傳感器溫度測量

第一講溫度測量與控制的現(xiàn)狀與最新發(fā)展第一節(jié)溫度測量概況溫度測量的意義；溫度計的精度等級和分度值（攝氏度）；常見的溫度傳感器；數(shù)字測溫系統(tǒng)；溫度測量的基本知識——溫度、溫標；溫度測量儀表分類與選擇。一溫度測量意義溫度傳感器被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，數(shù)量高居各種傳感器之首。對人體：“溫度不可控，就會要人命”；非典對工業(yè)：“溫度不可控，質(zhì)量沒保證”；對農(nóng)業(yè)：“沒有溫度，沒有食物”；溫室大棚對測量：“溫度控不住，不可能上精度”。熱脹冷縮二、溫度計的精度等級和分度值（攝氏度）

雙金屬溫度計1，1.5，2.5，0.5~20

壓力式溫度計1，1.5，2.5，0.5~20

玻璃液體溫度計0.5~2.5，0.1~10

熱電阻0.5~3，1~10熱電偶0.5~1，5~20光學(xué)高溫計1~1.5，5~20輻射溫度計（熱電堆）1.5，5~20部分輻射溫度計1~1.5，1~20比色溫度計1~1.5三常見的接觸式溫度傳感器四各種數(shù)字測溫系統(tǒng)重點在應(yīng)用五、溫度和溫標的概念溫度——表征物體冷熱程度的物理參數(shù)模擬圖：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！溫度越高，表示物體內(nèi)部分子熱運動越劇烈。溫標——用來度量溫度高低的標尺攝氏溫標（℃）CentigradeTemperatureScale華氏溫標（℉）FahrenheitTemperatureScale熱力學(xué)溫標（K）ThermodynamicsTemperatureScale

國際溫標InternationalTemperatureScale1.攝氏溫標

1740年瑞典人攝氏(Celsius)

定義水銀體膨脹是線性；標準大氣壓下純水的冰點是攝氏零度，沸點為100度，而將汞柱在這兩點間等分為100格，每等分格為攝氏1度，標記為℃。2.華氏溫標定義1714年德國人法倫海脫(Fahrenheit)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212度，氯化銨與冰的混合物為0度(純水冰點32度)，中間等分為212份，每一份為1度記作℉。稱為華氏溫標。3.熱力學(xué)溫標(理想)Q1：卡諾熱機從高溫?zé)嵩次諢崃?；Q0：卡諾熱機向低溫?zé)嵩捶懦鰺崃縌1/Q0=T1/T0假設(shè)一卡諾熱機工作在溫度為T0（273.16K）的低溫?zé)嵩春臀粗獪囟鹊母邷責(zé)嵩粗g，如果該卡諾熱機向低溫?zé)嵩捶懦龅臒崃繛镼0，從高溫?zé)嵩次盏臒崃繛镼1，那么高溫?zé)嵩吹臏囟葹門1=

Q1/Q0·T0T0T1卡諾熱機Q0Q1熱力學(xué)溫度的內(nèi)插方程假設(shè)一標準熱源熱力學(xué)溫度為100K，熱力學(xué)溫標如何規(guī)定300K的溫度？拿標準熱源作為低溫?zé)嵩矗硪粺嵩醋鳛楦邷責(zé)嵩?，讓一卡諾熱機在兩熱源之間運轉(zhuǎn)，如果從高溫?zé)嵩次盏臒崃縌1與向標準熱源放出的熱量Q0之比等于3

，那么高溫?zé)嵩礈囟鹊扔?00K3.熱力學(xué)溫標現(xiàn)實中熱力學(xué)溫標是應(yīng)用氣體特性方程實現(xiàn)的。理想氣體的P、V、T之間的關(guān)系式為：以水的三相點作為參考點，這樣可按照氣體壓力變化測溫。（氣體定容溫度計）3.熱力學(xué)溫標（實際）選用水的三相點溫度為273.16，定義水的三相點溫度的1/273.16為1度，單位為k，這樣就建立了熱力學(xué)溫標。只要確定一個基準點，則整個溫標就確定了。3.熱力學(xué)溫標4.國際實用溫標ITS-90指導(dǎo)思想:應(yīng)盡量與熱力學(xué)溫標接近，溫度的復(fù)現(xiàn)性要好。內(nèi)容（1）定義了固定點，共有17個。（2）規(guī)定不同區(qū)域內(nèi)的基準儀器。（3）建立基準儀器示值與國際溫標之間的插補公式。國際實用溫標指出，熱力學(xué)溫度為基本物理量，規(guī)定水的三相點溫度為273.16，單位為k，1k的大小為水的三相點熱力學(xué)溫度的1/273.16，由于攝氏溫標將冰點定義為0℃，而冰點比水的三相點低0.01k，那么冰點溫度為273.15k，即單位℃。4.國際溫標ITS-90六溫度測量儀表分類與選擇玻璃管液體溫度計固體膨脹式壓力式溫度計膨脹式溫度計測溫?zé)犭娕紲y溫?zé)犭娮铚y溫接觸法非接觸法測溫方法溫度測量方法的分類1．接觸法測溫：敏感元件直接與被測對象接觸，通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_到熱平衡，反映被測對象的溫度。優(yōu)點：直觀、可靠。缺點：①存在負載效應(yīng)，②受到測量條件的限制，不能充分接觸，使檢測元件溫度與被測對象溫度不一致。③熱量傳遞需要一定時間造成測溫滯后現(xiàn)象。（動態(tài)誤差）2．非接觸法測溫：檢測部分與被測對象不直接接觸，不破壞原有溫度場。通常用來測量1000℃以上的移動、旋轉(zhuǎn)、或反映迅速的高溫物體。（一）溫度測量方法的分類溫度傳感器裝配式熱電偶防爆熱電阻1膨脹式溫度計測溫敏感元件在受熱后尺寸或體積發(fā)生變化，采取一些簡便方法，測出它的尺寸或體積變化的大小。分類：液體膨脹式、固體膨脹式、壓力式（a）工作原理利用玻璃管內(nèi)液體的體積隨溫度的升高而膨脹的原理。組成：液體存儲器、毛細管、標尺、安全泡四部分。液體可為：水銀、酒精、甲苯等。當(dāng)溫度超過300℃時，應(yīng)采用硅硼玻璃，500℃以上要采用石英玻璃。（1）玻璃管液體溫度計4（b）結(jié)構(gòu)與類型棒式玻璃溫度計內(nèi)標式玻璃溫度計電接點式溫度計利用水銀的熱脹冷縮和水銀的導(dǎo)電性。功能:①指示溫度;②恒溫自動控制。

玻璃棒溫度計（3）誤差分析（a）玻璃材料有較大的熱滯后效應(yīng)。（b）溫度計插入深度不夠?qū)⒁鹫`差，（c）非線性誤差（d）工作液的遲滯性（e）讀數(shù)誤差液柱應(yīng)全部浸入被測介質(zhì)中。若只有部分液柱被浸沒時，應(yīng)對指示值進行修正。

某水銀溫度測量水溫為90℃，插入處刻度為10℃，環(huán)境溫度為10℃，則測量誤差為-1.024℃n:露出液體部分所占的刻度數(shù)，:工作液體對玻璃的相對體膨脹系數(shù)（汞0.00016，灑精0.000103），t:溫度計的示值，ta:露出液柱部分所處的環(huán)境溫度（3）．誤差分析玻璃管液體溫度計使用注意事項溫度計與被測介質(zhì)應(yīng)接觸足夠長的時間，以使溫度計與被測介質(zhì)達到熱平衡。讀數(shù)時，視線應(yīng)與標盡垂直，并與液柱于同一水平面上，手持溫度計頂端的小耳環(huán)，不可觸摸標尺。2固體膨脹式溫度計（1）類型及工作原理利用固體受熱膨脹原理制成的溫度計Ⅰ桿式溫度計利用固體（一般采用膨脹系數(shù)較大的金屬）材料構(gòu)成Ⅱ

雙金屬溫度計它的感溫元件是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固地結(jié)合在一起制成。可作溫度繼電控制、極值溫度控制信號固定端自由端Ⅱ

雙金屬溫度計雙金屬溫度計3壓力式溫度計（1）工作原理與結(jié)構(gòu)形式a原理壓力式溫度計是利用密封系統(tǒng)中測溫物質(zhì)的壓力隨溫度變化來測溫；b分類按所充物質(zhì)相態(tài)分充氣式、沖液式、蒸發(fā)式按功能分：指示式、記錄式、報警式和溫度調(diào)節(jié)式等

不需要電源，耐用；但感溫部件體積較大。

氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比感溫部件（溫包、接頭管）+毛細管+盤簧管（多圈彈簧管）3組成溫包、毛細管、感壓元件（彈簧管、波紋管等）（二）使用方法與特點對毛細管采取保護措施，防止損壞；注意安裝方式與位置對精度的影響。特點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，示值滯后時間長，毛細管易損壞。4示溫涂料（變色涂料）裝滿熱水后圖案變得清晰可辨變色涂料在電腦內(nèi)部溫度中的示溫作用CPU散熱風(fēng)扇低溫時顯示藍色溫度升高后變?yōu)榧t色第2節(jié)

熱電偶溫度計

ThermocoupleThermometer

熱電偶測溫原理冷端溫度補償問題熱電偶的校驗熱電偶的基本定律常用熱電偶的種類熱電偶的構(gòu)造概述1）熱電偶是應(yīng)用最普遍、最廣泛的溫度測量元件。

2）既可用于流體溫度測量也可用于固體溫度測量，既可以檢測靜態(tài)溫度也能測量動態(tài)溫度。

3）在火電廠中，主蒸汽、過熱器管壁與高溫?zé)煔獾鹊臏囟榷际遣捎脽犭娕紲y量的。

4）熱電偶一般用于測量100～1600℃范圍內(nèi)溫度，用特殊材料制成的熱電偶還可測更高或更低的溫度；5）熱電偶將感受到的溫度信號直接轉(zhuǎn)換成電勢信號輸出，便于測量、信號傳輸、自動記錄和控制等。一、熱電偶測溫原理熱電偶由兩根不同材料的導(dǎo)體焊接或絞接而成。先看一個實驗——熱電偶工作原理演示

ABAB從實驗到理論：

1821年，德國物理學(xué)家賽貝克用兩種不同金屬組成閉合回路，并用酒精燈加熱其中一個接觸點（稱為結(jié)點），發(fā)現(xiàn)放在回路中的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果用兩盞酒精燈對兩個結(jié)點同時加熱，指針的偏轉(zhuǎn)角反而減小。

將兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個閉合回路，如果兩端接點的溫度不同，回路中將產(chǎn)生電勢，稱為熱電勢。這個物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)

或塞貝克效應(yīng)。熱電效應(yīng)

熱電勢

接觸電勢+溫差電勢T0T1塞貝克效應(yīng)示意圖冷端（自由端）（參考端）熱電極A/B熱端（工作端）（測量端）熱電流＋ABEAB(

T)接觸電勢結(jié)點產(chǎn)生熱電勢的微觀解釋接觸電勢（帕爾帖電勢）它是在兩種電子密度N不相等的均質(zhì)導(dǎo)體(或半導(dǎo)休)相接觸時形成的。擴散現(xiàn)象數(shù)量級在10-1～10-3V帕爾帖電勢湯姆遜電勢溫差電勢（湯姆遜電勢）同一均質(zhì)導(dǎo)體因兩端溫度不同而形成的電勢。T

A

ΔTA

T0EA(T,T0)熱電偶的熱電勢（賽貝克電勢）或當(dāng)熱電偶材料確定后，總熱電勢與溫度t和t0有關(guān)則測得熱電勢的大小，就可求得熱端溫度t的數(shù)值若冷端溫度t0保持不變，則總熱電勢只與t有關(guān)熱電偶測溫系統(tǒng)幾點說明：熱電偶熱電勢量EAB(t，t0)是溫度函數(shù)之差，不是溫度差（t－t0）的函數(shù)。EAB(t，t0)＝－EBA(t，t0)＝－EAB(t0，t)熱電勢符號EAB(t，t0)中，改變符號A與B或t與t0的順序，即改變熱電勢的方向。當(dāng)冷端t0處將熱電偶脫開時，熱電極A將流出電流，故稱A為正熱電極，B為負熱電極。這是判斷熱電偶正或負電極的方法。熱端:電流從負極流向正極二、熱電偶基本定律均質(zhì)導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律中間溫度定律1、均質(zhì)導(dǎo)體定律

由一種均質(zhì)導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成的閉合回路，不論導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的截面和長度如何，各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。材料內(nèi)部電子密度處處相等的導(dǎo)體推論：

1）熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的材料組成。

2）由一種材料組成的閉合回路存在溫差時，回路如產(chǎn)生熱電勢，說明該材料不純，是不均勻的。據(jù)此，可以檢查熱電極材料的均勻性。2、中間導(dǎo)體定律由不同材料組成的閉合回路中，若各種材料接觸點的溫度都相同，則回路中熱電勢的總和等于零。推論一：

在熱電偶回路中接入第三種(或更多種)導(dǎo)體材料，只要接入的導(dǎo)體材料兩端的溫度相同，則對熱電偶回路的熱電勢不產(chǎn)生影響。根據(jù)中間導(dǎo)體定律，當(dāng)溫度t=t0時，回路中總熱電勢為零。

為測量儀表接入熱電偶A、B回路，組成熱電偶測溫系統(tǒng)來測量熱電勢提供了理論基礎(chǔ)。開路熱電偶的使用（金屬壁面、液態(tài)金屬）中間導(dǎo)體定律的應(yīng)用一：推論二：

如果兩種導(dǎo)體A、B對另一種參考導(dǎo)體C的熱電勢為已知，則這兩種導(dǎo)體組成熱電偶的熱電勢是它們對參考導(dǎo)體熱電勢的代數(shù)和。即

EAB(t1,t2)=EAC(t1,t2)+ECB

(t1,t2)中間導(dǎo)體定律推論二簡化了熱電偶的選配工作。中間導(dǎo)體定律的應(yīng)用二：

接點溫度為t1和t2的熱電偶，它的熱電勢等于接點溫度分別為t1，t3和t3，t2的兩支同性質(zhì)熱電偶的熱電勢的代數(shù)和。即

EAB(t1,t2)=EAB(t1,t3)+EAB

(t3,t2)3、中間溫度定律已知熱電偶在某一給定冷端溫度（t0）下進行的分度，只要進行一些簡單的計算，就可以在另外的冷端溫度（t1）下使用。為制定熱電偶的熱電勢－溫度關(guān)系分度表奠定了理論基礎(chǔ)。中間溫度定律的應(yīng)用一：比較查出的3個熱電勢，判斷熱電勢與溫度的關(guān)系是否為線性？熱電偶的熱電勢E（t，t0）與溫度t的關(guān)系——熱電特性冷端t0為0℃時，將熱電偶熱電特性（E－t）制成的表——分度表實際測量時，冷端t0為往往為環(huán)境溫度。如t0＝20℃時，測得EAB(t，20)，要求t＝？

根據(jù)中間溫度定律有

EAB(t，0)＝EAB(t，20)＋EAB(20，0)解：查表得EK(25，0)＝1mV,則EK(t，0)＝EK(t，25)＋EK(25，0)＝18.537mV查分度表求得t=450.5℃。

如果用EK(t，25)＝17.537mV直接查表，則得t=427℃，顯然誤差是很大的。例：一支鎳鉻－鎳硅熱電偶，在冷端溫度為室溫25℃時，測得熱電勢EK(t，25)＝17.537mV，試求熱電偶所測的實際溫度t＝？

和熱電偶具有相同熱電性質(zhì)的補償導(dǎo)線可引入熱電偶的回路中，相當(dāng)于把熱電偶延長而不影響熱電偶應(yīng)有的熱電勢。

為工業(yè)測溫中應(yīng)用補償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。中間溫度定律的應(yīng)用二：如：鉑銠-鉑熱電偶補償導(dǎo)線：銅-銅鎳熱電偶的補償導(dǎo)線：

延伸型、補償型兩種結(jié)構(gòu)與電纜一樣。

延伸型補償導(dǎo)線的材料與相應(yīng)的熱電偶相同，準確度略低。補償型補償導(dǎo)線材料與對應(yīng)的熱電偶不同，用賤金屬制成，低溫下它們的熱電性質(zhì)相同。注意：

補償導(dǎo)線應(yīng)該與熱電偶配套使用；連接時極性不可接錯:正極-紅色（P）,負極-其它色（N）補償型補償導(dǎo)線，必須保證它與熱電偶連接的兩個接點溫度一致。EAB(t，t0)＝EAB(t，t0’)＋EAB(t0’，t0)＝EAB(t，t0’)＋ECD(t0’，t0)補償導(dǎo)線C、D與熱電偶A、B配接，將熱電偶的冷端由t0’移到t0處。

補償導(dǎo)線外形

A’B’屏蔽層保護層三、常用熱電偶的種類（1）在使用溫度范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；（2）熱電勢和熱電勢率大，E－t是單值函數(shù)關(guān)系，最好呈線性關(guān)系；（3）電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)小；（4）熱電性能穩(wěn)定，易復(fù)現(xiàn)，同類熱電偶互換性好；（5）具有一定的機械強度；加工方便，價格便宜。熱電極材料要求：1)定義：是指生產(chǎn)工藝成熟、成批生產(chǎn)、性能優(yōu)越并已列入工業(yè)標準文件中的熱電偶。2）特點：發(fā)展早、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一的分度表，可以互換，并有與其配套的顯示儀表可供使用，十分方便。3）規(guī)定：國際電工委員會(IEC)在1975年推薦7種標準化熱電偶，在1986年又推薦了一種。我國目前共采用八種標準熱電偶。標準化熱電偶：標準化熱電偶：

（1）鉑銠10-鉑（S）；

（2）鉑銠30-鉑銠6（B）；（3）鉑銠13-鉑（R）；（4）鎳鉻-鎳硅(鎳鉻-鎳鋁)（K）；（5）銅-銅鎳(康銅)（T）；（6）鎳鉻-康銅（E）；（7）鐵-康銅（J）；（8）鎳鉻-金鐵熱偶以及銅-金鐵熱偶。鉑銠10-鉑（S型）偶絲直徑：0.5～0.020mm；適用范圍：0～1100℃，1100～1600℃；適用于氧化性氣氛中測溫;長期最高使用溫度為1300℃,短期最高使用溫度1600℃，不推薦在還原氣氛中使用,短期內(nèi)可用于真空中測溫特點：復(fù)制性好、測量精度高；價格貴、熱電勢小偶絲直徑：0.3、0.5、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.2mm；適用范圍：－200～1300℃

；用于氧化和中性氣氛中測溫,不推薦在還原氣氛中使用,可短期在還原氣氛中使用,但必須外加密封保護管。特點：測溫范圍較寬、熱電勢較大、E－t線性度好、價格適中；但長期使用后，鎳鋁氧化變質(zhì)使熱電特性改變影響測量精確度。鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）（K型）偶絲直徑：0.3、0.5、0.8、1.2、1.6、2.0、3.2mm；適用范圍：－200～900℃；適用氧化或弱還原性氣氛中測溫特點：輸出的熱電勢大,靈敏度高（常用熱電偶中，每攝氏度對應(yīng)的熱電勢最高），價格低廉，適合在0℃以下測溫。鎳鉻－康銅（E型）

3種熱電偶的測溫范圍與熱電勢各有什么特點？普通型熱電偶鎧裝熱電偶（套管熱電偶）薄膜熱電偶四、熱電偶的構(gòu)造及結(jié)構(gòu)形式（1）普通型熱電偶：1-熱電極;2-絕緣管;3-保護套管;4-接線盒

普通裝配型

熱電偶的結(jié)構(gòu)圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護管

熱電極：直徑：貴金屬一般為0.3～0.65mm；賤金屬一般為0.5～3.2mm。長度：一般為350～2000mm。a－點焊；b－對焊；c－絞狀點焊絕緣管：防止兩根熱電極短路。

低溫下：橡膠、塑料高溫下：氧化鋁、陶瓷等

a：無固定裝置b：帶加強管且無固定裝置c：固定螺紋d：固定法蘭e：活動法蘭保護套管：防止熱電極遭受化學(xué)和機械損傷.

f：高壓用錐形固定螺紋g：高壓焊接固定錐形h：900套管普通式、防濺式、防水式、隔爆式和插座式接線盒內(nèi)有接線端子，可供熱電極和補償導(dǎo)線連接之用。接線盒：

普通裝配型

熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭隔爆型熱電偶外形厚壁保護管壓鑄的接線盒（2）鎧裝熱電偶（套管熱電偶）：是由熱電極、絕緣材料和金屬套管三者組合經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體。特點：動態(tài)響應(yīng)快，機械強度高，耐高壓、耐沖擊。適用于狹小管道內(nèi)的溫度測量。鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達上百米BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面（3）薄膜熱電偶：

鐵－鎳薄膜熱電偶1：熱端接點；2：襯架；3：鐵膜；4：鎳膜；5：鐵絲；6：鎳絲；7：接頭夾具

制作：用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料(金屬)蒸鍍到絕緣基板上，二者牢固地結(jié)合在一起，形成薄膜狀熱接點。特點：動態(tài)響應(yīng)快，精確度高可以用來測變化極快的表面溫度和點的溫度；1.冰點法2.計算法(冷端溫度校正法)3.補償導(dǎo)線法4.儀表機械零點調(diào)整法5.補償電橋法（冷端溫度補償器）五、熱電偶的冷端溫度補償問題

特點：實現(xiàn)方便、測量準確；但只局限于實驗室，不利于在線測量。1.冰點法

將熱電偶冷端置于冰點恒溫槽中,使冷端溫度恒定在0℃時進行測溫。

E(t，0)＝E(t，t0)＋E(t0，0)根據(jù)計算得到的熱電勢E(t，0)，通過查分度表可得被測溫度值。

2.計算法(冷端溫度校正法)例：用鎳鉻-鎳鋁熱電偶(分度號K）測溫，熱電偶冷端溫度t0=34℃，測得熱電勢為38.339mV。計算被測溫度t。解：EK(t，0)＝EK(t，34)＋EK(34，0)＝38.339＋1.3666＝39.7056mV℃3.補償導(dǎo)線法在一定范圍內(nèi)(0～100℃)，補償導(dǎo)線具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能。注意事項：補償導(dǎo)線僅將熱電偶冷端延長到溫度相對恒定的地方，如果這地方溫度不是0℃，尚須繼續(xù)進行其冷端溫度補償。熱電偶正、負極必須與補償導(dǎo)線正、負極相接，不能錯接；兩者分度號必須—致。補償導(dǎo)線應(yīng)工作在100℃以下，否則其熱電特性將不符合熱電偶要求。指針被預(yù)調(diào)到室溫（40C）可補償冷端損失4.儀表機械零點調(diào)整法當(dāng)輸入信號為零時，指針所指的位置將儀表的機械零點調(diào)至熱電偶冷端溫度t0處現(xiàn)有二種方法產(chǎn)生指示溫度：(1)將儀表機械零位調(diào)至30℃，然后通上熱電勢產(chǎn)生指示；(2)先通上熱電勢產(chǎn)生指示溫度，然后讀數(shù)溫度加上30℃。試問哪種方法正確，相對誤差為多少?例題：解：方法（1）產(chǎn)生的指示電勢Es(t，0)＝Es(30，0)＋Es(1000，30)＝Es(1000，0)得t

＝1000℃，本方法正確。

方法（2）在未調(diào)機械零點時，產(chǎn)生的指示電勢Es(t1，0)＝Es(1000，30)＝9.585-0.173=9.412mV,查S分度表t1＝984.9℃。最后指示結(jié)果t2＝t1+30=1014.9℃其相對誤差為（t2－t）/t×100%=1.49％問：(1)如將EPX、ENX補償導(dǎo)線都換成銅導(dǎo)線，

儀表指示為多少℃？(2)如將EPX、ENX補償導(dǎo)線的位置對換，儀表的指示又為多少℃?例題：解：（1）

EE(t’，0)＝EE(800，50)＋EE(30，0)＝61.022-3.047+1.801＝59.776(mV)查E分度表得指示溫度t’＝784.1℃。

（2）

EE(t”，0)＝

EE(800，50)－EE(50，30)＋EE(30，0)＝(61.022－3.047)－(3.047－1.801)＋1.801＝58.53(mV)反查E分度表得t”＝768.3

℃。由此可見，補償導(dǎo)線接反時，儀表指示溫度將偏低。

是采用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值，從而等效地使冷端溫度恒定的一種自動補償法。5.補償電橋法（冷端溫度補償器）

注意事項：使用時注意冷端溫度補償器型號和接線極性。型號必須與熱電偶相同，輸入正端接正熱電極。輸出至儀表的連接線用銅導(dǎo)線。使用冷端溫度補償器仍須調(diào)節(jié)好儀表的機械零點，應(yīng)調(diào)整在電橋平衡時的設(shè)計溫度(20℃)數(shù)值上。冷端補償器工作溫度范圍通常不超過－5～50℃。例：有S分度熱電偶測溫系統(tǒng)如圖所示。試問：（1）此動圈儀表的機械零位應(yīng)調(diào)在多少度上？（2）當(dāng)冷端補償器的電源開路(失電)時，儀表指示為多少？（3）電源極性接反時，儀表指示又為多少?解：（1）補償器產(chǎn)生補償電動勢Es(40，20)，要使

Es(1000，40)＋Es(40，20)＋Es(t

m，0)＝Es(1000，0)則t

m＝20℃。即儀表機械零位應(yīng)調(diào)在補償器設(shè)計平衡點溫度20℃上。解：（2）當(dāng)補償器電源開路，冷端補償器失去補償作用時，指示電勢

Es(t

1，0)＝Es(1000，40)＋Es(20，0)＝9.585－0.235＋0.133＝9.483(mV)由S分度表查得t

1＝991.1℃。解：（3）當(dāng)補償器電源接反，補償器會反向補償，故指示電勢

Es(t

1，0)＝Es(1000,40)－Es(40,20)＋Es(20,0)＝(9.585-0.235)-(0.235-0.133)+0.133＝9.381(mV)由S分度表查得t

1＝982.3℃。課外作業(yè)－1

用分度號為K的熱電偶和動圈式儀表組成測溫回路，把動圈式儀表的機械零位調(diào)到20℃，但熱電偶的參比端溫度t0=55℃，試求出儀表示值為425℃時的被測溫度。課外作業(yè)－2有K分度熱電偶、補償導(dǎo)線、冷端溫度補償器及動圈表測溫系統(tǒng)如圖所示，不計線路電阻，tn為儀表環(huán)境溫度，分別試求：（1）為使儀表指示在1000℃，儀表機械零位tm應(yīng)調(diào)整在多少℃？（2）若4V電源電壓失去，儀表指示在多少℃？（3）若4V電源電壓正、負極性接錯，儀表指示在多少℃？

XMZ系列智能數(shù)字顯示儀表

特點：

1、帶冷端溫度自動補償；2、單片機智能化設(shè)計，儀表零點、量程等全部參數(shù)可按鍵設(shè)定；3、具有軟件校驗功能，可通過按鍵對儀表進行校準；4、具有超量程指示、斷線指示等故障自診斷功能；5、采用開關(guān)電源，電壓適應(yīng)范圍寬，儀表體積小、重量輕。6、220VAC或24VDC供電電源。

1、意義：

熱電偶經(jīng)過一段時間的使用后，由于氧化、腐蝕、還原以及高溫下再結(jié)晶等因素的影響會使的熱電偶與原分度值的偏離越來越大，誤差也隨之加大。因此對熱電偶需要進行定期校驗，以確定其誤差的大小。

熱電偶的校驗2、校驗裝置：3、校驗方法：

把標準熱電偶與被校驗熱電偶的測量端置于電爐中的恒溫段中，參比端置于冰點槽中以保持0℃。用電位差計測量各熱電偶的熱電勢，然后比較其結(jié)果，以確定被校驗熱電偶的誤差范圍或確定其熱電特性。

4、注意事項：各種熱電偶必須在規(guī)定的溫度點（表2－10）進行校驗，并要求各校驗溫度點±10℃范圍內(nèi)，在讀取熱電勢過程中爐溫變化不得超過0.2℃。每個校驗溫度點的讀數(shù)不得少于4次。冰點槽內(nèi)必須是均勻的純凈冰水混合物，保持0℃，熱點偶冷端必須插入冰點槽的中部，且相互絕緣。

熱電偶插入爐中的深度一般為300mm，不得少于150mm。被校熱電偶若是鉑銠－鉑材料，校驗前要進行退火和清洗處理；若是賤金屬材料，應(yīng)將標準熱電偶用封頭細套管加以保護，以免被污染。同時被校的熱電偶可以多支，讀數(shù)順序是標準熱電偶→1號被校熱電偶→2號→…→N號；再從N號熱電偶反序讀數(shù)→標準熱電偶。如此正反順序讀取數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)整理和誤差分析。第3節(jié)

熱電阻溫度計

ResistanceThermometer

常用熱電阻種類熱電阻的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體熱敏電阻熱電阻測溫原理一、熱電阻測溫原理及特點

用熱電偶測量500℃以下溫度時，熱電勢小，測量精度低；且使用中經(jīng)常需要進行冷端溫度補償。故工業(yè)上在測低溫時通常采用熱電阻溫度計，其測溫范圍為－200～500℃。

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，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484。

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。優(yōu)點：1）輸出信號大、測溫精度高；2）電阻信號便于遠傳；3）無需冷端補償；4）可以實現(xiàn)多點切換測量。1、熱電阻測溫特點

缺點：1）感溫部分體積大，熱慣性大；2）不能測取某一點的溫度，只能測量一個區(qū)域的平均溫度；3）在使用時需要外供電源；4）連接導(dǎo)線電阻易受環(huán)境溫度影響而產(chǎn)生測量誤差。熱電阻溫度計的組成：熱電阻（電阻體、絕緣管和保護套管）連接導(dǎo)線顯示儀表2、熱電阻測溫原理測溫原理金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體:

電阻值R=f(溫度t)電阻溫度系數(shù)（α）

——溫度變化1℃時，導(dǎo)體電阻值的相對變化量，單位為1/℃。

α↑→靈敏度↑。金屬導(dǎo)體:t↑→Rt↑，∴α為正值；而半導(dǎo)體:t↑→Rt↓，∴α為負值。金屬純度↑→α↑。有些合金材料，如錳銅α→0。常用熱電阻材料的電阻與溫度關(guān)系

根據(jù)感溫元件的材質(zhì)可分為金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體兩大類。金屬熱電阻目前大量使用的有鉑、銅和鎳三種。按準確度等級可分為標準電阻溫度計和工業(yè)電阻溫度計。

二、常用熱電阻種類熱電阻材料要求：（1）物理及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；（2）電阻溫度系數(shù)大；（3）電阻率大；（4）電阻值與溫度近似為線性關(guān)系；（5）復(fù)現(xiàn)性好；（6）價格便宜。

特點：穩(wěn)定性好、精確度高、性能可靠。ITS－90規(guī)定以鉑電阻溫度計作為13.8033K～961.78℃溫域的標準內(nèi)插儀器（1）鉑熱電阻（Pt）鉑的電阻值與溫度的關(guān)系在－200～0℃范圍內(nèi)：在0～850℃范圍內(nèi)：

鉑電阻的純度通常用R100/R0表示。鉑電阻的分度號:Pt10、Pt100、Pt50Pt10—表示鉑電阻在0℃時的電阻值為R0＝10Ω

學(xué)習(xí)查“鉑熱電阻分度表”鉑熱電阻分度表

銅電阻與溫度的關(guān)系在－50～＋150℃范圍內(nèi)：在0～100℃范圍內(nèi)，電阻溫度關(guān)系是線性的：

Rt=R0(1+αt)

式中，α＝(4.25~4.28)×10－3/℃,（2）銅熱電阻（Cu）優(yōu)點：R-t關(guān)系近似線性；α較大；材料易提純；價格便宜，互換性好。缺點：電阻率較小，為保持一定阻值需要細而長的銅絲，使體積↑熱慣性↑；測溫上限低，因為銅在100℃以上易氧化且抗腐蝕性差。銅電阻的分度號Cu50和Cu100

特點：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高。測溫范圍是－60～＋180℃，主要用于較低溫域。鎳電阻的分度號有Ni100、Ni300和Ni500（3）鎳熱電阻（Ni）熱電阻的主要技術(shù)性能

例：用分度號Cu100的銅電阻溫度計測得發(fā)電機冷卻水溫度為56℃，但檢定時確知銅熱電阻的R0＝100.8Ω，電阻溫度系數(shù)α’＝4.29×10-3/℃，試求冷卻水的實際溫度。解：測溫時顯示儀表按R0=100Ω,

α＝4.28×10-3/℃分度的，

Rt=R0(1+αt)，故100×(1十0.00428×56)=100.8×(1十0.00429×t)由此求得冷卻水實際溫度t=53.6℃。三、熱電阻的結(jié)構(gòu)

（1）普通熱電阻

（2）鎧裝熱電阻

薄膜型及普通型鉑熱電阻小型鉑熱電阻防爆型鉑熱電阻汽車用水溫傳感器及水溫表銅熱電阻鉑電阻溫度顯示、變送器☆熱電阻的接線方法：引出線—由熱電阻體至接線端子的連接導(dǎo)線平衡狀態(tài)下：IA×RA-IB×RB＝0It×Rt-ID×RD＝0∵IA＝IB＝It＝ID∴電橋安裝在儀表室內(nèi)的，而熱電阻Rt安裝在被測對象中，距儀表室有一定的距離，由于兩根導(dǎo)線電阻Ra及Rb在一個橋臂內(nèi)，銅導(dǎo)線電阻受溫度影響較大，在熱電阻沒有任何變化時，導(dǎo)線電阻變化會使得平衡電阻RD相應(yīng)移動，標尺上的讀數(shù)改變。移動滑線電阻RD，檢流計指針指零，表示電橋平衡由于RA／RB一定，故移動RD的電阻值不斷平衡，可通過RD電阻刻度或溫度刻度讀取溫度變化。二線制連接法（惠斯登電橋）平衡狀態(tài)下，考慮Ra、

Rc和RbRt+Rc＝（RA+Ra）RD/RB注意：平衡時Ib＝0導(dǎo)線電阻Ra及Rb分別在相鄰橋臂RA及RD中，另一導(dǎo)線電阻接到導(dǎo)線的輸出端。如果RA＝RD，則環(huán)境溫度變化及電阻自身發(fā)熱引起導(dǎo)線電阻Ra及Rb的變化基本相等，對電橋平衡影響極小。三線制連接法（卡侖達爾電橋）（1）兩線制存在引出線電阻隨溫度變化產(chǎn)生的附加誤差；（2）三線制可以消除引出線電阻的影響；工業(yè)上多采用。（3）四線制不僅可消除引出線電阻的影響，還可消除連接導(dǎo)線間接觸電阻及其阻值變化的影響。多用于標準鉑熱電阻的引出線上。熱電阻在使用中的注意事項：為減小環(huán)境溫度對線路電阻的影響，工業(yè)上常采用三線制連接，也可以采用四線制連接。熱電阻引入顯示儀表的線路電阻必須符合規(guī)定值，否則將產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。熱電阻工作電流應(yīng)小于規(guī)定值，否則因過大電流造成自熱效應(yīng)，產(chǎn)生附加誤差。熱電阻分度號必須與顯示儀表調(diào)校時分度號相向。四、半導(dǎo)體熱敏電阻

（SemiconductorHeat-sensitiveResistance）

工作原理：是利用半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度顯著變化這一特性制成的感溫元件。由某些金屬氧化物按一定的配方比例壓制燒結(jié)而成。負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻（阻值隨溫度升高而顯著減少）采用MnO2、Mn(NO3)4、CuO、Cu(NO3)2等化合物制造；正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻采用NiO2、ZrO2等化合物制造；臨界溫度(CTR)熱敏電阻當(dāng)溫度超過某一數(shù)值后，電阻會急劇增加或減少。熱敏熱電阻溫度特性電阻與溫度的關(guān)系（非線性的）：

T為熱力學(xué)溫度；e＝2.71828；A、B為常數(shù)。在溫度T0時的電阻值為兩式整理得:[例]已知某半導(dǎo)體熱敏電阻在20℃時的阻值為100Ω，其電阻與溫度斜率為dR/dt=－5.0Ω/K。試求：該熱敏電阻在50℃時的阻值。[提示]利用公式[解]

代入已知數(shù)據(jù)，即可求得A和B的值A(chǔ)=0.000043092(Ω);B=4296.8(K)再利用公式求得，RT在50℃(即50＋273.15K)時的阻值為25.64Ω。優(yōu)點：1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高；2）電阻率很大，體積可做的很小，熱慣性小，響應(yīng)快,可用來測量點的溫度。

3）電阻值很大，連接導(dǎo)線電阻變化的影響可忽略；缺點：

1）同一型號的熱敏電阻的電阻溫度特性分散性很大，互換性差；2）電阻溫度關(guān)系不穩(wěn)定，隨時間而變,需及時標定。半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)圖：

a：珠形熱敏電阻；b：涂敷玻璃的熱敏電阻1：電阻（金屬氧化物燒結(jié)體）；2：引出線（鉑絲）；3：玻璃；4：杜美絲c:帶玻璃保護套管的熱敏電阻1：金屬氧化物燒結(jié)體；2：鉑絲；5：玻璃管熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號a）圓片型熱敏電阻b）柱型熱敏電阻c）珠型熱敏電阻d）鎧裝型e）厚膜型f）圖形符號1—熱敏電阻2—玻璃外殼3—引出線4—紫銅外殼5—傳熱安裝孔

熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

MF58型（珠形）高精度負溫度系數(shù)熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（參考深圳科蓬達電子有限公司資料）非標熱敏電阻非標熱敏電阻（續(xù)）

非標熱敏電阻（續(xù)）

熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD熱敏電阻體溫表

熱敏電阻用于CPU的溫度測量

（參考小熊在線公司資料）熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

熱工測量及儀表

主講教師：朱紅霞Email：zhxia@第4節(jié)

非接觸式測溫方法和儀表輻射測溫基本原理

單色輻射高溫計

比色高溫計全輻射高溫計概述非接觸式測溫方法：利用物體輻射能隨溫度變化的性質(zhì)，通過測量物體的輻射能或與輻射能有關(guān)的信號來實現(xiàn)溫度測量。用這種方法測溫時，感受件不需與被測介質(zhì)相接觸。非接觸式測溫方法的優(yōu)點：

1）感受件不需與被測介質(zhì)相接觸，儀表不會破壞被測介質(zhì)的溫度場；2）從理論上講儀表的測溫上限不受限制，可達2000℃以上；

3）測溫過程中，儀表的滯后小，動態(tài)性能好，反應(yīng)快；4）輸出信號大、靈敏度和準確度高。

通常用來測量高于700℃的溫度。輻射式測溫儀表分類：

普朗克定律

→光學(xué)、光電、比色高溫計和紅外測溫儀

全輻射定律

→全輻射高溫計輻射測溫過程：熱輻射源（被測介質(zhì)）→

傳輸通道（空氣、真空、光纖）→熱輻射接收和處理裝置一、輻射測溫基本原理熱輻射：任何物體的溫度高于絕對零度（0K）時就有能量釋出，其中以熱能方式向外發(fā)射的那一部分電磁波稱為熱輻射。

全輻射體熱輻射與溫度的關(guān)系

（1）普朗克定律：全輻射體（黑體）的光譜輻射出射度M0λ與其波長λ和溫度T的關(guān)系：一種在任何溫度下對投射到其上的任何波長的熱輻射均能全部吸收的物體單位表面積、單位時間內(nèi)所輻射的能量普朗克函數(shù)曲線圖：

當(dāng)T<3000K

時，可用維恩公式代替，誤差在1%以內(nèi)。

維恩公式：

——單色輻射（光學(xué)、光電）高溫計的理論依據(jù)

（2）全輻射體輻射定律（斯忒藩－波爾茲曼定律）——全色輻射高溫計的理論依據(jù)波長λ從0～∞之間的全部光譜輻射出射度的總和M0實際物體的熱輻射特性

（同一T、λ下）（2）