B-第二章 温度测量.doc

第二章 温度测量一，温度及温标1，温度（Temperature）（1）温度的基本概念温度1：通俗说，是物体状态函数，是表示物体冷、热程度的物理量。温度2：微观说，温度是对分子平均动能大小的一种度量，其高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，温度是物体大量分子热运动的共同表现。温度含有统计意义，对于单个分子，温度是无意义的。温度3：温度反应了热平衡。温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。物体或空间区域与邻近物体或空间区域是否存在热流（能量交换）及流动方向，描述这种行为的量称为温度。若无热量流动，则称该物体或空间在这个温度下达到了热力学平衡。（2）温度的测量理论基础设计与制作温度计的理论基础：如果已知一个物体的某些性质或状态随温度变化的定量关系，就可以通过该物体的性质或状态的变化情况来获知温度。当两个物体处于一个系统中而达到热平衡时，二者就具有相同的温度。因而可以从一个物体的温度得知另一个物体的温度。测温物质自然界中有很多物质，其性质或状态，如电阻、热电势、体积、长度、辐射功率等，都与温度有关，但并不是所有物质都可作为感温元件，测温物质的选择必须满足以下条件：A，物质的某一属性G仅与温度T有关，即，其函数关系必须是单调的，且最好是线性的。B，随温度变换的属性应是容易测量的，且输出信号较强，以保证仪表的灵敏度和测量的准确度。C，应有较宽的测量范围。D，应有较好的复现性和稳定性。完全满足上述条件的物质是难以找到的，一般只能在一定的范围内近似满足，因此由不同材料和结构形式制成的温度计各有优缺点。2，温标（Temperature Scale）（1）概念温度的数值表示方法叫温标。温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则和方法，并明确了温度的测量单位。各种测温仪表的分度值就是由温标决定的。温标就是温度的标识。（2）建立温标三要素选择温度固定点； 选择测温物质，确定它随温度变换的属性及测温属性；规定测温属性随温度变化的规律。（3）常用温标经验温标借助于某种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。它主要指摄氏温标和华氏温标。这两种温标都是根据液体受热后体积膨胀的性质建立起来的。A，摄氏温标原始的摄氏温标的建立是选择装在玻璃毛细管中的液体作为测温物质。随着温度的变化，毛细管中液体的长短反映了液体体积膨胀这一测温属性。选择1.01325*105Pa下水的冰点温度作为下限（0OC）、水的沸点作为上限100OC，并且认为在两点之间液柱的长短与温度的关系是线性的，在0-100OC之间均分100等分，每一等分为1摄氏度，单位符号为OC。摄氏温标虽不是国际统一规定的温标，但我国目前还在继续使用。摄氏温标特点：易复现，但不确定，不能外推，缺乏理论基础。B，华氏温标（Fahrenheit）华氏温标的建立与摄氏温标类似。华氏以实验室所能达到的最低温度（水+纯水+氯液或冰+盐）为0 OF，实际为-17.8OC，以它的体温口或腋下为100OF，实际为37.8OC，创建了首个温标。后来规定在1.01325*105Pa下水的冰点为32 OF。水的沸点为212 OF，中间划分为180等分，每一等分为华氏度，单位符号为OF。华氏温标已淘汰，不再使用。华氏和摄氏的关系为：可见：-40=-40。C，结论：摄氏温标和华氏温标在测温学的发展中起过重要的作用，但存在明显缺点：l 温度测量依赖于选用的测温物质，且应用范围受制作温度计的材料和工作物质的限制；l 温标的定义具有较大的随机性。虽然它们都选用冰点温度和沸点温度作为固定点，但基本单位不同，所确定的温度数值也就不同，不能严格保证世界各国所采用的基本测温单位完全一致。l 假设温度与工作物质的关系为线性，而实际情况并非如此，从而造成中间温度的测量差异。热力学温标热力学温标又称绝对温标或开尔文温标，单位为K。热力学温标是以热力学第二定律(热只能从热处传递到冷处)为基础的一种理论温标，也是理想气体温标。已被国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。其特点是不与某一特定的温度计联系，且与测温物质无关，是由卡诺定理推导出来的，所以热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。规定一个绝对零度-273.15，低于零度的温度不可能存在，绝对零度下原子停止运动，0k是不会向外界放出热量的状态。绝对零度是自然界的所能达到的最低温度。在热力学中从理论上证明，热力学温标与理想气体温标完全一致。所以经常借助气体温度计经示值修正后来复现热力学温标，但设备复杂、价格昂贵，不适用于实际应用。国际实用温标为了使用方便，国际上协商确定，建立一种既使用方便、容易实现、各国通用，又能体现热力学温度的温标，这就是国际实用温标，又称国际温标。国际温标通常具备三个条件：A，尽可能以当代科技水平接近热力学温度；B，复现准确度高，使各国都能准确地复现同一国际温标，确保温度量值的统一性；C，用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定。国际温标的基本内容如下：A，选择一些纯物质的固定点（可复现的平衡态）的温度作为温标的基准点；即按某些材料的特殊热力学状态，确定了一组参考温度值。这些特殊的热力学状态，其温度是确定的（不一定都有三态点，如玻璃。凝聚态：固液态、及液晶、等离子体等态）。金点：固液平衡-1064.18银点：固液平衡-961.78铝点：固液平衡-660.323锌点：固液平衡-419.527锡点：固液平衡-231.928水三态点：0.010氩三态点；-189.3442氖三态点：-248.5939氡三态点；-259.3467B，规定了不同温度范围内的基准仪器（或称内插仪器），也就是测温物质；C，在温标基准点上分度，确定各固定点温度间的内插公式，这些公式建立了标准仪器示值与国际温标数值之间的关系，是反映温度计特性曲线的函数。（确定温度和测温物质之间的对应关系）*温标基准点、基准仪器、内插公式被称为国际实用温标“三要素”。D，第一个国际温标1927年建立，此后大约每隔20年进行一次重大修改：ITS27；ITS48；ITS68；ITS90；ITS90被我国广泛采用：A，定义固定点。ITS90中定义固定点17个，固定点两个温度的关系为：摄氏温度，。热力学温标，。B，基准仪器。ITS90的内插用标准仪器，是将整个温标分为4个温区。温标的下限为，向上到用单色普朗克辐射定律实际可测得的最高温度：l 3He和4He蒸汽温度计；0.655.0K。（用这种仪器作为温度基准，复现温标）l 3He和4He定容温度计：3.024.5561K。l 铂电阻温度计：13.80331234.93K。l 光学或光电高温计：1234.93K以上。上述1、2属于低温区；3属于中温区；4属于高温区。C，内插公式。每种内插标准仪器在n个固定点温度下分度，以此求得相应温度区内插公式中的常数。（如铂R=f（T）（4）温标的传递国际上为了统一温度测量标准，相应建立自己国家的温度标准作为本国温度测量的最高依据国家基准。我国的温度基准建立在中国计量科学院。各地区、省、市建立的为次级标准，需定期由国家基准检定。测温仪表按工作准确度可分为：基准、工作基准、一等基准、二等基准以及工作用仪表。不管哪一级仪表都得定期到上一级计量部门进行检定。对测量仪表进行检定是对测温仪表进行分度的另一项重要任务。二，温度测量仪表的分类1，分类根据工作原理分类温度测量仪表：（1）基于物体受热膨胀原理的膨胀式温度计；（2）基于导体或半导体电阻值随温度变化关系的热电阻温度计；（3）基于热电效应的热电偶温度计；（4）基于普朗克定律的辐射温度计：全辐射温度计、亮度温度计（光学高温计和光电高温计）、比色温度计（双比色、三比色）。（5）基于全反射原理的光纤温度计；（6）其它温度计。如集成温度传感器制成的温度计、晶体管温度计等。根据测温范围：高温、中温和低温温度计。根据仪表准确度等级：基准、标准和工业温度计。根据测量方法或温度传感器使用方式：接触式测温仪表（低温区）、非接触式测温仪表（高温区）。2，接触式测温仪表（1）原理由热平衡原理可知，两个物体接触后经过足够长时间达到热平衡，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法测温，以此为基础设计的温度计称为接触式测温仪表。测量时温度计必须与被测物体直接接触，充分换热。主要是测量低温。（2）优点A，测温准确度相对较高；主观可靠；B，系统结构相对简单，测温仪表价格较低；C，可测量任何部位温度；D，便于多点集中测量和自动控制。（3）缺点A，测温有较大滞后；B，接触过程中易破坏被测对象的温度场分布和热平衡状态；C，不能测量移动的或太小的物体；D，测温上限受到温度计材质的限制，故所测温度不能太高；E，易受被测介质的腐蚀作用，对感温元件的结构、性能要求苛刻，恶劣环境下使用需外加保护套管。（4）重要接触式测温仪表有：膨胀式温度计、热电阻温度计和热电偶温度计。3，非接触测温仪表（1）原理基于物体的热辐射原理设计而成。测量时感温元件不与被测对象直接接触。通常用来测定1000以上，移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度或表面温度。（2）优点A，测温范围广，适于高温物体测量；B，测温过程中不破坏被测对象温度场，不影响原温度场分布；C，能测运动物体温度；D，热惯性小，探测器的响应时间短，测温响应速度快，约2-3秒。易于实现快速与动态温度测量。在一些特定条件下，例如：核子辐射场，辐射测温可以进行准确而可靠的测量。（3）缺点A，不能直接测得被测对象的真实温度，精度不高；B，辐射温度计的测量受中间介质的影响较大.特别是工业现场条件下，周围环境比较恶劣，中间介质对测量结果影响较大。这种情况下温度计波长范围的选择是很重要的。C，辐射测温原理复杂，导致温度计结构复杂，价格较高；（4）非接触式测温仪表主要有辐射温度计、光纤辐射温度计等，其中前者又分为全辐射温度计、亮度温度计（光学温度计、光电高温计）和比色温度计。三，膨胀式温度计利用物质的热膨胀（体膨胀或线膨胀）性质与温度的物理关系制作的温度计称为膨胀式温度计。玻璃液体温度计。1， 热胀冷缩（1）液体、固体体积会随着温度升高而增大，反之减小。如钢轨缝隙、热管道串入膨胀节或弯头、电缆线留余长。线膨胀公式：（在一定温度范围内视为线性）。其中，是物质的线膨胀系数。面膨胀系数。体积膨胀系数。例如：在20附近铅；钢；石英；汽油的体积膨胀系数。可见汽油膨胀比钢油箱还大，故夏天汽油会溢出。（2）气体，因占满整个空间，表现为，欲占据更大空间的趋势愈强。可以从分子、原子震动观点看，动能变大，相邻分子碰撞加剧，拉长了分子之间的距离；从每个原子看，四周任何方向都会增长一定的距离，原子更多的物质，膨胀更多；（3）热固性体既不能熔化，也不能溶解，无膨胀性，如：胶木、甲醛树脂、环氧树脂（粘件时会剥离下来的原因）。（4）带孔物体的涨缩，孔的面积也增大，约：，是物体的面膨胀系数就像插入一个扦子一样，也可空画一条线圈，这个圈也会胀大，而不是向内收缩。（5）热应力热胀冷缩时，各部分因物质不同，温度不均而导致的力，如玻璃杯碎掉，复杂的说热胀量与曲率凸凹状况有关。（7）应用液氮下低温装配，骨折手术卡等。2，玻璃液体温度计（1）简介玻璃液体温度计是利用感温液体（水银、酒精、煤油等）在透明玻璃温泡和毛细管内的热膨胀作用来测量温度的，它广泛应用于工业、农业、科研等部门，是最常用的测温仪表。特点：玻璃液体温度计具有结构简单，读数直观、使用方便、价格便宜等优点，其测温范围-100600。（2）结构玻璃液体温度计主要由感温泡，玻璃毛细管和刻度标尺三部分组成，根据用途不同其结构也不完全相同，如有的温度计在玻璃毛细管上装有安全泡与中间泡。A，感温泡位于温度计的下端，使玻璃液体温度计的感温部分，如夹在腋下或舌下。可容纳绝大部分的感温液，也称储液泡。感温泡直接由玻璃毛细管加工制成（拉泡）。或由焊接一段薄壁玻璃管制成（接泡），玻璃比较软的时候拉泡。B，玻璃毛细管玻璃毛细管是连接在感温泡上的中空细玻璃管，感温液体随温度变化在其内上下移动。C，标尺标尺用来表明所测温度的高低，其上标有数字和温度单位的符号，可将表示标尺的分度线直接刻在毛细管表面，或单独刻在白瓷板上衬托在毛细管背面。D，安全泡位于玻璃毛细管顶部的扩大泡，其容积大约为毛细管容积的三分之一，安全泡的作用有两个：一是当测温液体超过测量上限时，防止由于温度过高而使玻璃管破裂和液体膨胀冲破温度计。二是便于接上中断的液柱。E，中间泡中间泡是为了提高示值的准确度，在感温泡和标尺下限刻度之间制作的一个储液泡，目的是当温度计上升到下限刻度时，能容纳膨胀的液体，这样可使具有较高测量上限的温度计的标尺缩短，或提高测量上限。对于比较精密的温度计还设有辅助标尺，即在中间泡下面刻有零位线，以便检查温度计的零位变化，提高了测量下限。F，感温液封装在感温泡内的测温物质，需根据温度计的测量范围、准确度、灵敏度、稳定性、使用场所、结构和生产成本等因素选择感温液种类。感温液应满足如下条件：体膨胀系数大；黏度小，表面张力大；较宽的温度范围内保持液态；使用温度范围内，化学性能稳定，不能起化学反应，改变物质性质；高温状态下，蒸汽压低；便于提纯，不变质，无沉淀现象。常用感温液：水银、甲苯、乙醇、煤油等。（2）测量原理玻璃液体温度计是根据物质的热胀冷缩原理制成的，它利用作为介质的感温液体随温度变化而体积发生变化与玻璃随温度变化而体积发生变化之差来测量温度的。温度计所显示的示值为液体与玻璃毛细管体积变化的差值。A，体膨胀物体受热后体积膨胀称为体膨胀，还包括压力膨胀。体膨胀系数：把温度变化1所引起的物质体积的变化与其在0时的体积之比称为平均体膨胀系数，用表示。当温度由变化到时，有：式中：为感温液的平均体膨胀系数，。为温度为时的工作物质的体积，。为温度为时的工作物质的体积，。当=0时，令，则：或B，视膨胀当温度受热时，感温液体受热膨胀，使感温液体在毛细管中上升，同时感温泡和毛细管也因受热膨胀而容积增大，使感温液柱下降。但由于感温液的体膨胀系数大，而玻璃的体膨胀系数小，其结果是感温液体上升了一段距离，感温液体在玻璃毛细管中随温度上升而上升，随温度下降而下降，这种现象称视膨胀。综上所述，玻璃液体温度计的示值实际上是感温液体积与玻璃体积变化之差。（3）分类A，按结构棒式温度计：厚壁毛细管，标尺直接刻度在毛细管表面。透明棒式（一等标准水银温度计），可以正反两面读数，消除插入不垂直误差。釉带棒式（二等标准水银温度计），刻度标尺背面熔入乳白色釉带，读数清晰直观。在玻璃制造过程中形成。内标式温度计：薄片长方形标尺板：乳白色玻璃或白瓷板，温度计毛细管紧贴标尺板，一起封装在一个玻璃外套管内，一般为实验室温度计、工作温度计。外标式温度计：玻璃毛细管紧贴在标尺板上（塑料的、金属的、木板）的室内温度计等。B，按标准度等级标准温度计、高精密温度计、工作温度计。标准温度计：计量部门量值传递使用的标准器。一等水银温度计测量范围-60500，最小分度0.05或0.1。二等水银温度计，最小分度0.1。棒式标准温度计：一等正反两面读数。二等精度较低，无需正反两面读数。高精密温度计：专门用于精密测量的温度计，用于实验室中，最小分度0.05，精度较高，检定时用一等铂电阻温度计。工业用温度计：直接用于生产和科学实验中的温度计，包括：实验室用和工业用两种。C，按使用方式全侵式和局侵式。（4）误差分析玻璃液体温度计误差来源基本可分为两大类：A，玻璃液体温度计在分度或检定时由标准器和标准设备带来的。标准器的误差是由标准器本身的不确定度引入的。标准设备的误差，包括电测设备的不确定度，恒温槽的温场不均匀性等。这类误差是可以估算的。B，玻璃液体温度计的特性及测试方法所引起的，又可分为：零位变化对示值的影响；标尺位移对示值的影响；露出液柱对示值的影响；读数误差；毛细管不均匀对示值的影响；时间滞后误差；（5）标定A，一般选两个点作为基准，其它点线性划分；B，若要求精度高，就要考虑毛细管径不均，两者的膨胀系数不是恒值，可用5个基准点，其它点再线性划分。C，若精度要求再高，还要考虑环境温度对管径的影响，用公式进行补偿。（6）注意是利用液体的膨胀性质测温，不是重力所致，故可用于任何方位，太空亦可。四，固体式温度计简介：主要指双金属温度计，结构简单，抗震性好，无汞害。读数指示明显，准确度不高。使用范围：-80600。（1）工作原理A，双金属温度计利用两种膨胀系数不同的材料制成，焊接在一起，其中一端固定，另一端为自由端。B，当温度升高时，膨胀系数较大的金属伸长较多，必然会向膨胀系数较小的金属片一面弯曲变形，温度越高，弯曲越大。以偏转角度或位移指示温度。C，膨胀系数较小的一层为被动层，膨胀系数较大的一层称为主动层。D，双金属片在一定温度范围内受热变形弯曲的规律：由公式可知，在双金属片长度L，被动层和主动层厚度一定时，而且在规定温度范围内保持常数时，双金属片的偏转角或位移与温度t成线性关系。（2）双金属片的选择A，材料的膨胀系数差别要大，即主动层膨胀系数要高，被动层膨胀系数要尽量低，热膨胀系数在使用范围内保持稳定。B，为在较宽的温度范围内保持稳定，双金属片要具有较高的弹性模量，较低的弹性模量温度系数。被动层常用因瓦钢（铁镍合金、含镍36%，其余为铁，）。主动层常用黄铜，合金钢等，。五，压力式温度计利用封装于密闭容器内的工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过工作介质的压力测量来测量温度的机械式测量仪表。（1）结构A，温度计是一个密闭系统，填充工作介质，可以是液体、气体；B，是一个定容系统；C，系统由温包（感温球泡）、金属导管（可弯曲但容积一定），用于传递压力。（2）测温原理弹簧管内腔与金属导管相通。另一端封死为自由端，在温度变化时，对于定容，密闭系统内的填充介质有如下变化：对液体填充介质，温度升高则膨胀，但在定容情况下，膨胀则压力升高，引起弹簧管压力计的膨胀，即伸展。此时体积略有胀大。对气体填充介质，温度升高膨胀，膨胀在定容下直接导致压力升高。（3）特点A，因要热平衡，热惯性较大，动态性能差，不利于测量快速变化的温度；B，金属导管受热膨胀，影响精度，测量准确度一般，可采用高温包/容积比减小导管直径。（4）应用用在不需要任何电源，又要直观显示之处，如飞机、汽车、拖拉机也可用于温度控制。举例：冰箱、调温钮就是调节压力开关位置。六，电阻式温度计1，概述（1）利用物质随温度变化时，本身电阻随之变化的特性测量温度。（2）电阻的温度特性。电阻的阻值随温度变化的特性可用电阻温度系数表示： ：电阻温度系数，；：温度为t时，热电阻分电阻值，；：温度为时，热电阻的电阻值，。电阻的温度系数给出了温度每变化时，热电阻的阻值的相对变化量。是之间的平均电阻温度系数。（3）温度系数特点对于金属热电阻0，即随着温度升高，电阻增加。半导体热敏电阻，正负都可。（4）热电阻的纯度A，热电阻纯度对温度系数影响很大，纯度越高，越大。B，电阻纯度用百度电阻比表示。，w越大，纯度越高。（5）热电阻的材料要求A，大而稳定的温度系数。B，电阻率大，减小元件尺寸（电阻丝可以短，减小热惯性，缠绕方便）。C，电阻值随温度变化要有单值的函数关系，最好线性。D，延展性好，易于拉成细丝。E，耐腐蚀、不易发生物理化学反应（电阻要发热和测温）。F，易于提纯。针对上述材料要求，没有那种材料是完全合适的。常用的就是：金属热电阻、半导体热敏电阻A，金属热电阻在温度每升高时，电阻增加0.4%-0.6%B，半导体热敏电阻在每升高时，电阻变化2%-6%可见，半导体热敏电阻灵敏度比金属高，但复现性和稳定性比较差。每支需单支标定，应用受到一定的限制。（5）热电阻的特点A，工业上广泛用于测量-200-850的温度，低温至1K，高温达1000。B，与同材料热电偶相比，中低温度稳定，适合测低温。C，标准铂电阻的准确度最高，在JTS-90国际温标中作为13.8033-1234.93K范围内的内插用标准温度计。2，金属热电阻温度计简介：热电阻导电性能良好的金属：镍、镉、铜、铂、银等，当温度升高时，电阻增加。最常用的是铜和铂。（锰铜是温度系数极小的材料，作电阻箱用，有些场合不需要高的温度系数）（1）结构普通热电阻温度计主要由感温元件、引线、保护管和接线盒组成。外形和热电偶很相似，特别是保护管和接线盒很难区分。上图中，感温元件是热电阻温度计的核心，是由热电阻丝和绝缘骨架构成（电阻丝缠绕在绝缘骨架上）。热电阻丝包括：l 绝缘骨架：材料：云母、陶瓷、玻璃；形状：棒、片l 接法：为使感温元件没有电感，采用无感绕法。（2）温度和电阻的关系式：0时的电阻值 、，表明 、。：系数，与材料有关，铂、铜不一样。一般在小的温度范围内。如0-50，将高次项略去。即将略去，这样和呈线性关系。：摄氏温度。由此关系式可见：和之间关系与有关，有规定：大体积大电流流过产生热量增加引线电阻的影响变小。小体积大电流流过产生热量减小引线电阻的影响变大。选择要适当，即热电阻要有一定的基础阻值，所以要加一定的长度粗细要求。-的关系还可见分度表。（3）铂电阻温度计RTD 铂是一种贵金属，铂电阻温度计具有较高的准确度。A，特点：稳定性好，抗氧化性强，可以工作在较宽的温度范围内，1200以下保持温度特性；温度系数比较大，0-100内电阻平均温度系数；电阻值与温度的关系是非线性的。铂丝：铂电阻率大（单位长度电阻）电阻丝不必太长 铂的机械强度较大不必太粗只绕一层于绝缘骨架可以裸丝铂电阻体积较小响应较快。B，温度特性关系式：标准铂电阻，可以用一种严密，合理的方程来表示电阻和温度的关系，比较复杂工业用铂电阻测温范围-200-850，分两个测温范围表示：l 对于-200-0：l 对于0-850式中：，。（5）铜电阻温度计用于测量准确度不高，温度低的场合，便宜价廉。A，特点温度系数也比较高，； 电阻和温度线性关系。测温低，范围宽150-200机械强度下降。250氧化，一般工作在-50-150；铜丝：良导体，电阻率小电阻丝要长铜软强度强度小粗绝缘骨架上绕多层（体积大）不能裸丝，包漆包线铜电阻体积大响应较慢（热惯性大）。B，温度特性0-100时，呈线性关系，-50-150时，。（6）金属热电阻温度计的测量电路调理电路A，作用和分类如何将电阻的变化变成电信号反映出来；消除电阻引线的影响；分为二线制、三线制、四线制。B，二线制结构：热电阻两端各引一根导线的形式；两引线电阻；桥路；一起构成电桥测量臂；引线随环境和被测对象温度的变化量RA、RB，与被测对象引起的热电阻Rt的阻值变化量Rt一起被转化为有用信号转化测量信号造成误差。工作原理：调，电桥平衡：温度变化：， 。则：因此可求：但是对应关系，显然有误差了。结论：二线制结构简单、安装方便，但导线电阻附加误差。适用于准确度不高、引线不长的场合。C，三线制结构：在热电阻的一段连接两个导线，另一端连接一根导线构成三线制。工作原理：调，电桥平衡：设计成：，则：设，则：当温度升高，电桥不平衡，则：，即：所以电桥的不平衡是由于Rt的变化，导线电阻变化被抵消。结论：工业热电阻通常利用三线制，尤其在导线长，导线温度发生变化等场合，温度范围窄的情况下（导线变化大于变化），更应采用。C，四线制结构：在热电阻两端各连接两个引线的方式，其中两根导线为热电阻提供恒流源，热电阻上产生的压降通过另两根引线的电位差计进行测量。很小，表上就是的电压变化，消除引线电阻的影响。，由于恒流，这样就与导线电阻无关了。3，半导体电阻温度计（1）特点A，金属热电阻的缺点不足： 热电阻温度特性：， 这是一个抛物线，比较小。所以电阻随温度的变化不大。电阻随温度变化不大，再加上电阻温度系数较小也可以看出灵敏度不高。而半导体电阻温度系数大，灵敏度高。B，半导体温度计，如热敏电阻温度计，测温范围比较宽。C，大量用于家用电器，汽车等。（2）热敏电阻温度计A，热敏电阻材料 由锰、镍、钴的氧化物掺杂锗和碳化玻璃构成的热敏电阻。则。称为负温度系数热敏电阻（NTC），Negative Temperature Coefficient。 钛酸钡掺杂硅等构成的热敏电阻，则。称为正温度系数的热敏电阻（PTC），Passive Temperature Coefficient。B，温度特性关系式：参考温度。：参考温度下的电阻。：正NTC，负 PTC。负温度系数的热敏电阻，1500K-6000K，正值，且为负的温度系数，常用的热敏电阻为NTC。则。正温度系数的热敏电阻PTC，则。且达到某一个值时，阻值突然变大，PTC可作为开关型温度元件，用于报警。C，特点l 灵敏度高，温度系数（NTC），是金属电阻的10多倍，可不用放大，直接输出信号。l 电阻值高，常温参考阻值千欧以上，引线电阻10欧姆，几乎无影响，不必用三线制、四线制。l 响应速度快，热惯性小，可用于动态测量（阻值大，则电阻率高，则体积小）l 阻值与温度非线性D，形状圆形： 杆形： 垫圈形：E，电路仍然是桥路4，热电阻温度计的使用主要事项（1）减小热电阻的时效变化，尽可能避免处于温度急剧变化的环境。（2）保证准确性，应经过充分共热（保护管的影响）。（3）避免电流过大，导致电阻发热，造成测量误差。5，误差分析(1)传热误差，未充分传热，未达到热平衡。(2)分度误差。(3)自热误差，流经电流产生温升引起的误差。(4)测量线路引起的误差。两线制、三线制引入的误差：两线制较大，三线制较小。三线制也加入误差，因假设,才抵消掉导线电阻，实际是不严格相等的，固然也引入误差。七，热电偶温度计热电偶温度计是以热电偶为感温元件的温度计，应用场合广泛，测温准确度高，测温范围宽（低4K高2800，热电阻低1K高1000），测度输出为电信号，便于远传。1，热电偶测温原理热电偶测温是基于热电效应。（1）热电效应把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，即两个接点焊接在一起。并将两个接点1，2分别置于不同的温度，设，则：该回路中就会产生电势，这种现象称为热电效应或赛贝克效应，产生的电势称为热电势，记为。导体称为热电偶的热电极，表示正极，表示负极，组合成为热电偶。测温时，接点1放入被测对象中，称之为测量端，热端或工作端。接点2处于环境中，要求温度恒定，称为参考端，冷端或自由端。（2）测量原理热电偶通过测量热电势实现测温，即热电势与温度有对应关系，热电势由两部分组成：接触电势，温差电势，基于帕尔帖效应，基于汤姆逊效应l 两种导体的接触电势A，导体导电其中有自由电子自由电子密度材料和温度（自由电子脱离原子核，成为自由电子自由电子密度上升）B，两种导体A、B，接触，其自由电子密度分别为，设。A、B接触导体自由电子相互自由扩散(密度高A向密度低的B扩散，同时B也向A扩散)扩散速率与自由电子的密度和所处温度成正比单位时间内A扩散到B的自由电子要比B扩散到A的自由电子多导体A带正电，B带负电A、B接触处形成电势差，形成静电场方向与扩散相反阻碍扩散扩散和静电电场的阻力达到静态平衡接触点处接触电势，温度为。C，单位电荷量，波尔兹曼常数 。D，AB代表电位差的方向，如果，表达式前应加“”号。E, 与有关，越高，越大。差别越大，越大。总之，与材料和温度有关。l 单一导体中的温差电势A，同一导体两端温度不同而产生的热电势。B，导体A两端温度,且，高温端自由电子扩散到低温端端的多高温端带正电，端带负电电位差阻碍扩散动态平衡温差电势。C，D，同理，导体B也有温差电势。E，温差越大，温差电势越大。温度相等，温差电势为0，即。l 热电偶闭合回路的总电势以上分别讲了两种导体的接触电势和一种导体的温差电势，那么对于一个热电偶，其总的电势是什么呢？A，在回路中将产生两个接触电势，在连接点1和2上产生两个接触电势，。B，在导体A、B上产生两个温差电势，。C，接触电势比温差电势大，温度高的地方，大，扩散速率高，整个回路占百分比最大，决定了回路的总电势，即热电势的方向。（是由温度和材料因素共同形成的）。D，回路的总电势经推导整理：由上式可知道热电偶的热电势与自由电子的密度有关，而与材料和温度有关。如材料一定，只与温度有关，那么就是的函数差。如果冷端温度固定，即常数。只与热端温度呈单值函数关系。这种特性就是热电偶的热电特性：当保持热电偶冷端温度不变，只要用仪表测量热电势，就可以求得被测温度。分度表在时，用实验方法测得不同热电极组成的热电偶，在不同温度T下的热电势，并制成表格，即分度表。温度和热电势的关系也可用函数关系表示，即参考函数，分度表和参考函数是测温的主要依据。（3）结论A，热电偶测温三要素，不同电极，不同温度接点，闭合回路。B，若固定，则是的单值函数。C，冷端恒定与否，即恒定与否决定了测温的准确性。D，热电偶的热电极与温度之间的关系是非线性的，二者之间的关系依据国际温标用实验方法制成分度表。3，热电偶的基本定律及应用（1）中间导体定律及其应用A，定律：在热电偶回路中接入第三种导体，只要与第三种导体相连接的两接点温度相同，则热电偶回路中的总电势不变。B，证明：在某一导体中间接入第三种导体。把热电偶冷端接点分开后引入第三种导体，（有实际应用意义的），被分开后的两点温度相同，均等于冷端温度，则热电偶回路总电势为：由温差电势定义：，则： 则总电势：同理还可以加入第四种导体，第五种导体。C，应用为在热电偶回路中加入各种仪表，连接导线等提供理论依据，即只要保证连接导线仪表等接入时两端温度相同，则不影响热电势。可采用开路热电偶（热端开路），对液态金属进行测量。对金属壁面进行测量。（2）中间温度定律A，定律在热电偶回路中，两接点温度分别为时的热电势，等于该热电偶在两接点温度分别为和时相应热电势的代数和，即：B，证明两式相加：C，应用为使用和制定热电偶分度表奠定了基础，即各种热电偶的分度表都是在冷短温度为0度时制定的，如果在实际应用中，冷端温度是T，这时指示仪表的热电势为，而可以从分度表中查到，将二者相加，即可以得到。按照该热电势再查相应的分度表，就可以得到被测对象的实际温度。例：用K型（镍铬-镍硅）热电偶测量炉温，热电偶的冷端温度为40度，测得的热电势为35.72mv,问被测炉温为多少？解：查K型热电偶分度表：，测得，据此反查分度表39.33mv，对应的温度为900.1度。所以被测炉温为900.1度4、热电偶的补偿导线（1）补偿导线：在一定温度范围内，与热电偶的热电特性相同的一带有绝缘层的廉价金属导线成为补偿导线（2）使用补偿导线的意义A，为了使热电势和被测温度对应，热电偶的冷端必须恒定。但在实际应用中，热电偶的长度一般为几十厘米，小于2米，冷端被测对象很近，易受热源的影响，难以恒定。B，通常热电偶的信号要传到数十米远，二次仪表处，需要将热电偶热电极延长，但是：工业上的热电偶结构都比较固定，不许可随便拉长电极；尤其对与贵重金属热电偶，电极比较昂贵，不宜拉长；既使是廉价金属热电偶，电极比较粗，也不易拉长。因此，采用补偿导线，将电极延长。这样：A，对于廉价金属热电偶，可直接用热电偶材料延伸，称为延伸型和补偿导线。B，对于贵重金属热电偶，用补偿导线延伸热电偶，称为补偿型和补偿导线。（3）补偿导线的补偿原理在一定温度范围内，一般是环境温度范围内（-20度-60度），补偿导线的热电特性和热电偶的热电特性相同。相当于将热电偶的电极延长了，将冷端温度从不稳定的移到了处，也是显示的二次仪表处，热电偶测得的热电势的热电极电势为，原来的冷端T0，不再影响读数。若T0=0，则直接查温度分度表，若T0不为0，则再进行修正。（4）补偿导线的作用A，将热电偶冷端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方，减小测量误差。B，降低成本。C，提高线路的柔性，便于安装。（5）补偿导线的结构随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准化系列：A，配合热电偶的分度号，补偿导线有自己的型号。B，补偿导线的材料有明确的规范，包括材料是什么？复合材料是什么？C，不同型号的补差导线，正极和负极用不同的颜色。D，补偿导线的分类：对于廉价的热电偶，如E型，镍铬/康铜等，可用相同材料的补偿导线补偿型号X，含义是延伸型的补偿导线对于贵金属热电偶，采用小温度范围热电特性近似的廉价导线作为补偿型导线，补偿型号C，含意是补偿型和补偿导线。例：热电偶分度号补偿导线型号热电偶材料正极负极正极颜色负极颜色SSC铂铑/铂铜铜镍红绿KKC镍铬/镍硅铜铜镍红蓝KKX镍铬/镍硅镍铬镍硅红黑EEX镍铬/康铜镍铬康铜红棕（6）补偿导线使用注意事项A，补偿导线只能与相应型号的热电偶配套使用。B，补偿导线与热电偶连接处两个接点温度应相同。C，在规定的温度范围内使用，起始温度要补偿。D，补偿导线有正负极之分，必须与热电偶的相应的正极和负极相同。5，热电偶的冷端温度处理热电偶冷端温度不等于时，需要对仪表的示值加以修正，因为热电偶的温度与热电势的关系以及分度表都是在冷端为时得到的，需加以修正：无论如何，冷端需要已知而且恒定。（1）冷端恒定法A，冰点槽法把冷端放在试管中，试管中有绝缘油，然后放入盛满冰水的混合物的冰点槽中为防止短路，两根电极要分别插入各自的试管中。适用于实验室和精密测量中，工业中应用不方便。B，恒温冰箱法把冷端补偿导线引到电加热的恒温箱内，维持冷端温度的某一恒定的温度。通常一个恒定室可提供许多支热电偶同时使用，适用于工业应用，（2）补偿电桥法A，基本原理利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶冷端温度变化引起的热电势变化，主要采用模拟电路方法处理冷端温度波动引起的误差。*对于正常的热点偶测量冷端温度已知且恒定，设为，则：=那么：查表求出T。*如果冷端变化了，即冷端受到干扰波动了，。未知，则：此时查表测温有误差了，要想等式相等，现在等式变成：因此，补偿的含义是：在热电偶回路中，将补偿上，使回路：=这样：+即可以准确的测量温度了。怎样补偿：补偿电桥法。即在回路中串联电桥进行补偿。电桥中为温度系数小的锰铜电阻，为金属热电阻，使与热电偶冷端处于同温度。当冷端温度为时，设计成，电桥调平衡，此时电桥输出，整个热电偶电路测量值=。当冷端温度变化时，即冷端温度扰动时：6，实际热电偶（1）热电偶材料A，热电特性好，热电势与温度成单值关系，线性的或单值线性的，这样可以使显示仪表的刻度线性化，提高内插准确度，在测温范围内，热电势在规定的温度范围内变化。B，物理化学性稳定，不易氧化腐蚀。C，测温范围宽，熔点高，测温上限高。D，物理特性好，高的导电率，小的电阻温度系数。E，机械性能好，强度高，易加工。常用的热电偶包括：E型-镍铬/康铜（一种铜镍合金，体电阻很大，温度系数小）；T型-铜/康铜；S型-铂铑/铂；K型-镍铬/镍铅；B型-铂铑30/铂铑6（铂铑的含量不同）；（2）热电偶的分类热电偶有多种分类方法：如标准热电偶和非标准热电偶；高温热电偶和低温热电偶；金属热电偶和半导体热电偶；贵金属热电偶（铂铑类）和廉金属热电偶（镍铬，康铜）。标准热电偶：具有统一的分度表，不用单只标定，有可互换的配套仪表。国际标准中，有8种标准热电偶，它们的分度号：S、R、B、K、N、E、J、T。其中，贵金属热电偶：S（铂铑10/铂）、R（铂铑13/铂）、B（铂铑30/铂铑6），可在度以上使用。廉价金属热电偶：K（镍铬/镍硅）、N（镍铬硅/镍硅）、E（镍铬/康铜）、J（铁/康铜）、T（铜/康铜）。（3）热电偶的结构（普通型热电偶）A，热电极：贵金属热电极直径0.3-0.65mm，廉金属热电极直径0.5-3.2mm，热电偶长度350mm-2000mm。B，绝缘套管：防止热电极之间或热电极与保护套管之间发生短路，绝缘套管材料，由测量范围决定：1000度以下为普通套管，1000-1300之间为高纯度氧化铝。1300-1600之间为刚玉（氧化铝晶体，耐高温材料）。C，保护管：使热电偶不直接与被测物质接触。包括金属材料和非金属材料。一般用金属陶瓷，导热性好，机械性能好。D，接线盒：固定接线座，连接热电极和补偿导线。从结构看对于裸丝电偶，保护管具有防护作用，但对动态性能有影响。引线绝缘，绝缘套管填氧化铝粉末等。（4）热电偶的应用A，工业用热电偶测温的基本线路热电偶测温线路由热电偶，中间连接部分（补偿导线，恒温箱或补偿桥，铜导线等）和显示部分组成，连接时热电偶冷端和补偿导线接点两个端子必须保持在同一温度上。B，热电偶的正向串联同型号热电偶异名极串联接法：同型号热电偶正向串联称为热电堆，其总电势：采用热电堆来测量同一温度，可使输出的电势增加，进而提高仪表灵敏度，缺点是一只热电偶烧坏，整个表开路，不能工作。C，热电偶的反向串联同型号热电偶同名极串联，这种组成的热电偶称为微差热电偶，其输出电势反映了两个测量点T1和T2的温度之差：与单一热电偶相比，可以将T1和T2放于不同的位置。D，热电偶并联热电偶的正极和负极分别连接在一起的线路称为并联线路，如果几只热电偶的阻值均相等，则并联测量线路总热电势等于几支热电偶的平均值：并联接法，热电势小，短路或断路时，照常工作。（5）热电偶测温中的计算例如：以T型热电偶为例，参考端30度，测得回路热电偶1800mv则：查表在370度到375度之间，在小范围可近似线性：计算表明：A，从分度表看ET关系式非线性的，尤其对于贵金属热电偶在几度范围内可按线性近似处理。B，计算中概念需清楚，E是对应0度时的E，不是求T，而不是回路实测的热电势。C，ET关系中，mv很小，以T型热电偶为例，在010度内平均每度仅产生0.0341mv，即39.1mv，因此要放大。D，一般是参考端冷端T E0热端T冷端T E0（6）热电偶的性能指标A，精度，热电偶精度都大于0.1到1度，采用复合误差表示：例如：S型热电偶I级：01100，。11001600 复合误差表示。II级：0600，。6001600 B，响应时间2S，由保护套管决定。（7）热电偶测量误差分析A，分度误差如标准热电偶的传递误差。可以通过标准热电偶的温度修正值来消除，因此热电偶要求定期检定。B，冷端温度引起的误差冷端温度不能得到完全的补偿。C，补偿导线误差在规定范围内，补偿导线与所配热电偶的热电特性不完全相同造成的超出规定的温度范围。将造成最大的误差。D，热交换造成的误差热平衡不充分和动态测量误差，导致接触测温的热惯性和换热引起的误差。E，热电偶不均匀引起的误差（8）热电偶的标定和分度检定是对热电偶的热电势和温度的已知关系进行校正（量值传递）。分度是确定热电偶的热电势和温度之间的对应关系。因此标定和分度的方法是一致的，最常用的是比较法。热电偶使用前使用中都要进行检定。（9）热电偶只用中的注意事项主要是提高反应时间，减小动态测量误差。采用导热性能好的材料做保护管，管壁要薄，内径要小，尽量减小测量端的尺寸，减小其热容量。减小保护管的测量端的空气间隙或填充导热性能好的材料。七，辐射测温及仪表1，概述（1）简介基于物体的热辐射特性和温度之间的对应关系设计而成A，辐射温度计属于非接触式测温仪表；B，通道用来测量1000度以上移动或变化迅速的高温物体温度或表面温度；C，受辐体发射率不能测量被测对象的真实温度；D，受中间介质和测量距离等因素的影响。（2）辐射温度计的分类A，辐射测温方法：亮度法测温，比色法测温，全辐射法测温。B，相应的测温计：亮度温度计：测量物体在某一特定波长（实际上是波段）上的单色辐射亮度，测量的是物体亮度温度。比色温度计：是测量被测物体两个指定波长和（和）上的单色辐射亮度的比值，所测为物体的颜色温