第3章 溫度測量

第1節(jié)概述第2節(jié)熱電偶溫度計第3節(jié)電阻溫度計第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第6節(jié)溫度變送器與顯示記錄儀表一溫標二.溫度計的分類第1節(jié)概述標準大氣壓下純水的冰融點為0度，沸點為100度，中間等分為100格，每格為攝氏1度，符號為℃．1攝氏溫標標準大氣壓下純水的冰融點為32度，沸點為212度，中間等分為180格，每格為華氏1度，符號為F．2華氏溫標水受熱后體積膨脹一溫標3熱力學(xué)溫標

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

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

國際實用溫標用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標，簡稱IPTS-681990年以國際溫標（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)定水三相點熱力學(xué)溫度為273.16K，定義開爾文一度等于水三相點熱力學(xué)溫度的1／273.16。。4.國際實用溫標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（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（13.8K）到銀凝固點（962℃），標準儀器應(yīng)用鉑電阻溫度汁。

（4）銀凝固點（962℃）以上溫度區(qū)間采用普朗克定律外推。

（2）4He沸點（4.2K）到氖三相點（24.6K），在三個規(guī)定溫度點(氖三相點（24.6K）、平衡氫三相點（13.8K）、4He正常沸點（4.2K）)分度過的3He或4He氣體溫度計內(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、熱電偶的特點六、熱電偶的冷端溫度補償?shù)?節(jié)熱電偶溫度計（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，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時的自由電子密度2.溫差電勢EA(T，T0)

動態(tài)平衡時，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)及兩個接點溫度有關(guān)；

３）若熱電極材質(zhì)不均勻，存在溫度梯度時會產(chǎn)生附加熱電勢，造成測量的不準確。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溫度相同，則接入儀表對熱電勢無影響；

３）遠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。兩接點溫度為T，T0時的熱電勢，等于接點溫度為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Ta＝0時，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的熱電勢；

２）工業(yè)用熱電偶補償導(dǎo)線的理論依據(jù)：只要匹配與熱電偶的熱電性質(zhì)相同的補償導(dǎo)線，可以使冷端遠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，制定同一標準，共8種標準熱電偶，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，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、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1100℃

。6）鐵-康銅熱電偶（J型）

材料：正極為純度為99.5％的鐵;

負極為康銅：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?，也可以制作標準熱電偶。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％，

負極(NN)為鎳約95％硅4.2-4.6％鎂0.5-1.5％

應(yīng)用：抗氧化性強,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、多點熱電偶等。五、熱電偶的特點1.能測量較高的溫度（工業(yè)用一般500℃以上）；2.便于遠距離傳送和多點測量；3.性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，準確可靠；4.結(jié)構(gòu)簡單，體積小，維護方便；5.熱容量和熱慣性小，可用以測量點溫或表面溫度。目錄

1．冷端溫度校正法2．補償導(dǎo)線法3．儀表機械零點調(diào)整法5．補償電橋法4．冰浴法六、熱電偶的冷端溫度補償1．冷端溫度校正法（計算法）

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

原理：中間溫度定律補償導(dǎo)線法

補償導(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，使用時正負極不能接反；2）不同型號的熱電偶有不同的補償導(dǎo)線；3）補償導(dǎo)線與熱電偶兩個接點處溫度相等；4）補償導(dǎo)線的作用僅為延伸熱電偶的自由端，如to≠0，仍需用其他方法補償。3．儀表機械零點調(diào)整法

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

一般用于實驗室。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．補償電橋法

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

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

第3節(jié)電阻溫度計電阻溫度系數(shù)α：溫度變化1℃時，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）價廉，易于加工。電阻溫度計金屬：半導(dǎo)體：特點：精度和靈敏度高；測溫范圍廣；便于實現(xiàn)信號遠傳和多點測量切換；應(yīng)用廣泛。溫度上升1℃時，電阻增加0.4￣0.6%α為正α為負溫度上升1℃時，電阻下降3￣6％，優(yōu)點：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：還原性高溫氣氛下易被污染變脆，使α改變；價高百度電阻比：

W(100)數(shù)值越大純度越高。目前水平99.9995％,相當于W(100)=1.3930二、鉑電阻電阻分度號：表明熱電阻材料和0℃時的阻值。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-保護管3-銀綁帶4-保護用云母片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WZP裝配式鉑電阻溫度計醫(yī)用測皮膚溫度鉑電阻溫度計優(yōu)點：1）電阻值與溫度間線性關(guān)系；2）α大，價低，易提純

。缺點：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：缺點：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；非線性嚴重且溫度特性不夠穩(wěn)定，測量不準確度大。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，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)，因為在導(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、使用電阻溫度計的注意事項

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：測點應(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.測溫元件安裝于負壓管道或設(shè)備時，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，應(yīng)防止干擾信號引入，同時接線盒出線孔