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1、温度测量技术温度测量技术 学习内容学习内容1 测温法分类及仪器设备测温法分类及仪器设备2 电阻温度计电阻温度计3热电偶的原理、分类、基本定律、温度补偿热电偶的原理、分类、基本定律、温度补偿7/22/20241温度测量技术温度测量技术 1.1 概述概述 温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量，温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量，温度是建立在热平衡基础上的。温度是建立在热平衡基础上的。 人类一直在探索如何测量温度人类一直在探索如何测量温度。 人体是一种测温仪人体是一种测温仪: : 精度低精度低 量程小量程小温度测量技术温度测量技术 1.1 概述概述缺点缺点: 受气压影响受气压影响 最早使用
2、仪器来测量温度的是伽里略最早使用仪器来测量温度的是伽里略 1592年底，伽里略发明了第一个用来测量温度年底，伽里略发明了第一个用来测量温度的仪器。的仪器。7/22/20243温度测量技术温度测量技术 1624年温度计第一次正式在文献里出现。年温度计第一次正式在文献里出现。1654年意大利的一个公爵费迪南德二世做成了一年意大利的一个公爵费迪南德二世做成了一个真正不受气压影响的温度计个真正不受气压影响的温度计开尔文、牛顿等建立了各种温标开尔文、牛顿等建立了各种温标: 绝对温标、摄氏温标、华氏温标绝对温标、摄氏温标、华氏温标 1.1 概述概述7/22/20244温度测量技术温度测量技术 接触式测温接
3、触式测温 基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测基于热平衡原理，即测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态。介质接触，使两者处于同一热平衡状态。 如水银温度计、热电偶温度计、电阻温度计。如水银温度计、热电偶温度计、电阻温度计。温度测量方法可分为：温度测量方法可分为： 接触式接触式、非接触式非接触式 1.1 概述概述非接触式测温非接触式测温 利用物质的热辐射原理，测温元利用物质的热辐射原理，测温元件不需与被测介质接触。件不需与被测介质接触。 如如:辐射温度计、红外热象仪等。辐射温度计、红外热象仪等。7/22/20245温度测量技术温度测量技术 主要介绍接触式测温原理及方法主要介
4、绍接触式测温原理及方法) 热电式传感器热电式传感器: 将温度变化转换为电量变化的装将温度变化转换为电量变化的装置置较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和电阻电阻常用热电式传感器的敏感元件有：常用热电式传感器的敏感元件有： 热电偶、热电阻热电偶、热电阻热电偶：热电偶：将温度转换为电势之变化将温度转换为电势之变化热电阻：热电阻：将温度转换为电阻阻值之变化将温度转换为电阻阻值之变化 1.1 概述概述7/22/20246温度测量技术温度测量技术 1.2 电阻温度计电阻温度计电阻温度计原理电阻温度计原理 基于导体或半导体基于导体或半导体的电阻值随温度变化的的电阻
5、值随温度变化的性质而工作的。性质而工作的。测温敏感元件有测温敏感元件有:金属导体金属导体半导体热敏电阻。半导体热敏电阻。7/22/20247温度测量技术温度测量技术 一、一、金属测温电阻金属测温电阻(金属热电阻金属热电阻) 一般金属导体具有正的电阻温度系数（电阻率一般金属导体具有正的电阻温度系数（电阻率随温度的上升而增加），随温度的上升而增加），在一定的温度变化范围内在一定的温度变化范围内，电阻和温度之间的函数关系：电阻和温度之间的函数关系：其中：其中： R、R0分别表示温度为分别表示温度为t和和t0时的电阻值时的电阻值; 为材料的电阻温度系数，为材料的电阻温度系数，=(46)10-3/0C。
6、 在不同温度范围内，电阻温度系数在不同温度范围内，电阻温度系数是不同的，是不同的，希望在测量温度的范围内希望在测量温度的范围内是一个常数。是一个常数。1.2 电阻温度计电阻温度计7/22/20248温度测量技术温度测量技术 热电阻材料应具备以下性质：热电阻材料应具备以下性质： 1 1）电阻温度系数电阻温度系数要大；要大； 2 2）在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定；在测量范围内，材料的物理、化学性质稳定； 3 3）电阻率电阻率要大，可提高温度计的动态响应；要大，可提高温度计的动态响应； 4 4）电阻温度关系线性好；电阻温度关系线性好； 5 5）材料要容易制作，价格便宜。材料要容易制作，价格
7、便宜。 常用材料有：铂、铜、铁、镍等。常用材料有：铂、铜、铁、镍等。 热电阻的制作是用上述金属的细丝绕在云母、石英或陶瓷热电阻的制作是用上述金属的细丝绕在云母、石英或陶瓷等绝缘支架上。等绝缘支架上。1.2 电阻温度计电阻温度计7/22/20249温度测量技术温度测量技术 热敏电阻是由金属氧化物热敏电阻是由金属氧化物(NiO,MnO2,CuO,TiO2)(NiO,MnO2,CuO,TiO2)粉末按一定粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。比例混合烧结而成的半导体。常用的热敏电阻的阻值随温度常用的热敏电阻的阻值随温度上升而下降上升而下降T T是绝对温度是绝对温度(K)(K)；A A、B B是常数是常
8、数。电阻温度系数：单位温度变化所引起的电阻的相对变化电阻温度系数：单位温度变化所引起的电阻的相对变化二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻7/22/202410温度测量技术温度测量技术 半导体热敏电阻的电阻温度系数半导体热敏电阻的电阻温度系数不是常数，而和不是常数，而和绝对温度的平方成反比。绝对温度的平方成反比。当当T=T0时有电阻时有电阻R0；当当T=T时有电阻时有电阻R（1）（2）7/22/202411温度测量技术温度测量技术 电阻值电阻值R与温度与温度T的关系：的关系：常数常数B可通过实验获得：可通过实验获得：(即只要测定温度分别为即只要测定温度分别为T1和和T0时半导体的热敏电阻的阻值时
9、半导体的热敏电阻的阻值R1和和R0)(B的范围一般为的范围一般为150050000K)7/22/202412温度测量技术温度测量技术 半导体热敏电阻与金属热电阻相比半导体热敏电阻与金属热电阻相比, 有以下优点：有以下优点： 1）温度系数的绝对值较热电阻大，灵敏度高，可）温度系数的绝对值较热电阻大，灵敏度高，可测测0.0010.00050C的微小温度变化；的微小温度变化； 2）电阻率大，时间常数小）电阻率大，时间常数小(毫秒级毫秒级)。可制成体积。可制成体积小、热惯性小、响应速度快的感温元件。小、热惯性小、响应速度快的感温元件。半导体热敏电阻缺点：半导体热敏电阻缺点： 1）电阻温度特性分散性大；
10、）电阻温度特性分散性大； 2）稳定性差；）稳定性差； 3）非线性较严重。）非线性较严重。 7/22/202413温度测量技术温度测量技术 1.3 热电偶热电偶热电偶：将温度量转换为电势大小的热电式传感器热电偶：将温度量转换为电势大小的热电式传感器热电偶具有以下特点热电偶具有以下特点： 结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温度和便于远距离传送与集中检测。测局部温度和便于远距离传送与集中检测。7/22/202414温度测量技术温度测量技术 1.3 热电偶热电偶一、工作原理一、工作原理( (席贝克效应席贝克效应) ) 两种不同材料的导体两种不同材料的
11、导体A A和和B B串联起来形成一个闭串联起来形成一个闭合回路，如果两个接合点的温度不同，电路中将产生合回路，如果两个接合点的温度不同，电路中将产生热电势，并形成热电流。热电势，并形成热电流。 热电势的大小与材料的性质及接点的温度有关，热电势的大小与材料的性质及接点的温度有关，称为温差热电效应或热电效应，该现象是称为温差热电效应或热电效应，该现象是18211821年德国年德国物理学家物理学家SecbackSecback发现的。发现的。热电势可用函数关系式表示：热电势可用函数关系式表示： E EABAB=f(T,T=f(T,T0 0) )若知道若知道E EABAB, T, T0 0, , 即可利
12、用热电效应来测温或温度差。即可利用热电效应来测温或温度差。7/22/202415温度测量技术温度测量技术 定义：定义：这两种不同导体的组合体称为热电偶这两种不同导体的组合体称为热电偶。 两个连接端点两个连接端点, ,一个称为工作端一个称为工作端T,T,另一个称为自另一个称为自由端或参考端由端或参考端T T0 0或冷端或冷端, ,两根金属丝称之为两根金属丝称之为热电极热电极。1.3 热电偶热电偶7/22/202416温度测量技术温度测量技术 温差电势是如何产生的？温差电势是如何产生的？ 温差电势是由两种导体的接触电势（珀耳贴电温差电势是由两种导体的接触电势（珀耳贴电势）与同一种导体的温差电势（汤
13、姆逊电势）所组势）与同一种导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成的。成的。1.3 热电偶热电偶7/22/202417温度测量技术温度测量技术 1.1.接触电势接触电势（珀耳贴电势珀耳贴电势） 不同导体自由电子的密度是不同的不同导体自由电子的密度是不同的, ,当两种不同当两种不同导体接触时导体接触时, ,在接触面上将产生电子扩散在接触面上将产生电子扩散, ,电子扩散电子扩散的速率与自由电子的密度及接触区的温度成正比。的速率与自由电子的密度及接触区的温度成正比。1.3 热电偶热电偶7/22/202418温度测量技术温度测量技术 1.3 热电偶热电偶 接触面上金属接触面上金属A A的电子扩散到的电子扩散
14、到B B，A A失去电子带正电，失去电子带正电，B B因获得因获得电子带负电，在接触面上形成了电子带负电，在接触面上形成了静电场，这个静电场将阻止扩散静电场，这个静电场将阻止扩散过程的进行，当自由电子密度的过程的进行，当自由电子密度的不同引起的扩散能力与静电场的不同引起的扩散能力与静电场的作用相互抵消时，达到了动平衡，作用相互抵消时，达到了动平衡，在接触面上形成一个稳定的接触在接触面上形成一个稳定的接触电位差。电位差。自由电子密度自由电子密度 n nA An nB B7/22/202419温度测量技术温度测量技术 EAB(T)为导体为导体A和和B的接点在温度为的接点在温度为T时形成的时形成的电
15、位差电位差 。其中：。其中： e 电子的电荷电子的电荷 e=1.610-19库仑库仑 k 波尔兹曼常数波尔兹曼常数 k=1.3810-23(焦耳焦耳/库仑库仑) EAB(T)和连接点的温度和连接点的温度T有关，因此当两种金有关，因此当两种金属接成闭合回路而连接点的温度又不同时，回路中属接成闭合回路而连接点的温度又不同时，回路中将形成接触电势。将形成接触电势。1.3 热电偶热电偶7/22/202420温度测量技术温度测量技术 2. 同一种金属的温差电势（同一种金属的温差电势（汤姆逊电势汤姆逊电势） 在同一导体中，存在温度梯度时，会产生温差电势。在同一导体中，存在温度梯度时，会产生温差电势。 两端
16、的温度不一致时，高温端的自由电子具有两端的温度不一致时，高温端的自由电子具有的动能大，向低温端扩散，跑到低温端去堆积起来，的动能大，向低温端扩散，跑到低温端去堆积起来，在导体内形成一个静电场，阻止电子扩散，当两者在导体内形成一个静电场，阻止电子扩散，当两者的作用相互抵消时，在导体两端就形成一个稳定的的作用相互抵消时，在导体两端就形成一个稳定的电位差。电位差。1.3 热电偶热电偶7/22/202421温度测量技术温度测量技术 作为热电偶的材料应具备以下特性：作为热电偶的材料应具备以下特性： 1 1）物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使 用，用，热电性质不随时间
17、变化热电性质不随时间变化； 2 2）化学性能稳定，不易被氧化或腐蚀；化学性能稳定，不易被氧化或腐蚀； 3 3）灵敏度要高，且有近似的线性关系；灵敏度要高，且有近似的线性关系； 4 4）电导率高，电阻温度系数小；电导率高，电阻温度系数小； 5 5）材料的复制性和工艺性能良好。材料的复制性和工艺性能良好。 1.3 热电偶热电偶7/22/202422温度测量技术温度测量技术 二、热电偶的基本实验定律二、热电偶的基本实验定律1.均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论回路中由一种均质导体组成的闭合回路，不论回路中是否存在温度梯度，都不会产生热电势。是否存在温度梯度，都不会产生热电势
18、。 它说明：它说明：热电偶必须由两种不同性质的热电极组成；热电偶必须由两种不同性质的热电极组成；提供了一种检查热电极材料均匀性的办法。提供了一种检查热电极材料均匀性的办法。1.3 热电偶热电偶7/22/202423温度测量技术温度测量技术 2.2.热电势定律热电势定律热电偶的热电势只和接点温度有关热电偶的热电势只和接点温度有关, ,而和其它部而和其它部位的温度无关。位的温度无关。它说明：它说明： 用热电偶测温时，只需要关注接点温度，其他用热电偶测温时，只需要关注接点温度，其他部位以及引线所处的温度环境，都不会影响测量结部位以及引线所处的温度环境，都不会影响测量结果。果。1.3 热电偶热电偶7/
19、22/202424温度测量技术温度测量技术 3.3.中间导体定律中间导体定律在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它的在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它的两个接点温度相同，则对回路的热电势没有影响。两个接点温度相同，则对回路的热电势没有影响。它说明：它说明： 第三种均质材料可以是接在两个热电极之间，第三种均质材料可以是接在两个热电极之间，也可接在某个热电极之中，因此在用热电偶测温时，也可接在某个热电极之中，因此在用热电偶测温时，只要保证热电偶和连接后续测量电路或仪表的引线只要保证热电偶和连接后续测量电路或仪表的引线的两个接点温度相同，接入电路或仪表都不会影响的两个接点温度相同，接入电路或
20、仪表都不会影响热电势的数值。热电势的数值。1.3 热电偶热电偶7/22/202425温度测量技术温度测量技术 4.4.标准电极定律标准电极定律( (参考电极定律参考电极定律) ) 有三种金属有三种金属A A、B B、C C两两相接，当接点温度分别为两两相接，当接点温度分别为T T1 1和和T T2 2时，金属时，金属A A和和C C的热电势为的热电势为E EACAC，金属金属C C和和B B的热的热电势为电势为E ECBCB，则金属则金属A A和和B B的热电势：的热电势： E EABAB=E=EACAC+E+ECBCB1.3 热电偶热电偶7/22/202426温度测量技术温度测量技术 5.5
21、.中间温度定律中间温度定律某热电偶接点温度为某热电偶接点温度为T T1 1和和T T2 2时的热电势为时的热电势为E E1 1，接点接点温度为温度为T T2 2和和T T3 3时的热电势为时的热电势为E E2 2，则当接点温度为则当接点温度为T T1 1和和T T3 3时的热电势为时的热电势为E E1 1+E+E2 2。1.3 热电偶热电偶7/22/202427温度测量技术温度测量技术 该定律的两点启发：该定律的两点启发： 1 1）热电偶的分度都是在冷端为热电偶的分度都是在冷端为0 00 0C C的条件下制定的条件下制定的，当冷端温度不是零度时，也可使用该分度表。的，当冷端温度不是零度时，也可
22、使用该分度表。 如用铜如用铜- -镍热电偶测定某未知温度，冷端温度取镍热电偶测定某未知温度，冷端温度取20200 0C C，测得的热电势测得的热电势E E2 2为为6.418mV6.418mV，而当接点温度为而当接点温度为20200 0C C和和0 00 0C C时可查表得热电势为时可查表得热电势为E E1 1=0.789 mV=0.789 mV，则接点则接点温度为温度为0 00 0C C和未知测量温度时有和未知测量温度时有E E3 3=E=E1 1+E+E2 2=7.207 mV=7.207 mV，由此可查出响应的温度值为由此可查出响应的温度值为1601600 0C C 1.3 热电偶热电偶
23、7/22/202428温度测量技术温度测量技术 2 2）使用补偿线法使用补偿线法 为使热电偶冷端温度保持不变，不受热源的影为使热电偶冷端温度保持不变，不受热源的影响，往往需要使冷端远离工作点，为了不使用过多响，往往需要使冷端远离工作点，为了不使用过多的贵重的热电偶导线，往往采用价格低廉的导线来的贵重的热电偶导线，往往采用价格低廉的导线来替代部分热电偶导线，如图。替代部分热电偶导线，如图。A A、 B B这就是补这就是补偿线法。偿线法。要求补偿导线的热电性质与所用热电偶相要求补偿导线的热电性质与所用热电偶相同或相近。同或相近。1.3 热电偶热电偶7/22/202429温度测量技术温度测量技术 在
24、温度在温度T T2 2-T-T0 0的范围内，要求的范围内，要求 EAB（T2，T0）=E AB（T2，T0）由中间温度定律：由中间温度定律： EAB（T1，T0）= EAB（T1，T2）+ E AB（T2，T0） = EAB（T1，T2）+ EAB（T2，T0）1.3 热电偶热电偶7/22/202430温度测量技术温度测量技术 说明：说明：1)1)用补偿导线后，不管用补偿导线后，不管T T2 2部分温度如何变化，用补部分温度如何变化，用补偿导线测得的结果和原来的贵重热电偶丝结果是一偿导线测得的结果和原来的贵重热电偶丝结果是一样的；样的；2)2)使用时应注意补偿线不要接错极性。使用时应注意补偿
25、线不要接错极性。 1.3 热电偶热电偶7/22/202431温度测量技术温度测量技术 三、热电偶的类型及结构三、热电偶的类型及结构1.1.热电偶的类型热电偶的类型 1.3 热电偶热电偶7/22/202432温度测量技术温度测量技术 2.2.热电偶的结构形式热电偶的结构形式普通热电偶普通热电偶1.3 热电偶热电偶7/22/202433温度测量技术温度测量技术 2.热电偶的结构形式热电偶的结构形式铠装热电偶铠装热电偶（a a）碰底型）碰底型 （b b）不碰底型）不碰底型 （c c）裸露型）裸露型 （d d）帽型）帽型 图图1-21-2铠装热电偶示意图铠装热电偶示意图1.3 热电偶热电偶7/22/2
26、02434温度测量技术温度测量技术 2.热电偶的结构形式热电偶的结构形式薄膜热电偶薄膜热电偶 图图1-31-3片状片状薄膜热电偶结构图薄膜热电偶结构图 1-1-测量接点测量接点 2-2-薄膜薄膜A 3-A 3-薄膜薄膜B 4-B 4-衬底衬底 5-5-接头夹接头夹1.3 热电偶热电偶7/22/202435温度测量技术温度测量技术 2.热电偶的结构形式热电偶的结构形式表面热电偶表面热电偶 具具有有永永久久性性安安装装和和非非永永久久性性安安装装两两种种，用用于于测测量金属块、炉壁、涡轮叶片等固体的表面温度。量金属块、炉壁、涡轮叶片等固体的表面温度。浸入式热电偶浸入式热电偶 用于测量铜水、钢水、铝
27、水及熔融合金的温度，用于测量铜水、钢水、铝水及熔融合金的温度，可直接插入液态金属中。可直接插入液态金属中。1.3 热电偶热电偶7/22/202436温度测量技术温度测量技术 四、热电势的测量方法四、热电势的测量方法五、热电偶测温中的几个技术问题五、热电偶测温中的几个技术问题1.1.热电偶测温的系统组成热电偶测温的系统组成热电偶冷端温度的控制和补偿热电偶冷端温度的控制和补偿水槽法水槽法自然恒温法自然恒温法1.3 热电偶热电偶7/22/202437温度测量技术温度测量技术 水槽法：水槽法：如上图。将电极放在一盛满变压器油的试如上图。将电极放在一盛满变压器油的试管中，再将试管放在冰水混合物中。管中，
28、再将试管放在冰水混合物中。自然恒温法：自然恒温法：将电极放置在一已知恒定温度的地方将电极放置在一已知恒定温度的地方1.3 热电偶热电偶7/22/202438温度测量技术温度测量技术 作作 业业1-1.1-1.下面三种说法哪种正确：热电偶的热电动势大下面三种说法哪种正确：热电偶的热电动势大小（小（1 1）取决于热端温度；（）取决于热端温度；（2 2）取决于热端和冷端）取决于热端和冷端两个温度；（两个温度；（3 3）取决于热端和冷端温度之差。为什）取决于热端和冷端温度之差。为什么？么？1-2.1-2.热电偶的热电动势大小和热电极的长短、粗细热电偶的热电动势大小和热电极的长短、粗细有关吗？若热电偶接
29、有负载后，负载上得到的电压有关吗？若热电偶接有负载后，负载上得到的电压和热电极长短、粗细有关吗？和热电极长短、粗细有关吗？1-3.1-3.热电偶的冷端延长导线的作用是什么？使用冷热电偶的冷端延长导线的作用是什么？使用冷端延长线（即补偿导线）应满足什么样的条件和注端延长线（即补偿导线）应满足什么样的条件和注意什么问题？意什么问题？7/22/202439温度测量技术温度测量技术 1-4.1-4.有人查补偿导线所用材料资料发现铂铑有人查补偿导线所用材料资料发现铂铑- -铂热电铂热电偶的补偿导线是由铜偶的补偿导线是由铜- -铜镍材料，而镍铬铜镍材料，而镍铬- -镍硅热电镍硅热电偶的补偿导线所用材料就是镍铬偶的补偿导线所用材料就是镍铬- -镍硅，这是为什么镍硅，这是为什么？既然铜？既然铜- -铜镍热电特性可替代铂铑铜镍热电特性可替代铂铑- -铂，为什么不铂，为什么不用铜用铜- -铜镍热电偶代替铂铑铜镍热电偶代替铂铑- -铂去测温？铂去测温？1-5.1-5.试比较热电阻、热敏电阻及热电偶三种测温传试比较热电阻、热敏电阻及热电偶三种测温传感器的特点及对测量电路的要求感器的特点及对测量电路的要求作作 业业7/22/202440
