温度检测技术及仪表

1、2.1 概述 2.2 膨胀式温度计 2.3 热电阻温度计2.4 热电偶温度计 第2章 温度测量技术及仪表传感器与仪表2.5 辐射式温度计2.6 光纤温度计 2.7 集成温度传感器 2.8 温度检测仪表的选用 第2章 温度测量技术及仪表传感器与仪表温度仪表 温度是诸多物理现象中具有代表性的物理量，是现代生活中不可缺少的信息内容，家用电器如：电饭煲、电冰箱、空调、微波炉等都少不了温度传感器。概述 传感器与仪表温度仪表概述 根据所用测温物质的不同和测温范围不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差温度计、辐射温度计、光测温度计等等。传感器与仪表温度仪表 按价格和性能可分

2、为： 热膨胀温度传感器，有液体、气体的玻璃式温 度计、体温计，结构简单，应用广泛； 家电、汽车上使用的传感器，价格便宜、用量 大、成本低、性能差别不大； 工业上使用的温度传感器，性能价格差别比较 大，因为传感器的精度直接关系到产品质量和 控制过程，通常价格比较昂贵。 概述 传感器与仪表概述 各种热电偶 传感器与仪表概述 各种热电阻 传感器与仪表普通热电偶安装螺纹安装法兰铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可 长达上百米薄壁金属 保护套管（铠体） BA绝缘 材料铠装型热电偶横截面钢水快速测温方法 在炼钢厂中，有时直接将热电极（例如铂铑10-铂快速测温热偶丝）插入钢水中测量钢水温度 传感器与仪表红外线

3、辐射温度计传感器与仪表 温度仪表按工作原理主要有以下几类： 热电偶，利用金属温差电动势，有耐高温、 精度高的特点； 热电阻，利用导体随温度变化，测温不高； 热敏电阻，利用半导体材料随温度变化测 温，体积小、灵敏度高、稳定性差； 集成温度传感器，利用晶体管PN结电流、 电压随温度变化，有专用集成电路，体积 小、响应快、价廉，测量150以下温度。概述 传感器与仪表 传感器与其它装置组合起来, 组成检测系统或调节系统, 进行参数的检测与控制。 用标准信号进行传输, 直流电流为4-20 mA、直流电压为1-5 V、压力信号为20-100 kPa, 以前也曾以直流电流0-10mA作为通用的标准信号。 传

4、感器与仪表对输出为非标准信号的传感器, 可通过变送器（或变送器功能模块电路）变换成标准信号, 便于组成检测系统或调节系统。 传感器与仪表2 温度检测技术及仪表2.1 温度概述1 温度与温标温度是表征物体冷热程度的物理量。不能直接测量, 只能借助于冷热不同的物体之间的热交换, 以及物体的某些物理性质随着冷热程度不同而变化的特性间接测量。 传感器与仪表温标用于定量地描述温度的高低.是温度数值的表示。为了保证温度量值的统一和准确而建立起来的温度标尺简称为温标 传感器与仪表传感器与仪表目前，国际上用得较多的温标：华氏温标、摄氏温标、热力学温标国际实用温标传感器与仪表2.1.2.1 华氏温标 1714年

5、，德国人华氏(Fahrenheit) 以水银体积随温度变化为依据， 制成了玻璃水银温度计，规定标准大气压下， 氯化氨和冰的混合物为0华氏度， 水的冰点为32华氏度， 水的沸点为212华氏度， 在沸点和冰点两点中间等180份， 每份为1华氏度，单位符号为F。传感器与仪表2.1.2.2 摄氏温标所用标准仪器也是玻璃水银温度计。1742年，瑞典人摄氏（Celsius）规定：在标准大气压下，水的冰点为0摄氏度，水的沸点为100摄氏度，中间划分100等份，每份为1摄氏度，用符号t表示，单位符号记为。 华氏温度与摄氏温度之间的关系为传感器与仪表2.1.2.3 热力学温标1848年，物理学家开尔文(Kelv

6、in)提出将温度与热效率相联系 两热源交换的热量之比等于两热源的温度之比 以此建立的温标称为热力学温标。 热力学温标所确定的温度称为热力学温度，也称绝对温度，用符号T表示，单位为开尔文，符号为K。 热力学温标是一种纯理论的理想温标，不能付诸实用。 传感器与仪表2.1.2.3 热力学温标2.1.2.4 国际实用温标传感器与仪表国际温标规定以开尔文表示热力学温度，以K为单位，1K等于水三相点(固、液、气三相并存) 热力学温度的。热力学温度一般称为绝对温度(以符号T90表示)。摄氏温度符号为t90，其单位以表示，它们之间的关系为2.1.3 温度检测仪表分类接触测量法和非接触测量法 接触测量法是测温敏

7、感元件直接与被测介质接触。使被测介质与测温敏感元件充分地进行热交换，使两者具有同一温度，达到测量的目的。 传感器与仪表优点：直观可靠，应用广泛。 非接触测量法是利用物质的热辐射原理，测温敏感元件不与被测介质接触。通过辐射和对流实现热交换，达到测量的目的。 2.1.3 温度检测仪表分类接触测量法和非接触测量法 传感器与仪表对应于上述两种测温方法，温度检测仪表也可分为接触式与非接触式两大类。接触式测温仪表按照测温原理可分为膨胀式、电阻式、热电式等。非接触式温度计可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计以及用于中、低温测量的红外热像仪。2.1.3 温度检测仪表分类传感器与仪表检测方式仪表名称测温原理

8、测量范围/精度/%特点接触式双金属温度计金属热膨胀、变形量随温度变化-100600一般-8060012.5结构简单可靠，读数方便，精度较低，不能远传压力式温度计气（汽）体、液体在定容条件下，压力随温度变化0600一般030012.5结构简单可靠，可较远距离传送（50m），精度较低，受环境温度影响大玻璃管液体温度计液体热膨胀、体积随温度变化-200600一般-1006000.12.5结构简单，精度高，读数不便，不能传送热电阻金属或半导体的电阻值随温度变化-2581200一般-2006500.53.0精度高，便于传送；需外加电源热电偶热电效应-2692800一般-20018000.51.0测温范围

9、大，精度高，便于远传，低温精度差非接触式光学高温计物体单色辐射强度及亮度随温度变化2003200一般60024001.01.5 结构简单，携带方便，不破坏对象温度场；易产生目测误差，外界反射、辐射会引起检测误差辐射高温计物体辐射随温度变化1003200一般70020001.5结构简单，稳定性好，光路上环境介质吸收辐射，易产生检测误差表2-1 常用测温仪表的分类及性能传感器与仪表2.2 膨胀式温度计传感器与仪表基于物质的热胀冷缩现象，通过测量物质的膨胀或收缩量来反映被测温度的温度计，称为膨胀式温度计。有玻璃管液体温度计和双金属温度计。 2.2.1 玻璃管液体温度计由装有液体的玻璃温包、毛细管和刻

10、度标尺三部分组成。依据液体受热后体积发生膨胀的原理而制成的，根据液体在玻璃毛细管中的位置来读取温度示值。 传感器与仪表优点：直观、测量准确、结构简单、造价低廉，广泛应用于工业和实验室等。缺点：不能自动记录、远传、易碎、有一定滞后。用得最多的是水银温度计， 2.2.1 玻璃管液体温度计传感器与仪表2.2.2 双金属温度计敏感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，其一端固定，另一端（称为自由端）通过传动机构与指针相连。当温度变化时，两金属片的线膨胀系数不同，自由端将朝着线膨胀系数小的一方发生弯曲，温度越高产生的线膨胀长度差越大，弯曲的角度也越大。传感器与仪表传感器与仪表双金属片双金属

11、温度信号器 双金属温度计 2.2.2 双金属温度计传感器与仪表测量低温度的现场检测仪表，直接测量-80+500范围液体、蒸汽和气体介质温度。缺点：精度不高，量程不能做得很小及使用范围有限等。在使用及维护过程中，尽量避免碰撞保护管，切勿使之弯曲变形。 2.2.2 双金属温度计传感器与仪表2.2.3 压力式温度计靠在密闭容器中液体、气体或蒸汽受热后压力的变化来测温的，根据压力的变化再推算出温度 测量高温可达500550，在低温下充氢气，测温下限可达120，仪表为线性刻度。 由温包、毛细管和弹簧管组成 2.2.3 压力式温度计传感器与仪表传感器与仪表2.2.3 压力式温度计当温包受热后，工作物质膨胀

12、，压力升高，经毛细管传到弹簧管内，使弹簧管变形，自由端产生位移由传动系统带动指针指示温度。 特点：结构简单、强度较高、抗振性较好。传感器与仪表2.3 热电阻温度计利用金属导体或半导体材料电阻率随温度而变化的特性进行温度测量，用于对温度和与温度有关的参量进行检测。 测温范围：在中、低温区域（200 850）。 传感器与仪表分为金属热电阻和半导体热敏电阻。 2.3 热电阻温度计2.3.1 金属热电阻温度计由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜 传感器与仪表 2.3.1.1 常用热电阻 铂热电阻2.3 热电阻温度计电阻值与温度之间的关系： 当温度t为200 t 0 时 当

13、温度t为0 t 850 时传感器与仪表2.3.1.1 常用热电阻 铂热电阻2.3 热电阻温度计式中，R t，R 0分别为温度在t和0时的铂电阻值；A，B，C为常数，对有 传感器与仪表2.3.1.1 常用热电阻 铂热电阻2.3 热电阻温度计工业铂电阻的R0值有10和100两种，对应的分度号分别为Pt10和Pt100， 在实际测量中，只要测得铂热电阻的阻值R t，便可从分度表中查出对应的温度值。 传感器与仪表2.3.1.1 常用热电阻 铜热电阻2.3 热电阻温度计测量范围一般为50150 铜热电阻与温度之间的关系为 传感器与仪表 2.3.1.1 常用热电阻 铜热电阻2.3 热电阻温度计 R00时电

14、阻值； Rtt时电阻值； A，B，C常数， A = 4.28910-3/-1； B =2.13310-7-2；C=1.23310-9-3。传感器与仪表2.3.1.1 常用热电阻 铜热电阻2.3 热电阻温度计由于B和C很小，可以近似地表示为为铜的温度系数，4.28)10-3/ R0值有50和100两种 在实际测量中，只要测得铜热电阻的阻值R t，便可从分度表中查出对应的温度值。传感器与仪表2.3 热电阻温度计传感器与仪表2.3.1.2 热电阻的结构 1热电阻丝；2电阻体支架；3引线；4绝缘瓷管； 5保护套管；6连接法兰；7接线盒；8引线孔。传感器与仪表将电阻丝绕在云母、石英、陶瓷、塑料等绝缘骨架

15、上，经过固定，外面再加上保护套管。 2.3.1.2 热电阻的结构铜热电阻结构 铂热电阻结构 传感器与仪表2.3.1.2 热电阻的结构铠装热电阻的结构 电阻体、引线、绝缘粉末及保护套管经整体拉制而成 1不锈钢管；2感温元件；3内引线； 4氧化镁绝缘材料传感器与仪表热电阻内部引线方式有两线制、 三线制和四线制三种, 二线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温精度不高场合。 三线制减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测。2.3.1.2 热电阻的结构传感器与仪表2.3.2 半导体热敏电阻温度计利用半导体的电阻值随温度

16、变化的特性制成的热敏元件。 根据热敏电阻率随温度变化特性的不同，可分为正温度系数(PTC)，负温度系数(NTC)，临界温度系数(CTR)三种类型。 贴片式薄膜式 大功率 传感器与仪表2.3.2 半导体热敏电阻温度计热敏电阻典型特性 传感器与仪表2.3.2 半导体热敏电阻温度计NTC热敏电阻 适用于100300 之间测温 NTC热敏电阻的主要特性 温度特性 其电阻温度特性符合负指数规律， 传感器与仪表2.3.2 半导体热敏电阻温度计NTC热敏电阻 温度特性 伏安特性 伏安特性电流I与其两端的电压U之间的关系 传感器与仪表 热敏电阻的结构2.3.2 半导体热敏电阻温度计由热敏探头、引线、壳体等构成

17、 热敏电阻的结构形式 传感器与仪表 热敏电阻的主要参数材料常数B参数 温度系数 标称电阻值RH 耗散系数H 热容量C 能量灵敏度G 时间常数 额定功率PE 2.3.2 半导体热敏电阻温度计传感器与仪表 热敏电阻的线性化 NTC的几种组合电路及其热电特性曲线 2.3.2 半导体热敏电阻温度计传感器与仪表2.3.3 热电阻温度传感器的应用进行200+500范围的温度测量 为了减小或消除由于连接导线电阻随环境温度变化造成的测量误差，经常采用三线制或四线制接法 热电阻测温电桥的三线制接法 传感器与仪表2.3.3 热电阻温度传感器的应用热电阻测温电桥的四线制接法 传感器与仪表在使用热电阻测温时，应注意如

18、下问题： 2.3.3 热电阻温度传感器的应用 应根据测温范围及被测温度场气氛等因素 选择热电阻的类型和规格参数 安装地点应避开加热源和炉门， 接线盒处的环境温度应不超过100 热电阻最好垂直安装， 可防止在高温下弯曲变形， 其表面粘积物要比水平安装少得多， 可缩短测量滞后时间，提高测量精度 传感器与仪表2.3.3 热电阻温度传感器的应用 热电阻的插入深度应大于 其保护套管外径的810倍， 使用中应保持电阻丝与 保护套管之间具有良好的绝缘， 以防带来测量误差， 甚至使仪表不能正常工作。传感器与仪表在仪表中经常使用热敏电阻进行温度补偿。线圈、线绕电阻等金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏

19、电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用中，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联， 仪表中的电阻温度补偿电路 2.3.3 热电阻温度传感器的应用温度传感器的组成 由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成.传感器与仪表传感器与仪表 2.4 热电偶温度计将温度变化转换为热电势变化的温度检测元件 检测-2001600的温度 2.4.1 热电偶的测温原理 两种不同的导体（或半导体）组成一个闭合回路, 传感器与仪表2.4 热电偶温度计 热电效应当两个结点温度不等（TT0）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。 称为热电效应。利用这种效应，只要知道一端结点温度，

20、就可以测出另一端结点的温度。传感器与仪表 能将温度转换为电压的传感器热电偶传感器与仪表当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极A热电偶工作原理 热电极B热电势AB传感器与仪表2.4 热电偶温度计 固定温度的接点称基准点（冷端）T0 ，恒定在某一标 准温度； 待测温度的接点称测温点（热端）T ，置于被测温度 场中。 这种将温度转换成热电动 势的传感器称为热电偶， 金属称热电极。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表热电偶示意图 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 当两接点温度不同时，在回路中产生热电势。两种不同的导体组合为热电偶。 两个接点, 一个称工作端,

21、热端, 测温时将它置于被测介质中; 另一个称自由端,参考端或冷端。2.4 热电偶温度计传感器与仪表 产生的热电势由两部分组成: 温差电势和接触电势。 接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而形成的电动势。 取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 接触电势不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会产生电子扩散，浓度大的向浓度小的金属扩散。 浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。2.4 热电偶温度计传感器与仪表 温度 T 热端接触电势：冷端接触电势：、 、 式中： A、B 代表不同材

22、料； T，T0 为两端温度； 波尔兹曼常数； 电子电荷量； 是A、B 材料的电子浓度；2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表接触电势的大小与接点的温度及导体中的自由电子密度有关。温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。 在闭合回路中，总的接触电势为：2.4 热电偶温度计传感器与仪表 （2）温差电势（汤姆逊电势） 对单一金属如果两边温度不同，两端也产生电势。 产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具 有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失 去电子带正电，低温端得到电子带负电。2.4 热电偶温度计传感器与仪表结论： 热电偶两电极材料相同，

23、NA=NB时，无论两端点温度如何，总热电势为零； 2. 如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，A、B材料不同，回路总电势为零； 因此，热电偶必须用不同材料做电极； 在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。2.4 热电偶温度计传感器与仪表 EAB(T)= 温差电势是同一导体的两端因温度不同而产生的一种热电势。接触电势EAB(T)和EAB（T0）可表示为2.4 热电偶温度计传感器与仪表 热电偶回路的热电势 温差电势, 其大小为 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表热电偶回路总热电势 回路总的热电势是两个接触电势与两个温差电势的代数和 回路中的总热电

24、势为 AB(T, T0)=EAB(T) -EAB(T0 )+EB(T, T0)-EA(T, T0) 温差电势比接触电势小很多, 可忽略不计, 热电势可表示为 EAB(T, T0)=EAB(T)-EAB(T0) 当参考端温度T0恒定时,EAB (T0)=c为常数, 总的热电动势只与温度T有关, 即 EAB(T, T0)=EAB(T)-c=f(T)传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表热电偶可看作是一种换能器，它将热能转化为电能。测温时，利用热电势与冷热端温差之间的函数关系，通过测量回路中产生的热电势大小，即可得知相对于冷端温度的热端温度。热电势与温度之间关系通过热电偶分度表确定。分度表:在

25、参考端温度为0时, 通过实验建立起来的热电势与工作端温度之间的数值对应关系。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律2.4.2.1 均质导体定律由一种导体组成的闭合回路, 不能产生热电势. 热电偶必须由两种不同性质的均质材料构成。 常用的热电偶定律: 2.4.2 热电偶的基本定律 2.4.2.2 中间导体定律 (三种导体的热电回路) 在热电偶测温回路内, 接入第三种导体, 只要其两端温度相同, 对回路的总热电势没有影响。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律热电偶测量电路 热电偶测温电路

26、 等效电路 如果将热电偶T0端断开， 接入第三导体C，回路中 电势EAB（T，T0）应写为：2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2.2 中间导体定律设 时， 将 代入上式有： 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2.2 中间导体定律结论： 当引入第三导体C时，只要C导体两端温 度相同，回路总电势不变，根据这一定律， 将导体C作为测量仪器接入回路，就可以由 总电势求出工作端温度.条件是：保证两端温度一致。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2.2 中间导体定律同理, 加入第四、第五种导体后, 只要加入的导体两端温度相等, 同样不影响回路中的总热电势。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表

27、2.4.2.2 中间导体定律2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2.2 中间导体定律2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律2.4.2.3 标准电极定律如果A、B对标准电极C的热电势已知，则A、B构成热电偶时的热电势为它们分别对C构成热电偶时产生的热电势和，即2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律三种导体分别组成热电偶 标准电极C一般由铂制成 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律 已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为(T，To)时的热电动势分别为EAC(T，To)、EBC(T，To)， 由A，B两种热电极配对

28、后的热电动势 EAB(T，To) 可按下面公式计算： EAB(T，To) = EAC(T，To) - EBC(T，To)热电偶参考电极定理2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律热电偶参考电极定理2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律 只要获得热电极与参考电极配对的热电动势，任何两种热电极配对时的电动势均可利用该定律计算，不需逐个进行测定。如： 当T为100，T0为0时， 铬合金铂热电偶的E(100, 0) = +313mV， 铝合金铂热电偶的E(100, 0) = -102mV，热电偶参考电极定理2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基

29、本定律热电偶参考电极定理 求铬合金铝合金组成热电偶的热电势E(100，0) 解：设铬合金为A，铝合金为B，铂为C 即EAC(100，0) = 313 EBC (100，0)= -102 EAB (100，0) = EAC(100，0) - EBC (100，0) = 313 - （-102） 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律2.4.2.4 连接导体定律在热电偶回路中，如果导体A、B分别与导线A B相接，接点温度分别为T、Tn、T0，则回路总电动势等于热电偶热电动势和连接导线热电动势的代数和 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.2 热电偶的基本定律2.4.2.4

30、连接导体定律热电偶连接导线 连接导体定律为在用热电偶测温时使用补偿导线提供了理论依据。 中间温度定律 结点温度为T、T0时的热电势EAB（T，T0）为：与 的代数和： 实际测量时，利用这一性 质，对参考端温度不为零 度时的热电势进行修正。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表热电偶中间温度 中间温度定律中间温度定律为制定热电势分度表奠定了理论基础，只要求得参考端温度为0时的热电势与温度的关系，就可以求出参考端温度不等于0时的热电势。 例:用镍铬-镍硅热电偶测炉温时，其冷端温度T0 = 30,在直流电位计上测得的热电势 EAB(T，30)为mv, 试求炉温为多少？ 分析

31、： EAB(T， T0) = EAB(T，Tn)+EAB (Tn , T0) EAB(T，Tn)已知，EAB (Tn , T0) 可查， 先求EAB(T， T0) ，再查分度表得出炉温T。2.4 热电偶温度计传感器与仪表解：(1) 镍铬_镍硅热电偶K分度表 EAB(T， 0) = EAB(30， (2) EAB(T，0)= EAB(T，T0)+EAB (T0 , 0) = EAB(T， 30) + EAB(30，0) =30.839mv + 1.203mv = 32.042(mv) (3)再查分度表 EAB(T， mv 的温度T为770。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感

32、器与仪表热电偶性能和特点2.4 热电偶温度计传感器与仪表热电偶类型理论上, 任何两种不同材料的导体都可以组成热电偶, 实际上,为了可靠测量温度, 对组成热电偶的材料必须进行选择。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构必须满足如下条件：热电势要足够大；热电势与温度最好呈线性函数关系；物理、化学性能稳定；热电特性稳定；复现性好；电阻温度系数小电导率高；材料组织均匀，有韧性，利于加工成丝；价格便宜。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 2.4.3 热电偶的种类与结构 分为标准化热电偶和非标准化热电偶2.4.3.1

33、标准化热电偶 指工艺成熟、能批量生产、性能稳定、应用广泛，具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构(1) 铂铑10-铂热电偶（S型） (2) 铂铑30-铂铑6热电偶（B型）(3) 镍铬-镍硅热电偶（K型）(4) 镍铬-铜镍热电偶(E型)(5)铜-铜镍热电偶（T型）2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构几种标准化热电偶的热电势与温度之间的关系 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构2.4.3.2 非标准化热电偶可进一步扩展高温和低温的测量范围 这一类热电偶的研究不够成熟 没

34、有统一的分度表 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构(1) 贵金属热电偶铂铑20-铂铑5，铂铑40-铂铑10 最高测量温度为1850 (2) 贵-廉金属混合式热电偶正极是铜、银或镍铬合金，负极是金铁合金。 测温范围为-2700 主要用于低温测量 (3) 难熔金属热电偶包括钨铼合金热电偶，它的熔点高于3000，测量温度可达25002800 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构(4) 非金属热电偶目前仍处于研究阶段 碳-硅碳热电偶在1700 热电势达508mV，是金属热电偶的近百倍 熔点高，测温上限可达3000 主要问题是它的复现性和机械强度差

35、2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构普通装配式结构和柔性安装的铠装结构两种 (1)普通装配式热电偶由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒构成 普通热电偶，测量气体、蒸汽、液体等，棒形结构；2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构(a)：l接线柱；2接线座； 3绝缘套管；4热电 (b)：1测量端；2热电极； 3绝缘套管；4保护管；5接线盒2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构(2) 铠装型热电偶用以测量狭小对象，结构细长、可弯曲；a)普通热电偶 b)薄膜热电偶 c)铠装热电偶(3)高性能实体热电偶特点：耐高温、响应速度快、寿命

36、长 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构(4) 其他热电偶薄膜热电偶、热套式热电偶、高温耐磨热电偶 薄膜热电偶 用于火箭、飞机喷嘴温度测量，结构较薄用于表面温度检测，适用于-200300的温度范围 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构 热套式热电偶 用于大容量火力发电厂的蒸汽温度检测。采用特殊的热套形式，保证热电偶的插入深度，缩短了热电偶悬臂的长度。 高温耐磨热电偶 用于水泥窑熟料及重油温度检测等 保护管的材料要耐热冲击及高温固体颗粒的磨损，要有足够的机械强度。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.3 热电偶的种类与结构 快速微型消耗式热电

37、偶 用于一次性测量钢水温度表面热电偶，用于弧形表面物体测温；2.4 热电偶温度计 热电偶的结构和种类传感器与仪表每一种热电偶中前者为热电偶的正极, 后者为负极。 常用的有四种标准化热电偶, 即铂铑30-铂铑6, 铂铑10-铂, 镍铬-镍硅和镍铬-铜镍热电偶, 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表用于测量3800超高温的钨镍系列热电偶, 用于测量2-273K的超低温的镍铬-金铁热电偶等。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表(1)普通热电偶 (2

38、)铠装热电偶 由热电偶丝、 绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,可以做得很细很长, 使用中随需要任意弯曲。 (3)薄膜热电偶 由两种薄膜热电极材料, 适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿 由热电偶的测温原理可知，热电势的大小不仅与热端温度有关，而且还与冷端温度有关，只有当冷端温度恒定时，才能通过热电势的大小去判断热端温度的高低。 EAB(t, t0)=E AB(t)-EAB(t0) 分度表是以t0=0作为

39、基准, 在实际过程中, 参考端温度不为0, 工作端温度为t时, 分度表所对应的热电势EAB(t, 0)与实际热电势EAB(t, t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式: EAB(t, 0)= EAB(t, t0)+ EAB(t0, 0) 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿热电偶测温时，冷端温度必须为0，否则将产生测量误差。当冷端温度波动较大时，必须首先使用补偿导线将冷端延长到一个温度相对稳定的地方，然后再考虑将冷端处理为0，这称为热电偶的冷端温度补偿。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4

40、热电偶的冷端温度补偿2.4.4.1 补偿导线用导线将热电偶的冷端延伸出来。补偿导线具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同的特性。 补偿导线又分为延长型和补偿型两种。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿使用补偿导线时必须注意以下问题： 只能用在规定的温度范围内 （普通小于100，耐热小于200）； 与热电偶的两个接点温度必须相同； 不同型号配有不同的热电偶； 正、负极分与热电偶的正、负极相连； 将冷端迁移到温度恒定的地方。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿常用补偿导线2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿热电偶

41、有S、K、T、E等多种分度号，在实际应用中，首先必须选用与热电偶相配套的补偿导线将热电偶冷端延伸到控制室，然后再与变送、显示、记录、调节仪表或I/O接口等设备相连，冷端温度补偿即由这些仪表或设备来完成，具体方法介绍如下：2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.2 冰点法将补偿导线末端放入冰水混合物或零度恒温器中，这样，热电偶冷端的温度就是0，可直接测出热端温度。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.2 冰点法该方法原理简单，测量误差小，一般情况下误差可忽略不计，但冰水混合物的制作、维护麻烦，而零度恒温器容量又小，这种方

42、法多用于实验室。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.3 恒温迁移法根据补偿导线末端所处环境温度估计值的大小，人为将显示或记录仪表的零点调到该值 该方法在工业测量中被广泛采用，尤其是无自动冷端补偿功能的动圈式测温仪表、有纸记录仪等。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.4 计算修正法该方法是基于中间温度定律，即冷端温度计算修正曲线 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿T0为冷端或补偿导线末端温度，通过估计或实测T0，从分度表中查得EAB（T0，0），将此值与测量值EAB（T，T0）相加，

43、即得EAB（T，0），再反查分度表即可求出热端温度T。 2.4.4.4 计算修正法2.4 热电偶温度计传感器与仪表计算修正法测量精确但工作繁琐，冷端温度变化频率较高时，测量效率难以保证实时性要求，故很少用于工业现场，可应用于实验室测温或对带冷端补偿的二次仪表进行校验等。2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.4 计算修正法2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.5 电桥补偿法它是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度t0的变化对输出电势的影响 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.5 电桥补偿法在补偿导线末端放

44、置一个铜电阻RCu，通过选择合适的补偿电桥参数，使电桥产生的输出电压Uba的大小正好补偿因冷端温度t0而引起的热电势EAB（t0，0）， 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿从而消除了冷端温度对测量结果的影响，实现了冷端补偿 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.6 二极管补偿法由PN结理论可知，在室温附近，当流经PN结的电流恒定时，PN结温度每升高1，其正向电压将减小2mV，可设计相应的热电偶冷端温度补偿电路。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.6 二极管补偿法这种方法结构简单、使用方

45、便，补偿精度可达0.01，补偿范围为2580。如川仪的ER180系列温度记录仪就采用该方法实现冷端温度补偿。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.7 集成温度传感器补偿法由集成温度传感器测得冷端温度，再与热电偶所测温差叠加而得到热端温度 实现测温和补偿 可用器件有电流输出型器件AD590和电压输出型器件LM135 , LM235 , LM335 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿2.4.4.8 软件补偿法智能冷端温度补偿法硬件原理图 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.4 热电偶的冷端温度补偿热电偶和冷端温度传感器的输出信

46、号分别被调理成05V的电压并经多路模拟开关选择其中之一送往A/D转换器，数字化后再由单片机内程序进行冷端补偿处理，这样可将温度的检测精度大大提高，对于不同分度号的热电偶，只要改变机内数据转换表即可，系统的适应性大大增强，使用方便。2.4.4.8 软件补偿法2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.5 热电偶的选用热电偶的选型 热电偶分度号的选择主要针对使用条件，包括常用工作温度、最高工作温度、使用气氛（氧化、还原、中性）等因素。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.5 热电偶的选用热电偶的选型 热电偶结构形式的选择普通型、铠装型、高性能实体型以及特殊结构型结构形式的选择 插入深度选择2.4 热

47、电偶温度计传感器与仪表热电偶的选型 热电偶测量端形式的选择在满足响应速度要求的情况下，宜选用绝缘式；为了保证响应速度足够快或为抑制干扰源对测量的干扰时，应选用接壳式。 接线盒的选用条件较好的场所，宜选用普通式：潮湿或露天场所，宜选用防溅式或防水式：易燃、易爆的场所，宜选用防爆式。 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 连接方式的选择热电偶的选型一般情况下选用螺纹连接方式；在设备、衬里管道、非金属管道和有色金属管道上安装应选用法兰连接方式； 在特殊场合所用的热电偶的选择 温度高于870、氢含量大于5%的还原性气体、 惰性气体及真空场合， 选用钨铼热电偶或吹气热电偶；传感器与仪表2.4 热电偶温度计

48、在特殊场合所用的热电偶的选择 测量设备、管道外壁和转体表面温度， 选用端(表面)式、压簧固定式或铠装热电偶； 测量含坚硬固体颗粒的介质温度， 选用耐磨热电偶； 在同一检测元件保护管中， 要求多点测量时，选用多点(支)热电偶 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 为了节省特殊保护管材料、 提高响应速度或要求检测元件弯曲安装时， 可选用铠装热电偶； 高炉、热风炉温度的测量， 可选用高炉、热风炉专用热电偶。 在特殊场合所用的热电偶的选择2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.5.2 热电偶的安装与使用 安装位置选择 安装在温度较均匀且能代表欲测工作温度的地方 不应装在离加热源或门太近的地方 安装应尽可能

49、避开强电场和强磁场， 应远离仪表电源及动力电缆或 采取相应的屏蔽措施， 以防止由于外来因素干扰而造成测量误差 2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4.5.2 热电偶的安装与使用 安装位置选择 应使热电偶热端与被测介质充分接触，不能装在被测介质很少流动的区域内。测量固体温度时，必须使热电偶热端与被测物体表面紧密接触，并尽可能减小接触点附近的温度梯度，以减小导热误差 热电偶冷端尽量避免温度过高（一般不应超过100） 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 安装方式选择有水平、垂直和倾斜三种 水平安装较易附着灰分和氧化物，长时间运行而未及时清理，会引起测量滞后并使示值偏低，动态性能变差 垂直安装表面粘积物

50、要比水平安装少得多，故测量精度较高 倾斜安装，倾斜角45o为最佳 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 电极绝缘问题除热端接点外，电极的其它部分应严格绝缘，如果绝缘不好或短路，将会引起测量误差甚至不能测量。安装和使用时，应检查热电偶两电极间的绝缘材料（如普通型的陶瓷管）是否完好。 与补偿导线的连接热电偶有多种分度号，选用与热电偶相配套的补偿导线将热电偶冷端延伸到控制室，然后再与变送、显示、记录、调节仪表或I/O接口等设备相连。2.4 热电偶温度计传感器与仪表 使用补偿导线时应注意以下几点： 一是补偿导线型号与热电偶的分度号必须配套 二是与热电偶的两连接点的温度应相同 三是补偿导线和热电偶都有正负极

51、之分， 连接时极性不能接反，否则将产生反补，使测量误差大大增加 根据热电偶的支数、分度号和使用环境条件，应选用符合要求的补偿导线 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 按使用环境温度选用不同级别 补偿导线或补偿电缆。 -20+100时选用普通级； -40+250时选用耐热级 应根据使用环境条件， 选用阻燃补偿导线或阻燃补偿电缆 应根据测量或控制系统的设计要求， 选用补偿导线或补偿电缆 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 对有间断电加热或强电、磁场的场所， 应选用屏蔽补偿导线或屏蔽补偿电缆 补偿导线的截面积，应按其敷设长度的 往复电阻值以及配套显示仪表、 变送器或测量、控制系统接口允许 输入外部电阻来

52、确定 热阻抗的影响热阻抗不仅会增加热电偶的响应时间，使其反应滞后，同时还会使示值偏低 应根据环境状况定期检查并清理，以保持热电偶保护管外部的清洁 2.4 热电偶温度计传感器与仪表 热电特性变化的影响如变化显著，会严重影响热电偶示值准确性 使接线盒的出线口和盖子都由橡胶垫片进行密封 热电偶的线性化减缓热电特性发生变化的速度 为了使测温仪表具有线性刻度 需要在仪表中引入“线性化器”，补偿热电偶的非线性 非线性校正电路 软件编程 热电偶测温线路可以直接与显示仪表（如电子电位差计、 数字表等）配套使用, 也可与温度变送器配套, 转换成标准电流信号, 用一台显示仪表显示多点温度时,可以串联或并联使用,

53、2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表 热电偶正向串联:获得较大的热电势输出和提 高灵敏度。 热电偶反向串联:测量两点温差。 热电偶并联:测量平均温度。2.4 热电偶温度计传感器与仪表2.4 热电偶温度计传感器与仪表传感器与仪表2.5 辐射式温度计热辐射 ：物体处于绝对零度以上时，其内部带电粒子的热运动会以电磁波的形式向外辐射能量。 通过测量该辐射能量的大小可间接求出被测物体的温度 辐射式温度计就是基于这一原理工作的。 非接触式测温仪表 可用于测量运动物体的温度。 传感器与仪表2.5 辐射式温度计其突出的

54、特点：不干扰被测对象温度场；不会受到被测对象的腐蚀和毒化；不必与被测对象同温，测量上限不受限制；不必与被测对象达到热平衡，动态特性好；但测量准确性受环境及对象性质影响较大 用于900以上的高温区温度测量 传感器与仪表2.5 辐射式温度计辐射测温的物理基础辐射温度探测器工作在可见光和红外光的某波段或波长下 电磁波谱 传感器与仪表2.5 辐射式温度计辐射测温的物理基础低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线 温度升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向波长短的方向移动 在500左右，辐射光谱包括部分可见光 到800时，可见光大大增加 到3000时，辐射光谱则包含更多的短波成分，使物体呈现“白热”

55、传感器与仪表2.5 辐射式温度计热辐射的基本概念 辐射能Q：以辐射的形式发射、传播或接收的能量 辐射通量：又称辐射功率P， 是辐射源在单位时间内发出的辐射能量 辐射强度I与光谱辐射强度I： 把辐射源看成一个点源， 则定义点源在某一指定方向， 单位立体角d内发射的辐射功率为辐射强度I 传感器与仪表2.5 辐射式温度计热辐射的基本概念光谱辐射强度又称单色辐射强度I，它是波长在附近单位波长内的辐射强度 辐射亮度L与光谱辐射亮度L： 辐射源在单位投影辐射面积、单位立体角范围内的辐射功率称为辐射亮度 传感器与仪表2.5 辐射式温度计单色辐射亮度： 辐射源在波长属于附近的单位波长内的辐射亮度则称为光谱辐射

56、亮度L 辐射出射度M和光谱辐射出射度M： 辐射出射度M是辐射表面上单位面积所发出的辐射功率 传感器与仪表2.5 辐射式温度计光谱辐射出射度也称为单色辐射出射度M，在波长附近的单位波长内的辐射出射度 吸收率、反射率和透射率： 吸收率 ：表示吸收的能量所占总辐射能量的比率 反射率 ：表示反射的能量所占总辐射能量的比率 透射率 ：表示透射的能量所占总辐射能量的比率 传感器与仪表2.5 辐射式温度计当=1，=0，=0时，表明投射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射，具有这种性质的物体称为“绝对黑体”，简称为“黑体”。 当=1，=0，=0时，说明投射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射

57、。具有这种性质的物体称为透明体。 传感器与仪表2.5 辐射式温度计当=1，=0，=0时，说明投射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定的规律，则将该物体称为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或简称为“白体”。 辐射能的分配 传感器与仪表2.5 辐射式温度计 比辐射率与光谱比辐射率： 热辐射体温度在T时所有的辐射出射度M与同温度下黑体的辐射出射度Mb之比称为该辐射体的比辐射率，又称为黑度或辐射率 光谱比辐射率又称为单色黑度，或称为单色辐射率。物体在某温度时的单色辐射出射度M，与同温度、同波长时的黑体的单色出射度Mb之比 传感器与仪表2.5 辐射式温度计热

58、辐射的基本定律(1) 普朗克定律与维恩公式普朗克定律（单色辐射强度定律）：绝对黑体的辐射能力与温度有关，且随热辐射的波长而变化。 绝对黑体的单色辐射出射度Mb与波长和温度T的关系为 当温度在3000K以下时，普朗克公式可用较简单的维恩公式代替 传感器与仪表2.5 辐射式温度计单色辐射出射度峰值处的波长m与温度T之间的关系由维恩位移定律表示为可以估计出任何物体的温度辐射所处的波长区域 (2) 斯蒂芬-玻尔兹曼定律（全辐射定律）也称为四次方定律 给出绝对黑体的总辐射出射度与表面温度之间的关系 传感器与仪表2.5 辐射式温度计辐射测温方法根据热辐射的基本定律，辐射式温度计的基本测温方法主要有亮度法、

59、比色法和全辐射法三种。（1）亮度法光谱辐射能量与被测对象温度之间的关系可由普朗克公式描述，通过比较被测物体与参考源的光谱亮度，使二者的亮度相等，从而确定被测物体的温度 如：光学高温计和光电高温计 传感器与仪表2.5 辐射式温度计（2）全辐射法辐射能量大小与被测对象温度之间的关系可由斯蒂芬-玻尔兹曼公式描述，通过测量全辐射能而实现温度的测量。 如：辐射温度计 传感器与仪表2.5 辐射式温度计（3）比色法 被测对象的两个不同波长的光谱辐射能量投射到一个检测元件上，或同时投射到两个检测元件上，根据它们的比值与被测对象温度之间的关系实现辐射测温的方法，比值与温度之间的关系由两个不同波长下普朗克公式之比

60、表示 如：比色温度计 传感器与仪表2.5 辐射式温度计亮度温度计物体在高温状态下会发光，当温度高于700就会明显地发出可见光并具有一定的亮度 物体在波长下的亮度L与它的辐射出射度M成正比 根据维恩公式，绝对黑体在波长的亮度Lb与温度Ts的关系为传感器与仪表2.5 辐射式温度计实际物体在波长的亮度L与温度T的关系为只要测出物体在某一波长下的亮度即可确定被测物体的温度。这就是亮度法测温的理论基础。 亮度温度计可分为：光学高温计和光电高温计两种 传感器与仪表2.5 辐射式温度计 光学高温计由光学系统和电测系统组成 1物镜(接受热源)；2吸收玻璃； 3标准温度灯；4目镜； 5红色滤光片；6毫伏表；7滑