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1、第6章 温度测量,一、体温的分类,机体各部分的温度是不相同的，通常以下面三个部位作为代表： 1体表温度 2深部温度 3器官温度,第一节 温度测量概述,二、按测量原理可分为：,(1)热膨胀式：热膨胀效应 (2)热电式：热电效应 (3)热阻式：热电阻效应 (4)液晶式：温度效应 (5)晶体管式：PN结正向电压降的温度效应 (6)热辐射式：热辐射成象原理 (7)其它：石英晶体固有频率温度效应；某些化合物的固液相温度突变特性,按测量方式可以分为： 接触式和非接触式两种。 除热辐射法属于非接触式测量外，其它均属于接触式测量法。,二、体温的测量方法,6.2 液体膨胀式体温计,液体膨胀式温度计是一种普通而简
2、单的直读式测温仪器，一直在临床广泛应用。 液体体温计的优点是简便、准确、直观、价廉。 其主要缺点是无法自动记录和显示，因而不宜用于长时间连续测温。,分两种，即口腔计和肛门计，计量范围为3542，测量精度为0.05。,第二节 液体膨胀式体温计,优点：简便、准确、直观、价廉。 缺点：无法自动记录和显示，不宜连续测温。,蓝芯体温计的横截面示意图,热电偶传感器是一种能将温度信号转换成电动势的传感器。 结构简单，制造容易，使用方便，热电偶的电极不受大小和外形的限制，不要外加电源； 测温范围广，高温热电偶可达1800以上, 低温用热电偶可达- 269； 测量精确度较高； 便于远距离测量、自动记录及多点测量
3、。,6.3 热电偶式温度变换器,一、热电效应及其基本定律,两种不同材料的金属焊接或绞接在一起组成闭合电路，如果接点温度不同，就会在回路中产生一个电动势，这一热能和电能互相转化的现象称为热电效应，也称温差电效应。它是由塞贝克( Seebeck)于1823年首先发现的，所以也称塞贝克效应。,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,6.3.1热电偶的工作原理,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,6.3.1结点产生热电势的微观解释及图形符号,两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点
4、处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,自由电子,A,B,eAB（ T ）,T,热电偶组合起来用以测温的一对金属丝称为热电偶。 热电极不同材料的两根金属丝A和B 测温端(或工作端、热端)接点 l通常用焊接的方法连接在一起，并被放置在待测温度场中， 参考端(或冷端、自由端)接点2一般要求恒定在某一参考温度上，,1.3 热电偶的概念,1.4热电偶测温理论依据,热电偶所产生的热电势仅随测温端温度而变化，它是待测温度的单值函数。 热电偶热电势的大小，只是与导体材料有关，与冷热端的温度差有关，与导体的粗细长短及两
5、导体接触面积无关。,1.5 热电偶基本规律,(1) 均质导体定律 (2) 中间导体定律 (3) 参考电极定律 (4) 中间温度定律,几种热电极与铂热电极配成热电偶的热电势和热端温度的关系曲线。,1.6 热电偶基本规律应用举例,(1) 热电势大，具有良好的线性度； (2) 具有一定的测温范围； (3)有较小的电阻率；电阻温度系数和比热要小。 (4)组织均匀、性能一致、组分一定、复制性好。易于提纯、焊接性能好，有一定机械强度。成本适宜。,基本要求,6.3.2 热电偶的偶极材料,几种常见的金属热电极材料,3.1热电偶的制作,测量端要求接点外形圆滑、具有金属光泽、无沽污变质、无夹渣和裂纹，并且有一定的
6、结合强度。 接点的大小要适中，一般为热电极直径的两倍。 热接点通常采用焊接法成形。,图 (a)是测量口腔温、直肠温杆状热电偶式温度变换器示意图。 图 (b)是一种薄膜型片状热电偶结构示意图,3.2热电偶温度变换器结构,3.3 标准化热电偶,标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换，精度有一定的保证。 国际电工委员会（IEC）共推荐了8种标准化热电偶 直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。,标准化热电偶技术数据,标准化热电偶的特性,几种常用热电偶的热电
7、势与温度的关系曲线分析,哪几种热电偶的测温上限较高？,结论：,哪几种热电偶的线性较差？,哪一种热电偶的灵敏度较高？,哪一种热电偶的灵敏度较低？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,3.5 非标准化热电偶,四、热电偶参考端的温度补偿,参考端有可能暴露在环境温度场中，或者参考端温度的波动，使其不可能维持在0或其它某一预定的温度值上，这样就会给测量带来误差。,1参考端温度校正法 2参考端温度恒定法 3补偿电桥法 4补偿导线法,4.1参考端温度校正法,依据：热电偶中间温度定律 T需测量的温度 T0标定时参考端温度； T0实际使用时参考
8、端温度 方法：数值确定 T0高精度直测温度计测出实际的参考端温度 E( T、T0）测量值 E( T0、T0)标定曲线(或热电偶分度表)查出 算出E( T、T0)，再查对标定曲线(或分度表) 求得T值 特点：多次查算，比较麻烦。,例 用（S型）热电偶测量某一温度，若参比端温度Tn=30，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。,查分度表有E（30，0）= 0.173 mV,反查分度表有T=830，测量端实际温度为830,4.1.1 热电偶基本规律应用举例,2参考端温度恒定法,使热电偶参考端温度保持稳定，恒定于某温度,3. 补偿电桥法,利用直流不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷
9、端温度变化而引起的热电势的变化值 不及冰点恒温法精度高，但省去了恒温装置，在参考端温度波动不大(如5)，桥路设计良好时，可以有效地使基准温度稳定在0.2之内，所以有实际应用价值。,4补偿导线法,补偿导线的作用是将热电偶的参考端移至离测量端较远且环境温度比较稳定的地方。,EAB( T、T0)=EAB( T、Tn)+ EAB( Tn、T0) 回路的热电势为： EABBA( T、Tn、T0)=EAB( T、Tn)十 EAB( Tn、T0) 比较上面两式可见，如果EAB( Tn ,T0)=EAB( Tn, T0) 则： EABBA( T、Tn、T0)=EAB( T、T0),补偿导线使用时，应特别注意以
10、下几点：,(l)补偿导线必须与相应型号热电偶配用； (2)使用补偿导线时，极性不得接反； (3)热电偶和补偿导线连接点温度不得超过规定使用范围。 (4)由于补偿导线和热电极材料的热电特性只能是基本相同，两者之间总会有些微小差别，所以要求它们连接处的两接点温度必须相同，否则会引入误差。,补偿导线的型号、线芯材质和绝缘层着色,4.1.2参考段温度，校正法举例,右图所示为镍铬-镍硅（K）热电偶测温电路，热电极 A、B直接焊接在钢板上（V 型焊接），A 、B 为补偿导线，Cu为铜导线，已知接线盒1 的温t1=40C，冰瓶中为冰水混合物，接线盒 3 的温度t3=20.0C。,求：1）冰瓶的温度t 2；2
11、）将热电极直接焊在钢板上是应用了热电偶的什么定律？3）当Ux=2.436mV时，估算被测点温度t x ；4）如果冰瓶中的冰完全融化，温度上升，与接线盒1的温度相同，此时Ux=2.484mV，再求t x。,参考答案,（1）t2=0C； （2）中间金属定则； （3）根据中间温度定律，补偿导线A和B不影响原回路电动势大小，而所有节点都处于同一温度也不额外产生电动势，所以在参考温度为0C 时，查分度表有tx=30C (4) 根据中间温度定则E(T,0)=E(T,Tn)+E(Tn,0) Tn=20C，查分度表得E(Tn,0)=0.798 E(T,0)=1.638+0.798=2.436（mV） 再查分度
12、表知tx=60C,6.4 金属丝热电阻温度变换器,一、金属丝热电阻的基本特性 温度升高时，金属晶格的正离子热运动加剧，阻碍了自由电子的定向运动，使电阻率上升，电阻值增加，这就是金属电阻的热阻效应。,用来制作热电阻温度变换器的金属材料应具备如下特点：,(l) 化学特性和物理特性稳定； (2) 电阻率要足够大，具有大电阻温度系数。 (3) 材料要纯净，能够复制，保证互换性。 满足以上条件的纯金属材料并不多，常用的有四种：铂( Pt)、铜( Cu)、镍( Ni)和铁( Fe)。,四种金属电阻温度特性曲线,电阻温度系数的定义是：温度每变化 1时的热电阻的电阻变化率，其单位是 1。,1. 常用热电阻,
13、铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。 铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为50150。, 铂热电阻 目前最好材料,长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温复现性最好的一种温度计。,铂电阻的精度与铂的提纯程度有关,百度电阻比,W（100）越高，表示铂丝纯度越高， 国际实用温标规定，作为基准器的铂电阻，W（100）1.3925 目前技术水平已达到W（100）1.3930， 工业用铂电阻的纯度W（100）为1.3871.390。,铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t在200 t 0时：,当温度t在0 t 650时：,国内
14、统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）1.391， R0分为50和100两种，分度号分别为Pt50和Pt100， 其分度表（给出阻值和温度的关系）, 铜热电阻,应 用：测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围：50150 优 点： 温度范围内线性关系好，灵敏度比铂电阻高，容易提纯、加工，价格便宜，复制性能好。 缺 点： 易于氧化，一般只用于150以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量。 与铂相比，铜的电阻率低，所以铜电阻的体积较大。,铜电阻的阻值与温度之间的关系为,关系是线性的,工业上使用的标准化铜热电阻的R0 按国内统一设计取50和100两种， 分度号分别为Cu50和Cu100
15、， 相应的分度表可查阅相关资料。,二、金属丝热电阻温度变换器的结构及基本测量线路,金属丝热电阻温度变换器根据不同要求设计了各种不同的结构形式。例如：捧式、笼式、薄片式等等。,桥式测量线路原理图,误差源主要有三种：,(l)连接导线电阻的温度影响 (2)各接触点处的接触热电势的影响 (3)热电阻自热效应的影响,小结（八）,1、温度测量的方法 2、液体膨胀式温度体温计 3、热电偶温度传感器（原理、材料、结构和温度补偿） 4、热电阻温度传感器,材料：,特点：,（1）温度系数大 灵敏度高 （为热电阻10100倍）,（2）结构简单，体积小 可以测量点温度,（3）电阻率高、热惯性小 适于动态测温,（4）易于
16、维护、使用寿命长 适于现场测温,（6）互换性差，非线性严重，精度低,半导体热电阻（SiC） 金属氧化物，采用不同比例的配方，经高温烧结而成。,（5）成本低，应用广泛,一、热敏电阻,珠状、片状、杆状、垫圈（电子体温计）,结构：,6.5半导体热敏电阻温度变换器,分类：根据温度特性的不同可分为三类,2、正温度系数热敏电阻(PTC),1、负温度系数热敏电阻(NTC),3、临界温度系数热敏电阻(CTR) （特殊一种）,6.5 半导体温度传感器,使用钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护， 发热源的定温控制，限流元件，温度补偿。,以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成 测温范围宽，主要用于温度测量,温控开关,一、半导体热敏电阻的基本特性及基本参数,1、标称电阻值( R标称) 2、工作点阻值( Rp) 3、电阻温度系数(T) 4、发散系数(H) 5、热容量(c) 6、时间常数(),一、半导体热敏电阻的基本特性
