中国石油大学化工检测仪表第六章 温度测量

1、第六章第六章 温度测量及变送温度测量及变送概概 述述膨胀式温度计膨胀式温度计热电偶温度计热电偶温度计热电阻温度计热电阻温度计非接触式温度计非接触式温度计小小 结结 温度是重要的热工参数温度是重要的热工参数, ,如如: : 原油外输：加热炉的温度控制；原油外输：加热炉的温度控制； 常减压装置，出口温度控制等。常减压装置，出口温度控制等。温度定义温度定义： 微观：微观：组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度即对其分子平均动能大小的一种量度。第一节第一节 概述概述宏观：宏观：表征物体冷热程度的物理量。表征物体冷热程度的物理量。

2、 热力学第零定律热力学第零定律：任意两个冷热程度不同的物体相互接触，：任意两个冷热程度不同的物体相互接触，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。这也就间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。这也就是所描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。是所描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。七个基本物理单位之一一、温标一、温标它规定了：它规定了： 温度的温度的起点起点； 测量温度的测量温度的基本单位基本单位； 各种温度计的分度值。各种温度计的分度值。温标温标：为了保证温度量值的准确和利

3、于传递，：为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，这需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，这种用来量度物体温度高低的标尺叫温度标尺，种用来量度物体温度高低的标尺叫温度标尺，简称温标。简称温标。各种温度计的刻度数值均由温标确定。各种温度计的刻度数值均由温标确定。 例如：例如：长度单位长度单位，1983年年10月第十七届国际计量大会通过了月第十七届国际计量大会通过了米米的新定义的新定义：“1米是光在真空中米是光在真空中1299792458秒的时间间隔内秒的时间间隔内所经路程的长度所经路程的长度”。 新的米定义有重大科学意义。从此光速新的米定义有重大科学意义。从此光速c成

4、了一个精确数值。成了一个精确数值。通常采用具有所定标物理量通常采用具有所定标物理量固定不变的东西作为基准。固定不变的东西作为基准。例如：例如：时间单位时间单位，在，在1967年召开的第年召开的第13届国际度量衡大会对届国际度量衡大会对秒秒的定义的定义是：铯是：铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的的9,192,631,770个周期的持续时间。个周期的持续时间。温度定标温度定标：在标准大气压下，单：在标准大气压下，单组分物质具有固定的三相点、组分物质具有固定的三相点、沸点、融点等。沸点、融点等。1 1 华氏温标华氏温标（宏观）（宏观）1724172

5、4年，德国玻璃工华伦海特在荷兰首次创立温标年，德国玻璃工华伦海特在荷兰首次创立温标 - -华氏温标。华氏温标。 3232：标准大气压下：标准大气压下纯水的冰的融点纯水的冰的融点； 212212：标准大气压下纯水的沸点。：标准大气压下纯水的沸点。 11：在：在3221232212之间划分之间划分180180等份，每一等份为华等份，每一等份为华 氏氏1 1度（度（11）。）。 单位：华氏度，符号单位：华氏度，符号 常用常用F F表示。表示。2 2 摄氏温标摄氏温标 （宏观）（宏观）17501750年，瑞典物理学家、天学家摄尔修斯提出摄氏温标。年，瑞典物理学家、天学家摄尔修斯提出摄氏温标。 00：标

6、准大气压下纯水的冰的融点；：标准大气压下纯水的冰的融点； 100100：标准大气压下纯水的沸点。：标准大气压下纯水的沸点。 11：在：在01000100之间划分之间划分100100等份，每一等份为摄氏等份，每一等份为摄氏1 1度（度（11）。）。 单位：摄氏度，符号单位：摄氏度，符号 常用常用t t表示。表示。3 3 热力学温标（绝对温标、国际温标）（微观）热力学温标（绝对温标、国际温标）（微观） 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一，国际温标。 18481848年，由英国物理学家开尔文提出热力学温标年，由英国物理学家开尔文提出热力学温标。 0K0K：分子运动停止时的温度为绝对零度。：

7、分子运动停止时的温度为绝对零度。 273.16K273.16K：水在标准大气压下水在标准大气压下的三相点温度。的三相点温度。1K1K：水的三相点热力学温度的：水的三相点热力学温度的1/273.161/273.16。 单位：开尔文，符号单位：开尔文，符号K K 三相点：单组分（一种纯物质）中有固、液、气平衡共存。三相点：单组分（一种纯物质）中有固、液、气平衡共存。 三相点特点：只出现在固定的压强和温度下。水三相点三相点特点：只出现在固定的压强和温度下。水三相点0.010.01 常用常用T T表示。表示。国际单位制中七个基本物理单位之一4 4 各温标关系各温标关系 )32(95Ft15.273Tt

8、常用常用: 。二、温度测量方法二、温度测量方法1. 接触式测温接触式测温 当两个当两个两个冷热程度不同两个冷热程度不同物体接触后，物体接触后，均会发生热交均会发生热交换，换，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。实现温度测量，这种测温方式称为接触法。要求要求: 测温物体的物理性质必须连续、单值地随温度变化，测温物体的物理性质必须连续、单值地随温度变化， 且复现性好且复现性好。需满足条件：需满足条件：感温部

9、件与被测介质感温部件与被测介质充分接触充分接触； 保证保证热交换时间热交换时间。接触式测温接触式测温2. 非接触式测温非接触式测温测温元件测温元件任何部位均不与被测物体相接触任何部位均不与被测物体相接触。 多以多以辐射式辐射式为主，经被测物体与感温元件之间的为主，经被测物体与感温元件之间的热辐射热辐射作用实现测温。作用实现测温。 特点：特点：不破坏被测的温度场，可测移动或转动物体及物不破坏被测的温度场，可测移动或转动物体及物 体表面温度。反映速度较快，测温范围广。体表面温度。反映速度较快，测温范围广。 受物体发射率、对象与仪表间距、烟尘和蒸汽等影响，受物体发射率、对象与仪表间距、烟尘和蒸汽等影

10、响，精度不高，常用于精度不高，常用于测量测量1000以上移动、旋转或反应迅速以上移动、旋转或反应迅速的高温物体温度的高温物体温度。u例如：红外辐射式。例如：红外辐射式。非接触式测温非接触式测温红外温度计红外温度计非典非典钢水钢水接触式与非接触式测温特点比较接触式与非接触式测温特点比较方 式 接 触 式 非 接 触 式 测量 条件 感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上 测量 范围 特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在

11、线测温，对高于l 300以上 的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000以下，测量误差大，能测运动物 体和热容小的物体温度 精 度 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级 通常为1.0、1.5、2.5级 响应 速度慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为23秒钟 其它 特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维 护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被 测物体实际温度；可方便地组成多路集中 测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置

12、 第二节第二节 膨胀式温度计膨胀式温度计 原理：原理：物体受热体积膨胀。物体受热体积膨胀。 分为分为气体、液体、固体膨胀式气体、液体、固体膨胀式。 一般膨胀式温度测量大都在-50550范围内，用于温度就地指示就地指示，不需远传的场合。6.2.1 玻璃管玻璃管液体液体温度计温度计 体温计、工业水银温度计体温计、工业水银温度计 。结构结构：感温包、玻璃毛细管和刻度标尺。：感温包、玻璃毛细管和刻度标尺。 感温液体感温液体：酒精、水银等：酒精、水银等 刻度标尺示值感温液体被测介质Vt00()()ttVVtt- 感温液体的体积膨胀系数 - 盛液容器的体积膨胀系数 与与差别越大，灵敏度越高差别越大，灵敏度

13、越高。上部真空，压力不变上部真空，压力不变一、结构一、结构二二. . 按用途分类按用途分类有棒状、内标尺式的，分一等和二等，有棒状、内标尺式的，分一等和二等， 分度值为分度值为0.050.050.10.1。形式与标准的相仿，精度较高。形式与标准的相仿，精度较高。优点：优点：结构简单，精度较高结构简单，精度较高0.12.5，价格，价格便宜。便宜。 常用于实验室。常用于实验室。适用范围：适用范围：-200600。缺点缺点:(1)玻璃易碎；玻璃易碎；(2)用于就地指示，不能远传用于就地指示，不能远传;(3) 属于接触式测量，需要充分传热，使温属于接触式测量，需要充分传热，使温包与被测液体达到包与被测

14、液体达到热平衡，需要几分钟。热平衡，需要几分钟。三三. . 特点特点6.2.2 压力式温度计压力式温度计 由温包、毛细管和弹簧管由温包、毛细管和弹簧管构成封闭系统。构成封闭系统。 感温介质：感温介质： 液体液体（水银或有机液体）（水银或有机液体）气体气体（氮气、氢气）（氮气、氢气） 蒸汽蒸汽（低沸点丙酮、乙醚）（低沸点丙酮、乙醚） 毛细管容积毛细管容积温包容积温包容积内径约内径约0.4mm，长度，长度封闭系统材料的膨胀系数，可忽略系封闭系统材料的膨胀系数，可忽略系统容积变化的影响，统容积变化的影响，系统视为定容系统系统视为定容系统。m =(VA+VB) 0 =(VA+VB)P0M/RT0 若温

15、包内气体密度为若温包内气体密度为1 ，质量为，质量为m1 ；其余部分毛细管、弹；其余部分毛细管、弹簧管中气体密度为簧管中气体密度为2 ，质量为，质量为m2 ；则；则1 = PM/RT 2 = PM/RT0 m1 = VA1= VAPM/RT m2 =VB2=VBPM/RT0000TVTVVVTppBABA 因因m = m1 + m2 ，可得：，可得：压力与温度为压力与温度为非线性非线性。VA VB 时，可近似为：时，可近似为：TVVTppAB)1(00 多以多以氮气氮气或或氢气氢气为感温介质。为感温介质。（4-2-44-2-4）线性线性cbTTTaP lg75. 1lg P 液体的饱和蒸汽压；

16、液体的饱和蒸汽压；T 温包内自由液面的温度；温包内自由液面的温度；a、b、c 与液体性质有关的常数。与液体性质有关的常数。TqTnmPlnln m、n、q 与液体有关的常数，与液体有关的常数， 由实验确定。由实验确定。 3 3蒸汽压力温度计蒸汽压力温度计 各种液体饱和蒸各种液体饱和蒸汽压与温度的关系汽压与温度的关系可表示为：可表示为： 液体饱和蒸汽压只与温度有关，液体饱和蒸汽压只与温度有关，利用低沸点液体饱和蒸利用低沸点液体饱和蒸汽压随温度变化的性质汽压随温度变化的性质来测量温度来测量温度。实用中，大多采用经验公式：实用中，大多采用经验公式：多以多以低沸点液体低沸点液体（丙酮、乙醚等）为感温介

17、质。（丙酮、乙醚等）为感温介质。三三 特点特点 优点优点: : (1) (1)结构简单，结构简单，具有强度大、不易破损，价格便宜；价格便宜； (2) (2)可较远距离传送（可较远距离传送（5050米）；米）； (3) (3)不需电源，防爆，用于不需电源，防爆，用于狭小位置狭小位置的温度就地指示。的温度就地指示。 缺点缺点：环境温度影响大。精度较低：环境温度影响大。精度较低：12.5, 不能远传。 适用于-100 +600，一般0+300。常用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量。6.2.3 双金属温度计双金属温度计（固体膨胀）（固体膨胀） 两种线膨胀系数不同的金属片叠焊，一端固

18、定，一端自由。两种线膨胀系数不同的金属片叠焊，一端固定，一端自由。受热后产生弯曲变形。受热后产生弯曲变形。 弯曲程度与温度成比例。弯曲程度与温度成比例。 tdlGx 2 x 双金属片自由端位移；双金属片自由端位移； l 双金属片长度；双金属片长度； d 双金属片厚度；双金属片厚度； t 温度变化量；温度变化量； G 弯曲率，弯曲率，取决于头金属片的材质，通常为(514)10-6K 。 t 温度膨胀系数大的伸长较多向膨胀系数小的一面弯曲变形一、测量原理一、测量原理二、双金属温度计的结构二、双金属温度计的结构返返 回回 节日彩灯1双金属片；2调节螺钉；3绝缘子；4彩灯电熨斗、吹风机、彩灯电熨斗、吹

19、风机、彩灯双金属温度计不仅可用于测量温度，而且还可方便地用作简单温度控制装置，两位式控制两位式控制。三、双金属温度计的两位式温度控制三、双金属温度计的两位式温度控制四四 特点特点 优点优点: : (1) (1)结构简单，结构简单，具有强度大、不易破损，价格便宜；价格便宜； (2) (2)不需电源，防爆，用于不需电源，防爆，用于工业工业的温度就地指示。的温度就地指示。 缺点缺点：精度较低：精度较低： 1 1、1.51.5、2.52.5级级，不能远传。 适用于-80 +600。前面介绍的膨胀式温度计：主要用于温度的前面介绍的膨胀式温度计：主要用于温度的就地指示就地指示。下面我们介绍两种用于温度下面

20、我们介绍两种用于温度信号远传信号远传的温度计：的温度计： 热电偶：热电偶： 热电阻：热电阻：tE温度电动势 （热电势）tR温度电阻 （热电阻）第四节第四节 热电阻温度计热电阻温度计金属导体电阻金属导体电阻半导体电阻半导体电阻6.4.1 热电阻温度计测温原理热电阻温度计测温原理 利用利用金属导体或半导体自身电阻随温度发生变化金属导体或半导体自身电阻随温度发生变化的特性。的特性。金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系。金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系。金属导体电阻：金属导体电阻：电子全部以自由电子存在电子全部以自由电子存在电阻定义：电阻定义：UR=IUIR 一定，UAB从微观的角度：

21、电流从微观的角度：电流I表示单位时间内流过导表示单位时间内流过导体某一截面的电子数量。体某一截面的电子数量。半导体电阻：半导体电阻：多数电子以束缚电子存在，只有少量自由电子多数电子以束缚电子存在，只有少量自由电子 T R热电阻电信号金属导体电阻：金属导体电阻：电子全部以自由电子存在电子全部以自由电子存在UR=I半导体电阻：半导体电阻：多数电子以束缚电子存在，只有少量自由电子多数电子以束缚电子存在，只有少量自由电子IRT 电子无规则运动加剧T 自由电子无规则运动加剧部分束缚能量挣脱束缚成为自由电子数量数量少，碰撞几率小，可忽略数量少，碰撞几率小，可忽略IR 一般温度每上升一般温度每上升1: 导体

22、电阻增大导体电阻增大0.360.68%；半导体电阻下降半导体电阻下降36%。金属导体电阻：金属导体电阻：半导体电阻：半导体电阻：RT RT 一、金属热电阻一、金属热电阻 （1 1）电阻温度系数大，即灵敏度高；）电阻温度系数大，即灵敏度高； （2 2）物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温）物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温 环境，互换性好；环境，互换性好； （3 3）电阻率要大，以减小电阻体积，减小热惯性；）电阻率要大，以减小电阻体积，减小热惯性； （4 4）电阻与温度近似为线性关系，测温范围广；）电阻与温度近似为线性关系，测温范围广； （5 5）价格）价格低廉，复制性强，加工方便低廉

23、，复制性强，加工方便。 热电阻材料要求热电阻材料要求6.3.2 常用热电阻的材料常用热电阻的材料 6.3.2 常用热电阻的材料常用热电阻的材料 1. 铂热电阻铂热电阻测温范围：测温范围：-200850。-2000范围：范围： Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t30850范围：范围： Rt=R0(1AtBt2）R00阻值；阻值；A=3.9080210-3 1/; B=-5.8019510-7 1/2 ;C=-4.2735010-12 1/4 。Pt10电阻丝较粗（贵、不易断），主要电阻丝较粗（贵、不易断），主要用于用于600以上以上温度测量。温度测量。特点：特点：性能稳定可靠、抗氧化

24、性好，精度高；性能稳定可靠、抗氧化性好，精度高； 测量范围宽，适合中低温；测量范围宽，适合中低温； 轻微非线性；价格贵；轻微非线性；价格贵；还原介质中易被沾污而变脆。还原介质中易被沾污而变脆。 RtR0(1+t) 分度号分度号: Pt10 、Pt100 、Pt1000 。在测量精度要求低时：在测量精度要求低时：=3.8510-3 1/。Pt100最常用。最常用。国标国标ITSITS一一9090规定，在规定，在-259-25934346306307474温度范围内，温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。以铂电阻温度计作为基准温度仪器。铂电阻分度表铂电阻分度表 2. 铜热电阻铜热电阻测温范围

25、：测温范围：-50150。特点：特点：（1）材料易提纯，易氧化，）材料易提纯，易氧化，价格便宜；价格便宜；（2）基本线性。）基本线性。R00阻值。阻值。RtR0(1+t) =4.2810-3 1/。（4）精度低。）精度低。分度号：分度号：Cu50、Cu100。（3）测温范围小，适合低温，常用于热电偶冷端补偿。）测温范围小，适合低温，常用于热电偶冷端补偿。3 3、镍热电阻、镍热电阻 -60300。分度号：。分度号：Ni100、Ni300和和Ni500Rt=100+0.548t+0.66510-3t2+2.80510-9t4比铂电阻大比铂电阻大1.51.5倍，因不易提纯，互换性差。倍，因不易提纯，

26、互换性差。 二二 半导体热电阻半导体热电阻 通常用铁、锰、铜、钛、钼等金属氧化物或碳酸盐、通常用铁、锰、铜、钛、钼等金属氧化物或碳酸盐、硝酸盐、氯化物等材料制作。硝酸盐、氯化物等材料制作。 TBAeRT/特点：特点： 输出信号大（灵敏度高），比金属电阻大10-100倍； 体积小， 0.10.2 mm，结构简单； 热容小，响应快，S1常用于热电偶冷端补偿； 精度低；元件易老化，稳定性较差；元件一致性差； 非线性很严重。 对于在低温段-50350左右的范围、测温要求不高的场合，采用半导体热敏元件作温度传感器。大量用于各种温度测量、温度补偿及家电、汽车等要求不高的温度测量与控制。5.3.3.热电阻结

27、构热电阻结构一、一、 普通型热电阻普通型热电阻电阻体：电阻体： 0.010.07mm电阻丝电阻丝双线无感绕制双线无感绕制而成。而成。 消除电流消除电流变化变化或外界交变磁场产生的感应电势。或外界交变磁场产生的感应电势。 若有温度梯度存在，若有温度梯度存在，检测值为感温元件所在范围内介质检测值为感温元件所在范围内介质的平均温度。的平均温度。 返回返回内引线：内引线：工业用工业用 1mm，标准或实验室用，标准或实验室用 0.30.5mm。 保护管：保护管：同热电偶保护管，材质有金属或非金属等。同热电偶保护管，材质有金属或非金属等。二、二、 铠装热电阻铠装热电阻结构及特点与铠装热电偶相似。结构及特点

28、与铠装热电偶相似。外径为外径为28mm，个别可制成，个别可制成1mm。优点优点: 外型尺寸小，响应速度快；外型尺寸小，响应速度快； 抗震、可挠；适于结构复杂抗震、可挠；适于结构复杂 部位测量。部位测量。 三、三、 半导体电阻结构形式半导体电阻结构形式 常用的引线方式有：二线制、三线制和四线制三种。6.3.4 热电阻的常用测量电路热电阻的常用测量电路电桥测量电路：热电阻作为电桥的一臂。取 R2Rt0，R3R4。RtR4R3R2RjEmVbaC6.3.4 热电阻的常用测量电路热电阻的常用测量电路3444423404402404()()()( )()()catttttttRRRRUEERRRRRRR

29、RR RREf tRRRR1( )tRf t 0时电桥平衡，毫伏表指示为0。 测量基本原理：测量基本原理：一、一、 恒压源恒压源测量电路基本原理测量电路基本原理RtRxRxCR4R3R2RjEmVba 实际使用，热电阻测温点与二次仪表要有相当一段距离。用导线连接，导线电阻与热电阻串连，相当于增加了热电阻的电阻值(2Rx)，而且导线电阻随环境温度变化会带来附加误差，这种误差很难修正。出现问题：1 两线制连接两线制连接只有当引线电阻Rx与元件电阻值 Rt满足 Rx/RtTTT0 0, , 热端电子能量热端电子能量 冷端冷端电子能量电子能量, , 则则V VT T( (电子移动速度电子移动速度)V)

30、VT0T0 。结果：结果：高温端高温端失去电子而失去电子而带正电带正电， 低温端低温端得到电子而得到电子而带负电带负电。静电场：静电场：在高、低温两端形成一个在高、低温两端形成一个从高温端指向低温端的静电场从高温端指向低温端的静电场Es 。这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端移动，与扩散运动相反，最后平衡。温端移动，与扩散运动相反，最后平衡。此时，在导体两端产生的电位差称为此时，在导体两端产生的电位差称为温差电动势温差电动势。 0( ,)Ae T T括号中括号中T和和T0的顺序决定了电动势的的顺序决定了电动势的参考方向参考方向：T0（低）指向（低）指

31、向T（高）（高）0TT设 温差电动势的表示：温差电动势的表示： 大小只与导体材料和导体两端点温度大小只与导体材料和导体两端点温度T、T0有关。有关。与导体长度、截面及沿长度的温度分布情况无关与导体长度、截面及沿长度的温度分布情况无关。00( ,)(, )AAe T Te T T 0A0AA1( ,)d( )( )TTkeT TNTTeNTk：玻尔兹曼常数（k=1.381023J/K）e：电子电荷量（e1.6021019C）NA：导体A电子密度2. 接触电动势接触电动势 由两种由两种电子密度不同电子密度不同的导体相互的导体相互接触所产生的电动势。接触所产生的电动势。扩散运动：扩散运动：假设假设N

32、 NA ANNB B，A A端扩散到端扩散到B B端的端的电子数量多电子数量多。结果：结果：A端端失去电子而失去电子而带正电带正电， B端端得到电子而得到电子而带负电带负电。静电场：静电场：在高、低温两端形成一个在高、低温两端形成一个从高温端指向低温端的静电场从高温端指向低温端的静电场Es 。这个静电场将阻止电子进一步从这个静电场将阻止电子进一步从A端向端向B端移动，与扩散运动相反，最后平衡。端移动，与扩散运动相反，最后平衡。此时，在导体两端产生的电位差称为此时，在导体两端产生的电位差称为温差电动势温差电动势。 其中其中A和和B的顺序决定了电动势的参考方向：的顺序决定了电动势的参考方向：B（低

33、）指向（低）指向A（高）（高）( )ABeT 接触电动势的表示：接触电动势的表示： 大小取决于两导体材料及接触点温度。大小取决于两导体材料及接触点温度。 材料一定（电子密度），材料一定（电子密度），只与接触点温度有关。只与接触点温度有关。( )( )ABBAeTeT lnAABBNkTeTeNk：玻尔兹曼常数（k=1.381023J/K）e：电子电荷量（e1.6021019C）NA：导体A电子密度NB：导体B电子密度T：接触点绝对温度AB0ABB0AB0A0ABAB00A0ABB00( ,)( )( ,)( )( ,)( )( )( )( )lnln( )( )( , , )ET TeTe T

34、 TeTe T TeTeTKTNTNTKTeN TeN Tf T T A BATBT0EAB(T，T0)eAB(T)eAB(T0)eA(T，T0)eB(T，T0)3 回路总电动势回路总电动势电势的方向是电位升高的方向电势的方向是电位升高的方向始始点点温差电动势温差电动势+接触电动势接触电动势 假设假设 0TT ,ABNN 参考方向已定参考方向已定 温差电动势温差电动势6000.25t铂铑铂铑13铂铂R正正较硬较硬0.6470130016001100 0.25t铂铑铂铑30铂铂6B正正较硬较硬0.0330160018006008004 负负较软较软800 0.5t镍铬镍硅镍铬镍硅K正正不亲磁不亲

35、磁41300-401300 2.5 或或 0.75t负负稍亲磁稍亲磁-200402.5 或或 1.5t镍铬硅镍硅镍铬硅镍硅N正正不亲磁不亲磁2.774-2001200 1300-401100 1.5 或或 0.4t负负稍亲磁稍亲磁-4013002.5 或或 0.75t镍铬康铜镍铬康铜E正正暗绿暗绿6.319-200760850-40900 2.5 或或 0.75t负负亮黄亮黄-20040 2.5 或或 1.5t铜康铜铜康铜T正正红色红色4.279-200350400-403501 或或0.75 t负负银白色银白色-200401 或或1.5 t铁康铜铁康铜J正正亲磁亲磁

36、5.269-40600750-40750 2.5 或或0.75 t负负不亲磁不亲磁标准化热电偶技术数据标准化热电偶技术数据当热电偶型号选定后当热电偶型号选定后,热电极的材料一定，热电偶的总电动热电极的材料一定，热电偶的总电动势势EAB(T, T0)仅是两个接点温度仅是两个接点温度T和和T0的函数，可表示为的函数，可表示为AB0ABAB00( ,)( )()( ,)ET TeTeTf T T若若 T0 （冷端冷端）恒定，则恒定，则 eAB(T0)为常数，热电动势只与热为常数，热电动势只与热电偶的温度电偶的温度 T (测温端测温端或或热端热端)成单值函数关系，即成单值函数关系，即AB0ABAB(

37、,)( )( )ET TeTCT规定热电偶冷端温度为规定热电偶冷端温度为 0 时，按热电偶的不同种类，分别时，按热电偶的不同种类，分别列成表格形式，这些表格称为热电偶的列成表格形式，这些表格称为热电偶的分度表分度表。 6.4.4 常用热电偶分度表常用热电偶分度表 ABAB( ,0)( )ETT分度表：分度表：t0=0时，热电势时，热电势E(t, 0)与温度与温度t的对应关系。的对应关系。 相同分度号的热电偶可共用同一分度表。相同分度号的热电偶可共用同一分度表。常用分度表见本章常用分度表见本章附表附表。分度表可由分度表可由 t EAB(t, 0) 或或 EAB(t, 0) t。P111-120：

38、分度表（冷端为分度表（冷端为t0=0时，时，Et的关系表）的关系表）。0A0AAB0ABAB0BB0( )( )( ,)( )( )lnln( )( )KTNTNTKTET TeTeTeN TeN T注意BA0t0t现场控制室)t , t (EE)t , t (EE00若若A ，B 为普通导线，则为普通导线，则E=EAB(t, t0 ) 。 t0 为现场环境温度，不稳定。为现场环境温度，不稳定。无法测量，无法测量，希望冷端希望冷端t0稳定，稳定，补偿导线作用：补偿导线作用：将冷端由不稳定的室外温度将冷端由不稳定的室外温度t0延伸到稳延伸到稳定的地方定的地方-控制室控制室t000( ,)( ,)

39、ABEEt tf t t6.4.5 热电偶补偿导线热电偶补偿导线 一、补偿导线的工作原理一、补偿导线的工作原理 BA0t0t现场控制室)t , t (EE)t , t (EE00补偿型补偿型（C）：）： AA, BB，用于贵金属热电偶；，用于贵金属热电偶；补偿型：补偿型：不完全补偿不完全补偿，两种廉价导体材料的导线。两种廉价导体材料的导线。在一定温度在一定温度范围内范围内热电特性与热电偶相同或十分相近热电特性与热电偶相同或十分相近。热电偶与补偿导线连接处温度热电偶与补偿导线连接处温度100。二、补偿导线的类型：二、补偿导线的类型：延伸型延伸型（X）：）： A=A, B=B，用于廉价金属热电偶。

40、，用于廉价金属热电偶。根据中间温度定理：根据中间温度定理：如果如果 A=A, B=B 不同分度号热电偶补偿导线材料不同，应注意不同分度号热电偶补偿导线材料不同，应注意型号匹配型号匹配与正负极性与正负极性连接正确连接正确。 注意：注意：BA0t0t现场控制室+-+-+-热电偶、补偿导线、显示仪表热电偶、补偿导线、显示仪表的的+、-极性必须连接正确极性必须连接正确 补偿导线本身并无温度补偿作用，仅起到热电偶冷端的补偿导线本身并无温度补偿作用，仅起到热电偶冷端的延伸作用。延伸作用。 补偿导线只是在一定的温度范围内与相应的热电偶的热补偿导线只是在一定的温度范围内与相应的热电偶的热电特性接近，超出这个范

41、围误差会增大，一般补偿导线与热电特性接近，超出这个范围误差会增大，一般补偿导线与热电偶的连接处的温度不应超过电偶的连接处的温度不应超过100 。更不能代替热电偶。更不能代替热电偶。BA0t0t现场控制室 在计算式，补偿导线等效于同分度号的热电偶在计算式，补偿导线等效于同分度号的热电偶0( ,)( ,0)E t tE t查 表t则需将则需将问题提出：问题提出：因分度表在因分度表在t00得到，只有得到得到，只有得到E(t, 0)才能由才能由分度表得到实测温度分度表得到实测温度t。如测温时热电偶是t0，不为0 ，不能用测得E(t, t0) 直接查分度表求t。6.4.6 热电偶冷端温度补偿方法热电偶冷

42、端温度补偿方法通过补偿导线已将将冷端由不稳定的室外温度将冷端由不稳定的室外温度t0延伸到稳定延伸到稳定的地方的地方-控制室控制室t0BA0t0t现场控制室000( ,)( , )( , )EE t tEE t tf t t冷端补偿冷端补偿1. 冰浴法冰浴法 将冷端延伸到冰水混合物将冷端延伸到冰水混合物0中，测得中，测得EAB(t, 0)，直接查，直接查表求得表求得t 。 特点：直接补偿到特点：直接补偿到0度，补偿精度高。但使用不便。度，补偿精度高。但使用不便。用于实验室温度用于实验室温度短时短时精密测量。精密测量。 下面介绍几种常用的冷端补偿方法下面介绍几种常用的冷端补偿方法0( ,)( ,0

43、)E t tE t查 表t2. 补偿电桥法补偿电桥法 利用不平衡电桥随温度变化产生电压，补偿冷端温度变化利用不平衡电桥随温度变化产生电压，补偿冷端温度变化导致热电偶回路电势变化。导致热电偶回路电势变化。0ba( ,)( ,0)xEE t tUE t当桥路取在当桥路取在0平衡时：平衡时： R1=R2=R3=Rcu=R0,桥路无输出，桥路无输出，Uba=0。ExE(t, 0)E(t, t0)+E(t0, 0) AtB0t0tmV 0,Et taCuR2R1R3RbbaUUdc2100003210000000000()()2()( )2(2)tbacuttttRRRRRRUEEERRRRRRRRRR

44、REf tRR 特点：特点：1 1）不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器。属于）不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器。属于硬件补偿，硬件补偿，只适合一种分度号，补偿精度低。通常在显示仪表中，带分度号当热电偶分度号改变时，可适当调整当热电偶分度号改变时，可适当调整RB，使，使Uba= E(t0 ,0) 。 2 2）补偿范围有限（一般为）补偿范围有限（一般为0 050 50 ，设计温度，设计温度25 25 ）ExE(t, 0)E(t, t0)+E(t0, 0) AtB0t0tmV 0,Et taCuR2R1R3RbbaUUdcRB适当选择桥路参数，使适当选择桥路参数，使Uba = E(t0 ,

45、0)，达到自动补偿。，达到自动补偿。 3. 计算修正法计算修正法 当当t00时，测得热电势为时，测得热电势为E(t, t0)，可采用，可采用E(t, 0)E(t, t0)+E(t0, 0) E(t,0)冷端冷端0，热端，热端t热电势；热电势；E(t,t0 )冷端冷端t0，热端，热端t热电势。热电势。 由热电偶回路测得由热电偶回路测得；E(t0,0)冷端冷端0，热端，热端t0热电势。热电势。 由室温计测由室温计测t0，查分度表得到。，查分度表得到。 B A 0t 0t现现场场控控制制室室E 一般由另一种测温元件（半导体或铜电阻）测量出室温一般由另一种测温元件（半导体或铜电阻）测量出室温t0，然后

46、根据不同的分度号查表计算然后根据不同的分度号查表计算E(t0, 0) （由计算机、单片机实现）。适合各种不同分度号的另端补偿，补偿精度较高 另一个温度传感器测量另一个温度传感器测量t0，软件计算，软件计算E(t0, 0)，工业上最常用，工业上最常用 4. 仪表零点校正法仪表零点校正法E(t, 0)E(t, t0)+E(t0, 0) B A 0t 0t现现场场控控制制室室E 认为控制室温度认为控制室温度t0不变不变:E(t, 0)E(t, t0)+C 调整机械零点至调整机械零点至t0处处但是，实际上控制室温度但是，实际上控制室温度t0也是变化的，只是变化比较小，也是变化的，只是变化比较小，这样做

47、使室温引起的测量误差增大，所以现在很少使用。这样做使室温引起的测量误差增大，所以现在很少使用。该方法适用于冷端温度较稳定的情况。该方法适用于冷端温度较稳定的情况。只补偿一个温度，冷端温度变化后，必须及时重新调整机械零只补偿一个温度，冷端温度变化后，必须及时重新调整机械零点，在冷端温度经常变化的情况下，不宜采用这种方法。点，在冷端温度经常变化的情况下，不宜采用这种方法。1. 冰浴法冰浴法 2. 计算修正法计算修正法3. 补偿电桥法补偿电桥法4. 仪表零点校正法仪表零点校正法完全补偿完全补偿，适用实验室短，适用实验室短时适用，不适合工业时适用，不适合工业冷端温度补偿方法：冷端温度补偿方法：冷端温度

48、变化后，必须及时重新调冷端温度变化后，必须及时重新调整机械零点，在冷端温度经常变化整机械零点，在冷端温度经常变化的情况下，不宜采用这种方法。的情况下，不宜采用这种方法。常用常用不完全补偿不完全补偿1. 普通型热电偶普通型热电偶热电极热电极: 贵金属贵金属D=0.30.65mm， 普通金属普通金属D=0.53.2mm。 长度一般长度一般3502000mm。绝缘子绝缘子: 聚四氟乙烯、石英、陶聚四氟乙烯、石英、陶 瓷等材料。瓷等材料。 结构有单孔、双孔和四孔。结构有单孔、双孔和四孔。保护套管：保护套管：有金属、非金属和金属陶瓷三类。有金属、非金属和金属陶瓷三类。接线盒：接线盒：用于导线与热电极连接

49、。用于导线与热电极连接。 6.4.7 热电偶结构热电偶结构固定螺纹锥形保护管连接，固定螺纹锥形保护管连接，高强度结构。高强度结构。用于用于P 30MPa、流速、流速 80m/s的测量。的测量。 常用连接方式：常用连接方式：螺纹连接螺纹连接或或法兰连接，法兰连接，用于用于P10MPa的测量。的测量。 缺点缺点：普通热电偶体积与热惯性较大，不宜在热容较小的对象中使用，在结构复杂、弯曲的对象上不易安装。 S24010普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹固定螺纹 （出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端） 不锈钢不锈钢保护管保护管 2

50、. 铠装热电偶铠装热电偶经整体复合拉伸而成的经整体复合拉伸而成的可弯曲的坚可弯曲的坚实组合体实组合体。标准铠装型标准铠装型: 外径外径0.58mm，热电极，热电极0.11.3mm， 套管壁厚套管壁厚0.0751mm，长度，长度500m。 (1) 动态特性好。动态特性好。10s。(2)寿命短寿命短。套管壁薄，热电极细。套管壁薄，热电极细。 (4) 适用于适用于温度变化频繁、热容量较小、结构复杂对象温度变化频繁、热容量较小、结构复杂对象。(3) (3) 由于结构小型化、绕性好，易制成各种特殊用由于结构小型化、绕性好，易制成各种特殊用 途的型式，可适应对象结构复杂的途的型式，可适应对象结构复杂的测量

51、场合。测量场合。 由两种金属薄膜连接而成。 1）特点：微小面积上的温度测量；动态响应快，可测瞬变的表面温度。 2)应用： (1)如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级变化的温度。 (2)如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度3 3 薄膜热电偶薄膜热电偶BA0t0t现场控制室E1. 热电偶热电偶: 测温元件测温元件 2. 导线导线: 补偿导线补偿导线 3. 专用显示仪表专用显示仪表(输入输入mV，带冷端补偿带冷端补偿)显示仪表或计算机。显示仪表或计算机。一、分离式温度测量（热电偶一、分离式温度测量（热电偶+补偿导线补偿导线+显示）显示）+-+-+-分度号一致分度号一致0000,0 =Et

52、tEttEtE t补偿导线冷端补偿（ ,0)00,=,0E t tE tE t（ ,0)-5.4.8 热电偶测温系统的组成热电偶测温系统的组成 如果题中不特别指出如果题中不特别指出+、-，表示热电，表示热电偶、补偿导线、显示仪表的极性和分偶、补偿导线、显示仪表的极性和分度号连接正确度号连接正确二、热电偶二、热电偶+温度变送器温度变送器+显示显示1. 热电偶热电偶: 测温元件测温元件 2. 导线导线: 补偿导线补偿导线 3. 温度变送器温度变送器(输入输入mV，带冷端补偿，在控制室带冷端补偿，在控制室) 4. 通用显示仪表通用显示仪表(输入输入4-20mA)显示仪表或计算机。显示仪表或计算机。

53、+-+-+-+-+分度号一致分度号一致三、一体化温度变送器三、一体化温度变送器+显示显示1. 一体化温度变送器一体化温度变送器（热电偶与变送器一体化，安装于现场）（热电偶与变送器一体化，安装于现场） 不需补偿导线。不需补偿导线。2. 导线导线: 普通导线普通导线一体化温度变送器一体化温度变送器3. 通用显示仪表通用显示仪表(输入输入4-20mA)，显示仪表或计算机。，显示仪表或计算机。 优点：结构简单、使用方便；优点：结构简单、使用方便；缺点：冷端位于室外，冷端温度变化大，补偿效果差，精度低；缺点：冷端位于室外，冷端温度变化大，补偿效果差，精度低；不适合高温场合。不适合高温场合。一串联线路一串

54、联线路两支以上热电偶串联连接。两支以上热电偶串联连接。（1 1）正向串联）正向串联 将将n支同型号支同型号热电偶，依次热电偶，依次按正负极性相连按正负极性相连。 niinEEEEE121 热电势大，精度比单支热电偶高，一支热电偶断路，热电势大，精度比单支热电偶高，一支热电偶断路，系统不能工作。系统不能工作。各热电偶冷端必须相同。各热电偶冷端必须相同。6.4.9 热电偶的串并联热电偶的串并联（2）反向串联）反向串联E = E1 - E2 一般采用一般采用两支同型号两支同型号的热电偶，的热电偶，将相同极性串连在一起，测量两点将相同极性串连在一起，测量两点的温差的温差。要求：要求： b.b.两热电偶

55、的两热电偶的热电特性热电特性均应为均应为线性或近似线性线性或近似线性。a.a.两热电偶两热电偶延伸的冷端温度必须相同延伸的冷端温度必须相同；是否需要冷端补偿？是否需要冷端补偿？二二. .并联线路并联线路 niinEnnEEEE1211 将将n支同型号支同型号热电偶的正、负极热电偶的正、负极分别连接在一起分别连接在一起，总电势为总电势为n支热支热电偶热电势的平均值。电偶热电势的平均值。用于用于大型设备平均温度的测量大型设备平均温度的测量。当某支热电偶断路时，测温系统可照常工作。当某支热电偶断路时，测温系统可照常工作。 B A0t0t现场控制室E(1) (1) 用于远传用于远传, ,一般需要补偿导

56、线一般需要补偿导线 ； (2) 通常用于测量高温（0-1800），测量低温时，测 量精度降低，一般用热电阻代替； (3)为非线性；)(tfE (4) E为mV级，测量时需要电压放大； (5) 需要进行冷端补偿处理。 +-+-+-6.4.10 热电偶测温特点热电偶测温特点计算的常用公式：计算的常用公式：)t ,t (E)t , t (E)t , t (EABBAAB000 第三种导体定律：第三种导体定律：接入第三种导体接入第三种导体，只只要与第三种导体相接的要与第三种导体相接的两接点温度相同，两接点温度相同，则则对回路中电势无影响。对回路中电势无影响。 0( , )ABEt tEAA(t, t0

57、)=0 ； EAB(t, t)=0 ；当当A、B（或（或+、-）材料已知，）材料已知，t、t0温度已知，温度已知，可以直接采用实际热电势方向，可以直接采用实际热电势方向，也可用参考热电势方向也可用参考热电势方向0( , )ABEt t,Et tE6.4.11 热电偶温度计算热电偶温度计算00000( , )( ,)( , )ACDBABCDEt ttEt tEtt000000( , )( ,)( , )( , )AABBABABABEt ttEt tEttEt t00( ,0)( ,)( ,0)ABABABEtEt tEt00( ,)( ,0)( ,0)E t tE tE t 在计算中，补偿导

58、线等效于同分度号的在计算中，补偿导线等效于同分度号的热电偶热电偶如果如果AB=CD如果如果t0=0 中间温度定理：中间温度定理：61例：t0=20 ,C为铜导线，0.5sEmV，求t?0.5sEmV，mVEtEtEsss613. 0113. 05 . 0)020()20()0(，609. 0)095(，sE616. 0)096(，sE线性插值，0.6130.60919595.6 C0.6160.609t 00( ,0)( , )( ,0)E tE t tE t?),(0)0 ,(00ttEttE时，如何计算当。从表中可查得6 2(112.525)(112.50)(250)0.738 0.142

59、0.596sssEEEmV例：，0000( ,0)( , )( ,0)( ,0)( ,)0( ,)E t tE tE t tE tE tE t118例例6-3：有一个实际的热电偶测温系统，两个热电极的材料为：有一个实际的热电偶测温系统，两个热电极的材料为镍铬和镍硅镍铬和镍硅，L1和和L2分别为配镍铬镍硅分别为配镍铬镍硅补偿导线补偿导线，测量系统配，测量系统配K型热电偶的温度显示仪型热电偶的温度显示仪表表(带补偿电桥带补偿电桥)来显示被测温度的大小，设来显示被测温度的大小，设t 300。tc50，t020求显示仪表输入端的热电势求显示仪表输入端的热电势补偿电桥 补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tc

60、t0t1L2L000K0,0 =KKKEt tEttEEtt补偿导线冷补（ ,0)温度温度T()T()热电势热电势E(mV)E(mV)20200.7980.79850502.0232.02330030012.20912.20900,=,012.2090.79811.411KKEt tE tEtmv（ ,0)-解：由题意可知，使用的热电偶分度号为解：由题意可知，使用的热电偶分度号为K型，则回路总电势型，则回路总电势119270.3tC铜导线显示仪表镍铬镍硅热电偶tct0t1L2L 如补偿导线如补偿导线错接为普通的铜导线错接为普通的铜导线，则测量回路的总电势和温度的显，则测量回路的总电势和温度的显