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1、十章节温度测量十章节温度测量10.1 概述概述一、温度的基本概念和测量方法一、温度的基本概念和测量方法 宏观概念宏观概念-是物体冷热程度的表示是物体冷热程度的表示. 热平衡的两物体，其温度相等。热平衡的两物体，其温度相等。 微观概念微观概念-是大量分子运动平均强度的表示。是大量分子运动平均强度的表示。 分子运动愈激烈其温度表现越高。分子运动愈激烈其温度表现越高。 2 2、非接触式测温、非接触式测温 感温元件不与被测对象相接触，而通过热辐射感温元件不与被测对象相接触，而通过热辐射进行热交换；进行热交换；具有较高的测温上限；具有较高的测温上限；热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动热惯性小，可达
2、千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度物体的温度和快速变化的温度。93、测温仪器、测温仪器接触式测温仪器接触式测温仪器 膨胀式温度计膨胀式温度计（包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计）：利用物体热胀冷缩原理 电阻式温度计电阻式温度计（包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计）：利用电阻随温度变化的特性 热电式温度计热电式温度计（包括热电偶和P-N结温度计以及其它原理的温度计）：利用热电效应非接触式温度计非接触式温度计 可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以热辐射为基础，故也统称为辐射温度计。1010.2 膨胀式温度计膨胀式温度计1. 液体膨胀式温度计液体膨
3、胀式温度计由液体储存器、毛细管和标尺组成由液体储存器、毛细管和标尺组成。 测温上限上限取决于所用液体汽化点的温度，下限下限受液体凝点温度的限制。为防止毛细管中液柱出现断续现象，并提高测温液体的沸点，常在毛细管中液体上部充以一充以一定压力的气体定压力的气体。1112u液体玻璃温度计分液体玻璃温度计分全浸式全浸式和和部分浸入式部分浸入式两种。两种。全浸：全浸：测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。部分浸入：部分浸入：把温度计部分插入被测介质中。把温度计部分插入被测介质中。u全全浸浸式式测测量量精精度度较较高高，故故多多用用于于实实验验室室和和标标准温度计，部分浸入
4、式用于一般工业测温。准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。 修正值计算：修正值计算：132、固体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计 利用两种材料的膨胀系数不同的原理制成，分为利用两种材料的膨胀系数不同的原理制成，分为杆式杆式和和双金属式双金属式两大类。两大类。 范围：范围：-30600oC； 精度：精度：0.5-1.0级 1415双金属片温度计双金属片温度计 双金属片温度计双金属片温度计是由膨胀系数不同的两种金属片牢固是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。 当当温温度度变变化化时时，由由于于两两种种材材料料的的膨膨胀
5、胀系系数数不不同同而而使使双双金金属属片片的的曲曲率率发发生生变变化化，自自由由端端产产生生位位移移，经经传传动动放放大大机构带动指针指示温度值。机构带动指针指示温度值。 为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。的形状。161710.3 热电偶温度计热电偶温度计 热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应。（一）热电效应及基本定律（一）热电效应及基本定律 两两种种不不同同材材料料的的金金属属丝丝两两端端牢牢靠靠地地接接触触在在一一起起，组组成成闭闭合合回回路路，当当两两个个接接触触点点（称称为为结结点点）
6、温温度度t和和t0不不同同时时，回回路路中中即即产产生生电电势势，并并有有电电流流流流通通，这这种种把把热热能转换成电能的现象称为热电效应。能转换成电能的现象称为热电效应。18称称回回路路电电势势为为热热电电势势。两两金金属属丝丝称称为为偶偶极极或或热热电电极极。两两个个结结点点中中与与被被测测介介质质接接触触的的一一个个称称为为测测量量端端或或工工作作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。 (切记切记 两线两线 两端两端 )19热电势的组成热电势的组成两根异质材料的接触电势两根异质材料的接触电势导线两端的温差电势导线两端的温差电势20 （1）两种
7、导体的接触电动势）两种导体的接触电动势两种导体A、B接触时，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，导体A失去电子而具有正电位，导体B由于接收了电子而具有负电位。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动势。21EAB(T)- A、B两种材料在温度为T时的接触电动势；K- 玻耳兹曼常数（1.3810-23J/K）；e为电子电荷（1.602189210-19C）；NA(T)、NB(T)为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。22回路中总的接触电势为：回路中总的接触电势为：23 （2）单一导体中的温差电动
8、势）单一导体中的温差电动势 对对单单一一金金属属导导体体，两两端端温温度度不不同同，两两端端的的自自由由电电子子就就具具有有不不同同的的动动能能。温温度度高高则则动动能能大大，动动能能大大的的自自由由电电子子就就会会向向温温度度低低的的一一端端扩扩散散。失失去去了了电电子子的的这这一一端端就就处处于于正正电电位位，而而低低温温端端由由于于得得到到电电子子处处于于负负电电位位。这这样样两两端端就形成了电位差，称为温差电动势。就形成了电位差，称为温差电动势。24在整个闭合回路中产生的总电动势在整个闭合回路中产生的总电动势E EABAB(T,T(T,T0 0) )可表示为可表示为: :对对于于由由A
9、、B两两种种导导体体构构成成的的闭闭合合回回路路，在在A、B两两导导体体上上产生的温差电动势之和为：产生的温差电动势之和为：25热电偶总电动势与电子密度NA、NB及两节点温度T、T0有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T，T0)成为温度T和To的函数差，即 如果如果T0固定，则：固定，则：26(二二) 热电偶基本定律热电偶基本定律（1）均质导体定律）均质导体定律 由均质材料构成的热电偶，热电动势的大小只与材料及结点温度有关。与热电偶的尺寸大小、形状及沿电极温度分布无关。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。27（2）中间导体定律）
10、中间导体定律 将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。28（3）连接导体定律）连接导体定律在热电偶回路中，如果热电极A、B分别与连接导线A、B相连接，结点温度分别为T、Tn、T0 ，那么回路的热电势将等于热电偶的热电势EAB(T,Tn ) 与连接导线A、B在温度Tn、T0 时热电势 EAB(T,Tn ) 的代数和，即 ：EABBA(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)29如A与A、B与B材料相同，且结点温度分别为T、Tn、T0时，有： 热电偶在结点温度为T、T0时的热电势值EAB(T,T0 )，等
11、于热电偶在(T,Tn ) 、 (Tn,T0 ) 时相应的热电势EAB(T,Tn )与 EAB(Tn,T0 ) 的代数和。如下式所示：EAB(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)（3）连接导体定律）连接导体定律连连接接导导体体定定律律是是工工业业上上运运用用补补偿偿导导线线进进行行温温度度测量的理论基础。测量的理论基础。 30（4）中间温度定律）中间温度定律 在在热热电电偶偶回回路路中中，两两接接点点温温度度为为T、T0时时的的热热电电动动势势，等等于于该该热热电电偶偶在在接接点点温温度度为为T、Ta和和Ta、T0时热电动势的代数和，即时热电动势的代数和，即已已知知参参比比
12、端端为为0oC时时的的热热电电势势和和温温度度的的关关系系，则两端点在任意温度时的热电势为：则两端点在任意温度时的热电势为：31（5）标准电极定律）标准电极定律 两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶，如果A、C和B、C热电偶的热电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式求得32 (四四) 热电偶的参比端处理热电偶的参比端处理 为为使使热热电电偶偶的的热热电电动动势势与与被被测测量量间间呈呈单单值值函函数关系，热电偶的参比端温度必须固定。数关系，热电偶的参比端温度必须固定。 热热电电偶偶的的温温度度热热电电动动势势关关系系以以及及分分度度表表是是在参比端为在参比端为0
13、 C得到的。可采用以下方法处理。得到的。可采用以下方法处理。 (1) 0C恒温法 将冰水混合物放置在保温容器中，使热电偶的参将冰水混合物放置在保温容器中，使热电偶的参比端保持在稳定的比端保持在稳定的0 C环境。环境。33（2）参比端温度修正法）参比端温度修正法w当热电偶参比端为不等于0 C时，需对仪表的示值加以修正。修正公式： ( 中间温度定律中间温度定律)34(3）电桥补偿法）电桥补偿法35（4）补偿导线的应用）补偿导线的应用补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线，用它将热电偶的参参比比端端延延长长到到需需要要的的地地方方，而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测温误差；国际电工委
14、员会也制定了补偿导线国际标准，适合于标准化热电偶使用。363710.4 电阻温度计电阻温度计利用导导体体和和半半导导体体的的电电阻阻随随温温度度变变化化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高1C 时电阻将增加0.40.6。半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1 C ，电阻约减小26。目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍铂、铜和镍。38(一一) 铂电阻温度计铂电阻温度计铂是一种贵金属。它的特点是精精度度高高，性性能能稳稳定定性性，耐氧化性能很强耐氧化性能很强。铂在1200C以下都能保证上述特性。铂铂很很容容易易提提纯纯，复复现现性性好好，可制成很细
15、的铂丝（0.02mm或更细）或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂铂有有较较高高的的电电阻阻率率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小； 价格贵39 在0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数A为3.8510-3/C 。 按IEC标淮，使用温度已扩大到-200850 C，初始电阻有100和10两种。40(二二) 铜电阻温度计铜电阻温度计w在测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。w它可用来测量-50+150C的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：41铜电阻的缺点是电阻率小。 制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，
16、或者就要长，使体积增大。铜很容易氧化，所以它的工作上限为150 C 。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。初始电阻有100和50两种。42材料：材料：特点：特点：分类：分类：（1 1）温度系数大）温度系数大 灵敏度高灵敏度高 （为热电阻（为热电阻10-10010-100倍）倍）（2 2）结构简单，体积小）结构简单，体积小 可以测量点温度可以测量点温度（3 3）电阻率高、热惯性小）电阻率高、热惯性小 适于动态测温适于动态测温（4 4）易于维护、使用寿命长）易于维护、使用寿命长 适于现场测温适于现场测温（5 5）互换性差，非线性严重，精度低互换性差，非线性严重，精度低 正温度系数热敏电阻正温度系数
17、热敏电阻(PTC)(PTC)负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC)(NTC)临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻(CTR)(CTR) 半导体半导体 - - 半导体热电阻半导体热电阻（6 6）成本低，）成本低，应用广泛应用广泛 非线性非线性 (三三) 半导体热敏电阻半导体热敏电阻43(四四) 热电阻测量电路热电阻测量电路 热电阻把温度量转换成电阻量，测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。 w平衡电桥法平衡电桥法如果电阻R1=R2，当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有L、R0电位器有效长度和总电阻电位器有效长度和总电阻x电刷位置电刷位置44(五五
18、) 电阻温度计的测温误差电阻温度计的测温误差 热电阻测温系统的误差包括：n 热电阻的基本误差热电阻的基本误差n 指示仪表的误差指示仪表的误差n 电阻体自热误差电阻体自热误差n 引线电阻误差引线电阻误差 45电阻温度计的测温误差之一电阻温度计的测温误差之一u 自热误差自热误差 由流过电阻体的电流引起 电流 ，输出信号 ，自热误差 一般工业热电阻工作电流被限制在6mA以内，这样自热温差就不会超过0.1C。46u引线电阻误差引线电阻误差电路中两根连线的电阻随环境温度变化时，全部变化量都加在同一桥臂上，带来连线误差。为了减小该项误差，一般采用三线连接法，将热电阻的两根连线分别置于相邻两桥臂内，温度引起
19、连线电阻的变化对电桥的影响相互抵消。47三线制接法三线制接法48二线制接法二线制接法要求引线电阻不超过铜电阻R0的0.2%49 四线制接法 电位差计测量电阻电路50(五五) P-N结与集成电路温度传感器结与集成电路温度传感器1、锗锗和和硅硅二二极极管管的的正正向向压压降降以以-2mV/ C的的斜斜率率随随温温度度变变化；化；2、晶体管晶体管的基极的基极-发射极电压发射极电压Vbe与温度基本成线性关系。与温度基本成线性关系。 集集成成电电路路温温度度传传感感器器将将温温敏敏晶晶体体管管与与激激励励电电路路、放放大大电电路路等等辅辅助助电电路路集集成成在在同同一一块块芯芯片片上上，能能直直接接给给
20、出出正正比比于于绝绝对对温温度度的的理理想想线线性性输输出出，一一般般用用于于-55150之之间间的的温温度度测测量量，AD590（1A/ C），ICL8073（1mV/ C ）. 5110.5 光辐射测温方法及仪表光辐射测温方法及仪表非接触测温非接触测温利用光辐射来测量物体温度利用光辐射来测量物体温度 1、任任何何物物体体温温度度高高于于绝绝对对零零度度（-273.16C）时时，都都将将有有热热辐辐射射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。 2、辐辐射射能能以以波波动动形形式式表表现现出出来来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。 3、温温度度测测量量中中
21、主主要要是是可可见见光光和和红红外外光光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。52 辐射测温特点：辐射测温特点：n 非接触测量非接触测量 - 不影响被测温度分布不影响被测温度分布n 响应速度快：对高速运动物体测温。响应速度快：对高速运动物体测温。n 灵敏度高，能分辨微小的温度变化；灵敏度高，能分辨微小的温度变化；n 测量范围广测量范围广(-101300 C)；n 抗干扰能力强，无需修正。抗干扰能力强，无需修正。53一、热辐射基本定律一、热辐射基本定律 ( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 ( (二二) ) 斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律（三
22、）普朗克定律（三）普朗克定律（四）维恩位移定律（四）维恩位移定律541.出射辐射能与吸收辐射能的出射辐射能与吸收辐射能的一致性一致性 辐辐通通量量：单单位位时时间间内内通通过过某某一一截截面面的的辐辐射射能能，又称辐射功率，又称辐射功率，SI单位为瓦。单位为瓦。 ( (一一) ) 基尔霍夫定律基尔霍夫定律光谱吸收率光谱吸收率 ： -表示物体对辐射到其上的辐通量可吸收的比例。表示物体对辐射到其上的辐通量可吸收的比例。式式中中， 为为被被物物体体吸吸收收的的辐辐通通量量； 为为照照射射到到物物体单位面积上的辐通量。体单位面积上的辐通量。55 基尔霍夫定律基尔霍夫定律56基尔霍夫证明了：基尔霍夫证明
23、了：辐辐射射出出射射度度：从从辐辐射射源源表表面面单单位位面面积积发发射射出出的的辐辐通通量量，某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。 57基尔霍夫定律：基尔霍夫定律：在同样的温度下，各种不同物体对相同波长在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。58结论：结论：则：则：物体的光谱发射率等于其光谱吸收率。物体的光谱发射率等于其光谱吸收率。吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐射的
24、能力也强；吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强；59( (二二) )斯忒潘斯忒潘玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律 物体物体辐射出射度与温度间的关系辐射出射度与温度间的关系温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度 与温度T的四次方成正比。 辐射式温度计测温的理论根据。辐射式温度计测温的理论根据。60（三）普朗克定律（单色辐射强度定律）（三）普朗克定律（单色辐射强度定律）式中，式中， c光速；光速； h普朗克常数，普朗克常数，6.62617610-34Js； k波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，1.3806624410-23J/K； C1第一辐射常数，第一辐射常数，3.7
25、41810-16Wm2； C2第二辐射常数，第二辐射常数，1.438810-12mK； T绝对温度。绝对温度。温度为温度为T的单位面积元的的单位面积元的绝对黑体绝对黑体，在半球面方向所辐射，在半球面方向所辐射的波长为的波长为的辐射出射度为的辐射出射度为描述辐射能量在各波长上的分布关系描述辐射能量在各波长上的分布关系也可以用辐射亮度来表示也可以用辐射亮度来表示：61（四）维恩位移定律（四）维恩位移定律 最大辐射波长与温度的关系最大辐射波长与温度的关系 热辐射光谱中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长 与物体自身的绝对温度T成以下关系62温度升高：温度升高：单单色色辐辐射射强强度度随随温温
26、度度升高而增加；升高而增加；总辐射能量增加；总辐射能量增加；峰值波长减小。峰值波长减小。每每一一条条曲曲线线下下的的面面积积表表示示该该温温度度下下物物体体辐辐射射能能量量的的总总和和，与与温温度的四次方成正比。度的四次方成正比。63二、辐射温度计二、辐射温度计w（一）全辐射温度计（一）全辐射温度计 利用物体的温度与总辐射出射度的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：64w采用敏感元件测量出辐射功率的大小，就可以测采用敏感元件测量出辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度；量出被测对象的温度；w主要由光学系统、辐射接收器、测量仪表和辅助主要由光学系统、辐射接收器、测量仪表
27、和辅助装置组成；装置组成；w可用于测量可用于测量-5020000C的高温；的高温；w对物体黑度系数的估计偏差会给仪表带来误差；对物体黑度系数的估计偏差会给仪表带来误差；w环境温度的变化也会使仪表产生误差。环境温度的变化也会使仪表产生误差。二、辐射温度计二、辐射温度计65被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：被测物与仪表之间的距离要满足距离系数要求：L/D（传传感感器器前前端端面面到到被被测测对对象象表表面面的的距距离离与与被被测测对对象象的的有效直径之比）有效直径之比）进进行行正正确确瞄瞄准准，使使目目标标的的像像充充满满接接收收器器，不不能能偏偏离离，否否则则也会产生误差。也会产生误差。
28、66应该注意：应该注意：仪表是以绝对黑体辐射功率与温度仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。这个温度被称为的实际温度。这个温度被称为 “辐射温度辐射温度”。T和和TF分别为物体的分别为物体的真实温度真实温度和和辐射温度辐射温度； T为温度为温度T时时物体全辐射的发射率。因为非黑体物体全辐射的发射率。因为非黑体T1，则，则TFT67(二二)部分辐射温度计部分辐射温度计 为提高仪表的灵敏度，热敏元件不采用热电堆，而采用光电池、光敏电阻以
29、及其它的一些探探测测元元件件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅仅能能对对某某一一波波长长范范围围的的光光谱谱产产生生效效应应。因此它们对测量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。68三、亮度温度计三、亮度温度计w灯丝隐灭式光学温度计灯丝隐灭式光学温度计w光电亮度温度计：用光敏元件代替人眼，实现自动测光电亮度温度计：用光敏元件代替人眼，实现自动测量量 。亮度温度计是利用物体在不同温度下辐射的单色光亮度温度计是利用物体在不同温度下辐射的单色光亮度不同原理而测温的。亮度不同原理而测温的。根据普朗克定律：根据普朗克定律：69灯丝隐灭式光学温度计
30、（示意图）灯丝隐灭式光学温度计（示意图）优优点点：结构简单，使用方便，测温范围广（7003200），一般可满足工业测温的准确度要求。缺缺点点：人眼观察，并需用手动平衡，因此不能实现快速 测量和自动记录，且测量结果带有主观性。 将将物物体体辐辐射射的的单单色色亮亮度度和和仪仪表表内内部部的的高高温温灯灯泡泡灯灯丝丝亮亮度度比比较较。利利用用调调节节电电阻阻来来改改变变高高温温灯灯泡泡的的工工作作电电流流，当当灯灯丝丝的的亮亮度度与与被被测测物物体体的的亮亮度度一一致致时时，灯灯泡泡的的亮亮度度就就代代表表了了被被测测物物体体的的亮亮度温度。度温度。70四、颜色温度计四、颜色温度计颜色温度计：通过两个光谱能量比的方法测量温度，所以也称为比色温度计。用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温度” ：绝对黑体辐射的两个波长 和 的亮度比等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的颜色温度TC。注意：注意：根据热辐射体的光谱发射率与波长的关系特性，颜色温度可以小于、等于或大于真实温度。 71红外光硅光电池10 可见光硅光电池8 量程为8002000，精度为0.5 优点：准确度高，反应速度快，测量范围宽，测量温度更接近真实温度。 72
