傳感器與檢測技術（第5版）課件 第6章 溫度檢測

6.1概述6.1.1溫度的基本概念和測量方法6.1.2溫標6.1.1溫度的基本概念和測量方法反映了物體冷熱的程度，與自然界中的各種物理和化學過程相聯(lián)系。

溫度概念的建立及測量：以熱平衡為基礎的，

溫度最本質(zhì)的性質(zhì)：當兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導熱換熱，換熱結束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度。測量方法：接觸式測溫和非接觸式測溫接觸式測溫溫度敏感元件與被測對象接觸，經(jīng)過換熱后兩者溫度相等。常用的接觸式測溫儀表：

(1)膨脹式溫度計。

(2)熱電阻溫度計。

(3)熱電偶溫度計。

(4)其他原理的溫度計。特點：優(yōu)點：直觀、可靠，測量儀表也比較簡單。缺點：由于敏感元件必須與被測對象接觸，在接觸過程中就可能破壞被測對象的溫度場分布，從而造成測量誤差。有的測溫元件不能和被測對象充分接觸，不能達到充分的熱平衡，使測溫元件和被測對象溫度不一致，也會帶來誤差。在接觸過程中，介質(zhì)腐蝕性，高溫時對測溫元件的影響，影響測溫元件的可靠性和工作壽命。

非接觸測溫

溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過輻射能量進行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的溫度。常用的非接觸式測溫儀表：

(1)輻射式溫度計：基于普朗克定理 光電高溫計，輻射傳感器，比色溫度計。

(2)光纖式溫度計：光纖的溫度特性、傳光介質(zhì)。 光纖溫度傳感器，光纖輻射溫度計。優(yōu)點：不與被測物體接觸，不破壞原有的溫度場，在被測物體為運動物體時尤為適用。缺點：精度一般不高。6.1概述6.1.1溫度的基本概念和測量方法6.1.2溫標6.1.2溫標溫度標尺建立溫標必須具備三個條件：

(1)固定的溫度點（基準點）

(2)測溫儀器（確定測溫質(zhì)和測溫量）

(3)溫標方程（內(nèi)插公式）溫度標尺(1)經(jīng)驗溫標(2)熱力學溫標

(3)國際溫標(4)1990年國際溫標(1)經(jīng)驗溫標

由特定的測溫質(zhì)和測溫量所確定的溫標華氏溫標

1714年德國人華倫海特(Fahrenheit)在沸點和冰點之間等分為180份，每份為華氏1度(10F)。攝氏溫標

1742年瑞典人攝爾塞斯(Celsius)規(guī)定水的冰點沸點之間等分為100份，每份為1度(10C)

。經(jīng)驗溫標是借助于一些物質(zhì)的物理量與溫度之間的關系，用實驗方法得到的經(jīng)驗公式來確定溫度值的標尺，因此有局限性和任意性。(2)熱力學溫標1848年物理學家開爾文(Kelvin)首先提出 確定的溫度數(shù)值：熱力學溫度，絕對溫度，用符號T表示，單位為開爾文，用K表示。熱力學溫度的起點為絕對零度，所以它不可能為負值，且冰點是273.15K，沸點是373.15K。請注意水的冰點和三相點是不一樣的，兩者相差0.01K。(3)國際溫標

1927年國際溫標(ITS-27) 1927年第七屆國際計量大會決定采用

具有3個基本特點： ①盡可能接近熱力學溫標; ②復顯精度高并能確保量值的統(tǒng)一； ③用以復現(xiàn)的標準溫度計使用方便，性能穩(wěn)定。

國際溫標經(jīng)過幾次修改：

1948年國際溫標(ITS－48)，1968年國際實用溫標(IPTS－68)，1990年國際溫標(ITS－90)(4)1990年國際溫標(ITS－90)根據(jù)第18屆國際計量大會的決議， 自1990年1月1日起開始在全世界實行 我國：自1994年1月1日開始全面實施

90國際溫標主要有三方面內(nèi)容： ①溫度單位 ②定義固定溫度點 ③復現(xiàn)固定溫度點的方法①溫度單位符號：T，單位為開爾文(K)，K的定義為水的三相點溫度的1/273.16。用與冰點273.15K的差值表示的熱力學溫度稱為攝氏溫度，符號為t，單位為度(0C)，即t=T-273.15，并有10C=1K。攝氏度(0C)是由國際溫標重新定義的，是以熱力學溫標為基礎的。

90國際溫標定義國際開爾文溫度T90和國際攝氏度t90，其間關系如同T和t一樣，即

t90=T90-273.15②定義固定溫度點90國際溫標的定義固定溫度點是利用一系列純物質(zhì)各相間可復現(xiàn)的平衡狀態(tài)或蒸汽壓所建立起來的特征溫度點。這些特征溫度點的溫度指定值是由國際上公認的最佳測量手段測定的。③復現(xiàn)固定溫度點的方法90國際溫標把溫度分為4個溫區(qū)，各個溫區(qū)的范圍、使用的標準測溫儀器分別為：0.65～5.0K間為3He或4He蒸汽壓溫度計；3.0～24.5561K間為3He或4He定容氣體溫度計；13.8033K～961.780C間為鉑電阻溫度計；961.780C以上為光學或光電高溫計。在水的冰點以上的溫度使用攝氏度單位(0C)，在冰點以下的溫度使用熱力學溫度單位(K)。Endthe6.16.2熱電阻式傳感器6.2.1金屬熱電阻6.2.2半導體熱敏電阻6.2.3熱電阻式傳感器的應用6.2.1金屬熱電阻熱電阻＝電阻體（最主要部分）＋絕緣套管＋接線盒作為熱電阻的材料要求： 電阻溫度系數(shù)要大，以提高熱電阻的靈敏度； 電阻率盡可能大，以便減小電阻體尺寸； 熱容量要小，以便提高熱電阻的響應速度； 在測量范圍內(nèi)，應具有穩(wěn)定的物理和化學性能； 電阻與溫度的關系最好接近于線性； 應有良好的可加工性，且價格便宜。使用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅1.常用熱電阻鉑熱電阻 主要作為標準電阻溫度計，廣泛應用于溫度基準、標準的傳遞。銅熱電阻 測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍一般為―50～150℃。⑴鉑熱電阻長時間穩(wěn)定的復現(xiàn)性可達10-4K，是目前測溫復現(xiàn)性最好的一種溫度計。鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關百度電阻比W（100）越高，表示鉑絲純度越高，國際實用溫標規(guī)定，作為基準器的鉑電阻，W（100）≥1.3925目前技術水平已達到W（100）＝1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為1.387～1.390。

鉑絲的電阻值與溫度之間的關系，即特性方程如下：當溫度t在－200℃≤t≤0℃時：當溫度t在0℃≤t≤650℃時：國內(nèi)統(tǒng)一設計的工業(yè)用標準鉑電阻，W（100）≥1.391，R0分為50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Pt50和Pt100，其分度表（給出阻值和溫度的關系）⑵銅熱電阻應用：測量精度要求不高且溫度較低的場合 測量范圍：―50～150℃優(yōu)點： 溫度范圍內(nèi)線性關系好，靈敏度比鉑電阻高，容易提純、加工，價格便宜，復制性能好。缺點： 易于氧化，一般只用于150℃以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量。 與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。銅電阻的阻值與溫度之間的關系為關系是線性的工業(yè)上使用的標準化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設計取50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Cu50和Cu100，相應的分度表可查閱相關資料。2.熱電阻的結構普通工業(yè)用熱電阻式溫度傳感器銅熱電阻結構示意圖鉑熱電阻結構示意圖鎧裝熱電阻的結構1-保護套管，2-熱電阻，3-內(nèi)引線，4-絕緣材料6.2熱電阻式傳感器6.2.1金屬熱電阻6.2.2半導體熱敏電阻6.2.3熱電阻式傳感器的應用6.2.2半導體熱敏電阻利用半導體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成由金屬氧化物和化合物按不同的配方比例燒結優(yōu)點：

(1)熱敏電阻的溫度系數(shù)比金屬大（4～9倍）

(2)電阻率大，體積小，熱慣性小，適于測量點溫、表面溫度及快速變化的溫度。

(3)結構簡單、機械性能好。缺點：線性度較差，復現(xiàn)性和互換性較差。熱敏電阻分類：正溫度系數(shù)(PTC)負溫度系數(shù)(NTC)臨界溫度系數(shù)(CTR)熱敏電阻典型特性PTC熱敏電阻－正溫度系數(shù)鈦酸鋇摻合稀土元素燒結而成用途：彩電消磁，各種電器設備的過熱保護，發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。CTR熱敏電阻－負溫度系數(shù) 以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱還原氣氛中混合燒結而成用途：溫度開關。NTC熱敏電阻－很高的負電阻溫度系數(shù) 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等過渡金屬氧化物混合燒結而成應用：點溫、表面溫度、溫差、溫場等測量自動控制及電子線路的熱補償線路NTC熱敏電阻熱敏電阻的結構熱敏電阻的主要特性熱敏電阻的主要參數(shù)熱敏電阻的線性化熱敏電阻的結構構成：熱敏探頭、引線、殼體二端和三端器件：為直熱式，即熱敏電阻直接由連接的電路獲得功率；四端器件：旁熱式熱敏電阻的結構形式熱敏電阻的主要特性⑴溫度特性⑵伏安特性⑴溫度特性NTC型熱敏電阻，在較小的溫度范圍內(nèi)，電阻-溫度特性式中RT,R0——熱敏電阻在絕對溫度T，T0時的阻值()；

T0,T——介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（K）；

t0,t——介質(zhì)的起始溫度和變化溫度（℃）；

B——熱敏電阻材料常數(shù)，一般為2000～6000K，其大小取決于熱敏電阻的材料。若已知兩個電阻值以及相應的溫度值，就可求得B值。一般取20℃和100℃時的電阻R20

和R100計算B值，即將T=373K，T0=293K代入上式，則將B值及R0=R20

代入式就確定了熱敏電阻的溫度特性:

B和α值是表征熱敏電阻材料性能的兩個重要參數(shù)，熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)比金屬絲的高很多，所以它的靈敏度很高。熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)熱敏電阻在其本身溫度變化1℃時，電阻值的相對變化量⑵伏安特性在穩(wěn)態(tài)情況下，通過熱敏電阻的電流I與其兩端的電壓U之間的關系，伏安特性當流過熱敏電阻的電流很小時:不足以使之加熱。電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性是直線，遵循歐姆定律。主要用來測溫。當電流增大到一定值時：流過熱敏電阻的電流使之加熱，本身溫度升高，出現(xiàn)負阻特性。因電阻減小，即使電流增大，端電壓反而下降。其所能升高的溫度與環(huán)境條件(周圍介質(zhì)溫度及散熱條件)有關。當電流和周圍介質(zhì)溫度一定時，熱敏電阻的電阻值取決于介質(zhì)的流速、流量、密度等散熱條件?？捎盟鼇頊y量流體速度和介質(zhì)密度。熱敏電阻的主要參數(shù)⑴標稱電阻值RH

在環(huán)境溫度為25±0.2℃時測得的電阻值，又稱冷電阻。其大小取決于熱敏電阻的材料和幾何尺寸。⑵耗散系數(shù)H

指熱敏電阻的溫度與周圍介質(zhì)的溫度相差1℃時熱敏電阻所耗散的功率，單位為mW/℃；⑶熱容量C

熱敏電阻的溫度變化1℃所需吸收或釋放的熱量，單位為J／℃；⑷能量靈敏度G

（W）使熱敏電阻的阻值變化1％所需耗散的功率。⑸

時間常數(shù)τ

溫度為T0的熱敏電阻突然置于溫度為T的介質(zhì)中，熱敏電阻的溫度增量ΔT=0.63(T－T0)時所需的時間。⑹額定功率PE

在規(guī)定的技術條件下，熱敏電阻長期連續(xù)使用所允許的耗散功率，單位為W。在實際使用時，熱敏電阻所消耗的功率不得超過額定功率

熱敏電阻的線性化可通過在熱敏電阻上串并聯(lián)固定電阻，作成組合式元件來代替單個熱敏元件，使組合式元件電路特性參數(shù)保持一致并獲得一定程度的線性特性。6.2熱電阻式傳感器6.2.1金屬熱電阻6.2.2半導體熱敏電阻6.2.3熱電阻式傳感器的應用

6.2.3熱電阻式傳感器的應用1、金屬熱電阻傳感器

－200～+500℃范圍的溫度測量特點：精度高、適于測低溫。2、半導體熱敏電阻傳感器

應用范圍很廣，可在宇宙航船、醫(yī)學、工業(yè)及家用電器等方面用作測溫、控溫、溫度補償、流速測量、液面指示等。1、金屬熱電阻傳感器工業(yè)廣泛使用，－200～+500℃范圍溫度測量。在特殊情況下，測量的低溫端可達3.4K，甚至更低，1K左右。高溫端可測到1000℃。溫度測量的特點：精度高、適于測低溫。傳感器的測量電路：經(jīng)常使用電橋、精度較高的是自動電橋。為消除由于連接導線電阻隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差，常采用三線制和四線制連接法。三線制熱電阻測溫電橋的三線制接法工業(yè)用熱電阻一般采用三線制G——檢流計，R1，R2，R3——固定電阻，Ra——零位調(diào)節(jié)電阻，Rt——熱電阻四線制接法熱電阻測溫電橋的四線制接法精密測量中，采用四線制接法鉑測溫電阻傳感器鉑測溫電阻缺點：響應速度慢、容易破損、難于測定狹窄位置的溫度?，F(xiàn)逐漸使用能大幅度改善上述缺點的極細型鎧裝鉑測溫電阻，因而使應用領域進一步擴大。主要應用：鋼鐵、石油化工的各種工藝過程；纖維等工業(yè)的熱處理工藝；食品工業(yè)的各種自動裝置；空調(diào)、冷凍冷藏工業(yè)；宇航和航空、物化設備及恒溫槽金屬絲熱電阻作為氣體傳感器的應用1—連通玻璃管2—流通玻璃管3—鉑絲（a）真空度測量方法對環(huán)境溫度變化比較敏感，實際應用中有恒溫或溫度補償裝置?？蓽y到133.322×10-5Pa。（b）可檢測管內(nèi)氣體介質(zhì)成分比例變化、熱風流速變化2、半導體熱敏電阻傳感器⑴溫度測量⑵溫度控制⑶溫度補償⑷流量測量⑴溫度測量熱敏電阻點溫計⑵溫度控制簡易溫度控制器⑶溫度補償儀表中的電阻溫度補償電路金屬一般具有正的溫度系數(shù)，采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻進行補償，可以抵消由于溫度變化所產(chǎn)生的誤差⑷流量測量

利用熱敏電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關系可以測量流量、流速、風速等

熱敏電阻流量計Endthe6.26.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補償6.3.4標準化熱電偶6.3.5非標準化熱電偶6.3.6熱電偶結構型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.1熱電偶測溫原理熱電偶：兩種不同的金屬A和B構成閉合回路 當兩個接觸端T﹥T0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢

熱電勢由兩種材料的接觸電勢和單一材料的溫差電勢決定1.接觸電勢k——

玻耳茲曼常數(shù)；T——

接觸面的絕對溫度；e——

單位電荷量；NA——金屬電極A的自由電子密度NA——金屬電極B的自由電子密度接觸電勢帕爾帖電勢2.溫差電勢δ——湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為1℃時所產(chǎn)生的電動勢值，它與材料的性質(zhì)有關。溫差電勢（湯姆遜電勢）3.熱電偶回路的總熱電勢熱電極A和B為同一種材料時，NA=NB,δ

A=δB， 則EAB(T,T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0

， 則EAB(T,T0)=0。熱電勢存在必須具備兩個條件： 一、兩種不同的金屬材料組成熱電偶， 二、它的兩端存在溫差。

熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫度的函數(shù)。當T0=0℃時，f(T0)=c則有：E與T之間有唯一對應的單值函數(shù)關系，因此就可以用測量到的熱電勢E來得到對應的溫度值T，熱電偶熱電勢的大小，只是與導體A和B的材料有關，與冷熱端的溫度有關，與導體的粗細長短及兩導體接觸面積無關。6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補償6.3.4標準化熱電偶6.3.5非標準化熱電偶6.3.6熱電偶結構型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.2熱電偶的基本定律1.勻質(zhì)導體定律2.中間導體定律3.連接導體定律1.勻質(zhì)導體定律由一種勻質(zhì)導體所組成的閉合回路，不論導體的截面積如何及導體的各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。熱電偶必須采用兩種不用材料的導體組成，熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關，而與沿熱電極的溫度分布無關。如果熱電偶的熱電極是非勻質(zhì)導體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術指標之一。2.中間導體定律

在熱電偶回路中接入與另一種導體稱中間導體C，只要中間導體的兩端溫度相同，熱電偶回路總電動勢不受中間導體接入的影響。3.連接導體定律為在工業(yè)測量溫度中使用補償導線提供了理論基礎。當A與A’，B與B’材料分別相同時中間溫度定律例6.3.1用（S型）熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度T0=30℃，測得的熱電勢E(T,Tn)=7.5mV，求測量端實際溫度T。查分度表有E（30，0）=0.173mV反查分度表有T=830℃，測量端實際溫度為830℃6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補償6.3.4標準化熱電偶6.3.5非標準化熱電偶6.3.6熱電偶結構型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.3熱電偶的冷端處理和補償熱電偶的熱電勢大小不僅與熱端溫度的有關，而且也與冷端溫度有關，只有當冷端溫度恒定，通過測量熱電勢的大小得到熱端的溫度。熱電偶的冷端處理和補償:

當熱電偶冷端處在溫度波動較大的地方時，必須首先使用補償導線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，再考慮將冷端處理為０℃。幾種冷端處理方法：1.補償導線法2.熱電偶冷端溫度恒溫法3.計算修正法4.冷端補償電橋法1.補償導線法組成：補償導線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層。熱電偶補償導線功能：其一實現(xiàn)了冷端遷移；其二是降低了電路成本。補償導線又分為延長型和補償型兩種延長形：補償導線合金絲的名義化學成分及熱電勢標稱值與配用的熱電偶相同，用字母“Ｘ”附在熱電偶分度號后表示，補償型：其合金絲的名稱化學成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時與配用的熱電偶的熱電勢標稱值相同，有字母“C”附在熱電偶分度號后表示，

補償導線的型號、線芯材質(zhì)和絕緣層著色

補償導線型號配用熱電偶補償導線的線芯材料絕緣層著色正極負極SC或RC鉑銠10（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳JPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白使用補償導線時注意問題：補償導線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)（0~100℃）；熱電偶和補償導線的兩個接點處要保持溫度相同；不同型號的熱電偶配有不同的補償導線；補償導線由正、負極需分別與熱電偶正、負極相連；補償導線的作用是對熱電偶冷端延長。2.計算修正法在實際應用中，熱電偶的參比端往往不是0oC，而是環(huán)境溫度，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。

可用室溫計測出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的E(T1,0)值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(T,T1)，得到E(T,0)值，反查分度表即可得到準確的被測溫度值。3.熱電偶冷端溫度恒溫法（冰浴法）適用于實驗室中的精確測量和檢定熱電偶時使用。4.冷端補償電橋法利用直流不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值

6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補償6.3.4標準化熱電偶6.3.5非標準化熱電偶6.3.6熱電偶結構型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.4標準化熱電偶標準化熱電偶：工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標準文件中的熱電偶。標準化熱電偶可以互相交換，精度有一定的保證。國際電工委員會（IEC）共推薦了8種標準化熱電偶表6.3.2標準化熱電偶技術數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號熱電極識別E（100,0）（mV）測溫范圍（℃）對分度表允許偏差（℃）新極性識別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10-鉑S正亮白較硬0.6460~13001600Ⅲ≤600±1.5℃負亮白柔軟＞600±0.25%t鉑銠13-鉑R正較硬0.6470~13001600Ⅱ＜600±1.5℃負柔軟＞1100±0.25%t鉑銠30-鉑銠B正較硬0.0330~16001800Ⅲ600~900±4℃負稍軟＞800±0.5%t鎳鉻-鎳硅K正不親磁4.0960~12001300Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t負稍親磁Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t鎳鉻硅-鎳硅N正不親磁2.774-200~12001300Ⅰ-40~1100±1.5℃或±0.4%t負稍親磁Ⅱ-40~1300±2.5℃或±0.75%t鎳鉻-康銅E正暗綠6.319-200~760850Ⅱ-40~900±2.5℃或±0.75%t負亮黃Ⅲ-200~40±2.5℃或±1.5%t銅-康銅T正紅色4.279-200~350400Ⅱ-40~350±1℃或±0.75%t負銀白色Ⅲ-200~40±1℃或±1.5%t鐵-康銅J正親磁5.269-40~600750Ⅱ-40~750±2.5℃或±0.75%t負不親磁1.鉑銠10-鉑熱電偶（S型）貴金屬熱電偶。電極線徑規(guī)定為0.5mm， 正極（SP）的名義化學成分為鉑銠合金 負極（SN）為純鉑，故俗稱為單鉑銠熱電偶。 長期最高使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)和使用壽命長，物理化學性能良好，在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化和惰性氣氛中。缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，因此一次性投資較大。2.鉑銠30-鉑銠6（B型）為貴金屬熱電偶。熱偶絲線徑規(guī)定為0.5mm， 正極（BP）和負極（BN）的名義化學成分均為鉑銠合金，只是含量不同，故俗稱為雙鉑銠熱電偶。 長期最高使用溫度為1600℃，短期最高使用溫度為1800℃。優(yōu)點：準確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等，適用于氧化性和惰性氣氛中，也可短期用于真空中，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸汽中；參比端不需進行冷端補償，因為在0～50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。缺點：熱電率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，貴金屬材料昂貴。3.鎳鉻-鎳硅熱電偶（K型）使用量最大的廉金屬熱電偶，用量為其他熱電偶的總和 正極（KP）的名義化學成分為：Ni:Cr=90:10， 負極（KN）的名義化學化學成分為Ni:Si=97:3。 其使用溫度為-200～1300℃。優(yōu)點：線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復現(xiàn)性均好，抗氧化性強，價格便宜。能用于氧化性和惰性氣氛中。K型熱電偶不能在高溫下直接用于硫、還原性或還原、氧化交替的氣氛中，也不能用于真空中。4.鎳鉻-銅鎳熱電偶（E型）稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。 其正極（EP）為鎳鉻10合金，化學成分與KP相同，負極（EN）為銅鎳合金，名義化學成分為55%的銅、45%的鎳以及少量的鈷、錳、鐵等元素。該熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標準熱電偶之最，宜制成熱電偶堆來測量微小溫度變化。E型熱電偶可用于濕度較大的環(huán)境里，具有穩(wěn)定性好，抗氧化性能高，價格便宜等優(yōu)點。但不能在高溫下用于硫、還原性氣氛中。標準化熱電偶熱電勢和溫度的關系表6.3.3標準化熱電偶的特性熱電偶種類優(yōu)點缺點B適于測量1000℃以上的高溫常溫下熱電動勢極小，可不用補償導線抗氧化、耐化學腐蝕在中低溫領域熱電動勢小，不能用于600℃以下靈敏度低熱電動勢的線性不好R、S精度高、穩(wěn)定性好，不易劣化抗氧化、耐化學腐蝕可作標準靈敏度低不適用于還原性氣氛(尤其是H2、金屬蒸氣)熱電動勢的線性不好價格高N熱電動勢線性好1200℃以下抗氧化性能良好短程表序結構變化影響小不適用于還原性氣氛同貴金屬勢電偶相比時效變化大K熱電動勢線性好1000℃下抗氧化性能良好在廉金屬熱電偶中穩(wěn)定性更好不適用于還原性氣氛同貴金屬熱電偶相比時效變化大因短程有序結構變化而產(chǎn)生誤差E在現(xiàn)有的熱電偶中，靈敏度最高同J型相比，耐熱性能良好兩極非磁性不適用于還原性氣氛熱導率低具有微滯后現(xiàn)象J可用于還原性氣氛熱電動勢較K型高20%左右鐵正極易生銹熱電特性漂移大T熱電動勢線性好低溫特性好產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好可用于還原性氣氛使用溫度低銅正極易氧化熱傳導誤差大6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補償6.3.4標準化熱電偶6.3.5非標準化熱電偶6.3.6熱電偶結構型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.5非標準化熱電偶名稱熱電極材料使用溫度范圍(℃)過熱使用溫度范圍(℃)特征正極負極鎢萊系Wre5、Wre3Wre26、Wre250～23003000適用于還原性、H2及惰性氣體。質(zhì)脆鉑銠系PtRh20、PtRh40PtRh5、PtRh20300～15001100～160018001800在高溫下使用，熱電動勢小，其它性能與R型相同銥銠系Ir、Ir、IrIrRh40、IrRh50、IrRh601100～20002100適用于真空、惰性氣體及微氧化性氣氛。質(zhì)脆鎳鉬系NiNiMo180～1280/可用于還原性氣氛，熱電動勢大鈀鉑系Pd、Pt及Au合金Au、Pd合金0～11001300耐磨性能強，熱電動勢的大小基本上與K型相同鎳鉻、金鐵以Ni-Cr為主的合金含0.07mo1%Fe的合金0～300K/20K以下熱電動勢比較大，熱電動勢的線性好銀金、金鐵含Au為0.37mo1%的合金含0.03mo1%Fe的Au-Fe合金1～40K/熱電動勢小，受磁場影響6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補償6.3.4標準化熱電偶6.3.5非標準化熱電偶6.3.6熱電偶結構型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.6熱電偶結構型式為保證熱電偶的正常工作，熱電偶的兩極之間以及與保護套管之間都需要良好的電絕緣，而且耐高溫、耐腐蝕和沖擊的外保護套管也是必不可少的。

1.普通型裝配式結構

2.柔性安裝型鎧裝結構1.普通型裝配式結構（a）1—接線柱；2—接線座；3—絕緣套管；4—熱電極（b）1—測量端；2—熱電極；3絕緣套管；4—保護管；5—接線盒2.柔性安裝型鎧裝結構測量端的熱容量小，響應速度快，繞性好，可彎曲，可以安裝在狹窄或結構復雜的測量場合，耐壓、耐振、耐沖擊3.薄膜熱電偶熱電偶的接點可以做得很小，具有熱容量小，反應速度快等特點，適用于微小面積上的表面溫度和快速變化的動態(tài)溫度測量6.3熱電偶傳感器6.3.1熱電偶測溫原理6.3.2熱電偶的基本定律6.3.3熱電偶的冷端處理和補償6.3.4標準化熱電偶6.3.5非標準化熱電偶6.3.6熱電偶結構型式6.3.7熱電偶安裝注意事項6.3.7熱電偶安裝注意事項1.插入深度要求 測量端應有足夠的插入深度，應使保護套管的測量端超過管道中心線5~10mm。2.注意保溫 為防止傳導散熱產(chǎn)生測溫附加誤差，保護套管露在設備外部的長度應盡量短，并加保溫層。3.防止變形 應盡量垂直安裝。在有流速的管道中必須傾斜安裝，若需水平安裝時，則應有支架支撐。管道內(nèi)溫度測量熱電偶安裝示意圖6.3.8熱電偶非線性補償與應用1.熱電偶非線性補償熱電偶測溫硬件線性化原理框圖6.3.8熱電偶非線性補償與應用2.熱電偶測溫應用熱電偶測量單點溫度原理圖6.3.8熱電偶非線性補償與應用2.熱電偶測溫應用熱電偶測量兩點溫差原理圖6.3.8熱電偶非線性補償與應用2.熱電偶測溫應用熱電偶測量平均溫度原理圖6.3.8熱電偶非線性補償與應用2.熱電偶測溫應用單片熱電偶冷端補償電路應用6.3.8熱電偶非線性補償與應用2.熱電偶測溫應用熱電偶爐溫測量控制系統(tǒng)原理圖Endthe6.36.4非接觸式測溫

高溫測量中應用最廣泛，主要應用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。任何物體處于絕對零度以上時，都會以一定波長電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。測量時，只需把溫度計光學接收系統(tǒng)對準被測物體，而不必與物體接觸，因此可以測量運動物體的溫度并不會破壞物體的溫度場。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達到被測物體的實際溫度，從理論上講，它沒有上限，可以測量高溫。非接觸測溫儀表分類：光學高溫計、輻射式溫度計6.4非接觸式測溫6.4.1熱輻射基本定理6.4.2光學高溫計6.4.3光電高溫計6.4.4輻射溫度計6.4.5比色溫度計6.4.1熱輻射基本定理

輻射換熱是三種基本的熱交換形式之一

波長范圍：10-3m～10-8m在低溫時，物體輻射能量很小，主要發(fā)射的是紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增加，輻射光譜也向短波方向移動，在5000C左右時。輻射光譜包括了部分可見光；到8000C時可見光大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果到30000C時，輻射光譜包括更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。輻射測溫的基本原理：觀察灼熱物體表面的“顏色”來大致判斷物體的溫度。輻射能的分配當物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會發(fā)生部分能量吸收、透射和反射α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。Q—輻射能單位為焦耳(J)物體分類：

黑體（絕對黑體）： 照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無反射也無透射。

透明體： 照射到物體上的輻射能全部透射過去，既無吸收又無反射。鏡體、白體： 照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為“鏡體”；若反射無一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對白體”或者簡稱為“白體”。在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的τ值很小或等于零，而氣體的τ值較大。對于一般工程材料來講，τ＝0而α+ρ=1，稱為灰體

從傳熱學角度看，可以人為制造黑體熱輻射的重要參數(shù)①輻射能Q

以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能，單位為焦耳(J)。②輻射能通量是輻射能隨時間的變化率，又稱輻射率：

其單位是瓦特(W)。③輻射強度I

在給定方向上的立體角單元內(nèi)，離開點輻射源(或輻射源面單元)的輻射功率除以該立體角單元，稱為該方向上的輻射強度，其單位為瓦/球面度(W/sr)。熱輻射的重要參數(shù)④輻射出射度M

離開輻射源表面一點處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱為該點的輻射出射度，即

(6.4.2)

輻射出射度的單位為瓦/米2(W/m2)。⑤輻射亮度L和光譜輻射亮度表面一點處的面元在給定方向上的輻射強度，除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為該方向的輻射亮度L。輻射亮度實際上包括所有波長的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長的輻射能量則稱為在此波長下的光譜輻射亮度。基爾霍夫定律各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體的性質(zhì)無關，是物體的溫度和發(fā)射波長的函數(shù)式中：M0(λ,T),M1(λ,T),M2(λ,T)―物體的單色(λ)輻射出射度；

α0(λ,T),α2(λ,T),α2(λ,T)―物體的單色(λ)吸收率。若物體A0絕對黑體，那么α0(λ,T)

，根據(jù)基氏定律物體的輻射出射度和吸收率之比等于絕對黑體在同樣的溫度下，相同波長時的輻射出射度。這是基氏定律的另一種說法。設M(λ,T)為物體A在波長為λ

，溫度為T下的輻射出射度。式中，ε稱為物體A的單色輻射率，或稱為單色黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度和波長下，物體A的輻射出射度與相同溫度和波長下黑體的輻射出射度之比?；鶢柣舴蚨烧f明，物體的輻射能力與它的吸收能力是相同的

在全波長內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長的輻射出射度在全波長內(nèi)的積分式中，A(T)－物體A在溫度T下的全吸收率，

M0(T)－黑體在溫度T下的全輻射出射度?；隙傻姆e分形式為它表明了在一定的溫度T下，物體A的輻射出射度與相同溫度下黑體的輻射出射度之比。一般物體的εT<1，εT越接近1,表明它與黑體的輻射能力越接近。黑體輻射定律①普朗克定律(單色輻射強度定律)②維恩公式③斯蒂芬－波爾茲曼定律（全輻射強度定律，也稱為四次方定律）

①普朗克定律(單色輻射強度定律)溫度為T的單位面積元的絕對黑體，在半球面方向所輻射的波長為的輻射出射度為式中，c―光速；

h―普朗克常數(shù)，6.626176×10-34J·s；

k―波爾茲曼常數(shù)，1.38066244×10-23J/K；

C1―第一輻射常數(shù)，＝3.7418×10-16W·m2；

C2―第二輻射常數(shù)，＝1.4388×10-12m·K；

T―絕對溫度。公式結構比較復雜，但是它對于低溫與高溫都是適用的

②維恩公式理論上說明了黑體在各種溫度下能量波長分布的規(guī)律公式簡單，但是僅適用于不超過3000K的溫度范圍黑體的輻射本領是波長和溫度的函數(shù)，當波長一定時，黑體的輻射本領就僅僅是溫度的函數(shù)，即上式就是光學高溫計和比色高溫計測溫的理論根據(jù)

③斯蒂芬－波爾茲曼定律溫度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。式中，σ―斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，5.66961×10-3W/(m2·K4)。上式就是輻射式溫度計測溫的理論根據(jù)。全輻射強度定律是單色輻射強度定律在全波長內(nèi)積分的結果。6.4非接觸式測溫6.4.1熱輻射基本定理6.4.2光學高溫計6.4.3光電高溫計6.4.4輻射溫度計6.4.5比色溫度計6.4.2光學高溫計

精密光學高溫計用于科學實驗中的精密測試；

標準光學高溫計用于量值的傳遞，例如，在物質(zhì)熔點、熱容量和相變點的測定中使用。 光學高溫計可用來測量800～32000C的高溫。 由于采用用肉眼進行色度比較，所以測量誤差與人的經(jīng)驗有關。 光學高溫計測量的溫度稱為亮度溫度(TL)，被測對象為非黑體時，要通過修正才能得到非黑體的真實溫度。工業(yè)用光學高溫計分類隱絲式 利用調(diào)節(jié)電阻來改變高溫燈泡的工作電流，當燈絲的亮度與被測物體的亮度一致時，燈泡的亮度就代表了被測物體的亮度溫度。恒定亮度式 利用減光楔來改變被測物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫燈泡相比較，當兩者亮度相等時，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測物體的亮度溫度。由于隱絲式光學高溫計的結構和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應用廣泛。隱絲式光學高溫計光學系統(tǒng) 紅色濾波片，造成一個較窄的有效波長 吸收玻璃，目的是擴展量程 目鏡和物鏡是一套光學系統(tǒng)電測系統(tǒng)包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學高溫燈泡：標準輻射源 電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測量電路原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。WGG2-201型光學高溫計1－物鏡；2－吸收玻璃；3－燈泡；4－紅色濾波片；5－目鏡；6－指示儀器；7－滑線電阻；E－電源；K－開關；R1－刻線調(diào)整電阻亮度溫度

為了校正光學高溫計測量非黑體的溫度比真實溫度偏低的偏差。定義：當被測物體為非黑體，在同一波長下的光譜輻射亮度同絕對黑體的光譜輻射亮度相等時，則黑體的溫度稱為被測物體在波長為時的亮度溫度。左邊為非黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度根據(jù)維恩公式有對上式兩邊取對數(shù)，并加以整理，得式中，ελT―被測物體在溫度為，波長為時的單色黑度系數(shù)；

T―被測物體的真實溫度；

TL―被測物體的亮度溫度。已知物體的單色黑度系數(shù)，就可以通過亮度溫度求出物體的真實溫度。6.4非接觸式測溫6.4.1熱輻射基本定理6.4.2光學高溫計6.4.3光電高溫計6.4.4輻射溫度計6.4.5比色溫度計6.4.3光電高溫計光學高溫計是由人工操作來完成亮度平衡工作的，其測量結果帶有操作者的主觀誤差。它不能進行連續(xù)測量和記錄，當被測溫度低于8000C時，光學高溫計對亮度無法進行平衡。光電高溫計是在光學高溫計測量理論的基礎上發(fā)展起來的一種新型測溫儀表。它采用新型的光電器件，自動進行平衡，達到連續(xù)測量的目的。主要特點：①采用光敏電阻或者光電池作為感受輻射源的敏感元件來代替人眼的觀察；②采用一參考輻射源與被測物體進行亮度比較，由光敏元件和電子放大器組成鑒別和調(diào)整環(huán)節(jié)，使參考輻射源在選定的波長范圍內(nèi)的亮度自動跟蹤被測物體的輻射亮度，當達到平衡時即可得到測量值；③在平衡式測量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有變化，對測量結果影響較小，參考輻射源選用鎢絲燈泡，能保持較高的穩(wěn)定性，因此具有較高的精度和連續(xù)測量的特性；④設計了手動值修正環(huán)節(jié)，可顯示物體的真實溫度；⑤采用新型光敏元件，測量范圍寬，約為200～16000C。WDL-31型光電高溫計的工作原理1－物鏡；2－同步信號發(fā)生器；3－調(diào)制鏡；4－微電機；5－反光鏡；6－聚光鏡；7－參比燈；8－探測元件(1)瞄準光路由物鏡對0.5m～處被測物體調(diào)焦成像在分劃板上。通過目鏡組可清晰地觀察到被測物體的瞄準部位1－調(diào)制鏡；2－微電機；3－反光鏡；4－可變光闌；5－聚光鏡組；6－參比燈；7-目鏡組8、9