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1、第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 本章主要内容：本章主要内容：11.1 概述概述11.2 电阻温度计电阻温度计11.3 热电偶热电偶5/26/20231第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 11.1 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:精度底精度底 量程小量程小5/26/20232第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 11.1 概述概述缺点缺点:受气压影响受气压影响 最早使
2、用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。5/26/20233第第1111章章 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 11.1 概述概述5/26/20234第第1111章章
3、温度测量技术温度测量技术 第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 (本课程主要介绍接触式测温原理及方法本课程主要介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电阻较普通的热电式传感器将温度量转换为电势和电阻。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 11.1 概述概述5/26/20236第第1111章章 温度测
4、量技术温度测量技术 11.2 电阻温度计电阻温度计电阻温度计原理电阻温度计原理 基于导体或半导体的电阻值随温度变化的性质基于导体或半导体的电阻值随温度变化的性质而工作的。而工作的。测温敏感元件有测温敏感元件有:金属导体、半导体热敏电阻。金属导体、半导体热敏电阻。5/26/20237第第1111章章 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
5、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。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，希是不同的，希望在测量温度的范围内望在测量温度的范围内是一个常数。是一个常数。11.2 电阻温度计电阻温度计5/26/20238第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 二、二、半导体热敏电阻半导体热敏电阻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)粉粉末按一定比例混合烧结而成的半导体。末按
6、一定比例混合烧结而成的半导体。电阻值随温度上升而下降，具有负温度系数电阻值随温度上升而下降，具有负温度系数:T是绝对温度是绝对温度0K；A、B是常数，是常数，B单位是单位是0K。电阻温度系数：单位温度变化所引起的电阻的相电阻温度系数：单位温度变化所引起的电阻的相对变化对变化11.2 电阻温度计电阻温度计5/26/202310第第1111章章 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）11.2 电阻温度计电阻温
7、度计5/26/202311第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 第第1111章章 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；电阻温度特性分散性大；2)稳
8、定性差；稳定性差；3)非线性较严重。非线性较严重。11.2 电阻温度计电阻温度计5/26/202313第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 3.采取的技术措施采取的技术措施 (可采用三线接桥法及四线接桥法可采用三线接桥法及四线接桥法)11.2 电阻温度计电阻温度计用具有相同温度特性的导用具有相同温度特性的导线线r1、r2分别接到两个邻分别接到两个邻臂上，因而可互相抵消，臂上，因而可互相抵消，而第三根线与负载电阻而第三根线与负载电阻RL相串联，由于负载的输入相串联，由于负载的输入阻抗都很大，阻抗都很大，r3则可忽略则可忽略不计。不计。5/26/2
9、02315第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 11.3 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。5/26/202316第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 第第1111章章 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
10、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。11.3 热电偶热电偶5/26/202318第第1111章章 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（珀耳贴电势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（汤姆逊电势）所组成）与同一种导体的温差电势（汤姆逊电势）所组成的。的。11.3 热电偶热电偶5/26/202319第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 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
11、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。11.3 热电偶热电偶5/26/202320第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 11.3 热电偶热电偶 接触面上金属接触面上金属A的电子扩散的电子扩散到到B，A失去电子带正电，失去电子带正电，B因获因获得电子带负电，在接触面上形成得电子带负电，在接触面上形成了静电场，这个静电场将阻止扩了静电场，这个静电场将阻止扩散过程的进行，当自由电子密度散过程的进行，当自由
12、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，达到了动平的作用相互抵消时，达到了动平衡，在接触面上形成一个稳定的衡，在接触面上形成一个稳定的接触电位差。接触电位差。自由电子密度自由电子密度 nAnB5/26/202321第第1111章章 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
13、，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。11.3 热电偶热电偶5/26/202322第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 第第1111章章 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）物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使用，物理性能稳定，能在较宽的温度范围内使用，热电性质不随时间变化；热电性质不随时间变化；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）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）电
14、导率高，电阻温度系数小；电导率高，电阻温度系数小；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。11.3 热电偶热电偶5/26/202324第第1111章章 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。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。11
15、.3 热电偶热电偶5/26/202325第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 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,而和其它部位而和其它部位的温度无关。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。11.3 热电偶热电偶5/26/202326第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 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
16、三种金属有三种金属A、B、C两两相接，当接点温度分别两两相接，当接点温度分别为为T1和和T2时，金属时，金属A和和C的热电势为的热电势为EAC，金属，金属C和和B的热电势为的热电势为ECB，则金属，则金属A和和B的热电势：的热电势：EAB=EAC+ECB11.3 热电偶热电偶5/26/202328第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 5.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T1和和T2时的热电势为时的热电势为E1，接，接点温度为点温度为T2和和T3时的热电势为时的热电势为E2，则当接点温度为，则当接点温度为T1和和T3时的热电势为时的热电势为E1+E2。11.3
17、热电偶热电偶5/26/202329第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 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、B这就是补偿线这就是补偿线法。法。要求补偿导线的热电性质与所用热电偶相同或要求补偿导线的热电性质与所用热电偶相同或相近。相近。11.3
18、热电偶热电偶5/26/202331第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 在温度在温度T2-T0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）11.3 热电偶热电偶5/26/202332第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 说明：说明：1)用补偿导线后，不管用补偿导线后，不管T2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
19、的；2)使用时应注意补偿线不要接错极性。使用时应注意补偿线不要接错极性。11.3 热电偶热电偶5/26/202333第第1111章章 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.热电偶的类型热电偶的类型 按照国际计量委员会规定的按照国际计量委员会规定的1990年国际温标年国际温标标准，规定了标准，规定了8种通用热电偶。种通用热电偶。铂铑铂铑10-铂热电偶（分度号为铂热电偶（分度号为S）正板：铂铑合金丝；负板：铂丝正板：铂铑合金丝；负板：铂丝 镍铬镍铬-镍硅热电偶（分度号为镍硅热电偶（分度号为K）正板：镍铬合金；正板：镍铬合金；负板：镍硅合金负板：镍硅合金 镍铬镍铬
20、-康铜热电偶（分度号为康铜热电偶（分度号为E）正板：镍铬合金；正板：镍铬合金；负板：康铜负板：康铜11.3 热电偶热电偶5/26/202334第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 1.热电偶的类型热电偶的类型铂铑铂铑30-铂铑铂铑b热电偶（分度号为热电偶（分度号为B）正板：铂铑正板：铂铑30合金（合金（70%铂、铂、30%铑）；铑）；负板：铂铑负板：铂铑b合金合金 （94%铂、铂、6%铑）。铑）。钨铼热电偶（高温热电偶）钨铼热电偶（高温热电偶）正板：钨铼合金（正板：钨铼合金（95%钨、钨、5%铼）；铼）；负板：钨铼合金（负板：钨铼合金（80%钨、钨、20%铼）。铼）。该传感器可测量温度该
21、传感器可测量温度3000。11.3 热电偶热电偶5/26/202335第第1111章章 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普通热电偶普通热电偶图图11-1 普通热电偶普通热电偶1-1-热电极热电极 2-2-绝缘套管绝缘套管 3-3-保护管保护管 4-4-接线盒接线盒 5-5-接线盒盖接线盒盖11.3 热电偶热电偶5/26/202336第第1111章章 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11-211-2铠装热电偶示
22、意图铠装热电偶示意图11.3 热电偶热电偶5/26/202337第第1111章章 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11-311-3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11.3 热电偶热电偶5/26/202338第第1111章章 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，用用于于测测量量金属块、炉壁、涡轮叶片等固体的表
23、面温度。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。11.3 热电偶热电偶5/26/202339第第1111章章 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 PP275277（自学）（自学）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.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11.3 热电偶热电偶5/26/202340
24、第第1111章章 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管如上图。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。中，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11.3 热电偶热电偶5/26/202341第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2.标定方法标定方法1）直接标定法（非标准热电偶）直接标定法（非标准热电偶）将工作热电偶与标准的测温系统一起测定同一将工作热电偶与标准的测温系统一起测定同一个静态热源的温度，就可以用两个显示的数值来确个静态热源的温度，就可以用两个显
25、示的数值来确定工作热电偶的热电势与温度的对应关系。定工作热电偶的热电势与温度的对应关系。5/26/202342第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 2）间接标定法（电标定法）间接标定法（电标定法）若工作热电偶的热电特性完全和分度表规定的若工作热电偶的热电特性完全和分度表规定的一样，则可以用间接标定法（电标定法）。一样，则可以用间接标定法（电标定法）。11.3 热电偶热电偶5/26/202343第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 3.温度测量系统的动态误差温度测量系统的动态误差 热电偶是一种一阶线性系统，其工作状态可以热电偶是一种一阶线性系统，其工作状态可以用一阶微分方程来描述。用
26、一阶微分方程来描述。待测温度待测温度热电偶的响应热电偶的响应可试图采用直径尽量小的热电偶丝来制作热电偶。可试图采用直径尽量小的热电偶丝来制作热电偶。时间常数时间常数11.3 热电偶热电偶5/26/202344第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 但这种热电偶除制作困难外，机械强度也极差，但这种热电偶除制作困难外，机械强度也极差，极容易断，所以使用寿命很短，一般都要采取补偿极容易断，所以使用寿命很短，一般都要采取补偿方法。如在电路中加一补偿网络。方法。如在电路中加一补偿网络。图图11-4 11-4 热电偶幅频特性热电偶幅频特性11.3 热电偶热电偶5/26/202345第第1111章章 温
27、度测量技术温度测量技术 图图11-5 补偿电路补偿电路11.3 热电偶热电偶5/26/202346第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 图图11-6补偿电路的幅频特性补偿电路的幅频特性11.3 热电偶热电偶5/26/202347第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 作作 业业11-1.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）取决于热端温度；（）取决于热端温度；（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）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？11-2.热电偶的热电动势大小和热电
28、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？11-3.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？5/26/202348第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 11-4.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
29、，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？11-5.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5/26/202349第第1111章章 温度测量技术温度测量技术 例：用镍铬例：用镍铬-镍硅热电偶测量某温度，参考端温度镍硅热电偶测量某温度，参考端温度,仪表测得热电势仪表测得热电势E(T,)为为28.55mV，试求实际被测温，试求实际被测温度度T值。值。解：先查镍铬解：先查镍铬-镍硅热电偶分度表，得镍硅热电偶分度表，得 E(T,)=E(T,)+E(,)=28.55+1.00=29.55mV所得所得29.55mV才是热电偶工作端温度为才是热电偶工作端温度为T，参考端，参考端温度为温度为0时产生的热电势，用此热电势再查上述分时产生的热电势，用此热电势再查上述分度表，就可得到工作端温度，即被测温度度表，就可得到工作端温度，即被测温度T=710。5/26/202350