

的热电势就可按上式求出。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶一、热电偶的材料对热电偶的电极材料主要要求是：①配制成的热电偶应具有较大的热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。②能在较宽的温度范围内使用，并且在长期工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。③电导率要求高，电阻温度系数要小。④易于复制，工艺简单，价格便宜。二、热电偶的型号⑴标准化热电偶

国际电工委员会（IEC）推荐的工业标准热电偶为八种，我国均已采用。11.2.2热电偶的材料、型号及结构现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

工业标准化热电偶，工艺成熟，应用广泛，性能良好稳定，能成批生产，同一型号可以互换，统一分度，并有配套显示仪表。工作端温度高于参考端时，前一导体为热电势的正极，后一种为负极，即前者材料的电子密度大于后者。⒈铂铑10-铂热电偶（分度号S）⒉铂铑30-

铂铑6热电偶（分度号B)⒊铂铑13-铂热电偶（分度号R)⒋镍铬-镍硅热电偶（分度号K）⒌镍铬-康铜热电偶（分度号E）⒍镍铬硅-镍硅热电偶（分度号N）⒎铜-康铜热电偶（分度号T）⒏铁-康铜热电偶（分度号J）现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⑵非标准化热电偶

除了上述标准热电偶之外，在某些特殊条件下，例如超高温、超低温等，也应用一些特殊热电偶，因目前还没有达到国际标准化程度，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。铱铑40-铱热电偶是当前唯一能在氧化气氛中测到高温的热电偶，因此成为宇航火箭技术中的重要测温元件范围内使用。

镍铬-金铁是一种较为理想的低温热电偶，可在现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

此外，利用石墨和难熔化合物这些非金属材料熔点高，在

以上高温条件下性能稳定的特点，作为高温热电偶材料可以解决金属热电偶材料无法解决的问题。目前已研制出碳—石墨、石墨-碳化硅、石墨-碳化钼以及硼化碳-碳等非金属热电偶。三、热电偶的结构：⒈普通热电偶

工业上常用的普通热电偶的结构由热电极1、绝缘套管2（防止两个热电极在中间位置短路）、保护套管3（使热电极免受化学侵蚀及机械损伤）、接线盒4（连接导线通过接线盒与热电极连接）、接线盒5（防止灰尘、水分及有害气体进入保护套管内）组成。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

普通热电偶主要用于气体、蒸汽和液体等介质的温度测量，这类热电偶已做成标准形式，可根据测温范围和环境条件选择合适的热电极材料和保护套管。图11-8

普通热电偶的基本结构

现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⒉铠装热电偶(又称缆式热电偶)铠装热电偶是将热电极、缘材料连同金属保护套一起拉制成形的，可做得很细、很长，其外径可小到1-3mm，而且可以弯曲，适合于测量狭小的对象上各点的温度。铠装热电偶种类多，可制成单芯、双芯和四芯等。主要特点是测量端热容量小；动态响应快；有良好的柔性，便于弯曲；抗振性能好，强度高。⒊薄膜热电偶用真空蒸镀（或真空溅射）的方法，将热电偶材料淀积在绝缘基板上而制成的热电偶称薄膜热电偶。由于热电偶可以做得很薄，测表面温度时不影响被测表面的温度分布，其本身热容量小，动态响应快，故适合于测量微小面积和瞬时变化的温度。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-9

薄膜热电偶1-测量端

2-绝缘基板

3、4-热电极

5、6-引出线

7-接头夹具现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

图11-10

铠装热电偶1-接线盒

2-金属套管

3-固定装置

4-绝缘材料

5-热电极除此之外，还有用于测量圆弧形固体表面温度的表面热电偶和用于测量液态金属温度的浸入式热电偶等。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶一、测温原理和方法⒈理论依据已知热电偶两个电极的材料确定以后，热电偶的热电动势就只与热电偶两端温度有关，如果使参考端温度恒定不变，则对给定材料的热电偶，其热电动势就只与工作端温度T成单值函数关系，即

（11-14）11.2.3热电偶测温电路现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

⒉热电偶测量线路

①测量单点温度的基本电路热电偶与动圈式仪表连接，如图11-11所示。图11-11

热电偶与动圈仪表连接使用现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

该力矩M促使线圈绕中心轴转动。线圈转动时，支持线圈的张丝便产生反作用力矩，其大小与线圈的偏转角成正比，即（11-16）

在线圈几何尺寸和匝数已定的条件下，M只与流过线圈的电流大小成正比，即（11-15）现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

（11-18）

式中，-回路的热电势

平衡时，动圈停止在某一位置上，此时流过仪表的电流为

当

和

动圈的偏转角为

式中，C—-仪表灵敏度，显示动圈转角与流过线圈的电流具有单值正比关系。（11-17）现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶②热电偶串联（热电堆）图中C、D为补偿导线，回路总电势为：（11-19）即回路总电势为各热电偶电势之和。

如果要测平均温度，则

为了提高测量精度和灵敏度，也可将n支型号相同的热电偶依次串联，如图11-13。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-12

两支热电偶的串联现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-13

正向串联现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶③热电偶并联-平均温度测量测量平均温度的方法是用几支同型号的热电偶并联接在一起。使用热电偶并联的方法测多点的平均温度，其优点是仪表的分度仍然和单独配用一个热电偶时一样，缺点是当有一支热电偶烧断时，不能即使觉察出来。

如果n支热电偶的电阻值相等，则并联电路总电势为：

（11-26）回路中总的电热势为（11-25）现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-14

热电偶并联线路现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶④热电偶反接（差动热电偶）图11-15

热电偶反向串接现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

这种测量线路是测量两处温度差（T1-T2）的一种方法。它是把两个型号相同的热电偶配用相同的补偿导线把它们反接而成，此时输入到测量仪表的热电势为两个热电偶的热电势之差，即

（11-27）

从上式可以看出即反应出温度T1和T2现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶二、热电偶的冷端处理

⒈冷端恒温方式为避免经常校正的麻烦，可使冷端温度保持为恒定的。

在实验室条件下采用冷端恒温方式，也称为冰浴法，通常是把冷端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的保温容器中，使冷端保持，这时热电偶输出的热电势与分度值一致。实验室中通常使用这种办法。近年来，已生产一种半导体制冷器件，可恒定在。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⒉冷端的延伸——使冷端远离被测热源

图11-16

热电偶与补偿导线连接现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶=式中，——工作热电偶冷端温度；——为——工作热电偶产生的热电势；——补偿导线产生的热电势。

上述办法只是相当于冷端直接延伸到了温度为T0处，但并不消除冷端温度不为

该用前面介绍的补正方法把冷端修正到必须指出，只有当新移接点处的冷端温度恒定或配用的仪表本身具有冷端温度自动补偿装置时，应用补偿导线才有意义。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶

在工业上制成了专用的补偿导线，并以不同颜色区别各种特定热电偶的补偿导线。在使用补偿导线时应注意以下几方面：

①各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用；

②注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差；

③补偿导线与热电偶连接的两个结点，其温度必须相同。现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶图11-17

电桥补偿法⒊冷端温度波动的自动补偿――电桥补偿法现代检测技术第11章温度测量11.2热电偶⒋热电势补正法由中间温度定律得知，参考端温度为

时的热电势为

可见当参考端温度

时，热电偶输出的热电势将不等于

而引入误差。热电偶的热电特性，是在参考端

为条件下获得的，若不加补正，所测得的温度必然要低于实际值。为此，只要将测得的热电势

加上

就可获得所需的

是参考端为时的热电势，可查分度表得到，即为补正值。现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻

利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫热电阻传感器，对温度和与温度有关的参数进行检测的装置。按采用的电阻的材料可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常称为热电阻，后者称为热敏电阻。现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻11.3.1金属热电阻1.对热电阻材料的要求并非所有的金属材料都适合做温度敏感元件，适于制作温度测量敏感元件的电阻材料要具备以下要求：①温度特性的线性度好——良好的输出特性，即电阻温度的变化接近于线性关系；②高且稳定的温度系数和大的电阻率，以便提高灵敏度和保证测量精度；③电阻率大；④在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定；⑤良好的工艺性，以便批量生产，降低成本。现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻2.电阻——温度特性电阻随温度变化的关系：⒊常用热电阻

1）铂电阻

铂是一种贵金属，其主要特点是物理化学性能极为稳定，并且有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。它的缺点是电阻温度系数小。现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻铂电阻阻值与温度变化之间的关系近似直线，可用下式表示：在在式中，Rt为温度为t时的电阻值；R0为温度为的电阻值；A为常数B为常数C为常数现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻2）铜电阻铂是贵金属，价格昂贵，因此在测温范围比较小（称铜电阻。在一些测量精度不高且温度较低的地方一般采用铜电阻，可用它来测量铜电阻有下列优点：）的情况下，可采用铜制成的测温电阻，①在上述温度范围内有很好的稳定性，铜电阻的阻值与温度之间的关系为②电阻温度系数高；③材料容易提纯，价格便宜；现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻3）其他热电阻

镍和铁电阻的温度系数较大，电阻率也较高，适合做热电阻，但由于存在易氧化或非线性严重等缺点，目前应用较少。铂、铜热电阻不适宜做低温和超低温测量，近年来，一些新颖的测量低温领域的材料相继出现，如铟电阻、锰电阻、碳电阻等。⒋热电阻传感器的应用在工业上广泛应用热电阻传感器进行范围的温度测量。热电阻传感器进行测量的特点是精度高，适于测低温。现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻

a）三线制结构

b）四线制结构

图11-18

热电阻传感器测量电路现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻

热敏电阻是一种半导体材料制成的敏感元件，其特点是电阻随温度变化而显著变化，能直接将温度的变化转换为能量的变化。制造热敏电阻的材料很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一定比例混合后压制成型，然后在高温下烧结而成。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点，因此得到广泛的应用，尤其是应用于远距离测量和控制中。11.3.2热敏电阻——半导体电阻现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻⒈热敏电阻的类型和特点

相对于一般的金属热电阻而言，它主要有如下特点：①电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻大10~100倍②结构简单，体积小，可以测量点温度；③电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；④阻值与温度变化呈非线性关系；⑤稳定性和互换性较差。⒉热敏电阻的结构及符号

热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体构成，结构及符号分别如图11-19所示。现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电阻图11-19

热敏电阻的结构及符号现代检测技术第11章温度测量11.3热电阻和热敏电