第一章第一節(jié)溫度測量第一講

1、第一章第一章 參數(shù)檢測參數(shù)檢測一、溫度測量一、溫度測量1 溫度和溫標(biāo)溫度和溫標(biāo)溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。譬如規(guī)定什么樣譬如規(guī)定什么樣的溫度是的溫度是150150，什么樣的溫度是，什么樣的溫度是200200用來衡量物體溫度高低的標(biāo)尺叫溫度標(biāo)尺，簡稱用來衡量物體溫度高低的標(biāo)尺叫溫度標(biāo)尺，簡稱“溫標(biāo)溫標(biāo)”。國際普遍使用的溫標(biāo)有四種：國際普遍使用的溫標(biāo)有四種：熱力學(xué)溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)、 國際實用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)國際實用溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) （1740年瑞典人攝爾修斯年瑞典人攝爾修斯(Celsius)(Celsius)） 定義：定義：v水銀

2、體膨脹是線性；水銀體膨脹是線性；v標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點是攝氏零度，沸點為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰點是攝氏零度，沸點為100度，度，v而將汞柱在這兩點間等分為而將汞柱在這兩點間等分為100格，每等分格為攝格，每等分格為攝氏氏1度，標(biāo)記為度，標(biāo)記為。華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)定義：定義：1714年德國人華倫海特年德國人華倫海特(Fahrenheit)以水銀為測溫介以水銀為測溫介質(zhì)，制成玻璃棒水銀溫度計。規(guī)定水的沸點為質(zhì)，制成玻璃棒水銀溫度計。規(guī)定水的沸點為212度，度，氯化銨與冰的混合物為氯化銨與冰的混合物為0度度(純水冰點純水冰點32度度)，中間等分，中間等分為為212份，每一份為份，每一份為1度記作度記作

3、。稱為華氏溫標(biāo)。稱為華氏溫標(biāo)。5(32)9CF熱力學(xué)溫標(biāo)（開氏溫度）熱力學(xué)溫標(biāo)（開氏溫度）以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，規(guī)定分子運動停止（即沒有以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，規(guī)定分子運動停止（即沒有熱存在）時的溫度為絕對零度（熱存在）時的溫度為絕對零度（0K）。選用水的三相點）。選用水的三相點溫度為溫度為273.16，定義水的三相點溫度的，定義水的三相點溫度的1/273.16為為1度，度，單位為單位為K，這樣就建立了熱力學(xué)溫標(biāo)。，這樣就建立了熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)是一種純理論、與物體任何物理性質(zhì)無關(guān)熱力學(xué)溫標(biāo)是一種純理論、與物體任何物理性質(zhì)無關(guān)的溫標(biāo)，存在實驗上的困難，不便于實際應(yīng)用。的溫標(biāo)，存在實驗上的

4、困難，不便于實際應(yīng)用。國際實用溫標(biāo)國際實用溫標(biāo)ITS-90國際溫標(biāo)國際溫標(biāo)ITS-90同時定義國際開爾文溫度同時定義國際開爾文溫度(符號為符號為T90)和國和國際攝氏溫度際攝氏溫度(符號為符號為t90)國際實用溫標(biāo)指出，熱力學(xué)溫度為基本物理量，規(guī)定水的三相點溫國際實用溫標(biāo)指出，熱力學(xué)溫度為基本物理量，規(guī)定水的三相點溫度為度為273.16，單位為，單位為k，1k的大小為水的三相點熱力學(xué)溫度的的大小為水的三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16，由于攝氏溫標(biāo)將冰點定義為，由于攝氏溫標(biāo)將冰點定義為0，而冰點比水的三相點低，而冰點比水的三相點低0.01k0.01k，那么冰點溫度為，那么冰點溫度為273.15

5、k，即，即)(15.2739090KKTt）（）單位單位當(dāng)表示溫度差和溫度間隔時當(dāng)表示溫度差和溫度間隔時1=1K熱電偶熱電偶熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號電信號便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快

6、速及動態(tài)溫度的測量。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使溫差熱電偶（簡稱熱電偶）是目前溫度測量中使用最普遍的傳感元件之一。它除具有用最普遍的傳感元件之一。它除具有結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，輸出信號為電信號電信號便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來便于遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換等優(yōu)點外，還能用來測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。測量流體的溫度、測量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量。熱電

7、偶工作原理熱電偶工作原理兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成如圖所示閉合回路，若導(dǎo)體A和B的連接處溫度不同（設(shè)TT0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱熱電效應(yīng)電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由塞貝克（Seeback）發(fā)現(xiàn),所以又稱塞貝克效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB回路中所產(chǎn)生的電動勢，叫熱電勢。熱電勢由兩部分組成，即溫差電勢和接觸電勢。接觸電勢接觸電勢兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體A、B相接觸時產(chǎn)生的電動勢叫接相接觸時產(chǎn)生的電動勢叫接觸電勢。觸電勢。 接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-熱電偶回路電勢熱電偶回路電勢熱電偶回路電勢熱電偶回路電勢eA

8、B(T)導(dǎo)體A、B結(jié)點在溫度T 時形成的接觸電動勢；e單位電荷， e =1.610-19C； k波爾茲曼常數(shù)， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 導(dǎo)體A、B在溫度為T 時的電子密度。BAABNNekTTeln)(接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。溫差電勢溫差電勢同一導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的電勢稱為溫差電勢。同一導(dǎo)體兩端溫度不同而產(chǎn)生的電勢稱為溫差電勢。AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖dTTTeTTAA0),(0eA(T，T0)導(dǎo)體A兩端溫度為T、T0時形成的溫差電動勢；T，T0高低端的絕對溫度； A湯姆遜系數(shù)，表

9、示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0時，銅的 =2V/?；芈窡犭妱莼芈窡犭妱萦蓪?dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點溫度分別為T、T0,如果TT0，則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢，回路總電勢：),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABBTATNNekTln00ln0BTATNNekTdTTTBA0)()t (-) t (0ABABEET0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB熱電偶回路電勢熱電偶回路電勢如果固定冷段溫度 ， =C（常數(shù)），則：t0)(te0AB) t (-) t (e)tt (AB0CEAB，中間

10、導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律一個由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們一個由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點溫度相同，則此回路各接點產(chǎn)生的熱電彼此連接的接點溫度相同，則此回路各接點產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和為零。勢的代數(shù)和為零。 E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路TABCTT如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則20將第三種材料C接入由A、B組成的熱電偶回路，如圖，則圖a中的A、C接點2與C、A的接點3，均處于相同溫度T0之中，此回路的總電勢不變，即3EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）EAB(T1,T2)=

11、EAB(T1)-EAB（T2）T2T1AaBC23EABaAT023AEABT2 C(a)(b)T0T0第三種材料接入熱電偶回路圖同理，圖b中C、A接點2與C、B的接點3，同處于溫度T0之中，此回路的電勢也為：T1接入中間導(dǎo)體的熱電偶回路接入中間導(dǎo)體的熱電偶回路)tt ()tt ()tt ()t ()t () t ()tt (0000000，BCABCCAABABCE其中其中)t (-)t ()t ()t (0000ABBABCCA帶入原式并參見課本（帶入原式并參見課本（1-2）得出：）得出：),()tt ()tt (-)t (-) t ()tt (00000ttEEABBAABABABC，常

12、用熱電偶常用熱電偶熱電偶材料應(yīng)滿足：熱電偶材料應(yīng)滿足：l 物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變；l 化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐化學(xué)性能穩(wěn)定，以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕；蝕；l 熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)??；熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)小；l 便于制造；便于制造；基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)1接線盒接線盒2保險套管保險套管3絕緣套管絕緣套管4熱電偶絲熱電偶絲普通熱電偶結(jié)構(gòu)圖普通熱電偶結(jié)構(gòu)圖熱電偶主要分類熱電偶主要分類常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)

13、準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年年1月月1日起，熱電偶和日起，熱電偶和熱電阻全部按熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、

14、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。快速微型熱電偶快速微型熱電偶示意圖見示意圖見P11圖圖1-5冷段溫度補償冷段溫度補償原因l熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；l熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0為依據(jù)，否則會產(chǎn)生誤差。方法u 冷端補償導(dǎo)線法u 計算校正法u 冰浴法u 補償電橋法u 零點遷移法u 軟件處理法冷段補償導(dǎo)線法冷段補償導(dǎo)線法 mVEAB(T,T0)T0T0TABUT0T0AB補償導(dǎo)線連接圖補償導(dǎo)線連接圖新冷段溫度原冷段溫度；補償導(dǎo)線；熱電偶；-

15、tt, ,00BABA計算校正法計算校正法EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)式中式中t工作端溫度工作端溫度t0實際冷段溫度實際冷段溫度EAB(t,0)熱電偶工作在兩端溫度熱電偶工作在兩端溫度t與與t0時儀表測出的熱時儀表測出的熱電勢；電勢；EAB(t,t0)，EAB(T0,0)該熱電偶爆出冷段溫度為該熱電偶爆出冷段溫度為0，而工作溫度分別取而工作溫度分別取t，t0時的熱電勢值，此值可以從相應(yīng)時的熱電勢值，此值可以從相應(yīng)地?zé)犭娕挤侄缺碇胁榈?。地?zé)犭娕挤侄缺碇胁榈健犭娮锜犭娮栌山饘伲ㄣK、銅、鎳等）材料制成的稱為由金屬（鉑、銅、鎳等）材料制成的稱為熱電阻熱電阻；由半導(dǎo)體材料制成的稱為由半導(dǎo)體材料制成的稱為熱敏電阻熱敏電阻。熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化而變化的原理制成的，可將溫度的隨溫度的變化而變化的原理制成的，可將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化。熱電阻結(jié)構(gòu)熱電阻結(jié)構(gòu)熱敏電阻用于熱敏電阻用于電熱水器電熱水器的溫度控制的溫度控制 溫度顯示儀表溫度顯示儀表顯示儀表顯示儀表接受測溫元件輸出信號，講測量值顯示（指示、記錄等）出來以供接受測溫元件輸出信號，講測量值顯示（指示、記錄等）出來以供觀察的儀表。觀察的儀表。分類分類1、模擬式顯示儀表、模擬式顯示儀