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1、第二章 温度检测与仪表,第一节 温标及测温方法 第二节 热电偶温度计 第三节 电阻温度计 第四节 辐射温度计 第五节 测温仪表的选择及安装 第六节 新型温度传感器 第七节 工业特殊测温技术,第一节温标及测温方法,一、温标 温度的数值表示称为温标。它利用一些物质的“相平衡温度”作为固定点刻在“标尺”上，而固定点中间的温度值则是利用一种函数关系(内插函数或称为内插方程)来描述。各类温度计的刻度均由温标确定。 温标三要素：温度计、固定点和内插方程。 温标不是温度标准(Temperature Standard)，而是温度标尺(Temperature Scale)的简称。 国际上规定的温标有很多种，最常
2、用的是华氏温标(美国)、摄氏温标、热力学温标等。,热力学温标/开氏温标/绝对温标(K),热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文(Kelvin)根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标，其起点为绝对零度，故又称绝对温标。它的符号是T，单位是开尔文(K)。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,国际实用温标(IPTS-90/ITS-90),国际实用温标(international practical temperature scale)也称国际温标，是一种国际协议性温标，它与热力学温标接近，且复现精度高，使用方便。国际计量委员会第18界国际计量大会(CGPM)第七号决议，授权予1989
3、年会议通过“1990国际温标ITS-90”，并从1990年1月1日开始在全世界范围内采用【我国1994.1.1开始全面实施】。它定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式，例如水的三相点为273.16K(0.01C)等。,二、测温方法及分类,测温方法很多种，可分为： 按测量方法可分为接触式和非接触式； 按工作原理可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等； 按输出方式分，有自发电型、非电测型等； 按用途分，有基准温度计和工业温度计。,应用热膨胀原理测温,测量原理,物体受热时产生膨胀,液体膨胀式温度计,固体膨胀式温度计,玻璃管温度计,双金属温度计,体积热膨胀式,不需要电源，
4、耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。 优点：结构简单、可靠，测温精度较高。 缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的延迟现象，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。不适于直接对腐蚀性介质测量。,非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或测温元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能大小推出被测对象的温度。 优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对
5、象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。 缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵。,第二节 热电偶温度计,热电偶是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小等特点，输出信号为电信号便于远传或信号转换。 热电偶可用来测量流体、固体以及固体壁面的温度，微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,赛贝克实验与赛贝克效应(热电效应),1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点，发现放在回路中的指南针发生偏转，如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减
6、小。 【结论】指南针的偏转说明：不同金属组成闭合回路时，回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。,一、热电偶测温原理,热电偶温度计是根据热电效应工作的。当两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路(如下图)，如果两个结合点处的温度不相等，则回路中就会有电流产生。也就是回路中会有电动势存在，这种现象叫做热电效应，该效应首先由赛贝克发现，故也称赛贝克效应。,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,热电偶原理图,T,T0,A,B,冷端,热端,自由端,工作端,热电偶有关术语,两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路，如果两个结合
7、点处的温度不相等，则该回路中就会有电动势产生，称该现象为热电效应。 回路中所产生的电动势称为热电势。 称导体A,B为热电极。 其中一个接点通常是焊接在一起被置于测温场感受被测温度，称为测量端、热端或工作端；而另一个接点远离测量端，且要求温度恒定，称为自由端、冷端或参比端。,(一)接触电势,电子密度不同的导体或半导体材料相互接触时，在其接点处产生电势，该电势主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低：,式中 NA(T)和NB(T) 材料A和B在温度T时的电子密度； e 单位电荷，4.80210-10绝对静电单位； K 波尔兹曼常数，1.3810-23J/； T 材料温度，K。,NANB,(二)温
8、差电势,由于两端温度不同，在导体或半导体材料两端产生电势，温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关 ：,式中 N材料的电子密度，是温度的函数； T,T0材料两端的温度； t沿材料长度方向的温度分布。,E(T,T0),(三)热电偶闭合回路的总热电动势,闭合回路总热电动势应为接触电势和温差电势的代数和，即 ：,结论：(1)只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，且两端温度必须不同；(2)热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点处的温度有关，与热电偶丝的大小尺寸及沿程温度分布无关。,二、 热电偶的基本定律(性质),(一)均质材料定律 由一种均质材料组成的闭合回
9、路，不论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。 它要求组成热电偶的两种材料A 和B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热电势，引入不均匀性误差。因此在进行精密测量时要尽可能对电极材料进行均匀性检查和退火处理。该定律是同名极法检定热电偶的理论根据。,(二)中间导体定律,在热电偶测温回路中插入第三种(或多种)导体(如图中导体C)，只要其两端温度相同，则热电偶回路的总热电势与串联的中间导体无关【证明请参考教材2.2.2.2节】。 应用：金属熔体温度与金属表面温度测量。,(三)中间温度定律,在热电偶测温回路中，测量端的温度为T，连接导线各端点的温度分别为
10、Tn和T0(见图)，如A与A，B与B的热电性质相同，则总的热电动势等于热电偶的热电动势EAB(T,Tn)与连接导线的热电动势EA B (Tn ,T0)的代数和，其中Tn为中间温度，即 EABBA(T,Tn,T0)= EAB(T,Tn)+ EAB (Tn,T0) = EAB(T,Tn)+ EAB (Tn,T0),中间导体定律和中间温度定律是工业热电偶测温中应用补偿导线的理论依据。,(四)参考电极定律,两种导体A，B分别与参考电极C(标准电极)组成热电偶(如图)，如果它们所产生的热电动势为已知，那么，A与B两热电极配对后的热电动势可按下式求得： EAB(t,t0)= EAC(t,t0)+ ECB(
11、t,t0),人们多采用高纯铂丝作为参考电极，这样可大大简化热电偶的选配工作。,三、热电偶结构,典型工业用热电偶结构如图所示。它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。,热 电 极：一般金属0.53.2mm，昂贵金属0.30.6mm，长度与被测物有关，一般在3002000mm，通常在350mm左右。 绝 缘 管：隔离热电偶与被测物，一般在室温下要5M以上。 保护套管：避免受被测介质的化学腐蚀或机械损伤。 接 线 盒：固定接线座，连接补偿导线。,热电极材料要求,(1) 应输出较大的热电势，以得
12、到较高的灵敏度，且要求热电势E(t)和温度t之间尽可能地呈线性函数关系； (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) 要求热电偶材料有较高的导电率和较低的电阻温度系数； (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。,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶结构,接线盒,引出线套管,固定螺纹 (出厂时用塑料包裹),热电偶工作端(热端),不锈钢保护管,四、热电偶的分类,(一)标准热电偶 国际电工委员会(IEC)推荐的工业用标准热电偶为八种(目前我国的国家标准与
13、国际标准统一)： B 、R、S、K、N、E、J、T 。 S、R、B三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，称贵金属热电偶。K、N、T、E、J五种热电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成，称为廉价金属热电偶。 工业用标准热电偶基本性能见表2-1。,表2-1 工业用热电偶测温范围,(二)非标准化(特殊)热电偶,1、铠装热电偶 结构：将热电偶丝用无机物绝缘及金属套管封装，压实成可挠的坚实组合体(如图)。 特性：惯性小；挠性、机械强度及耐压性能好。 适用场合：可用于快速测温或热容量很小的物体的测温部位，结构坚实可耐强烈的振动和冲击，还可用于高压设备上测温。,1-金属套管；2-绝缘材料；3-热
14、电极,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管(铠体),B,A,绝缘 材料,铠装型热电偶横截面,2、快速微型热电偶,特性：测温元件小，响应速度快，无需定期维修，准确度较高； 适用场合：高温熔体(钢水、铁液等金属熔体)的温度测量。目前我国有两类快速热电偶，即快速铂铑热电偶与快速钨铼热电偶。,1-外保护帽；2-U形石英管；3-外纸管；4-绝热水泥； 5-热电偶自由端；6-棉花；7-绝热纸管；8-小纸管； 9-补偿导线；10-塑料插件,3、薄膜式热电偶,结构特点：采用真空蒸镀或化学涂层等制造工艺将两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，形成薄膜状热电偶，其热端接点极薄，约0.0
15、10.1m。 适用场合：适于壁面温度300的快速测量。,1-热电极；2-工作端；3-绝缘基板；4-引出线,4、钨铼系热电偶,钨铼热电偶是最成功的难熔金属热电偶，可以测到24002800高温。 它的特点是在高温下易氧化，只能用于真空和惰性气氛中。热电势率大约为S型的2倍，在2000时的热电势接近30mV，价格仅为S型的1/10。 WRe热电偶已成为冶金、材料、航天、航空及核能等行业中重要的测温工具。,五、热电偶冷端温度补偿,为什么要进行冷端温度补偿 (1)根据热电偶测温原理【E(t,t0)f(t)f(t0)】，只有当参比端温度t0稳定不变且已知时，才能得到热电势E和被测温度t的单值函数关系。 (
16、2)实际使用的热电偶分度表中热电势和温度的对应值是以t0=0为基础的，但在实际测温中由于环境和现场条件等原因，参比端温度t0往往不稳定，也不一定恰好等于0，因此需要对热电偶冷端温度进行处理。 常用的冷端补偿方法有如下几种。,(一)零度恒温法(冰浴法),这是一种精度最高的处理方法，可以使t0稳定地维持在0。将碎冰和纯水的混合物放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水混合物中，在试管底部注入适量的油类或水银，热电偶的参比端就插到试管底部，满足t0=0的要求。,mV,A B,T,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,A B,(二)计算修正法,原理：在没有条件实现冰点法时，可以设法把参比端置于已知的恒温条件，得到稳定的t0，故可根据分度表查得E(t0,0)；根据中间温度定律公式计算得到E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)。然后根据所测得的热电势E(t,t0)和查到的E(t0,0)二者之和再去查热电偶分度
