热工仪表知识-温度测量课件

第二章

第一节

热电偶测温

一、热电偶的测温原理

热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000～3000℃。如电厂生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气高温等都是采用热电偶来测量的。

热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量，

1、热电现象

热电偶

接触电势产生

将两种不同材料的导体（或半导体）A和B组成闭合回路称之为热电偶。A、B是热偶丝，也叫热电极。放在被测对象中，感受温度变化的那端称为工作端或热端，另一端称为自由端或冷端。当热端和冷端温度不同时回路中有电流流过，此电流称为热电流，产生热电流的电动势称为热电势，这种物理现象称为热电现象。此热电势由接触电势和温差电势两部分组成的（1）接触电势:接触电势的大小可用下式表示：式中e—一单位电荷，等于4.802×10-10绝对静电单位；

K—一波尔兹曼常数，等于1.38×10-28

J/K；NA(t),NB（t）——金属A、B在温度t时的自由电子密度；

T——A、B金属接触处的绝对温度，K。（2）温差电势:温差电势是同一金属体两端温度不同而产生的。

式中NA（t）——金属A的电子密度，它是温度函数。

为了分析方便，温差电势可由下面函数差来表示：

(3)热电偶回路热电势温差电势的产生回路电势热电偶回路中，如果t＞t0，NA（t）＞NB（t），则在回路内便产生两个接触电势eAB(t)和eAB(t0)，两个温差电势eA（t，t0）和eB（t，t0），各电势的方向如图所示。回路的总电势EAB(t,t0)等于回路中各电势的代数和。即

上式表明热电偶的热电势是热电偶两端温度的函数之差，其大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点温度，而与热电极几何尺寸无关。如果保持热电偶冷端温度to恒定不变，对一定材料的热电偶其eAB（t0）亦为常数，设为C，则热电偶的热电势只与热电偶热端温度t有关，若测得EAB(t,t0)值，便可知温度t值，这就是热电偶测温原理。即

EAB(t,t0)=eAB(t)–C

（2）如果两种导体A和B对另一种参考导体C热电势已知，则这两种导体组成的热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和，即

EAB（t，to）=EAC（t，to）＋ECB（t,to）参考导体亦称标准电极，一般选用铂制成，若已知各种电极与标准电极配成热电偶的热电特性，便可按此结论计算出任意两电极A、B配成热电偶后的热电特性，这样大大简化了热电偶的选配工作。

3、中间温度定律热电偶A、B在接点温度为t1、t3时的热电势等于热电偶A、B在接点温度分别为t1，t2和t2，t3时热电势的代数和，即

EAB（t1，t3）＝EAB（t1，t2）＋EAB（t2，t3）由此定律可得如下结论：（1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。该定律为制定和使用热电偶的热电势一温度关系即分度表奠定了理论基础。因为热电偶分度表是在冷端温度t0=0℃时热电势与热端温度的关系，根据中间温度定律便可以算出任何冷端温度时的热电势值。可得出

EAB（t，0）＝EAB（t，tn）＋EAB（tn，0）（2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。该定律为应用补偿导线提供了理论依据。

我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度要求略低。

三、标准化热电偶

所谓标准化热电偶是指制造工艺较成熟、应用广泛、能成批生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的那些热电偶。由于标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说标准化热电偶具有统一的分度表。对于同一型号的标准化热电偶具有互换性、使用十分方便。

•铂铑10-铂热电偶（分度号S）

•铂铑13-铂热电偶（分度号R）

•铂铑30-铂铑6热电偶（分度号B）

•镍铬一镍硅（镍铬一镍铝）热电偶（分度号K）

•镍铬一康铜热电偶（分度号E）

•铁一康铜热电偶（分度号J）

•铜一康铜热电偶（分度号T）

•镍铬一金铁热电偶（分度号NiCr－AuFe0.07）及铜一金铁热电偶（分度号Cu－AuFe0.07）

3、薄膜热电偶薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶。这种薄膜热电偶的热端既小又薄，热容量很小，可以用于微小面积上的温度测量；动态响应快，可测量瞬变的表面温度。我国研制成的铁一镍薄膜热电偶如图所示，

五、热电偶冷端温度处理方法热电偶的测温原理表明：热电偶的热电势是两个接点温度的函数差，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。但在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，因此必须对热电偶冷端温度变化的影响采取补偿措施，使热电偶的热电势只反映热端温度（被测温度）的变化，而不受冷端温度变化的影响。常用的处理办法有以下几种。

1．计算修正法

若温度显示仪表分度时规定热电偶冷端温度为0℃，而在使用中冷端温度为t0≠0℃时，根据热电偶的中间温度定律，得知在这种情况下产生的热电势为

EAB（t，0）＝EAB（t，t0）＋EAB（t0，0）(2-8)

式中EAB（t，0）——冷端为0℃、热端为t℃时的热电势；

EAB（t，t0）——冷端为t0℃，热端为t℃时的热电势，即实测值；

EAB（t0，0）——冷端为t0℃应加的校正值。

2、仪表机械零点调整法

仪表的机械零点为仪表输入电势为零时，指针停留的刻度点，也就是仪表的刻度起始点。若预知热电偶冷端温度为t0，在测温回路开路情况下，将仪表的刻度起始点调定在t0位置，此时相当于人为给仪表输入热电势EAB（t0，0），在接通测温回路后，输入仪表的热电势为

EAB（t，t0）＋EAB（t0，0）=EAB（t，0）

使仪表指针指示热端温度t值。

3、恒温法

在精密测量中，一般要求热电偶冷端温度保持为0℃，通常采用冰点槽。冰点槽的容器中充满蒸馏水与碎冰块的混合物，其温度保持为0℃。

冰点槽法是准确度很高的冷端处理方法，然而使用比较麻烦，需要保持冰、水两相共存，一般限于实验室精确测温或热电偶检定时使用。在现场，常使用电加热式恒温箱。这种恒温箱通过接点控制或其他控制方式维持箱内温度恒定（常为50℃）。4、补偿电桥法（冷端补偿器）补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。

5、多点测量的热电偶冷端温度补偿（1）利用一块显示仪表和一个冷端温度补偿器的多点测量线路；（2）用一只辅助热电偶对多只同型号热电偶冷端进行补偿的线路；

第二节热电阻测温

工业上广泛应用电阻温度计来测量―200～＋500℃之间的温度。电阻温度计的特点是准确度高；在中低温下（500℃以下）测温,它的输出信号比热电偶的要大得多,故灵敏度高；电阻温度计的输出是电信号，因此便于信号的远传和实现多点切换测量。电阻温度计由热电阻、显示仪表和连接导线组成，热电阻由电阻体、绝缘管和保护套管等主要部件组成。

一、测温原理根据材料不同，测温热电阻可分为金属和半导体热电阻两种。实验证明，大多数金属导体当温度升高1℃时，其阻值要增加0.4％～0.6％，半导体的阻值要减小3％～6％。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。电阻温度系数的定义是：温度变化l℃时电阻值的相对变化量，用α来表示，单位是℃-1，根据定义，α用下式表示：一般材料的温度系数α并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此常用（R100－R0）／（R0×100）代表0～100℃之间的平均温度系数，其中R100表示100℃时的电阻值，R0表示0℃时的电阻值。电阻温度系数越大，热电阻的灵敏度越高，测量温度时就越容易得到准确的结果。

二、标准化热电阻1、铂电阻

•特点是稳定性好、准确度高、性能可靠，在还原性气氛中，特别是在高温下很容易被还原性气体污染，铂丝将变脆，并改变了电阻与温度间的关系；

•铂的纯度常以R100/R0来表示。对于工业用铂电阻，规定其R100/R0为1.385；

•分度号：Pt10和Pt100；

•铂电阻的温度特性可用下列二式表示：在一200～0℃之间

Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]在0～850℃之间

Rt=R0(1+At+Bt2)

以上两式中Rt——t℃时的电阻值；

R0——0℃时的电阻值；

A，B，C——常数，对于工业用铂电阻，A＝3.90802×10-3℃-1，B＝－5.802×10-7℃-2,C=—4.27350×10-12℃-4

2、铜电阻

•特点：铜电阻的电阻值与温度的关系几乎是线性的，它的电阻温度系数也比较大，而且材料容易提纯，价格比较便宜，所以在一些测量准确度要求不是很高、而且温度较低的场合，可使用铜电阻，它的测量范围是一50～＋150℃。铜电阻的缺点是：在250℃以上容易氧化，因此只能用在低温及没有腐蚀性的介质中；铜的电阻率ρ比较小，做成一定阻值的热电阻时体积就不可能很小。•纯度：我国规定工业用铜电阻的R100/R0＝1.428。•分度号：铜电阻的分度号是Cu50和Cul00，表示其R0分别为50Ω及100Ω。•分度关系：铜电阻在其测量范围内的温度特性可用下式表示：

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3)式中Rt——t℃时的电阻值；

R0——0℃时的电阻值

A，B，C——常数，对于工业用铜电阻，A＝4.28899×10-3℃-1,B＝－2.133×10-7℃-2，C＝1.233×10-9℃-3。由于铜电阻的特性在0～100℃之间基本上是线性的，所以在0～100℃之间的温度特性可以用下式表示：

Rt=R0(1+αt）式中α——0～100℃之间的温度系数，等于4.28×10-3℃-1。

5、膜式铂电阻为了提高铂电阻的抗震性和响应速度，研制出了膜式铂电阻。它分厚膜的与薄膜的两种。厚膜铂电阻是在一陶瓷基片上印制出条状铂膜形成的。由于铂膜很薄，又在陶瓷基片表面上，所以测温响应时间很小，约为0.1s。薄膜铂电阻则是利用真空镀膜的方法将铂镀在陶瓷基片上形成的，其形状与厚膜的差不多，只是尺寸更小，响应时间更短。

6、带热电阻、热电偶的一体化温度变送器近几年国内外还生产一种所谓带热电阻、热电偶的一体化温度变送器，它和上述标准热电阻或热电偶的不同之处，在于采用一个专用集成电路把热电阻或热电偶的输入信号（电阻或电势）转变成4～20mA的标准输出信号，其中与热电偶相配用的集成电路还有冷端温度补偿性能。有的专用集成电路还具有线性化功能，即将标准热电阻的电阻与温度之间的非线性关系转变成变送器输出电流（4～20mA）与被测温度之间的线性关系，或使热电偶所感受的温度与变送器输出电流（4～20mA）之间呈线性关系。专用集成电路的体积很小，因而可装在热电阻或热电偶的接线盒内。这种集成电路的供电电压一般为直流24V，多采用二线制，即供电线也就是输出信号线。一体化热电阻（热电偶）可省略过去常采用的温度变送器。还有一种热电阻（热电偶）一体化温度变送器，其接线盒的体积增大，可装入一只动圈表头，直接显示所测温度值，也可以装上用液晶显示的表头，用数字显示所测温度值。装有显示仪表的一体化温度变送器可以就地显示温度值。这种一体化温度变送器可应用于具大量温度测点的集控系统。

第三节非接触式测温仪表

非接触式测温仪表的任何部分都不与被测对象接触，它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量，因此又称为辐射式测温仪表。

特点：不存在因接触传热而产生的测温传热误差；理论上讲，测温上限不受测温传感器材料的限制，可高达2000℃以上；动态性能好，反应快等。因低温下物体的辐射能力很弱，因此辐射式仪表多用来测700℃以上的高温。但用红外测量仪表，也可测低达100℃左右的温度。一、辐射测温的基本原理热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。在温度测量中，主要涉及的波长范围是可见光与0.76～20μm的红外光区。辐射出射度是指物体单位表面积在单位时间内所发射的全部波长范围的辐射能量的总和，并以符号M表示。如物体单位表面积单位时间内在波长λ处的dλ波段内所辐射的能量为dM，则把称为物体在波长λ处的光谱辐射出射度（又称单色辐射出射度）。显然辐射出射度M与光谱辐射出射度Mλ之间存在如下关系：

1、全辐射体（绝对黑体，简称黑体）的热辐射全辐射体的光谱辐射出射度与温度的关系符合普朗克公式式中h——普朗克常数，h=6.626×10-34J·s；c——真空中的光速，c=2.998×108m／s；k——玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J／K；c1——普朗克第一辐射常数，c1=3.7413×10-16W·m2c2——普朗克第二辐射常数，c2=1.4388×10-2m·K。

在温度T＜3000K和可见光波长（波长λ较小）范围，该公式可以简化成维恩公式全辐射体的辐射出射度可由斯忒藩一玻尔兹曼定律确定：

式中M——全辐射体的辐射出射度，W／m2；σ——斯忒藩一玻尔兹曼常数，σ=可见，辐射出射度M0是温度的单值函数，二者一一对应，这是辐射高温计的理论依据。

二、光学高温计这是一种以光谱辐射原理为依据的测温仪表，已经过长期使用，现仍在广泛应用。

在可见光的波长范围（0.35～0.75μm）内，高温物体的热辐射以光的形式表现出来，辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系。在某一波长下的光谱辐射亮度（又称单色亮度）与同一波长下的光谱辐射出射度成正比。对全辐射体其关系为对实际物体有

在可见光波长范围内的某一波长下，对一个确定的物体（可近似认为已固定不变），其光谱辐射亮度（即单色亮度）与温度之间存在单值对应关系。利用这个性质即可测温，但直接测光谱辐射亮度较难实现，光学高温计采用了下面所述的亮度比较的方法。

在光学高温计中装一只比较亮度用的灯泡，流过灯丝的电流可人为调整，以改变其亮度。该灯泡的光谱辐射亮度与其灯丝的电气参数（电流、电压降或电阻）之间有已知的确定关系，因此测出其电气参数即知其亮度，进而可知温度值。工作时，在某一波长下用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。通过改变灯丝电流人工调整灯丝的亮度，使二者亮度相等，最终实现温度测量。一种国产WGGZ型光学高温计，这是一种使用较广的隐丝式光学高温计，其结构原理图所示。整个光学高温计由光学系统与电气系统两部分组成。光学系统包括物镜、目镜、灯泡、红色滤光片、灰色吸收玻璃等。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与灯丝的成像，以比较二者的亮度。红色滤光片的作用是与人眼构成“单色器”，以保证在一定波长（0.66μm左右）下比较二者的光谱辐射亮度。灰色吸收玻璃只有在需扩展测温量程时才插入使用。电气系统包括灯泡、电源、调整电阻及测量线路。调整电阻可改变灯丝电流，以调整灯丝的亮度。测量线路用来测量与灯丝亮度相应的灯丝的电流、电压降或电阻等电气参数，并最终显示温度示值。使用光学高温计时，人眼看到的图像如图2-26所示。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，则说明灯丝亮度高于被测物体，应调整灯丝电流使其亮度降低；如背景亮而灯丝发黑，则灯丝亮度比对象低，应调整增高灯丝亮度。直到灯丝隐灭而看不清（即灯丝顶部与对象分不清），则说明二者亮度相等，即可读取测量结果了。WGGZ型光学高温计结构原理图

l一物镜；2—灰色吸收玻璃；3一灯泡；4一目镜；5一红色滤光片；6一显示仪表

灯丝与物像亮度比（a）灯丝亮度低（b）灯丝亮度偏高（c）灯丝和物象亮度一致（灯丝隐灭）光学高温计具有结构简单、测温上限高、在辐射式温度计中精确度与灵敏度均最高等优点。不足之处是亮度比较的判断及调整均要人工进行，不能连续自动进行测量，同时带来人员的主观误差。另外，由于人眼只能看到可见光，这限制了被测物体的温度不能低于700℃。光学高温计的几个有关问题:

(1）亮度温度与示值的修正根据光谱辐射的原理，在光谱辐射亮度（即单色亮度）相等的条件下，发射率不同的物体其温度并不相等。为此引出“亮度温度”的概念：如全辐射体的单色亮度与温度为T的实际物体的单色亮度相等，则全辐射体的温度称为该实际物体的亮度温度，并以Ts表示。根据亮度温度的定义，可推导物体实际温度T与其亮度温度的关系：由于Lλ=L0λ即

（3）灰色吸收玻璃光学高温计采用的是钨丝灯泡，当温度高达1400℃时，钨丝会发生升华使灯泡的性能改变。这就限制了光学高温计的测温上限。光学高温计附加了灰色吸收玻璃，单色光透过这种玻璃时其吸收作用会使亮度减弱。在结构上把灰色玻璃置于物镜与灯丝之间，这样人眼观察到的是灯丝的亮度和被灰色玻璃削弱了的被测物体的亮度,在灯丝温度不超过1400℃的情况下能测量更高的温度。（4）影响光学高温计测量精确度的因素影响光学高温计测量精确度的因素比较多，主要有以下几个：1）发射率ελ的影响2）中间介质的影响

三、光电高温计光电高温计是在光学高温计基础上发展起来的能自动连续工作的测温仪表，它依据的也是光谱辐射亮度的原理。其传感器是能感受光谱辐射亮度变化的光电检测器件，它把亮度信号转换成电信号，将电信号放大后测量，最后显示温度。光电高温计由光学系统与测量、放大显示两大部分组成。不同的光电高温计有不同的测量方式，结构方案也不相同。这里介绍的国产WDL一31型光电高温计，其原理系统图如图所示。

光电高温计具有以下优点。（l）既可在可见光，又可在红外光波长下工作，有利于用辐射法测低温；（2）分辨率高，光学高温计最高为0.5℃，而光电高温计可达0.01～0.05℃；（3）精确度高，由于采用性能良好的干涉滤光片（或单色器），提高了仪表的单色性，因而不确定度减小。例如，2000℃时的不确定度可小到土0.25℃；（4）可连续自动测量，响应快。

四、比色高温计它根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度。根据光谱辐射的维思公式，同一物体在波长分别为λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值为

式中Mλ1、Mλ2——分别为在波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度；

ελ1、ελ2——物体在波长λ1和λ2时的光谱发射率；

T——物体的温度。经整理，可得比色温度的概念：温度为T的物体在波长λ1和λ2下的光谱辐射出射度的比值，与温度为