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1、热工仪表及测量技术,孟献丰主讲,温度是工业生产和科学实验中一个非常重要的参数。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关。许多生产过程都是在一定的温度范围内进行的，需要测量温度和控制温度。 随着科学技术的发展，对温度的测量越来越普遍，而且对温度测量的准确度也有更高的要求。,第一节 概 述,一、温度 温度是表征物体冷热程度的物理量; 温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量; 温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。 温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们之间必然会发生热交换现象，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热
2、传递现象才能停止。,虽然有不少物体的某些性质或状态（如电阻、体积、电势等）会随温度的变化而变化，但并不是所有的物质都可制作成温度计。选作温度计的物质，其性质必须满足以下条件： 物质的某一属性G仅与温度T有关，即G = G(T)，且必须是单调函数，最好是线性的。 随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强，以保证仪表的灵敏度和测量精确度。 应有较宽的测量范围。 有较好的复现性和稳定性。,二、温标 为了定量地描述温度高低，必须建立温度标尺，即温标。 温标是温度数值化的标尺，它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。 历史上提出过多种温标，如早期经验温标（摄氏
3、温标和华氏温标），理论上热力学温标，当前世界通用的国际温标。,1、摄氏温标 所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份温度定义为1摄氏度，单位为。,2、华氏温标 标准大气压力下，水的冰点为32度，沸点是212度，分为180等份，每份温度定义为华氏1度，摄氏温度和华氏温度的关系为,类似的经验温标还有兰氏、列氏等。 经验温标的缺点在于它的局限性和随意性。,3、热力学温标 热力学温标是英国物理学家开尔文(Kelvin)于1848年以热力学第二定律为基础所引出的与测温物质无关的温标。热力学温标是以卡诺循环为基础。
4、 卡诺定律指出，一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，其效率只与热源和冷源的温度有关。假设热机从温度为T2的热源获得的热量为Q2，放给温度为T1的冷源的热量为Q1，则有,开尔文引出此温标后，于1854年建议用一个固定点来确定此温标。人们发现水的三相点(273.16K)的稳定性能长期维持在0.1mK范围内。因此，1954年第10届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温际的基本固定点。此温标的表达式为： 这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基
5、准。,4、国际实用温标 为了使用方便，国际上经协商，决定建立一种既使用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这就是国际温标的由来。,具备的条件： 尽可能接近热力学温标； 复现精度高，各国均能以很高的准确度复现同样的温标，确保温度量值的统一； 用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定。,国际实用温标是用来复现热力学温标的，简称IPTS-68，它是由1968年国际权度会议通过的。这个温标经过20多年使用，发现了一些问题，已无法满足现代科学发展对温度测量的要求。国际计量委员会决定用1990年国际温标（ITS-90）代替IPTS-68。 在1990年国际温标中指出，热力学温标是基本物理量。单位开尔文
6、，符号为K。它规定水的三相点热力学温度为273.16K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的1/273.16。,在ITS-90中同时使用国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90），其关系为 t90 = T90 273.15 T90单位为开尔文（K），t90单位为摄氏度（）。这里所说的摄氏度符合国际实用温标（ITS-90）的规定。,ITS-90的一些规定如下： 由0.65K到4He临界点（5.2K）温度范围为一温度段，在此温度段内用3He和4He周期压力与温度的关系来确定温度。 由4He沸点（4.2K）到氖三相点（24.6K）温度范围内，T90的确定采用在三个规定温度点分度过
7、的3He或4He气体温度计内插。这三个点分别是氖三相点（24.6K）、平衡氢三相点（13.8K）和4He正常沸点（4.2K）。 由平衡氢三相点（13.8K）到银凝固点（962），这个温度段内，标准仪器应用铂电阻温度计。 银凝固点（962）以上温度区间采用普朗克定律外推。,三 、温度计分类,1、温度测量方法,(1) 温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复杂的测温传感器, 就测量系统的功能而言，通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成，如图 11 - 1 所示。简单的温度传感器往往是温度传感器和显示组成一体的，一般在现场使用。,(2) 温度测量方法及分类：测量方法按感温元件是否与被测介
8、质接触, 可以分成接触法与非接触法两大类。,a. 接触法 当两个物体接触后，经过足够长时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。 特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，使两者达到热平衡。,b. 非接触法 利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法。 特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小。 通常用来测定1000以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。,按工作原理来划分，也根据温度范围（高温、中温、低温等）或仪表精度（基准、标准等）来划分。,(3) 测量仪表的
9、分类 接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被测介质接触，感受被测物体或被测介质的温度变化。,非接触式测温仪表是采用感温元件与被测物体不直接接触的方法来测量温度。 在高温范围内，用直接接触测温法非常困难，可采用非接触式测温法，利用物体的热辐射特性对物体的温度进行非接触式测量。 光学高温计、比色高温计、辐射高温计,表2 常用的测温仪表特点,根据液体、 固体、 气体受热时产生热膨胀的原理，这类温度传感器有液体膨胀式、 固体膨胀式和气体膨胀式。1 液体膨胀式 在有刻度的细玻璃管里充入液体（称为工作液，如水银、 酒精等）构成液体膨胀式温度计。常用的有水银玻璃温度计和酒精温度计， 这种温度计远不
10、能算传感器, 它只能就地指示温度。这是应用最早而且使用最广泛的一种温度计，典型结构如图所示。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。,第二节 膨胀式温度传感器, 2 固体膨胀式 固体膨胀式是以双金属元件作为温度敏感元件受热而产生膨胀变形来测温的。它由两种线膨胀系数不同的金属紧固结合而成双金属片为提高灵敏度常作成螺旋形。螺旋形双金属片一端固定, 另一端连接指针轴, 当温度变化时, 双金属片弯曲变形, 通过指针轴带动指针偏转显示温度。 它常用于测量-80600范围的温度, 抗震性能好，读数方便, 但精度不太高, 用于工业过程测温、 上下限报警和控制。 图为双金属温度计的结构示意图。,3 气体膨胀式 气体
11、膨胀式是利用封闭容器中的气体压力随温度升高而升高的原理来测温的, 利用这种原理测温的温度计又称压力计式温度计, 如图所示。温包、毛细管和弹簧管三者的内腔构成一个封闭容器, 其中充满工作物质（如气体常为氮气）, 工作物质的压力经毛细管传给弹簧管, 使弹簧管产生变形, 并由传动机构带动指针, 指示出被测温度的数值。,压力温度计结构简单、抗振及耐腐蚀性能好, 与微动开关组合可作温度控制器用, 但它的测量距离受毛细管长度限制, 一般充液体可达20m, 充气体或蒸汽可达60m。,第三节 热电偶传感器,热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。 它将温度信号转换成电势（mV）信号，配
12、以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。 具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。 它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。 并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。,1. 热电偶测温原理 两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路，如图所示。当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应，称回路电势为热电势。,两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结称
13、工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。,热电偶所产生的热电势由两部分组成: 温差电势和接触电势。,（1）接触电势 两种不同导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果NANB电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电势。 接触电势的数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。两接点的接触电势EAB(T)和EAB（T0）可表示为,式中: K波尔兹曼常数; e单位电荷电量; NAT、NBT和NAT0、NBT0分别在
14、温度为T和T0时, 导体A、B的电子密度。 ,从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。 温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。,（2）温差电势 同一导体的两端温度不同时, 高温端的电子能量要比低温端的电子能量大, 因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多, 结果高温端因失去电子而带正电, 低温端因获得多余的电子而带负电, 因此, 在导体两端便形成接触电势, 其大小由下面公式给出: 式中: NAT和NBT分别为A导体和B导体的电子密度, 是温度的函数。 ,（3）热电偶回路的热电势 热电偶回路中产生的
15、总热电势为 AB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0)+EB(T, T0)-EA(T, T0) 在总热电势中, 温差电势比接触电势小很多, 可忽略不计, 热电偶的热电势可表示为 EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0) 对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0)=c 为常数, 则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系, 即 EAB(T, T0)=EAB(T)-c=f(T),两个 热电极,热电偶接点,从以上式子可以得到如下结论：,热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。 只有用两种不同性质
16、的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。 热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒定，则f（T0）为常数，回路总热电势EAB（T，T0）只是温度T的单值函数。 工程上所使用的各种类型的热电偶均把E(t)和t的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。,2. 热电偶基本定律 （1）均质导体定律：由一种均质导体组成的闭合回路中, 不论导体的截面和长度如何以及各处的温度分布如何, 都不能产生热电势。这条定理说明, 热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。 （2）中间导体定律：在热电偶测温回路内, 接入第三种导体, 只要其两端温度相同, 则对回路的总热电势没有影响。,接入第三种导体回路如图所示。 由于温差电势可忽略不计, 则回路中的总热电势等于各接点的接触电势之和。 即 EABC(T,T0)=EAB(T)+EBC(T0)+ECA(T0)
