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1、第3章温度测量第1页，共81页，编辑于2022年，星期一u温度的测量温度的测量 当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时，则它们就具有相同的温度。因此可以从一个时，则它们就具有相同的温度。因此可以从一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就是物体的温度得知另一个物体的温度，这就是测温测温的依据的依据。如果事先已经知道一个物体的某些性质或状。如果事先已经知道一个物体的某些性质或状态随温度变化的确定关系，就可以以温度来量度其性态随温度变化的确定关系，就可以以温度来量度其性质或状态的变化情况，这就是设计与制作温度计的数质或状态的变化情况，这就是设计与制作温度计的数
2、学物理基础。学物理基础。第2页，共81页，编辑于2022年，星期一3.1.2 温标温标 温标是温度数值化的标尺。它规定了温度的读温标是温度数值化的标尺。它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。值均由温标确定。1 1经验温标经验温标 它它是是借借助助于于某某一一种种物物质质的的物物理理量量与与温温度度变变化化的的关关系系，用用实实验验方方法法或或经经验验公公式式所所确确定定的的温温标标。主主要要的的经经验温标有华氏温标和摄氏温标。验温标有华氏温标和摄氏温标。第3页，共81页，编辑于2022年，星期一u摄氏温标摄氏
3、温标 摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，度，水沸点为水沸点为100度，中间等分为度，中间等分为100格，每格为摄氏格，每格为摄氏1度，度，符号为符号为。n 华氏温标华氏温标 华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为度，水沸点为212度，中间等分度，中间等分180格，每格为华氏格，每格为华氏1度，符号为度，符号为。它与摄氏温标的关系为：它与摄氏温标的关系为：第4页，共81页，编辑于2022年，星期一u类似的经验温标还有兰氏、列氏等类似的经验温标还有兰氏、列氏等u经验温标的缺点在于它的局限性和随意经
4、验温标的缺点在于它的局限性和随意性性第5页，共81页，编辑于2022年，星期一 2热力学温标热力学温标热力学温标又称开氏温标（热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温标，它建于热力）或绝对温标，它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理学基础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对性质无关的理想温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。零度。已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。热热力力学学温温标标规规定定水水在在标标准准大大气气压压下下的的三三相相点点为为273.16
5、K273.16K，沸沸点点与与三三相相点点之之间间分分为为100100等等分分，每每等等分分1K1K，将将水水的的三三相相点点以以下下273.16K273.16K定为绝对零度（定为绝对零度（0K0K）。）。第6页，共81页，编辑于2022年，星期一 3 3国际实用温标国际实用温标u为为了了使使用用方方便便，国国际际上上经经协协商商，决决定定建建立立一一种种既既使使用用方方便便，又又具具有有一一定定科科学学技技术术水水平平的的温温标标，这这就是国际温标的由来。就是国际温标的由来。u具备的条件：具备的条件：u尽可能接近热力学温标尽可能接近热力学温标u复复现现精精度度高高，各各国国均均能能以以很很高
6、高的的准准确确度度复复现现同样的温标，确保温度量值的统一同样的温标，确保温度量值的统一u用用于于复复现现温温标标的的标标准准温温度度计计，使使用用方方便便，性性能稳定能稳定 第7页，共81页，编辑于2022年，星期一 目目前前我我国国使使用用的的是是19901990年年国国际际温温标标ITS-90ITS-90标准。标准。在在19901990年国际温标中指出，热力学温年国际温标中指出，热力学温标是基本物理量。单位开尔文，符号为标是基本物理量。单位开尔文，符号为K K。它规定水的三相点热力学温度为它规定水的三相点热力学温度为273.16K273.16K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度定义开尔
7、文一度等于水三相点热力学温度的的1/273.161/273.16。第8页，共81页，编辑于2022年，星期一 在在ITS-90中中同同时时使使用用国国际际开开尔尔文文温温度度（符符号号为为T90）和国际摄氏温度（符号为和国际摄氏温度（符号为t90），其关系为），其关系为t90=T90 273.15 T90单单位位为为开开尔尔文文（K），t90单单位位为为摄摄氏氏度度（）。这里所说的摄氏度符合国际实用温标（这里所说的摄氏度符合国际实用温标（ITS-90）的规定。）的规定。第9页，共81页，编辑于2022年，星期一n国际温标三要素：标准仪器、固定点、内插公国际温标三要素：标准仪器、固定点、内插公式
8、式(1)(1)固定点：定义固定温度点固定点：定义固定温度点 定义了定义了1717个固定温度点，如表个固定温度点，如表3-13-1所示。所示。(2)(2)标准仪器：复现固定温度点的方法标准仪器：复现固定温度点的方法 0.655.0K0.655.0K间为间为3 3HeHe或或4 4HeHe蒸气压温度计；蒸气压温度计；3.024.5561K3.024.5561K间为间为3 3HeHe或或4 4HeHe定容气体温度计；定容气体温度计；13.8033K961.7813.8033K961.78间为铂电阻温度计；间为铂电阻温度计；961.78961.78以上为光学或光电高温计。以上为光学或光电高温计。(3)
9、(3)内插公式：确定固定点之间任意点的温度值内插公式：确定固定点之间任意点的温度值第10页，共81页，编辑于2022年，星期一3.1.3 温度测量方法温度测量方法u根根据据温温度度测测量量仪仪表表的的使使用用方方式式，通通常常可可分分类类为为接接触式触式与与非接触式非接触式两大类。两大类。接触式接触式：测温元件与被测对象接触，依靠传热和对测温元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，达到平衡时二者的温度相等，这时测流进行热交换，达到平衡时二者的温度相等，这时测量体的温度反映了被测物体的温度。量体的温度反映了被测物体的温度。优优点：结构简单、可靠，测温精度较高。点：结构简单、可靠，测温精度较
10、高。缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且缺点：由于测温元件与被测对象必须经过充分的热交换且达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，达到平衡后才能测量，这样容易破坏被测对象的温度场，同时带来测温过程的滞后时间较大，不适于测量热容量小同时带来测温过程的滞后时间较大，不适于测量热容量小的对象、极高温的对象、处于运动中的对象的对象、极高温的对象、处于运动中的对象。第11页，共81页，编辑于2022年，星期一非接触式非接触式：测温元件不与被测对象接触，而是利用测温元件不与被测对象接触，而是利用热辐射原理或电磁原理得到被测物体温度。热辐射原理或电磁原理得到被测物体温度。优点：从原理
11、上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测优点：从原理上讲测量范围从超低温到极高温，不破坏被测对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可对象温度场。非接触式测温响应快，对被测对象干扰小，可用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。用于测量运动的被测对象和有强电磁干扰、强腐蚀的场合。缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且缺点：容易受到外界因素的干扰，测量误差较大，且结构复杂，价格比较昂贵结构复杂，价格比较昂贵。第12页，共81页，编辑于2022年，星期一测温测温测温测温方式方式方式方式温度计温度计温度计温度计种类种类种类种类 优点优点优点优点 缺点缺点缺点缺点 使用范围
12、使用范围使用范围使用范围接接触触式式测测温温仪仪表表玻璃液体玻璃液体温度计温度计 结构简单、使用方便、测量结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉准确、价格低廉 容易破损、读数麻烦、一般只容易破损、读数麻烦、一般只能现场指示能现场指示 ,不能记录与远传不能记录与远传-100-100100100（150150）有机液体）有机液体0 0 350350（-30-30 650650）水银）水银双金属温双金属温度计度计结构简单、机械强度大、价结构简单、机械强度大、价格低、能记录、报警与自控格低、能记录、报警与自控 精度低、不能离开测量点测量精度低、不能离开测量点测量,量程与使用范围均有限量程与使用范围均有
13、限 0 0 300300（-50-50 600600）压力式温压力式温度计度计结构简单、不怕震动、具有结构简单、不怕震动、具有防爆性、价格低廉、能记录、防爆性、价格低廉、能记录、报警与自控报警与自控 精度低、测量距离较远时精度低、测量距离较远时,仪表仪表的滞后性较大、一般离开测量点的滞后性较大、一般离开测量点不超过不超过 10米米 0 0 500500（-50-50 600600）液体型）液体型0 0 100100（-50-50 200200）蒸汽型）蒸汽型电阻温度电阻温度计计测量精度高测量精度高,便于远距离、多便于远距离、多点、集中测量和自动控制点、集中测量和自动控制 结构复杂、不能测量高温
14、结构复杂、不能测量高温,由于由于体积大体积大,测点温度较困难测点温度较困难-150-150 500500（-200-200 600600）铂电阻）铂电阻0 0 100100（-50-50 150150）铜电阻）铜电阻-50-50 150150（180180）镍电阻）镍电阻-100-100 200200（300300）热敏电阻）热敏电阻热电偶温热电偶温度计度计测温范围广测温范围广,精度高精度高,便于远便于远距离、多点、集中测量和自距离、多点、集中测量和自动控制动控制 需冷端温度补偿需冷端温度补偿,在低温段测量在低温段测量精度较低精度较低-20-20 13001300（16001600）铂铑）铂铑
15、1010-铂铂-50-50 10001000（12001200）镍铬）镍铬-镍硅镍硅-40-40 800800（900900）镍铬）镍铬-铜镍铜镍-40-40 300300（350350）铜）铜-铜镍铜镍非接非接触式触式测温测温仪表仪表光学高温光学高温计计携带用、可测量高温、测温携带用、可测量高温、测温时不破坏被测物体温度场时不破坏被测物体温度场 测量时测量时,必须经过人工调整必须经过人工调整,有人有人为误差为误差,不能作远距离测量不能作远距离测量,记录记录和自控和自控 900 900 20002000（700 700 20002000）辐射高温辐射高温计计测温元件不破坏被测物体温测温元件不破
16、坏被测物体温度场度场,能作远距离测量、报警能作远距离测量、报警和自控、测温范围广和自控、测温范围广 只能测高温只能测高温,低温段测量不准低温段测量不准,环环境条件会影响测量精度境条件会影响测量精度,连续测高连续测高温时须作水冷却或气冷却温时须作水冷却或气冷却 100 100 20002000（50 50 20002000）各种温度计的优缺点及使用范围各种温度计的优缺点及使用范围各种温度计的优缺点及使用范围各种温度计的优缺点及使用范围第13页，共81页，编辑于2022年，星期一3.2 膨胀式温度计 膨胀式温度计是利用物体热胀冷缩膨胀式温度计是利用物体热胀冷缩原理制成的温度计，主要有原理制成的温度
17、计，主要有液体膨胀式液体膨胀式温度计、气体膨胀式压力温度计温度计、气体膨胀式压力温度计以及以及固固体膨胀式双金属温度计体膨胀式双金属温度计等。等。第14页，共81页，编辑于2022年，星期一一、玻璃液体温度计一、玻璃液体温度计玻璃液体温度计是利用感温液体在透明玻璃液体温度计是利用感温液体在透明玻璃感温泡和毛细管内的热膨胀作用来玻璃感温泡和毛细管内的热膨胀作用来测量温度的。测量温度的。常见：水银温度计、酒精温度计常见：水银温度计、酒精温度计第15页，共81页，编辑于2022年，星期一第16页，共81页，编辑于2022年，星期一玻璃液体温度计玻璃液体温度计第17页，共81页，编辑于2022年，星期
18、一特点n结构简单，制造容易，价格便宜结构简单，制造容易，价格便宜n测温范围广，精确度较高；测温范围广，精确度较高；n可直接读数，使用方便可直接读数，使用方便n易损坏，且破损后，有些物质会污易损坏，且破损后，有些物质会污染环境染环境第18页，共81页，编辑于2022年，星期一安装与使用n不能有破损、裂缝；感温液注不应有断不能有破损、裂缝；感温液注不应有断节、气泡、灰尘；刻度线、板等完整；节、气泡、灰尘；刻度线、板等完整；n安装温度计的管道应绝热保温，以减安装温度计的管道应绝热保温，以减少温度计与管道之间热量损失，从而少温度计与管道之间热量损失，从而提高测量精度；提高测量精度；n温度计外套可装保护
19、管，提高强度，减温度计外套可装保护管，提高强度，减少热冲击。少热冲击。第19页，共81页，编辑于2022年，星期一误差分析误差分析（1）玻璃材料有较大的热滞后效应。）玻璃材料有较大的热滞后效应。（2）温度计插入深度不够将引起误差，）温度计插入深度不够将引起误差，（3）非线性误差）非线性误差（4）工作液的迟滞性）工作液的迟滞性（5）读数误差）读数误差第20页，共81页，编辑于2022年，星期一3.2.2 压力式温度计压力式温度计u利用密闭容积内工作介质随温度升高而利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压压力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪
20、表。力测量来判断温度值的一种机械式仪表。第21页，共81页，编辑于2022年，星期一三三.压力式温度计压力式温度计（一）工作原理与结构形式（一）工作原理与结构形式1 原理原理 压力式温度计是利用密封系统中测温物压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力随温度变化来测温；质的压力随温度变化来测温；2 分类分类按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式按功能分：指示式、记录式、报警式和温按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等度调节式等第22页，共81页，编辑于2022年，星期一仪表封闭系统由温包、传压元件（毛细管）和压力敏感元件（弹簧管）组成。温包内充工作
21、介质，再测量温度时，将温包置于被测介质中，受介质温度影响，温包内部工作介质的体积或压力发生变化经毛细管将此压力变化传递给弹性元件（如弹簧管），弹性元件变形，自由端产生位移，借助于传动机构，带动指针在度盘上指示出温度数值。第23页，共81页，编辑于2022年，星期一液体压力式电接点温度计液体压力式电接点温度计第24页，共81页，编辑于2022年，星期一压力式温度计的使用测温元件放在被测介质中保持一定时间，示值稳定后再读数；如果被测介质有较高压力或对温包有腐蚀作用时，应将温包安装在耐压或搞腐蚀的保护管中。液体压力式温度计，最好用来测量处于测量范围中间部分的介质温度；而蒸汽压力式温度计，最好用来测量
22、范围中间部分稍高的介质温度第25页，共81页，编辑于2022年，星期一压力式温度计的使用安装时毛细管应拉直，最小弯曲半径不应小于50mm。测量时应将温包全部插入被测介质中，以减少导热误差。安装温度计时必须注意显示仪表和温包尽量处于同一高度，以减少由于液体静压力引起的误差。对蒸气和液体压力式温度计的示值将带来误差。对于气体压力式温度计的影响则可以忽略不计。第26页，共81页，编辑于2022年，星期一3.2.3 双金属温度计双金属温度计利用膨胀系数不同利用膨胀系数不同的两种金属元件来的两种金属元件来测量温度的仪器。测量温度的仪器。l可作温度继电控制、可作温度继电控制、极值温度控制信号极值温度控制信
23、号固定端自由端在温度变化时将使在温度变化时将使在温度变化时将使在温度变化时将使自由端自由端自由端自由端产生产生产生产生位移位移，借此，借此带动指针带动指针带动指针带动指针在在在在温度温度刻度盘上转动刻度盘上转动构成温度计。构成温度计。第27页，共81页，编辑于2022年，星期一双金属温度计双金属温度计第28页，共81页，编辑于2022年，星期一最简单的最简单的双金属温度开关双金属温度开关是由一是由一端固定的端固定的双金属条形敏感元件双金属条形敏感元件直直接带动接带动电接点电接点构成的。构成的。温度低时电接点接触，电热丝温度低时电接点接触，电热丝加热；温度高时双金属片向下加热；温度高时双金属片向
24、下弯曲，电接点断开，加热停止。弯曲，电接点断开，加热停止。温度切换值可用调温旋钮调整，温度切换值可用调温旋钮调整，它可以调整弹簧片的位置，也它可以调整弹簧片的位置，也就改变了切换温度的高低。就改变了切换温度的高低。双金属片温度计的测量范围与玻双金属片温度计的测量范围与玻璃液体温度计相近，它的精度稍璃液体温度计相近，它的精度稍差，但在振动和受冲击的应用场差，但在振动和受冲击的应用场合，更为适用。合，更为适用。双金属温度开关 第29页，共81页，编辑于2022年，星期一3.3 3.3 热电偶温度计热电偶温度计 u热电偶是目前世界上科研和生产中应用热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温
25、度测量元件。最普遍、最广泛的温度测量元件。u它将温度信号转换成电势（它将温度信号转换成电势（mVmV）信号，）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。度的测量或温度信号的转换。u具有结构简单、制作方便、测量范围宽、具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。响应时间短等各种优点。第30页，共81页，编辑于2022年，星期一u它既可以用于流体温度测量，也可以用它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，于固体温度测量。
26、既可以测量静态温度，也能测量动态温度。也能测量动态温度。u并且直接输出直流电压信号，便于测量、并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。信号传输、自动记录和控制等。第31页，共81页，编辑于2022年，星期一一、热电偶的测温原理一、热电偶的测温原理 两种不同材料的导体（或半导体）两种不同材料的导体（或半导体）A A和和B B组成闭组成闭合回路，如下图所示。当合回路，如下图所示。当A A和和B B相接的两个接点温度相接的两个接点温度T T和和T T0 0不同时，则在回路中就会产生一个电势，不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做这种现象叫做热电效应热电效应。由此效应
27、所产生的电势，。由此效应所产生的电势，通常称为通常称为热电势热电势，用符号，用符号EAB（T，T0）表示。表示。第32页，共81页，编辑于2022年，星期一图中的闭合回路称为图中的闭合回路称为热电偶热电偶，导体，导体A和和B称称为热电偶的为热电偶的热电极热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为为T）中的接点称为）中的接点称为工作端或热端工作端或热端，温度为，温度为参考温度参考温度T0的一端称为的一端称为参考端或冷端参考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分组成：热电偶产生的热电势由两部分组成：接触接触电势和温差电势电势和温差电势。第33页，共81页，
28、编辑于2022年，星期一1 1 1 1 接触电动势接触电动势 当两种不同性质的导体或半导体材料相互当两种不同性质的导体或半导体材料相互接触时，由于内部电子密度不同，例如材接触时，由于内部电子密度不同，例如材料料A A的电子密度大于材料的电子密度大于材料B B，则会有一部，则会有一部分电子从分电子从A A扩散到扩散到B B，使得，使得A A失去电子而失去电子而呈正电位，呈正电位，B B获得电子而呈负电位，最终获得电子而呈负电位，最终形成由形成由A A向向B B的静电场。静电场的作用又的静电场。静电场的作用又阻止电子进一步地由阻止电子进一步地由A A向向B B扩散。当扩散扩散。当扩散力和电场力达到
29、平衡时，材料力和电场力达到平衡时，材料A A和和B B之间就之间就建立起一个固定的电动势。建立起一个固定的电动势。由于两种材料自由电子密度不同而在其接由于两种材料自由电子密度不同而在其接触处形成电动势的现象，称为触处形成电动势的现象，称为珀尔帕效应珀尔帕效应。其电动势称为其电动势称为珀尔帕电势珀尔帕电势或或接触电势接触电势。第34页，共81页，编辑于2022年，星期一理论上已证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材理论上已证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低。其关系式为料的性质和接触面温度的高低。其关系式为:式中：式中：单位电荷，单位电荷，4.802104.8
30、0210-10-10绝对静电单位；绝对静电单位；玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，1.38101.3810-23-23J/J/；材料材料A A和和B B在温度为在温度为T T时的电子密度；时的电子密度；接触处的温度，接触处的温度，K K。接触电势的大小只与接触电势的大小只与接点温度接点温度的高低以及导体的高低以及导体A A和和B B的的电子密度电子密度有关。温度越高，接触电势越大，两种材料电子密度比值越大，有关。温度越高，接触电势越大，两种材料电子密度比值越大，接触电势也越大。接触电势也越大。结论结论第35页，共81页，编辑于2022年，星期一2 2 2 2 温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势
31、 因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量不同，温度较高的一端电子具有较高的能量，其不同，温度较高的一端电子具有较高的能量，其电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一端，最后达到动态平衡。端，最后达到动态平衡。由于同一种导体或半导体材料因其两端温度不同而产由于同一种导体或半导体材料因其两端温度不同而产生电动势的现象称为生电动势的现象称为汤姆逊
32、效应汤姆逊效应。其产生的电动势称。其产生的电动势称为为汤姆逊电动势汤姆逊电动势或或温差电势温差电势。温差电势的方向是由低。温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关。有关。e eA A(T T，T T0 0)导体导体A A两端温度为两端温度为T T、T T0 0时形成的温差电动势；时形成的温差电动势；T T，T T0 0高低端的绝对温度；高低端的绝对温度；A A汤姆逊系数，表示导体汤姆逊系数，表示导体A A两端的温度差为两端的温度差为11时所产生的温差电动势，时所产生的温差电动势，例如在例如在00时，铜的时，铜的=2V/
33、=2V/。第36页，共81页，编辑于2022年，星期一3热电偶闭合回路的总热电势热电偶闭合回路的总热电势 对对于于由由A和和B两两种种导导体体组组成成的的热热电电偶偶闭闭合合回回路路，设设两两端端温温度度接接点点温温度度分分别别为为T和和T0，且且TT0，NANB；那那么么回回路路中中存存在在两两个个接接触触电电势势EAB(T)和和EAB(T0)，两两 个个 温温 差差 电电 势势EA(T,T0)和和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为。因此回路的总热电势为第37页，共81页，编辑于2022年，星期一 热电偶回路总电势由接触电势和温差电热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加而成，称热电势。
34、由于温差电势势叠加而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本由接触电势构成：很小，热电势基本由接触电势构成：第38页，共81页，编辑于2022年，星期一从以上式子可以得到如下结论：从以上式子可以得到如下结论：u热热电电偶偶回回路路热热电电势势的的大大小小只只与与组组成成热热电电偶偶的的材材料料和和材材料料两两端端连连接接点点所所处处的的温温度度有有关关，与与热热电电偶偶丝丝的的直直径径、长长度度及沿程温度分布无关。及沿程温度分布无关。u只只有有用用两两种种不不同同性性质质的的材材料料才才能能组组成成热热电电偶偶，相相同同材材料料组成的闭合回路不会产生热电势。组成的闭合回路不会产生热电势。u热
35、热电电偶偶的的两两个个热热电电极极材材料料确确定定之之后后，热热电电势势的的大大小小只只与与热热电电偶偶两两端端接接点点的的温温度度有有关关。如如果果T0已已知知且且恒恒定定，则则f（T0）为为常常数数，回回路路总总热热电电势势EAB（T，T0）只只是是温温度度T的单值函数。的单值函数。第39页，共81页，编辑于2022年，星期一二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律1均质导体定律均质导体定律 由同一种均质材料组成的闭合回路中，不论其截面由同一种均质材料组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。都
36、不能产生热电势。结论：结论：1.热电偶必须由两种不同质的材料组成，但其截面和长度热电偶必须由两种不同质的材料组成，但其截面和长度不限。不限。2.如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。第40页，共81页，编辑于2022年，星期一2中间温度定律中间温度定律 热电偶回路中，两接点温度分别为热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的时的热电势，等于接点温度为热电势，等于接点温度为T、TN和和TN、T0的两支的两支同性质热电偶的热电势的代数和。同性质热电偶的热电势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0)第41页，共81页，编辑于
37、2022年，星期一u该定律说明当热电偶参比端温度该定律说明当热电偶参比端温度t00时，时，只要能测得热电势只要能测得热电势E(t,t0)，且，且t0已知，仍已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度可以采用热电偶分度表求得被测温度t值。值。第42页，共81页，编辑于2022年，星期一3中间导体定律中间导体定律 在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入第第三三种种导导体体，只只要要第第三三种种导导体体两两端端温温度度相相同同，该该导导体体的的引引入入对对热热电电偶偶回回路的总电势没有影响。路的总电势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种
38、导体的两端温度相同，则对热电偶的热电接入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。势没有影响。第43页，共81页，编辑于2022年，星期一u该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。的影响。u该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借助均质等温的导体加以连接。也可以借助均质等温的导体加以连接。第44页，共81页，编辑于2022
39、年，星期一4.4.标准电极定律标准电极定律 如果已知热电偶的两个电极如果已知热电偶的两个电极A、B分别与另分别与另一电极一电极C组成的热电偶的热电势为组成的热电偶的热电势为EAC（T，T0）和）和EBC（T，T0），则在相同接点温度（，则在相同接点温度（T，T0）下，由电级组成的热电偶的热电势下，由电级组成的热电偶的热电势EAB（T，T0）为：）为：第45页，共81页，编辑于2022年，星期一 已知热电偶在某一给定冷端温度（已知热电偶在某一给定冷端温度（t0）下进下进行的分度，只要进行一些简单的计算，就行的分度，只要进行一些简单的计算，就可以在另外的冷端温度（可以在另外的冷端温度（t1）下使用
40、。）下使用。为制定热电偶的热电势温度关系分度为制定热电偶的热电势温度关系分度表奠定了理论基础。表奠定了理论基础。中间温度定律的应用一：中间温度定律的应用一：第46页，共81页，编辑于2022年，星期一比较查出的比较查出的3 3个热个热电势，判断热电电势，判断热电势势与温度的关系与温度的关系是否为是否为线性？线性？热电偶的热电势热电偶的热电势E E（t t，t t0 0）与温度）与温度t t的关系的关系热电热电特性特性冷端冷端t t0 0为为00时，时，将热电偶热电特性将热电偶热电特性（E Et t）制成的表）制成的表分度表分度表第47页，共81页，编辑于2022年，星期一实际测量时，冷端t0为
41、往往为环境温度。如t020时，测得 EAB(t，20)，要求 t？根据中间温度定律有 EAB(t，0)EAB(t，20)EAB(20，0)第48页，共81页，编辑于2022年，星期一解：查表得解：查表得EK(25，0)1mV,则则 EK(t，0)EK(t，25)EK(25，0)18.537mV 查分度表求得查分度表求得 t=450.5 。如果用如果用EK(t，25)17.537mV直接查表，则得直接查表，则得t=427 ，显然，显然误差是很大的。误差是很大的。例：一支镍铬镍硅热电偶，在冷端温度为室温例：一支镍铬镍硅热电偶，在冷端温度为室温2525时，测得热电势时，测得热电势EK(t，25)17
42、.537mV，试求热电，试求热电偶所测的实际温度偶所测的实际温度 t？第49页，共81页，编辑于2022年，星期一 热电势的大小与热端温度有关，也与冷端温热电势的大小与热端温度有关，也与冷端温度有关，只有当冷端温度固定不变，才能通过度有关，只有当冷端温度固定不变，才能通过热电势的大小去判断热端温度的高低。当冷端热电势的大小去判断热端温度的高低。当冷端温度波动较大时，必须首先使用补偿导线将冷温度波动较大时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度稳定的地方，然后再考虑将端延长到一个温度稳定的地方，然后再考虑将冷端处理为冷端处理为00，这称为，这称为热电偶的冷端处理和热电偶的冷端处理和补偿。补偿。
43、3.3.3 3.3.3 热电偶的冷端处理与补偿热电偶的冷端处理与补偿第50页，共81页，编辑于2022年，星期一恒温法恒温法 这是一种精度最高的处理办法，这是一种精度最高的处理办法，可以使可以使t t0 0稳定地维持在稳定地维持在00。其实施办法是将冰水混合物其实施办法是将冰水混合物放在保温瓶中，再把细玻璃放在保温瓶中，再把细玻璃试管插入冰水混合物中，试试管插入冰水混合物中，试管底部注入适量的油类或水管底部注入适量的油类或水银，热电偶的参比端插到试银，热电偶的参比端插到试管底部，实现了管底部，实现了t t0 0=0=0的要求。的要求。1-1-冰水混合物；冰水混合物；2-2-保温瓶；保温瓶；3-
44、3-油类或水银；油类或水银；4-4-蒸馏水；蒸馏水；5-5-试管；试管；6-6-盖；盖；7-7-铜导线；铜导线；8-8-热电势测量仪表热电势测量仪表 第51页，共81页，编辑于2022年，星期一 如果某介质的温度为如果某介质的温度为t，用热电偶进行测量，其冷端，用热电偶进行测量，其冷端温度为温度为t0，测得的热电势为，测得的热电势为EAB（t,t0）。根据中间温度）。根据中间温度定律，有定律，有 EAB（t,0）EAB（t,t0）EAB（t0,0）得出标准热电势得出标准热电势EAB（t,0），再查分度表就可得出），再查分度表就可得出被测温度。被测温度。示值修正法示值修正法第52页，共81页，编
45、辑于2022年，星期一 例：用例：用K型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热型热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势电势E（t，t0）36.122mV，而自由端的温度，而自由端的温度t030，求被测的实际温度。，求被测的实际温度。解解 由分度表可以查得由分度表可以查得 E（30，0）1.203mV则则 E（t，0）E（t，30）+E（30，0）36.122+1.20337.325mV 再查分度表可以查得再查分度表可以查得37.325mV 对应的温度为对应的温度为900 。计算法适用于实验或临时测温。计算法适用于实验或临时测温。第53页，共81页，编辑于2022年，星期一当在原来热电偶回路中分别引
46、入与导体材料当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A A、B B同样热电特性同样热电特性的材料的材料C C、D(D(如图如图)即引入所谓补偿导线时，则回路总电动势为：即引入所谓补偿导线时，则回路总电动势为：ABT1T2T2CDT0T0热电偶补偿导线接线图EE=EAB(T1,T2)+ECD(T2,T0)E=EAB(T1,T0)EAB(T2,T0)=ECD(T2,T0)只要只要T T1 1、T T0 0不变，接入不变，接入C C、D D后不管接点温度后不管接点温度T T2 2如何变化，都不影响如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。总热电势。这便是引入补偿导线原理。补偿导线法补偿导线法
47、第54页，共81页，编辑于2022年，星期一实实质质：采采用用补补偿偿导导线线将将热热电电偶偶延延伸伸到到温温度度恒恒定定或或温温度度波波动动较较小小处处。即相当于把冷端从温度为即相当于把冷端从温度为t t1 1处延伸到温度为处延伸到温度为 t t0 0的控制室或恒温处。的控制室或恒温处。原理：中间温度定律。原理：中间温度定律。要要求求：在在温温度度0 0200 200 范范围围内内，其其热热电电特特性性与与热热电电偶偶近近似似相相 同同，且且是廉价金属是廉价金属注意：注意：两个接点温度不能超过规定温度两个接点温度不能超过规定温度各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用各种补偿导线只能与相应
48、型号的热电偶匹配使用两个接点温度应当相同两个接点温度应当相同正负极不能接反正负极不能接反需要修正需要修正第55页，共81页，编辑于2022年，星期一补偿导线外形补偿导线外形 AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层第56页，共81页，编辑于2022年，星期一t+RcuER1R2R3+ab+它它它它利利利利用用用用不不不不平平平平衡衡衡衡电电电电桥桥桥桥产产产产生生生生的的的的电电电电压压压压来来来来补补补补偿偿偿偿热热热热电电电电偶偶偶偶因因因因冷冷冷冷端端端端温温温温度度度度的的的的变变变变化化化化而而而而引引引引起起起起热热热热电电电电势的变化势的变化势的变化势的变化如如如如图图图图，电电电电桥桥桥桥
49、由由由由R R R R1 1 1 1、R R R R2 2 2 2、R R R R3 3 3 3（均均均均为为为为锰锰锰锰铜铜铜铜电电电电阻阻阻阻）和和和和R R R RCuCuCuCu（热热热热敏敏敏敏铜铜铜铜电电电电阻阻阻阻）组成。组成。组成。组成。在在在在设设设设计计计计的的的的冷冷冷冷端端端端温温温温度度度度（例例例例如如如如t t t t0 0 0 00000）时时时时，满满满满足足足足R R R R1 1 1 1R R R R2 2 2 2，R R R R3 3 3 3R R R RCuCuCuCu，这这这这时时时时电电电电桥桥桥桥平平平平衡衡衡衡，无无无无电电电电压压压压输输输输
50、出出出出，即即即即U U U Uabababab=0=0=0=0，回回回回路路路路中中中中的的的的输输输输出出出出电电电电势势势势就就就就是是是是热热热热电电电电偶偶偶偶产产产产生生生生的的的的热热热热电势电势电势电势补偿电桥法补偿电桥法第57页，共81页，编辑于2022年，星期一当当当当冷冷冷冷端端端端温温温温度度度度由由由由t t t t0 0 0 0变变变变化化化化到到到到t t t t 0 0 0 0时时时时，不不不不妨妨妨妨设设设设t t t t 0 0 0 0 tttt0 0 0 0，热热热热电电电电偶偶偶偶输输输输出出出出的的的的热热热热电电电电势势势势减减减减小小小小，但但但但