仪表与检测课件-温度检测仪表

3.3温度检测仪表温度是表征物体或系统的冷热程度的物理量。温度检测与控制是工业生产和科学实验中的一个非常重要的问题。3.3.1温标温标是用来量度物体温度高低的标尺，是温度的一种数值表示。温标主要包括内容：温度数值化的规则和方法，例如规定温度的读数零点；温度的测量单位1）常用温标经验温标热力学温标(开尔文温标，K)国际实用温标

a.经验温标借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。常见经验温标主要内容：摄氏温标（℃）：将标准大气压下水的冰点定为零度，水的沸点定为100度的一种温标。在零度到100度之间划分100等分，每一等分为一摄氏度。华氏温标（F）：规定氯化铵和冰水混合物的温度为零度，人体温度为100度，在零度到100度之间划分100等分，每一等分为一华氏度。按照华氏温标，标准大气压下水的冰点为32度，水的沸点为212度。华氏温度与摄氏温度的关系式：

应用经验温标注意事项：用不同温标所确定的温度数值不同;经验温标依附于具体物质的性质而带有任意性，不能严格地保证世界各国所采用的基本测温单位完全一致。经验温标具有很大的局限性。经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、下限(如摄氏温标为0℃、100℃)，超过了这个温区，摄氏温标将不能进行温度标定。b.热力学温标(开尔文温标，K)1848年由开尔文(Kelvin)提出的以卡诺循环(carnotcycle)为基础建立的热力学温标。热力学温度的单位为“K”。基本点：该温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度(在实验中无法达到的理论温度，低于0K的温度不可能存在)与水的三相点温度分成273.16份，每份为1K(Kelvin)。热力学温标是以热力学第二定律为基础的一种理论温标，其特点是不与某一特定的温度计相联系。已由国际计量大会采纳作为国际统一的基本温标。是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学中的卡诺热机是一种理想的机器，实际上并不存在，因此热力学温标是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。c.国际实用温标由国际上协商决定，建立的一种既能体现热力学温度(即能保证较高的准确度)，又使用方便、容易实现的温标，又称国际温标。该温标选择了一些固定点(可复现的平衡态)温度作为温标基准点；规定了不同温度范围内的基准仪器；固定点温度间采用内插公式，这些公式建立了标准仪器示值与国际温标数值间的关系。

1968年国际实用温标分成三个温区，分别用标准铂电阻温度计(-259.34~0℃)、标准铂铑(10％)／铂热电偶(0~1064.43℃)和普朗克辐射定律(>1064.43℃)来定义这些温区内的温度数值。基本内容：使用温标单位为K，1K等于水的三相点温度值的1/237.16。把水的三相点温度值定义为0.01℃(摄氏度)，同时相应地把绝对零度修订为一273.15℃，这样国际摄氏温度t90(℃)和国际实用温度T90(K)关系为：

t90=T90

－273．15目前我国采用ITS一90国际温标。温标的三要素：可实现的固定点温度表示固定点之间温度的标准仪器确定相连固定点温度的内插公式，即温标方程3.3.2温度检测方法分类温度检测方法根据敏感元件和被测介质接触与否，可以分成接触式与非接触式两大类。1）接触式温度检测：

测温元件直接置于被测温度场中的测温方式主要分类：基于物体受热体积膨胀性质的膨胀式温度检测仪表；基于导体或半导体电阻值随温度变化的热电阻温度检测仪表；基于热电效应的热电偶温度检测仪表。

2）非接触式检测方法利用物体的热辐射特性与温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测。主要方法：亮度法、全辐射法比色法。测温方式测温种类和仪表测温范围(℃)主要特点接触式膨胀式玻璃液体-100～600结构简单、使用方便、测量精度较高、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传双金属-80～600结构紧凑、牢固、可靠；测量精度较低、量程和使用范围有限压力式液体-40～200耐震、坚固、防爆、价格低廉；工业用压力式温度计精度较低、测温距离短、滞后大主要用于温度连续测量气体-100～500热电阻铂电阻-260～850测量精度高，便于远距离、多点；便于集中检测和自动控制；不能测高温，须注意环境温度的影响主要用于温度的连续测量铜电阻-50～150半导体热敏电阻-50～300灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制主要用于温度开关及温度补偿热电效应热电偶-200～1800测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低主要用于温度的连续测量非接触式辐射式0～3500不破坏温度场，测温范围大，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难3.3.3

热膨胀式测温方法测温原理：基于物体受热膨胀的原理。测温范围：一般膨胀式温度测量大都在-50～550℃范围内，应用场合：用于对温度测量或控制精度要求较低，不需自动记录的场合。基本类型（按膨胀基体）：液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计固体膨胀式双金属温度计。

1）玻璃（液体）温度计玻璃液体温度计是一种直读式仪表。水银玻璃温度计:

凝点为一38.9℃，测温上限为538℃。酒精玻璃温度计：下限为一62℃，甲苯玻璃温度计：下限为一90℃，戊烷玻璃温度计：下限为一201℃，玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录2）压力温度计压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸气在体积不变的条件下，其压力与温度呈确定函数关系的原理来实现测温功能的。原理图：测温范围：下限能达一100℃以下，上限最高可达600℃，毛细管长度：1~60M特点：压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大，不易破损，读数方便，准确度较低，耐腐蚀性较差等。应用：常用于汽车、拖拉机、内燃机和汽轮机的油、水系统的温度测量。3）双金属温度计属于固体热膨胀式温度计。线膨胀（双金属片向上翘）差别与温度的关系：固体长度随温度变化的描述式：x为双金属片自由端的位移，mm；l为双金属片的长度，mm；d为双金属片的厚度，mm；△t为双金属片的温度变化，℃；G为弯曲率(将长度为100mm，厚度为1mm的线状双金属片的一端固定，当温度变化1℃(1K)时，另一端的位移称为弯曲率)，通常为(5～14)×10-6K-1

常用双金属片温度计测温范围：黄铜与34％镍钢：100℃以下；黄铜与因瓦合金：150℃以下；蒙乃尔高强度耐蚀镍合金与34％～42％镍钢：250℃以上主要应用：测量温度开关控制3.3.4热电偶测温1）热电偶测温原理及基本定律①测温原理：热电效应描述式：②基本定律中间导体定律均质导体定律中间温度定律等值替代定律2）热电偶的分类及特性①分类

国际电工委员会(IEc)推荐的工业用标准热电偶为八种。贵金属热电偶：由铂和铂铑合金制成。包括分度号为S、R、B三种热电偶。贱金属热电偶：由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、钴等金属的合金制成。包括分度号为K、N、T、E、J的五种热电偶。②常用标准化热电偶介绍a.铂铑10一铂热电偶(分度号：S)由直径为0.5mm以下的铂铑合金丝(铂90％，铑10％)和纯铂丝制成。属贵金属热电偶。具有较高的复制精度，且测量准确度较高，可用于精密温度测量。S型热电偶在氧化性或中性介质中具有较高的物理化学稳定性，在1300℃以下范围内可长时间使用。

主要缺点：金属材料的价格昂贵；热电势小，而且热电特性曲线非线性较大；在高温时易受还原性气体所发出的蒸气和金属蒸气的侵害而变质，失去测量准确度。b.铂铑30一铂铑6热电偶(B型)具有S型热电偶的各种特点。两个热电极都是铂铑合金，提高了抗污染能力，其长期使用温度可达1600℃。主要缺点：热电势很小(在所有标准化热电偶中热电势为最小)，当t≤50℃，热电势小于3μV，因此在测量高温时基本可不考虑自由端的温度补偿。c.镍铬一镍硅热电偶(K型)使用十分广泛的贱金属热电偶，热电丝直径一般为1.2～2.5mm。热电极材料具有较好的高温抗氧化性，可在氧化性或中性介质中长时间地测量900℃以下的温度。K型热电偶具有复现性好，产生的热电势大，而且线性好，价格便宜等优点；测量精度偏低，但完全能满足一般工业测量要求。主要缺点：不宜用于还原性介质中，热电极会很快受到腐蚀，在还原性介质中应用，只能用于测量500℃以下的温度。d.镍铬一铜镍合金热电偶(E型)（镍铬一康铜热电偶）热电势大，在所有标准化热电偶中为最大，可测量微小变化的温度。对于高湿度气体的腐蚀不甚灵敏，宜在我国南方地区使用或湿度环境较高的纺织工业中使用。缺点：负极(铜镍合金)难于加工，热电均匀性比较差，不能用于还原性介质中。

工业热电偶测量范围表名称分度号测量范围／℃适用气氛0稳定性铂铑30一铂铑6B200～1800O、N<1500℃，优；>1500℃，良；铂铑13一铂R一40～1600O、N<1400℃，优；>1400℃，良；铂铑10一铂S镍铬一镍硅(铝)K-270～1300O、N中等镍铬硅一镍硅N-270～1260O、N、R良镍铬一康铜E-270～1000O、N中等铁一康铜J-40～760O、N、R、V<500℃，良；>500℃，差；铜一康铜T一270～350O、N、R、V一170～200℃，优钨铼3一钨铼25WRe3-WRe250～2300N、V、R中等钨铼5一钨铼26WRe5-WRe26氧化性介质中性介质还原性介质真空不同等级标准化工业热电偶允差表类型一级允差二级允差三级允差温度范围／℃允差值／℃温度范围，℃允差值／℃温度范围／℃允差值／℃R、S0～1000±10～600±1.5l100～1600±[1+0.003(t-1100)]600～1600±0.0025

B600～1700±0.0025600～800±4800～17000.015K、N-40～375±1.5-40～333±2.5-167～40±2.5375～1000±0.004330～1200±0.0075-200～-1670.015E-40～375±1.5-40～333土2.5-167～40±2.5375～800±0.004330～900±0.0075-200～-167J-40～375±1.5-40～333±2.5375～750±0.004330～750±0.0075T-40～125±0.5-40～333±1-67～40±1125～350±0.004133～350±0.0075-200～-670.015③热电偶的热电势曲线及相应结论结论：1)t=0℃时，所有型号的热电偶的热电势均为零；

t<0℃时，热电势为负值；

(冷端温度为零）2)不同型号的热电偶在相同温度下，发出的热电势有较大的差别；在所有标准化热电偶中，B型热电偶的热电势为最小，E型热电偶为最大；

3)温度和热电势之间的关系一般为非线性；曲线图：3）热电偶自由端的处理①补偿导线的应用补偿导线在一定温度范围内，具有与所匹配的热电偶的热电势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线。应用目的将热电偶冷端延伸到一个温度恒定点，或用其将热电偶与测量装置联接，以削弱热电偶冷端的温度变化所产生的影响。图示热电偶的热电势：

E=EAB（t,t0’）+EA’B’（t0’,t0）

=EAB（t,t0’）+EAB（t0’,t0）=EAB（t,t0）

示意图：常用热电偶的补偿导线表补偿导线型号的头一个字母与配用热电偶的型号相对应；第二个字母“X”表示延伸型补偿导线(补偿导线的材料与热电偶电极的材料相同)；字母“C”表示补偿型补偿导线。补偿导线型号配用热电偶型号补偿导线绝缘层颜色正极负极正极负极SCKCKXEXSKKESPC(铜)KPC(铜)KPX(镍铬)EPX(镍铬)SNC(铜镍)KNC(康铜)KNX(镍硅)ENX(铜镍)红红红红绿蓝黑棕

补偿导线应用时必须注意的问题：补偿导线只能在规定的温度范围内(一般为0～100℃)与相应热电偶的热电势相等或相近；不同型号的热电偶有不同的补偿导线；热电偶和补偿导线的两个接点处要保持同温度；补偿导线有正、负极，需分别与热电偶的正、负极相连；补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度t0≠0℃时，还需进行其他补偿与修正。②自由端（冷端）温度补偿目的：通过硬件或软件手段消除热电偶冷端温度不为0℃时对热电偶测温的影响。主要方法：

a.计算修正法

b.自由端恒温法

c.补偿电桥法a.计算修正法确定热电偶冷端温度，测出热电偶回路的电势值，通过查表计算的方法，求得被测实际温度。例S型热电偶工作时自由端温度t0=30℃，现测得热电偶的电势为7.5mV，求被测介质实际温度。解实际温度对应的分度表中热电偶电势应为

E(t，0)=E(t，30)+E(30，0)

已知：

E(t，30)=7．5mV，t为被测介质温度。查分度表知：

E(30，0)=0.173mV，则E(t，0)=7.5+0.173=7.673mV

由分度表中查出与其对应的实际温度为830℃。b.自由端恒温法定律依据：等值替代定律中间导体定律例：冰裕法c.补偿电桥法补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势来补偿热电偶因自由端温度变化而引起的热电势的变化值。r1、r2、r3(均为锰铜电阻)和rCu(铜电阻)组成电桥，串联在热电偶回路中，热电偶自由端与电桥中rCu处于相同温度(t0)。测量回路输出电势：

U=Uab+EAB(t,t0)情况1：t0=0℃，

Uab=0,U=EAB(t,0)情况2：t0=t0’℃，调整Rs，使得

Uab=EAB(t0’,0)

则：

U=EAB(t,t0’)+Uab=EAB(t,0)4）热电偶应用注意事项补偿导线应用错误的影响正负极反接补偿导线正负极接线错误将导致整体热电势减小。接线正确：接线反向：补偿导线型号选择错误相当于两个不同型号的热电偶串联应用。相同温度范围内补偿导线输出热电势小于热电偶发出的热电势。例：错用S型补偿导线相同温度范围内补偿导线输出热电势大于热电偶发出的热电势。例：错用E型补偿导线＜EKC(TC,T0)＞EKC(TC,T0)显示仪表匹配热电偶测温回路应注意选用同型号的显示仪表。注意：各热电偶对应的显示仪表在显示同一温度值时所需要的输入热电势不同。不同类型显示仪表所需热电势值对应关系（显示相同值）：

uE型表＞uK型表＞uS型表＞uB型表例如：应用K型热电偶测温，已知被测温度T=300℃，TC=20℃，T0=0℃，错配用了E型显示仪表，问仪表显示温度？查E型热电偶分度表：温度显示：≈183.5（E型热电偶显示300℃需要热电势21.036mV）4）热电偶结构形式①普通装热电偶普通型热电偶由热电极、绝缘套管、外保护套管和接线盒组成。安装时的连接型式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。

②铠装热电偶铠装热电偶是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的柔软坚实组合体。在使用中可以随测量需要任意弯曲。铠装热电偶的主要特点：测量端热容量小，动态响应快；机械强度高；挠性好，可安装在结构复杂的装置上，因此已被广泛用在许多工业部门中。3.3.5热电阻测温①基本特性项目铂热电阻铜热电阻分度号Pt10Pt100Cu50Cu100R0Ω1010050100α/℃0.003850.00428测温范围-200~850-50~150允差/℃A级：±(0.15+0.002|t|)B级：±(0.30+0.005|t|)±(0.30+0.006|t|)铜热电阻结构铂热电阻结构②热电阻结构③引线方式两线制三线制四线制流量检测利用热电阻上的热量消耗和介质流速的关系可以测量流量、流速、风速等液面位置检测利用热电阻在不同(温度)介质中的阻值变化测量液面位置④测量应用真空度测量利用在不同真空环境中热扩散速度变化引起的电阻值变化测量真空度。注意：对环境温度变化比较敏感，实际应用中有恒温或温度补偿装置。可测到133.322×10-5Pa。检测管内气体介质成分比例、检测热风流速利用气体介质成分变化导致传热系数变化、风速变化引起的阻值变化测量3.3.6集成温度传感器集成温度传感器是利用晶体管PN结的正向电压随温度升高而降低的特点，将晶体管的PN结作为感温原件，把敏感元件、放大电路和补偿电路等部分集成化，并把它们封装在同一壳体里的一种一体化温度检测元件。原理图：T1和T2是两个性能完全相同的PNP晶体管，起恒流作用，在忽略基极电流的情况下，有

I1=I2T3和T4是感温用的晶体管，两只NPN管材质和工艺完全相同，但T3的发射结是T4发射结面积的n倍，因此T3管be结的反向饱和电流，Ise3应是T4管be结反向饱和电流的n倍，即工作分析：

R上的电流为：显然，当R和n一定时，电路的输出电流与温度有良好的线性关系。取对数并推导得输出电流与温度的关系根据：

基于上述原理制成的集成温度传感器有美国AD公司的AD590，AD590的电源电压为5～30V。可测温度范围是-55～150℃。我国开发的同类型集成温度传感器是SG590。注意：集成温度传感器工作时，必须与被测物体有良好接触，响应速度取决于热接触条件。3.3.7其他测温方法1）辐射式温度计能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。主要特点：辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触，其感温元件不需达到被测物体的温度，从而不会受被测物体的高温及介质腐蚀等的影响；可以测量高达几千摄氏度的高温（测量范围，可达6000℃），感温元件不会破坏被测物体原来的温度场。可以方便地用于测量运动物体的温度是此类仪表的突出优点。但是，测量精度受到一定的限制，同时应用技术较复杂。①辐射测温原理普朗克定律绝对黑体(简称黑体)的单色辐射强度E(λ，T)与波长A及温度T的关系由普朗克公式确定：C1：普朗克第一辐射常数，

C1=(3.741832±0.000020)×10-16w·m2；

C2：普朗克第二辐射常数，

C2=(1.438786±0.000044)×10-2m·K；

λ：真空中波长，m。绝对黑体的全辐射定律若在A=0～∞的全部波长范围内对E(λ,T)积分，可求出全辐射能量σ为黑体的斯蒂芬-玻尔兹曼常数，σ=(5.67032±0.00071)×10-8W／(m2·K4)黑度系数黑度系数定义为同一温度下实际物体和黑体的辐射能力之比，用符号ε表示，其值在0～1之间，一般用实验方法确定。用ελ代表单色辐射黑度系数，

ε代表全辐射黑度系数。则上面二式可修正为：维恩公式描述在各种温度下能量波长分布规律。描述式：取两个不同波长λ1和λ2，则二特定波长辐射能之比为维恩位移定律描述单色辐射强度的峰值波长λm与温度T之间的关系位移图曲线极大值随温度升高而向波长短的方向移动②辐射测温仪表的基本组成及基本方法构成原理辐射测温仪表主要由光学系统、检测元件、转换电路和信号处理等部分组成。光学系统：含瞄准系统、透镜、滤光片等，把物体的辐射能通过透镜聚焦到检测元件；检测元件：光敏或热敏器件；转换电路和信号处理系统：信号转换、放大、辐射率修正和标度变换，输出与被测温度相应的信号。辐射测温基本方法a.全辐射法通过测出物体在全波长范围内的辐射能量F(T)确定物体温度。b.亮度法通过测出物体在某一波长上的辐射能量f(T)确定物体温度。c.比色法通过测出物体在两个波长段上的辐射能量的比值Φ(T)确定物体温度。③辐射测温仪表a.辐射温度计辐射温度计依据全辐射定律，敏感元件感受物体的全辐射能量来测知物体的温度。原理图：常用检测元件：热电偶堆，热敏电阻，光电池等特点：结构简单；接受辐射能量大，有利于提高仪表灵敏度。测温范围：400～2000℃；测量距离：1000~2000mm（透射式）

500~1500mm（反射式）；易受环境的干扰；测量误差：1.5%~2%注意事项：被测物体实际温度计算式：Tp：全辐射温度（显示温度）εT：被测物体辐射率b.光电温度计

光电高温计采用亮度平衡法测温。原理图：

特点：结构较复杂测温范围：200～1600℃。测量距离：0.5~3m

距离系数（测量距离/目标直径）：30~50

抗干扰能力较强，误差：1%~1.5%；响应时间：1.5~5s注意：被测物实际温度计算：TL：显示温度C2:第二辐射常熟λ：使用滤光片的波长c.比色温度计比色温度计是利用被测对象的两个不同波长(或波段)光谱辐射亮度之比实现辐射测温。原理图：被测物体实际温度：比色温度计特点：基本不受物体辐射率的影响（设：λ1与λ2相差不大，则εT（λ1）≈εT（λ2））；结构复杂，仪表设计和制造要求较高；典型比色温度计的工作波长为1.0μm附近的两个窄波段，测量范围在400～2000℃。基本测量误差：1%TR：比色温度（假设被测物体为黑体）εT（λi）：对应波长λi辐射率3.3.8测温仪表应用

1）管道内流体温度的测量实例图测点位置要选在有代表性的地点，不能在温度的死角区域，尽量避免电磁干扰。要保证测温元件有一定的插入深度，元件的感温点应处于管道中心流速最大处。高温管道，在测点处应加保温材料隔热，以减少热损失带来的测量误差。2）非接触法温度测量提高测量准确性的措施：合理选择测量距离温度计与被测对象之间的距离应满足仪表的距离系数L(测量距离)／d(视场直径)要求。使用时，一般使目标直径为视场直径的1.5～2倍，可以接收到足够的辐射能量。减小发射率影响设法提高目标发射率，如改善目标表面粗糙度；目标表面涂敷耐温的高发射率涂料；目标表面适度氧化等。一般仪表中均加有发射率的设定功能，以进行发射率修正。减少光路传输损失光路传输损失包括窗口吸收；光路阻挡；烟、尘、气的吸收。可以选择特定的工作波长、加装吹净装置或窥视管等。减低背景辐射影响相应地加遮光罩、窥视管或选择特定的工作波长等。习题1）请从测温原理和应用方面比较热电偶与热电阻测温方法有什么不同？解：测温原理：热电偶：热电效应原理。两种不同导体连接成闭合回路，二接点分别置于不同的温度下，回路产生热电势。热电阻：电阻效应原理。材料电阻率随温度变化，通过电阻值变化反应测点温度。应用：热电偶：适用于高温测量。一般需要进行冷端温度补偿。热电阻：适用于中低温测量。一般需要应用三线制接线，减小连线电阻的影响。2）分度号为K的镍铬-镍铝热电偶测温，无冷端温度补偿情况下，仪表显示值为500℃，此时冷端温度为60℃，试问实际温度是多少？若保持热端温度不变，并将冷端温度保持在20℃，问仪表显示值为多少？解：a.根据热电偶测温原理有：

E(t,0)=E(t,t0)+E(t0,0)=E(t,60)+E(60,0)查表：E(t