第10章温度的测量

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1、第10章 温度的测量 Temperature Measurement10.0 序 (Introduction) 10.1 温度标准和测量方法 (Temperature Standard and Its Measuring Method) 10.2 热电偶温度计 (Thermocouple Based Thermometer) 10.3 热电阻温度计 (Thermo-Resistor Based Thermometer) 10.4 非接触式测温法(Non-contacted Measuring of Temperature)返回返回温度是国际单位制中七个基本物理量之一。温度的宏观概念是表示物体的

2、冷热程度，当两个物体互为热平衡 时其温度相等。温度的微观概念是大量分子运动的平均强度的表 示。分子运动愈激烈，其温度表现越高。10.0 序 (Introduction)10.1 温度标准和测量方法(Temperature Standard and Its Measuring Method) 10.1.1 温度的测量方法 接触式测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交 换达到热平衡，这时，感温元件的某一物理参数的量值就代表了被 测对象的温度值。非接触测温通过辐射进行热交换，可避免接触测温法的缺点，具有 较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，便于测量运动物 体的温度和快速变化的温

3、度。但受到物体的发射率、测量距离、烟 尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。 温度测量可分为接触式和非接触式测量。 接触式测温直观可靠。但因测温元件与被测介质 之间的热交换需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延 迟现象；受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。感温 元件会影响被测温度场的分布，接触不良等也会带来测量误差。另 外，腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。测量方式 仪表名称测温原理精度范围特点测温范围/接 触 式 测 温 仪 表双金属 温度计固体热膨胀变 形量随温度变化12.5结构简单 ，指示清楚，读数方 便；精度较低，不能远传-100600 一般-806

4、00压力式 温度计气(汽)体、液体 在定容条件下， 压力随温度变 化12.5结构简单 可靠，可较远 距离传 输T0），则在回路中会产生电流。这个物理现象 称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克电动势。回路中产生的热电动势大小仅与组成回路的两种导体或半导体A、 B的材料性质及两个接点的温度T、T0有关，热电动势用符号EAB(T, T0)表示。 在热电偶回路中，产生的热电动势由两部分组成：温差电动势和接触 电动势。 l 温差电势 + + A + TT0EsEA(T, T0)当一根均质金属导体 A上存在温度梯度 时，处于高温端的电子能量比低温端的 电子能量大，所以从高温端向低温端移 动的电

5、子数比从低温端向高温端移动的 电子数多得多。结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子 而带负电，在高、低温两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静 电场Es 。这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端移动，并加 速电子向相反的方向转移而建立相对的动态平衡。此时，在导体两端 产生的电位差称为温差电动势。 热电偶温度计 (2/15)温差电动势的大小只与导体的种类及导体两端温度有关。l 接触电势 + A + +EsEAB(T) B 当两种不同导体A、B接触时，由于两者电 子密度不同，如 NA NB，则在接触面处产 生自由电子扩散现象，从A到B扩散的电子 数比从B 到A的多，导致导体 A、B接

6、触处 形成一个由A到B的静电场Es ，阻止电子扩 散的继续进行，并加速电子向相反的方向转移。当电子扩散的能力 与静电场的阻力达到动态平衡时， A 、B 之间所形成的电位差称为 接触电动势。热电偶温度计 (3/15)接触电动势的大小与两种导体的种类及接触处的温度有关。热电动势的大小取决于热电极材料的性质和两端接点的温度。因 此，当热电极的材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T, T0)仅是两 个接点温度T和T0的函数。如果能保持热电偶的冷端温度恒定， 电动势只与热电偶测量端的温度 T 成单值函数关系，即通常，热电偶的热电动势与温度的关系，都是规定热电偶冷端温 度为 0 时，按热电偶的不同种类，分

7、别列成表格形式，这些表 格称为热电偶的分度表。 热电偶温度计 (4/15)l 热电偶回路的热电动势 10.2.2 热电偶基本定律l 均质导体定律 如果只用一种均质导体组成闭合回路，则不论其导体是否存在温 差，回路中均不会产生电流（即不产生电动势）；反之，如果回 路中出现电流，则证明此导体是非均质的。 推论 1：组成热电偶的材料必须是均质导体，否则将会给测量带 来附加误差。推论 2：热电偶必须由两种不同性质的导体或半导体A、B组成， 否则即使两结点的温度不同，在回路中也不会产生温差电动势。 l 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种均质材料的导体后，只要中间接入的 导体两端具有相同的温度，就不会

8、影响热电偶的热电动势。 热电偶温度计 (5/15)l 中间温度定律 热电偶AB在接点温度为T1、T3时的热电动势 EAB(T1, T3)等于热电偶 AB在接点温度为T1、T2和T2、T3时热电动势EAB(T1, T2)和EAB(T2, T3) 的代数和，即 EAB(T1, T3)EAB(T1, T2)EAB(T2, T3)中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。而且，这条 基本定律也是工业测温中应用补偿导线的理论依据，因为只要匹配 与热电偶的热电性质相同的补偿导线，便可使热电偶的冷端远离热 源，而不影响热电偶的测量精度。 热电偶温度计 (6/15)10.2.3 标准化热电偶l 标准化热

9、电偶 工业用热电极材料应满足以下要求： 1) 物理和化学性质稳定，温差电特性显著，复现性好，同种材料 的电极之间具有良好的互换性，且不为测温介质所腐蚀，高温下不 被氧化。2) 电阻温度系数小，电导率高，组成电偶对输出的温差电动势大 ，且与温度呈线性或简单的函数关系，以便于提高仪表的灵敏度和 准确度，并便于仪表的刻度和测量。3) 材质均匀，塑性好，易拉丝，成批生产。 热电偶温度计 (7/15)n 铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）也称双铂铑热电偶，是典型的高温热电偶。以铂铑30（ 铂 70% ，铑 30%）为正极，铂铑6（铂 94%，铑 6%）为负极。由于两个热电极都是铂铑合金，因而提高了抗污染

10、能力和机械强度， 在高温下其热电特性较为稳定，宜在氧化性和中性介质中使用。长 期使用的最高温度可达1 600 ，短期使用温度可达1 800 。这种热电偶的热电动势较小，因此冷端温度在40以下使用时，一 般不必进行冷端温度的补偿。 n 铂铑10-铂热电偶（分度号S）铂铑10为正极，纯铂丝为负极。适宜在氧化性及中性介质中长期使用。 其测温上限长期使用可达1 300 ，短期可达1 600 。缺点：热电动势较小，价格昂贵，机械强度低；不宜在还原性介质中 使用。 热电偶温度计 (8/15)n 镍铬-镍铝或镍铬-镍硅热电偶（分度号K） 以镍铬合金为正极，镍铝 (或镍硅)合金为负极，是一种廉价金属热 电偶。

11、具有较好的抗氧化性和抗腐蚀性；复现性较好；热电动势大 ；热电动势与温度关系近似于线性关系；其成本较低，虽然测量精 度不高，但能满足工业测温的要求，是工业上最常用的热电偶；其 长期使用的最高温度为1 000 ，短期使用温度可达1 200 。 n 镍铬-康铜热电偶（分度号F） 以镍铬合金为正极，康铜(含镍40%的镍铜合金)为负极。由于康铜 在高温下容易氧化，其测温范围为 -200870 。热电动势大，价 格便宜，低温下性能稳定，尤其适宜在0 以下使用。 n 铜-康铜热电偶（分度号T） 以纯铜为正极，康铜为负极，其测温范围为 -200300 。铜热电 极容易氧化，一般在氧化性气体中使用不宜超过300

12、 。其热电动 势较大，热电特性良好，材料质地均匀，成本低。 热电偶温度计 (9/15)l 热电偶的结构 普通型热电偶 由热电极、绝缘子 、保护套管及接线 盒四部分组成。 常用的有螺纹和法 兰两种连接方式， 还有卡套等连接方 式。 热电偶温度计 (10/15)铠装热电偶 将热电偶丝与绝缘 材料及金属套管经 整体复合拉伸工艺 加工而成可弯曲的 坚实组合体。铠装 热电偶较好地解决 了普通热电偶体积 及热惯性较大，在 弯曲结构复杂的对 象上不便安装等问 题 热电偶温度计 (11/15)l 热电偶的冷端补偿热电偶产生的热电动势与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定， 热电动势才是热端温度的单值函数。但在实

13、际应用中，热电偶的冷 端通常靠近被测对象，且受到周围环境温度的影响，其温度不是恒 定不变的。为此，必须采取一些相应的措施进行补偿或修正。n 冰浴法 将热电偶冷端置于冰点恒温槽中，使冷端温度恒定在0 时进行测温。冰浴法适用于实验室或精密温度测量。 n 冷端温度修正 热电偶分度表是以冷端温度为 0 为基础而制成 的，如果直接利用分度表，根据显示仪表的读数求得温度必须使冷 端温度保持为0。如果冷端温度不为0，如冷端温度恒定在T0 0 时，则测得的热电势将小于该热电偶的分度值，为了求得真实 温度，可利用 EAB(T1, T3) EAB(T1, T2)EAB(T2, T3)修正。热电偶温度计 (12/1

14、5)n 冷端补偿导线 用补偿导线代替部分热电偶丝作为热电偶的延 长部分，使冷端移到离开被测介质较远的地方。补偿导线的热电 特性须与所取代的热电偶丝一样。 补偿导线在测温回路中的连接 注意，对于具有补偿导线的热电偶，其冷端温度应该是补偿导线 的末端温度。 热电偶温度计 (13/15)常用热电偶补偿导线热电偶名称补偿导线工作端为100 冷端为0 时 的标准热电势/mV正极负极材料颜色材料颜色铂铑-铂铜红镍铜白0.640.03镍铬-镍硅铜红康铜白4.100.15镍铬-康铜镍铬褐绿康铜白6.950.30铜-康铜铜红康铜白4.100.15热电偶温度计 (14/15)n 冷端补偿器 利用不平衡电桥所产生的

15、不平衡电压来补偿热电偶 参考端温度变化而引起的热电动势的变化。 限流电阻 冷端温度与电阻 Rcu 所处的温度一致。在常温下（取冷端温 度t0 20 ）使电桥 平衡，当t0偏离20 ， 如 t0升高时，Rcu 随t0 升高而增大，则桥路 输出uab也随之增大, 而热电偶回路中的总 热电动势随 t0 的升高 而减小。适当选择桥 路电流, 使uab的改变 量与热电动势的改变 量相同，使uab与热电 动势叠加后保持电动势不变，从而实现冷端补偿。 采用这种温度补偿电桥时，应将显示仪表的零位预先调整到电桥平 衡温度。 热电偶温度计 (15/15)10.3 热电阻温度计(Thermo-Resistor Based Thermometer)金属材料或半导体材料的电阻值会随着温度而变化，电阻值和温度 之间具有单一的函数关系。利用这一函数关系来测量温度的方法， 称为热电阻测温法，而用于测温的材料称为热电阻。热电阻性能稳定，测量精度高。工业上广泛用于测量-200850 范围内的温度。制作电阻的金属和合金应具有以下条件：温度系数较高，电阻温度 关系线形良好，材料的化学与物理性能稳定，容易提纯和复制，机 械加工性能好等。常用热电阻