温度检测的基本知识

第七章温度的检测电偶传感器〔ThermocoupleTemperatureTransducer〕是众多测温用标准的显示仪表和记录仪表来进展显示和记录。热电偶测温的主要优点有：接驱动动圈式仪表。构造简洁，使用便利，热电偶的电极不受大小和外形的限制，可依据需要选择。测温范围广，高温热电偶可达1800℃以上，低温热电偶可达-260℃。测量精度较高，各温区中的误差均符合国际计量委员会的标准。本章首先介绍温度测量的根本概念，然后分析热电偶的工作原理、分类，并介绍其使用 方法。温度测量的根本概念生产、科研、生活中需要测量和掌握的重要物理量，是国际单位制七个根本量之一〔见附录B。这里将系统地测温方法等一些根本学问。温度的根本概念物体温度的温度为止。的猛烈程度。温度越高，表示物体内局部子热运动越猛烈。温标〔即零点〕以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。摄氏温标〔℃〕0℃100度10℃摄氏一度，符号为ｔ。〔F〕32Ｆ，212Ｆ，180与摄氏温标的关系式为〔7-1〕例如，20℃时的华氏温度＝〔1.8×20+32〕Ｆ=68Ｆ。西方国家在日常生活中普遍使用华氏温标。热力学温标〔Ｋ〕由开尔文〔Kelvin〕依据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是Ｔ，其单位是开尔文〔Ｋ。〔即没有热存在时的温度为确定零度，水的三相点〔气、液、固三态同时存在且进人平衡状态时的温度〕的温度为273.16Ｋ，把从确定零度到水的三相点之间的温度均匀273.161Ｋ。由于以前曾规定冰点的温度为２７３．１５Ｋ，所以现在沿用这个规定，用下式进展Ｋ氏和摄氏的换算：t/CT/K273.15 〔7-2〕T/Kt/C273.15热力学温标是纯理论的，人们无法得到开氏零度，因此不能直接〔又称开氏温度建立一种有用的温标作为测量温度的标准，这就是国际有用温标。4.1990〔ITS—90〕1968IPTS—68温标。这种温标与热力学温标根本吻合，其差值符合规定的范围，而且复现性〔在全世界用一样的方法，可以得到一样的温度值〕好，所规定的标准仪器使用便利、简洁制造。IPTS—68181990111990ITS—90。ITS—90定义了一系列温度的固定点，测量和重现这些固定点的标准仪器以及计算公式。例如，规定了氢的三相点为13.8033Ｋ、氖的三相点为24.556154.358483.8058Ｋ、汞的三相234.3156273.16Ｋ〔0.01℃〕等。29.7646℃、锡的凝固点为23.928℃、锌的凝固点为419.527℃、铝的凝固点为660.323961.781064.18℃、铜1084.62℃，这里就不—一列举了。ITS—90规定了不同温度段的标准测量仪器。例如在极低温度范辐射温度计来定义和测量等。温度测量及传感器分类常用的各种材料和元器件的性能大都会随着温度的变化而变化，具有肯定的温度效应。其中一些稳定性好、温度灵敏度高、能批量生产的材料就可以作为温度传感器。温度传感器的分类方法很多。依据用途可分为基准温度计和工业分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分有自发电型、非电测型等。总之，温度测量的方法很多，而且直到今日，人们仍在不断地争论性能更好的温度传感器。我们可以依据本钱、精度、7—1了常用测温传感器的工作原理、名称、测温范围和特点。7-1所利用的物理现象传感器类型测温范围∕℃特点体积气体温度计—250～1000不需要电源，耐热膨胀液体温度计玻璃水银温度计双金属片温度计—200～350—50～350—50～300用。但感温部件体积较大热触钨铼热电偶1000～2100自发电型，标准热电势铂铑热电偶其他热电偶200～1800—200～1200化较高，品种多。电阻的变化铂热电阻热敏电阻—200～900—50～300标准化程度高，但需要接入桥路才能得到电压输出PN硅半导体二极管〔半导体集成电—50～150体积小，性能好，但测温范围小。温度-颜色示温涂料液晶—50～13000～100面积大，可得到温度图像，但易年轻，精度低。光辐射红外辐射温度计—50～1500非接触式测量，热辐射光学高温温度计热释电温度计光子探测温度计500～30000～10000～3500反响快，但易受环境及被测体外表状态影响，标定困难。热电偶传感器的工作原理热电效应金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点〔称为结点，7—1a精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。明显，指南针与两个结点的温差有关。7-1热电偶原理图据此，赛贝克觉察和证明白两种不同材料的导体Ａ和Ｂ组成的闭合回路，当两个结点温度不一样时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电热电势。热电偶的两个结点中，置于温度为Ｔ0

的被测对象中的结点点称之为参考端，又称自由端或冷端。E触电动势组成。

AB

)主要由接0将两种不同的金属相互接触，如图7—1a、b的集中现象。自由电子将从密度大的金属Ａ集中到密度小的金属Ｂ，强大的电场，能够阻挡电子的连续集中，从而到达动态平衡为止，从由电子密度和接触点的温度，而与导体的外形及尺寸无关。由于热电偶的两个结点均存在珀尔帕电动势，所以热电偶所产生的总的热电势是两个结点温差△ｔf即

〔见图72及图—，ABE (T,TAB

)fAB

(T,T0

)f

t 〔7-3〕AB由上式可以得出以下几个结论：假设热电偶两结点温度一样，则回路总的热电势必定等于零。两结点温差越大，热电势越大。假设热电偶两电极材料一样，即使两端温度不同tt，但总0输出热电势仍为零。因此必需由两种不同材料才能构成热电偶。与热电偶的长短、粗细、外形热电偶越细，内阻越大。

AB

〕也可以写成E0

AB

，其0物理意义略有不同，但电动势的数值是一样的。中间导体定律假设在热电偶回路中插人中间导体，只要中间导体两端温度一样，则对热电偶回路的总热电势无影响7-3a。影响。7-3具有中间导体的热电偶回路利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可才能削减测量误差。热电偶的种类及构造热电极材料和通用热电偶19911990年国际温标〔简称ITS-99-27-2中，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。对于每一种热电所谓分度表就是热电偶自由端〔冷端〕温度为0℃时，热电偶工作端〔热端〕温度与输出热电势之间的对应关系的表格。表7-2 8种国际通用热电偶特性表名称分度号测温范围/℃100℃时的热电 /mv1000℃时的热 特点电势/mv铂铑B50~18200.0334.834-铂定，精度高，30铑1000℃6可不必考虑冷线性差；只适用于高温域的测量铂铑R-50~17680.64710.506-铂稳定，复现性13属蒸气和复原使用时特性会测量铂铑铂铑S-铂-50~17680.6469.587R偶；长期以来曾经作为国际温标的法定标准热电偶镍鉻-K-270~13704.09641.276镍硅价廉；但材质较硬，在1000℃以上长期使用会引起热电势漂移；多用于工业测量镍鉻N-270~13002.74436.256硅-镍均比K硅好，适宜用于工业测量镍铬-铜镍E-270~8006.319 热电势比K热电偶大50%左右，线性好，〔康铜〕复原性气氛；多用于工业测量铁-铜镍J-210~7605.269 稳定；但纯铁〔康测量铜〕铜-铜镍T-270~4004.279 性能稳定，〔康易被氧化，铜〕量。可作〔-200~0〕℃温域的计量标准10307030％的铑，以下类推。7-40℃时它们的热电势均为零，这是由于绘制热电势一温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0℃这一规定环境中的缘故。7-4常用热电偶的热电势与温度关系从图中还可以看出，Ｂ、Ｒ、Ｓ及WRe5

-WRe

26

-钨铼〕等5 26100℃时的热电势几乎为零，只适合于高温测量。从图中还可以看到，多数热电偶的输出都是非线性〔斜率Ｋ不ＡＢ为常数了格外周密的测试，并向全世界公布了它们的分度表〔ｔ＝０℃。电势自动查表就可获得被测温度值。热电偶的构造形式１．装配型热电偶装配型热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体等介质的温度。这类热电偶已做成标准形式，其中包括有棒形、角形、锥形等。从安装固定方式来看，有固定法兰式、活动法兰式、固定螺纹式、焊接固定式和无特地固定式等几种。图7－５所示即为棒形、活动法兰式的一般7－57－6温度时两种常见的安装方法。7-5装配型热电偶构造7-6一般热电偶在管道中的安装方法２．铠装热电偶铠装热电偶是由金属保护套管、绝缘材料和热电极三者组合成一体的特别构造的热电偶。它是在薄壁金属套管〔金属销〕装入热电〔ＭｇＯ或ＡｌＯ２ ３整体。它可以做得很细很长，而且可以弯曲。热电偶的套管外径最细能达０．２５ｍｍ，长度可达１００ｍ7－７是它的外形和断面图。铠装热电偶具有响应速度快，牢靠性好，耐冲击，比较松软，可〔如狭小弯曲管道内〕的温度测量。 7-7铠装热电偶３．薄膜热电偶薄膜热电偶如图7－８所示。它是用真空蒸镀的方法，把热电极左右，热容量小，响应速度快，便于敷贴。适用于测量微小面积上的瞬变温度。除以上所述之外，还有特地用来测量各种固体外表温度的外表热电偶，特地为测量钢水和其他熔融金属而设计的快速热电偶等。7-8薄膜热电偶热电偶冷端的延长实际测温时，由于热电偶长度有限，自由端温度将直承受到被测物温度和四周环境温度的影响。例如，热电偶安装在电炉壁上，而自影响接线盒内的自由端，本钱，很不经济。工业中一般是承受补偿导线来延长热电偶的冷端，使之远离高温区。7-９所示。补偿导线〔Ａ′、Ｂ′〕是两种不同的材料、相比照较廉价的金属〔多为铜与铜的合金〕导体。它们的自由电子密度比和所配接型号的热电偶的自由电子密度比相等，０～１００℃，与所配接的热电偶的灵敏度一样，即具有一样的温度——热电势，其关系为E (t,t) E (t,t) 〔7－A”B” 0 AB 04〕tn

延长到温度相对稳定区t

，使指示仪表的示值〔ｍＶ数〕变得稳定起来。②购0买补偿导线比使用一样长度的热电极〔Ａ、Ｂ〕廉价很多，可节约大偿导线通常用塑料〔聚氯乙烯或聚四氟乙烯〕作为绝缘层，其自身又为较松软的铜合金多股导线，所以易弯曲，便于敷设。7-9利用补偿导线延长热电偶的冷端必需指出的是，使用补偿导线仅能延长热电偶的冷端，虽然总的热电势在多数状况下会比不用补偿导线时有所提高，但从本质上看，差变大的原因，故将其称“补偿导线”只是一种习惯用语。真正的补偿方法将在下一节介绍。使用补偿导线必需留意４个问题：一是两根补偿导线与热电偶两7-３。7-３常用热电偶补偿导线的特性型号配用热电偶正-负补偿导线正-负颜色正负100℃热电势/mv20℃时的电阻率/〔Ω×m〕10-铂铜-铜镍①红绿0.646±0.05×1060.023SCKC 铬-镍硅红蓝铜-酮康红橙4.096±0.0631.451±0.52×1060.10×106WS5/265-钨铼26铜-铜镍②0.051①99.4%Cu, 0.6%Ni。②98.2%-98.3%Cu,1.7%-1.8%Ni热电偶的冷端温度补偿由热电偶测温原理可知，热电偶输出的热电势是热电偶两端温度ｔ和ｔ0

差值的函数，当冷端温度ｔ0

不变时，热电势与工作端温度成0用热电偶的分度

＝０℃的条件。但在实际测温中，冷端温度常随0环境温度而变化，这样ｔ0

不但不是０℃，而且也是不恒定的。因此将产生误差。一般状况下，冷端温度均高于０℃，热电势总是偏小。消退或补偿这个损失的方法，常用的有以下几种：冷端恒温法将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的0ｔ0入的误差，由于冰溶化较快，所以一般只适用于试验室中。图7-10是冷端置于冰瓶中的接法布置图。将热电偶的冷端置于电热恒温器中，恒温器的温度略高于环境温度的上限〔例如40℃。将热电偶的冷端置于恒温空调房间中，使冷端温度恒定。应当指出的是，除了冰浴法是使冷端温度保持0℃外，后两种方法只是使冷端维持在某一恒定〔或变化较小〕的温度上，因此后两种方法仍必需承受下述几种方法予以修正。 7-10计算修正法当热电偶的冷端温度ｔ0〔t，t〕与冷端为０℃时所测AB 0得的热电势Ｅ〔t，０℃〕不等。假设冷端温度高于０℃，则Ｅ

〔t，AB ABt〕＜Ｅt，０℃。可以利用下式计算并修正测量误差：0 ABＥ〔t，０℃〕=Ｅ〔t，t〕十Ｅ〔t，０℃〕 〔7-5〕AB AB 0 AB 0

〔t，tAB

〕是用毫伏表直接测得的热电势为毫伏。修ｔ

0

〔t，AB 0０℃〔此值相当于损失掉的热电势，并把它加到所测得的Ｅ〔，ABt〕上。依据式7-5〕求出Ｅ〔，０℃〔此值是已得到补偿的热0 AB电势，依据此值再在分度表中查出相应的温度值。计算修正法共需查出的Ｅ就是负值，仍可用式〔7-5〕计算修正。

〔tAB

，０℃〕7-ｌ用镍铬一镍硅〔K〕热电偶测炉温时，其冷端温度t0＝３０℃，在直流毫伏表上测得的热电势ＥｍＶ，试求炉温为多少？

〔t，30℃〕＝38.505AB解查镍铬-镍硅热电偶Ｋ分度表，得到Ｅ＝1.203ｍＶ。依据式〔7-5〕有

〔30℃，０℃〕ABE t0C)EAB

t30C)EAB

30C0C)(38.5051.203)mV39.708mV2t=960℃。该方法适用于热电偶冷端温度较恒定的状况。在智能化仪表中，查表及运算过程均可由计算机完成。仪表机械零点调整法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，假设热电偶的冷端温度比较恒不高冷端所处的ｔ0

处，这相当于调入热电偶的热电势前就给仪表输入一

，０℃，这样，仪表在使用时所指示的值约为Ｅt，00

，０℃〕0进展仪表机械零点调整时，首先必需将仪表的电源及输入信号切ｔ0

的刻度上。当气温变化时，应准时修正指针的位置。此法虽有肯定的误差，但格外简便，在工业上常常承受。电桥补偿法电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电应型号的补偿电桥。热电偶的应用由于我国生产的热电偶均符合ITS-90全都性格外好，所以国家又规定了与每一种标准热电偶配套的仪表，其显示值为温度，且均已线性化。下面介绍其中的几种。与热电偶配套的仪表与热电偶配套的仪表有动圈式仪表及数字式仪表之分。符合国家〔ＸＣＺ〕〔ＸＭＺ系列〕和指示调整型〔ＸＭＴ系列〕品种。ＸＣ系列动圈式仪表测量机构的核心部件是一个磁电式毫伏计，7-11线〔补偿导线、调整电阻和显示仪表组成了一个闭合回路。ＸＭＴ系列仪表是在ＸＣＺ系列仪表的根底上，加装了有调整、报警功能的数字式指示调整型仪表，是专为热工、电力、化工等工业仪表的更、改造。它不仅具有显示温度的功能，还能实现被测温度温度高于设定温度时，仪表内部的断电器发生动作，切断加热回路。它的特点是承受工控单片机为主控部件，智能化程度高，使用便利。这类仪表多具有以下功能：7-12输入分度号切换：仪表的输入分度号，可按键切换〔如Ｋ、Ｒ、Ｓ、Ｂ、Ｎ、Ｅ等；量程设定：测量量程和显示区分率由按键设定；掌握点的值可在全量程范围内设定；上下限掌握回差值可分别设定；〔报警〕方式或下限掌握〔报警〕方式；输出状态〔ＯＮ／ＯＦＦ／ＫＥＥＰ；全数字操作：仪表的各参数设定、精度校准均承受按键操作，无须电位器调整，掉电不丧失信息。冷端补偿范围：０～６０℃。９〕接口：有些型号还带有计算