自動檢測技術(shù)-溫度測量(及課后答案)

5溫度測量接觸式測溫技術(shù)與誤差分析5.4概述5.1熱電偶測溫5.2熱電阻測溫5.3主要內(nèi)容：輻射式測溫法5.5紅外測溫儀與紅外熱像儀5.65.1概述5.1.1溫度的概念①宏觀上：是物體冷熱程度的表示。②微觀上：是物體內(nèi)部分子運動平均動能的表示。分子平均平動動能；k玻爾茲曼常數(shù)；溫度不具有疊加性。熱平衡的主要條件：

系統(tǒng)溫度相等。

5.1.2溫標溫標三要素：

①可實現(xiàn)的固定點溫度； ②表示固定點之間溫度的內(nèi)插儀器； ③確定相鄰固定溫度點之間的內(nèi)插公式；（1）經(jīng)驗溫標為了保證溫度測量的精確性和一致性，需定量描述溫度，即建立科學(xué)的、統(tǒng)一的標尺，稱為“溫標”。溫標主要有：經(jīng)驗溫標、熱力學(xué)溫標和國際實用溫標攝氏溫度和華氏溫度稱為經(jīng)驗溫標。經(jīng)驗溫標的溫度特性取決于所選測溫物質(zhì)的性質(zhì)，具有一定的局限性和任意性。攝氏溫標：①水銀玻璃溫度計；②水的冰點為0℃、沸點為100℃；③100等份。舉例：五種溫度計，測溫質(zhì)分別是氫氣、空氣、鉑絲、電偶和水銀，其測溫的物理性質(zhì)分別為氣體的壓強、電阻、電動勢和水銀的長度；基準點都是以冰的熔點和水的沸點為0度和100度。結(jié)論:對應(yīng)同一個冷熱程度，各種溫度計的讀數(shù)是不一樣的。華氏溫標：選取氯化銨和冰水混合物的溫度為0℉，水的沸點為212℉，冰點為32℉，中間均等分為180份，每一份為1℉華氏度tF與攝氏度tC的換算關(guān)系：（2）熱力學(xué)溫標溫度為T1的熱源給予熱機Q1的熱量；熱機傳給溫度為T2的冷源Q2的熱量；卡諾定理：定義T2為水的三相（固、液、氣）共存溫度（0.01℃），為273.16K。任意點溫度為：——熱力學(xué)溫標注：僅與傳熱量有關(guān)，與工質(zhì)無關(guān)。建立在熱力學(xué)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗溫標?？ㄖZ循環(huán)：開爾文K——僅具物理意義，因為理想可逆過程無法實現(xiàn)，故熱力學(xué)溫標也無法實現(xiàn)。理想氣體溫標（等價于熱力學(xué)溫標）理想氣體狀態(tài)方程（V一定時）任意點溫度：技術(shù)上可實現(xiàn)，但不方便。經(jīng)驗溫標熱力學(xué)溫標理想氣體溫標國際溫標定容式氣體溫度計：通過壓強的變化測出溫度的變化。（3）國際溫標:ITS-90（InternationalTemperatureScale-1990）t90:攝氏溫度T90:熱力學(xué)溫度或絕對溫度ITS-90定義的固定點ITS-90定義的內(nèi)插儀器①0.65~5.0K間為He3和He4蒸汽溫度計；②3.0~24.556K間為He3和He4定容氣體溫度計；③13.8033K~961.78℃間為鉑電阻溫度計；④961.78℃以上為光學(xué)或光電溫度計。為了克服氣體溫度計在實用上的不便，國際上建立了一種用內(nèi)插公式表示的與熱力學(xué)溫度很接近，又使用方便的協(xié)議溫標——國際溫標。開爾文K5.1.3溫度標準的傳遞溫度標準定期逐漸地校驗比較過程稱為溫度標準的傳遞。①基準溫度計，工作基準溫度計；②一等標準溫度計和二等標準溫度計；③工業(yè)用溫度計。5.1.4測溫方法與測溫儀表的分類按測量范圍分：

按用途分：

高溫計、溫度計標準儀表、實用儀表

按工作原理分：

膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計

按測量方式分：

接觸式與非接觸式

溫度計量儀按精度等級可分為3類：測溫方式溫度計種類測溫范圍／℃優(yōu)點缺點接觸式測溫儀表膨脹式玻璃液體-50～600結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量準確，價格低廉測量上限和精度受玻璃質(zhì)量的限制，易碎，不能記錄遠傳雙金屬-80～600結(jié)構(gòu)緊湊，牢固可靠精度低，量程和使用范圍有限壓力式液體氣體蒸汽-30～600-20～3500～250結(jié)構(gòu)簡單，耐震，防爆能記錄、報警，價格低廉精度低，測溫距離短，滯后大熱電偶鉑銠-鉑鎳鉻-鎳硅鎳鉻-考銅0～1600-50～1000-50～600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熱電阻鉑銅-200～600-50～150測量精度高，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制不能測高溫，需注意環(huán)境溫度的影響非接觸式測溫儀表輻射式輻射式光學(xué)式比色式400～2000700～3200900～1700測溫時，不破壞被測溫度場低溫段測量不準，環(huán)境條件會影響測溫準確度紅外線光電探測熱電探測0～3500200～2000測溫范圍大，適于測溫度分布，不破壞被測溫度場，響應(yīng)快易受外界干擾，標定困難常用溫度計的種類及優(yōu)缺點ThomasJohannSeebeck（1780～1831）5.2.1熱電效應(yīng)(Seebeckeffect)5.2熱電偶測溫1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬導(dǎo)線連接在一起，組成閉合回路。并用酒精燈加熱其中一個接觸點而另一個結(jié)點保持低溫。他突然發(fā)現(xiàn)，放在旁邊的指南針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。為什么會產(chǎn)生磁場？溫度梯度導(dǎo)致了電勢，繼而在閉合回路中形成變化的電流，由此產(chǎn)生了磁場。

回路周圍產(chǎn)生了磁場！這說明了什么？用毫伏表代替指南針，來演示Seebeck的實驗注意觀察兩個現(xiàn)象：1.用酒精燈給其中一個結(jié)點加熱時,回路中是否有電勢出現(xiàn)？注意指針偏轉(zhuǎn)的方向。2.如果對兩個結(jié)點同時加熱，毫伏計的偏轉(zhuǎn)角會發(fā)生怎樣的變化?AB用毫伏表代替指南針，來演示Seebeck的實驗結(jié)論：當(dāng)兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。AB熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)——將的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成,如果時,則在該回路里就會，這種物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）。兩種不同閉合回路兩接點的溫度不同產(chǎn)生熱電勢熱電偶塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect)的反效應(yīng)塞貝克效應(yīng)：結(jié)論：兩端溫度不同時產(chǎn)生熱電勢條件：兩個不同的金屬絲，閉合回路塞貝克效應(yīng)的反效應(yīng)條件：兩個不同的金屬絲，閉合回路結(jié)論：回路中接入電源。。。課外思考:1834年法國物理學(xué)家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電后，發(fā)現(xiàn)…

帕爾帖效應(yīng)（Peltiereffect）塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect)的反效應(yīng)課外思考:為什么會產(chǎn)生熱電勢呢？（重點+難點）溫度差熱電偶熱電勢（熱電效應(yīng)）熱電偶的測溫原理定義：接觸電勢是兩種電子密度不同的導(dǎo)體相互接觸時產(chǎn)生的一種電勢。ABeAB(t)Tk：波爾茲曼常數(shù)；t:接觸點的溫度；e：單位電荷電量；NAT、NBT：溫度為t時,導(dǎo)體A、B的自由電子密度公式：由上式可知：接觸電勢取決于兩種導(dǎo)體的性質(zhì)和接觸點的溫度，與導(dǎo)體的形狀及尺寸無關(guān)。_+（1）接觸電勢A定義：溫差電勢是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電勢。tt0eA(t,t0)t>t0為導(dǎo)體的湯姆遜系數(shù)，表示溫差為1℃時所產(chǎn)生的電動勢數(shù)值。由上式可知：溫差電勢只與導(dǎo)體的材料性質(zhì)和兩端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的長度、截面大小及溫度場分布無關(guān)。（2）溫差電勢定義：熱電偶回路中總的熱電勢是接觸電勢與溫差電勢之和。下標A表示正電極，B表示負電極。由于溫差電勢比接觸電勢小很多，常常把它忽略不計，因而熱電偶的熱電勢可表示為：（3）熱電偶回路的總熱電勢本節(jié)小結(jié):1.熱電效應(yīng)

(Seebeckeffect)2.熱電偶的測溫原理練習(xí)題：熱電偶中熱電勢的大小與

和

有關(guān)，而與熱電極尺寸、形狀及

分布無關(guān)。5.2.2熱電偶基本定律（1）均質(zhì)導(dǎo)體定律 一種均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路：不產(chǎn)生熱電勢。回路中總的熱電勢：（2）中間導(dǎo)體定律圖3-58熱電偶測溫系統(tǒng)連接圖因為要測量毫伏信號，必須在熱電偶回路中串接毫伏信號的檢測儀表，那串接的檢測儀表是否會產(chǎn)生額外的熱電勢，是否會對熱電偶回路產(chǎn)生影響呢？答：不會產(chǎn)生影響的。如果斷開冷端，接入第三種導(dǎo)體C，并保持A和C、B和C接觸處的溫度均為t0，則回路中的總熱電勢等于各接點處的接觸電勢之和:tABCt0t0ABtt0當(dāng)t＝t0時，有于是可得

同理還可以證明，在熱電偶中接入第四種、第五種……導(dǎo)體以后，只要接入導(dǎo)體的兩端溫度相同，接入的導(dǎo)體對原熱電偶回路中的熱電勢均沒有影響。根據(jù)這一性質(zhì)，可以在熱電偶回路中接入各種儀表和連接導(dǎo)線，只要保證兩個接點的溫度相同就可以對熱電勢進行測量而不影響熱電偶的輸出。tt0ABCC毫伏計（3）標準電極定律TT0TT0TT0ABABCC4）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律連接導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中，若導(dǎo)體A和B分別與導(dǎo)線A’和B’相接，接點溫度分別為T、Tn、T0，如圖所示，則回路總電勢等于熱電偶電勢與連接導(dǎo)線電勢之和。意義：工業(yè)上運用補償導(dǎo)線進行測量的理論基礎(chǔ)。4）連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律中間溫度定律：當(dāng)A與A’、B與B’材料分別相同時，則有意義：只要得到參考端溫度T0=0℃時的熱電勢，則通過測量中間溫度的熱電勢，將兩者直接求和，即可反映出測量端溫度。這為熱電勢分度奠定了理論基礎(chǔ)。重要性質(zhì)：1.如果組成熱電偶的兩種電極材料相同，則無論熱電偶冷、熱兩端的溫度如何，閉合回路中的總熱電勢為零；2.如果熱電偶冷、熱兩端的溫度相同，則無論兩電極材料如何，閉合回路中的總熱電勢也為零；3.熱電偶產(chǎn)生的熱電勢除了冷、熱兩端的溫度有關(guān)之外，還與電極材料有關(guān)，也就是說由不同電極材料制成的熱電偶在相同的溫度下產(chǎn)生的熱電勢是不同的。

①兩種材料組成的熱電偶應(yīng)輸出較大的熱電勢，以獲得較高的靈敏度，且要求電勢和溫度之間盡可能的成線性關(guān)系；②能應(yīng)用于較寬的溫度范圍，物理和化學(xué)特性比較穩(wěn)定（較好的耐熱性、抗氧化、抗還原和抗腐蝕性）；③具有較高的導(dǎo)電率和較低電阻溫度系數(shù)；④材料組織要均勻，要有韌性，便于加工成絲；復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，而且在應(yīng)用上也可保證良好的互換性。5.2.3常用熱電偶的材料、特點和結(jié)構(gòu)工業(yè)上對熱電極材料的要求熱電偶名稱代號分度號熱電極材料測溫范圍/℃新舊正熱電極負熱電極長期使用短期使用鉑銠30-鉑銠6鉑銠10-鉑鎳鉻-鎳硅鎳鉻-銅鎳鐵-銅鎳銅-銅鎳WRRWRPWRNWREWRFWRCBSKEJTLL-2LB-3EU-2--CK鉑銠30合金鉑銠10合金鎳鉻合金鎳鉻合金鐵銅鉑銠6合金純鉑鎳硅合金銅鎳合金銅鎳合金銅鎳合金300～1600-20～1300-50～1000-40～800-40～700-400～300180016001200900750350表5.3工業(yè)用熱電偶（1）貴金屬熱電偶：鉑銠30-鉑銠6(B偶)，鉑銠13-鉑（R偶），鉑銠10-鉑（S偶），測溫范圍寬，性能穩(wěn)定，精度高，熱電勢小，熱電特性非線性大，價格貴。（2）廉價金屬熱電偶：鎳鉻-鎳硅（K偶），鎳鉻-銅鎳（E偶），靈敏度高，熱電勢大，熱電特性線性度好，價格低，測溫范圍較窄。（3）難熔金屬熱電偶：鎢錸合金構(gòu)成，用于高溫測量。熱電偶的結(jié)構(gòu)①普通型熱電偶圖5.10熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極絕緣管保護套管接線盒熱電偶工作端（熱端）接線盒固定螺紋（出廠時用塑料包裹）不銹鋼保護套管材料工作溫度/℃橡皮、絕緣漆琺瑯玻璃管石英管瓷管純氧化鋁管80150500120014001700常用絕緣子材料常用保護套管材料工作溫度/℃無縫鋼管不銹鋼管石英管瓷管Al2O3陶瓷管6001000120014001900以上②鎧裝熱電偶鎧裝型熱電偶是由金屬套管、絕緣材料（氧化鎂粉）、熱電偶絲一起經(jīng)過復(fù)合拉伸成型，然后將端部偶絲焊接成光滑球狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)點鎧裝熱電偶具有動態(tài)響應(yīng)快、機械強度高、抗震性好、可彎曲等優(yōu)點，可安裝在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的裝置上，應(yīng)用十分廣泛。絕緣材料熱電極絕緣材料金屬套管熱電極鎧裝型熱電偶斷面結(jié)構(gòu)金屬套管一般為銅、不銹鋼、鎳基高溫合金等。保護套管和熱電極之間填充絕緣材料粉末，常用的絕緣材料有氧化鎂、氧化鋁等。鎧裝型熱電偶可以做得很細，外徑0.25~12mm不等，在使用中可以隨測量需要任意彎曲。鎧裝熱電偶測溫迅速，可以任意彎曲，適用場合更廣。③表面型熱電偶

專門用來測量物體表面溫度的一種特殊熱電偶。優(yōu)點反應(yīng)速度極快、熱慣性極小。

④快速熱電偶

測量高溫熔融物體一種專用熱電偶。主要由測溫偶頭與大紙管構(gòu)成。偶頭主要有正負偶絲焊接在補償導(dǎo)線上，補償導(dǎo)線穿嵌在支架上，支架外套有小紙管，偶絲以石英支撐和保護。最外裝有防渣帽，全部零組件集中裝入泥頭中并以耐火填充劑粘合成一整體，而不可拆卸，故為一次性使用。結(jié)構(gòu)：使用方法：１、根據(jù)測量的對象和范圍，選擇適當(dāng)保護紙管長度及適用的測溫槍。２、把快速熱電偶裝在測溫槍上，并使二次儀表指針（或數(shù)顯器）回零，這時說明接觸良好，可以進行測量。３、快速熱電偶插入鋼水深度以３００－４００ｍｍ為宜，測量時不要測到爐壁或渣子上，做到：快、穩(wěn)、準，當(dāng)二次儀表得到結(jié)果時，應(yīng)立即提槍，快速熱電偶在鋼水中浸漬時間不得超過５秒，否則易燒毀測溫槍。４、測溫槍從爐內(nèi)提出后，取下使用過的熱電偶，并裝上新的，停頓幾分鐘，準備下次測量。不得連測連拆，否則造成溫差波動。①熱電偶測溫原理：只有參比端溫度恒定時，回路總熱電勢才是溫度T的單值函數(shù)。②熱電偶分度表中，熱電勢-溫度的對應(yīng)值以Ｔ0＝０℃為基礎(chǔ)。5.2.4熱電偶的參比端（冷端）溫度補償補償方法（1）冰點法；（2）熱電勢修正；（3）冷端補償器法；（4）補償導(dǎo)線法；（5）采用集成電路。（1）冰點法T0=0℃精度最高；溯源性好，用于熱電偶校準。（2）熱電勢修正法中間溫度定律得方法：測T0→查表→測→計算→查表求T。用計算的方法來修正冷端溫度，是指冷端溫度內(nèi)恒定值時對測溫的影響。該方法只適用于實驗室或臨時測溫，在連續(xù)測量中顯然是不實用的。注意舉例1：S熱偶參比端溫度為30℃，測量的熱電勢為6.526mV，試問此時真實的溫度應(yīng)為多少？解：舉例2：用鎳鉻-銅鎳熱電偶測量某加熱爐的溫度。測得的熱電勢E（t，t1）＝66982μV，而自由端的溫度t1＝30℃，求被測的實際溫度。

解：由分度表可以查得

則可以查得68783μV對應(yīng)的溫度為900℃。（3）冷端補償器法當(dāng)T0=0℃時，R4=1Ω，四臂電阻相等，電橋平衡，橋路輸出電壓Uba=0。指示儀表總的熱電勢為：R4（銅絲）R1=R2=R3=1Ω(錳銅絲)Rg（限流）在設(shè)計的冷端溫度（例如t0＝0℃）下，滿足R1=R4，R3＝R2，這時電橋平衡，無電壓輸出，即Uba=0，回路中的輸出電勢就是熱電偶產(chǎn)生的熱電勢（3）冷端補償器法當(dāng)T0↑→R4↑→a點電位↓，同時由于T0↑→↓當(dāng)冷端溫度由t0變化到t‘0時，不妨設(shè)t’0>t0，熱電偶輸出的熱電勢減小，但電橋中R4隨溫度的上升而增大，于是電橋兩端會產(chǎn)生一個不平衡電壓Uba(t’0)，此時回路中輸出的熱電勢為:經(jīng)過設(shè)計，可使電橋的不平衡電壓等于因冷端溫度變化引起的熱電勢變化，即（4）補償導(dǎo)線法在0~100°C范圍內(nèi)，熱電特性與所取代的熱電偶絲基本一致；電阻率低；價格必須比熱電偶絲便宜。根據(jù)連接導(dǎo)體定律，回路電勢：材料：熱電性質(zhì)與熱電偶相近（0~100°C）：熱電勢修正法（中間溫度定律）在使用熱電偶補償導(dǎo)線時，要注意型號相配。熱電偶名稱補償導(dǎo)線工作端為100℃，冷端為0℃時的標準熱電勢/mV正極負極材料顏色材料顏色鉑銠10-鉑鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）鎳鉻-銅鎳銅-銅鎳銅銅鎳鉻銅紅紅紅紅銅鎳銅鎳銅鎳銅鎳綠藍棕白0.645±0.0374.095±0.1056.317±0.1704.277±0.047常用熱電偶的補償導(dǎo)線35（5）補償熱電偶法

圖3-63補償熱電偶連接線路在實際生產(chǎn)中，為了節(jié)省補償導(dǎo)線和投資費用，常用多支熱電偶而配用一臺測溫儀表。設(shè)置補償熱電偶CD的目的是為了使多只熱電偶的冷端保持恒定。熱電偶測溫特點：①構(gòu)造簡單、使用方便、具有較高的準確度、溫度測量范圍寬；②常用測溫范圍：-50~+1600℃；特殊材料，測溫范圍可擴為:-180~2800℃；常用于測量300℃以上的溫度；③應(yīng)用極為廣泛；可用于測溫空間微小的場合；④熱電勢?。虎菪枥涠搜a償。5.2.5熱電偶測溫回路（1）熱電偶測量線路A。熱電偶反接：測兩點溫差B。熱電偶并聯(lián)：測平均溫度C。熱電偶串聯(lián)：測低溫或溫度變化很小的場合電子電位差計

是用來測量直流電壓信號的，凡是能轉(zhuǎn)換成毫伏級直流電壓信號的工藝變量都能用它來測量。根據(jù)自動平衡原理工作，測量精度高，工作可靠。1.手動電位差計工作原理

根據(jù)平衡法將被測電勢與已知的標準電勢相比較，當(dāng)兩者的差值為零時，被測電勢就等于已知的標準電勢。圖4-1電壓平衡原理圖圖中R為線性度很高的錳銅線繞制的電阻，它由穩(wěn)壓電源供電，以保證電流I是恒定的。G為檢流計，是靈敏度很高的電流計，Et為被測的未知熱電勢。（2）熱電勢測量儀表當(dāng)UCB>Et時，檢流計中就有電流通過，指針就向一方偏轉(zhuǎn)；當(dāng)UCB<Et時，檢流計中也有電流通過，指針就向另一方偏轉(zhuǎn)；只有當(dāng)UCB=Et時，檢流計中無電流流過，此時，I檢=0。此時的已知電壓UCB正好和未知熱電勢Et相平衡測量時，可調(diào)節(jié)滑動觸點C的位置，使RCB上的壓降UCB變化根據(jù)滑動觸點的位置就可以讀出UCB，從而測得未知電勢。應(yīng)該在工作回路中加調(diào)整工作電流的電位器RH和標準電阻RN。以確保工作電流恒定。步驟：1.校準工作電流（將開關(guān)K合在”1”位置）2.測量未知電勢（將開關(guān)K合在”2”位置）如果用電池代替穩(wěn)壓電源應(yīng)該有何改進？以上兩種測量熱電勢的方法極為準確，因為：1。由于在進行測量讀數(shù)時，熱電偶回路中是沒有電流通過的，因此被測熱電勢本身引起的電壓降損失和導(dǎo)線上的電壓降損失就不存在了，對測量結(jié)果無影響。只要檢流計具有足夠高的靈敏度，這種手動電位差計就可以獲得較高的測量精度。2。測量結(jié)果的準確性依賴于精度很高的標準電阻和標準電池。3。應(yīng)用了高靈敏度檢流計作為檢測元件

手動電位差計的測量過程十分緩慢，自始至終需要人工參與，即經(jīng)常要調(diào)滑線電阻的滑動觸點已找到新的平衡位置。這樣就不能連續(xù)進行測量，且不能自動記錄。根據(jù)電壓平衡原理來進行工作。特點

用可逆電動機及一套機械傳動機構(gòu)代替了人手進行電壓平衡操作；

用放大器代替了檢流計來檢測不平衡電壓并控制可逆電機的工作。圖4-2電子電位差計原理圖電子電位差計既保持了手動電位差計測量精度高的優(yōu)點，而且無須用手去調(diào)節(jié)就能自動指示和記錄被測溫度值。結(jié)論自動電子電位差計的工作原理自動電子電位差計的測量橋路圖4-3電位差計測量橋路原理圖圖4-2電子電位差計原理圖（1）冷端溫度補償問題

在實際應(yīng)用中還需解決冷端溫度補償和量程匹配的問題R2是用銅絲繞制的，并與熱電偶冷端處于同一溫度。因為銅電阻的阻值隨著溫度的升高而增加，則R2上的電位差也增加，然而，熱電偶的熱電勢卻隨冷端溫度的升高而降低，這樣，如果配置得當(dāng)，就可以達到溫度補償?shù)哪康摹?/p>

如果把R２做成隨溫度變化的電阻，且在溫度從0℃升高到25℃時，其阻值變化量ΔR2＝0.5Ω，這時，電阻R2上的電壓降UDB也增大，ΔUDB＝ΔR2·I2＝1mV。為了統(tǒng)一規(guī)格，上支路的電流規(guī)定為4mA（或2mA），下支路電流規(guī)定2mA（或1mA）。因為測量橋路的補償電壓UCD＝UCB－UDB，現(xiàn)在UDB增加了1mV，那么UCD就會減少1mV，由于UCD的變化與熱電勢的變化相等，此時滑動觸點C的平衡位置不需變化，故能起到溫度補償作用，使儀表的指示值基本不受冷端溫度變化的影響。舉例用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量溫度，其熱端溫度不變，而冷端溫度從０℃升高到25℃，這時熱電勢將降低１mV，儀表指針會指示偏低。+-+-（2）量程匹配問題

圖4-4XW系列電位差計測量橋路原理圖R2—冷端補償銅電阻；RM—量程電阻；RP—滑線電阻；R4—終端電阻（限流電阻）；R3—限流電阻；RG—始端電阻；當(dāng)滑動觸點C處于最左端（始端）時，UCD對應(yīng)于測量下限的熱電勢。RG為始端電阻，RG越大，在下限時的UCD就越大，測量的溫度下限就越高。當(dāng)滑動觸點C處于最右端（終端）時，UCD對應(yīng)于測量上限的熱電勢。RM為量程電阻，RM的值越小，則流過RP的電流就越小，量程就越窄。反之亦然。圖4-4XW系列電位差計測量橋路原理圖R2—冷端補償銅電阻；RM—量程電阻；RB—工藝電阻；RP—滑線電阻；R4—終端電阻（限流電阻）；R3—限流電阻；RG—始端電阻；E—穩(wěn)壓電源1V；I1—上支路電流4mA；I2—下支路電流2mA①R2銅電阻

裝在儀表后接線板上以使其和熱電偶冷端處于同一溫度。設(shè)計時，使環(huán)境溫度改變，銅電阻上的電壓降變化量等于相應(yīng)的熱電偶冷端溫度變化所引起的電勢變化值，起冷端溫度補償作用。②下支路限流電阻R3

是一個固定電阻，它與R2配合，保證了下支路回路的工作電流為2mA。由于銅電阻阻值隨溫度變化，實際上，下支路回路工作電流I2只是在儀表的標準工作溫度（25℃）時才為2mA③上支路限流電阻R4

把上支路的工作電流限定在4mA。我國統(tǒng)一設(shè)計的XW系列電位差計測量橋路原理圖。測量橋路由定電壓單元供給1V的工作電壓。（2）量程匹配問題

④滑線電阻RP

儀表的示值誤差、記錄誤差、變差、靈敏度以及儀表運行的平滑性等都和滑線電阻的優(yōu)劣有關(guān)。由于工藝上的原因，RP很難繞得十分精確，其數(shù)值也不便增減，為此，和RP并聯(lián)一個電阻RB（工藝電阻），用調(diào)整RB的方法使并聯(lián)后的總阻值為固定值90Ω(或300Ω），把兩個電阻作為整體考慮，便于統(tǒng)一規(guī)格和成批生產(chǎn)。在使用中，RP磨損阻值變化

，也可通過改變RB大小來調(diào)整。⑤量程電阻RM

決定儀表量程大小的電阻。它的大小由儀表測量范圍與所采用的熱電偶分度號來決定。RM越大，IM越小，儀表量程就越大；RM越小，儀表量程就越小。因此，制作不同量程的儀表，只需改變RM、RG、R4的阻值就可以了。而滑線電阻RP和工藝電阻RB都不需改變。⑥始端（下限）電阻RG

大小取決于測量下限的高低?；瑒佑|點C左移至滑線電阻的起點時，橋路輸出電壓UCD應(yīng)相應(yīng)于溫度為標尺下限的熱電勢。RG越大，在下限時的UCD越大，則測量下限越高。（2）量程匹配問題

自動電子電位差計的結(jié)構(gòu)測量橋路放大器可逆電機指示機構(gòu)記錄機構(gòu)

圖5.25電子電位差計方框原理圖5.2.6熱電偶的校驗與分度校驗是指對熱電偶熱電勢和溫度的已知關(guān)系進行校核，而分度則是確定熱電偶熱電勢和溫度的對應(yīng)關(guān)系。5.3熱電阻測溫在工業(yè)應(yīng)用中，熱電偶一般適用于測量500℃以上的較高溫度。對于500℃以下的中、低溫度，熱電偶輸出的熱電勢很小，這對二次儀表的放大器、抗干擾措施等的要求就很高，否則難以實現(xiàn)精確測量；而且，在較低的溫度區(qū)域，冷端溫度的變化所引起的相對誤差也非常突出。所以測量中、低溫度，一般使用熱電阻溫度測量儀表較為合適。（Thermalresistance）

熱電阻溫度計是由熱電阻（感溫元件），顯示儀表（不平衡電橋或平衡電橋）以及連接導(dǎo)線所組成。圖3-64熱電阻溫度計回顧熱電偶溫度計500℃熱電阻溫度計熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的。電阻的熱效應(yīng)——電阻體的阻值隨溫度變化的特性。

熱電阻的測溫原理t熱電偶熱電勢t熱電阻電阻值目前熱電阻主要有金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。負溫度系數(shù)（-200~500℃）（-50~300℃）正溫度系數(shù)金屬熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻測量準確、穩(wěn)定性高有非線性、穩(wěn)定性差在工業(yè)中應(yīng)用極其廣泛?多數(shù)金屬導(dǎo)體在溫度升高1℃時，阻值變化0.4%~0.6%；多數(shù)具有負溫度系數(shù)的半導(dǎo)體在溫度升高1℃時，阻值變化3%~6%5.3.1熱電阻的材料

①電阻溫度系數(shù)要大：單位1/℃，定義為注：α越大，制成的溫度計的靈敏度越高，測量結(jié)果越準確；一般α非常數(shù)，不同溫度數(shù)值不同α=f(T)；材料越純，α越大；②有較大的電阻率：因為電阻率越大↑→電阻體積越小↓→熱容量和熱慣性越小↓→溫度變化的響應(yīng)越快↑。③在測溫范圍內(nèi)，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。④復(fù)現(xiàn)性好、復(fù)制性強、易得到純凈物質(zhì)。⑤電阻值與溫度的關(guān)系近似為線性關(guān)系，便于測溫的分度和讀數(shù)。⑥價格低。 綜上所述：鉑、銅、鐵、鎳、和一些半導(dǎo)體材料比較適合做熱電阻。作為熱電阻的材料一般要求是：5.3.2熱電阻的類型（1）鉑熱電阻特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、易于提純、復(fù)制性好、具有良好的工藝性、可以制成極細的鉑絲、電阻率較高；在0°C以上，其電阻與溫度的關(guān)系接近于直線(其電阻溫度系數(shù)為3.9×10－3Ω/°C)。作用：工業(yè)測量,溫度的基準、標準儀器。ITS-90國際溫標規(guī)定，在13.81K~961.78℃的標準儀器為鉑電阻溫度計。缺點：電阻溫度系數(shù)小，在還原氣氛中，特別是在高溫下，易被污染變脆、價格昂貴。常用鉑電阻分度號：Pt1000，Pt100和Pt10鉑電阻阻值隨溫度變化的規(guī)律：-200℃≤t≤0℃Rt

=R0[1+At+Bt

2+Ct3(t?100)]0℃≤t≤650Rt

=R0[1+At+Bt2]A=3.90802×10-3(℃-1)；B=-5.802×10-7(℃-2)；C=-4.27350×10-12(℃-4)。鉑電阻分度表：（2）銅熱電阻優(yōu)點：線性度好，電阻溫度系數(shù)大、價格低、精度適中；缺點：>100℃時，易被氧化；測溫范圍：-50~+150℃。常用銅電阻分度號：Cu100和Cu50工業(yè)上常用的熱電阻有銅電阻和鉑電阻。其外觀結(jié)構(gòu)主要有普通型熱電阻、鎧裝熱電阻和薄膜熱電阻三種型式。5.3.3熱電阻的結(jié)構(gòu)類型（1）普通型熱電阻平板型圓柱型螺旋型鉑電阻體支架銅電阻體支架標準鉑電阻體支架普通型熱電阻

主要由電阻體、保護套管和接線盒等主要部件所組成。鎧裝熱電阻響應(yīng)速度快，可彎曲，使用方便薄膜熱電阻熱容量小，導(dǎo)熱系數(shù)大，能快速測量表面溫度

將電阻體預(yù)先拉制成型并與絕緣材料和保護套管連成一體。

將熱電阻材料通過真空鍍膜法，直接蒸鍍到絕緣基底上。5.3.4半導(dǎo)體熱敏電阻材料：用一定比例的錳、鎳、銅、鈦、鎂的氧化物混合制成測溫特點5.3.4半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻的形狀：半導(dǎo)體熱敏電阻實物照片MF74超大功率型NTC熱敏電阻器應(yīng)用范圍：適用于大功率的轉(zhuǎn)換電源、開關(guān)電源、UPS電源及各類大功率照明燈具、電加熱器的浪涌電流抑制。MF52珠狀測溫型NTC熱敏電阻器廣泛應(yīng)用于空調(diào)設(shè)備、暖氣設(shè)備、電子體溫計、液位傳感、汽車、電子臺歷、手機電池。半導(dǎo)體熱敏電阻實物照片CMF貼片式NTC熱敏電阻器應(yīng)用于：半導(dǎo)體集成電路、液晶顯示、晶體管及移動通訊設(shè)備用石英振蕩器的溫度補償、可充電電池的溫度探測、計算機微處理器的溫度探測、需溫度補償?shù)母鞣N電路。MF55系列絕緣薄膜型NTC熱敏電阻器應(yīng)用范圍：電腦、打印機、家用電器等。①電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為?(3~6)×10?2(1/℃)②電阻率大，利于小型化，連接導(dǎo)線影響可以忽略；③結(jié)構(gòu)簡單、體積小，可以用于測量點溫度；④熱慣性小，適用于表面溫度及快速變化溫度。半導(dǎo)體熱敏電阻的特點測溫范圍：-100~300℃優(yōu)點：不足：熱敏電阻溫度特性分散、互換性差、非線性嚴重。進一步發(fā)展依賴于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和制造工藝水平的提高。熱電阻測溫整體評價測溫范圍：常用-200℃~500℃特殊范圍：①測量低溫端可達平衡氫的三相點——13.8K；②銦電阻溫度計——3.4K；碳電阻溫度計——1K；③ITS-90國際溫標規(guī)定在3.8033K~961.78℃間用鉑電阻溫度計作為內(nèi)插儀器。特點：①精度高；②在低溫段下測溫靈敏度高；③輸出信號便于遠傳、測量或自動控制。5.3.5熱電阻測溫電橋（重點+難點）測量原理終始當(dāng)橋路平衡時，滑動觸點B的位置就反映出了溫度的變化。結(jié)論終始（1）兩線制接法——只適用于測量精度較低的場合特點：1.接入一個橋臂；2.引線與連接導(dǎo)線的電阻Rl隨環(huán)境溫度的變化全部加入到熱電阻的變化之中；3.簡單，仍有應(yīng)用，為了誤差不致過大，要求引出線的電阻值隨溫度的變化：銅：<=0.2％(R0)；鉑:<=0.1％(R0)。（2）三線制接法特點：消除引線電阻的影響在測溫下限電橋平衡時，有終始——是工業(yè)控制中最常用的引線接法（3）四線制接法電位差計U主要用于高精度的溫度檢測——一種比較完善的方法1.請大家根據(jù)授課內(nèi)容總結(jié)熱電阻和熱電偶的相同點與不同點。2.用熱電阻測溫時，如果采用二線制接法，當(dāng)引線電阻因環(huán)境溫度升高而增加時，其指示值將偏高？偏低？還是不變？3.工業(yè)用熱電阻測溫時，為什么不用四線制測量電路？課外練習(xí)及思考：本節(jié)內(nèi)容小結(jié)：熱電阻是基于（）效應(yīng)進行溫度測量的。工業(yè)上常用熱電阻的測量線路是（）線制接法。熱電阻的外觀結(jié)構(gòu)有（），（），（）。熱電阻的測溫原理熱電阻的測量電路熱電阻的外觀結(jié)構(gòu)5.4接觸式測溫技術(shù)與誤差分析接觸式測溫存在誤差：1.溫度計不僅與被測對象還與周圍環(huán)境進行熱交換。2.溫度計的熱容和熱阻不可能為零。減小溫度計導(dǎo)熱誤差的方法：增加插入長度，減小柱體直徑；選用導(dǎo)熱系數(shù)小的材料做熱電極、套管或屏罩；對溫度計外露部分進行保溫；將溫度計管道彎頭或迎著氣流斜向插入管道，使感溫頭部置于氣流中心線氣流速度大、湍流度大的位置，以加強對流換熱；垂直管道安裝安裝形式傾斜管道安裝彎曲管道安裝法蘭安裝輻射測溫是利用物體輻射能與其溫度有關(guān)的原理進行測溫，測溫元件與被測物不直接接觸，以輻射方式進行熱交換，不會干擾或破壞被測溫度場。5.5輻射式測溫法優(yōu)點：測溫上限不受限制，動態(tài)特性好，靈敏度高，可用于測量運動狀態(tài)對象的溫度。1.有一個熱輻射源（即被測對象）；2.有輻射能傳輸?shù)耐ǖ?，如大氣、光?dǎo)纖維或真空；3.有接收和處理輻射信號的儀表（系統(tǒng)）。測量條件：測量800℃以上高溫和可見光范圍的輻射式儀表有單色輻射高溫計、全輻射高溫計和比色高溫計；測量低溫與紅外線范圍輻射信號的有紅外測溫儀、紅外熱像儀。紅外測溫儀便攜式比色計輻射是電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。按照產(chǎn)生電磁波的不同原因可以得到不同頻率的電磁波，例如高頻振蕩電路產(chǎn)生的無線電波，此外還有可見光、紅外線、紫外線、X射線、及γ射線等各種電磁波。熱輻射是由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁輻射。熱輻射的電磁波是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變時激發(fā)出來的。輻射是物體的固有特性，只要物體的溫度高于零度（0k），物體總是不斷的把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，向外發(fā)出熱輻射。同時，物體亦不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變成熱能。輻射換熱就是物體之間相互輻射和吸收的總效果。當(dāng)物體與環(huán)境處于熱平衡時，其輻射換熱量為零，但其表面上的熱輻射仍在不停的進行。熱輻射的本質(zhì)：5.5.1輻射測溫的物理基礎(chǔ)(1)熱輻射熱輻射（thermalradiation），物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。熱量傳遞的3種方式之一。一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。由于電磁波的傳播無需任何介質(zhì)，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。熱輻射計熱輻射計是一種演示儀器，其中由四枚輕質(zhì)葉片構(gòu)成的葉輪可繞豎直軸轉(zhuǎn)動，葉片的一面涂黑，另一面是光亮面。當(dāng)用燈光照射時，小葉輪就繞豎軸旋轉(zhuǎn)，可用來演示絕對黑體在單位時間、單位面積上所吸收（或發(fā)出）的熱量比其它任何表面為多。這是因為四個葉片的涂黑面吸收了紅外線熱輻射，使葉片黑的一面附近的空氣變熱，加劇了氣體分子的熱運動，碰撞葉片，使葉片兩面受力不平衡（亮的一面受到的沖量?。?，從而使葉片向亮面方向運動，于是葉輪就旋轉(zhuǎn)起來。熱量直接由物體向外射出的傳熱方式叫做熱輻射。輻射與熱傳導(dǎo)和對流不同，它不需要傳熱物質(zhì)，以比光波波長長的短電磁波的形式從熱源向四面八方輻射。太陽的熱就是完全靠熱輻射方式傳到地球上來的，因為在太陽和地球之間有一個很寬的真空地帶，不能產(chǎn)生傳導(dǎo)和對流。熱輻射的特點：1、任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍空間發(fā)出熱輻射；2、可以在真空中傳播；3、伴隨能量形式的轉(zhuǎn)變；4、具有強烈的方向性；5、輻射能與溫度和波長均有關(guān)；6、發(fā)射輻射取決于溫度的4次方。不同溫度的物體其熱輻射的電磁波波段不同。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。①輻射通量φ(輻射功率)：單位時間內(nèi)，通過某一面積的輻射能量，稱為經(jīng)過該面積的輻射通量。即(2)熱輻射源、輻射物理量式中dQ——在時間dt發(fā)出的輻射能量；Ф——輻射通量（輻射功率），J/s或W。②輻射出射度：是輻射表面上每單位面積所發(fā)出的輻射功率（W/cm2），即光譜輻射出射度（物理：單色輻射出射度）：在波長λ附近，單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度Mλ（W/cm2.μm）③輻射亮度：輻射源在單位投影輻射面積、單位立體角范圍的輻射功率稱為輻射亮度L(W/cm2.sr)，即④光譜輻射亮度：輻射源在波長屬于λ附近的單位波長間隔的輻射亮度Lλ(W/cm2.sr.μm)C——比例常數(shù)⑤吸收率、反射率和透射率：令：則當(dāng)熱輻射的能量投射到物體表面上時，和可見光一樣，會發(fā)生吸收、反射和穿透現(xiàn)象。式中：各能量的百分數(shù)分別稱為該物體對投入輻射的吸收率、反射率和透射率，記為α、ρ、τ。1）對固體或液體表面，投射到其上的輻射能在一個極短的距離內(nèi)就被吸收完了，即透射率τ=0。于是，對于固體和液體，吸收率和反射率之和為1，即α+ρ=1輻射能投射到物體表面后的反射現(xiàn)象和可見光一樣，有鏡面反射和漫反射的區(qū)分。這取決于表面不平整尺寸的大小，即表面的粗糙度。當(dāng)表面的不平整尺寸小于投入輻射的波長時，形成鏡面反射，此時入射角等于反射角。（例如高度磨光的金屬板）。當(dāng)表面的不平整尺寸大于投入輻射的波長時，形成漫反射，這時從某一方向投射到物體表面上的輻射向空間各個方向反射出去。一般工程材料的表面都形成漫反射。鏡反射漫反射輻射能投射到氣體上時，情況與投射到固體或液體上不同。氣體對輻射能幾乎沒有反射能力，反射率ρ=0，從而吸收率和透射率之和為1，即α+τ=1由上所述，對于固體和液體呈現(xiàn)的吸收和反射特性不涉及物體的內(nèi)部。因此物體表面狀況對輻射特性的影響至關(guān)重要。而對于氣體，輻射和吸收在整個氣體容積中進行，表面狀況則無關(guān)緊要。2）特殊情況吸收率α=1的物體叫做絕對黑體。反射率ρ=1的物體叫做絕對白體。透射率τ=1的物體叫做絕對透明體。顯然黑體、白體和透明體都是假定的理想物體。黑體模型黑體的吸收比α=1，意味著黑體能全部吸收各種波長的輻射能。自然界中并不存在黑體，但可以用人工的方法制造。在空腔壁（溫度均勻）上開一個小孔，由于空腔較大，投射的輻射能經(jīng)小孔射入孔腔后，經(jīng)多次反射吸收后才會出去。反射的能量與投入的能量相比很小，小孔面積越小，吸收比就越→1。若小孔面積/孔腔面積小于0.6％，內(nèi)壁吸收率為0.6時，小孔的吸收比可大于0.996。所以，就輻射特性而言，小孔具有黑體表面一樣的性質(zhì)。黑體模型在相同溫度的物體中，黑體的輻射能力最大。在研究了黑體輻射的基礎(chǔ)上，我們處理其他物體輻射的思路是：把其他物體輻射與黑體輻射相比較，從中找出其與黑體輻射的偏離，然后確定必要的修正系數(shù)。⑥比輻射率（黑度、輻射率）：物體溫度在T時，所有波長范圍內(nèi)的輻射出射度M與同溫度下黑體的輻射出射度Mb之比，稱為該輻射體比輻射率ε。光譜比輻射率（單色黑度、單色輻射率）：物體在某溫度時的單色輻射出射度Mλ與同溫度、同波長的黑體的單色出射度Mbλ之比，即（3）黑體的輻射特性

C1—普朗克第一輻射常數(shù)，C1=3.7413×10?4

W?μm4/cm2C2—普朗克第二輻射常數(shù),C2=1.4388×10?4μm?K在3000K以下，黑體的單色輻射出射度與溫度、波長的關(guān)系，維恩公式：普朗可定律普朗可定律揭示了黑體輻射能按照波長的分布規(guī)律，或者說它給出了黑體單色輻射力與波長和溫度的依變關(guān)系。普朗可根據(jù)量子理論得到按普朗可定律描繪出的不同溫度下黑體的單色輻射力隨波長的變化情況。由圖可知，單色輻射力隨著波長的增加，先是增大，然后又減小。最大單色輻射力所對應(yīng)的波長λm亦隨溫度不同而變化。隨著溫度的增高，曲線的峰值向左移動，即移向較短的波長。最大單色輻射力所對應(yīng)的波長λm與溫度T之間存在著如下的關(guān)系：此式稱為維恩位移定律?？梢酝ㄟ^普朗可定律對波長求導(dǎo)等于零而導(dǎo)出。斯蒂芬—玻爾茲曼定律（黑體全輻射定律）：黑體輻射出射度與溫度的關(guān)系，即單色輻射出射度在熱輻射全部波長范圍內(nèi)的積分，即5.5.2光學(xué)輻射式高溫計

當(dāng)物體溫度高于700℃是會明顯地發(fā)出可見光。黑體的光譜輻射亮度Lbλ與溫度Ts的關(guān)系：被測物的光譜輻射亮度Lλ與溫度T的關(guān)系：如果在波長相等時，亮度相等，即Lbλ=Lλ則Ts:被測物亮度溫度；T:被測物實際溫度。用攝氏溫度表示5.5.2光學(xué)輻射式高溫計隱絲式光學(xué)高溫計將被測對象單色輻射亮度與可調(diào)電流的溫度燈的亮度進行比較。當(dāng)兩者亮度相同時，燈絲的輪廓就隱滅于被測物體影像中，此時，測量電表6所示的電流值就是被測物體亮度溫度的讀數(shù)。隱絲式光學(xué)高溫計在所有輻射式溫度計中精度最高，用來作為國家基準儀器。5.5.3全輻射高溫計黑體全輻射出射度被測物體全輻射出射度如果則：Tp:被測物輻射溫度。T:被測物實際溫度；ε：黑度通過測量黑體的全輻射出射度Mb知被測溫度T的輻射高溫計將被測物體一定面積上和一定立體角內(nèi)的輻射能量收集到接受器中，接受器的溫升將穩(wěn)定于一定數(shù)值。因溫升值事先已用黑體溫度進行分度，由接受器的溫升可直接讀出相對應(yīng)黑體的溫度Tp。對于待測的非黑體溫度求法如下接受器通常用熱電堆組成，熱端收集輻射能，冷端為室溫。測量時通過目鏡瞄準待測的物體，使物體的像正好落在接受器的“+”形鉑片上。電表指示出接受器的溫升，通常的分度標示為黑體輻射溫度值Tp。這種高溫計的主要缺點是：因物鏡聚焦時有色差,只能使一部分輻射能聚焦到接受器上而引起誤差。因此，不宜進行精確測量。5.5.4比色高溫計光學(xué)高溫計和全輻射高溫計應(yīng)用廣泛，但其共同缺點