第3章 溫度測量

第1節(jié)概述第2節(jié)熱電偶溫度計(jì)第3節(jié)電阻溫度計(jì)第4節(jié)接觸測溫的誤差分析第5節(jié)熱電偶與熱電阻的校驗(yàn)第6節(jié)溫度變送器與顯示記錄儀表一溫標(biāo)二.溫度計(jì)的分類第1節(jié)概述標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點(diǎn)為0度，沸點(diǎn)為100度，中間等分為100格，每格為攝氏1度，符號為℃．1攝氏溫標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點(diǎn)為32度，沸點(diǎn)為212度，中間等分為180格，每格為華氏1度，符號為F．2華氏溫標(biāo)水受熱后體積膨脹一溫標(biāo)3熱力學(xué)溫標(biāo)

又稱開氏溫標(biāo)（K）或絕對溫標(biāo)．它規(guī)定分子運(yùn)動停止時(shí)的溫度為絕對零度。為國際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)，與測溫物體的任何物理性質(zhì)無關(guān)。

選定水的三相點(diǎn)為參考點(diǎn)，溫度定義為273.16KQ1:熱源在溫度為T1時(shí)放出的熱量；Q2:溫度為T2的冷源所吸收的熱量；

國際實(shí)用溫標(biāo)用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)，簡稱IPTS-681990年以國際溫標(biāo)（ITS-90）替代IPTS-68。

在ITS-90中指出：熱力學(xué)溫度（符號為T）是基本物理量，單位為開爾文（符號為K）。它規(guī)定水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度為273.16K，定義開爾文一度等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1／273.16。。4.國際實(shí)用溫標(biāo)t90:國際攝氏溫度（℃）；T90:國際開爾文溫度（K

）；

ITS-90的一些規(guī)定：

（1）0.65K到4He臨界點(diǎn)（5.2K）溫度段內(nèi)用3He和4He蒸汽壓與溫度的關(guān)系來確定溫度。

（3）平衡氫三相點(diǎn)（13.8K）到銀凝固點(diǎn)（962℃），標(biāo)準(zhǔn)儀器應(yīng)用鉑電阻溫度汁。

（4）銀凝固點(diǎn)（962℃）以上溫度區(qū)間采用普朗克定律外推。

（2）4He沸點(diǎn)（4.2K）到氖三相點(diǎn)（24.6K），在三個規(guī)定溫度點(diǎn)(氖三相點(diǎn)（24.6K）、平衡氫三相點(diǎn)（13.8K）、4He正常沸點(diǎn)（4.2K）)分度過的3He或4He氣體溫度計(jì)內(nèi)插。接觸式非接觸式膨脹式:液體膨脹式，固體膨脹式壓力表式：氣壓式，液壓式，蒸汽式熱電阻式熱電偶式光學(xué)式比色式紅外式二.溫度計(jì)的分類一、熱電偶的測溫原理二、熱電偶的基本定律三、熱電偶的類型四、熱電偶的構(gòu)造五、熱電偶的特點(diǎn)六、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償?shù)?節(jié)熱電偶溫度計(jì)（一）熱電偶和熱電效應(yīng)1826年德國

T.J.seebeck熱電效應(yīng)，ABTT0工作端（測量端，熱端）參考端（自由端，冷端）熱電偶，熱電勢，熱電極一、熱電偶的測溫原理（二）熱電偶工作原理1.接觸電勢EAB(T)

動態(tài)平衡時(shí)，導(dǎo)體A、B間形成的電位差為接觸電勢ABNA

>NBABEAB方向：指向N大方向ES方向：材料A，B在溫度e：單位電荷K：波爾茲曼常數(shù)T時(shí)的自由電子密度2.溫差電勢EA(T，T0)

動態(tài)平衡時(shí)，導(dǎo)體A冷熱不同兩端形成的電位差為溫差電勢AT>

T0AEA(T,T0)方向：指向T大向ES方向TT03.熱電偶回路的熱電勢AT

>T0TT0BNA

>NB，EA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T0)EAB(T)整理后得到目錄

（一）均質(zhì)導(dǎo)體定律

（二）中間導(dǎo)體定律

（三）中間溫度定律

二、熱電偶的基本定律（一）均質(zhì)導(dǎo)體定律

1.內(nèi)容

凡是由一種均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其截面如何，沿長度方向各處的溫度分布如何，都不會產(chǎn)生熱電勢。均質(zhì)導(dǎo)體定律（一）均質(zhì)導(dǎo)體定律

2.含義

１）任何熱電偶都必須由兩種不同性質(zhì)的熱電極組成；

２）熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢僅與熱電極材料的性質(zhì)及兩個接點(diǎn)溫度有關(guān)；

３）若熱電極材質(zhì)不均勻，存在溫度梯度時(shí)會產(chǎn)生附加熱電勢，造成測量的不準(zhǔn)確。均質(zhì)導(dǎo)體定律（二）中間導(dǎo)體定律

1.內(nèi)容

在熱電偶回路中接入第三第四種均質(zhì)材料的導(dǎo)體后，只要中間接入的導(dǎo)體兩端具有相同的溫度，就不會影響熱電偶的熱電勢。（二）中間導(dǎo)體定律

2.公式AT

>T0TBNC>NA

>NB，EA(T,T0)EB(T,T0)EAB(T)T0T0CECA(T0)ECB(T0)3.含義

１）可接入不只一種中間導(dǎo)體，只要保證其兩端溫度相同，則對熱電勢無影響；

２）只要熱電偶連接顯示儀表的兩個接點(diǎn)溫度相同，則接入儀表對熱電勢無影響；

３）遠(yuǎn)距離顯示可接入連接導(dǎo)線；4）可以利用焊接方法制作熱電偶。（三）中間溫度定律

1.內(nèi)容

熱電偶回路中。兩接點(diǎn)溫度為T，T0時(shí)的熱電勢，等于接點(diǎn)溫度為T，Ta

和Ta，T0

的兩支同性質(zhì)熱電偶熱電勢的代數(shù)和。2.公式中間溫度定律特別地，當(dāng)Ta＝0時(shí)，3.含義

１）為制定熱電偶的分度表奠定了理論基礎(chǔ)：只要列出冷端溫度為0℃時(shí)的熱電勢和測量端溫度的關(guān)系，就可以求出冷端溫度為任意溫度時(shí)的熱電勢；

２）工業(yè)用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的理論依據(jù)：只要匹配與熱電偶的熱電性質(zhì)相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，可以使冷端遠(yuǎn)離熱源而不影響熱電偶的測量精度。三、熱電偶的類型1、對熱電極材料的要求

1）溫度每增加1℃時(shí)產(chǎn)生的熱電勢要大

，且與溫度盡可能成線性關(guān)系；

2）物理穩(wěn)定性高

3）化學(xué)穩(wěn)定性高

4）材料組織均勻，有韌性，易被加工成絲狀

5）復(fù)現(xiàn)性好2.熱電偶類型

國際電工委員會（IEEE)對性能較好的材料，制定同一標(biāo)準(zhǔn)，共8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，分別用不同的字母表示（表3-2）1）鉑銠10-鉑熱電偶（S型）材料：正極(SP)為含10％銠的鉑，負(fù)極(SN)為鉑

應(yīng)用：銠、鉑均為難以被氧化的耐高溫金屬，故抗氧化能力強(qiáng)，熱電特性穩(wěn)定，適合應(yīng)用于高溫氧化氣氛中，如：高溫加熱爐、熱處理爐、鋼水測溫。

鉑長期在1400℃使用抗拉強(qiáng)度下降，熱電特性易發(fā)生變化，長期最高使用溫度1300℃，短期可達(dá)1600℃，不適于還原氣氛中使用。2）鉑銠13-鉑熱電偶（R型）材料：正極(RP)為含13％銠的鉑，負(fù)極(RN)為鉑

應(yīng)用：與S型比，銠含量的提高使其具有更高的穩(wěn)定性和更高靈敏度，同樣適合應(yīng)用于高溫氧化氣氛中

長期最高使用溫度1350℃，短期可達(dá)1600℃，不適于還原氣氛中使用。3）鉑銠30-鉑銠6熱電偶（B型）

材料：正極(BP)為含30％銠的鉑，

負(fù)極(BN)為含6％銠的鉑，亦稱雙鉑銠熱電偶

長期最高使用溫度1750℃，短期可達(dá)1800℃4）鎳鉻-鎳鋁（鎳硅）熱電偶（K型）

材料：正極(KP)為鎳89-90％鉻9-9.5％硅約0.5％

鐵0.5％，

負(fù)極(KN)為鎳95-96％硅1-1.5％鋁1-2.3％

錳1.6-3.2％鈷約5％

應(yīng)用：測溫范圍寬、線性度好、靈敏度比較高、抗氧化能力較強(qiáng)、在氧化還原氣氛中輸出的電動勢都比較穩(wěn)定。適用于1300℃以下。5）鎳鉻-康銅熱電偶（E型）

材料：正極(EP)與KP同，

負(fù)極(EN)為康銅：銅約55％鎳約45％鈷約0.1％

應(yīng)用：在氧化還原氣氛中都可以使用，靈敏度高性，能較穩(wěn)定。適用于800℃以下，短期可達(dá)1100℃

。6）鐵-康銅熱電偶（J型）

材料：正極為純度為99.5％的鐵;

負(fù)極為康銅：銅約55％鎳約45％少量其他元素，

注意不能與EN互換。

應(yīng)用：氧化氣氛中適用于750℃以下，

還原氣氛中適用于950℃以下。鐵-康銅熱電偶7）銅-康銅熱電偶（T型）

材料：正極(TP)為純度為99.95％的純銅，

負(fù)極(TN)為康銅

應(yīng)用：靈敏度高性，能較穩(wěn)定。適用于-200～+350℃?？梢灾谱髌胀犭娕迹部梢灾谱鳂?biāo)準(zhǔn)熱電偶。銅-康銅熱電偶8）鎳鉻硅-鎳硅熱電偶（N型）

材料：正極(NP)為鎳84％鉻14-14.4％硅1.3-1.5％

其他0.1％，

負(fù)極(NN)為鎳約95％硅4.2-4.6％鎂0.5-1.5％

應(yīng)用：抗氧化性強(qiáng),在1200℃氧化氣氛中可以很好使用。四、熱電偶的構(gòu)造普通型鎧裝型薄膜型

其他還有表面溫度熱電偶、微型快速熱電偶、測氣流溫度熱電偶、多點(diǎn)熱電偶等。五、熱電偶的特點(diǎn)1.能測量較高的溫度（工業(yè)用一般500℃以上）；2.便于遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測量；3.性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，準(zhǔn)確可靠；4.結(jié)構(gòu)簡單，體積小，維護(hù)方便；5.熱容量和熱慣性小，可用以測量點(diǎn)溫或表面溫度。目錄

1．冷端溫度校正法2．補(bǔ)償導(dǎo)線法3．儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法5．補(bǔ)償電橋法4．冰浴法六、熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償1．冷端溫度校正法（計(jì)算法）

原理：中間溫度定律冷端溫度校正法（計(jì)算法）此時(shí)，即為熱電勢的修正值。儀表讀數(shù)查分度表反查分度表2．補(bǔ)償導(dǎo)線法

原理：中間溫度定律補(bǔ)償導(dǎo)線法

補(bǔ)償導(dǎo)線:是廉金屬制成的,在一定范圍內(nèi)（0～100℃），具有和所連接的熱電偶相同的熱電性能．1）補(bǔ)償導(dǎo)線在規(guī)定溫度范圍內(nèi)應(yīng)具有與熱電偶相同的熱電特性，使用時(shí)正負(fù)極不能接反；2）不同型號的熱電偶有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線；3）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶兩個接點(diǎn)處溫度相等；4）補(bǔ)償導(dǎo)線的作用僅為延伸熱電偶的自由端，如to≠0，仍需用其他方法補(bǔ)償。3．儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法

原理：中間溫度定律將儀表零點(diǎn)調(diào)整至即可。注意：用于冷端溫度恒定且可測時(shí)；冷端溫度改變時(shí)需要重新調(diào)整。儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法4．冰浴法冰浴法

一般用于實(shí)驗(yàn)室。注意水銀上方應(yīng)充少量蒸餾水或變壓器油，或用石蠟封口。5．補(bǔ)償電橋法

采用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值補(bǔ)償電橋法

一、測溫原理二、鉑電阻三、銅電阻四、半導(dǎo)體熱敏電阻五、使用電阻溫度計(jì)的注意事項(xiàng)

第3節(jié)電阻溫度計(jì)電阻溫度系數(shù)α：溫度變化1℃時(shí)，電阻值的相對變化量，單位：1／℃，電阻率（電阻系數(shù)或比電阻）：衡量物質(zhì)導(dǎo)電性能的物理量，20℃時(shí)單位面積（1mm2)和單位長度(1m)的阻值.一、測溫原理對熱電阻測量的要求：1）α大，電阻率高；2）性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好；3）溫度阻值間呈線性關(guān)系；4）價(jià)廉，易于加工。電阻溫度計(jì)金屬：半導(dǎo)體：特點(diǎn)：精度和靈敏度高；測溫范圍廣；便于實(shí)現(xiàn)信號遠(yuǎn)傳和多點(diǎn)測量切換；應(yīng)用廣泛。溫度上升1℃時(shí)，電阻增加0.4￣0.6%α為正α為負(fù)溫度上升1℃時(shí)，電阻下降3￣6％，優(yōu)點(diǎn)：1）精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，工業(yè)用-200￣850℃；2）易于提純，復(fù)現(xiàn)性好，工藝性好，易于加工。缺點(diǎn)：還原性高溫氣氛下易被污染變脆，使α改變；價(jià)高百度電阻比：

W(100)數(shù)值越大純度越高。目前水平99.9995％,相當(dāng)于W(100)=1.3930二、鉑電阻電阻分度號：表明熱電阻材料和0℃時(shí)的阻值。特性關(guān)系：結(jié)構(gòu)：a)云母作骨架b)石英玻璃圓柱作骨架c)鎧裝型1-鉑電阻橫斷面2-保護(hù)管3-銀綁帶4-保護(hù)用云母片5-鋸齒形云母骨架6-鉑絲7-銀引出線8-接線盒9-連接法蘭10-石英骨架pt100熱電阻溫度計(jì)WZP裝配式鉑電阻溫度計(jì)醫(yī)用測皮膚溫度鉑電阻溫度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：1）電阻值與溫度間線性關(guān)系；2）α大，價(jià)低，易提純

。缺點(diǎn)：電阻率低，易氧化。應(yīng)用：

用于精度要求不高且溫度較低的場合，不適用于有腐蝕性場所。三、銅電阻

分度號：Cu50和Cu100特性關(guān)系：百度電阻比：W(100)=1.428±0.002允許使用溫度：-50～150℃

材料：

由鐵、鎳、銅、鈦、鎂的金屬氧化物制成優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：α較大，靈敏度高；電阻率大，體積可減小→連線電阻變化可忽略；結(jié)構(gòu)簡單；熱慣性小?；Q性差；非線性嚴(yán)重且溫度特性不夠穩(wěn)定，測量不準(zhǔn)確度大。TR銅半導(dǎo)體四、半導(dǎo)體熱敏電阻

分類：1.PTC熱敏電阻

正溫度系數(shù)熱敏電阻的簡稱。超過一定溫度時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素等，可使其電阻率下降到10Ω.cm以下，成為良好的半導(dǎo)體陶瓷材料。這種材料具有很大的正電阻溫度系數(shù)，在居里溫度以上幾十度的溫度范圍內(nèi)，其電阻率可增大4~10個數(shù)量級，即產(chǎn)生所謂PTC效應(yīng)。PTC熱敏電阻特性曲線PTC熱敏電阻2.NTC熱敏電阻

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的簡稱，它的阻值是隨著溫度的升高而下降的。主要是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。NTC熱敏電阻器溫度系數(shù)-2%~-6.5%，可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場合。玻璃封裝系列NTC熱敏電阻環(huán)氧封裝系列NTC熱敏電阻1.震動與應(yīng)力2.淬火與氧化效應(yīng)3.磁阻效應(yīng)

4.自熱效應(yīng)5.壓力的影響6.引線電阻的影響7.熱電勢的影響8.傳熱誤差9.遲滯10.絕緣不良的影響11.環(huán)境溫度的影響五、使用電阻溫度計(jì)的注意事項(xiàng)

一、傳感器的傳熱誤差二、傳感器的動態(tài)誤差

三、傳感器材料的選擇與安裝

第4節(jié)接觸測溫的誤差分析

傳導(dǎo)、對流、輻射Q11θQ2Q3sθ一、傳感器的傳熱誤差

被測對象傳感器被測對象傳感器tθtθ二、傳感器的動態(tài)誤差

相對于傳熱誤差

不能采用提高儀表精度的方法解決，只能在安裝上采取改善措施：1.正確選擇測點(diǎn)：測點(diǎn)應(yīng)具有代表性來流迎向來流中心45°垂直減少外露或保溫安裝孔密封出線孔朝下三、傳感器材料的選擇與安裝

2.避免熱輻射引起的測溫誤差，應(yīng)保證傳感器插入深度，外露部分保溫；3.測溫元件安裝于負(fù)壓管道或設(shè)備時(shí)，應(yīng)密封安裝孔以避免冷（熱）空氣吸入后影響測量值；4.熱電偶（阻）測溫時(shí)，應(yīng)防止干擾信號引入，同時(shí)接線盒出線孔