第六章 温度测量

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1、第六章温度的测量温度这个物理量与人类生活是息息相关。光、声的强度即使增大10%，也不会对人们 的感觉有太大的影响，但是空间温度的变化却对人类有较大影响。早在2000多年前，人类 就开始为检测温度进行了各种努力，并开始使用温度传感器检测温度。在国民经济各部门， 如电力、化工、机械、冶金、农业、商业、国防、医学、环保等部门以及人们的日常生活中， 温度的检测与控制都是十分重要的。在工业生产自动化流程中，温度测量一般要占全部测量 点的一半左右。因此、人类离不开温度，当然也离不开温度传感器。温度是衡量物体冷热程度的物理量。温度的高低反映了物体内部分子运动平均动能的 大小。温度的单位是国际单位制中 t J

2、 感温元件温度显示 七个基本单位之一。温度不能直接 测量，而是借助于某种物体的某种物理参数随温度冷热不同而明显变化的特性进行间接测量。进行间接温度测量使用的温度传 感器，通常是由感温元件部分和温度显示部分组成，如图6-1所示。6.1温度测量概述6.1.1温标为了保证温度量值的统一，人们建立一个用来衡量温度高低的标准尺度称为温标。温标： 表示温度大小的尺度是温度的标尺。常用的温标有四个：热力学温标、摄氏温标、华氏温标。 理论上的热力学温标，是当前世界通用的国际温标。但我国目前实行的为国际摄氏温度。1、摄氏温标摄氏温标是把在标准大气压下水的冰点定为零摄氏度，把水沸点的温度定为100摄氏度 的温标。

3、在0C到100C之间进行100等分，每一等分为1 C,单位符号。C。2、华氏温标人们规定在标准大气压下水的冰点为32F，水的沸点为212华氏度，在32F到212F之 间进行180等分，每一等分为1 F,单位符号。F。3、热力学温标热力学温标确定的温度数值为热力学温度(符号为T),单位为开尔文(符号为K)。 热力学温度是国际上公认的最基本温度。以热力学第二定律为基础，t(C)=T (K) -273.15K二、温度传感器的特点与分类 1温度传感器的物理原理(11)随物体的热膨胀相对变化而引起的体积变化蒸气压的温度变化电极的温度变化热电偶产生的电动势光电效应热电效应介电常数、导磁率的温度变化物质的变

4、色、融解强性振动温度变化热放射热噪声2温度传感器应满足的条件特性与温度之间的关系要适中，并容易检测和处理，且随温度呈线性变化 除温度以外，特性对其它物理量的灵敏度要低特性随时间变化要小重复性好，没有滞后和老化灵敏度高，坚固耐用，体积小，对检测对象的影响要小 机械性能好，耐化学腐蚀，耐热性能好能大批量生产，价格便宜无危险性，无公害等3.温度传感器的种类及特点温度的传感器一般分为两大类：接触式温度传感器和非接触式温度传感器。接触式温度传感器是将测温敏感元件直接与被测介质接触，使被测介质与测温敏感元件 进行充分热交换，当两者具有相同温度时，达到测量的目的。这种传感器的测量精度较高， 但由于被测介质的

5、热量传递给传感器，从而降低了被测介质的温度，特别是被测介质热容量 较小时，会给测量带来误差。Q膨胀式温度计利用液体或气体热膨胀及物质的蒸汽压变化来测量温度。Q热电阻温度计利用固体材料的电阻随温度而变化的原理测量温度。Q热电偶温度计 利用热电效应测量温度。4其它温度计非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度， 可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会 干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。Q辐射式温度计基于普朗克定理，如光电高温计、辐射传感器、比色温度计等。g光纤温度计利用光纤的温度特性来实现温度的测量，或

6、者仅仅是光纤作为传光的介质，如光纤温度。表6.1常用测温方法、类型及特点测温 方式温度计或传感器 类型测量范围/c精度/%特点执八、水银-506500.1 1简单方便，易损坏，有污染膨双金属0 3000.1 1结构紧凑，牢固可靠接胀压液体-306001耐震、坚固、价格便宜式力气体-20350触式执八、 电 偶铂铑-铂 其他01600-20011000.2 0.50.4 1.0结构简单，种类繁多，应用广泛。执八、电铂 镍-2606000.1 0.3精度、灵敏度都较好，但环境温度-5003000.2 0.5影响较大阻铜0 1800.1 0.3热敏电阻-503500.3 0.5体积小、重量轻、相应快

7、、灵敏度 高，但线性差且受环境温度影响大。辐射温度计80035001不干扰被测温度场，辐射率影响小，非接 触式光高温度计70030001应用简便。热探测器20020001不干扰被测温度场，相应快、灵敏热敏电阻探测器-5032001度高，测量范围广，但易受环境温度影光子探测器0 35001响且标定困难。示 温 涂 料碘化银、二碘测温范围广，经济方便，适用于大其他化汞、氯化-352000T0），则在 此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有 电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象 早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现, 所以又称西拜克效应。如图6-2所示V电动势气日(门+oV O

8、V A-0fB热电偶传感器的敏感元件是热电偶。热电偶由两种不同的导体或半导体焊接或铰接而 成，如图6-2所示。组成热电偶的两根导体或半导体称为热电极；一端置于温度为T的被测 对象中称为热电偶的热端，又称测量端、工作端；另一端(温度为T0端)与导线相连称为 热电偶的冷端，又称自由端、参考端。热电偶回路产生的热电势由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定，下面以导 体为例说明热电势的产生。1、接触电势(帕尔帖电势) 不同的导体材料不同，电子密度也不同，假设 NANB。当两种导体相互接 触，必然造成A导体相B导 体扩散的电子比B导体相B 导体扩散的电子多。因此， 由于A导体失去电子带正 电，而B

9、导体得到电子带负 电。在A、B导体的接触面上会形成一个由A指向B的静电场Es,即产生电势差，如图6-3 所示。但这个电势差不会不断的增加，而是很快稳定在某一个数值；这是因为静电场Es将 产生相反方向的漂移运动，加速电子的反方向运动，并阻止电子的扩散，达到动态平衡。即 单位时间内从A导体扩散的电子数等于反方向漂移的电子数。则此时接触点形成的电动势 eAB(T)其大小为kT N“a、e (T) = In a(6-2)ABe NB式中eAB(7)导体A、B结点在温度T时形成的接触电动势；ABk 玻耳兹曼常数；k =1.38 X 10-23 J/K ；T接触面的绝对温度；e 单位电荷量；e =1.6

10、X 10-19C Na金属电极A的自由电子密度 NB金属电极B的自由电子密度B由式6-2可知，接触电势的大小与接点处温度高低和导体电子密度有关。温度越高，接 触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。2、温差电势(汤姆逊电势)同一根导体两端处于T和T0不同温度，导体会产生温差电势。导体A两端温度分别为 T和T0不同温度之中，导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散, 从而导致从高温端跑到低温端电子数比从低温端跑到高温端的多，于是在导体两端产生了电 势，这个电势称为单一导体的温差电势eA(T，70)，如图6-4所示A0e (T , T ) = JT 5 dT(6-

11、3)A 0 T 0式中eA(T，T0) 导体A两端温度为T、T0时形A0成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度；的电动势值，它与材料的性质有关。例如在0C时,aT,T0)T0,则必存在着两 个接触电势和两个温差电势，回路总电势：=e (T) - e (T ) - e (T,T ) - e (T,T )(6-4)ABAB 0A0B0kN ,T o o=(T 一 T ) ln 犷- J (8- 8)dte0 Nto A BB式中NA(T)、NA(T0)导体A在结点温度为T和TO时的电子密度；AA ONB(T)、NB(T0) 导体B在结点温度为T和TO时的电子密度；BB 0& 、& 导体A和B的汤姆逊系数。AB由式6-4可得以下结论：1、热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、 粗细及两导体接触面积无关无关。2、只有用不同性质的导体(或半导体)作为电极才能组合成热电偶；相同材料无论两端温 度如何都不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0,也即EAB(T，ABABT0)=。3、只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。4、导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。