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1、第第2 2章温度测量章温度测量 (2)(2)第1页，共68页，编辑于2022年，星期一2.1 温温标标与与测测温方法温方法一、基本概念一、基本概念温度温度宏观上，表征物体冷热程度的物理量；温标温标衡量温度高低、表示温度数值的一套规则。微观上，表征物体内部分子无规则运动的剧烈程度。建立现代温标必具备的条件：固定的温度点（基准点）测温仪器温标方程（内插公式）2022/10/112热平衡热平衡两个冷热程度不同的物体相接触后会产生热交换，热交换结束后两物体处于热平衡状态，此时它们的温度相同第2页，共68页，编辑于2022年，星期一温标温标经验温标经验温标热力学温标热力学温标理想气体温标理想气体温标国际
2、实用温标国际实用温标由特定的测温质和测温量确定的温标。华氏温标摄氏温标由热力学第二定律确定的温标。特点：与选用的测温介质的性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷由玻意耳马略特定律确定的温标。2022/10/113 摄氏温度和华氏温度的关系：第3页，共68页，编辑于2022年，星期一 这是一种协议温标，用来统一各国之间的温度计量。具备的条件：具备的条件：尽可能的接近热力学（开氏）温度；复现精度高，各国均能以很高的精度复现同样的温标；用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。发展：发展：第一个国际温标是1927年国际计量大会决定采用的，“1927国际温标”,后来又不断改进修订，相继有194
3、8国际温标、1968国际实用温标和1990国际实用温标。国际实用温标国际实用温标2022/10/114第4页，共68页，编辑于2022年，星期一目前推行的是1990年国际实用温标ITS-90：热力学温度用符号T90表示，单位为开尔文，符号为K。摄氏温度的符号为t90，单位是摄氏度，符号为。温标的传递温标的传递2022/10/115第5页，共68页，编辑于2022年，星期一利用物体的某一物理性质（物理性质随温度变化的特性）将其作成温度敏感元件，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可间接的获取被测对象的温度值。温度测量原理温度测量原理2022/10/116第6页，共68页，编辑
4、于2022年，星期一二、测温方法的分类二、测温方法的分类1.接触式测量 测温元件直接与被测对象相接触，依靠传热和对流传热和对流进行热交换，当传热量为零时，二者温度相等。优点：测温精度相对较高；直观可靠；测温仪表价格相对较低 缺点：感温元件影响被测温度场的分布；接触不良会带来测温误差；具有腐蚀性或温度太高的被测介质对感温元件性能和 寿命会产生不利影响。热电偶、热电阻、热膨胀式、集成温度传感器热电偶、热电阻、热膨胀式、集成温度传感器2022/10/117第7页，共68页，编辑于2022年，星期一2.非接触式测量 感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐热辐射能射能实现热交换优点：不
5、改变被测物体的温度分布；具有较高的测温上限；热惯性小，便于测量运动物体的温度及快速变化的温度。电涡流式、辐射式电涡流式、辐射式2022/10/118第8页，共68页，编辑于2022年，星期一接触式与非接触式测温特点比较方 式 接 触 式 非 接 触 式 测量 条件 感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上 测量 范围 特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温，对高于l300以上的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低
6、温到极高温，但1000以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度 精 度 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级 通常为1.0、1.5、2.5级 响应 速度慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为23秒钟 其它 特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地组成多路集中测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置 2022/10/119第9页，共68页，编辑于2022年，星期一三、测温仪器的
7、分类三、测温仪器的分类按物理性质分：物质的热膨胀与温度的关系液体膨胀温度计（玻璃水银）、固体膨胀温度计（双金属）、气体膨胀温度计（压力表式）利用热电效应热电偶（两种不同金属导体在两个端点上互相接触，当其两个接点温度不同时，回路中会产生热电势）利用金属或半导体阻值与温度的关系热电阻（铂、铜等）利用物体的辐射能与温度的关系辐射温度计（辐射能与温度存在一定的关系，如光电高温计）2022/10/1110第10页，共68页，编辑于2022年，星期一按温度计感温部分是否与被测物体相接触分：接触式温度计非接触式温度计 按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温一般是指010K，低温
8、指10800K，中温指8001900K，高温指19002800K的温度，2800K以上被认为是超高温。注意注意2022/10/1111第11页，共68页，编辑于2022年，星期一2.2 膨胀式与压力式温度计膨胀式与压力式温度计一、膨胀式温度计一、膨胀式温度计利用物质热胀冷缩热胀冷缩现象，通过测量物质膨胀物质膨胀或收缩量或收缩量来反映被测温度的温度计 液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计 利用液体的热胀冷缩现象典型应用：玻璃管温度计玻璃管温度计是由液体储囊，毛细管，刻度标尺和膨胀室四部分组成。1-液体储囊 2-毛细管 3-刻度标尺 4-膨胀室2022/10/1112第12页，共68页，编辑于2022
9、年，星期一某液体在温度为某液体在温度为t1时的体积为时的体积为Vt1，在温度为，在温度为t2时的体积为时的体积为Vt2，由，由于于温度变化引起的体积变化温度变化引起的体积变化可以用下式表示：可以用下式表示：液体在温度t1到t2下的平均体膨胀系数V0液体在0C时的体积液体在玻璃管内的液体在玻璃管内的视膨胀系数视膨胀系数：常见液体的体膨胀系数和相对玻璃的视膨胀系数见表2-22022/10/1113第13页，共68页，编辑于2022年，星期一温度计的温度计的灵敏度灵敏度：温度计上对应刻度每1C，液体在毛细管中的长度液体在0100C间的视膨胀系数液体储囊的容积毛细管的横截面积2022/10/1114第
10、14页，共68页，编辑于2022年，星期一按照基本结构形式不同，玻璃液体温度计可分为：棒式、内标式、外标式根据所填充的工作液体不同，可分为水银温度计和有机液体温度计两类。玻璃管液体温度计的玻璃管液体温度计的特点：特点：优点：测量准确、读数直观、结构简单、价格低廉，使用方便缺点：易碎、不能远传信号和自动记录等玻璃管液体温度计的玻璃管液体温度计的分类分类：水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当大的范围内（38356）保持液态，在200以下，其膨胀系数几乎和温度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。2022/10/1115第15页，共68页，编辑于2022年，星期一电接点温度计：电
11、接点温度计：1-细长螺钉；2-椭圆形螺母；3-细导线；4-磁钢帽；5-扁平铁块；6、7-外引线如何实现接点的变化，即温度额定值的如何实现接点的变化，即温度额定值的设置？设置？优点：优点：结构简单、使用方便，既可指示温度，也可控制温度缺点：缺点：易碎，且破碎后水银会污染环境。应用：应用：恒温水槽、油槽及空调系统2022/10/1116第16页，共68页，编辑于2022年，星期一固体膨胀式温度计：固体膨胀式温度计：应用固体线膨胀原理测温典型应用：双金属片温度计。原理：利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，在温度变化时因弯曲变形而使其另一端有明显位移，借此带动指针在温度刻度盘上移动。
12、应用应用2022/10/1117第17页，共68页，编辑于2022年，星期一二、压力式温度计二、压力式温度计根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理 1-温包；2-毛细导管；3-压力计根据工作物质的不同，可分为气体、液体、蒸汽式压力温度计。气体式，一般充氮气，测温上限可达500，线性刻度，但是温包体积大，热惯性大。液体式，一般充二甲苯、甲醇等，温包小些，测温范围分别为40200和40170，蒸汽式，一般充丙酮、乙醚等，利用低沸点蒸发液体的饱和压力随被测温度而变的原理，用于50200。刻度呈非线性关系，温度计刻度是不均匀的。2022/10/1118第18页，共68页，编辑于2022年，星期一
13、2.3 热电偶温度计热电偶温度计特点：特点：应用广泛；灵敏度好；精度高；易保证单值函数关系；稳定性、复现性好；响应时间较快、材料易得到；互换性好，价格较低；测温范围宽（-2962800）。2022/10/1119第19页，共68页，编辑于2022年，星期一一一.测温原理测温原理热电效应热电效应thermoelectricity effect（或塞贝克效应）：将两种不同的（或塞贝克效应）：将两种不同的导体或半导体导体或半导体A和和B连成闭合回路，当两个接点处的温度（连成闭合回路，当两个接点处的温度（T和和T0）不同时，回路中将产生热电动势的现象。）不同时，回路中将产生热电动势的现象。两种不同导体
14、（或半导体）组成的闭合回路称为两种不同导体（或半导体）组成的闭合回路称为热电偶热电偶。导体。导体A或或B称为称为热电极热电极。两个接点中，置于温度为。两个接点中，置于温度为T的被测对象中的称为的被测对象中的称为测测量端（工作端或热端），量端（工作端或热端），温度为参考温度温度为参考温度T0的接点称为的接点称为参比端或参比端或参考端，参考端，也叫也叫自由端或冷端自由端或冷端。BAT0T2022/10/1120第20页，共68页，编辑于2022年，星期一闭合回路的热电动势由两种电动势组成：闭合回路的热电动势由两种电动势组成：温差电动势（同一导体）和温差电动势（同一导体）和接触电动势（两种不同导体）
15、接触电动势（两种不同导体）在热电偶回路中接一毫伏表，测量发现，热电势与热在热电偶回路中接一毫伏表，测量发现，热电势与热电极的材料和两端的温差有关：电极的材料和两端的温差有关：热电势热电势=接触电势接触电势+温差电势温差电势2022/10/1121BAT0T第21页，共68页，编辑于2022年，星期一接触电动势接触电动势(珀尔帖电动势珀尔帖电动势)：指：指两种不同的导体两种不同的导体相接触时，因相接触时，因各自的自各自的自由电子密度不同由电子密度不同而产生电子扩散，当达到动态平衡后所形成的电势。而产生电子扩散，当达到动态平衡后所形成的电势。接触电势的大小与温度和热电极的电子密度差（导体的材料）成
16、正比：温度越高，接触电势越大；电子密度差越大，接触电势也越大。注意注意2022/10/1122第22页，共68页，编辑于2022年，星期一温差电动势（汤姆逊电动势）：温差电动势（汤姆逊电动势）：同一导体同一导体两端因两端因温度不同温度不同而产生的而产生的电势。电势。温差电动势的大小，取决于热电极两端的温差：温差越大，温差电动势越大；注意注意2022/10/1123第23页，共68页，编辑于2022年，星期一热电偶回路中总的热电势为：热电偶回路中总的热电势为：两个接触电动势两个接触电动势两个温差电动势两个温差电动势讨论讨论1.A、B为同一种材料，（为同一种材料，（NANB，A=B），则），则EA
17、B（T,T0)=02.T=T0，则，则EAB（T,T0)=02022/10/1124第24页，共68页，编辑于2022年，星期一讨论讨论1.热电动势是温度的函数之差，不是温差的函数；若热电动势是温度的函数之差，不是温差的函数；若T0=const，则热电动势与，则热电动势与T一一对应。一一对应。2.热电动势大小只与导体材质和接点温度相关，而热电动势大小只与导体材质和接点温度相关，而与形状、接触面积无关。与形状、接触面积无关。2022/10/1125第25页，共68页，编辑于2022年，星期一4.在热电偶回路中，在热电偶回路中，接触电势比温差电势大得多接触电势比温差电势大得多，因此总，因此总热电势
18、的极性总是取决于接触电势的极性。热电势的极性总是取决于接触电势的极性。3.热电偶中电子密度高的导体称热电偶中电子密度高的导体称正电极正电极，电子密度低的导体称为，电子密度低的导体称为负电极负电极；热电动势的符号；热电动势的符号EAB(T,T0)规定了正、负电极顺序和高温、低规定了正、负电极顺序和高温、低温端顺序温端顺序，若电极和或温度顺序互换，热电动势的极性就反相。，若电极和或温度顺序互换，热电动势的极性就反相。例：例：2022/10/1126第26页，共68页，编辑于2022年，星期一二二.热电偶的基本定律热电偶的基本定律1、均质导体定律均质导体定律 同种均质导体（或半导体）同种均质导体（或
19、半导体）组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以组成的闭合回路，不论导体的截面、长度以及温度分布如何，都及温度分布如何，都不能产生热电势不能产生热电势。说明：说明：（1）一种均质材料不能构成热电偶，）一种均质材料不能构成热电偶，必须由两种不同材料的均质必须由两种不同材料的均质导体构成；导体构成；（2 2）若热电极材料不均匀，由于温度梯度的存在，将产生附加热）若热电极材料不均匀，由于温度梯度的存在，将产生附加热电动势电动势应用：应用：检查热电极材料的均匀性检查热电极材料的均匀性（两极用同一种材料）（两极用同一种材料）检验热电极材料成分是否相同检验热电极材料成分是否相同2022/10/1127第27
20、页，共68页，编辑于2022年，星期一2、中间导体定律、中间导体定律 在热电偶回路中接入中间均质导体后，只要在热电偶回路中接入中间均质导体后，只要中间导体两端的温度中间导体两端的温度相同相同，对热电偶回路的总热电势值没有影响。，对热电偶回路的总热电势值没有影响。应用：应用：采用仪表测量热电偶的热电动势采用仪表测量热电偶的热电动势 用热电偶开路测量金属壁温、液态金属温度用热电偶开路测量金属壁温、液态金属温度热电偶回路中还可以加入第四、五种导体，只要加入导体的两接点温度热电偶回路中还可以加入第四、五种导体，只要加入导体的两接点温度相等，回路的总热电势就与原回路的热电势相同相等，回路的总热电势就与原
21、回路的热电势相同。注意注意2022/10/1128第28页，共68页，编辑于2022年，星期一3、标准电极定律、标准电极定律 如果如果A、B对标准电极对标准电极C材料的热电动势已知，则材料的热电动势已知，则A、B构成热电偶时构成热电偶时的热电动势是它们分别对的热电动势是它们分别对C构成热电偶时产生的热电动势的代数和。构成热电偶时产生的热电动势的代数和。说明：说明：只要通过实验获得各电极与标准电极的热电动势，则其中任意两个只要通过实验获得各电极与标准电极的热电动势，则其中任意两个电极构成的热电偶的热电动势都可通过计算获得电极构成的热电偶的热电动势都可通过计算获得一般选择高纯铂丝作为标准电极一般选
22、择高纯铂丝作为标准电极=+TA BT0TA CT0T CBT02022/10/1129第29页，共68页，编辑于2022年，星期一例1、已知在热端100C，冷端0 C时，铜铂相配热电动势为0.75mv，考铜与铂相配的热电动势为-4.0mv，问铜-考铜热电偶在此温度下的热电动势？解：解：设铜为A，考铜为B，铂为C由已知 EAC(100，0)=0.75mv，EBC(100，0)=-4mv则，EAB(100，0)=EAC(100，0)+ECB(100，0)=4.75mv2022/10/1130第30页，共68页，编辑于2022年，星期一4、连接导体定律、连接导体定律 热电偶回路中，如果热电极热电偶回
23、路中，如果热电极A、B分别与导体分别与导体A、B相接，接点温相接，接点温度分别为度分别为T、Tn、T0，则回路总电动势等于热电偶热电动势和连，则回路总电动势等于热电偶热电动势和连接导体热电动势的代数和。接导体热电动势的代数和。应用：应用：热电偶补偿导线热电偶补偿导线2022/10/1131第31页，共68页，编辑于2022年，星期一5、中间温度定律、中间温度定律 两种均质材料两种均质材料A、B构成热电偶，接点温度分别为构成热电偶，接点温度分别为T、T0，若有一，若有一个中间温度个中间温度Tn，则回路总电动势不受中间温度的影响。，则回路总电动势不受中间温度的影响。等价形式等价形式应用：应用：使用
24、使用热电偶分度表热电偶分度表2022/10/1132第32页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1133三、热电偶的种类和结构三、热电偶的种类和结构热电偶材料应满足以下要求：热电偶材料应满足以下要求：2热热灵灵敏敏度度高高，热热电电势势大大，测测温温范范围围宽宽，热热电电势势随随温温度度的的变变化化率率要大，热电势与温度尽可能成要大，热电势与温度尽可能成线性线性对应关系对应关系1材材质质要要均均匀匀，能能耐耐高高温温，机机械械性性能能好好，能能加加工工成成丝丝，化化学学、物理物理性能稳定性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀，不易氧化、变形及腐蚀 3导体的导体的电阻温度系数要小电阻温度
25、系数要小，电阻率小电阻率小4材料材料复制性和互换性好复制性和互换性好，便于批量生产，制造简单，便于批量生产，制造简单，价值低廉价值低廉第33页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1134按照工业标准化要求：按照工业标准化要求：标准化热电偶标准化热电偶S型、型、R型、型、B型、型、K型、型、N型、型、E型、型、J型、型、T型型非标准化热电偶非标准化热电偶贵金属（铂铑系列、铱铑系列，铂贵金属（铂铑系列、铱铑系列，铂-金）金）贵贵-廉金属混合式（金铁合金、双铂钼）廉金属混合式（金铁合金、双铂钼）难熔金属（钨铼合金、钨钼）难熔金属（钨铼合金、钨钼）非金属非金属贵金属贵金属廉金属廉金属统
26、一的分度表，并统一的分度表，并统一规定热电极材统一规定热电极材料、热电性质和允料、热电性质和允许偏差许偏差表表2-32-3热电势热电势-温度特性曲线温度特性曲线第34页，共68页，编辑于2022年，星期一热电偶的结构热电偶的结构1、普通装配式热电偶结构、普通装配式热电偶结构 2022/10/1135接线盒接线盒保护套管保护套管绝缘管绝缘管热电偶热电偶安装固定件安装固定件引线口引线口 工程上使用的热电偶大多是由热电极、绝缘子、保护套管和接线盒工程上使用的热电偶大多是由热电极、绝缘子、保护套管和接线盒等几部分组成。热电偶与显示仪表、记录仪表或计算机等配套使用。等几部分组成。热电偶与显示仪表、记录仪
27、表或计算机等配套使用。典型结构有典型结构有普通装配式结构普通装配式结构和和柔性安装的铠装结构柔性安装的铠装结构。第35页，共68页，编辑于2022年，星期一2、铠装热电偶、铠装热电偶 将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者经拉伸加工而成的一将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者经拉伸加工而成的一种坚实的组合体。结构形式多样：碰底型、不碰底型、露头型、种坚实的组合体。结构形式多样：碰底型、不碰底型、露头型、帽型。帽型。特点：特点：铠装热电偶具有铠装热电偶具有动态响应快动态响应快、机械强度高机械强度高、抗震性好抗震性好、柔柔软可弯曲软可弯曲等优点，可安装在狭窄或结构较复杂的装置上。等优点，可安装在
28、狭窄或结构较复杂的装置上。2022/10/1136热电极热电极 绝缘材料绝缘材料 金属套管金属套管热电极热电极绝缘材料绝缘材料铠装型热电铠装型热电偶断面结构偶断面结构铠装型热电偶可长达铠装型热电偶可长达上百米上百米第36页，共68页，编辑于2022年，星期一常用冷端处理方法：常用冷端处理方法：1、补偿导线法、补偿导线法 2、参比端恒温法、参比端恒温法3、计算修正法、计算修正法4、冷端补偿器法、冷端补偿器法5、软件修正法、软件修正法2022/10/1137三、热电偶的冷端处理三、热电偶的冷端处理第37页，共68页，编辑于2022年，星期一1、补偿导线法、补偿导线法基本原理：基本原理：连接导体定律
29、连接导体定律补偿导线的热电特性在补偿导线的热电特性在100（或（或200）以下范围内应与所取）以下范围内应与所取代的热电偶丝的代的热电偶丝的热电特性基本一致热电特性基本一致，且电阻率低，且电阻率低，价格价格必须比主必须比主热电偶丝热电偶丝便宜便宜。2022/10/1138补偿导线的连接线路：补偿导线的连接线路：T0TnT3BABA2补偿导线E0第38页，共68页，编辑于2022年，星期一随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。补偿导
30、线分延长型和补偿型两种：补偿导线分延长型和补偿型两种：延长型延长型(X)：导线的化学成分及热电势标称值与被补偿的热电偶相同。：导线的化学成分及热电势标称值与被补偿的热电偶相同。补偿型补偿型(C)：导线的化学成分与被补偿热电偶不同；热电势值在：导线的化学成分与被补偿热电偶不同；热电势值在100（或（或200）以下与与被补偿的热电偶相同。）以下与与被补偿的热电偶相同。表表2-4，2-5.2022/10/1139第39页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/11401、各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规、各种延长线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使
31、用。定的温度范围内使用。2、注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差。、注意极性，不能接反，否则会造成更大的误差。3、延长线与热电偶连接的两个接点温度必须相同。、延长线与热电偶连接的两个接点温度必须相同。注意注意AB屏蔽层屏蔽层保护层保护层第40页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/11412、参比端恒温法、参比端恒温法将参比端置于恒温的容器中。将参比端置于恒温的容器中。1-冰水混合物；2-保温瓶；3-油类或水银；4-蒸馏水；5-试管；6-盖；7-铜导线；8-热电势测量仪表 一般在实验室中或精密测量中使一般在实验室中或精密测量中使用。用。第41页，共68页，编辑于2022年，星
32、期一3、计算修正法、计算修正法E(T,0)=E(T,T0)+E(T0,0)若参比端温度恒为环境温度若参比端温度恒为环境温度T0，测出，测出E(T,T0)，并根据中间温度定，并根据中间温度定则，求：则，求：2022/10/1142查表查表实测实测查表得实际查表得实际 t第42页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1143例例例例：用用K型热电偶测温，显示仪表读数为型热电偶测温，显示仪表读数为500，且仪表以分度表为，且仪表以分度表为依据，但此时冷端温度为依据，但此时冷端温度为50，问实际被测温度为多少？，问实际被测温度为多少？解：由分度表查得：解：由分度表查得：E(500,0)=
33、20.664mv 设被测温度为设被测温度为T，则，则 E(T,50)=20.664mv E(T,0)=E(T,50)+E(50,0)=20.664+2.023=22.667mv 查表插值计算查表插值计算 T=547.43 54722.64954822.691T22.667注意注意 在分度表的相邻在分度表的相邻数据之间可采用数据之间可采用线性内插算法线性内插算法求中间值。求中间值。第43页，共68页，编辑于2022年，星期一利用不平衡电桥产生电势补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电利用不平衡电桥产生电势补偿热电偶由于参比端温度变化而引起的热电势变化。势变化。4、冷端补偿器（补偿电桥法）、冷端
34、补偿器（补偿电桥法）2022/10/1144当当T0 1-热电偶；热电偶；2-补偿导线；补偿导线；3-铜导线；铜导线；4-指示仪表；指示仪表；5-冷端补偿器冷端补偿器R1=R2=R3=1 R4=1 (平衡点平衡点)实实实实际际际际的的的的补补补补偿偿偿偿电电电电桥桥桥桥一一一一般般般般是是是是按按按按T T0 02020设计。设计。设计。设计。第44页，共68页，编辑于2022年，星期一冷端补偿器要求：冷端补偿器要求：不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器冷端补偿器中的铜电阻必须与冷端同温冷端补偿器中的铜电阻必须与冷端同温补偿范围有限补偿范围有限（一定精度
35、内，一般为（一定精度内，一般为 0 05050 ）极性不能接反极性不能接反热电偶的热电特性是非线性，补偿器的输出电压与温度的关系也是热电偶的热电特性是非线性，补偿器的输出电压与温度的关系也是非线性，且两个特性曲线不一致，因此，只能是近似补偿非线性，且两个特性曲线不一致，因此，只能是近似补偿2022/10/1145第45页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/11465、软件修正法、软件修正法对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为度恒定但不为0的情况，只需使用计算修正法。对于经常波动的情况，的
36、情况，只需使用计算修正法。对于经常波动的情况，可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计可利用热敏电阻或其他传感器把信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。一些程序，便能自动修正。第46页，共68页，编辑于2022年，星期一四、与热电偶配接的常用仪表四、与热电偶配接的常用仪表动圈式仪表动圈式仪表 电位差计电位差计 数字电压表及数显仪表数字电压表及数显仪表 第47页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1148以电位差计测量为例以电位差计测量为例第48页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1149五、热电偶测温的基本误差五、热电偶测
37、温的基本误差分度误差分度误差仪表误差仪表误差冷端处理误差冷端处理误差接线误差接线误差漏电误差漏电误差第49页，共68页，编辑于2022年，星期一2.4 热电阻温度计热电阻温度计2022/10/1150缺点：缺点：需要电源激励，有自热现象，影响测量精度。需要电源激励，有自热现象，影响测量精度。特点：特点：优点优点优点优点：灵敏度高，信号可远传，无需参比温度，性能灵敏度高，信号可远传，无需参比温度，性能稳定，测量精度高（尤其在中、低温范围内其精度高稳定，测量精度高（尤其在中、低温范围内其精度高于热电偶温度计），测温范围较宽（于热电偶温度计），测温范围较宽（-200850C）。）。第50页，共68页
38、，编辑于2022年，星期一一、测温原理一、测温原理根据金属导体或金属氧化物半导体的根据金属导体或金属氧化物半导体的电阻值随温度变化电阻值随温度变化的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可的特性。因此，只要测出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出被测温度。以测量出被测温度。目前，主要有目前，主要有金属热电阻金属热电阻和和半导体热敏电阻半导体热敏电阻两类两类2022/10/1151第51页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1152 绝大多数金属具有正的电阻绝大多数金属具有正的电阻温度系数温度系数，即温度越高，电阻越大，电，即温度越高，电阻越大，电阻随温度的变化可用多项式表示
39、：阻随温度的变化可用多项式表示：大多数半导体材料具有负的电阻温度系数，其电阻值与热力学温度大多数半导体材料具有负的电阻温度系数，其电阻值与热力学温度的关系为的关系为其中其中RT，RT0分别为温度为分别为温度为T、T0时的电阻值，时的电阻值，B为取决于半导体材料为取决于半导体材料和结构的常数和结构的常数其中，其中，Rt和和R0分别为分别为t C和和0 C的电阻值，的电阻值，A、B、C均为常数，由热电均为常数，由热电阻的材料决定阻的材料决定温度每改变温度每改变1度，电阻度，电阻值的相对变化值的相对变化第52页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1153 材料选择要求：材料选择要求：
40、电阻与温度变化成单值连续关系，最好是线性电阻与温度变化成单值连续关系，最好是线性 电阻温度系数电阻温度系数 要尽可能大，以得到高灵敏度要尽可能大，以得到高灵敏度电阻率要大，减小热电阻的体积，减小热惯性电阻率要大，减小热电阻的体积，减小热惯性在测温范围内物理化学性质稳定在测温范围内物理化学性质稳定复现性好，复制性强，价格低复现性好，复制性强，价格低目前使用较多的热电阻材料为铜、铂。目前使用较多的热电阻材料为铜、铂。电阻的温度系数：电阻的温度系数：第53页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1154二、标准热电阻二、标准热电阻1、铂热电阻、铂热电阻特点：特点：铂热电阻的精度高，体积
41、小，测温范围宽，稳定性好，再铂热电阻的精度高，体积小，测温范围宽，稳定性好，再现性好，但是价格较贵。现性好，但是价格较贵。电阻与温度电阻与温度的关系为：的关系为：测温范围：测温范围：-200850，分度号分度号为为Pt10和和Pt100。第54页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/11铂热电阻、铜热电阻比较见表铂热电阻、铜热电阻比较见表2-6，分度表见附录，分度表见附录552、铜热电阻、铜热电阻特点：特点：铜热电阻线性较好，价格低，但电阻率低，因而体积较大，铜热电阻线性较好，价格低，但电阻率低，因而体积较大，热响应慢。热响应慢。电阻与温度电阻与温度的关系为：的关系为：使用范围：
42、使用范围：-40140，分度号分度号为为Cu50和和Cu100。第55页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/11563、标准热电阻的结构、标准热电阻的结构？与热电偶结构形式与热电偶结构形式有何异同有何异同普通型、铠装型普通型、铠装型普通型装配式热电阻普通型装配式热电阻外型相同外型相同内部不同：内部不同：感温元件感温元件不同；不同；接线盒内部的接线盒内部的接线座接线座不同（不同（热热电偶电偶2个个，热电阻热电阻为了消除引线为了消除引线电阻影响有电阻影响有3个或个或4个个）。）。第56页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1157铠装热电阻铠装热电阻 将铂热电阻感温
43、元件、引线、绝缘粉组装在不锈钢管内再经模将铂热电阻感温元件、引线、绝缘粉组装在不锈钢管内再经模具拉伸构成坚实整体。具拉伸构成坚实整体。优点：优点：坚实、抗震、线径小、使用安装方便。坚实、抗震、线径小、使用安装方便。第57页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1158汽车用水温传感器及水温表铜热电阻小型铂热电阻普通型铂热电阻第58页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/11594 4、热电阻引线方式、热电阻引线方式引线方式有引线方式有二线制二线制、三线制三线制和和四线制四线制三种。三种。rr这种引线方式简单、费用这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线低，但是
44、引线电阻以及引线电阻的变化会带来电阻的变化会带来附加误差附加误差。两线制适于引线不长、测温两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。精度要求较低的场合。二线制二线制EnRtR3R2R1aRJbdcG第59页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1160三线制三线制EnRtR3R2R1aRJbdcGrrr图中图中Rt的三根连接导线，直径和的三根连接导线，直径和长度均相同，阻值都为长度均相同，阻值都为r。（1）电桥平衡测电阻）电桥平衡测电阻电桥平衡电桥平衡 R1(R3+r)=R2(Rt+r)若设计若设计R1=R2，则，则Rt=R3，则温度变化时调整，则温度变化时调整R3使电桥使电桥
45、平衡，可变电阻平衡，可变电阻R3即可刻度即可刻度Rt，同时不受连线电阻，同时不受连线电阻影响影响第60页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1161EnRtR3R2R1aRJbdcGrrr（2）电桥不平衡测电阻）电桥不平衡测电阻除Rt外，其余电阻均不可变假设设计工况（如0C时）电桥平衡，温度变化时Rt变化，电桥不再平衡，根据检流计中的电流值及其它元件参数，可计算Rt。此时，测量精度与电路中的所有元件相关，且这些元此时，测量精度与电路中的所有元件相关，且这些元件均要保持稳定，导线电阻也不能完全补偿。件均要保持稳定，导线电阻也不能完全补偿。第61页，共68页，编辑于2022年，星期
46、一2022/10/1162四线制四线制电位电位差计差计+IrrrrURt恒恒流流源源热电阻两端各连两根导线，热电阻两端各连两根导线，其中两根导线连接恒流源，其中两根导线连接恒流源，另两根连接测量仪表（如电另两根连接测量仪表（如电位差计）。位差计）。电位差计是高阻抗，故连电位差计是高阻抗，故连线电阻线电阻r对电位差对电位差U不产生不产生影响。可用于高精度检测。影响。可用于高精度检测。第62页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1163用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件。用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件。三、热敏电阻温度计三、热敏电阻温度计温度系数：温
47、度系数：有正、负和临界有正、负和临界温度系数三种。其温度特性曲线温度系数三种。其温度特性曲线如图。如图。温度检测用热敏电阻主要温度检测用热敏电阻主要是是负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻。其余。其余两种多用于两种多用于温度开关器件。温度开关器件。第63页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1164由定义，由定义，NTC热敏电阻的温度系数热敏电阻的温度系数为为可见：热敏电阻的温度系数可见：热敏电阻的温度系数是随温度是随温度T变化的，变化的，T 越小，越小，B值越大，灵敏度越高。值越大，灵敏度越高。nNTC热敏电阻阻值与温度关系近似表示为：热敏电阻阻值与温度关系近似表示为：第64
48、页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1165 MF12型 NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻 玻璃封装 NTC热敏电阻 贴片式NTC热敏电阻第65页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1166热敏电阻热敏电阻 热敏电阻体温表 热敏电阻用于电热水器的温度控制 第66页，共68页，编辑于2022年，星期一2022/10/1167四、热电阻的测温误差分析四、热电阻的测温误差分析分度误差分度误差通电发热误差通电发热误差线路电阻不同或变化引入的测量误差线路电阻不同或变化引入的测量误差附加热电动势附加热电动势第67页，共68页，编辑于2022年，星期一热电偶与热电阻比较热电偶与热电阻比较输出信号输出信号电源电源响应速度响应速度测温上限测温上限热热电电偶偶在在0-100之间，之间，输出为输出为mV级电压，级电压，不易测量不易测量不需外不需外加电源加电源感温部分尺寸小，感温部分尺寸小，响应速度快响应速度快同等材料，测温同等材料，测温上限高上限高热热电电阻阻输出为电阻增量，输出为电阻增量，几十欧姆，容易测几十欧姆，容易测量量需要外需要外接电源接电源感温部分尺寸较感温部分尺寸较大，响应速度慢大，响应速度慢受绝缘支架材质受绝缘支架材质影响，测温上限影响，测温上限低于热电偶低于热电偶第68页，共68页，编辑于2022年，星期一