內(nèi)工大 測試技術(shù) 第9章 溫度測量

第九章

溫度測量第一節(jié)概述一、溫度及其測量溫度是用來定量地描述物體冷熱程度的物理量，溫度的測量是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。通過選擇某一物體同被測物體相接觸來測量它的溫度，當(dāng)兩者達到熱平衡時，對所選物體的物理參量（如液體的體積、導(dǎo)體的電阻等）進行測量，便可測出溫度值。二、溫標的概念溫度的數(shù)值表示是通過建立溫度標尺，即溫標來實現(xiàn)。目前常用的是攝氏溫標和國際溫標。

1、攝氏溫標：以水銀熱脹冷縮特性為基礎(chǔ)，水的冰點定為0℃，沸水定為100℃，兩點之間的溫度均勻分為100分格，每格為1度（1℃）。

2、國際溫標：建立在熱力學(xué)理論基礎(chǔ)上的，并規(guī)定以氣體溫度計為基準儀器，水的三相點(固相、液相、氣相三相平衡點)為273．16度，以絕對零度(理想氣體的壓力為零時所對應(yīng)的溫度)到水的三相點之間的溫度均勻分為273．16格，每格稱為1“開爾文”(Kalvm)。

1989年第27屆國際計量委員會(CIPM)通過“1990國際溫標”，從1990年1月1日開始實施。國際溫標同時使用國際開爾文溫度(T90)和國際攝氏溫度(t90)，它們的單位分別為開爾文(K)和攝氏度(℃)，其相互關(guān)系為

t90=T90-273.15三、測溫方法與測溫儀器的分類

按照所用方法之不同，溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。

1.接觸式測溫接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，這是感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。優(yōu)點：直觀可靠。缺點：是感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。

2、非接觸式測溫

非接觸測溫的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行熱交換，故可避免接觸測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸測溫法熱慣性小，可達千分之一秒，故便于測量運動物體的溫度和快速度變化的溫度。3、測溫儀器

對應(yīng)于兩種測溫方法，測溫儀器亦分為接觸式和非接觸式兩大類。

接觸式儀器又可分為:

膨脹式溫度計(包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫度計)、

電阻式溫度計(包括金屬熱電阻溫度計和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計)、

熱電式溫度計(包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計)以及其它原理的溫度計。

非接觸式溫度計又可分為輻射溫度計、亮度溫度計和比色溫度計，由于它們都是以光輻射為基礎(chǔ)，故也按統(tǒng)稱為輻射溫度計。熱電偶是工程應(yīng)用最廣泛的溫度傳感器。特點：構(gòu)造簡單，使用方便，準確度高，測溫范圍寬，適用于信號的遠傳，自動記錄和集中控制。微型熱電偶還可用于快速及動態(tài)溫度的測量?！?-2熱電偶溫度計熱電偶的測溫原理熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端一、熱電效應(yīng)定義：兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組成閉合回路，若A和B的兩連接處溫度不同（設(shè)T＞T0），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)。熱電偶的測溫原理把兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的這種組合，稱為熱電偶。溫度高的接點稱為熱端（或工作端），溫度低的接點稱為冷端（或自由端）。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。A和B稱為熱電極。閉合回路稱為熱電回路。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端1.接觸電勢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=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/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)。接觸電勢原理圖+ABTeAB(T)-當(dāng)兩種金屬材料A和B接觸時，自由電子就要從密度大的金屬材料擴散到密度小的金屬材料中去，從而產(chǎn)生電子的擴散，當(dāng)擴散達到平衡時，自由電子密度大的A材料失去電子帶正電荷，而金屬材料B得到電子帶負電荷。從而在A，B接觸處形成一定的電勢差，這就是接觸電勢，其大小為：

eA(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；σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體A兩端的溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在0℃時，銅的σ=2μV/℃。2.溫差電勢AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖在同一金屬材料A中，當(dāng)兩端的溫度不同，即T>T0時，兩端電子能量就不同，溫度高的一端電子能量大，則電子從高溫端向低溫端擴散的數(shù)量多，最后達到平衡。這樣在金屬材料A的兩端形成一定的電位差，即溫度電勢，其大小為：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T＞T0，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；σA

、σB——導(dǎo)體A和B的湯姆遜系數(shù)。熱電偶的測溫原理結(jié)論：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、粗細無關(guān)。若兩熱電極A，B材料相同，nA=nB，σA=σB則無論兩端溫度如何，EAB（T,T0）≡0.若熱電偶兩端溫度相同，T=T0，則EAB（T,T0）≡0.熱電勢與材料的中間溫度無關(guān)，只與兩結(jié)點溫度有關(guān)。熱電偶的測溫原理導(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。熱電偶基本定律二、熱電偶的基本定律中間導(dǎo)體定律（第三導(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

E總=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）=0TABCTT三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路結(jié)論：將第三導(dǎo)體C接入由A、B組成的熱電偶回路，只要其兩個接入點的溫度相同，則回路中的熱電勢保持不變。即：T0TAaBC23EABAT023ABEABTT2

CT0(a)(b)TnTnEAB(T,T0)=EAB(T)-EAB（T0）第三導(dǎo)體接入熱電偶回路圖熱電偶基本定律熱電偶基本定律根據(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。ET0T0TET0T1T1T電位計接入熱電偶回路熱電偶基本定律標準電極定律當(dāng)如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEAB(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB熱電偶基本定律標準電極定律是一個極為實用的定律?？梢韵胂?，純金屬的種類很多，而合金類型更多。因此，要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動勢，其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點高，易提純，所以，我們通常選用高純鉑絲作為標準電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動勢可根據(jù)上式直接計算出來。

例如：熱端為100℃，冷端為0℃時，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動勢為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢應(yīng)為

2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV連接導(dǎo)線定律是工業(yè)上運用補償導(dǎo)線進行溫度測量的理論基礎(chǔ)。熱電偶基本定律連接導(dǎo)體定律在熱電偶回路中，著導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線A’、B’相接，接點溫度分別為T，Tn，T0如圖所示，則回路的總熱電勢為上式為連接導(dǎo)體定律的數(shù)學(xué)表達式，即回路總熱電勢等于熱電偶電勢與連接導(dǎo)線電勢的代數(shù)和。TT0TnTnAA′BB′熱電偶基本定律中間溫度定律熱電回路中的熱電勢與中間溫度無關(guān).求得參考端溫度為0℃時熱電勢與溫度的關(guān)系，就可以根據(jù)上式求出參考溫度不等于0℃時的熱電勢。TT0TnTnAABB中間溫度定律是制定熱電勢分度表的理論基礎(chǔ)常用熱電偶及結(jié)構(gòu)三、常用熱電偶及結(jié)構(gòu)常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所謂標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。常用熱電偶及結(jié)構(gòu)熱電偶材料應(yīng)滿足：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；導(dǎo)電率高，且電阻溫度系數(shù)小；熱電勢高，熱電勢與溫度之間呈線性或接近線形的單值函數(shù)關(guān)系。復(fù)現(xiàn)性好，便于成批生產(chǎn)，制造工藝簡單，便于制造。常用熱電偶及結(jié)構(gòu)常用熱電偶種類1．鉑—鉑銠熱電偶分度號S

（舊LB—3）工業(yè)用熱電偶絲：Φ0.5mm，實驗室用可更細些。正極：鉑銠合金絲,用90％鉑和10％銠(重量比)冶煉而成。負極：鉑絲。測量溫度：長期：1300℃、短期：1600℃。100℃時的熱電勢：0.634mv常用熱電偶及結(jié)構(gòu)特點：材料性能穩(wěn)定，測量準確度較高；可做成標準熱電偶或基準熱電偶。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。（高溫?zé)犭娕迹┰诟邷剡€原性氣體中（如氣體中含Co、H2等）易被侵蝕，需要用保護套管。材料屬貴金屬，成本較高。熱電勢較弱。常用熱電偶及結(jié)構(gòu)

2．鎳鉻—鎳硅熱電偶分度號K（舊EU—2）工業(yè)用熱電偶絲：Φ1.2~2.5mm，實驗室可細些。正極：鎳鉻合金(鎳90.5%，鉻9.5%)

負極：鎳硅合金(鎳97.5%，硅2.5%)。測量溫度：長期900℃，短期1300℃。100℃時的熱電勢：4.10mv特點：價格比較便宜，在工業(yè)上廣泛應(yīng)用。復(fù)現(xiàn)性好，熱電勢大，線性好。高溫下抗氧化能力強，但在還原性氣體中易被侵蝕。穩(wěn)定性差。常用熱電偶及結(jié)構(gòu)3．鎳鉻—考銅熱電偶分度號為E（舊EA—2）工業(yè)用熱電偶絲:Ф1.2～2mm，實驗室可更細些。正極：鎳鉻合金負極：考銅合金（56％銅，44％鎳冶煉而成）。測量溫度：長期600℃，短期800℃。100℃時的熱電勢：6.95mv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?？笺~易氧化變質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。常用熱電偶及結(jié)構(gòu)4．鉑銠30—鉑銠6熱電偶分度號為B（舊LL—2）正極：鉑銠合金（用70％鉑，30％銠冶煉而成）。負極：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℃。100℃時的熱電勢：0.034mv特點：材料性能穩(wěn)定，測量精度高。測溫上限高。低溫?zé)犭妱輼O小，冷端溫度在50℃以下可不加補償。成本高。6、銅—康銅熱電偶，分度號T（

MK）

熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻-鎳硅熱電偶，約為4.3mV/℃。它的正極是銅，負極是銅鎳合金。測溫范圍為-200～+400℃。特點是精度高，價格便宜。在0～-200℃范圍內(nèi)，可制成標準熱電偶，準確度可達土0.1℃。缺點是銅極易氧化，故在氧化性氣氛中使用時，一般不能超過300℃。

5、鐵—康銅熱電偶，分度號J

（TK）

靈敏度高，約為5.3mV/℃，線性度好，價格便宜，可在800℃以下的還原介質(zhì)中使用。它的正極是鐵，負極是銅鎳合金。測溫范圍為-200~+1300℃。主要缺點是鐵極易氧化.常用熱電偶及結(jié)構(gòu)幾種持殊用途的熱電偶（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300～2000℃分度精度為1％。（3）金鐵—鎳鉻熱電偶主要用在低溫測量，可在2～273℃范圍內(nèi)使用，靈敏度約為10μV／℃。（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)。常用熱電偶及結(jié)構(gòu)熱電偶的結(jié)構(gòu)工業(yè)用熱電偶普通工業(yè)裝配式熱電偶作為測量溫度的變送器，通常和顯示儀表、記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。它可以直接測量各種生產(chǎn)過程中從0℃到1800℃范圍的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。熱電偶通常由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等幾個主要部分組成，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1234

常見普通工業(yè)裝配式熱電偶的外形結(jié)構(gòu)

(1)熱電極又稱偶絲，它是熱電偶的基本組成部分。普通金屬做成的偶絲，其直徑一般為0.5～3.2mm，貴重金屬做成的偶絲，直徑一般為0.3～0.6mm。偶絲的長度則由使用情況、安裝條件，特別是工作端在被測介質(zhì)中插入的深度來決定，通常為300～2000mm，常用的長度為350mm。常用熱電偶及結(jié)構(gòu)

(2)絕緣管又稱絕緣子，是用于熱電極之間及熱電極與保護套管之間進行絕緣保護的零件。形狀一般為圓形或橢圓形。偶絲穿孔而過。材料為粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)等，材料選用視使用的熱電偶而定。在室溫下，其絕緣電阻應(yīng)在5MΩ以上。

(3)保護套管是用來保護熱電偶感溫元件免受被測介質(zhì)化學(xué)腐蝕和機械損傷的裝置。保護套管應(yīng)具有耐高溫、耐腐蝕的性能，要求導(dǎo)熱性能好，氣密性好。其材料有金屬、非金屬以及金屬陶瓷三大類。形狀一般為圓柱形。

(4)接線盒是用來固定接線座和作為連接補償導(dǎo)線的裝置。根據(jù)被測量溫度的對象及現(xiàn)場環(huán)境條件，設(shè)計有普通式、防濺式、防水式和接插座式等四種結(jié)構(gòu)形式．常用熱電偶及結(jié)構(gòu)熱電偶的冷端溫度補償四、熱電偶的冷端溫度補償從熱電效應(yīng)的原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢與兩端溫度有關(guān)。只有將冷端的溫度恒定，熱電動勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。由于熱電偶分度表是以冷端溫度為0℃時作出的，因此在使用時要正確反映熱端溫度(被測溫度)，最好設(shè)法使冷端溫度恒為0℃。但在實際應(yīng)用中，熱電偶的冷端通?？拷粶y對象，且受到周圍環(huán)境溫度的影響，其溫度不是恒定不變的。為此，必須采取一些相應(yīng)的措施進行補償或修正，常用的方法有以下幾種：1.冷端恒溫法（冰浴法）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。mVABA’B’TCC儀表銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T0熱電偶的冷端溫度補償

2.冷端溫度較正法

用普通室溫計算出冷端實際溫度TH，利用公式計算例：用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，冷端在室溫環(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，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)熱電偶的冷端溫度補償熱電偶的冷端溫度補償

3、補償導(dǎo)線法為了使冷端溫度保持恒定（最好為0℃)，熱電偶可以做得很長，使冷端遠離工作端，并連同測量儀表一起放置到恒溫或溫度波動較小的地方。但這種方法一方面安裝使用不方便，另一方面也要多耗費許多貴重金屬材料。因此一般是用一導(dǎo)線(稱之為補償導(dǎo)線)將熱電偶的冷端延伸出來。這種補償導(dǎo)線要求在0—l00℃范圍內(nèi)和所連接的熱電偶應(yīng)具有相同的熱電性能，而其材料又是廉價金屬。理論基礎(chǔ)熱電偶的冷端溫度補償ABT1T2T2A’B’T0熱電偶補償導(dǎo)線接線圖E若導(dǎo)線A′，B′與A，B具有相同的熱電特性，則有：熱電偶與補償導(dǎo)線連接處的溫度不應(yīng)超過100℃，以免帶來新的誤差。熱電偶的冷端溫度補償4.補償電橋法較常用的一種補償方法。原理：利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個橋臂和橋路電源組成。設(shè)計時，在0℃下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時Uab=0，電橋?qū)x表讀數(shù)無影響。供電4V直流，在0～40℃或-20～20℃的范圍起補償作用。RCu熱電偶的冷端溫度補償

EAB(T,T0)T0T0TAB++-abUR1R2R3RUab注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。mV（T-T0）EAB(T,T0)T0RCUUab

回路中總電流U保持不變§9-3熱電阻溫度計絕大多數(shù)金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，溫度越高，電阻越大。利用這一規(guī)律可制成溫度傳感器，與熱電偶對應(yīng)，就稱為“熱電阻”。目前世界上大多采用鉑和銅兩種金屬作為制造熱電阻的材料。對于相對較低的溫度測量，用熱電偶測量輸出的熱電勢較小，不方便測量。熱電阻一般用于－200℃～600℃的溫度測量。熱電阻熱電阻的特點：測量精度高；有較大的測量范圍；易于使用在自動測量和遠距離測量中。熱電阻材料的特點高且穩(wěn)定的溫度系數(shù)和大的電阻率；良好的輸出特性（近似線性）；使用范圍內(nèi)物理化學(xué)性能穩(wěn)定；良好的工藝性。常用熱電阻一、常用熱電阻鉑熱電阻（－200℃～850℃）

式中R0、Rt——溫度為0及t℃時的鉑電阻的電阻值；

A、B、C——常數(shù)值，其中：

A=3.96847×10-3℃-1

B=5.847×10-7℃-2

C=4.22×10-12℃-4優(yōu)點：物理化學(xué)性質(zhì)極穩(wěn)定，良好的工藝性，精度高（做基準熱電阻）缺點：電阻溫度系數(shù)小，價格昂貴，非線性誤差大Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3]常用熱電阻銅熱電阻（-50～150℃）優(yōu)點：良好的輸出特性，電阻溫度系數(shù)高缺點：電阻率低，測溫范圍窄Rt=R0（1+α)

式中R0、Rt——溫度為0及t℃時銅電阻的電阻值；