溫度測量簡介

1、溫度測量簡介1一、溫度測量的基本概念 在一個密閉的空間里，氣體分子在高溫時的運動速度比低溫時快！低溫高溫溫度：標(biāo)志著物質(zhì)內(nèi)部大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度。溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。2二、溫標(biāo) 1、溫度的數(shù)值表示方法稱為溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度讀數(shù)的起點（即零點）以及溫度的單位。各類溫度計的刻度均由溫標(biāo)確定。2、國際上規(guī)定的溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)等。 3幾種溫標(biāo)的對比 4熱力學(xué)溫標(biāo)（K） 熱力學(xué)溫標(biāo):建立在熱力學(xué)第二定律基礎(chǔ)上的溫標(biāo) 開氏溫標(biāo):由開爾文（Kelvin）提出來 符號: T 單位: 開爾文（K） 。威廉湯姆遜開爾文勛爵像51990國際溫標(biāo)(ITS-90) IT

2、S-90：從1990年1月1日開始在全世界范圍采用定義了：溫度的固定點 測量和重現(xiàn)固定點的標(biāo)準(zhǔn)儀器 計算公式例如水的三相點為273.16K（0.01C）。 6攝氏溫標(biāo)是工程上最通用的溫度標(biāo)尺。攝氏溫標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(即101325Pa)下將水的冰點與沸點中間劃分一百個等份，每一等份稱為攝氏一度(攝氏度，)，一般用小寫字母t表示。與熱力學(xué)溫標(biāo)單位開爾文并用。 攝氏溫標(biāo)與國際實用溫標(biāo)溫度之間的關(guān)系如下：華氏溫標(biāo)目前已用得較少，它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融點為32華氏度，水的沸點為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱為華氏一度，符號用，它和攝氏溫度的關(guān)系如下：T=t+273.15 Kt=T-2

3、73.15 m=1.8n+32 n= 5/9 (m-32) 7溫度是表征物體冷熱程度的物理量。是工業(yè)生產(chǎn)中最普遍而重要的操作參數(shù)。三、溫度檢測及儀表8（一）溫度檢測方法一般利用物體的某些物理性質(zhì)隨溫度變化的特性來感知、測量溫度。主要分為2大類： 接觸式測溫通過測溫元件與被測物體的接觸而感知物體的溫度。 非接觸式測溫通過接受被測物體發(fā)出的熱輻射來感知溫度。9接觸式測溫儀表有：1、膨脹式溫度計膨脹式溫度計是基于物體受熱時體積膨脹的性質(zhì)而制成的。主要有： 液體膨脹式溫度計：利用液體（水銀、酒精）受熱時體積膨脹的特性測溫。玻璃管溫度計電接點式玻璃管溫度計10 氣體熱膨脹式 不需要電源，耐用；但感溫部件

4、體積較大。 氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比11雙金屬片:兩片線脹系數(shù)不同的金屬片疊焊接在一起。受熱后，由于兩金屬片的膨脹長度不同而產(chǎn)生彎曲。若將雙金屬片制成螺旋形，當(dāng)溫度變化時，螺旋的自由端便圍繞著中心軸偏轉(zhuǎn)，帶動指針在刻度盤上指示出相應(yīng)溫度值。 固體膨脹式溫度計12雙金屬片調(diào)節(jié)螺釘絕緣柱雙金屬片常用來做溫度報警或控制隨著溫度上升，雙金屬片逐漸彎曲，當(dāng)其觸點接觸到固定觸點時，報警燈和繼電器回路被接通。調(diào)節(jié)螺釘用來調(diào)整固定觸點的位置，以調(diào)整報警溫度。雙金屬溫控器繼電器13原理：封閉容器中的液體、氣體或低沸點液體的飽和蒸汽，受熱后體積膨脹，壓力增大。利用封閉容器中的介質(zhì)壓力隨溫度變化的現(xiàn)象來測溫。壓

5、力表指示溫度2、壓力式溫度計143、熱電偶溫度計 利用物體的熱電性質(zhì)：熱電勢4、熱電阻溫度計 利用金屬或半導(dǎo)體電阻值隨溫度而變化的性質(zhì)5、半導(dǎo)體溫度計 利用半導(dǎo)體PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度變化的特性15紅外線測溫計光學(xué)高溫計1、輻射式溫度計：通過測量物體熱輻射功率來測量溫度。2、紅外式溫度計：通過測量物體紅外波段熱輻射功率來測量溫度。非接觸式測溫的具體方法有16紅外溫度計17集成溫度傳感器將溫敏晶體管和外圍電路集成在一個芯片上構(gòu)成，相當(dāng)于一個測溫器件。特點：體積小、反應(yīng)快、線性較好、價格便宜，測溫范圍為-50150。 集成溫度傳感器分為電壓型電流型數(shù)字型 3、集成溫度傳感器1819熱電偶、熱電阻的測

6、溫信號，須經(jīng)后級儀表處理將溫度顯示出來或記錄保存。1001. 動圈式指示儀表可直接與熱電偶、熱電阻配套顯示溫度，是最簡單的模擬指示儀表。（二） 溫度顯示儀表20動圈式儀表實質(zhì)上是測量電流的儀表核心部件是一個磁電式毫安表通電線圈在磁場中受力矩的作用而偏轉(zhuǎn)，指針移動21當(dāng)測量信號通過張絲加在動圈上，電流流過動圈，動圈受磁場力作用而偏轉(zhuǎn)。動圈轉(zhuǎn)動使張絲扭轉(zhuǎn)并產(chǎn)生反抗動圈轉(zhuǎn)動的力矩，兩力矩平衡時，動圈就停留在某一位置上，指示被測參數(shù)值。100動圈測量機構(gòu)原理22RDRMR串RTRL熱電偶由于熱敏電阻溫度系數(shù)太大，用一個錳銅電阻RM（50）和熱敏電阻RT（6820）并聯(lián)。R串按量程大小調(diào)整。 熱電偶直接

7、輸出毫伏信號，可以驅(qū)動動圈儀表。但要解決動圈電阻溫度補償和量程匹配問題。 用熱敏電阻補償動圈電阻的溫度誤差1) 配熱電偶的動圈儀表23 外接電阻和外接調(diào)整電阻熱電偶和動圈儀表相接后，流過動圈的電流為：R外 = R熱+ R補+ R連+ R調(diào)R內(nèi) = 表內(nèi)電阻之和測量時要求回路：R總=15通過調(diào)整R調(diào)實現(xiàn)。24一般用電橋?qū)犭娮栊盘栟D(zhuǎn)換成電壓信號2) 配熱電阻的動圈儀表25則 R1R3 =R2（R0+RT0）且 R1= R2 ， R3 = RT0 + R0有：I1 = I2 = I 當(dāng)T 時，電橋輸出Uab =R3 I （RT+R0）I =R3 I （RT0+RT+R0）I = RT I 電橋工作

8、原理RwRmRdR0R2R1RtR3abRTI2I1r r r 設(shè)T0時，電橋平衡。26可見三線制接法可以消除接線電阻的影響。一般規(guī)定每根連接導(dǎo)線的電阻值為5。 三線制與外接調(diào)整電阻 在考慮接線電阻后，電橋輸出：Uab =（R3+r) I （RT0 +RT +R0+r）I = RT IRwRmRdR0R2R1RtR3abRTI2I1r r r 27數(shù)字式指示儀表是以數(shù)字電壓表為主體而構(gòu)成的測量儀表。其原理框圖如下： 檢測變送寄存器模/數(shù)轉(zhuǎn)換脈沖計數(shù)脈沖信號數(shù)字譯碼器顯示器2. 數(shù)字式指示儀表28例：配熱電偶的數(shù)字式測溫儀表原理框圖標(biāo)準(zhǔn)熱電勢濾波放大線性化標(biāo)度變換29檢測信號要進入控制系統(tǒng)，必須

9、符合控制系統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)。變送器的任務(wù)就是將不標(biāo)準(zhǔn)的檢測信號，如熱電偶、熱電阻的輸出信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，并使能夠遠(yuǎn)傳。 數(shù)字控制系統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)有：FF協(xié)議、 HART協(xié)議等模擬控制系統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)是： 型：010mA、010VIII型：420mA、15V（三）溫度變送器301. 模擬式溫度變送器模擬式溫度變送器有多個品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和量程，但結(jié)構(gòu)相同-+電量傳感元件被測溫度輸入電路放大電路反饋電路輸出電流溫度變送器原理框圖E131以DDZ-III型熱電偶溫度變送器為例:Et反饋反饋放大電路 電源輸入電路輸出電路3233DDZ型電動單元組合儀表中的變送單元之一它能將熱電偶（或熱電

10、阻）的輸入信號線性地轉(zhuǎn)換成與溫度成比例的電流（電壓）信號，供給顯示、控制儀表及計算機集散系統(tǒng)，廣泛用于冶金、石油化工、熱電站、紡織、造紙等行業(yè)的測溫控制系統(tǒng)中。軌裝式溫度變送器34傳感元件與測量電路一體化高度集成，自帶冷端補償功能， 24VDC供電。3536智能變送器是采用微處理器技術(shù)的現(xiàn)場型儀表?？奢敵瞿M、數(shù)字混合信號或全數(shù)字信號，而且可以通過現(xiàn)場總線與上位計算機連接，構(gòu)成集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。2. 智能溫度變送器37西儀444系列溫度變送器上海橫河YT200溫度變送器383.1 電阻式傳感器取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，

11、而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484 。 3.1.2 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?93.1 電阻式傳感器溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。 分為：金屬熱電阻，半導(dǎo)體熱敏電阻一、金屬熱電阻（熱電阻）1、材料：要求有大的、穩(wěn)定的溫度系數(shù)，大，線性好， 性能穩(wěn)定，便于生產(chǎn)（銅、鉑、鎳）。2、特點：測溫精度較高，范圍廣（-2006000 C），穩(wěn)定 性、重復(fù)性好。但熱慣性大，靈敏度低。3、結(jié)構(gòu)：熱電阻是由電阻體、絕緣套管和接線盒等主要部 件組成的，電阻絲是熱電阻的 最主要

12、部分。403.1 電阻式傳感器1）鉑電阻 阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系為:其中：A, B, C 為常數(shù)4、分別描述鉑電阻，銅電阻，其它金屬熱電阻的特點。41特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠，測溫范圍廣。分度號： Pt50 R0 = 50 Pt100 R0 =100 百度電阻比1.385 結(jié)構(gòu)：用很細(xì)的鉑絲繞在云母片制成的平板性支架上，鉑 絲繞組的出線端與銀絲引出線相焊，并穿上瓷套管加以絕緣和保護。熱電阻的結(jié)構(gòu)主要由不同材料的電阻絲繞制而成，為避免通過交流電時產(chǎn)生感抗，或有交變磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在繞制時采用雙線無感繞制，通過兩股導(dǎo)線的電流方向相反，從而使其產(chǎn)生的磁通相互抵消微型鉑電阻: 特點是體積小

13、，熱慣性小，氣密性好2）銅電阻適用范圍：-501500C ,精度要求不高的場合優(yōu)點：銅的電阻與溫度呈線性關(guān)系；電阻溫度系數(shù)高； 易提純，價格便宜缺點：機械強度不高、易氧化等, 溫度范圍小。百度電阻比1.428423.1 電阻式傳感器銅電阻阻值與溫度的函數(shù)關(guān)系為: .25.2810-3 /0C 分度號: Cu50 R0 =50 WZC型 Cu100 R0 =1003）其它金屬熱電阻： 銦電阻，錳電阻，碳電阻433.1 電阻式傳感器易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻443.1 電阻式傳感器表2-2 熱電阻的主要技術(shù)性能 453.1 電阻式傳感器 5. 使用時的注意事項工業(yè)上廣泛應(yīng)用金屬感

14、溫電阻器作為-200+600 范圍的溫度測量。它的特點是精度高, 適于測低溫。但使用中需要注意以下兩點。1） 自熱誤差在用感溫電阻器測量時,電阻總要消耗一定的電功率,它同樣會造成電阻值的變化,但這種變化是不希望的。使用中應(yīng)盡量減小由于電阻器通電產(chǎn)生的自熱而引起的誤差。一般是限制電流, 規(guī)定其值應(yīng)不超過6mA。 463.1 電阻式傳感器 2） 引線電阻的影響 用于測量的感溫電阻器,總得有連接導(dǎo)線,但由于金屬電阻器本身的電阻值很小, 所以引線的電阻值及其變化就不能忽略。比如對于50的測溫電阻,1的導(dǎo)線電阻將產(chǎn)生約5的誤差, 這是不能允許的。為此,測量電阻的引線通常采用三線式或四線式接法。473.1

15、 電阻式傳感器 圖2.12 二線式接法 圖2.12的二線式接法中,兩根引線完全加到一個橋臂上,引線電阻值及其變化將引起電橋輸出變化, 造成測溫誤差。 483.1 電阻式傳感器圖2.13 三線式接法 圖2.13中,Rt為熱電阻,r1、r2、r3為引線電阻。在三線式連接法中,一根引線接到電源對角線上,另兩根分別接到電橋相鄰的兩個臂。這樣，引線電阻值及其變化對儀表讀數(shù)的影響可以互相抵消。493.1 電阻式傳感器四線制測溫運放采用斬波放大器ICL7650差動放大器。恒流源供電。503.1 電阻式傳感器薄膜型及普通型鉑熱電阻513.1 電阻式傳感器小型鉑熱電阻523.1 電阻式傳感器防爆型鉑熱電阻533

16、.1 電阻式傳感器汽車用水溫傳感器及水溫表銅熱電阻543.1 電阻式傳感器附錄 鉑熱電阻分度表 553.1 電阻式傳感器鉑電阻溫度顯示、變送器563.1 電阻式傳感器可設(shè)定溫度的溫度控制箱 旋轉(zhuǎn)式機械設(shè)定開關(guān) 撥碼式設(shè)定開關(guān)573.1 電阻式傳感器二、半導(dǎo)體熱敏電阻器 1. 分類及特性半導(dǎo)體熱敏電阻按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類型, 即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)、正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和在某一特性溫度下電阻值會發(fā)生突變的臨界溫度電阻(CTR)。它們的特性曲線如圖2.14所示。圖2.14 三種類型熱敏電阻的典型特性 583.1 電阻式傳感器 由圖2.14可見,使用CT

17、R組成熱控制開關(guān)是十分理想的。但在溫度測量中,則主要采用NTC,其溫度特性如下式所示：式中：Rt、R0 ：分別為TK和T0K時的 熱敏電阻值；B：熱敏電阻的材料常數(shù),其值 主要取決于熱敏電阻的材 料。一般情況下, B=20006000K,在高溫下 使用時,B值將增大；T：被測溫度（K）。（2.14）圖2.14 三種類型熱敏電阻的典型特性 593.1 電阻式傳感器若定義 為熱敏電阻的溫度系數(shù),則由式（2.14）有(2.15) 可見,隨溫度降低而迅速增大。如B值為4000K,當(dāng)T=293.15K(20)時,用上式可求得=4.7%/,約為鉑電阻的12倍,因此,這種測溫電阻靈敏度高。R0的常用范圍是幾

18、百歐到一百千歐,所以,該測溫電阻的引線電阻影響小,可忽略。 半導(dǎo)體熱敏電阻的又一特點是體積小。這使它非常適合于測量微弱的溫度變化、溫差以及溫度場的分布。603.1 電阻式傳感器2. 使用時的注意事項在使用熱敏電阻時,也要注意到自熱效應(yīng)問題,但是,必須特別注意的有如下兩點。1） 熱敏電阻溫度特性的非線性熱敏電阻隨溫度變化呈指數(shù)規(guī)律, 其非線性是十分嚴(yán)重的。當(dāng)需要進行線性轉(zhuǎn)換時, 就應(yīng)考慮其線性化處理。常用的線性化方法如下。（1） 線性化網(wǎng)絡(luò)。利用包含有熱敏電阻的電阻網(wǎng)絡(luò)（常稱線性化網(wǎng)絡(luò)）來代替單個的熱敏電阻,其一般形式如圖2.15所示。圖2.15 熱敏電阻的線性化網(wǎng)絡(luò)613.1 電阻式傳感器 根

19、據(jù)Rt的實際特性和要求的網(wǎng)絡(luò)特性RT(t), 通過計算或圖解方法確定網(wǎng)絡(luò)中的電阻RB 、RS、RP。目前這種方法用得較多。為了提高設(shè)計的準(zhǔn)確度,可利用計算機進行。例：要求熱敏電阻的阻值當(dāng)溫度分別為： T1 時為R1, Rt1 T2 時為R2, 現(xiàn)有熱敏電阻 Rt2 不滿足要求。 T3 時為R3, Rt3 圖2.15 熱敏電阻的線性化網(wǎng)絡(luò)623.1 電阻式傳感器串并電阻調(diào)整后， RT在T1 ，T2， T3 ，三個點上滿足對特性的要求。 633.1 電阻式傳感器（2） 利用電子裝置中其它部件的特性進行綜合修正。圖2.16是一個溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路。它實際是一個三角波-方波變換器,電容C的充電特性是非

20、線性特性。適當(dāng)?shù)剡x取線路中的電阻 r 和 R,加上 Rt,可以在一定的溫度范圍內(nèi),得到近似于線性的溫度 - 頻率轉(zhuǎn)換特性。 該電路圖2.16 溫度-頻率轉(zhuǎn)換電路 643.1 電阻式傳感器（3） 計算修正法。在帶有微處理機（或微型計算機）的測量系統(tǒng)中,當(dāng)已知熱敏電阻的實際特性和要求的理想特性時,可采用線性插值法將特性分段,并把各分段點的值存放在計算機的存儲器內(nèi)。計算機將根據(jù)熱敏電阻器的實際輸出值進行校正計算后,給出要求的輸出值。2） 熱敏電阻器特性的穩(wěn)定性和老化問題早期熱敏電阻器的應(yīng)用曾因其特性的不穩(wěn)定、分散性、缺乏互換性和老化問題而受到限制。近十幾年來,隨著半導(dǎo)體工藝水平的提高,產(chǎn)品性能已得到

21、很大的改善。現(xiàn)在已研制出精度優(yōu)于熱電偶,并具有互換性的熱敏電阻,而且還能制造出300 以下可忽略老化影響的產(chǎn)品。但不同廠家產(chǎn)品質(zhì)量差異還比較大,使用時仍應(yīng)認(rèn)真選擇。653.1 電阻式傳感器一般地說,正溫度系數(shù)熱敏電阻器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。 在輻射熱檢測器中,人們采用薄膜式金屬電阻和熱敏電阻薄膜,構(gòu)成熱量型檢測器,將輻射熱轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 3. 應(yīng)用舉例 電動機過熱 保護裝置組 成電路原理663.1 電阻式傳感器把三只特性相同的NTC熱敏電阻(如RRC6型, 20時為10 k；100 時為1 k; 110 時為0.6 k)放置在電動機內(nèi)繞組旁, 每相各放

22、置一只,用萬能膠固定。當(dāng)電動機正常運轉(zhuǎn)時,溫度較低,熱敏電阻阻值較高,三極管V1截止,繼電器K不動作。當(dāng)電動機過負(fù)荷、或斷相、或一相通地時,電動機溫度急劇上升,熱敏電阻阻值急劇減小,小到一定值,使三極管V完全導(dǎo)通, 繼電器K動作,使S閉合,紅燈亮,起到報警保護作用。 表2.3列出幾種常用NTC型號。673.1 電阻式傳感器表2.3常用熱敏電阻683.1 電阻式傳感器片式負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻BN系列珠狀NTC熱敏電阻器GN系列玻殼型NTC熱敏電阻器PN系列功率型NTC熱敏電阻器SN系列溫度傳感器693.1 電阻式傳感器熱敏電阻外形 MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻703.1 電阻式傳感

23、器其他形式的熱敏電阻 玻璃封裝 NTC熱敏電阻MF58 型熱敏電阻713.1 電阻式傳感器帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻723.1 電阻式傳感器 貼片式NTC熱敏電阻733.1 電阻式傳感器MF58型（珠形）高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（深圳科蓬達電子有限公司資料）743.1 電阻式傳感器非標(biāo)熱敏電阻753.1 電阻式傳感器非標(biāo)熱敏電阻（續(xù)） 763.1 電阻式傳感器熱敏電阻溫度面板表 熱敏電阻 LCD773.1 電阻式傳感器熱敏電阻體溫表 783.1 電阻式傳感器熱敏電阻用于CPU的溫度測量 793.1 電阻式傳感器熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制 80溫差熱電偶（簡

24、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，輸出信號為電信號便于遠(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。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的工作原理熱電偶回路的性質(zhì)熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)冷端處理及補償熱電偶的選擇、安裝使用和校驗81兩種不同的導(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)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（Seeback）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克

25、效應(yīng)。熱電偶原理圖TT0AB 一、熱電偶的工作原理回路中所產(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。熱端冷端821. 接觸電勢接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-eAB(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。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)。83AeA(T,To)ToTeA(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)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1時所產(chǎn)生的

26、溫差電動勢，例如在0時，銅的 =2V/。2. 溫差電勢溫差電勢原理圖84由導(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：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3. 回路總電勢NAT、NAT0導(dǎo)體A在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度； NBT、NBT0導(dǎo)體B在結(jié)點溫度為T和T0時的電子密度；A 、 B導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。85根據(jù)電磁場理論得結(jié)論(4點)：EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T )由于NA、NB是溫度的單值函數(shù)在工程應(yīng)用中，常用實驗的方法得出

27、溫度與熱電勢的關(guān)系并做成分度表，以供備查。由公式可得：EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0) = EAB(T，0)-EAB(T0，0) 熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為T 和零度以及T0和零度的熱電勢之差。86導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測溫的原理。只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度

28、、粗細(xì)無關(guān)。只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。87對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，接點溫度分別為T1、T2 、 、Tn ，冷端溫度為零度的熱電勢。其熱電勢為 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+ENA（Tn） 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒有電流(即不產(chǎn)生電動勢)；反之，如果有電流流動，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。 二、熱電偶回路的性質(zhì)1. 均質(zhì)導(dǎo)體定律88 E總=EAB（T）+EBC（T

29、）+ECA（T）= 0三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路TABCTT2. 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。如圖，由A、B、C三種材料組成的閉合回路，則89兩點結(jié)論： l）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：T2T1AaBC23EABaAT023ABEABT1T2 CT0EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）(a)(b

30、)T0T0EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）第三種材料接入熱電偶回路圖90思考中間導(dǎo)體定律非常重要，否則無法使用熱電偶！為了測量熱電勢，必須斷開熱電偶閉合回路，接入電表及其它電路。有影響嗎？ET0T0TET0T1T1T91ET0T0TET0T1T1T電位計接入 熱電偶回路根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。 92 EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB2）如果

31、任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關(guān)系為：933. 中間溫度定律 如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點溫度分別為T1、T2(如圖所示)時,則其熱電勢為EAB(T1, T2)；當(dāng)接點溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2, T3)；當(dāng)接點溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1, T3)，則BBA T2 T1 T3 AAB EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）94EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1

32、）-EAB（T3） ABT1T2T2ABT0T0熱電偶補償導(dǎo)線接線圖E對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng)T2=0時，則：只要T1、T0不變，接入AB后不管接點溫度T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補償導(dǎo)線原理。EAB=EAB(T1)EAB(T0)說明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B同樣熱電特性的材料A、B(如圖)即引入所謂補償導(dǎo)線時，當(dāng)EAA(T2)=EBB(T2)，則回路總電動勢為95練習(xí)某個鉑銠鉑熱電偶（S型）輸出為10.000mv，而其冷端（參考端）溫度為25C，則其工作端的被測溫度是多少？（分度表見教材P114）96熱電偶材料應(yīng)滿足：

33、物理性能穩(wěn)定，熱電特性不隨時間改變； 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； 熱電勢高，導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)?。?便于制造； 復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)。三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)97 1鉑鉑銠熱電偶(S型) 分度號LB3工業(yè)用熱電偶絲：0.5mm，實驗室用可更細(xì)些。正極：鉑銠合金絲,用90鉑和10銠(重量比)冶煉而成。負(fù)極：鉑絲。測量溫度：長期：1300、短期：1600。特點： 材料性能穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 或基準(zhǔn)熱電偶。用途：實驗室或校驗其它熱電偶。 測量溫度較高，一般用來測量1000以上高溫。 在高溫還原性氣體中（如氣體中含Co、H2等）易被侵 蝕，需要用保護

34、套管。 材料屬貴金屬，成本較高。 熱電勢較弱。 （一）熱電偶常用材料98 2鎳鉻鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型) 分度號EU2工業(yè)用熱電偶絲： 1.22.5mm，實驗室用可細(xì)些。正極：鎳鉻合金(用88.489.7鎳、910鉻，0.6硅，0.3錳，0.40.7鈷冶煉而成)。負(fù)極：鎳硅合金(用95.797鎳,23硅,0.40.7鈷冶煉而成)。測量溫度：長期1000，短期1300。特點： 價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。 高溫下抗氧化能力強，在還原性氣體和含有SO2， H2S等氣體中易被侵蝕。 復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢大，但精度不如WRLB。 993鎳鉻考銅熱電偶(E型) 分度號為EA2工業(yè)用熱電偶絲:1.22m

35、m，實驗室用可更細(xì)些。正極：鎳鉻合金負(fù)極：考銅合金（用56銅，44鎳冶煉而成）。測量溫度：長期600，短期800。特點： 價格比較便宜，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。 在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大。 氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用?？笺~易氧化變 質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。 1004鉑銠30鉑銠6熱電偶(B型) 分度號為LL2正極：鉑銠合金（用70鉑，30銠冶煉而成）。負(fù)極：鉑銠合金（用94鉑，6銠冶煉而成）。測量溫度：長期可到1600，短期可達1800。特點： 材料性能穩(wěn)定，測量精度高。 還原性氣體中易被侵蝕。 低溫?zé)犭妱輼O小，冷端溫度在50以下可不加補償。 成本高。 101幾種持殊用途的熱電偶（

36、1）銥和銥合金熱電偶 如銥50銠銥10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測量高達2100的高溫。（2）鎢錸熱電偶 是60年代發(fā)展起來的，是目前一種較好的高溫?zé)犭娕?，可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中，但高溫抗氧能力差。國產(chǎn)鎢錸-鎢錸20熱電偶使用溫度范圍3002000分度精度為1。（3）金鐵鎳鉻熱電偶 主要用在低溫測量，可在2273K范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10V。（4）鈀鉑銥15熱電偶 是一種高輸出性能的熱電偶，在1398時的熱電勢為47.255mV，比鉑鉑銠10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出3倍，因而可配用靈敏度較低的指示儀表，常應(yīng)用于航空工業(yè)。 102（6）銅康銅熱電偶，分度號MK 熱電偶的熱電勢

37、略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為43V/。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于20K473K的低溫實驗室測量中。 （5）鐵康銅熱電偶，分度號TK 靈敏度高，約為53V/，線性度好，價格便宜，可在800以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍(lán)處理后可提高抗銹蝕能力。 103 （二）常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型 1工業(yè)用熱電偶 下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護套管，以減小熱慣性。 工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1接線盒；2保險套管3絕緣套管4熱電偶絲1234104(a)(b)(c)(d)132 2鎧裝式

38、熱電偶（又稱套管式熱電偶）優(yōu)點是小型化（直徑從12mm到0.25mm）、壽命、熱慣性小，使用方便。 測溫范圍在1100以下的有：鎳鉻鎳硅、鎳鉻考銅鎧裝式熱電偶。 斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。圖3.2-12 鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖 1 金屬套管; 2絕緣材料; 3熱電極 (a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露頭型; (d)帽型1053快速反應(yīng)薄膜熱電偶用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄(0.010.lm) 4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1熱電極; 2熱接點;

39、3絕緣基板; 4引出線因此，特別適用于對壁面溫度的快速測量。安裝時,用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測物體壁面上。目前我國試制的有鐵鎳、鐵康銅和銅康銅三種,尺寸為 6060.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測溫范圍在300以下；反應(yīng)時間僅為幾ms。 106 4快速消耗微型熱電偶 下圖為一種測量鋼水溫度的熱電偶。它是用直徑為0.050.lmm的鉑銠10一鉑銠30熱電偶裝在U型石英管中，再鑄以高溫絕緣水泥，外面再用保護鋼帽所組成。這種熱電偶使用一次就焚化，但它的優(yōu)點是熱慣性小，只要注意它的動態(tài)標(biāo)定，測量精度可達土57。1423567891110快速消耗微型 1剛帽； 2石英； 3紙環(huán)； 4

40、絕熱泥；5冷端； 6棉花； 7絕緣紙管； 8補償導(dǎo)線；9套管； 10塑料插座； 11簧片與引出線107方法 冰點槽法 計算修正法 補正系數(shù)法 零點遷移法 冷端補償器法 軟件處理法四、冷端處理及補償原因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；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。1081. 冰點槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。這種辦法僅限于科學(xué)實驗中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。mVABABTCC儀表銅導(dǎo)線試管

41、補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液四、冷端處理及補償T01092. 計算修正法用普通室溫計算出參比端實際溫度TH，利用公式計算例 用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計測出TH=21,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對應(yīng)的熱端溫度T=68。注意:既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T=49，也不能把49加上21，認(rèn)為T=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+

42、EAB(TH,T0)1103. 補正系數(shù)法把參比端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即 式中：T為未知的被測溫度； T為參比端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應(yīng)的某個溫度； TH室溫； k為補正系數(shù)，其它參數(shù)見下表。例 用鉑銠10鉑熱電偶測溫，已知冷端溫度TH=35，這時熱電動勢為11.348mV查S型熱電偶的分度表，得出與此相應(yīng)的溫度T=1150。再從下表中查出，對應(yīng)于1150的補正系數(shù)k=0.53。于是，被測溫度 T=1150+0.5335=1168.3（）用這種辦法稍稍簡單一些，比計算修正法誤差可能大一點，但誤差不大于0.14。 T T k T H111溫度T/補正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53熱