h第2章温度测量

1、2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 热电偶测温热电偶测温2.3 2.3 热电阻测温热电阻测温2.4 2.4 热敏电阻热敏电阻测温测温2.1.1 2.1.1 温度的概念温度的概念 宏观上：是物体冷热程度的表示。 微观上：是物体内部分子运动平均动能的表示。RTvkTvmk73. 1232122气体 分子平均平动动能；k 玻尔兹曼常数；R 摩尔气体常数； 摩尔质量；k固体、液体内部分子振动、转动的无规则热运动激烈程度。2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 温标三要素： 可实现的固定点温度,利用物质的平衡点可以作为温标的固定温度点；也称为基准点，它具有确定的温度。 表示固定点之间温度的内插

2、仪器，确定测温仪器的实质是确定测温质和测温量； 确定相邻固定温度点之间的内插公式，即温度方程，确定各固定点之间任意温度值的数学关系；2.1 概述温标：是“温度标尺”的简称，他是用数值表示温度的一整套规程。 由特定的测温质和测温量所由特定的测温质和测温量所确定的确定的温标称为温标称为经验温标。经验温标。 冰点、冰点、沸点沸点 水银玻璃水银玻璃温度计温度计 100 100等份等份冰点沸点冷热程度0100t摄氏温标摄氏温标2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 摄摄尔塞尔塞斯斯Celsius,1740Celsius,1740华伦海特华伦海特Fahr

3、enheit,1714Fahrenheit,1714举例：五种温度计，测温质分别是氢气、空气、铂丝、电偶和水银，其测温的物理性质分别为气体的压强、电阻、电动势和水银的长度；基准点都是以冰的熔点和水的沸点为0度和100度。 结论结论: :对应同一个冷热程度，各种温度计的读数是不一样的。对应同一个冷热程度，各种温度计的读数是不一样的。 水银温度计氢气温度计002019.9094039.8896059.9148079.9861001002.1 概述2121QQTT2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 1848 1848年物理学家年物理学家凯尔文凯尔文提出将提出将温度数值温度数值与与理想热机的

4、效率理想热机的效率相关联，根据热力学第二定律定义温度，这样就可以与任何特相关联，根据热力学第二定律定义温度，这样就可以与任何特定物质的性质无关了。定物质的性质无关了。工作于两热源之间的卡诺热工作于两热源之间的卡诺热机与两热源交换的热量之比机与两热源交换的热量之比等于两热源的温度之比。等于两热源的温度之比。2121QQTT卡诺定理：2116.273QQT 任意点温度为：2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 2116.273QQT 理想气体状态方程恒量VnRTTPP3333316.273PPPPTT2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 只要确定一个固定点即只要确定一个固定点即水的三

5、相电，温标即可确定。水的三相电，温标即可确定。如如定容气体温度计。定容气体温度计。技术上可实现，但不方便技术上可实现，但不方便理想气体温标2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 温度单位的定义温度单位的定义2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 定义固定温度点定义固定温度点 利用一系列纯物质各相间可复现的平衡状态或蒸汽利用一系列纯物质各相间可复现的平衡状态或蒸汽压所建立起来的压所建立起来的特征温度点特征温度点。这些特征温度点的温度值。这些特征温度点的温度值是由国际上公认的最佳测量手段测定的。是由国际上公认的最佳测量手段测定的。 由纯物质构成的单组分介质中，具有由纯物质构成的单组分介

6、质中，具有固相、液相和固相、液相和气相气相共存状态下的温度和压力点成为共存状态下的温度和压力点成为三相三相。 三相点具有固定的温度和压力值，当三相共存系统三相点具有固定的温度和压力值，当三相共存系统发生有限变化时，只会发生各相之间量值的相对变化，发生有限变化时，只会发生各相之间量值的相对变化，只要还保持三相状态，则不会产生温度和压力的变化只要还保持三相状态，则不会产生温度和压力的变化。2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 三相点是指固、液和蒸汽相呈平衡时的温度。2.1 概述2.1.2 2.1.2 温标温标 熔点和凝固点是指在101325Pa压力下，固、液相的平衡点2.1 概述2.1.2

7、 2.1.2 温标温标 复现固定温度点的方法复现固定温度点的方法 ITS-90 ITS-90把温度分为把温度分为4 4个温区个温区，各温区，各温区的范围、的范围、使用的标准测温仪器分别为：使用的标准测温仪器分别为： 0.655.0K间为3He和4He蒸汽温度计； 3.024.556K间为3He和4He定容气体温度计； 13.8033K961.78间为铂电阻温度计； 961.78 以上为光学或光电温度计。2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 热电偶测温热电偶测温2.3 2.3 热电阻测温热电阻测温2.4 2.4 热敏电阻热敏电阻测温测温2.2 热电偶测温 热电偶热电偶是应用最普遍、最广泛的温度

8、测量元件。是应用最普遍、最广泛的温度测量元件。 既既可用于流体温度测量也可用于固体温度测量，可用于流体温度测量也可用于固体温度测量，既可以检测静态温度也能测量动态温度。既可以检测静态温度也能测量动态温度。 在在火电厂中，主蒸汽、过热器管壁与高温烟气等火电厂中，主蒸汽、过热器管壁与高温烟气等的温度都是采用热电偶测量的。的温度都是采用热电偶测量的。 热电偶热电偶一般用于测量一般用于测量10010016001600范围内温度，用范围内温度，用特殊材料制成的热电偶还可测更高或更低的特殊材料制成的热电偶还可测更高或更低的温度。温度。 热电偶热电偶将感受到的将感受到的温度信号温度信号直接转换成直接转换成电

9、势信号电势信号输出，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。输出，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。 2.2 热电偶测温一热电偶测温原理 二热电偶的基本定律三常用热电偶的种类 四冷端温度补偿问题一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理 2.2 热电偶测温热电偶由两根热电偶由两根不同材料的导体不同材料的导体焊接或绞接而成。焊接或绞接而成。一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理 2.2 热电偶测温 18211821年，德国物理年，德国物理学家学家赛贝克赛贝克用两种不同用两种不同金属组成金属组成闭合回路闭合回路，并，并用酒精灯加热其中一个用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），接触点（称为结点），发现放

10、在回路中的发现放在回路中的指针指针发生发生偏转偏转，如果用两盏如果用两盏酒精灯对两个结点酒精灯对两个结点同时同时加热，指针的偏转角反加热，指针的偏转角反而而减小减小。一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理 2.2 热电偶测温 将两种将两种不同材料的导体不同材料的导体组成一个闭合回路，如果组成一个闭合回路，如果两端两端接点的温度不同接点的温度不同，回路中将产生电势，称为，回路中将产生电势，称为热电势热电势。这个。这个物理现象称为物理现象称为热电效应热电效应或塞贝克效应。或塞贝克效应。 热电效应热电效应),(0TTEAB热热电势电势两种导体的接触电势；单一导体的温差电势。冷端冷端（自由端）（自由端）

11、（参考端）（参考端） 热热端端（工作端）（工作端）（测量端）（测量端）一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理 2.2 热电偶测温n热电效应热电效应两种导体的两种导体的接触电势接触电势)()(ln)(TnTneKTTeBAAB一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理 2.2 热电偶测温n热电效应热电效应单一导体的单一导体的温差电势温差电势 温差电势，又称为汤温差电势，又称为汤姆逊姆逊电势，是由于同电势，是由于同一均质导体因一均质导体因两端温度不同而形成的电势。两端温度不同而形成的电势。TTAdTTTe0),(0TTAAAtndneKTTe0)(1),(0一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理 2.2 热

12、电偶测温n热电偶的热电势热电偶的热电势000000( ,)( )()( ,)( ,)()ln()ABABABBATAABTBET TeTeTe T Te T TnKTTdten一、热电偶测温原理一、热电偶测温原理 2.2 热电偶测温n热电偶的热电势热电偶的热电势000000( ,)( )()( ,)( ,)()ln()ABABABBATAABTBET TeTeTe T Te T TnKTTdten)()(),(00TfTfTTEAB规定：00T则：CTf)(0)()(),(0TCTfTTEAB2.2 热电偶测温一热电偶测温原理 二热电偶的基本定律三常用热电偶的种类 四冷端温度补偿问题二、热电偶

13、的基本定律二、热电偶的基本定律 2.2 热电偶测温n均质导体定律均质导体定律热电偶热电偶必须由两种不同性质的材料组成必须由两种不同性质的材料组成。由由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，说明该材料不纯，热电势，说明该材料不纯，是不是不均匀的。据此，可以均匀的。据此，可以检查热电极材料检查热电极材料的均匀性的均匀性。000( ,)()ln()TAABABTBnKET TTTdten二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 2.2 热电偶测温n中间导体定律中间导体定律 热电偶热电偶回路中接入导体后，如果分开点的温度相等，回路中接入导体后，

14、如果分开点的温度相等，即即接入导体两端的温度相同接入导体两端的温度相同，则不会影响回路总电势，则不会影响回路总电势。u为测量仪表接入热电偶回路，组成热电偶测温系统测为测量仪表接入热电偶回路，组成热电偶测温系统测量热电势提供条件和基础。量热电势提供条件和基础。00( ,)( ,)ABCABET TET T二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 2.2 热电偶测温n中间导体定律中间导体定律u如果两种导体如果两种导体A A、B B对另一种参考导体对另一种参考导体C C的热电势为已知，的热电势为已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的

15、代数和。即热电势的代数和。即中间导体中间导体定律简化定律简化了热电偶的选配了热电偶的选配工作工作二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 2.2 热电偶测温n中间温度定律中间温度定律中间中间温度定律为制定热电偶的热温度定律为制定热电偶的热电势电势温度温度关系分度表关系分度表奠定了理论基础奠定了理论基础2.2 热电偶测温利用利用热电势修正法热电势修正法进行热电偶冷端进行热电偶冷端补偿。补偿。二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 2.2 热电偶测温n中间温度定律中间温度定律为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。 和和热电偶具有热电偶具有相同热电性质的补

16、偿导线相同热电性质的补偿导线可引入热电偶可引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。电势。 2.2 热电偶测温一热电偶测温原理 二热电偶的基本定律三常用热电偶的种类 四冷端温度补偿问题三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n热电偶热电偶材料材料 两种材料组成的热电偶两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势应输出较大的热电势，以获，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成成线性关系线性关系； 能应用于能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳较宽的

17、温度范围，物理和化学特性比较稳定定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）；（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）； 具有具有较高的导电率较高的导电率和和较低电阻温度系数较低电阻温度系数； 工艺性好，利于批量生产。工艺性好，利于批量生产。三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n标准化热电偶标准化热电偶 定义定义：是指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并是指生产工艺成熟、成批生产、性能优越并已列入工业标准文件中的已列入工业标准文件中的热电偶；热电偶； 特点特点：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的：发展早、性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表，可以互换，并有与其配套的

18、显示仪表可供分度表，可以互换，并有与其配套的显示仪表可供使用，十分使用，十分方便；方便； 规定规定：国际电工委员会：国际电工委员会(IEC)(IEC)在在19751975年推荐年推荐7 7种标准种标准化热电偶，在化热电偶，在19861986年又推荐了一种。我国目前共采年又推荐了一种。我国目前共采用八种标准热电偶用八种标准热电偶。三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n常用热电偶类型常用热电偶类型 贵金属贵金属热电偶：热电偶：铂铑铂铑3030- -铂铑铂铑6 6(B(B偶偶) )，铂铑，铂铑1313- -铂（铂（R R偶），铂铑偶），铂铑1010- -铂（铂（S S偶），偶

19、），测温范围宽，性能稳定，测温范围宽，性能稳定，精度高精度高，热电势小，热电特性非线性大，价格贵。，热电势小，热电特性非线性大，价格贵。 廉价廉价金属热电偶：金属热电偶：镍铬镍铬- -镍硅（镍硅（K K偶），镍铬偶），镍铬- -铜镍铜镍（E E偶），偶），灵敏度高，热电势大，热电特性线性度好灵敏度高，热电势大，热电特性线性度好，价格低，测温范围较窄价格低，测温范围较窄。 难熔金属难熔金属热电偶热电偶：钨铼合金构成，用于：钨铼合金构成，用于高温高温测量。测量。三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n典型结构典型结构普通装配型普通装配型接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺

20、纹固定螺纹 热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢保护管不锈钢保护管 三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n典型结构典型结构普通装配型普通装配型热电极热电极直径：贵金属一般为直径：贵金属一般为0.30.30.65mm0.65mm； 贱金属一般为贱金属一般为0.50.53.2mm3.2mm。长度：一般为长度：一般为3503502000mm2000mm。a a点焊；点焊；b b对焊；对焊；c c绞状点焊绞状点焊三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n典型结构典型结构普通装配型普通装配型绝缘管：绝缘管：防止两根热电极短路。防止两根热电极短路。

21、低温低温下：橡胶、塑料下：橡胶、塑料 高温高温下：氧化铝、陶瓷等下：氧化铝、陶瓷等 保护套管保护套管：防止热电极遭受化学和机械损伤。防止热电极遭受化学和机械损伤。 (a)(b)(c)(d)a：固定：固定螺纹螺纹b：固定法兰：固定法兰c：高压用锥形固定：高压用锥形固定螺纹螺纹d：900套管套管三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n典型结构典型结构普通装配型普通装配型接线盒：接线盒： 接线盒接线盒内有接线端子，可供内有接线端子，可供热电极和补偿热电极和补偿导线导线连接之用连接之用。 普通式普通式、防溅式、防溅式、防水、防水式、式、隔爆式和插座式隔爆式和插座式三、常用热电偶的

22、种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n典型结构典型结构隔爆隔爆型型厚壁保护管厚壁保护管压铸的接线盒压铸的接线盒三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n典型结构典型结构铠装型铠装型n是由是由热电极热电极、绝缘材料绝缘材料和和金属套管金属套管三者三者组合经组合经拉伸拉伸加工而成的坚实加工而成的坚实组合体，组合体，外径外径0.25-12mm不等。不等。n特点：性能稳定、结构紧特点：性能稳定、结构紧凑，动态响应快，机械强凑，动态响应快，机械强度高，耐高压、耐冲击。度高，耐高压、耐冲击。适用于狭小管道内的温度适用于狭小管道内的温度测量测量。三、常用热电偶的种类三、常用热电偶

23、的种类 2.2 热电偶测温n典型结构典型结构铠装型铠装型铠装型热电偶可长达上百米铠装型热电偶可长达上百米三、常用热电偶的种类三、常用热电偶的种类 2.2 热电偶测温n典型结构典型结构薄膜型薄膜型n制作制作：用真空蒸镀等方法：用真空蒸镀等方法使两种热电极材料使两种热电极材料( (金属金属) )蒸镀到绝缘基板上，二者蒸镀到绝缘基板上，二者牢固地结合在一起，形成牢固地结合在一起，形成薄膜状热接点。薄膜状热接点。n特点：动态响应快，精确特点：动态响应快，精确度度高，高，可以可以用来测变化极用来测变化极快的表面温度和点的快的表面温度和点的温度温度。铁镍薄膜热电偶铁镍薄膜热电偶1：热端接点；：热端接点；2

24、：衬架；：衬架；3：铁膜；：铁膜；4：镍膜；：镍膜；5：铁丝；：铁丝；6：镍丝；：镍丝；7：接头夹具：接头夹具2.2 热电偶测温一热电偶测温原理 二热电偶的基本定律三常用热电偶的种类 四冷端温度补偿问题四、四、冷端温度补偿问题冷端温度补偿问题2.2 热电偶测温1. 1. 冰点法冰点法 2. 2. 计算法计算法 ( (冷端温度校正法冷端温度校正法) )3. 3. 补偿导线法补偿导线法4. 4. 补偿电桥法（冷端补偿器）补偿电桥法（冷端补偿器）四、四、冷端温度补偿冷端温度补偿问题问题2.2 热电偶测温1 1、冰点、冰点法法 n将将热电偶冷端置于冰点恒热电偶冷端置于冰点恒温槽中温槽中, ,使冷端温度

25、恒定使冷端温度恒定在在00时进行测温。时进行测温。n特点：实现方便、精度最特点：实现方便、精度最高高；溯源性溯源性好，但好，但只局限只局限于实验室于实验室，用于热电偶校，用于热电偶校准，不利于准，不利于在线测量。在线测量。四、四、冷端温度补偿冷端温度补偿问题问题2.2 热电偶测温2 2、计算法、计算法 方法方法：四、四、冷端温度补偿冷端温度补偿问题问题2.2 热电偶测温3 3、补偿导线法、补偿导线法 0100 Cn补偿导线起到延长热补偿导线起到延长热电偶冷端的作用电偶冷端的作用n优点优点：改善热电偶测：改善热电偶测温线路的物理性能和温线路的物理性能和机械性能；降低线路机械性能；降低线路成本。成

26、本。四、四、冷端温度补偿冷端温度补偿问题问题2.2 热电偶测温4 4、冷端补偿器、冷端补偿器0( ,)( ,0)ABbaABEET TUET指示仪表总的热电势为：指示仪表总的热电势为：当当同时同时 四、四、冷端温度补偿冷端温度补偿问题问题2.2 热电偶测温4 4、冷端补偿器、冷端补偿器0( ,)ABbaEET TU2.1 2.1 概述概述2.2 2.2 热电偶测温热电偶测温2.3 2.3 热电阻测温热电阻测温2.4 2.4 热敏电阻热敏电阻测温测温n原理原理 热电阻温度计热电阻温度计是利用金属或合金导体以及金属氧化物半是利用金属或合金导体以及金属氧化物半导体做测温质，利用导体做测温质，利用导体

27、或半导体的导体或半导体的电阻值随温度变化而改电阻值随温度变化而改变变的性质来测量温度。的性质来测量温度。n实验证明实验证明多数多数金属导体金属导体在温度升高在温度升高11时，阻值时，阻值变化变化0.4%-0.60.4%-0.6% %；多数多数具有负温度系数的具有负温度系数的半导体半导体在温度升高在温度升高11时，阻值时，阻值变化变化3 3%-6%-6% %。2.3 热电阻测温n优点优点准确度高。准确度高。灵敏度高。中低温灵敏度高。中低温下，下，输出信号比热电偶大。输出信号比热电偶大。便于便于远传和切换。远传和切换。n缺点缺点不能测量太高温度。不能测量太高温度。热惯性大。热惯性大。需要需要外供电

28、源，连接导线产生外供电源，连接导线产生测量误差。测量误差。2.3 热电阻测温dTdRRdTRdR1 有较大的电阻率有较大的电阻率：电阻率：电阻率越大越大电阻体积越小电阻体积越小热容量和热惯性越小热容量和热惯性越小温度变化的响应越快温度变化的响应越快。 在测温范围内，在测温范围内，物理化学性质稳定物理化学性质稳定。 复现性好、复制性强、易得到纯净物质。复现性好、复制性强、易得到纯净物质。 电阻值与温度的关系近似为电阻值与温度的关系近似为线性关系线性关系，便于测温的分，便于测温的分度和读数。度和读数。 价格低。价格低。 综上所述：综上所述：铂、铜、铁、镍铂、铜、铁、镍、和一些、和一些半导体材料半导

29、体材料比较比较适合做热电阻。适合做热电阻。2.3 热电阻测温：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在电阻率较高；在0 C 以上，其电阻与温度的关系接近以上，其电阻与温度的关系接近于直线于直线(其电阻温度系数为其电阻温度系数为3.9103 / C )。：工业测量，温度的基准、标准仪器。工业测量，温度的基准、标准仪器。ITS-90国国际温标规定，在际温标规定，在13.81K961.78的标准仪器为铂电阻的标准仪器为铂电阻温度计。温度计。：电阻温度系数小

30、，在还原气氛中，特别是在高电阻温度系数小，在还原气氛中，特别是在高温下，易被污染变脆、价格昂贵。温下，易被污染变脆、价格昂贵。2.3 热电阻测温)100(1 320tCtBtAtRRt1 20BtAtRRt铂电阻阻值随温度变化的规律：铂电阻阻值随温度变化的规律：A=3.90802A=3.908021010-3-3(-1-1) )B=-5.802B=-5.8021010-7-7 ( (-2-2) )C=-4.27350C=-4.273501010-12-12 ( (- -3 3) )2.3 热电阻测温2.3 热电阻测温20(1(100)(100)tRRtt ttt铜电阻温度计铜电阻温度计2.3

31、热电阻测温热电阻接入结构一: 二线制 热电阻位于热温现场，而仪表显示或变送位于远离现场的部分，两者之间的连线电阻会对热电阻精度构成影响。理想值 r的影响不容忽视。误差)(tREIt实际值 rtREIt)(rtRIIIt)(112.3 热电阻测温热电阻接入结构二: 三线制 在热电阻体的电阻丝的一端连接两根引出线，另一端连接一根引出线。测温时它可以消除引出线电阻的影响，故测温准确度高于两线制电阻。 热电阻热电阻有有三个引线；三个引线； 第三根接到电源线上；第三根接到电源线上； 电源电源与电桥的连接点与电桥的连接点a a从仪表从仪表内部的桥路上移到热电阻附近；内部的桥路上移到热电阻附近； 另外另外两根引线和连接导线的电两根引线和连接导线的电阻分别加到电桥阻分别加到电桥中。中。 电阻变电阻变化影响减小化影响减小。2.3 热电阻测温RlRlRl231