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1、 热工测试技术10/27/2022第第4 4章章 温度及温度场测试技术温度及温度场测试技术 4.1 4.1 基本概念基本概念4.1.1 4.1.1 温度的概念温度的概念温度的概念温度的概念 温温度度是是表表征征物物体体冷冷热热程程度度的的状状态态参参数数，而而物物体体的的冷冷热热程程度度又又是是由物体内部分子热运动的激烈程度，即分子的平均能作所决定。由物体内部分子热运动的激烈程度，即分子的平均能作所决定。严严格格地地说说，温温度度是是物物体体分分子子运运动动平平均均动动能能大大小小的的标标志志。只只有有从从热热力力学学第第零零定定律律出出发发，才才能能得得到到温温度度和和绝绝对对温温度度的的概
2、概念念以以及及计计量量温温度的方法。度的方法。热热力力学学第第零零定定律律-热热平平衡衡定定律律：如如果果两两个个热热力力学学系系统统中中的的每每一一个个都都与与三三个个热热力力学学系系统统处处于于热热平平衡衡，则则它它们们也也必必定定处处于于热热平平衡衡。从从热热力力学学第第零零定定律律出出发发，我我们们可可以以知知道道，处处在在相相互互热热平平衡衡状状态态的的物物体体必必然然具具有有某某一一共共同同的的物物理理性性质质。表表征征这这个个物理性质的量就是温度。物理性质的量就是温度。温温度度概概念念的的建建立立和和温温度度的的定定量量测测量量都都是是以以热热平平衡衡现现象象为为基基础础的的。温
3、温度度决决定定一一系系统统是是否否与与其其它它系系统统处处于于热热平平衡衡的的宏宏观观性性质质，其其特特征征在在于一切于一切互为热平衡的系统互为热平衡的系统都具有都具有相同的温度相同的温度。10/27/2022 什么叫什么叫热平衡热平衡？假设两个热力学系统，原告各自处在一？假设两个热力学系统，原告各自处在一定的平衡态，现在让它们定的平衡态，现在让它们互相接触互相接触，经过一段时间后两个系，经过一段时间后两个系统的状态不再发生变化，达到一个共同的统的状态不再发生变化，达到一个共同的平衡平衡态，这种平衡态，这种平衡态是两个系统发生传热的条件下达到的，所以叫热平衡。态是两个系统发生传热的条件下达到的
4、，所以叫热平衡。（4-14-1）绝对温度概念绝对温度概念作了经典解释。式中，作了经典解释。式中，是体系的绝对温是体系的绝对温度的度量，度的度量，k k是玻尔兹曼常数，是玻尔兹曼常数，f f为自由度，为体系的平均能为自由度，为体系的平均能量，量，E E0 0为基态能。通常体系的绝对温度为正，为基态能。通常体系的绝对温度为正，00，或，或k0k0。由式（由式（4-14-1）可知，对于绝对温度为）可知，对于绝对温度为T T的体系，数值的体系，数值kTkT大致等大致等于体系在每个自由度上的平均能量（超过基态能的能量）。于体系在每个自由度上的平均能量（超过基态能的能量）。T T与体系的平均能量有关，而不
5、是和体系中某个粒子的能量有与体系的平均能量有关，而不是和体系中某个粒子的能量有关。关。10/27/20224.1.2 4.1.2 温标温标温标温标 “温标温标”-“”-“温度标尺温度标尺”：为了确定温度的数值，首先要建为了确定温度的数值，首先要建立一个衡量温度的标度，温标规定了温度的读数立一个衡量温度的标度，温标规定了温度的读数起点（零点）起点（零点）和测和测量温度的量温度的基本单位基本单位。1 1、摄氏温标、摄氏温标 摄摄氏氏温温标标和和华华氏氏温温标标都都市市是是根根据据水水银银受受热热后后体体积积膨膨胀胀的的性性质质建建立立起起来来的的。摄摄氏氏温温标标规规定定标标准准大大气气压压下下纯
6、纯水水的的冰冰融融点点为为0 0度度，水水沸沸点点为为100100度，度，中间等分中间等分100100格，每格为摄氏格，每格为摄氏1 1度，符号为度，符号为。2 2、华氏温标、华氏温标 华氏温标规定标准大气压下纯水的华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为冰融点为32度，水沸点为度，水沸点为212度，度，中间等分中间等分180格，每格为华氏格，每格为华氏1度，符号为度，符号为0F，它与摄氏温标的，它与摄氏温标的关系如下式所示：关系如下式所示：（4-2）式中式中 C 和和 F 分别代表摄氏和华氏的温度值。分别代表摄氏和华氏的温度值。10/27/2022 由由于于没没有有一一种种物物质质的的物物理理
7、性性质质与与温温度度呈呈线线性性关关系系，所所以以测测得得温温度度的的数数值值都都与与温温度度计计所所采采用用的的物物质质性性质质有有关关，如如与与水水银银纯纯度度、玻玻璃璃管管材材料料等等因因素素有有关关，这这样样就就不不能能保保证证世世界界各各国国所所采采用用的的基基本本测测温温单单位（度）完全一致。位（度）完全一致。3 3、热力学温标、热力学温标 热热力力学学温温标标又又称称开开氏氏温温标标（K）或或绝绝对对温温标标，它它是是根根据据卡卡诺诺循循环建立起来的，在卡诺循环中：环建立起来的，在卡诺循环中：上上式式表表示示工工质质在在温温度度T1时时吸吸收收热热量量Q1，而而在在温温度度T2时
8、时向向低低温温热热源源放放出出热热量量Q2，如如果果指指定定了了一一个个定定点点T2的的数数值值，就就可可以以由由热热量量的的比比例例求求得得未未知知量量T1，由由于于上上述述方方程程式式与与工工质质本本身身的的种种类类和和性性质质无无关关，因而避免了分度的因而避免了分度的“任意性任意性”。但但是是卡卡诺诺循循环环实实际际上上是是不不存存在在的的，实实践践中中要要用用这这原原理理建建立立温温标标是是不不可可能能的的，人人们们发发现现理理想想气气体体的的压压力力P、体体积积V和和温温度度T之之间间有有如如下的关系：下的关系：10/27/2022 理理想想气气体体温温标标与与热热力力学学温温标标是
9、是互互相相一一致致的的（只只要要选选择择同同样样的的定定点点和和原原位位），可可借借助助于于气气体体温温度度计计来来实实现现热热力力学学温温标标（对对于于一一定定质质量量的的气气体体，当当体体积积保保持持不不变变时时，压压力力就就与与温温度度成成正正比比，这这样样就就可可以以按按气气体体压压力力的的变变化化来来测测量量温温度度，这这种种温温度度计计叫叫做做气气体体定定容容温温度度计计，也可制做定压温度计）。也可制做定压温度计）。由由于于理理想想气气体体是是不不存存在在的的，我我们们可可以以用用某某些些在在性性质质上上接接近近理理想想气气体体的的真真实实气气体体（氢氢、氦氦和和氨氨）来来作作温温
10、度度计计，并并根根据据热热力力学学第第二二定定律律得得出出对对这这种种气气体体温温度度计计的的读读数数修修正正值值，这这就就在在实实践践中中制制定定了了热热力力学学温标。温标。然然而而，气气体体温温度度计计本本身身非非常常复复杂杂笨笨重重，读读数数又又非非常常迟迟缓缓，同同时时由由于于受受到到容容器器本本身身耐耐热热性性和和气气密密性性的的限限制制，测测量量上上限限只只能能达达到到1500左左右右，因因此此用用气气体体温温度度计计来来复复现现热热力力学学温温标标是是不不方方便便的的，在在工工业业上上更是不可能的。更是不可能的。10/27/2022 为为了了克克服服气气体体温温度度计计的的缺缺点
11、点，便便于于温温度度的的实实际际测测量量，于于是是就就采采用用了了协协议议性性的的国国际际实实用用温温标标。它它自自19271927年年开开始始建建立立，几几经经修修改改，最最近近一一次次定定名名为为19901990年年国国际际实实用用温温标标（ITS-90ITS-90），它它于于19901990年年元元旦旦开开始始实实施施。19901990年年国国际际实实用用温温标标,代代号号为为（ITS-90ITS-90）。）。它不仅与热力学温标相接近，而且复现准确度高，使用方便。它不仅与热力学温标相接近，而且复现准确度高，使用方便。4 4、国际实用温标、国际实用温标ITS-90ITS-90简介简介（一）
12、温度及其表示方法（一）温度及其表示方法 最最新新的的是是19901990年年国国际际实实用用温温标标（ITS-90ITS-90），它它于于19901990年年元元旦旦开开始始实实施施。国国际际实实用用温温标标规规定定以以热热力力学学温温度度为为基基本本温温度度，符符号号为为T90T90，单单位位为为开开尔尔文文，符符号号为为K K，它规定，它规定水三相点热力学温度为，水三相点热力学温度为，定义定义1K1K等于水三相点温度的。等于水三相点温度的。国际实用开尔文温度和摄氏温度的关系为国际实用开尔文温度和摄氏温度的关系为 t=t=（）（）（4-54-5）（二）国际实用温标（二）国际实用温标ITS-9
13、0的主要内容是：的主要内容是：用用1717个个定定义义基基准准点点，它它包包括括1414个个高高纯纯物物质质的的三三相相点点、熔熔点点和和凝凝固固点点以以及及3 3个用蒸汽温度计或气体温度计测定的温度点。从而保证了基准温度的客观性。个用蒸汽温度计或气体温度计测定的温度点。从而保证了基准温度的客观性。10/27/2022规定了不同温度区域内复现热力学温标的基准仪器。规定了不同温度区域内复现热力学温标的基准仪器。例例如如，从从到到之之间间采采用用3He3He或或 4He4He蒸蒸汽汽压压温温度度计计作作为为内内插插仪仪器器；从从到到之之间间采采用用3He3He或或 4He4He定定容容气气体体温温
14、度度计计作作为为内内插插仪仪器器；从从到到之之间间采采用用铂铂电电阻阻温温度度计计作作为为内内插插仪仪器器；以以上上的的温温区区采采用用的的内内插插仪仪器器用用光光电（光学）高温计。电（光学）高温计。建建立立了了基基准准仪仪器器的的示示值值与与国国际际温温标标温温度度之之间间关关系系的的插插补补公公式式和和偏偏差函数，从而使连续测温成为可能。差函数，从而使连续测温成为可能。对国际实用温标对国际实用温标ITS-90ITS-90的进一步了解，可参阅有关的专门资料。的进一步了解，可参阅有关的专门资料。5 5、温度标准的传递、温度标准的传递 温温标标的的传传递递一一般般说说包包括括两两个个方方面面，一
15、一是是生生产产中中对对各各测测温温仪仪表表的的分分度度，把把标标准准传传递递到到测测温温仪仪表表；其其次次是是对对使使用用中中或或修修理理后后的的测测温温仪仪表的检定，通过检定才能保证仪表的准确可靠。表的检定，通过检定才能保证仪表的准确可靠。国国际际实实用用温温标标有有关关的的基基准准仪仪器器都都是是由由国国家家规规定定的的机机构构（中中国国计计量科学研究院）保存，并通过省市计量机构传递下去。为了把温度量科学研究院）保存，并通过省市计量机构传递下去。为了把温度10/27/2022的的正正确确数数值值传传递递到到实实用用的的测测量量仪仪表表，需需要要按按某某一一个个传传递递系系统统进进行行，其传
16、递关系如下：其传递关系如下：温度基准仪器传递系统框温度基准仪器传递系统框 10/27/20224.1.3 温度测量的机理与方法温度测量的机理与方法 温温度度不不能能直直接接加加以以测测量量，只只能能借借助助于于冷冷热热不不同同的的物物体体之之间间的的热热交交换换，以以及及物物体体的的某某些些物物理理性性质质随随冷冷热热程程度度不不同同而而变变化化的的特特性性来来加加以以间间接接测测量量。物物质质的的某某些些物物理理量量，如如体体积积、密密度度、硬硬度度、粘粘度度、弹弹性性模模数数、破破坏坏强强度度、导导电电率率、导导热热率率、热热容容量量、热热电电势势、热热电电阻阻和和辐辐射射强强度度等等均均
17、随随温温度度变变化化而而变变化化。而而且且，在在一一定定条条件件下下，这这些些物物理理量量的的每每一一个个数数值值都都对对应应着着一一定定的的温温度度。如如果果事事先先知知道道它它偏偏与与温温度度的的对对应应关关系系，那那么么，便便可可通通过过测测量量这这些些物物理理量量来来达达到到测测温温的的目目的的。同同时时，并并且且是是至至关关重重要要的的一一点点是是希希望望用用以以判判断断物物体体温温度度变变化化的的那那一一物物理理性性质质能能连连续续地地单单值值地地随随温温度度变变化化而而变变化化，与与其其它它因因素素无无关关，并并且且便便于于精确测量。选择这一物理性质的工作是件复杂而困难的工作。精
18、确测量。选择这一物理性质的工作是件复杂而困难的工作。1、较为成熟的测温方法、较为成熟的测温方法（一）利用物体热胀冷缩的物理性质测量温度。（一）利用物体热胀冷缩的物理性质测量温度。利利用用固固体体的的热热胀胀冷冷缩缩现现象象制制成成的的双双金金属属片片温温度度计计和和利利用用液液体体的的热热胀胀冷冷缩缩现现象象制制成成的的玻玻璃璃受受水水银银温温度度计计和和酒酒精精温温度度计计。这这类类温温度度计计结结构构简简单单，价价格格低低廉廉，温温度度测测量量范范围围常常用用于于-200700之之间间。利利用用气气体体的的热热膨膨胀胀冷冷缩缩现现象象制制成成的的压压力力表表式式温温度度计计，具具有有结结构
19、构简简单单，具具有有防爆性，防震性，可运距离传示。但准确度较低，滞后性较大，防爆性，防震性，可运距离传示。但准确度较低，滞后性较大，10/27/2022常用测量范围常用测量范围0300之间。之间。（二）利用物体的热电效应测量物体的温度。（二）利用物体的热电效应测量物体的温度。两两种种不不同同的的金金属属导导体体组组成成闭闭合合回回路路时时，当当两两接接点点温温度度不不同同时时，回回路路内内就就产产生生热热电电势势，利利用用物物体体的的这这种种热热电电性性质质，将将感感受受到到的的被被测测物物体体的的温温度度转转换换或或热热电电势势作作为为信信号号输输出出。如如热热电电偶偶温温度度计计，它它测测
20、量量准准确确度度高高，能能远远距距离离传传送送，常常用用于于测测量量-1001800范范围围内内的的温温度，是目前温度测量中应用最广泛的温度计之一。度，是目前温度测量中应用最广泛的温度计之一。（三）利用物体的导电率随温度变化而变化来测量温度。（三）利用物体的导电率随温度变化而变化来测量温度。电阻温度计就是利用这一性质达到测温后的目的。电阻温度计就是利用这一性质达到测温后的目的。（四）利用物质的辐射强度随温度变化而变化来测量温度四）利用物质的辐射强度随温度变化而变化来测量温度。2、正在研究发展的测温方法、正在研究发展的测温方法（一）利用某些物质的（一）利用某些物质的介电常数介电常数在某个范围在某
21、个范围与温度相关与温度相关测量温度。测量温度。（二）利用载流（二）利用载流电子的布朗运动电子的布朗运动产生的产生的随机电压随机电压测量物体的温度。测量物体的温度。（三）利用压电石英的（三）利用压电石英的自然振动频率自然振动频率与与温度温度有关来测量温度。有关来测量温度。石石英英温温度度计计就就是是利利用用这这一一性性质质达达到到测测温温的的目目的的，实实验验发发现现，石石英英的的共共振振频频率率与与温温度度有有关关。在在250的的温温度度范范围围内内，石石英英的的共共振振频频率率以以1000HZ/K随随温温度度呈呈成成线线性性变变化化。所所以以石石英英温温度度计计，即即可可用用于于高高精度的温
22、度测量，又可作为标准温度计进行温度基准传递，也精度的温度测量，又可作为标准温度计进行温度基准传递，也10/27/2022可在现场稳态条件下进行精密测温和控温。可在现场稳态条件下进行精密测温和控温。（四四）利利用用物物质质的的磁磁化化强强度度与与所所施施加加磁磁场场的的比比值值与与温温度度成成反反比比来来测测量温度。量温度。顺顺磁磁温温度度计计是是基基于于顺顺磁磁盐盐的的磁磁化化率率与与热热力力学学温温度度有有关关的的原原理理研研制制而而成成的的。使使用用方方法法是是在在互互感感电电桥桥的的线线圈圈之之间间放放置置一一个个合合适适的的材材料料样样品品，样样品品与与所所关关心心的的介介质质有有很很
23、好好的的热热接接触触，在在达达到到温温度度时时很很有有效效，并用于太空中的测量。并用于太空中的测量。（五）利用（五）利用声速与气体静态温度的热力学关系式声速与气体静态温度的热力学关系式来测量温度。来测量温度。声声速速温温度度计计基基于于这这一一原原理理用用于于测测量量流流体体或或固固体体表表面面温温度度，传传统统上上用用于于低低温温2.530K的的温温度度测测量量。目目前前发发展展至至用用于于高高达达1000的的温温度度测测量量，用用于于探探测测海海洋洋温温度度变变化化，通通过过接接收收跨跨海海洋洋盆盆地地传传播播的的低低频频声声音，于音，于100HZ来测量温度。来测量温度。此此外外还还有有其
24、其它它的的测测温温方方法法，如如超超声声波波技技术术、激激光光技技术术、射射流流技技术术、微微波波技技术术、热热成成象象测测量量技技术术，液液品品技技术术等等等等用用于于测测量量温温度度。本本课课程程主主要要着着重重介介绍绍以以热热电电偶偶温温度度计计为为代代表表的的接接触触式式温温度度计计和和用用辐辐射射学学方方法法测测量量温温度度的的的的温温度度计计，并并重重点点介介绍绍用用接接触触式式感感温温元元件件测测量量温温度度的的技术手段与方法。技术手段与方法。10/27/20223、以测温方法分类的温度计、以测温方法分类的温度计根据温度计测温方法的不同，可把温度计分为两类根据温度计测温方法的不同
25、，可把温度计分为两类：（一一）接接触触式式测测温温：测测温温要要求求感感温温元元件件浸浸入入被被测测介介质质或或以以被被测测物物体体直直接接接接触触的的测测温温方方法法。如如水水银银玻玻管管温温度度计计、热热电电偶偶及及热热电电阻阻温温度度计计等等。接接触触式式测测温温时时，从从根根本本上上说说，温温度度计计指指示示的的温温度度只只是是感感温温元元件件本本身身的的温温度度。例例如如热热电电偶偶所所测测到到的的温温度度只只是是其其热热接接点点的的温温度度。通通常常，人人们们将将感感温温部部的的温温度度就就当当做做被被测测对对象象的的温温度度。例例如如，水水银银温温度度计计指指示示100100时时
26、，只只表表明明温温度度计计感感温温包包的的温温度度为为100100，然然而而我我们们需需要要的的却却是是被被测测对对象象的的温温度度，于于是是就就有有这这样样一一个个问问题题，被被测测温温度度能能否否用用温温度度计计的的指指示示温温度度来来表表示示呢呢？根根据据达达到到热热平平衡衡的的诸诸物物体体具具有有相相同同温温度度的的原原理理，只只要要温温度度计计与与被被测测介介质质之之间间的的热热交交换换达达到到平平衡衡，则则温温度度计计的的示示值值便便可可以以用用表表示示被被测测温温度度。不不过过在在工工程程测测量量中中，这这不不过过是是一一种种近近似似。绝绝大大多多数数情情况况下下，接接触触式式感
27、感温温元元件件与与被被测测介介质质之之间间一一是是来来不不及及达达到到热热平平衡衡。因因为为被被介介质质的的温温度度是是随随时时间间变变化化的的，二二是是被被测测介介质质不不单单与与感感温温元元件件进进行行热热交交换换，还还与与其其它它部部件件进进行行热热交交换换，因因而而此此时时的的“热热平平衡衡”是是近近似似的的。所所以以必必须须从从方方法法和和手手段段上上解解决决用用接接触触式式感感温元件测温的误差问题。温元件测温的误差问题。（二）非接触式测温：（二）非接触式测温：10/27/2022非非接接触触式式测测温温感感温温元元件件与与被被测测对对象象还还有有直直接接接接触触。用用这这种种方方法
28、法测测温温时时，不不会会破破坏坏被被测测对对象象的的温温度度场场，进进而而消消除除了了由由接接触触被被测测介介质质带带来来的一系列造成温度场畸变的因素，可实现远距离测量。的一系列造成温度场畸变的因素，可实现远距离测量。4、以输出量性质分类的测温方法、以输出量性质分类的测温方法 在在温温度度测测量量中中，为为了了达达到到测测量量的的目目的的，需需要要对对温温度度量量进进行行测测温温变变换换，所所谓谓测测量量变变换换就就是是将将一一个个物物理理量量的的大大小小去去反反映映另另一一个个与与之之有有函数关系的理量的大小。目前常见的温度测量变换分为以下函数关系的理量的大小。目前常见的温度测量变换分为以下
29、三类：三类：（一）温度的力学测量方法（一）温度的力学测量方法 将将温温度度信信号号变变为为水水银银玻玻管管温温度度计计或或酒酒精精温温度度计计的的液液柱柱位位移移；将将温温度度信信号号变变成成金金属属片片的的膨膨胀胀位位移移的的双双金金属属片片温温度度计计；将将温温度度信信号号变变成成介介质质膨膨胀胀的的压压力力式式温温度度计计等等。这这种种将将温温度度变变化化的的输输入入量量变变换换成成力力学学量量：位位移移、线线位位移移、角角位位移移等等力力学学量量输输出出称称之之谓谓温温度度和和力力学学测测量量方法。方法。（二）温度的电学测量方法（二）温度的电学测量方法 将将温温度度信信号号变变为为热热
30、电电偶偶温温度度计计的的热热电电势势输输出出，将将温温度度信信号号变变换换成成测测定定热热电电阻阻值值的的电电阻阻温温度度计计等等。这这种种将将温温度度变变化化的的输输入入量量变变换换成成电学量：热电势、热电阻等电学量输出称之谓温度的电学量：热电势、热电阻等电学量输出称之谓温度的电学测量方法电学测量方法。10/27/2022（三）温度的光学测量方法（三）温度的光学测量方法 工工业业测测量量中中将将温温度度信信号号变变为为光光学学量量输输出出。测测量量气气体体发发射射或或吸吸收收辐辐射射能能的的光光谱谱法法；利利用用黑黑体体辐辐射射定定律律来来测测量量不不透透明明表表面面温温度度的的光光测测高高
31、温温法法。如如红红外外热热象象仪仪在在测测量量物物体体的的表表面面温温度度时时，就就是是利利用用“自自然然界界中中的的一一切切物物体体，只只要要其其温温度度高高于于绝绝对对零零度度时时，就就总总会会用用外外发发射射辐辐射射能能”的的原原理理。收收集集并并探探测测这这些些辐辐射射能能，将将输输入入的的温温度度信信号号变变成成输输出出的的光光学学量量，最最后后获获得得被被测测物物体体的的温温度度示示值值。利利用用光光线线在在通通过过不不均均匀匀折折射射率率场场会会发发生生弯弯曲曲的的原原理理，将将温温度度场场的的信信号号变变为为光光线线在在空空间间变变化化的的位位置置来来测测量量及及推推算算温温度
32、度场场变变化化的的折折射射率率法法等等等等。这这种种将将温温度度变变化化的的输输入入量量变变换换成成光光学学量量做做为为输输出出量量的的方方法法称称之之谓谓温温度度的的光光学学测测量量方法。方法。4.2 4.2 温度测量的力学方法温度测量的力学方法4.2.1 4.2.1 玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计 测测量量特特点点是是测测量量准准确确、读读数数直直观观、结结构构简简单单、价价格格低低廉廉、使使用用方方便便，因因此此应应用用十十分分广广泛泛。其其不不足足之之处处在在于于易易碎碎、输输出出信信号号不不能能远远传和自动记录。传和自动记录。10/27/2022 液体介质采用水银是因为水银不易氧化
33、变液体介质采用水银是因为水银不易氧化变质，容易获得很高的测量精度，在相当大的温质，容易获得很高的测量精度，在相当大的温度范围内度范围内-38356保持液态，特别是在保持液态，特别是在200以下，以下，-38356 其膨胀系数几乎和温度成其膨胀系数几乎和温度成线性关系，所以水银玻管温度计可作为精线性关系，所以水银玻管温度计可作为精密的标准温度计用于精密测量之用。密的标准温度计用于精密测量之用。玻璃管液体温度计在使用时应注意因玻璃玻璃管液体温度计在使用时应注意因玻璃的热胀冷缩引起的零点漂移。定期校验零的热胀冷缩引起的零点漂移。定期校验零点位置，避免由此带来的测量误差。点位置，避免由此带来的测量误差
34、。4.2.2 4.2.2 双金属温度计双金属温度计 双金属温度计抗震性能好、双金属温度计抗震性能好、坚固耐用，但精度较低，一坚固耐用，但精度较低，一般等级为般等级为1 1级。常用于级。常用于工业生产中。测温范围为工业生产中。测温范围为-60-60500500左右。左右。10/27/20224.2.3 4.2.3 压力式温度计压力式温度计充以充以氮气氮气压力式压力式温度计其测温上温度计其测温上限可达限可达500，压力与温度的关压力与温度的关系系近似线性近似线性；若；若封闭系统中充进封闭系统中充进液体，称之为充液体，称之为充液式压力式温度液式压力式温度计。充液采用的计。充液采用的液体常用液体常用二
35、甲苯、二甲苯、甲醇或丙酮甲醇或丙酮等。等。测温范围一般为测温范围一般为-40550，压压力力与与温温度度的的关关系系呈呈非非线线性性关关系系。压压力力式式温温度度计计精精度度较较低低，但但使使用用简简便便，而而且且抗抗震震动动。常常用用在在对对温温度度波波动动范范围围不不大大的的场场合做监测使用。合做监测使用。10/27/20224.3 温度测量的电学方法温度测量的电学方法 将将输输入入的的温温度度信信号号变变换换电电学学量量信信号号输输出出称称之之谓谓温温度度的的电电学学测测量量方方法法。常常用用的的电电阻阻温温度度计计与与热热电电偶偶温温度度计计温温度度测测量量的的电电学学方方法法的的典典
36、型型代表。代表。4.3.1 4.3.1 热电偶温度计热电偶温度计 目目前前最最广广泛泛使使用用的的接接触触式式测测量量温温度度的的方方法法之之一一是是用用热热电电偶偶温温度度计计测测量量温温度度。与与其其它它温温度度计计相相比比它它有有足足够够的的测测量量精精度度，较较好好的的动动态态响响应应，工工作作可可靠靠，便便于于远远距距离离多多点点测测量量和和自自动动记记录录，它它结结构构简简单单、维维护护方方便便、价价格格便便宜宜，在在工工业业测测量量中中，已已有有不不同同型型号号的的定定型型热热电电偶偶产产品品可可供供选选用用；在在实实验验室室和和一一些些研研究究中中，可可根根据据不不同同的的需需
37、要要，自自行行制制作作一一些些特特殊殊尺尺寸寸和和结结构构的的热热电电偶偶，因因此此，热热电电偶偶温温度度计计是是一一种种应应用用面宽、比较理想和方便的测温仪器。面宽、比较理想和方便的测温仪器。1、热电偶测温原理、热电偶测温原理两两种种不不同同的的导导体体A和和B，把把它它们们组组成成一一个个闭闭合合回回路路时时，就就构构成成了了一一个个热热电电偶偶。如如图图4-5（a）所所示示。导导体体A和和B称称为为热热电电极极。当当两两个个接接点点的的温温度度不不同同时时，即即TT0，回回路路中中将将产产生生热热电电势势。如如图图4-5（b），就就是是最最基基本本的的热热电电偶偶测测温温线线路路。研研究
38、究表表明明，热热电电势势是是由由接接触触电电势势和和温温差差电势电势组成。组成。10/27/2022图图4-5 4-5 热电效应示意图热电效应示意图10/27/2022（一）接触电势（一）接触电势 （二）温差电势（二）温差电势10/27/2022接触电势接触电势 一些物质，其外围电子从外部能源吸收了足够的能量以后，可以脱离一些物质，其外围电子从外部能源吸收了足够的能量以后，可以脱离原子核的影响而变成自由电子，这些自由电子可以继续从外界吸收能量。它原子核的影响而变成自由电子，这些自由电子可以继续从外界吸收能量。它们的作用，通常可以假定为类似于理想气体的分子的作用。们的作用，通常可以假定为类似于理
39、想气体的分子的作用。不相同的金属材料，即使它们处于相同的温度下，其中自由电子的能量不相同的金属材料，即使它们处于相同的温度下，其中自由电子的能量和密度也不相同。因此，当两种金属材料和密度也不相同。因此，当两种金属材料A A和和B B相互接触时，自由电子会穿过相互接触时，自由电子会穿过中间分界面而扩散。假定金属中间分界面而扩散。假定金属A A中的自由电子的能量与密度比金属中的自由电子的能量与密度比金属B B中的高，中的高，那么，金属那么，金属A A中的自由电子就通过界面向金属中的自由电子就通过界面向金属B B扩散。扩散的结果使得在界面扩散。扩散的结果使得在界面处金属处金属A A的电位变正，金属的
40、电位变正，金属B B的电位变负，从而在界面处建立起一个电场。这的电位变负，从而在界面处建立起一个电场。这个电场的方向正好对抗这一扩散过程的进行。所以，当接点处的温度一定时，个电场的方向正好对抗这一扩散过程的进行。所以，当接点处的温度一定时，也就是说，当自由电子的能量一定时，这一扩散过程会达到平衡。此时，在也就是说，当自由电子的能量一定时，这一扩散过程会达到平衡。此时，在接点处所建立起来的电势称为接点处所建立起来的电势称为接触电势。接触电势。10/27/2022温差电势温差电势若导体若导体A A和和B B都是都是均质导体均质导体，今取导体，今取导体A A为例，将其径向尺寸加以为例，将其径向尺寸加
41、以放大。由于导体放大。由于导体 A A 两端的温度不同，因此在导体两端的温度不同，因此在导体 A A 内存在有温内存在有温度梯度。其两端的温差为度梯度。其两端的温差为dT dT 且且 T TT T0 0。温度较高处比温度较低处温度较高处比温度较低处的自由电子扩散的速率大的自由电子扩散的速率大，因此，因此温度较高温度较高的一边因的一边因失去电子而带失去电子而带正电正电，温度较低温度较低的一边因的一边因得到电子而带负电得到电子而带负电，从而在高、低温端，从而在高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的之间形成一个从高温端指向低温端的静电场静电场。电子的迁移力电子的迁移力和和静静电场力电场力达到平衡
42、时所形成的电位差叫达到平衡时所形成的电位差叫温差电势温差电势。温差电势的方向。温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与导体两端温度和性质有关。是由低温端指向高温端，其大小与导体两端温度和性质有关。10/27/2022（三）热电偶回路的总热电势（三）热电偶回路的总热电势图图4-8热电偶回路热电势分布图热电偶回路热电势分布图在整个闭合回路中，两端接在整个闭合回路中，两端接点温度为点温度为T T和和T T0 0。且。且T TT T0 0，。热电偶回路的总热电势为热电偶回路的总热电势为10/27/2022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性性质质
43、和和材材料料两两端端接接点点处处的的温温度度有有关关，而而与与热热电电偶偶的的几几何何尺尺寸寸和和中中间间各各点点的的温温度度分分布布无无关关。当当热热电电偶偶两两接接点点处处的的温温度度相相同同时时，回回路路中中总总的的热热电电势势等等于零。于零。只只有有用用两两种种均均匀匀的的不不同同性性质质的的导导体体才才能能构构成成热热电电偶偶。单单一一的的相相同材料组成的闭合回路中不会产生热电势。同材料组成的闭合回路中不会产生热电势。对对于于已已确确定定的的两两种种材材料料所所构构成成的的热热电电偶偶，如如果果保保持持其其一一端端的的温温度度固固定定不不变变，即即保保持持T T0 0=常常数数（实实
44、用用中中，一一般般常常取取T T0 0=0=0），则则E EABAB（T T，T T0 0）的数值将是）的数值将是T T的单值函数的单值函数。因因此此，可可以以用用测测量量E EABAB（T T，T T0 0）的的方方法法来来测测量量温温度度T T的的数数值值，这这就就是是利利用用热热电电偶偶测测温温的的基基本本原原理理。这这时时，应应该该预预先先知知道道不不同同的的T T所所对对应应的的E EABAB（T T，T T0 0）的的数数值值。在在实实际际工工作作中中，E EABAB（T T，T T0 0）数数值值并并不不是是用用式式（4-104-10）来来计计算算的的，而而是是通通过过所所谓谓标
45、标定定（或或称称校校准准）的的方方法法实实际际测测出出的的。将将这这些些数数值值制制成成热热电电偶偶的的分分度度表表，以以供供查查用用。热热电电偶偶测测量量温温度度时时，放放置置在在被被测测温温度度为为T T 的的物物体体上上的的接接点点称称之之为为热热电电偶偶的的热热端端或或测测量量端端。而而热热电电偶偶的的处处于于恒恒定定温温度度T T0 0下下的的另另一一端端，称称之之为为热热电电偶的冷端或参考端。偶的冷端或参考端。10/27/2022两点重要结论：两点重要结论：第一，第一，至少要有两种均匀的金属材料，才能构成热电偶。至少要有两种均匀的金属材料，才能构成热电偶。第第二二，当当热热电电偶偶
46、两两接接点点处处的的温温度度相相同同时时，回回路路中中总总的的热热电电势势等等于于零零。2、热电偶基本定律及其应用、热电偶基本定律及其应用（一）均值导体定律（一）均值导体定律任任何何一一种种均均值值导导体体组组成成的的闭闭合合回回路路，不不论论其其各各处处的的截截面面如如何何，不不论其是否存在温度梯度，都不可能产生热电势。论其是否存在温度梯度，都不可能产生热电势。利用该定律可检验热电极材料的均匀性。利用该定律可检验热电极材料的均匀性。（二）中间导体定律（二）中间导体定律 为为了了测测量量热热电电势势，必必须须在在热热电电偶偶回回路路中中接接入入测测量量仪仪表表及及其其引引线线，图图中中用用导导
47、体体C来来代代表表。那那么么，这这种种接接入入，对对回回路路的的热热电电势势有有无无影影响响呢？呢？在热电偶测量回路中，在热电偶测量回路中，当接入第三种导体当接入第三种导体时，只要被接入的时，只要被接入的中间导体两端的温度相等中间导体两端的温度相等，则对回路的热电势，则对回路的热电势没有影响没有影响。这一原。这一原理称为中间导体定律。理称为中间导体定律。10/27/2022图图4-9 4-9 加有中间导体的热电偶回路加有中间导体的热电偶回路 中间导体定律是当使用热电偶测温时，可以在回路中接中间导体定律是当使用热电偶测温时，可以在回路中接入测量仪表的理论根据。入测量仪表的理论根据。10/27/2
48、022（三）连接导体定律（三）连接导体定律在在热热电电偶偶回回路路，如如果果两两个个热热电电极极A A和和B B分分别别与与另另外外两两个个连连接接导导线线AA和和BB相相接接，相相接接处处的的温温度度为为TnTn，如如图图所所示示。现现在在讨讨论论这这一一回回路路中中总总的的热热电电势势的的值值。该该值值用用符符号号来来表表示示。在在这这一一个个闭闭合合回回路路中中，总总的的热热电电势势是是由由各各接接点点的的接接触触电电势势和和各各导导线线的的温温差差电势所构成的。即：电势所构成的。即：加有连接导体的热电偶回路加有连接导体的热电偶回路 10/27/2022（四）中间温度定律（四）中间温度定
49、律如如图图所所示示，两两种种不不同同的的材材料料组组成成的的热热电电偶偶回回路路，在在两两接接点点温温度度为为T1和和T2时时，其其热热电电势势为为 ，在在接接点点为为T2和和T3时时，其其热热电电势势为为 ，则则在在接接点点T1和和T3时时，该该热热电电偶偶的的热热电电势势为前二者之和，即为前二者之和，即 10/27/2022一定律是用热电偶测温时采用补偿导线的理论依据。一定律是用热电偶测温时采用补偿导线的理论依据。3、中间温度定律、中间温度定律 热电偶回路中，如果热电偶回路中，如果A和和A为同一种导体，为同一种导体，B和和B也是同一种导也是同一种导体，这时构成了连接导体定律的一种特殊情况体
50、，这时构成了连接导体定律的一种特殊情况一个热电偶在两接点温度为一个热电偶在两接点温度为T T和和T T0时，热电势时，热电势E EAB（T T，T T0 0）等于该热）等于该热电偶在电偶在T T和和T Tn与与T T0 0之间相应的热电势之间相应的热电势E EAB（T T，T T0 0）和）和E EAB（Tn，T T0 0）和）和的代数和。的代数和。Tn 称为中间温度，这就是中间温度定律。此定律是制称为中间温度，这就是中间温度定律。此定律是制定和使用分度表的理论依据。定和使用分度表的理论依据。三、热电偶的材料及其结构三、热电偶的材料及其结构1 1、热电偶材料、热电偶材料从从原原理理上上讲讲，任