第五章溫度檢測原理

1、第五章第五章 溫度測量溫度測量 第一節(jié)第一節(jié) 溫度測量概述溫度測量概述 一、溫度與溫標一、溫度與溫標 （一）溫度（一）溫度 u溫度是表征物體冷熱程度的物理量溫度是表征物體冷熱程度的物理量 u溫度是描述系統(tǒng)不同自由度能量分布狀況的物溫度是描述系統(tǒng)不同自由度能量分布狀況的物 理量理量 u溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量 u溫度的溫度的宏觀概念宏觀概念是建立在熱平衡基礎上的。是建立在熱平衡基礎上的。 任意兩個冷熱程度不同的物體相互接觸，任意兩個冷熱程度不同的物體相互接觸， 它們之間必然會發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量要它們之間必然會發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量要 從溫度高的物體

2、傳向溫度低的物體，直到從溫度高的物體傳向溫度低的物體，直到 兩物體之間的溫度完全一致時，這種熱傳兩物體之間的溫度完全一致時，這種熱傳 遞現(xiàn)象才能停止。這也就是熱力學第零定遞現(xiàn)象才能停止。這也就是熱力學第零定 律所描述的，系統(tǒng)溫度相等是建立熱平衡律所描述的，系統(tǒng)溫度相等是建立熱平衡 的充要條件。的充要條件。 u溫度的溫度的微觀概念微觀概念表明：物體溫度的高低標志表明：物體溫度的高低標志 著組成物體的大量分子無規(guī)則運動的劇烈程著組成物體的大量分子無規(guī)則運動的劇烈程 度，即對其分子平均動能大小的一種量度。度，即對其分子平均動能大小的一種量度。 顯然物體的物理化學特性與溫度密切相關(guān)。顯然物體的物理化學

3、特性與溫度密切相關(guān)。 u溫度的測量溫度的測量 當兩個物體同處于一個系統(tǒng)中而達到熱平當兩個物體同處于一個系統(tǒng)中而達到熱平 衡時，則它們就具有相同的溫度。因此可以從衡時，則它們就具有相同的溫度。因此可以從 一個物體的溫度得知另一個物體的溫度，這就一個物體的溫度得知另一個物體的溫度，這就 是是測溫的依據(jù)測溫的依據(jù)。如果事先已經(jīng)知道一個物體的。如果事先已經(jīng)知道一個物體的 某些性質(zhì)或狀態(tài)隨溫度變化的確定關(guān)系，就可某些性質(zhì)或狀態(tài)隨溫度變化的確定關(guān)系，就可 以以溫度來量度其性質(zhì)或狀態(tài)的變化情況，這以以溫度來量度其性質(zhì)或狀態(tài)的變化情況，這 就是設計與制作溫度計的數(shù)學物理基礎。就是設計與制作溫度計的數(shù)學物理基礎

4、。 雖然有不少物體的某些性質(zhì)或狀態(tài)（如電阻、雖然有不少物體的某些性質(zhì)或狀態(tài)（如電阻、 體積、電勢等）會隨溫度的變化而變化，但并體積、電勢等）會隨溫度的變化而變化，但并 不是所有的物質(zhì)都可制作成溫度計。選作溫度不是所有的物質(zhì)都可制作成溫度計。選作溫度 計的物質(zhì)，計的物質(zhì)，其性質(zhì)必須滿足以下條件：其性質(zhì)必須滿足以下條件： u物質(zhì)的某一屬性物質(zhì)的某一屬性G僅與溫度僅與溫度T有關(guān)，即有關(guān)，即G = G(T)，且，且 必須是單調(diào)函數(shù)，最好是線性的。必須是單調(diào)函數(shù)，最好是線性的。 u隨溫度變化的屬性應是容易測量的，且輸出信號較強，隨溫度變化的屬性應是容易測量的，且輸出信號較強， 以保證儀表的靈敏度和測量精

5、確度。以保證儀表的靈敏度和測量精確度。 u應有較寬的測量范圍。應有較寬的測量范圍。 u有較好的復現(xiàn)性和穩(wěn)定性。有較好的復現(xiàn)性和穩(wěn)定性。 （三）溫標（三）溫標 溫標是溫度數(shù)值化的標尺。它規(guī)定了溫溫標是溫度數(shù)值化的標尺。它規(guī)定了溫 度的讀數(shù)起點和測量溫度的基本單位。各種度的讀數(shù)起點和測量溫度的基本單位。各種 溫度計的刻度數(shù)值均由溫標確定。溫度計的刻度數(shù)值均由溫標確定。 1 1經(jīng)驗溫標經(jīng)驗溫標 它是借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變它是借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變 化的關(guān)系，用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫化的關(guān)系，用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫 標。標。 u攝氏溫標攝氏溫標 攝氏溫標規(guī)定標準大氣壓

6、下純水的冰攝氏溫標規(guī)定標準大氣壓下純水的冰 融點為融點為0度，水沸點為度，水沸點為100度，中間等分為度，中間等分為 100格，每格為攝氏格，每格為攝氏1度，符號為度，符號為。 u 華氏溫標華氏溫標 華氏溫標規(guī)定標準大氣壓下純水的冰融點華氏溫標規(guī)定標準大氣壓下純水的冰融點 為為32度，水沸點為度，水沸點為212度，中間等分度，中間等分180格，每格，每 格為華氏格為華氏1度，符號為度，符號為 。 它與攝氏溫標的關(guān)系為：它與攝氏溫標的關(guān)系為： 5 CF32 9 u類似的經(jīng)驗溫標還有蘭氏、列氏等類似的經(jīng)驗溫標還有蘭氏、列氏等 u經(jīng)驗溫標的缺點在于它的局限性和隨意經(jīng)驗溫標的缺點在于它的局限性和隨意

7、性性 2熱力學溫標熱力學溫標 熱力學溫標又稱開氏溫標（熱力學溫標又稱開氏溫標（K）或絕對溫）或絕對溫 標，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度。標，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度。 它建于熱力學基礎，體現(xiàn)出溫度僅與熱量有關(guān)它建于熱力學基礎，體現(xiàn)出溫度僅與熱量有關(guān) 而與測溫物質(zhì)的任何物理性質(zhì)無關(guān)的理想溫標，而與測溫物質(zhì)的任何物理性質(zhì)無關(guān)的理想溫標， 已由國際權(quán)度大會采納作為國際統(tǒng)一的基本溫已由國際權(quán)度大會采納作為國際統(tǒng)一的基本溫 標。標。 熱力學中卡諾定理指出：熱力學中卡諾定理指出：一個理想的卡諾一個理想的卡諾 機，當它工作于溫度為機，當它工作于溫度為T T2 2的熱源與溫度為的熱源與溫度

8、為T T1 1的的 冷源之間，它從熱源中吸收的熱量冷源之間，它從熱源中吸收的熱量Q Q2 2與向冷源與向冷源 中放出的熱量中放出的熱量Q Q1 1，應遵循以下關(guān)系：，應遵循以下關(guān)系： 這就是建立熱力學溫標的物理基礎。如果這就是建立熱力學溫標的物理基礎。如果 指定了一個定點溫度數(shù)值，就可以通過熱量比指定了一個定點溫度數(shù)值，就可以通過熱量比 求得未知溫度值。求得未知溫度值。 11 22 TQ TQ 熱力學溫標規(guī)定水在標準大氣壓下熱力學溫標規(guī)定水在標準大氣壓下 的三相點為的三相點為273.16K273.16K，沸點與三相點之間，沸點與三相點之間 分為分為100100等分，每等分等分，每等分1K1K，

9、將水的三相點，將水的三相點 以下以下273.16K273.16K定為絕對零度（定為絕對零度（0K0K）。）。 3 3國際溫標國際溫標 u為了使用方便，國際上經(jīng)協(xié)商，決定建立一為了使用方便，國際上經(jīng)協(xié)商，決定建立一 種既使用方便，又具有一定科學技術(shù)水平的種既使用方便，又具有一定科學技術(shù)水平的 溫標，這就是國際溫標的由來。溫標，這就是國際溫標的由來。 u具備的條件：具備的條件： u盡可能接近熱力學溫標盡可能接近熱力學溫標 u復現(xiàn)精度高，各國均能以很高的準確度復現(xiàn)復現(xiàn)精度高，各國均能以很高的準確度復現(xiàn) 同樣的溫標，確保溫度量值的統(tǒng)一同樣的溫標，確保溫度量值的統(tǒng)一 u用于復現(xiàn)溫標的標準溫度計，使用方便

10、，性用于復現(xiàn)溫標的標準溫度計，使用方便，性 能穩(wěn)定能穩(wěn)定 國際實用溫標國際實用溫標是用來復現(xiàn)熱力學溫標的，簡是用來復現(xiàn)熱力學溫標的，簡 稱稱IPTS-68IPTS-68，它是由，它是由19681968年國際權(quán)度會議通過的。年國際權(quán)度會議通過的。 這個溫標經(jīng)過這個溫標經(jīng)過2020多年使用，發(fā)現(xiàn)了一些問題，已多年使用，發(fā)現(xiàn)了一些問題，已 無法滿足現(xiàn)代科學發(fā)展對溫度測量的要求。國際無法滿足現(xiàn)代科學發(fā)展對溫度測量的要求。國際 計量委員會決定用計量委員會決定用19901990年國際溫標（年國際溫標（ITS-90ITS-90）代）代 替替IPTS-68IPTS-68。 在在19901990年國際溫標中指出

11、，熱力學溫標是基年國際溫標中指出，熱力學溫標是基 本物理量。單位開爾文，符號為本物理量。單位開爾文，符號為K K。它規(guī)定水的。它規(guī)定水的 三相點熱力學溫度為三相點熱力學溫度為273.16K273.16K，定義開爾文一度，定義開爾文一度 等于水三相點熱力學溫度的等于水三相點熱力學溫度的1/273.161/273.16。 在在ITS-90中同時使用國際開爾文溫度（符號中同時使用國際開爾文溫度（符號 為為T90）和國際攝氏溫度（符號為）和國際攝氏溫度（符號為t90），其關(guān)系為），其關(guān)系為 t90 = T90 273.15 T90單位為開爾文（單位為開爾文（K），），t90單位為攝氏度單位為攝氏度 （

12、）。這里所說的攝氏度符合國際實用溫標）。這里所說的攝氏度符合國際實用溫標 （ITS-90）的規(guī)定。）的規(guī)定。 ITS-90的一些規(guī)定如下：的一些規(guī)定如下： u由由0.65K到到4He臨界點（臨界點（5.2K）溫度范圍為一溫）溫度范圍為一溫 度段，在此溫度段內(nèi)用度段，在此溫度段內(nèi)用3He和和4He周期壓力與溫度周期壓力與溫度 的關(guān)系來確定溫度。的關(guān)系來確定溫度。 u由由4He沸點（沸點（4.2K）到氖三相點（）到氖三相點（24.6K）溫度）溫度 范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，T90的確定采用在三個規(guī)定溫度點分度的確定采用在三個規(guī)定溫度點分度 過的過的3He或或4He氣體溫度計內(nèi)插。這三個點分別是氣體溫度計內(nèi)插

13、。這三個點分別是 氖三相點（氖三相點（24.6K）、平衡氫三相點（）、平衡氫三相點（13.8K） 和和4He正常沸點（正常沸點（4.2K）。）。 u由 平 衡 氫 三 相 點 （由 平 衡 氫 三 相 點 （ 1 3 . 8 K ） 到 銀 凝 固 點） 到 銀 凝 固 點 （962），這個溫度段內(nèi)，標準儀器應用鉑），這個溫度段內(nèi)，標準儀器應用鉑 電阻溫度計。電阻溫度計。 u銀凝固點（銀凝固點（962）以上溫度區(qū)間采用普朗克）以上溫度區(qū)間采用普朗克 定律外推。定律外推。 二、溫度標準的傳遞二、溫度標準的傳遞 與國際實用溫標有關(guān)的基準儀器均由國家與國際實用溫標有關(guān)的基準儀器均由國家 指定機構(gòu)（我

14、國由中國計量科學研究所）保存，指定機構(gòu)（我國由中國計量科學研究所）保存， 并通過下級計量機構(gòu)（如省、市級的技術(shù)監(jiān)督并通過下級計量機構(gòu)（如省、市級的技術(shù)監(jiān)督 局）進行傳遞，通常采用較高級對較低級進行局）進行傳遞，通常采用較高級對較低級進行 校驗。校驗。 三、溫度測量方法及測量儀表的分類三、溫度測量方法及測量儀表的分類 u溫度不能直接測量，而是借助于物質(zhì)的某些物溫度不能直接測量，而是借助于物質(zhì)的某些物 理特性是溫度的函數(shù)，通過對某些物理特性變理特性是溫度的函數(shù)，通過對某些物理特性變 化量的測量間接地獲得溫度值?；康臏y量間接地獲得溫度值。 u根據(jù)溫度測量儀表地使用方式，通?？煞诸悶楦鶕?jù)溫度測量儀表

15、地使用方式，通?？煞诸悶?接觸法接觸法與與非接觸法非接觸法兩大類。兩大類。 1. 接觸法接觸法 u當兩個物體接觸后，經(jīng)過足夠長的時間達到當兩個物體接觸后，經(jīng)過足夠長的時間達到 熱平衡后，則它們的溫度必然相等。如果其熱平衡后，則它們的溫度必然相等。如果其 中之一為溫度計，就可以用它對另一個物體中之一為溫度計，就可以用它對另一個物體 實現(xiàn)溫度測量，實現(xiàn)溫度測量，這種測溫方式稱為接觸法這種測溫方式稱為接觸法。 u特點：特點：溫度計要與被測物體有良好地熱接觸，溫度計要與被測物體有良好地熱接觸， 使兩者達到熱平衡。使兩者達到熱平衡。 2.非接觸法非接觸法 u利用物體的熱輻射能隨溫度變化的原理測定利用物體

16、的熱輻射能隨溫度變化的原理測定 物體溫度，物體溫度，這種測溫方式稱為非接觸法這種測溫方式稱為非接觸法。 u特點：特點：不與被測物體接觸，也不改變被測物不與被測物體接觸，也不改變被測物 體的溫度分布，熱慣性小。體的溫度分布，熱慣性小。 u通常用來測定通常用來測定10001000以上的移動、旋轉(zhuǎn)或反以上的移動、旋轉(zhuǎn)或反 應迅速的高溫物體的溫度。應迅速的高溫物體的溫度。 u按工作原理來劃分，也根據(jù)溫度范圍按工作原理來劃分，也根據(jù)溫度范圍 （高溫、中溫、低溫等）或儀表精度（高溫、中溫、低溫等）或儀表精度 （基準、標準等）來劃分。（基準、標準等）來劃分。 3.測量儀表的分類測量儀表的分類 u接觸式測溫法

17、是使感溫元件直接與被測物接觸式測溫法是使感溫元件直接與被測物 體或直接與被測介質(zhì)接觸，感受被測物體體或直接與被測介質(zhì)接觸，感受被測物體 或被測介質(zhì)的溫度變化?；虮粶y介質(zhì)的溫度變化。 u膨脹式、壓力式、熱電阻與熱電偶溫度計膨脹式、壓力式、熱電阻與熱電偶溫度計 u非接觸式測溫儀表是采用感溫元件與被測非接觸式測溫儀表是采用感溫元件與被測 物體不直接接觸的方法來測量溫度。物體不直接接觸的方法來測量溫度。 u在高溫范圍內(nèi)，用直接接觸測溫法非常困在高溫范圍內(nèi)，用直接接觸測溫法非常困 難，可采用非接觸式測溫法，利用物體的難，可采用非接觸式測溫法，利用物體的 熱輻射特性對物體的溫度進行非接觸式測熱輻射特性對物

18、體的溫度進行非接觸式測 量。量。 u光學高溫計光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計、比色高溫計、輻射高溫計 型 式 溫度計種類 優(yōu) 點 缺 點 使用范圍 玻璃液體溫度計 結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、 測量準確、價格低廉 容易破損、讀數(shù)麻煩、一 般只能現(xiàn)場指示，不能記 錄與遠傳 100100(150)有機液體 O350(一30650) 水銀 接雙金屬溫度計 結(jié)構(gòu)簡單、機械強度 大、價格低、能記錄、 報警與自控 精度低、不能離開測量點 測量，量程與使用范圍均 有限 0300，-50600) 觸 式 壓力式溫度計 結(jié)構(gòu)簡單、不怕震動、 具有防爆性、價格低 廉、能記錄、報警與 自控 精度低、測量距離較遠時。 儀

19、表的滯后性較大、一般 離開測量點不超過10米 O500(-50600)液體型 0100(-50200)蒸汽型 溫 度 電阻溫度計 測羹精度高，便于遠 距離、多點、集中測 量和自動控制 結(jié)構(gòu)復雜、不能測量高溫， 由于體積大，測點溫度較 困難 一150500(一200 600)鉑電阻 Onl00(一50150)銅電阻 50150(180)鎳電阻 100200(300)熱敏電阻 計熱電偶溫度計 測溫范圍廣，精度高， 便于遠距離、多點、 集中測量和自動控制 需冷端溫度補償，在低溫 段測量精度較低 一201300(1600)鉑銠10一鉑 一501000(1200)鎳鉻一鎳硅 一40800(900)鎳鉻一

20、銅鎳 一40300(350)銅一銅鎳 非 接 觸 光學高溫計 攜帶用、可測量高溫、 測溫時不破壞被測物 體溫度場 測量時，必須經(jīng)過人工調(diào) 整，有人為誤差，不能作 遠距離測量，記錄和自控 9002000(7002000) 式 溫 度 計 輻射高溫計 測溫元件不破壞被測 物體溫度場，能作遠 距離測量、報警和自 控、測溫范圍廣 只能測高溫，低溫段測量 不準，環(huán)境條件會影響測 量精度，連續(xù)測高溫時須 作水冷卻或氣冷卻 1002000(502000) 第二節(jié) 膨脹式溫度計 膨脹式溫度計是利用物體受熱膨脹膨脹式溫度計是利用物體受熱膨脹 的原理制成的溫度計，主要有的原理制成的溫度計，主要有液體膨脹液體膨脹

21、式溫度計、固體膨脹式溫度計和壓力式式溫度計、固體膨脹式溫度計和壓力式 溫度計溫度計三種。三種。 一、液體膨脹式溫度計一、液體膨脹式溫度計 1. 測溫原理測溫原理 2. 主要特點主要特點 3. 分類分類 4. 測溫誤差分析測溫誤差分析 二、固體膨脹式溫度計二、固體膨脹式溫度計 它是利用兩種線膨脹系數(shù)不同的材料它是利用兩種線膨脹系數(shù)不同的材料 制成，有桿式和雙金屬片式兩種。制成，有桿式和雙金屬片式兩種。 感溫元件是用兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片疊焊在一起而制成 的 三、壓力式溫度計三、壓力式溫度計 u它是利用密閉容積內(nèi)工作介質(zhì)隨溫度它是利用密閉容積內(nèi)工作介質(zhì)隨溫度 升高而壓力升高的性質(zhì)，通過對工作升

22、高而壓力升高的性質(zhì)，通過對工作 介質(zhì)的壓力測量來判斷溫度值的一種介質(zhì)的壓力測量來判斷溫度值的一種 機械式儀表。機械式儀表。 u工作介質(zhì)是氣體、液體或蒸氣工作介質(zhì)是氣體、液體或蒸氣 u簡單可靠、抗振性能好，具有良好的簡單可靠、抗振性能好，具有良好的 防爆性防爆性 u動態(tài)性能差，示值的滯后較大，不能動態(tài)性能差，示值的滯后較大，不能 測量迅速變化的溫度測量迅速變化的溫度 第三節(jié)第三節(jié) 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 u熱電偶是目前世界上科研和生產(chǎn)中應用熱電偶是目前世界上科研和生產(chǎn)中應用 最普遍、最廣泛的溫度測量元件。最普遍、最廣泛的溫度測量元件。 u它將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢（它將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢（mVmV

23、）信號，）信號， 配以測量毫伏的儀表或變送器可以實現(xiàn)配以測量毫伏的儀表或變送器可以實現(xiàn) 溫度的測量或溫度信號的轉(zhuǎn)換。溫度的測量或溫度信號的轉(zhuǎn)換。 u具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、測量范圍寬、 準確度高、性能穩(wěn)定、復現(xiàn)性好、體積準確度高、性能穩(wěn)定、復現(xiàn)性好、體積 小、響應時間短等各種優(yōu)點。小、響應時間短等各種優(yōu)點。 u它既可以用于流體溫度測量，也可以用它既可以用于流體溫度測量，也可以用 于固體溫度測量。既可以測量靜態(tài)溫度，于固體溫度測量。既可以測量靜態(tài)溫度， 也能測量動態(tài)溫度。也能測量動態(tài)溫度。 u并且直接輸出直流電壓信號，便于測量、并且直接輸出直流電壓信號，便于測

24、量、 信號傳輸、自動記錄和控制等。信號傳輸、自動記錄和控制等。 鎧裝熱電偶圖型鎧裝熱電偶圖型 WRTK2-434/8*1000mm 鎧裝固定卡套法蘭熱電偶鎧裝固定卡套法蘭熱電偶 WRSK-143/6*1000mm Gh3030 鎧裝防爆熱電偶鎧裝防爆熱電偶 WRNK-332/4*1000mm Gh2520 鎧裝可動卡套螺紋熱電偶鎧裝可動卡套螺紋熱電偶 一、熱電偶的測溫原理一、熱電偶的測溫原理 兩種不同的導體（或半導體）兩種不同的導體（或半導體）A A和和B B組成組成 閉合回路，如下圖所示。當閉合回路，如下圖所示。當A A和和B B相接的兩個相接的兩個 接點溫度接點溫度T T和和T T0 0不

25、同時，則在回路中就會產(chǎn)生不同時，則在回路中就會產(chǎn)生 一個電勢，這種現(xiàn)象叫做一個電勢，這種現(xiàn)象叫做熱電效應熱電效應。由此效。由此效 應所產(chǎn)生的電勢，通常稱為應所產(chǎn)生的電勢，通常稱為熱電勢熱電勢，用符號，用符號 EAB（T，T0）表示。表示。 B A TT0 參考端 冷端 工作端 熱端 圖中的閉合回路稱為圖中的閉合回路稱為熱電偶熱電偶，導體，導體A和和B 稱為熱電偶的稱為熱電偶的熱電極熱電極。熱電偶的兩個接點中，。熱電偶的兩個接點中， 置于被測介質(zhì)（溫度為置于被測介質(zhì)（溫度為T）中的接點稱為）中的接點稱為工作工作 端或熱端端或熱端，溫度為參考溫度，溫度為參考溫度T0的一端稱為的一端稱為參參 考端或

26、冷端考端或冷端。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩部分。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由兩部分 組成：組成：接觸電勢和溫差電勢接觸電勢和溫差電勢。 1接觸電勢接觸電勢 接觸電勢用接觸電勢用EAB(T)表示，其數(shù)值可用下式表表示，其數(shù)值可用下式表 示示 式中式中 e 單位電荷，單位電荷，4.802X10-10靜電單位；靜電單位； K波爾茲曼常數(shù)，波爾茲曼常數(shù)，K=1.3810-23J/K； NA(T)、NB(T)材料材料A、B在溫度為在溫度為T時時 的自由電子密度；的自由電子密度； TA、B接觸點的溫度，接觸點的溫度，K。 A AB B N (T)KT E(T)ln eN (T) u從理論上可以證明該接觸電勢的大小和從

27、理論上可以證明該接觸電勢的大小和 方向主要取決于方向主要取決于兩種材料的性質(zhì)（電子兩種材料的性質(zhì)（電子 密度）和接觸面溫度的高低密度）和接觸面溫度的高低。 u溫度越高，接觸電勢越大；兩種導體電溫度越高，接觸電勢越大；兩種導體電 子密度比值越大，接觸電勢也越大。子密度比值越大，接觸電勢也越大。 2 2溫差電勢溫差電勢 溫差電勢可表示為溫差電勢可表示為 式中符號同前式。式中符號同前式。 0 T A0A T A K1 E (T,T )d(NT) eN 3熱電偶閉合回路的總熱電勢熱電偶閉合回路的總熱電勢 對于由對于由A和和B兩種導體組成的熱電偶閉兩種導體組成的熱電偶閉 合回路，設兩端溫度接點溫度分別為

28、合回路，設兩端溫度接點溫度分別為T和和T0， 且且TT0，NANB；那么回路中存在兩個接觸；那么回路中存在兩個接觸 電勢電勢E A B (T)和和E A B (T 0 )，兩個溫差電勢，兩個溫差電勢 EA(T,T0)和和EB(T,T0)。因此回路的總熱電勢。因此回路的總熱電勢 為為 AB0ABAB0B0A0 E (T,T )E (T) E (T ) E (T,T ) E (T,T ) 進行推導整理后，可得進行推導整理后，可得 對于確定的材料對于確定的材料A和和B，NA和和NB與與T的關(guān)的關(guān) 系已知，則上式可簡寫成下面的形式系已知，則上式可簡寫成下面的形式 EAB(T,T0)= f(T) f(T

29、0) 如果冷端溫度如果冷端溫度T0保持恒定，這個熱電勢就保持恒定，這個熱電勢就 是熱端溫度是熱端溫度T的單值函數(shù)，即的單值函數(shù)，即 EAB(T,T0)= f(T) C 0 T A AB0 T B N (T)K E(T,T )lndT eN (T) 兩個兩個 熱電極熱電極 熱電熱電 偶接偶接 點點 從以上式子可以得到如下結(jié)論：從以上式子可以得到如下結(jié)論： u熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的材熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的材 料和材料兩端連接點所處的溫度有關(guān)，與熱電料和材料兩端連接點所處的溫度有關(guān)，與熱電 偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關(guān)。偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關(guān)。 u只

30、有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶，只有用兩種不同性質(zhì)的材料才能組成熱電偶， 相同材料組成的閉合回路不會產(chǎn)生熱電勢。相同材料組成的閉合回路不會產(chǎn)生熱電勢。 u熱電偶的兩個熱電極材料確定之后，熱電勢的熱電偶的兩個熱電極材料確定之后，熱電勢的 大小只與熱電偶兩端接點的溫度有關(guān)。如果大小只與熱電偶兩端接點的溫度有關(guān)。如果T0 已知且恒定，則已知且恒定，則f（T0）為常數(shù)，回路總熱電勢）為常數(shù)，回路總熱電勢 EAB（T，T0）只是溫度）只是溫度T的單值函數(shù)。的單值函數(shù)。 u工程上所使用的各種類型的熱電偶均把工程上所使用的各種類型的熱電偶均把 E(t)和和t的關(guān)系制成易于查找的表格形式，的關(guān)系制成易于

31、查找的表格形式， 這種表格稱為這種表格稱為熱電偶的熱電偶的分度表分度表。 二、熱電偶的基本定律二、熱電偶的基本定律 1均質(zhì)導體定律均質(zhì)導體定律 由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路中，不論由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路中，不論 其截面和長度如何以及沿長度方向上各處的溫其截面和長度如何以及沿長度方向上各處的溫 度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。反之，如果度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。反之，如果 回路中有熱電勢存在則材料必為非均質(zhì)的?；芈分杏袩犭妱荽嬖趧t材料必為非均質(zhì)的。 u這條規(guī)律還要求熱電偶的兩種材料必須各這條規(guī)律還要求熱電偶的兩種材料必須各 自都是均質(zhì)的，否則會由于沿熱電偶長度自都是均質(zhì)的，否則會由于沿熱

32、電偶長度 方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢，從而方向存在溫度梯度而產(chǎn)生附加電勢，從而 因熱電偶材料不均勻性引入誤差。因熱電偶材料不均勻性引入誤差。 2中間導體定律中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第 三種導體兩端溫度相同，該導體的引入對熱電三種導體兩端溫度相同，該導體的引入對熱電 偶回路的總電勢沒有影響。偶回路的總電勢沒有影響。 同理，熱電偶回路中接入多種導體后，只同理，熱電偶回路中接入多種導體后，只 要保證接入的每種導體的兩端溫度相同，則對要保證接入的每種導體的兩端溫度相同，則對 熱電偶的熱電勢沒有影響。熱電偶的熱電勢沒有影響。 u該定律表明熱

33、電偶回路中可接入各種儀表該定律表明熱電偶回路中可接入各種儀表 或連接導線。只要儀表或?qū)Ь€處于穩(wěn)定的或連接導線。只要儀表或?qū)Ь€處于穩(wěn)定的 環(huán)境溫度，原熱電偶回路的熱電勢將不受環(huán)境溫度，原熱電偶回路的熱電勢將不受 接入儀表或?qū)Ь€的影響。接入儀表或?qū)Ь€的影響。 u該定律還表明熱電偶的接點不僅可以焊接該定律還表明熱電偶的接點不僅可以焊接 而成，也可以借助均質(zhì)等溫的導體加以連而成，也可以借助均質(zhì)等溫的導體加以連 接。接。 3中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶回路中，兩接點溫度分別為熱電偶回路中，兩接點溫度分別為T、T0時時 的熱電勢，等于接點溫度為的熱電勢，等于接點溫度為T、TN和和TN、T0的的 兩支同

34、性質(zhì)熱電偶的熱電勢的代數(shù)和。兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電勢的代數(shù)和。 EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0) u該定律說明當熱電偶參比端溫度該定律說明當熱電偶參比端溫度t00時，時， 只要能測得熱電勢只要能測得熱電勢E(t,t0)，且，且t0已知，仍已知，仍 可以采用熱電偶分度表求得被測溫度可以采用熱電偶分度表求得被測溫度t值。值。 4.4.連接導體定律連接導體定律 在熱電偶回路中，如果熱電偶的電極材在熱電偶回路中，如果熱電偶的電極材 料料A和和B分別與連接導體分別與連接導體A和和B相連接，各相連接，各 有關(guān)接點溫度為有關(guān)接點溫度為t，tn和和t0，那么回路的總熱，那么回路的總

35、熱 電勢等于熱電偶兩端處于電勢等于熱電偶兩端處于t和和tn溫度條件下溫度條件下 的熱電勢的熱電勢EAB(t,tn)與連接導線與連接導線A和和B兩端處兩端處 于于tn和和t0溫度條件下的熱電勢溫度條件下的熱電勢EAB(tn,t0)的代的代 數(shù)和。數(shù)和。 EABBA(t,tn,t0)= EAB(t,tn)+ EAB(tn,t0) u中間溫度定律和連接導體定律中間溫度定律和連接導體定律是工業(yè)熱是工業(yè)熱 電偶測溫中應用補償導線的理論依據(jù)。電偶測溫中應用補償導線的理論依據(jù)。 1. 熱電偶熱電偶 分度號分度號 測量端溫度測量端溫度 () 參考端溫度參考端溫度 () 熱電勢熱電勢 (mV) S13000 B

36、14008.914 K3034.111 T-145-5.324 E80535 J56515 13.155 15 850 20 59.304 30.306 2.2.用熱電偶測量金屬壁面溫度有兩種方案，如下用熱電偶測量金屬壁面溫度有兩種方案，如下 圖所示，當熱電偶具有相同的參考端溫度圖所示，當熱電偶具有相同的參考端溫度t t0 0時，時， 問在壁溫相等的兩種情況下，儀表的示值是否問在壁溫相等的兩種情況下，儀表的示值是否 一樣？為什么？一樣？為什么？ 3.用兩支分度號為用兩支分度號為K的熱電的熱電 偶測量偶測量A區(qū)和區(qū)和B區(qū)的溫差，區(qū)的溫差， 連接回路如右圖所示。連接回路如右圖所示。 當熱電偶參考端

37、溫度當熱電偶參考端溫度t0 為為0時，儀表指示時，儀表指示 200。問在參考端溫度。問在參考端溫度 上升上升25時，儀表的指時，儀表的指 示值為多少？為什么？示值為多少？為什么？ 三、常用熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)和分類三、常用熱電偶的材料、結(jié)構(gòu)和分類 1 1熱電偶的材料熱電偶的材料 雖然任意兩種導體或半導體材料都可以配雖然任意兩種導體或半導體材料都可以配 對制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對對制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對 它的要求卻是多方面的。它的要求卻是多方面的。 （1）兩種材料所組成的熱電偶應輸出較大的）兩種材料所組成的熱電偶應輸出較大的 熱電勢，以得到較高的靈敏度，且要求熱電勢熱

38、電勢，以得到較高的靈敏度，且要求熱電勢 和溫度之間盡可能呈線性的函數(shù)關(guān)系。和溫度之間盡可能呈線性的函數(shù)關(guān)系。 （2）能應用于較寬的溫度范圍，物理化學性）能應用于較寬的溫度范圍，物理化學性 能、熱電特性都較穩(wěn)定。即要求有較好的耐熱能、熱電特性都較穩(wěn)定。即要求有較好的耐熱 性、抗氧性、抗還原、抗腐蝕等性能。性、抗氧性、抗還原、抗腐蝕等性能。 （3）要求熱電偶材料有高導電率和低電阻溫）要求熱電偶材料有高導電率和低電阻溫 度系數(shù)。度系數(shù)。 （4）具有較好的工藝性能，便于成批生產(chǎn)。）具有較好的工藝性能，便于成批生產(chǎn)。 具有滿意的復現(xiàn)性，便于采用統(tǒng)一的分度表。具有滿意的復現(xiàn)性，便于采用統(tǒng)一的分度表。 2.

39、 熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶結(jié)構(gòu) （1）熱電極）熱電極 （2）絕緣套管）絕緣套管 （3）保護套管）保護套管 （4）接線盒）接線盒 2. 標準化熱電偶標準化熱電偶 （1）廉金屬熱電偶）廉金屬熱電偶 1）T型（銅康銅）熱電偶型（銅康銅）熱電偶 2）K型（鎳鉻鎳鋁或鎳硅）熱電偶型（鎳鉻鎳鋁或鎳硅）熱電偶 3）E型（鎳鉻康銅）熱電偶型（鎳鉻康銅）熱電偶 4）J型（鐵康銅）熱電偶型（鐵康銅）熱電偶 （2）貴金屬熱電偶）貴金屬熱電偶 1）S型（鉑銠型（鉑銠10鉑）熱電偶鉑）熱電偶 2）R型（鉑銠型（鉑銠13鉑）熱電偶鉑）熱電偶 3）B型（鉑銠型（鉑銠30鉑銠鉑銠6）熱電偶）熱電偶 3.非標準化熱電偶非標準化熱電偶

40、（1）鎢錸系熱電偶）鎢錸系熱電偶 （2）鎢銥系熱電偶）鎢銥系熱電偶 （3）其他非標準化熱電偶）其他非標準化熱電偶 四、熱電偶測溫系統(tǒng)四、熱電偶測溫系統(tǒng) 熱電偶測溫系統(tǒng)是由熱電偶、補償導熱電偶測溫系統(tǒng)是由熱電偶、補償導 線、測量儀表及相應的電路構(gòu)成的。線、測量儀表及相應的電路構(gòu)成的。 （一）熱電偶參考端的溫度處理（一）熱電偶參考端的溫度處理 1. 1. 補償導線法補償導線法 u原理：原理：在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的在一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶的 熱電特性相同的一對帶有絕緣層的廉金屬導熱電特性相同的一對帶有絕緣層的廉金屬導 線為補償導線。線為補償導線。 補償導線補償導線 補償導線補償導線

41、回路總熱電勢為回路總熱電勢為 E=EAB(T,T0)+EAB(T0,T0) E=EAB(T,T0) EAB(T0,T0)=EAB(T0,T0) u常用補償導線的結(jié)構(gòu)分為常用補償導線的結(jié)構(gòu)分為普通型普通型和和帶屏帶屏 蔽層型蔽層型兩種兩種 u按照補償原理分為按照補償原理分為補償型補償型及及延伸型延伸型兩種兩種 補償導線補償導線 u按使用溫度可分為按使用溫度可分為一般用一般用（0100） 和和耐熱用耐熱用（0200） 2. 計算修正法計算修正法 當用補償導線把熱電偶的冷端延長到某當用補償導線把熱電偶的冷端延長到某 一溫度一溫度T0處（通常是環(huán)境溫度），然后再處（通常是環(huán)境溫度），然后再 對冷端溫度

42、進行修正。對冷端溫度進行修正。 3. 冷端恒溫法冷端恒溫法 （1）把冷端引至冰點槽內(nèi)，維持冷端始終）把冷端引至冰點槽內(nèi)，維持冷端始終 為為0，但使用起來不大方便。，但使用起來不大方便。 （2）把冷端用補償導線引至電加熱的恒溫）把冷端用補償導線引至電加熱的恒溫 器內(nèi)器內(nèi) 4.補償電橋法補償電橋法 補償電橋法是在熱電偶測溫系統(tǒng)中串補償電橋法是在熱電偶測溫系統(tǒng)中串 聯(lián)一個不平衡電橋，此電橋輸出的電壓隨聯(lián)一個不平衡電橋，此電橋輸出的電壓隨 熱電偶冷端溫度變化而變化，從而修正熱熱電偶冷端溫度變化而變化，從而修正熱 電偶冷端溫度波動引入的誤差。電偶冷端溫度波動引入的誤差。 （二）熱電偶的檢定和誤差分析（二

43、）熱電偶的檢定和誤差分析 1. 1. 熱電偶的檢定熱電偶的檢定 u為了保證熱電偶的測量精度，必須定期進為了保證熱電偶的測量精度，必須定期進 行檢定。熱電偶的檢定方法有兩種，行檢定。熱電偶的檢定方法有兩種，比較比較 法法和和定點法定點法。 u用被校熱電偶和標準熱電偶同時測量同一用被校熱電偶和標準熱電偶同時測量同一 對象的溫度，然后比較兩者示值，以確定對象的溫度，然后比較兩者示值，以確定 被檢電偶的基本誤差等質(zhì)量指標，這種方被檢電偶的基本誤差等質(zhì)量指標，這種方 法稱為法稱為比較法比較法。 2. 熱電偶測溫誤差分析熱電偶測溫誤差分析 （1）分度誤差分度誤差：指檢定時產(chǎn)生的誤差，其值：指檢定時產(chǎn)生的誤

44、差，其值 不得超過允許誤差。不得超過允許誤差。 （2）冷端溫度引起的誤差冷端溫度引起的誤差 （3）補償導線的誤差補償導線的誤差：它是由于補償導線的：它是由于補償導線的 熱電特性與所配熱電偶不完全相同所造成的熱電特性與所配熱電偶不完全相同所造成的 （4）熱交換所引起的誤差熱交換所引起的誤差 （5）測量線路和顯示儀表的誤差測量線路和顯示儀表的誤差 （6）其他誤差其他誤差 （三）熱電偶的使用與安裝（三）熱電偶的使用與安裝 1. 使用注意事項使用注意事項 2. 安裝原則安裝原則 第三節(jié)第三節(jié) 電阻溫度計電阻溫度計 WZP2-240/A級級3線線300/150mmE(0-300)隔爆熱電阻隔爆熱電阻 W

45、ZC-111/12*1000mm Cu50銅熱電阻銅熱電阻 WZPK2-103/B級級6*515mm(0-300)鉑熱電阻鉑熱電阻 導體或半導體的電阻率與溫度有關(guān)，利導體或半導體的電阻率與溫度有關(guān)，利 用此特性制成電阻溫度感溫件，它與測量電用此特性制成電阻溫度感溫件，它與測量電 阻阻值的儀表配套組成電阻溫度計。阻阻值的儀表配套組成電阻溫度計。 優(yōu)點：測溫準確度高，信號便于傳送。優(yōu)點：測溫準確度高，信號便于傳送。 缺點：不能測太高的溫度，需外部電源缺點：不能測太高的溫度，需外部電源 供電，連接導線的電阻易受環(huán)境溫度影響而供電，連接導線的電阻易受環(huán)境溫度影響而 產(chǎn)生測量誤差。產(chǎn)生測量誤差。 一、熱

46、電阻的特性一、熱電阻的特性 u熱電阻是用金屬導體或半導體材料制成的感溫熱電阻是用金屬導體或半導體材料制成的感溫 元件。元件。 u鉑熱電阻和銅熱電阻屬國際電工委員會推薦的，鉑熱電阻和銅熱電阻屬國際電工委員會推薦的， 也是我國國標化的熱電阻。也是我國國標化的熱電阻。 電阻溫度系數(shù)：在某一溫度間隔內(nèi)，溫電阻溫度系數(shù)：在某一溫度間隔內(nèi)，溫 度變化度變化1 1 時的電阻相對變化量，單位為時的電阻相對變化量，單位為 1/1/。 0 000 () tt tt RRR RttRt 大多數(shù)金屬熱電阻隨其溫度升高而增加，當大多數(shù)金屬熱電阻隨其溫度升高而增加，當 溫度升高溫度升高1時，其阻值約增加時，其阻值約增加0

47、.4%0.6%，稱，稱 具有正的電阻溫度系數(shù)。電阻值具有正的電阻溫度系數(shù)。電阻值Rt與溫度與溫度t（） 的關(guān)系可表示為的關(guān)系可表示為 Rt = R0（1 + At + Bt2 + Ct3） 式中式中 Rt 溫度為溫度為t時金屬導體的電阻；時金屬導體的電阻； R0 溫度為溫度為0時金屬導體的電阻；時金屬導體的電阻； A、B、C 與金屬材料有關(guān)的常數(shù)。與金屬材料有關(guān)的常數(shù)。 大多數(shù)半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而大多數(shù)半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而 減 小 ， 當 溫 度 升 高減 小 ， 當 溫 度 升 高 1 時 ， 其 阻 值 約 減 小時 ， 其 阻 值 約 減 小 3%6%，稱具有負的

48、電阻溫度系數(shù)。電阻值，稱具有負的電阻溫度系數(shù)。電阻值RT 與熱力學溫度與熱力學溫度T（K）的關(guān)系可表示為）的關(guān)系可表示為 RT = RT0exp B (1/T)B (1/T0) 式中，式中，RT0 熱力學溫度熱力學溫度T0（K）時的電阻值；）時的電阻值； B 與半導體材料有關(guān)的常數(shù)。與半導體材料有關(guān)的常數(shù)。 雖然大多數(shù)金屬和半導體的電阻與溫度之雖然大多數(shù)金屬和半導體的電阻與溫度之 間都存在著一定的關(guān)系，但并不是所有的金屬間都存在著一定的關(guān)系，但并不是所有的金屬 或半導體都能做成電阻溫度計。用于測溫的熱或半導體都能做成電阻溫度計。用于測溫的熱 電阻（或熱敏電阻）應滿足以下要求：電阻（或熱敏電阻）

49、應滿足以下要求： （1 1）電阻溫度系數(shù)要大，以得到高敏感度；）電阻溫度系數(shù)要大，以得到高敏感度； （2 2）在測溫范圍內(nèi)化學與物理性能要穩(wěn)定；）在測溫范圍內(nèi)化學與物理性能要穩(wěn)定； （3 3）復現(xiàn)性要好；）復現(xiàn)性要好； （4 4）電阻率要大，以得到小體積的元件，進而）電阻率要大，以得到小體積的元件，進而 保證熱容量和熱慣性小，使得對溫度變化的響保證熱容量和熱慣性小，使得對溫度變化的響 應比較快；應比較快； （5 5）電阻溫度特性盡可能接近線性，以便于分）電阻溫度特性盡可能接近線性，以便于分 度和讀數(shù)；度和讀數(shù)； （6 6）價格相對低廉。）價格相對低廉。 目前已被采用的電阻溫度計具有如下特點：目

50、前已被采用的電阻溫度計具有如下特點： （1）在中低溫范圍內(nèi)其精確度高于熱電偶溫度計；）在中低溫范圍內(nèi)其精確度高于熱電偶溫度計； （2）靈敏度高，當溫度升高）靈敏度高，當溫度升高1時，大多數(shù)熱電阻時，大多數(shù)熱電阻 的阻值增加的阻值增加0.4%0.6%，半導體材料的阻值降低，半導體材料的阻值降低 3%6%； （3）熱電阻感溫部分體積比熱電偶的熱接點大得）熱電阻感溫部分體積比熱電偶的熱接點大得 多，因此不宜測量點溫度與動態(tài)溫度，半導體熱多，因此不宜測量點溫度與動態(tài)溫度，半導體熱 敏電阻雖然體積較小，但其穩(wěn)定性和復現(xiàn)性卻較敏電阻雖然體積較小，但其穩(wěn)定性和復現(xiàn)性卻較 差。差。 熱電阻的電阻值與溫度的關(guān)系特性有熱電阻的電阻值與溫度的關(guān)系特性有 三種表示方法：三種表示方法： 作圖法作圖法 函數(shù)表示法函數(shù)表示法 列表法列表法 二、常用熱電阻元件二、常用熱電阻元件 1鉑熱電阻鉑熱電阻 u特點：特點：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。在氧化精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。在氧化 性的氣氛中，甚至在高溫下的物理化學性質(zhì)都性的氣氛中，甚至在高溫下的物理化學性質(zhì)都 非常穩(wěn)定。它易于提純，復現(xiàn)性好，有良好的非常穩(wěn)定。它易于提純，復現(xiàn)性好，有良好的 工藝性，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔。工藝性，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔。 與其他熱電阻材料相比，有較高的電阻率。與其他熱電阻