第二章 温度测量技术

1、第二章第二章 温度测量技术温度测量技术第一节第一节 概述概述第二节第二节 简单测量仪表简单测量仪表 第三节第三节 热电偶温度计热电偶温度计第四节第四节 热电阻温度计热电阻温度计第五节第五节 非接触式测温仪表非接触式测温仪表第一节第一节 概述概述一、温度的概念：一、温度的概念：温度是衡量物体冷热程温度是衡量物体冷热程度的物理量，也是物体分子运动平均动能度的物理量，也是物体分子运动平均动能大小的标志。我们对周围环境或物体冷热大小的标志。我们对周围环境或物体冷热的感觉，以及自然界中的热效应。一切互的感觉，以及自然界中的热效应。一切互为热平衡的系统都具有共同的温度。为热平衡的系统都具有共同的温度。尽管

2、上面对温度的概念进行了解释，但仍很尽管上面对温度的概念进行了解释，但仍很抽象，难以理解。为更好地理解温度的概念，抽象，难以理解。为更好地理解温度的概念，还需像其他物理量一样，赋予温度数值和单还需像其他物理量一样，赋予温度数值和单位。温度的数值表示方法，称为温标。位。温度的数值表示方法，称为温标。二二 、温标的概念、温标的概念用来度量温度高低的标尺用来度量温度高低的标尺 称为温标。它包称为温标。它包含了温度的数值和单位。目前使用的温度含了温度的数值和单位。目前使用的温度单位是开尔文，它定义为水三相点热力学单位是开尔文，它定义为水三相点热力学温度的温度的/273.16，符号为，符号为K。三相点：固

3、液气同时三种状态同时存在时三相点：固液气同时三种状态同时存在时候的温度候的温度。根据温标的定义，温标包括三方面的内容，也就是所谓根据温标的定义，温标包括三方面的内容，也就是所谓的温标三要素，即定义固定点、内插仪器和内插函数。的温标三要素，即定义固定点、内插仪器和内插函数。定义固定点是由一些物质的相平衡点组成的，其中最基定义固定点是由一些物质的相平衡点组成的，其中最基本的是水的三相点，它的数值是给定的，用来定义温度本的是水的三相点，它的数值是给定的，用来定义温度的单位。其他的固定点主要是一些金属的凝固点和气体的单位。其他的固定点主要是一些金属的凝固点和气体的三相点，它们的数值由热力学测温方法测量

4、后赋予定的三相点，它们的数值由热力学测温方法测量后赋予定义值，用于确定内插函数中的系数。内插仪器即温度计，义值，用于确定内插函数中的系数。内插仪器即温度计，也就是通常所指的温度传感器，它通过其他物理性质的也就是通常所指的温度传感器，它通过其他物理性质的变化与温度联系，能感知温度的变化，这些物理性质有：变化与温度联系，能感知温度的变化，这些物理性质有：体积、压力、长度、热电势、热电阻、热辐射等一些物体积、压力、长度、热电势、热电阻、热辐射等一些物理量。内插函数是指其他物理量与温度的变化关系，定理量。内插函数是指其他物理量与温度的变化关系，定义固定点之间的温度用这些函数进行内插得到。义固定点之间的

5、温度用这些函数进行内插得到。 了解：了解： 1.1.摄氏温标摄氏温标 2. 2.华氏温标华氏温标 3. 3.热力学温标热力学温标 4. 4.国际实用温标国际实用温标从温标的定义可以看出，温标三要素的选择不一样，所建从温标的定义可以看出，温标三要素的选择不一样，所建立的温标就不一样。历史上曾经出现过许多温标，最著名立的温标就不一样。历史上曾经出现过许多温标，最著名和使用最广泛的有华氏温标和摄氏温标。华氏温标是用精和使用最广泛的有华氏温标和摄氏温标。华氏温标是用精密水银温度计作内插仪器，将水的冰点定为密水银温度计作内插仪器，将水的冰点定为212212度，水的度，水的沸点定为沸点定为3232度，其他

6、的温度用水银柱的高度随温度的变化度，其他的温度用水银柱的高度随温度的变化线性插值。摄氏温标也是用精密水银温度计作内插仪器，线性插值。摄氏温标也是用精密水银温度计作内插仪器，但将水的冰点定为但将水的冰点定为100100度，水的沸点定为度，水的沸点定为0 0度，其它的温度度，其它的温度也用水银柱的高度随温度的变化线性插值。这两个温标的也用水银柱的高度随温度的变化线性插值。这两个温标的数值可以互换，其关系如下：数值可以互换，其关系如下： tF=9/5tF=9/5* *tC+32tC+32其中其中tFtF代表用华氏度表示的温度值，代表用华氏度表示的温度值，tCtC代表用摄氏度表示代表用摄氏度表示的温度

7、值。的温度值。 以上的温标统称为经验温标，它们的缺陷是随意以上的温标统称为经验温标，它们的缺陷是随意性较大，与所选用的测温介质和变量有关，各温标间性较大，与所选用的测温介质和变量有关，各温标间的量值不统一。为克服经验温标的这一缺陷，的量值不统一。为克服经验温标的这一缺陷，18411841年年开尔文提出了用热力学温标来统一温度的量值。开尔开尔文提出了用热力学温标来统一温度的量值。开尔文用卡诺定理的结论定义了一个与测温介质无关的温文用卡诺定理的结论定义了一个与测温介质无关的温标，我们称之为热力学温标。他同时提出了用一个固标，我们称之为热力学温标。他同时提出了用一个固定点定义温度单位的设想。由于热力

8、学温标与所用的定点定义温度单位的设想。由于热力学温标与所用的测温介质无关，因此我们可以用理想气体温标来复现测温介质无关，因此我们可以用理想气体温标来复现热力学温标。同样我们也可以用其他任何一种热力学热力学温标。同样我们也可以用其他任何一种热力学原理来实现热力学温度的测量。至今，已实现的热力原理来实现热力学温度的测量。至今，已实现的热力学测温方法有：气体温度计、声速温度计、磁测温法、学测温方法有：气体温度计、声速温度计、磁测温法、全辐射测温法。全辐射测温法。 尽管热力学温标与测温介质无关，但是实现起来极尽管热力学温标与测温介质无关，但是实现起来极其困难，过程非常复杂，复现精度较低，实用性不其困难

9、，过程非常复杂，复现精度较低，实用性不强。为了能使温度的量值统一，又能使所使用的温强。为了能使温度的量值统一，又能使所使用的温标易于实现。在十九世纪末，欧美一些国家提出了标易于实现。在十九世纪末，欧美一些国家提出了使用国际温标的建议。第一次世界大战结束后，国使用国际温标的建议。第一次世界大战结束后，国际计量大会于际计量大会于19271927年发布了第一个国际温标，即年发布了第一个国际温标，即ITS-27ITS-27。此后，约每隔。此后，约每隔2020年对旧的温标进行修改，年对旧的温标进行修改，实施使用新的温标。若旧温标不能适应当时科学技实施使用新的温标。若旧温标不能适应当时科学技术水平发展的需

10、要，而下次修订时间还没到，也可术水平发展的需要，而下次修订时间还没到，也可以采用临时温标。曾使用过的国际温标有以采用临时温标。曾使用过的国际温标有ITS-27ITS-27，ITS-48ITS-48，IPTS-68IPTS-68及其修订版，及其修订版，EPT-76EPT-76临时温标。临时温标。目前，我们使用的温标是目前，我们使用的温标是ITS-90ITS-90（International International Temperature Scale-1990Temperature Scale-1990）。有关国际温标的内容，）。有关国际温标的内容，参阅参阅ITS-90ITS-90的文本。的文

11、本。 三、测温仪表的分类三、测温仪表的分类按使用范围分按使用范围分（1 1）按使用范围：）按使用范围： 1 1高温计高温计测量温度在测量温度在600600摄氏度以上。摄氏度以上。 2 2温度计温度计测量温度在测量温度在600600摄氏度以下。摄氏度以下。（2 2）按用途分）按用途分: 1: 1标准温度计，标准温度计， 2 2范型温度计，范型温度计， 3 3实用温度计。实用温度计。（3 3）按测温原理分：）按测温原理分：1 1膨胀式温度计膨胀式温度计 2 2压力式温度计压力式温度计 3 3热电阻温度计热电阻温度计 4 4热电偶温度计热电偶温度计 5 5辐射式高温计辐射式高温计（4 4）按测量方式

12、分：）按测量方式分：1 1接触式接触式如膨胀式温度计如膨胀式温度计 2 2非接触式非接触式如辐射式高温计。如辐射式高温计。 各种测温方法是基于物体的某些物理化学各种测温方法是基于物体的某些物理化学性质与温度有一定的关系，例如物体的几何性质与温度有一定的关系，例如物体的几何尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等尺寸、颜色、电导率、热电势和辐射强度等都与物体的温度有关。当温度不同时。以上都与物体的温度有关。当温度不同时。以上达些参数中的一个或几个随之发生变化，测达些参数中的一个或几个随之发生变化，测出这些参数的变化。就可间接地知道被测物出这些参数的变化。就可间接地知道被测物体的温度。体的温度。 表

13、表2424列出一些测温仪表以及它们的作用原列出一些测温仪表以及它们的作用原理。其中序号理。其中序号1515是常用的测温仪表，是常用的测温仪表，6969则是用以测量热力学温度的测温仪表。则是用以测量热力学温度的测温仪表。第二节第二节 简单测温仪表简单测温仪表一、膨胀式温度计一、膨胀式温度计 许多液体和固体，当它们的温度升高时体许多液体和固体，当它们的温度升高时体积就膨胀，根据受热膨胀性质制作的温度积就膨胀，根据受热膨胀性质制作的温度计叫膨胀式温度计。计叫膨胀式温度计。1.液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计 液体膨胀式温度计中应用最广泛的是水液体膨胀式温度计中应用最广泛的是水银玻璃温度计，简称玻璃温

14、度计，因为它银玻璃温度计，简称玻璃温度计，因为它构造简单，使用方便，准确度高和价格低构造简单，使用方便，准确度高和价格低廉。廉。 工业用玻璃温度计工业用玻璃温度计 工业用玻璃温度计一般做成内标式，其尾部工业用玻璃温度计一般做成内标式，其尾部有直的、有直的、9090角和角和135135角的。为了避免在使用时角的。为了避免在使用时易被碰碎，通常罩有金属保护管。但套管的存在易被碰碎，通常罩有金属保护管。但套管的存在使温度计的惰性增加，反应迟缓，若在温包与套使温度计的惰性增加，反应迟缓，若在温包与套管之间填充石墨、铜屑等物质可适当改善。工业管之间填充石墨、铜屑等物质可适当改善。工业玻璃温度计使用时尾部

15、必须完全插入被测介质中，玻璃温度计使用时尾部必须完全插入被测介质中，选用时应注意尾部长度选用时应注意尾部长度( (标准和实验室温度计应插标准和实验室温度计应插到表上的标示线，否则应加修正值到表上的标示线，否则应加修正值) )。 图见下一页图见下一页固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计它是利用固体受热膨胀原理制成的温度计，可分为杆式它是利用固体受热膨胀原理制成的温度计，可分为杆式温度计和双金属温度计，其中使用最多的就是双金属温温度计和双金属温度计，其中使用最多的就是双金属温度计。度计。 分类：分类：1 1、杆式温度计、杆式温度计 杆式温度计的构造如图杆式温度计的构造如图2525所示。测温管所示。测温

16、管1 1是用膨胀系是用膨胀系数大的金属材料制成的感湿元件，其上端固定在外壳数大的金属材料制成的感湿元件，其上端固定在外壳5 5上，管内的杆上，管内的杆2 2是用膨胀系数极小的材料是用膨胀系数极小的材料( (如玻璃或石如玻璃或石英英) )制成的传递元件，其下端用弹簧制成的传递元件，其下端用弹簧4 4紧压在管紧压在管1 1的下端的下端3 3上，当测温管上，当测温管l l周围的被测介质温度发生变化周围的被测介质温度发生变化( (例如升例如升高高) )时，由于测温管时，由于测温管1 1比杆比杆2 2的线膨胀系数大，故使杆的线膨胀系数大，故使杆2 2的上端向下移动，与此同时，通过摇板的上端向下移动，与此

17、同时，通过摇板6 6使指针使指针7 7转动，转动，从而指示出温度示值。从而指示出温度示值。 2 2双金属温度计双金属温度计 双金属温度计中的感温元件是用两片线膨胀系数不双金属温度计中的感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成的。受热后由于两金属片同的金属片叠焊在一起制成的。受热后由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀的膨胀长度不同而产生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差越大，因而引起弯曲的角度越大，如图长度差越大，因而引起弯曲的角度越大，如图2626所所示，双金属温度计就是按这一原理而制成的。示，双金属温度计就是按这一原理而制成的。 金属片一端固定，另一端可自由移

18、动。如果下面金屑金属片一端固定，另一端可自由移动。如果下面金屑的线膨胀系数比上面的大，则当温度升高时，金属片会产的线膨胀系数比上面的大，则当温度升高时，金属片会产生向上的弯曲变形。温度越高，弯曲角度越大，如图生向上的弯曲变形。温度越高，弯曲角度越大，如图223(a)3(a)所示。为使双金属材料长而结构紧凑。占据的空间小所示。为使双金属材料长而结构紧凑。占据的空间小而变形显著，常将双金属片统制成螺旋形，将其一端固定，而变形显著，常将双金属片统制成螺旋形，将其一端固定，另一端和指针相连接，如图另一端和指针相连接，如图23(b)23(b)所示。所示。双金属温度计的精确度等级自双金属温度计的精确度等级

19、自1 10 0级至级至2 25 5级级都有生产，表都有生产，表2525是国内某厂生产的是国内某厂生产的1 15 5级双级双金属温度计金属温度计 双金属温度计由于其结构简单，抗震性能好，双金属温度计由于其结构简单，抗震性能好，比水银温度计坚固，且可以避免水银污染，因比水银温度计坚固，且可以避免水银污染，因此工业上已用它逐步取代水银温度计，近几年此工业上已用它逐步取代水银温度计，近几年来它的发展很快，品种规格也在不断增加，以来它的发展很快，品种规格也在不断增加，以满足工业测温的需要。满足工业测温的需要。 图图2828是一种双金属温度信号器的示意图，当温度变化时，双是一种双金属温度信号器的示意图，当

20、温度变化时，双金属片产生弯曲，并和调节螺钉金属片产生弯曲，并和调节螺钉2 2相接触，使电路接通，信号灯相接触，使电路接通，信号灯4 4便便发亮。如以继电器代替信号灯，便可以用来控制热源发亮。如以继电器代替信号灯，便可以用来控制热源( (如电热丝如电热丝) )而而成为两位式温度调节器。温度的控制范围可通过改变调节螺钉成为两位式温度调节器。温度的控制范围可通过改变调节螺钉2 2与与双金属片双金属片1 1之间的距离来加以调整。之间的距离来加以调整。三、压力表示温度计三、压力表示温度计 压力表式温度计的测温原理基于封闭容器中的工作物质压力表式温度计的测温原理基于封闭容器中的工作物质( (液体、液体、气

21、体或低沸点有机液体饱和蒸气气体或低沸点有机液体饱和蒸气) )受热后体积膨胀而产生压力变受热后体积膨胀而产生压力变化的性质化的性质 压力表式温度计的构造如图压力表式温度计的构造如图2929所示，它由感温元件所示，它由感温元件( (温包和温包和接头管接头管) )、毛细管和盘簧管、毛细管和盘簧管( (即多圈弹簧管即多圈弹簧管) )等元件构成一个封闭等元件构成一个封闭系统。测量时温包被置于被测介质中，温包内的工作物质因温度系统。测量时温包被置于被测介质中，温包内的工作物质因温度升高而压力增大，经毛细管传给盘簧管使之产生变形，并借助于升高而压力增大，经毛细管传给盘簧管使之产生变形，并借助于指示机构指示出

22、被测温度的数值。指示机构指示出被测温度的数值。 温包、毛细管和盘簧管是压力表式温度计的三个主要部分，温包、毛细管和盘簧管是压力表式温度计的三个主要部分，仪表质量的高低与它们的关系极大，因此对它们有一定的要求。仪表质量的高低与它们的关系极大，因此对它们有一定的要求。对感温元件的温包要求强度高、膨胀系数小、热导率高，并视被对感温元件的温包要求强度高、膨胀系数小、热导率高，并视被测介质腐蚀情况选用黄铜、钢或不锈钢。毛细管是用铜或钢等材测介质腐蚀情况选用黄铜、钢或不锈钢。毛细管是用铜或钢等材料冷拉成的无缝圆管，用来传递压力变化，过细或过长会导致滞料冷拉成的无缝圆管，用来传递压力变化，过细或过长会导致滞

23、后大、反应迟钝，同样长度毛细管越细精确度越高。毛细管因碰后大、反应迟钝，同样长度毛细管越细精确度越高。毛细管因碰砸、死弯会引起堵塞，所以常用蛇皮管加以保护。砸、死弯会引起堵塞，所以常用蛇皮管加以保护。1.1.液体压力式温度计常用的工作液体及其主要技液体压力式温度计常用的工作液体及其主要技术性能见表术性能见表2626。在测量下限时液体以较高的压。在测量下限时液体以较高的压力力(15MPa)(15MPa)充入仪表的封闭系统内，这样可以充入仪表的封闭系统内，这样可以减小温包和压力表不在同一高度时由液柱高度差减小温包和压力表不在同一高度时由液柱高度差所引起的误差。测量时的上限压力可达所引起的误差。测量

24、时的上限压力可达17175MPa5MPa。 3 3蒸气压力式温度计蒸气压力式温度计 蒸气压力式温度计是根据液体的饱和蒸气压只和蒸气压力式温度计是根据液体的饱和蒸气压只和气液分界面的温度有关这一道尔顿饱和蒸气压定律而气液分界面的温度有关这一道尔顿饱和蒸气压定律而制作的。如图制作的。如图2626所示。金属温包的一部分容积内盛所示。金属温包的一部分容积内盛放着低沸点的液体放着低沸点的液体1 1，其余空间以及毛细管、弹簧管内，其余空间以及毛细管、弹簧管内充满这种液体的饱和蒸气。由于气液分界面在温包内，充满这种液体的饱和蒸气。由于气液分界面在温包内，因而这种温度计的读数仅和温包温度有关。这种湿度因而这种

25、温度计的读数仅和温包温度有关。这种湿度计的压力计的压力温度关系是非线性的，如图温度关系是非线性的，如图2626所示，不所示，不过可用变刚度弹簧管或在压力表的连杆机构中采取一过可用变刚度弹簧管或在压力表的连杆机构中采取一些补偿措施，使温度刻度线性化。温包中常用液体及些补偿措施，使温度刻度线性化。温包中常用液体及其有关数据见表其有关数据见表2727。 对于测量温度高于环境温度的蒸气压力式温度计，对于测量温度高于环境温度的蒸气压力式温度计，由于毛细管和弹性元件所处的温度由于毛细管和弹性元件所处的温度( (环境温度环境温度) )低于低于温包内气液分界面温度温包内气液分界面温度( (被测温度被测温度),

26、),因此毛细管和因此毛细管和弹性元件内部全部为冷凝液体所充满。对于测量温弹性元件内部全部为冷凝液体所充满。对于测量温度低于环境温度的蒸气压力式温度计、度低于环境温度的蒸气压力式温度计、 由于毛细由于毛细管和弹性元件所处的温度高于温包温度、因此毛细管和弹性元件所处的温度高于温包温度、因此毛细管和弹性元件内将充满蒸气。对于测量温度与环境管和弹性元件内将充满蒸气。对于测量温度与环境温度相交错的蒸气压力式温度计，毛细管和弹性元温度相交错的蒸气压力式温度计，毛细管和弹性元件内可能充满液体也可能充满蒸气。件内可能充满液体也可能充满蒸气。第三节第三节 热电偶温度计热电偶温度计 概念：热电偶是由两根不同材料的

27、导体概念：热电偶是由两根不同材料的导体A A和和B(B(热电极热电极) )焊焊接或绞接而成，如图接或绞接而成，如图210210所示。焊接的一端称作热电所示。焊接的一端称作热电偶的热端或工作端，导线连接的一端称为热电偶的冷端偶的热端或工作端，导线连接的一端称为热电偶的冷端或自由端。或自由端。一、热电偶测温的基本原理一、热电偶测温的基本原理： 把热电偶的热端置于热源中，所处温度为把热电偶的热端置于热源中，所处温度为t t把冷端置把冷端置于外界环境中，所处温度为于外界环境中，所处温度为toto并在冷端串接一个毫安表，并在冷端串接一个毫安表，我们将发现毫安表有电流流过，这种电流叫热电流，产生我们将发现

28、毫安表有电流流过，这种电流叫热电流，产生热电流的电势叫热电势，这种现象称为热电效应热电流的电势叫热电势，这种现象称为热电效应在热电偶闭合回路中产生的热电势，包括温差电在热电偶闭合回路中产生的热电势，包括温差电势及接触电势两部分。势及接触电势两部分。 如图如图210210所所示示一、热电现象和热电偶温度计一、热电现象和热电偶温度计1.1.热电偶：热电偶：两种不同材料的导体（或半导体）两种不同材料的导体（或半导体）A A和和B B组成闭合回路。组成闭合回路。A A、B B是热偶丝，也叫热电极。是热偶丝，也叫热电极。2. 2. 热电势：热电势：热电偶放在被测对象中，两端温度不同热电偶放在被测对象中，

29、两端温度不同时，会产生的电动势时，会产生的电动势3. 3. 热电流：热电流：回路中通过的电流回路中通过的电流4.4.热端（工作端）、冷端（自由端）热端（工作端）、冷端（自由端）：感受温度变：感受温度变化的那端称为或热端，另一端称为或冷端。化的那端称为或热端，另一端称为或冷端。这种物理现象称为这种物理现象称为热电现象热电现象。热电偶：范围热电偶：范围10016000C, 温度信号变成电信号，远温度信号变成电信号，远传。传。先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极热电极

30、A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考端、（参考端、冷端）冷端） 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 左端称为：左端称为：测量端测量端（工作端、（工作端、热端）热端） 热电极热电极B B热电势热电势A AB B上述现象称为热电现象，上述现象称为热电现象，18211821年赛贝克发现的，年赛贝克发现的， 也称赛贝克效应也称赛贝克效应一、热电现象和热电偶温度计一、热电现象和热电偶温度计 1 1、接触电势、接触电势：两种不同导体两种不同导体A、B接触时产生原因接触时产生原因( )ABt0000(, ) ()()( )( )()( )ABABAAABBBE t ttttttt回路总电动势：回路总电

31、动势：A A的电子密度大于的电子密度大于B B，tttt0 0，则回，则回路中存在着路中存在着四个电势四个电势, ,)(te-(t)e)t(t,E0ABAB0AB2 2、热电势的产生原因：、热电势的产生原因：热电势的工作原理：热电势的工作原理：某只热电偶，如果使冷端温某只热电偶，如果使冷端温度度t t0 0保持不变，则热电动势便成为热端温度保持不变，则热电动势便成为热端温度t t的的单一函数。即，单一函数。即，故测量热电势的大小就可以反映温度的数值故测量热电势的大小就可以反映温度的数值 AB0ABE(t,t )e(t)-C3.3.热电势的工作原理热电势的工作原理二、热电偶的三条基本定律二、热电

32、偶的三条基本定律均匀导体定律、均匀导体定律、 中间导体定律、中间导体定律、 中间温度定律中间温度定律1. 1. 均匀导体定律均匀导体定律 1 1）定律内容：）定律内容：由一种均匀导体（或半导体）组成由一种均匀导体（或半导体）组成的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产生电的闭合回路，不论温度如何分布，都不能产生电动势。动势。 2 2）定律推论）定律推论 （1)1)热电偶必须由两种不同材料组成热电偶必须由两种不同材料组成 （2)2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时，由一种材料组成的闭合回路存在温差时，如回路有热电势，则材料不均匀如回路有热电势，则材料不均匀t tB BA AC Ct tE EAC

33、ACE ECBCBC C0 0t t0 0t t0 0t tEAC(t, t0) ECB(t, t0) =eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t0)+ + + 因为因为eAC(t)+ eCB(t) + eBA(t)0所以所以EAC(t, t0) ECB(t, t0) =eAB(t)+ eBA(t0)= EAB(t, t0) 2 2 中间导体定律中间导体定律推论推论2的证明的证明3 3 中间温度定律中间温度定律1 1）定律内容：）定律内容： 热电偶在两接点温度热电偶在两接点温度t t1 1、t t3 3时的热电动时的热电动势等于接点温度分别为势等于接点温度分别为t t1 1、t t2 2和

34、和t t2 2、t t3 3 的两支同性质热的两支同性质热电偶的热电动势的代数和。电偶的热电动势的代数和。+ +A At t1 1t t2 2B BE E1 1+ +A At t3 3B BE E2 2EAB(t1, t2) EAB(t2, t3) = eAB(t1)+ eBA(t2)+ eAB(t2) + eBA(t3)= eAB(t1) + eBA(t3)= EAB(t1, t3)+ +A At t1 1t t3 3B BE E3 3=E=E1 1+E+E2 22)2)定律的应用：定律的应用：1 1）为热电偶）为热电偶热电势温度关系分度热电势温度关系分度奠定了理论基础。奠定了理论基础。 已

35、知热电偶在某一给定冷端温度下，电压对已知热电偶在某一给定冷端温度下，电压对应的温度值，另外冷端温度下，电压应对应什么应的温度值，另外冷端温度下，电压应对应什么温度？（修正解决）温度？（修正解决）2 2）为工业测温中）为工业测温中应用补偿导线应用补偿导线提供了理论依据。提供了理论依据。 1 1 测温时，其冷端温度要求恒定测温时，其冷端温度要求恒定（？），如直（？），如直接满足此条件，热电偶冷端直接延伸放到恒温的接满足此条件，热电偶冷端直接延伸放到恒温的地方，热电偶很长，价格较高。地方，热电偶很长，价格较高。 2 2 用补偿导线连接到热电偶的冷端，延伸至恒用补偿导线连接到热电偶的冷端，延伸至恒定冷

36、端温度，在达到冷端温度恒定要求的同时，定冷端温度，在达到冷端温度恒定要求的同时，降低造价。降低造价。 分为补偿型和延伸型分为补偿型和延伸型 补偿型的材料与对应的热电偶不同，价格便补偿型的材料与对应的热电偶不同，价格便宜，但在低温下热电性质相同宜，但在低温下热电性质相同 延伸型的材料与对应的热电偶相同，但准确延伸型的材料与对应的热电偶相同，但准确度要求略低度要求略低4 4）使用补偿导线的注意事项）使用补偿导线的注意事项 （1 1）在一定的温度范围内使用）在一定的温度范围内使用 （2 2）补偿导线与热电偶极热电性质相同）补偿导线与热电偶极热电性质相同 （3 3）极性不能接反）极性不能接反 （4 4

37、）接入点温度一致）接入点温度一致 3 3）补偿导线的分类）补偿导线的分类 热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管等热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管等几个主要部分组成，其常见外形结构如图所几个主要部分组成，其常见外形结构如图所示示。安装安装螺纹螺纹安装安装法兰法兰第四节第四节 热电阻温度计热电阻温度计一、热电阻的测温原理：一、热电阻的测温原理： 从物理学中知道，导体的电阻值是随着温度的变化而变化的，从物理学中知道，导体的电阻值是随着温度的变化而变化的，一般说来，它们之间有如下关系：一般说来，它们之间有如下关系： 电阻温度计就是利用导体电阻温度计就是利用导体( (或半导体或半导体) )的电阻值随

38、着温度变化的电阻值随着温度变化这一特性来进行温度测量的，即把温度变化所引起导体电阻变化，这一特性来进行温度测量的，即把温度变化所引起导体电阻变化，通过测量桥路转换成电压通过测量桥路转换成电压( (毫伏级毫伏级) )信号，然后送人显示仪表以指信号，然后送人显示仪表以指示或记录被测温度的，如图示或记录被测温度的，如图2 22828所示。所示。 由上述可知，热电阻温度计和热电偶温度计的测量原理是不由上述可知，热电阻温度计和热电偶温度计的测量原理是不同的。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转换为同的。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转换为热电势的变化来测量温度的，而热电阻温度计则

39、是把温度的变化热电势的变化来测量温度的，而热电阻温度计则是把温度的变化通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。 热电阻温度计适用于测量一热电阻温度计适用于测量一200200一十一十500500低温范围内液体、低温范围内液体、气体、蒸汽及固体表面温度，它和热电偶温度计一样，也具有远气体、蒸汽及固体表面温度，它和热电偶温度计一样，也具有远传、自动记录和多点测量等优点传、自动记录和多点测量等优点( )Rf t二、热电阻的材料和要求：二、热电阻的材料和要求： 热电阻测温的机理是利用导体或半导体的电阻值随温热电阻测温的机理是利用导体或半导体的电

40、阻值随温度变化而变化的性质，但不是所有导体或半导体材料都可度变化而变化的性质，但不是所有导体或半导体材料都可以作为测量元件，还得要从其他方以作为测量元件，还得要从其他方的性质来考虑和选择，对热电阻材料的要求有：的性质来考虑和选择，对热电阻材料的要求有： (1)(1)理化性质稳定，测量精确度高，抗腐蚀，使理化性质稳定，测量精确度高，抗腐蚀，使 (2) (2)电阻温度系数要大，即灵敏度要高。电阻温度系数要大，即灵敏度要高。 (3)(3)电阻率要高，以使热电阻的体积较小，减小测温电阻率要高，以使热电阻的体积较小，减小测温时的时间常数。时的时间常数。 (4)(4)热容量要小，使电阻体热情性小，反应较灵

41、敏。热容量要小，使电阻体热情性小，反应较灵敏。 (5)(5)线性好，即电阻与温度关系成线性或为平滑曲线。线性好，即电阻与温度关系成线性或为平滑曲线。 (6)(6)易于加工，价格便宜，降低制造成本。易于加工，价格便宜，降低制造成本。 (7)(7)复现性好，便于成批生产和部件互换。复现性好，便于成批生产和部件互换。 三三 常用热电阻常用热电阻 最常用的热电阻是铂热电阻和铜热电阻两种。随着低温最常用的热电阻是铂热电阻和铜热电阻两种。随着低温和超和超 1 1铂热电阻铂热电阻 铂电阻的特点是精确度高、稳定性好、性能可靠，但铂电阻的特点是精确度高、稳定性好、性能可靠，但是在还原性介质中，特别是在高温下很容

42、易被从氧化物中是在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸气所站污而变脆，并改变电阻与温度问关系。还原出来的蒸气所站污而变脆，并改变电阻与温度问关系。为了克服上述缺点使用时热电阻芯应装在保护套管中。在为了克服上述缺点使用时热电阻芯应装在保护套管中。在0-630.740-630.74摄氏度铂电阻与温度的关系可表示：摄氏度铂电阻与温度的关系可表示： - -温度为温度为t t时热电阻的电阻值；时热电阻的电阻值； - -温度为温度为0 0度时的电阻值；度时的电阻值； A-A-常数，常数，A=3.96847A=3.96847* * B B常数，常数，B=3.9B=3.9* *20(1)

43、tRRAtBttR0R310310 -190 -190到到0 0摄氏度，铂的电阻值与温度可表示为：摄氏度，铂的电阻值与温度可表示为： 铂的纯度通常用铂的纯度通常用 。来表示，。来表示， 代表在水沸点代表在水沸点(100)时的电阻值，时的电阻值， 代表水在代表水在O时的电阻值。时的电阻值。 目前目前技术水平己可达到技术水平己可达到 / 13930，其相应铂的纯度为，其相应铂的纯度为999995。工业用铂电阻的纯度为。工业用铂电阻的纯度为 / 13871391。 工业上还常用微型铂热电阻，它的体积小，热惯性小，气密工业上还常用微型铂热电阻，它的体积小，热惯性小，气密性好。它的结构如图性好。它的结构

44、如图231所示，是由刻有螺纹的圆柱形玻璃所示，是由刻有螺纹的圆柱形玻璃棒棒(高温铂电阻使用石英文架高温铂电阻使用石英文架)上绕以上绕以gL0044005已迟火已迟火的铂丝的铂丝(石英支架用螺旋形铂丝石英支架用螺旋形铂丝)，引出线用，引出线用o5mm的铂丝，的铂丝，外面套以外面套以445的特殊玻璃管的特殊玻璃管(或石英管或石英管)作为保护套管。作为保护套管。2301(t100)t tRRAtBtC100R100R100R100R0R0R0R0R2 2、铜热电阻、铜热电阻 工业上常用铜热电阻来测量一工业上常用铜热电阻来测量一5050一十一十150150范围的温度，范围的温度，铜容易提纯，价格比铂便

45、宜很多，电阻温度关系是线性的，铜容易提纯，价格比铂便宜很多，电阻温度关系是线性的，用公式用公式 表示。表示。 (4(425254 428) 28) 。但是铜的电阻率但是铜的电阻率( (比电阻比电阻) ) O O0170 0170 m m，比铂，比铂的电阻率尔的电阻率尔 o o0981009810 约小约小5 56 6，所以制，所以制成一定电阻值的热电阻时，与铂相比，若电阻丝的长度相成一定电阻值的热电阻时，与铂相比，若电阻丝的长度相同时，则铜电阻丝就很细，机械强度降低，若线径相同，同时，则铜电阻丝就很细，机械强度降低，若线径相同，长度则增高许多倍，体积增大。此外，铜在长度则增高许多倍，体积增大。

46、此外，铜在100100以上容以上容易氧化，抗腐蚀性能又差，所以工作温度不超过易氧化，抗腐蚀性能又差，所以工作温度不超过150150。t0tRR （1+）310ucuc2mm2mm四四 热电阻的型号、主要规格及技术特性热电阻的型号、主要规格及技术特性 热电阻通常都由电阻体、绝缘子、保护套管和接线盒四个热电阻通常都由电阻体、绝缘子、保护套管和接线盒四个部分组成。除电阻体外，其余部分的结构和形状与热电偶部分组成。除电阻体外，其余部分的结构和形状与热电偶的相应部分相同，故此从略。的相应部分相同，故此从略。 热电阻的型号系采用汉语拼音字母来表示，第一字母热电阻的型号系采用汉语拼音字母来表示，第一字母W表

47、示温度，第二字母表示温度，第二字母Z表尔热电阻，第三字母则分别表示表尔热电阻，第三字母则分别表示热电阻的分度号，铂电阻为热电阻的分度号，铂电阻为B，新型号用英文字母，新型号用英文字母P，铜，铜电阻为电阻为G，新型号用，新型号用C。如果下角标有。如果下角标有“2”，则表示是双，则表示是双支热电阻，如铜热电阻的型号支热电阻，如铜热电阻的型号WZG、WZC，铂热电阻的，铂热电阻的型号为型号为WZB，WZP或或WZB2、WZP2。 五、热电阻的校验和故障五、热电阻的校验和故障 校验原理：校验原理： 校验原理如下：被校的热电阻校验原理如下：被校的热电阻4 4、5 5和标准电阻和标准电阻3(3(一般用一般

48、用1 1欧欧姆或姆或3 3欧姆欧姆) )、电池、电池1 1、可变电阻、可变电阻2 2、毫安表串接在一起形成回路。、毫安表串接在一起形成回路。调节可变电阻调节可变电阻2 2使回路电流约为使回路电流约为1mA1mA。当热电阻。当热电阻4 4、5 5插入冰水或水插入冰水或水沸腾器中，电流在标准电阻沸腾器中，电流在标准电阻(Rs)3(Rs)3、被校热电阻、被校热电阻(Rt)4(Rt)4、5 5上产生上产生了一定的电压降了一定的电压降(Us(Us，Uc)Uc)，电压降可以通过切换开关，电压降可以通过切换开关6 6和换向开和换向开关关7 7输到电位差计输到电位差计8 8，由电位差计指示出读数。，由电位差计

49、指示出读数。 改变切换开关改变切换开关6 6的接点位置，可以顺序地把标准电阻的接点位置，可以顺序地把标准电阻3 3、被校、被校热电阻热电阻4 4、5 5上的电压降输到电位差计去，换向开关上的电压降输到电位差计去，换向开关7 7的作用是使的作用是使测量电阻值时，能正负各测一次，以保证测量准确。被校热电阻测量电阻值时，能正负各测一次，以保证测量准确。被校热电阻的电阻值可按的电阻值可按 就可以测得就可以测得RoRo的数值。的数值。ttss/*RUUR 概念：概念： 半导体点温计是利用锰、镍、铜和铁等金属氧化物半导体点温计是利用锰、镍、铜和铁等金属氧化物配制成的热敏电阻作为测温元件，其形状有珠形、圆形

50、、垫配制成的热敏电阻作为测温元件，其形状有珠形、圆形、垫圈形和薄片形，常用的有圈形和薄片形，常用的有61型珠形及微型珠形半导体热敏电型珠形及微型珠形半导体热敏电阻，如图阻，如图235所示。与一般热电阻不同之处在于它有负电阻所示。与一般热电阻不同之处在于它有负电阻温度系数，温度升高，电阻降低，变化幅度也大，达一温度系数，温度升高，电阻降低，变化幅度也大，达一2一一一一7，而且是非线性的，其特性曲线如图，而且是非线性的，其特性曲线如图236所示。由于所示。由于它具有良好的抗腐蚀性、灵敏度高、热惯性小、结构简单、它具有良好的抗腐蚀性、灵敏度高、热惯性小、结构简单、寿命长、便于远距离测量等优点，可用于

51、腐蚀性介质温度、寿命长、便于远距离测量等优点，可用于腐蚀性介质温度、表面温度及体温等的温度测量，缺点是测量范围小表面温度及体温等的温度测量，缺点是测量范围小(一一50一十一十300)，互换性差，互换性差。六、半导体点温计六、半导体点温计第五节第五节 非接触式测温仪表非接触式测温仪表 概念概念： 非接触式测温仪表主要是基于热辐射机理的一种非接触式测温仪表主要是基于热辐射机理的一种温度传感器，这类温度传感器的最大特点就是传感器的任温度传感器，这类温度传感器的最大特点就是传感器的任何部分不与被测介质接触，它通过测量物体的辐射能或与何部分不与被测介质接触，它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实

52、现温度测量。辐射能有关的信号来实现温度测量。 由于不必与被测介质接触，非接触式测温仪表具有以下由于不必与被测介质接触，非接触式测温仪表具有以下优点优点 (1)(1)不存在因接触产生传热而引起测温传热误差；不存在因接触产生传热而引起测温传热误差； (2) (2)不破坏被测温度场，可以测量热容量较小的物体；不破坏被测温度场，可以测量热容量较小的物体； (3) (3)理论上测温上限不受测温传感器材料的限制；理论上测温上限不受测温传感器材料的限制； (4) (4)动态性能好，响应速度快，可测量运动物体的温度动态性能好，响应速度快，可测量运动物体的温度 (5) (5)可以测出二维温度分布可以测出二维温度

53、分布。一、非接触测温仪表也存在一些缺点： (1) (1)测量误差较大，仪表示值一般只代表表面外观温测量误差较大，仪表示值一般只代表表面外观温度；度； (2) (2)在辐射通道上介质吸收及反射光干扰将影响仪表在辐射通道上介质吸收及反射光干扰将影响仪表示值；示值； (3) (3)被测温度表面发射率变化会影响仪表的测量数值被测温度表面发射率变化会影响仪表的测量数值； (4)(4)结构较复杂，价格较昂贵。结构较复杂，价格较昂贵。一、辐射测温的基础理论 1 1全辐射体的热辐射全辐射体的热辐射 热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。只要是热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。只要是热力学温度不为热力学温度

54、不为0K0K的物体，其内部带电粒子的热运动都会的物体，其内部带电粒子的热运动都会向外放射不同波长的电磁波，人们把热能以电磁波的形式向外放射不同波长的电磁波，人们把热能以电磁波的形式向外辐射，称为热辐射。物体温度越高，带电粒子的运动向外辐射，称为热辐射。物体温度越高，带电粒子的运动越剧烈，向外发出的辐射能就越强。粒子运动的频率不同越剧烈，向外发出的辐射能就越强。粒子运动的频率不同，放射出的电磁波波长就不同。，放射出的电磁波波长就不同。 全辐射体的光谱辐射出射度与波长和温度的关系：全辐射体的光谱辐射出射度与波长和温度的关系： - -波长，波长， -普朗克第一辐射常数，普朗克第一辐射常数， -普朗克

55、第二常数。普朗克第二常数。2c51t01ceM（-1）1c2c2、实际物体的热辐射 实际物体的光谱辐射出射度与温度、波长的关系实际物体的光谱辐射出射度与温度、波长的关系 - -波长波长 下实际物体的光谱发射率。下实际物体的光谱发射率。 - -实际物体在波长实际物体在波长 下的光谱发射率。下的光谱发射率。 二二 光学高温计（重点）光学高温计（重点） 光学高温计是基于光谱辐射原理的测温仪表，物体在高光学高温计是基于光谱辐射原理的测温仪表，物体在高温状态下会发光，在可见光的波长范围温状态下会发光，在可见光的波长范围(0.35(0.35一一0.75) 0.75) 内，高温物体的热辐射以光的形式表现出来

56、，其辐射的强内，高温物体的热辐射以光的形式表现出来，其辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系。实际物体在某一波长度与光的亮度之间有一定的关系。实际物体在某一波长 下的光谱辐射亮度下的光谱辐射亮度 和光谱辐射出射度和光谱辐射出射度 是成正比是成正比的，即的，即0MMMmLM 对一个确定的物体对一个确定的物体( (可近似认为可近似认为 固定不变固定不变) )，在可见光波长范围，在可见光波长范围内的某一波长下，因为实际物体的光谱辐射出射度内的某一波长下，因为实际物体的光谱辐射出射度 与物体温与物体温度呈单值函数关系，所以光谱辐射亮度度呈单值函数关系，所以光谱辐射亮度 必定与温度之间也呈必定与温度之间也

57、呈现出单值对应关系。这就是光学高温计测温的基本原理。通过直接现出单值对应关系。这就是光学高温计测温的基本原理。通过直接测量光谱辐射亮度来确定物体的温度比较困难，光学高温计则是采测量光谱辐射亮度来确定物体的温度比较困难，光学高温计则是采用亮度比对法，具体的实现原理为：光学高温计中装有一只亮度可用亮度比对法，具体的实现原理为：光学高温计中装有一只亮度可调的灯泡，作为比较光源。测温时，在某一波长下用灯泡灯丝的光调的灯泡，作为比较光源。测温时，在某一波长下用灯泡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

58、度，使二者亮度相等，该灯泡亮度与其灯泡灯流人工调整灯丝的亮度，使二者亮度相等，该灯泡亮度与其灯泡灯丝的电气参数丝的电气参数( (电流或电阻电流或电阻) )之间有一一对应关系，因此测出其电气之间有一一对应关系，因此测出其电气参数就测量出物体的亮度，从而测量出物体的温度值，最终实现非参数就测量出物体的亮度，从而测量出物体的温度值，最终实现非接触的温度测量，其结构示意和亮度对比示意如图接触的温度测量，其结构示意和亮度对比示意如图 （图见下页图见下页）/LMML 图图238238所示的光学高温计由光学系所示的光学高温计由光学系统与电气系统两部分组成。光学系统统与电气系统两部分组成。光学系统包括物镜、目

59、镜、红色滤光片、灯泡包括物镜、目镜、红色滤光片、灯泡、吸收玻璃等。物镜和目镜均可移动、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、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，以比较两者的亮度。与灯丝的成像，以比较两者的亮度。红色滤光片的作用是与人眼构成红色滤光片的作用是与人眼构成“单单色器色器”，以保证在，以保证在定波长定波长(0.66 (0.66 左右左右) )下比较两者的光谱辐射亮度。下比较两者的光谱辐射亮度。测量线路用来测量测量线路用来测量

60、与灯丝亮度相与灯丝亮度相应的灯丝的电流、电压降或电阻等电应的灯丝的电流、电压降或电阻等电气气 “参数，并最终显示温度示值参数，并最终显示温度示值。在图。在图238238中采用的是测量灯丝两中采用的是测量灯丝两端的电流。不同型号的光学高温计的端的电流。不同型号的光学高温计的结构大同小异结构大同小异。m 在使用光学高温计测量温度时，人在使用光学高温计测量温度时，人眼通过目镜看到的图像如图眼通过目镜看到的图像如图239239所示。所示。在被测对象的背景上有一根灯丝，如看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的亮度，应调