第二章温度测量

1、第二章温度测量 第二章温度测量 将两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路称之为热电偶。A、 B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端 或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流 流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象 称为热电现象。此热电势由接触电势和温差电势两部分组成的 （1）接触电势: 接触电势的大小可用下式表示： 式中 e一单位电荷，等于4.80210-10绝对静电单位； K一波尔兹曼常数，等于1.3810-28 J / K； NA(t), NB（t）金属A、B在温度t时的自由电子密度； TA、B金

2、属接触处的绝对温度，K。 （2）温差电势: 温差电势是同一金属体两端温度不同而产生的。 式中 NA（t）金属A的电子密度，它是温度函数。 为了分析方便，温差电势可由下面函数差来表示： )( )( ln)( tN tN e KT te B A AB t t A A A tdN Ne K tte 0 )( 1 ), ( 0 )() (), ( 00 tetet te AAA 第二章温度测量 (3) 热电偶回路热电势 温差电势的产生 回路电势 热电偶回路中，如果tt0，NA（t）NB（t），则在回路内便产生两个接 触电势eAB(t)和eAB(t0)，两个温差电势eA（t，t0）和eB（t，t0），各

3、电势的方 向如图所示。回路的总电势EAB(t,t0)等于回路中各电势的代数和。即 上式表明热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电 偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。 如果保持热电偶冷端温度to恒定不变，对一定材料的热电偶其eAB（t0）亦为 常数，设为C，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关，若测得EAB(t,t0) 值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即 EAB ( t, t0 )=eAB ( t ) C ), ()(), () (), ( 0000 t tetet tetet tE AABBABAB )()()() () () ()

4、, ( 0000 tetetetetetet tE ABABABABAB 第二章温度测量 第二章温度测量 （2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的 热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即 EAB（t，to）=EAC（t，to）ECB（t, to） 参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成，若已知各种电极与标准电极 配成热电偶的热电特性，便可按此结论计算出任意两电极A、B配成热电偶后 的热电特性，这样大大简化了热电偶的选配工作。 3、中间温度定律 热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别 为t1，t2和t2，t3时热电势的代

5、数和，即 EAB（t1，t3）EAB（t1，t2）EAB（t2，t3） 由此定律可得如下结论： （1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正， 就可在另外的冷端温度下使用。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度 关系 即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t0 =0时热 电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热 电势值。 可得出 EAB（t，0）EAB（t，tn）EAB（tn，0） 第二章温度测量 第二章温度测量 第二章温度测量 四、热电偶的构造 1、普通型热电偶 常用的普通型热电偶本体是一端焊接的两根金属丝（热电极）。考虑到两 根

6、热电极之间的电气绝缘和防止有害介质侵蚀热电极，在工业上使用的热电 偶一般都有绝缘管和保护套管。在个别情况下，如果被测介质对热电偶不会 发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接触测温误差与滞后。 热电偶的结构 1-热电偶热端；2-热电极；3-绝缘管；4-保护套管；5-接线盒 2、铠装热电偶 铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加工而成的坚实组 合体，其结构如图所示。套管材料有铜、不锈钢及镍基高温合金等。热电偶 与套管之间填满了绝缘材料的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。 套管中的热电极有单丝的、双丝的和四丝的，彼此之间互相绝缘 第二章温度测量 3、薄膜热电偶 薄膜热电偶是由两种

7、金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种 薄膜热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量； 动态响应快，可测量瞬变的表面温度。我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如图 所示， 五、热电偶冷端温度处理方法 热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当 冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电 偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热 电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度 （被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。 第二章温度测量 第二章温度测量 第二章温度测量 六、热电偶的

8、校验 热电偶经过长期使用后，由于氧化、腐蚀等原因，其材料的性质将会逐渐 变化，热特性也会随之改变，造成测温误差。为此，有必要对热电偶定期进 行校验，以确定其误差是否超出规定的允许误差。如超出允许误差则应报废 或将其热端剪去一段后重新焊接，再经校验合格后才能使用。 热电偶的校验有两种方法。一种是定点法，就是在国际温标规定的定点 温度（如锌、银、金、锑等金属的相平衡点温度）下进行校验。这种方法的 特点是精确度高，但设备复杂、校验点数少，而且校验操作复杂。该方法只 用于对高精确度的铂铑一铂热电偶的校验。另一种是比较法，它是广泛采用 的方法，可用于实验室用和工业用热电偶的校验。 比较法校验是用标准热电

9、偶与被校热电偶测同一稳定对象的温度来进行 的。一般用管式电炉作为被测对象，通过手动操作或温度控制器控制调整电 炉的温度，并稳定在预定的温度值上。标准热电偶一般采用比被校热电偶精 确度更高的铂铑10-铂热电偶。 第二章温度测量 第二节第二节 热电阻测温热电阻测温 工业上广泛应用电阻温度计来测量200 500 之间的温度。 电阻温度计的特点是准确度高；在中低温下（ 500以下）测温, 它的输出 信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便 于信号的远传和实现多点切换测量。 电阻温度计由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘管 和保护套管等主要部件组成。 一、测

10、温原理 根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。实验证明，大 多数金属导体当温度升高1时，其阻值要增加0.40.6，半导体的阻值 要减小36。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测 量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。 电阻温度系数的定义是：温度变化l时电阻值的相对变化量，用来表示， 单位是-1，根据定义，用下式表示： 一般材料的温度系数并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此 常用（R100R0）（R0100）代表0100之间的平均温度系数，其中R100 表示100时的电阻值，R0表示0时的电阻值。电阻温度系数越大，热电阻的 灵敏度越高，测量温度时就越容易得到

11、准确的结果。 dt dR Rdt R dR 1 第二章温度测量 二、标准化热电阻 1、 铂电阻 特点是稳定性好、准确度高、性能可靠，在还原性气氛中，特别是在高温下 很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系； 铂的纯度常以R100/R0来表示。对于工业用铂电阻，规定其R100/R0为1.385； 分度号：Pt10和Pt 100； 铂电阻的温度特性可用下列二式表示： 在一2000之间 Rt=R0 1 + At + Bt2 + Ct3(t-100) 在 0 850之间 Rt=R0 (1 + At + Bt2) 以上两式中 Rtt时的电阻值； R00时的电阻值； A， B， C常

12、数，对于工业用铂电阻，A 3.9080210-3 -1， B 5.80210-7 -2 , C= 4.2735010-12 -4 第二章温度测量 2、铜电阻 特点：铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，它的电阻温度系数也比较 大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，所以在一些测量准确度要求不是很 高、而且温度较低的场合，可使用铜电阻，它的测量范围是一50 150。 铜电阻的缺点是：在250以上容易氧化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的 介质中；铜的电阻率比较小，做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。 纯度：我国规定工业用铜电阻的R100/R01.428。 分度号：铜电阻的分度号是Cu50和Cul

13、00，表示其R0分别为50及100。 分度关系：铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式表示： Rt=R0 (1 + At + Bt2 +Ct3) 式中 Rtt时的电阻值； R00时的电阻值 A， B， C常数，对于工业用铜电阻，A 4.2889910-3 -1 , B 2. 13310-7 -2 ， C1.23310-9 -3 。 由于铜电阻的特性在 0100 之间基本上是线性的，所以在 0 100 之间的温度特性可以用下式表示： Rt=R0 (1 + t） 式中 0 100之间的温度系数，等于 4.28 10-3 -1 。 第二章温度测量 3、镍电阻 镍电阻的温度系数较大，因此其灵敏度比铂和

14、铜的高。当温度超过200时，具 有特异点，因此规定镍电阻的使用温度范围为一 60 180 。镍电阻的电阻比 R100/R01.617。由于镍电阻的制造工艺较复杂，很难获得相同的镍丝，因此它的测 量准确度比铂电阻低，制定标准很困难，我国虽已规定它为标准化热电阻，但尚未制 订出相应的标准分度表。它的分度号有Ni 100，Ni 300，Ni 500。对Ni 100而言，它 的温度特性为 Rt=100 + At + Bt2 +Ct4 式中：A，B，C为常数，对于R100/R0 1.618的镍电阻， A 0.5485-1； B 0.66510-3 -1；C 2.80510-9-4 。 三、工业用热电阻的

15、结构 工业用热电阻的外形和热电偶基本相同，它由热电阻体、引出线、绝缘骨架、保护套 管、接线盒等部分组成。其中保护套管和接线盒的外形及其功能、要求和热电偶基本 相同，就不另作介绍了。 1、绝缘骨架， 绝缘骨架是用以缠绕、支撑和固定热电阻丝的支架。它的质量影响热电阻的技术 性能。 2热电阻体 3、引出线 （l）两线制 （2）三线制 （3）四线制 4、铠装热电阻 铠装热电阻是将热电阻体（感温元件）焊到由金属保护套管、绝缘材料和 金属导线三者经拉伸而成的细管导线上形成的，然后在外面再焊一段短管做 保护套管，在热电阻体与保护套管之间填满绝缘材料，最后焊上封头，其结 构如图所示。 第二章温度测量 5、膜式

16、铂电阻 为了提高铂电阻的抗震性和响应速度，研制出了膜式铂电阻。它分厚膜的与薄膜 的两种。厚膜铂电阻是在一陶瓷基片上印制出条状铂膜形成的。由于铂膜很薄，又在 陶瓷基片表面上，所以测温响应时间很小，约为0.1s。薄膜铂电阻则是利用真空镀膜 的方法将铂镀在陶瓷基片上形成的，其形状与厚膜的差不多，只是尺寸更小，响应时 间更短。 6、带热电阻、热电偶的一体化温度变送器 近几年国内外还生产一种所谓带热电阻、热电偶的一体化温度变送器，它和上述标准 热电阻或热电偶的不同之处，在于采用一个专用集成电路把热电阻或热电偶的输入信 号（电阻或电势）转变成420mA的标准输出信号，其中与热电偶相配用的集成电路还 有冷端

17、温度补偿性能。有的专用集成电路还具有线性化功能，即将标准热电阻的电阻 与温度之间的非线性关系转变成变送器输出电流（ 420mA）与被测温度之间的线性 关系，或使热电偶所感受的温度与变送器输出电流（420mA）之间呈线性关系。专用 集成电路的体积很小，因而可装在热电阻或热电偶的接线盒内。这种集成电路的供电 电压一般为直流24 V，多采用二线制，即供电线也就是输出信号线。一体化热电阻 （热电偶）可省略过去常采用的温度变送器。还有一种热电阻（热电偶）一体化温度 变送器，其接线盒的体积增大，可装入一只动圈表头，直接显示所测温度值，也可以 装上用液晶显示的表头，用数字显示所测温度值。装有显示仪表的一体化

18、温度变送器 可以就地显示温度值。这种一体化温度变送器可应用于具大量温度测点的集控系统。 第二章温度测量 第三节第三节 非接触式测温仪表非接触式测温仪表 非接触式测温仪表的任何部分都不与被测对象接触，它通过测量物体的 辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量，因此又称为辐射式测温仪表。 特点：不存在因接触传热而产生的测温传热误差；理论上讲，测温上限不受 测温传感器材料的限制，可高达2000以上；动态性能好，反应快等。因低 温下物体的辐射能力很弱，因此辐射式仪表多用来测700以上的高温。但用 红外测量仪表，也可测低达100左右的温度。 一、辐射测温的基本原理 热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。

19、在温度测量中，主要涉及的波长 范围是可见光与0.7620m的红外光区。 辐射出射度是指物体单位表面积在单位时间内所发射的全部波长范围的辐射 能量的总和，并以符号M表示。如物体单位表面积单位时间内在波长处的 d波段内所辐射的能量为dM，则把称为物体在波长处的光谱辐射出射度 （又称单色辐射出射度）。显然辐射出射度M与光谱辐射出射度M之间存在如 下关系： 0 dMM 第二章温度测量 1、全辐射体（绝对黑体，简称黑体）的热辐射 全辐射体的光谱辐射出射度与温度的关系符合普朗克公式 式中 h普朗克常数，h=6.62610-34 Js； c真空中的光速，c=2.998108 ms； k玻尔兹曼常数，k=1.

20、38 10-23 JK； c1普朗克第一辐射常数，c1 =3.741310-16 Wm2 c2普朗克第二辐射常数，c2 =1.438810-2 mK。 在温度T3000K和可见光波长（波长较小）范围，该公式可以简化成 维恩公式 全辐射体的辐射出射度可由斯忒藩一玻尔兹曼定律确定： 式中 M全辐射体的辐射出射度，Wm2； 斯忒藩一玻尔兹曼常数，= 可见，辐射出射度M0 是温度的单值函数，二者一一对应，这是辐射高温计的 理论依据。 1 2 5 0 2 kT hc e hc M 1 5 10 1 2 T c ecM T c ecM 2 5 10 0 4 00 TdMM 第二章温度测量 2、实际物体的热

21、辐射 由物体辐射有关的原理，实际物体（即非全辐射体、非黑体）的光谱辐射出 射度与温度、波长的关系为 MM0 式中 M波长下实际物体的光谱辐射出射度； 实际物体在波长下的光谱发射率（光谱黑度）。 把M0公式代入上式，得 同样，可得实际物体的全辐射出射度为 MM0T4 式中 M实际物体的全辐射出射度； 实际物体的全辐射发射率（发射率）。 实际物体的光谱发射率和发射率均小于1，它们的大小与物体的材料、 表面情况以及物体的温度有关，还随波长而改变。各种物体的和 值一般只能通过实测求得。 辐射式测温仪表可分为两大类。一类以某一波长下的光谱辐射（又称单色辐 射）理论为基础，有光学高温计、光电高温计及比色高

22、温计、红外测温仪等； 另一类以全辐射理论为基础，全辐射高温计及部分辐射高温计属于此类。 T c ecM 2 5 1 第二章温度测量 二、光学高温计 这是一种以光谱辐射原理为依据的测温仪表，已经过长期使用，现仍在广泛应用。 在可见光的波长范围（0.350.75m）内，高温物体的热辐射以光的形式表现出 来，辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系。在某一波长下的光谱辐射亮度（又称 单色亮度）与同一波长下的光谱辐射出射度成正比。对全辐射体其关系为 对实际物体有 在可见光波长范围内的某一波长下，对一个确定的物体（可近似认为已固定不变）， 其光谱辐射亮度（即单色亮度）与温度之间存在单值对应关系。利用这个性质

23、即可测 温，但直接测光谱辐射亮度较难实现，光学高温计采用了下面所述的亮度比较的方法。 000 1 McML ML 1 T c ecML 2 1 5 11 第二章温度测量 在光学高温计中装一只比较亮度用的灯泡，流过灯丝的电流可人为调整，以改变其 亮度。该灯泡的光谱辐射亮度与其灯丝的电气参数（电流、电压降或电阻）之间有已 知的确定关系，因此测出其电气参数即知其亮度，进而可知温度值。工作时，在某一 波长下用灯丝的光谱辐射亮度与被测物体的光谱辐射亮度进行比较。通过改变灯丝电 流人工调整灯丝的亮度，使二者亮度相等，最终实现温度测量。 一种国产WGGZ型光学高温计，这是一种使用较广的隐丝式光学高温计，其结

24、构原理 图所示。 整个光学高温计由光学系统与电气系统两部分组成。光学系统包括物镜、目镜、灯泡、 红色滤光片、灰色吸收玻璃等。物镜和目镜均可移动、调整，移动物镜可把被测物体 的成像落在灯丝所在平面上。移动目镜是为了使人眼同时清晰地看到被测物体与灯丝 的成像，以比较二者的亮度。红色滤光片的作用是与人眼构成“单色器”，以保证在 一定波长（0.66 m左右）下比较二者的光谱辐射亮度。灰色吸收玻璃只有在需扩展 测温量程时才插入使用。电气系统包括灯泡、电源、调整电阻及测量线路。调整电阻 可改变灯丝电流，以调整灯丝的亮度。测量线路用来测量与灯丝亮度相应的灯丝的电 流、电压降或电阻等电气参数，并最终显示温度示

25、值。 使用光学高温计时，人眼看到的图像如图2-26所示。在被测对象的背景上有一根灯 丝，如看到的是暗的背景上亮的灯丝，则说明灯丝亮度高于被测物体，应调整灯丝电 流使其亮度降低；如背景亮而灯丝发黑，则灯丝亮度比对象低，应调整增高灯丝亮度。 直到灯丝隐灭而看不清（即灯丝顶部与对象分不清），则说明二者亮度相等，即可读 取测量结果了。 WGGZ型光学高温计结构原理图 l一物镜；2灰色吸收玻璃；3一灯泡；4一目镜； 5一红色滤光片；6一显示仪表 第二章温度测量 灯丝与物像亮度比 （a）灯丝亮度低（b）灯丝亮度偏高（c）灯丝和物象亮度一致（灯丝隐灭） 光学高温计具有结构简单、测温上限高、在辐射式温度计中精

26、确度与灵敏 度均最高等优点。不足之处是亮度比较的判断及调整均要人工进行，不能连 续自动进行测量，同时带来人员的主观误差。另外，由于人眼只能看到可见 光，这限制了被测物体的温度不能低于700。 光学高温计的几个有关问题 : (1）亮度温度与示值的修正 根据光谱辐射的原理，在光谱辐射亮度（即单色 亮度）相等的条件下，发射率不同的物体其温度并不相等。为此引出“亮度 温度”的概念：如全辐射体的单色亮度与温度为T的实际物体的单色亮度相等， 则全辐射体的温度称为该实际物体的亮度温度，并以Ts表示。根据亮度温度的 定义，可推导物体实际温度T与其亮度温度的关系： 由于 L= L0 即 s T c T c ec

27、ec 2 2 5 1 5 1 11 第二章温度测量 经整理可得 因为一般物体1，所以 TTs 。 光学高温计的标尺是直接按温度刻度的，即可直接读出温度值，而且分 度是按全辐射体（即 =1）的条件进行的，因此仪表显示的温度值实际上 是在对应亮度下全辐射体的温度，也即亮度温度Ts 。在测实际物体温度时， 光学高温计的温度示值必须修正. （2）单色器 光学高温计必须在某一定的波长下进行单色亮度比较。从理论上 讲，要求在这一波长附近，波长范围不能过宽（否则不满足单色条件），从 灵敏度考虑，波长范围又不能过于狭窄。光学高温计采用红色滤光片与人眼 构成了“单色器”，使人眼只能观察到波长为0.60.7m范围

28、的红色可见光 （如图阴影部分），其平均波长约为0 .66m。 人眼与红色滤光片配合的视见光谱范围 1一人眼相对视见函数曲线； 2一红色滤光片光谱透过率曲线 2 2 lncT Tc T s s 第二章温度测量 （3）灰色吸收玻璃 光学高温计采用的是钨丝灯泡，当温度高达1400时，钨 丝会发生升华使灯泡的性能改变。这就限制了光学高温计的测温上限。光学 高温计附加了灰色吸收玻璃，单色光透过这种玻璃时其吸收作用会使亮度减 弱。在结构上把灰色玻璃置于物镜与灯丝之间，这样人眼观察到的是灯丝的 亮度和被灰色玻璃削弱了的被测物体的亮度,在灯丝温度不超过1400的情况 下能测量更高的温度。 （4）影响光学高温计

29、测量精确度的因素 影响光学高温计测量精确度的因素 比较多，主要有以下几个： 1）发射率的影响 2）中间介质的影响 三、光电高温计 光电高温计是在光学高温计基础上发展起来的能自动连续工作的测温仪 表，它依据的也是光谱辐射亮度的原理。其传感器是能感受光谱辐射亮度变 化的光电检测器件，它把亮度信号转换成电信号，将电信号放大后测量，最 后显示温度。 光电高温计由光学系统与测量、放大显示两大部分组成。不同的光电高 温计有不同的测量方式，结构方案也不相同。这里介绍的国产WDL一31型光电 高温计，其原理系统图如图所示。 第二章温度测量 光电高温计具有以下优点。 （l）既可在可见光，又可在红外光波长下工作，有利于用辐射法测低温； （2）分辨率高，光学高温计最高为0.5，而光电高温计可达0.010.05； （3）精确度高，由于采用性能良好的干涉滤光片（或