第三章温度测量

1、第三章温度测量衡量温度的标准尺度。衡量温度的标准尺度。譬如规定什么样的温度譬如规定什么样的温度是是150150，什么样的温度是，什么样的温度是2002003-1 温度的测量方法一、温标一、温标国际普遍使用的温标有四种：热力学温标、国际普遍使用的温标有四种：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。温标三要素：温度计、固定点、内插方程温标三要素：温度计、固定点、内插方程定义定义v水银体膨胀是线性；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，而将汞柱在这两点间等分为度，而将汞柱在这两点间等分为

2、100格，格，每等分格为摄氏每等分格为摄氏1度，标记为度，标记为。定义定义1714年德国人法伦海脱以水银为测温介质，年德国人法伦海脱以水银为测温介质，制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为212度，氯化铵与冰的混合物为度，氯化铵与冰的混合物为0度，中间等分为度，中间等分为212份，每一份为份，每一份为1度记作度记作。称为华氏温标。称为华氏温标。5(32)9CFQ1：卡诺热机从高温热源吸收热量；Q0：卡诺热机向低温热源放出热量Q1/Q0 =T1/T0 假设一卡诺热机工作在温度为T0的低温热源和未知温度的高温热源之间，如果该卡诺热机向低温热源放出的热量为Q0 ，从

3、高温热源吸收的热量为Q1 ，那么高温热源的温度为T1 = Q1/Q0 T0T0T1卡诺热机Q0Q10011T/Q Q T热力学温度的热力学温度的内插方程内插方程 假设一标准热源热力学温度为假设一标准热源热力学温度为100K，热，热力学温标如何规定力学温标如何规定300K的温度？的温度？拿标准热源作为低温热源，另一热源作拿标准热源作为低温热源，另一热源作为高温热源，让一卡诺热机在两热源之为高温热源，让一卡诺热机在两热源之间运转，如果从高温热源吸收的热量间运转，如果从高温热源吸收的热量Q1与向标准热源放出的热量与向标准热源放出的热量Q0之比等于之比等于3 ，那么高温热源温度等于那么高温热源温度等于

4、300K现实中热力学温标是应用气体特性方程实现的。现实中热力学温标是应用气体特性方程实现的。理想气体的理想气体的P、V、T之间的关系式为：之间的关系式为：恒量TPVv以水的三相点作为参考点，这样可按照气以水的三相点作为参考点，这样可按照气体压力变化测温。体压力变化测温。16.273参PTP（气体定容温度计）（气体定容温度计）v选用水的三相点温度为，定义水的三相选用水的三相点温度为，定义水的三相点温度的为点温度的为1度，单位为度，单位为k，这样就建立了这样就建立了热力学温标。只要确定一个基准点，则整热力学温标。只要确定一个基准点，则整个温标就确定了。个温标就确定了。v指导思想指导思想: : 应尽

5、量与热力学温标接近，温度的复应尽量与热力学温标接近，温度的复现性要好。现性要好。v内容内容（1 1）定义了固定点，共有）定义了固定点，共有1717个。个。（2）规定不同区域内的基准仪器。）规定不同区域内的基准仪器。（3）建立基准仪器示值与国际温标之间的插补公式。）建立基准仪器示值与国际温标之间的插补公式。 国际实用温标指出，热力学温度为基本物理国际实用温标指出，热力学温度为基本物理量，规定水的三相点温度为，单位为量，规定水的三相点温度为，单位为k，1k的的大小为水的三相点热力学温度的，由于摄氏温大小为水的三相点热力学温度的，由于摄氏温标将冰点定义为标将冰点定义为0，而冰点比水的三相点低，而冰点

6、比水的三相点低，那么冰点温度为那么冰点温度为，即，即 单位单位。15.2739090 Tt玻璃管液体温度计 固体膨胀式 压力式温度计膨胀式温度计测温热电偶测温热电阻测温接触法非接触法测温方法温度测量方法的分类温度测量方法的分类1接触法测温：敏感元件直接与被测对象接接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度。象的温度。优点：直观、可靠。优点：直观、可靠。缺点：缺点：存在负载效应，存在负载效应，受到测量条件的限制，不能充分接触，使检受到测量条件的限制，不能充分接触，使检测元件温度与被测对象温度不一致。测元件温度与被测

7、对象温度不一致。热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。（动态误差）（动态误差）l2非接触法测温：检测部分与被测对象不直接非接触法测温：检测部分与被测对象不直接接触，不破坏原有温度场。通常用来测量接触，不破坏原有温度场。通常用来测量1000以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体。以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体。温度测量方法的分类温度测量方法的分类温度传感器温度传感器装配式热电偶装配式热电偶防爆防爆热电热电阻阻测温敏感元件在受热后尺寸或体积发生变测温敏感元件在受热后尺寸或体积发生变化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或

8、体积变化的大小。体积变化的大小。分类：分类：液体膨胀式、固体膨胀式、压力式液体膨胀式、固体膨胀式、压力式（一）工作原理（一）工作原理w利用玻璃管内液体的体积随温度利用玻璃管内液体的体积随温度的升高而膨胀的原理。的升高而膨胀的原理。w组成：液体存储器、毛细管、标组成：液体存储器、毛细管、标尺、安全泡四部分。尺、安全泡四部分。w液体可为：水银、酒精、甲苯等。液体可为：水银、酒精、甲苯等。w当温度超过当温度超过300时，应采用硅时，应采用硅硼玻璃，硼玻璃，500500以上要采用石英玻以上要采用石英玻璃。璃。4（二）结构与类型（二）结构与类型 棒式玻璃温度计棒式玻璃温度计 内标式玻璃温度计内标式玻璃温

9、度计 电接点式温度计电接点式温度计利用水银的热胀冷缩和利用水银的热胀冷缩和水银的导电性。水银的导电性。功能功能:(:(1 1）指示温度，）指示温度， （2 2）恒温自动控制。）恒温自动控制。 玻璃棒温度计玻璃棒温度计（1）玻璃材料有较大的热滞后效应。）玻璃材料有较大的热滞后效应。（2）温度计插入深度不够将引起误差，）温度计插入深度不够将引起误差，（3）非线性误差）非线性误差（4）工作液的迟滞性）工作液的迟滞性（5）读数误差）读数误差液柱应全部浸入被测介质中。若只有部分液柱被液柱应全部浸入被测介质中。若只有部分液柱被浸没时，应对指示值进行修正。浸没时，应对指示值进行修正。 )(attnt某水银温

10、度测量水温为某水银温度测量水温为90，插入处刻，插入处刻度为度为10，环境温度为，环境温度为10 ，则测量误，则测量误差为差为-1.024n: 露出液体部分所占的刻度数，露出液体部分所占的刻度数， : 工作液体工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（汞，洒精），对玻璃的相对体膨胀系数（汞，洒精），t: 温度计的示值，温度计的示值，ta: 露出液柱部分所处的环境露出液柱部分所处的环境温度温度温度计与被测介质应接触足够长的时间，以使温度计与被测介质应接触足够长的时间，以使温度计与被测介质达到热平衡。温度计与被测介质达到热平衡。读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱于同一读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱于同一

11、水平面上，手持温度计顶端的小耳环，不可触水平面上，手持温度计顶端的小耳环，不可触摸标尺。摸标尺。（一）类型及工作原理（一）类型及工作原理 利用固体受热膨胀原理利用固体受热膨胀原理制成的温度计制成的温度计1. 杆式温度计杆式温度计 利用固体（一般采用膨利用固体（一般采用膨胀系数较大的金属）材胀系数较大的金属）材料构成料构成它的感温元件是由膨它的感温元件是由膨胀系数不同的两种金胀系数不同的两种金属片牢固地结合在一属片牢固地结合在一起制成。起制成。l可作温度继电控制、可作温度继电控制、极值温度控制信号极值温度控制信号固定端自由端BBAA双金属温度计双金属温度计（一）工作原理与结构形式（一）工作原理与

12、结构形式1 原理原理 压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力式温度计是利用密封系统中测温物质的压力随温度变化来测温；压力随温度变化来测温；2 分类分类 按所充物质相态分充气式、冲液式、按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式蒸发式 按功能分：指示式、记录式、报警式按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等和温度调节式等3 组成组成 温包、毛细管、感压元温包、毛细管、感压元件（弹簧管、波纹管等）件（弹簧管、波纹管等） （二）（二）使用方法与特点使用方法与特点对毛细管采取保护措施，防对毛细管采取保护措施，防止损坏；注意安装方式与位止损坏；注意安装方式与位置对精度的影响。置对精度的影响。特点：

13、结构简单，价格便宜，特点：结构简单，价格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，刻度清晰，防爆。精度差，示值滞后时间长，毛细管易示值滞后时间长，毛细管易损坏。损坏。 标准热电偶标准热电偶热热电电偶偶一热电偶的工作原理一热电偶的工作原理1热电效应：将两种不同材料的导体或半导热电效应：将两种不同材料的导体或半导体组成一个闭和回路，如果两端点的温度不同，体组成一个闭和回路，如果两端点的温度不同，则回路中将产生一定大小的电流，这个电流的则回路中将产生一定大小的电流，这个电流的大小同材料的性质以及节点温度有关，上述现大小同材料的性质以及节点温度有关，上述现象 称 为 热 电 效 应 。 这 个 现 象 是象 称

14、为 热 电 效 应 。 这 个 现 象 是 1 8 2 1 年年Seebeck发现的故又称为塞贝克效应。发现的故又称为塞贝克效应。BTAT02接触电势：当两种不同的导体接触时，由接触电势：当两种不同的导体接触时，由于两者于两者有不同的电子密度而产生的电势。有不同的电子密度而产生的电势。 BAABNNeKTTEln)(11BAABNNeKTTEln)(00一一一一一一一一一一一一一一一一一一+-电子密度大电子密度小接触电动势 珀尔贴电势珀尔贴电势AB波尔滋曼常数波尔滋曼常数10101),(TTAAdTTTE10101),(TTBBdTTTEA，B材料的汤姆逊系数AB一 一一+-高温低温温差电动势

15、汤姆逊温差电势3.温差电势（汤姆逊温差电势温差电势（汤姆逊温差电势）10101010101)(ln)(),(),()()(),(10dTNNTTeKTTETTETETETTEATTBBAABABABAB)()(),(),(010101TfTfTTfTTEAB如果如果T0=const.，则，则EAB=f(T1)热电偶回路中总热电势热电偶回路中总热电势BEAB（T1）EAB（T0）EA（T1 ，T0 ）EB（T1 ，T0 ）A ),()(),()(),(10001101TTETETTETETTEABABABAB),()(),()(010011TTETETTETEAABBAB利用热电偶来检测温度，必

16、须引入变换器和显利用热电偶来检测温度，必须引入变换器和显示器。示器。ABT1T0 （一）热电偶均质导体定律（一）热电偶均质导体定律: 由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭合回路中，合回路中， 不论导体的截面、长度以及温度分不论导体的截面、长度以及温度分布如何，均不产生热电势。布如何，均不产生热电势。检验热电偶丝的均匀性检验热电偶丝的均匀性 （二）中间导体定律（二）中间导体定律: 在热电偶回路中接入第三导体，在热电偶回路中接入第三导体，只要与第三种导体相连接的两只要与第三种导体相连接的两端温度相同，接入第三种导体端温度相同，接入第三种导体后，对热电

17、偶回路中的总热电后，对热电偶回路中的总热电势没有影响。势没有影响。),(),(00TTETTEABCAB),()(),()(),()(),(0000000TTETETTETETTETETTEACACBCBABABC00000000000000000( )( )( )( )lnln( )( )( )( )( )lnln( )( )( )( )BCBCCACABCBBACAAkTN TkTN TETE TeN TeN TkTN T N TkTN TE TeN T N TeN T),()(),()(),()(),(0000000TTETETTETETTETETTEACACBCBABABC0000(

18、)( ,)()()(, )ABBBCCAAETET TETETET TT0TT0AcB000( )( ,)()(, )ABBBAAETE T TETE T T0( ,)ABET TABCDEFT1T1T1T1T2T2六种不同的导体组成如图回路，写出六种不同的导体组成如图回路，写出回路中总的热电势。回路中总的热电势。21(,)BDET T （三）热电偶的中间温度定律（三）热电偶的中间温度定律: 热电偶在两接点温度为热电偶在两接点温度为T T、T T0 0时的热电势等于时的热电势等于该热电偶在两接点温度分别为该热电偶在两接点温度分别为T T、T TN N和和T TN N、T T0 0时时相应热电势

19、的代数和。相应热电势的代数和。),(),(),(00TTETTETTENABNABABTT0TNABBA结论结论（1）已知热电偶在某一冷端温度下进行已知热电偶在某一冷端温度下进行分度，只要引入适当的修正就可在另一冷端温分度，只要引入适当的修正就可在另一冷端温度下使用。度下使用。热电偶分度表中冷端温度为热电偶分度表中冷端温度为0，在实际测量，在实际测量中若热电偶的冷端温度为中若热电偶的冷端温度为20，则可应用中间，则可应用中间温度定律进行计算。温度定律进行计算。)0 ,20()20,()0 ,(ABABABETETEmV811. 0143. 0668. 0)0 ,25()25,()0 ,(sss

20、etete举例：用铂铑举例：用铂铑10铂热电偶测温，冷端温度为铂热电偶测温，冷端温度为25，输出电势为，试求被测对象的温度。，输出电势为，试求被测对象的温度。查表得被测温度为查表得被测温度为122。锅炉mVTT0 T0 T0 T0 贵锅炉mVTT0 T0 T0 T0 参考点温度不易保证AB 如果在如果在T0T0 范围内，某对廉价导线的热电范围内，某对廉价导线的热电性能与贵金属热电偶相同，则可以用这对导线性能与贵金属热电偶相同，则可以用这对导线代替从代替从T0 点到点到T0点一段的热电偶线，而不影点一段的热电偶线，而不影响热电偶的热电势值，同时降低热电偶测量成响热电偶的热电势值，同时降低热电偶测

21、量成本。本。锅炉mVTT0 T0 T0 T0 将热电偶全用补偿导线代替行吗？将热电偶全用补偿导线代替行吗？性能性能 在一定温度范围和误差范围内与热电偶在一定温度范围和误差范围内与热电偶的热电性能相同的热电性能相同作用作用 使热电偶冷端远离热源使热电偶冷端远离热源注意注意 两个接点温度不能超过规定温度两个接点温度不能超过规定温度两个接点温度应当相同。否则，由于热电偶与两个接点温度应当相同。否则，由于热电偶与补偿导线的热电特性并不完全相同，可能会引补偿导线的热电特性并不完全相同，可能会引起较大的测量误差。起较大的测量误差。正负极不能接反正负极不能接反（一）种类：国际电工委员会（一）种类：国际电工委

22、员会（ICE）对热电）对热电偶公认性能比较好的材料制定了统一的标准，偶公认性能比较好的材料制定了统一的标准，ICE推荐的标准化热电偶推荐的标准化热电偶7种。种。名称名称分度分度号号名称名称分 度分 度号号名称名称分度分度号号铂铑铂铑10-铂铂S铜铜-康铜康铜T镍铬镍铬-镍硅镍硅K铂铑铂铑30-铂铂铑铑6B镍 铬镍 铬 - 康康铜铜E 铂铑铂铑13-铂铂R铁铁-康铜康铜J 1.普通工业热电偶普通工业热电偶结构：热电极，绝缘套结构：热电极，绝缘套管，接线盒，保护套管管，接线盒，保护套管结构：热电极，绝缘材结构：热电极，绝缘材料，保护套管料，保护套管特点：测量端热容量特点：测量端热容量小，动态响应快

23、，机小，动态响应快，机械强度高，挠性好，械强度高，挠性好，耐高压，耐振动，寿耐高压，耐振动，寿命长，适用各种工业命长，适用各种工业测量。测量。 铠装热电偶铠装热电偶特点：响应快，时间常数小，可作温度变化的动特点：响应快，时间常数小，可作温度变化的动态测量。态测量。1.冰点法冰点法精度高精度高多用于实验室多用于实验室工业用冷端工业用冷端恒温器恒温器冰呈屑状，试管较细，插入较深，底部装变压冰呈屑状，试管较细，插入较深，底部装变压器油或者水银器油或者水银原理原理),(),(),(00TTETTETTENABNABABTT0TNABBA例用镍铬例用镍铬-镍硅热电偶测温，冷端镍硅热电偶测温，冷端Tn=2

24、5，EAB(T，Tn，求被测对象的实际温度。，求被测对象的实际温度。由分度表知：由分度表知： EAB(25 ，0 )=1mV EAB(T， 由分度表知，由分度表知，T1002 当热电偶与动圈仪表配套使用时，如果冷端相当热电偶与动圈仪表配套使用时，如果冷端相对恒定，测量精度要求不高，可将仪表的机械对恒定，测量精度要求不高，可将仪表的机械零点调到热电偶冷端温度零点调到热电偶冷端温度Tn，这就相当于在输，这就相当于在输入电势之前，就有一个补偿电势入电势之前，就有一个补偿电势EAB(Tn， 0 )，则，则( ,)(,0)( ,0)ABNABNABET TETET利用电桥不平衡原利用电桥不平衡原理，桥臂

25、热电阻随理，桥臂热电阻随温度变化，产生补温度变化，产生补偿电压偿电压V),(),(),(00TTETTETTENABABNAB),(),(0TTEVTTEABNAB),(0TTEVNABvR1=R2=R3=1 与温度无关与温度无关v热电阻热电阻20，RCU= 1，vVab=0；环境不等于；环境不等于20 ，电桥失去平衡，产，电桥失去平衡，产生电势生电势Vab与与E(Tn,T0)相相等，叠加补偿等，叠加补偿v电桥又叫毫伏发生器电桥又叫毫伏发生器v使用时，注意零点是使用时，注意零点是20 （一）热电偶测量误差（一）热电偶测量误差1.热电偶分度误差热电偶分度误差2.补偿导线与热电偶的热电特性不完全相

26、同带来补偿导线与热电偶的热电特性不完全相同带来的误差的误差3.冷端温度变化引起的误差冷端温度变化引起的误差4.热电极变质产生的误差热电极变质产生的误差5.绝缘不良引起的误差绝缘不良引起的误差6.二次仪表的基本误差二次仪表的基本误差热电偶出厂使用一段时间后，或热电偶重新焊热电偶出厂使用一段时间后，或热电偶重新焊制后，应进行校验制后，应进行校验高于高于300热电偶的校验原理与方法热电偶的校验原理与方法热电 阻测温原理热电 阻的类型热电 阻测温电路三种测温方法比较本节主要内容本节主要内容对于一个给定对于一个给定电阻，其电阻电阻，其电阻值是温度的单值是温度的单值函数，因而值函数，因而可以通过测量可以通

27、过测量电阻值来推算电阻值来推算温度。温度。TRt铂电阻热敏电阻 平均电阻温度系数平均电阻温度系数dtdRRt01tRRt0v金属导体电阻温度系数一般为正值金属导体电阻温度系数一般为正值 纯金属一般为纯金属一般为0.380.68%，金属纯度越高，其，金属纯度越高，其电阻温度系数越大电阻温度系数越大v半导体材料的电阻温度系数一般为负值半导体材料的电阻温度系数一般为负值 电阻比电阻比：W W（100100）= = 金属导体纯度越高，电阻比越大。金属导体纯度越高，电阻比越大。0100RRv电阻温度系数电阻温度系数应大应大v复现性要好复现性要好v电阻率大电阻率大v价格便宜，工艺性好价格便宜，工艺性好v金

28、属热电阻金属热电阻 铂热电阻铂热电阻 铜热电阻铜热电阻 镍热电阻镍热电阻v半导体热敏电阻半导体热敏电阻特点特点：准确度高，稳定性好、性能可靠、有较高：准确度高，稳定性好、性能可靠、有较高电阻率，广泛应用于基准、标准化仪器中，是目电阻率，广泛应用于基准、标准化仪器中，是目前测温复现性最好的一种。前测温复现性最好的一种。使用范围使用范围：-200850，在，在9090年国际温标中规年国际温标中规定平衡氢三相点到银凝固点定平衡氢三相点到银凝固点961.78961.78标准仪器应标准仪器应用铂电阻。用铂电阻。电阻纯度电阻纯度：W W（100100）规格型号规格型号：Pt100Pt100、Pt10Pt1

29、0、Pt1000Pt1000。结构结构：电阻丝、：电阻丝、绝缘管、保护绝缘管、保护套管、接线盒套管、接线盒铂电阻铂电阻v特点特点：线性度高、电阻温度系数高、价格便宜、：线性度高、电阻温度系数高、价格便宜、电阻率低、易氧化。电阻率低、易氧化。v使用范围使用范围：-50180。002. 0428. 1)100(W)1 (0tRRtv电阻值与温度关系电阻值与温度关系v标准化热电阻标准化热电阻Cu50, Cu100随着温度的增高阻值降低，具有负的温度系数，随着温度的增高阻值降低，具有负的温度系数，测温范围测温范围-40350。电阻值随温度按指数曲线变化，电阻值随温度按指数曲线变化，)11(exp00T

30、TBRRtTRt热敏电阻与金属热电阻比较与金属热电阻比较：电阻温度系数大，热敏电阻的电阻温度系数电阻温度系数大，热敏电阻的电阻温度系数约为约为- -（3 36 6）% %，金属热电阻约为，金属热电阻约为0.6%0.6%。电阻率大，可将电阻作的很大而体积很小，电阻率大，可将电阻作的很大而体积很小，电阻阻值大，连接导线所用的电阻可忽略不计。电阻阻值大，连接导线所用的电阻可忽略不计。结构简单，体积小，可用于测量点温度结构简单，体积小，可用于测量点温度热惯性小热惯性小工艺和互换性差。工艺和互换性差。 NSP功率型NTC热敏电阻器 CWF型NTC精密温度传感器 MF11型型NTC热敏电阻器热敏电阻器 温

31、度传感器 (1)、普通型热电阻、普通型热电阻 (2)、铠装热电阻、铠装热电阻（3）薄膜铂热电阻）薄膜铂热电阻（4）厚膜铂热电阻）厚膜铂热电阻分类：分类： 平衡电桥平衡电桥 二线制二线制 不平衡电桥不平衡电桥 三线制三线制 四线制四线制 电源电压和稳定性一般不影电源电压和稳定性一般不影响测量结果响测量结果如果不计如果不计RW随温度的变化，随温度的变化，Rt与与RH 触点位置成线性关系触点位置成线性关系连接导线的电阻随温度变化连接导线的电阻随温度变化引起测量误差引起测量误差1 平衡电桥平衡电桥GR1R2R3RW2RW1RtabcdR0RH1RH2222122113121132113212()/ / - tWWHHtWWHHtHWWHRRRRRRRRRRRRRRR RRRRR RRRR（）（）（）222122113121132113212()/ / - tWWHHtWWHHtHWWHRRRRRRRRRRRRRRR RRRRR RRRR（）（）（）222122113121132113212()/ / - tWWHHtWWH