第一章第一节温度测量第一讲

1、第一章第一章 参数检测参数检测一、温度测量一、温度测量1 温度和温标温度和温标温度是表征物体冷热程度的物理量。温度是表征物体冷热程度的物理量。譬如规定什么样譬如规定什么样的温度是的温度是150150，什么样的温度是，什么样的温度是200200用来衡量物体温度高低的标尺叫温度标尺，简称用来衡量物体温度高低的标尺叫温度标尺，简称“温标温标”。国际普遍使用的温标有四种：国际普遍使用的温标有四种：热力学温标、热力学温标、 国际实用温标、摄氏温标、华氏温标国际实用温标、摄氏温标、华氏温标摄氏温标摄氏温标 （1740年瑞典人摄尔修斯年瑞典人摄尔修斯(Celsius)(Celsius)） 定义：定义：v水银

2、体膨胀是线性；水银体膨胀是线性；v标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度，沸点为标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度，沸点为100度，度，v而将汞柱在这两点间等分为而将汞柱在这两点间等分为100格，每等分格为摄格，每等分格为摄氏氏1度，标记为度，标记为。华氏温标华氏温标定义：定义：1714年德国人华伦海特年德国人华伦海特(Fahrenheit)以水银为测温介以水银为测温介质，制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为质，制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为212度，度，氯化铵与冰的混合物为氯化铵与冰的混合物为0度度(纯水冰点纯水冰点32度度)，中间等分，中间等分为为212份，每一份为份，每一份为1度记作度记作

3、。称为华氏温标。称为华氏温标。5(32)9CF热力学温标（开氏温度）热力学温标（开氏温度）以热力学第二定律为基础，规定分子运动停止（即没有以热力学第二定律为基础，规定分子运动停止（即没有热存在）时的温度为绝对零度（热存在）时的温度为绝对零度（0K）。选用水的三相点）。选用水的三相点温度为温度为273.16，定义水的三相点温度的，定义水的三相点温度的1/273.16为为1度，度，单位为单位为K，这样就建立了热力学温标。，这样就建立了热力学温标。热力学温标是一种纯理论、与物体任何物理性质无关热力学温标是一种纯理论、与物体任何物理性质无关的温标，存在实验上的困难，不便于实际应用。的温标，存在实验上的

4、困难，不便于实际应用。国际实用温标国际实用温标ITS-90国际温标国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度同时定义国际开尔文温度(符号为符号为T90)和国和国际摄氏温度际摄氏温度(符号为符号为t90)国际实用温标指出，热力学温度为基本物理量，规定水的三相点温国际实用温标指出，热力学温度为基本物理量，规定水的三相点温度为度为273.16，单位为，单位为k，1k的大小为水的三相点热力学温度的的大小为水的三相点热力学温度的1/273.16，由于摄氏温标将冰点定义为，由于摄氏温标将冰点定义为0，而冰点比水的三相点低，而冰点比水的三相点低0.01k0.01k，那么冰点温度为，那么冰点温度为273.15

5、k，即，即)(15.2739090KKTt）（）单位单位当表示温度差和温度间隔时当表示温度差和温度间隔时1=1K热电偶热电偶热电偶温度传感器热电偶温度传感器温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快

6、速及动态温度的测量。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电偶温度传感器热电偶温度传感器温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。热电

7、偶工作原理热电偶工作原理两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热热电效应电效应。这种现象早在1821年首先由塞贝克（Seeback）发现,所以又称塞贝克效应。热电偶原理图TT0AB回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。接触电势接触电势两种不同材质的导体两种不同材质的导体A、B相接触时产生的电动势叫接相接触时产生的电动势叫接触电势。触电势。 接触电势原理图+ABTeAB(T)-热电偶回路电势热电偶回路电势热电偶回路电势热电偶回路电势eA

8、B(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势；e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ；NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。BAABNNekTTeln)(接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。温差电势温差电势同一导体两端温度不同而产生的电势称为温差电势。同一导体两端温度不同而产生的电势称为温差电势。AeA(T,To)ToT温差电势原理图dTTTeTTAA0),(0eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势；T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表

9、示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。回路热电势回路热电势由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：),(),()()(),(0000TTeTTeTeTeTTEBAABABABBTATNNekTln00ln0BTATNNekTdTTTBA0)()t (-) t (0ABABEET0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB热电偶回路电势热电偶回路电势如果固定冷段温度 ， =C（常数），则：t0)(te0AB) t (-) t (e)tt (AB0CEAB，中间

10、导体定律中间导体定律一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。势的代数和为零。 E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0三种不同导体组成的热电偶回路TABCTT如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则20将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即3EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）EAB(T1,T2)=

11、EAB(T1)-EAB（T2）T2T1AaBC23EABaAT023AEABT2 C(a)(b)T0T0第三种材料接入热电偶回路图同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：T1接入中间导体的热电偶回路接入中间导体的热电偶回路)tt ()tt ()tt ()t ()t () t ()tt (0000000，BCABCCAABABCE其中其中)t (-)t ()t ()t (0000ABBABCCA带入原式并参见课本（带入原式并参见课本（1-2）得出：）得出：),()tt ()tt (-)t (-) t ()tt (00000ttEEABBAABABABC，常

12、用热电偶常用热电偶热电偶材料应满足：热电偶材料应满足：l 物理性能稳定，热电特性不随时间改变；物理性能稳定，热电特性不随时间改变；l 化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；蚀；l 热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；l 便于制造；便于制造；基本结构基本结构1接线盒接线盒2保险套管保险套管3绝缘套管绝缘套管4热电偶丝热电偶丝普通热电偶结构图普通热电偶结构图热电偶主要分类热电偶主要分类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标

13、准规定了其热电势与温所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从量。标准化热电偶我国从1988年年1月月1日起，热电偶和日起，热电偶和热电阻全部按热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定国际标准生产，并指定S、

14、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。快速微型热电偶快速微型热电偶示意图见示意图见P11图图1-5冷段温度补偿冷段温度补偿原因l热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；l热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。方法u 冷端补偿导线法u 计算校正法u 冰浴法u 补偿电桥法u 零点迁移法u 软件处理法冷段补偿导线法冷段补偿导线法 mVEAB(T,T0)T0T0TABUT0T0AB补偿导线连接图补偿导线连接图新冷段温度原冷段温度；补偿导线；热电偶；-

15、tt, ,00BABA计算校正法计算校正法EAB(t,0)=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)式中式中t工作端温度工作端温度t0实际冷段温度实际冷段温度EAB(t,0)热电偶工作在两端温度热电偶工作在两端温度t与与t0时仪表测出的热时仪表测出的热电势；电势；EAB(t,t0)，EAB(T0,0)该热电偶爆出冷段温度为该热电偶爆出冷段温度为0，而工作温度分别取而工作温度分别取t，t0时的热电势值，此值可以从相应时的热电势值，此值可以从相应地热电偶分度表中查到。地热电偶分度表中查到。热电阻热电阻由金属（铂、铜、镍等）材料制成的称为由金属（铂、铜、镍等）材料制成的称为热电阻热电阻；由半导体材料制成的称为由半导体材料制成的称为热敏电阻热敏电阻。热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻率随温度的变化而变化的原理制成的，可将温度的随温度的变化而变化的原理制成的，可将温度的变化转化为电阻的变化。变化转化为电阻的变化。热电阻结构热电阻结构热敏电阻用于热敏电阻用于电热水器电热水器的温度控制的温度控制 温度显示仪表温度显示仪表显示仪表显示仪表接受测温元件输出信号，讲测量值显示（指示、记录等）出来以供接受测温元件输出信号，讲测量值显示（指示、记录等）出来以供观察的仪表。观察的仪表。分类分类1、模拟式显示仪表、模拟式显示仪