中科大检测与控制工程基础课件第4章 温度检测技术

第四章温度检测技术

第一节概述

一、温度与温度检测

1、原理：某些金属与非金属导体受热后产生电动势，而另一些导体的电阻受到热或光照射而产生变化。可以通过测量这些物理量的变化来达到测量温度的目的。

2、分类（表4-1，P68）：（1）接触式；（2）非接触式；（3）其它。1二、温标

1、经验温标：某以物质的性质作介质而定的温标。如，水银作测温介质制成了摄氏和华氏温标；兰氏温标则用酒精和水混合作为介质。

（1）华氏温标：冰水融体为“32”，水的沸点为“212”，中间等分为180份，每份为1度，以OF表示。（2）兰氏温标：以水的冰点为“1000”，水的沸点为“1080”，中间等分为80份，每份为1度，以OR表示。（3）摄氏温标：以水的冰点为“0”，水的沸点为“100”，中间等分为100份，每份为1度，以OC表示。三个经验温标之间的换算关系如下：22、热力学温标：取卡诺机热换量Q为测温参数的一种温标。以复现性最好的水的三相点（固、液、气相平衡态）为参考点，且定义该点的温度为273.16K，相应的热换量为Q’，当测得热换量Q后，可根据下式求得相应的温度，33、国际实用温标：为了实用而建立起来的国际协议性温标。它应具备下述三个条件：（1）要有定义温度的固定点（一般是利用水、纯金属及液态气体的状态变化）；（2）要有复现温度的标准器[通常用标准铂电阻（-259.19~630.74

C)、标准铂铑热电偶（-630.74~1064.43

C)及标准光学高温计（大于1063.43

C)]；（3）要有定义点之间计算温度的内插方程式。工程上，近似为:t=T-273(t为摄氏温度，符号为

C；T为实用温标，单位是开尓文，符号为K）4三、温度检测系统的组成

测温系统的组成应考虑如下几个方面：

（1）温度范围;（2）使用场合（3）温度响应;（4）传输方式温度检测系统的组成如图4-2所示。温度被测对象温度传感器温度显示仪表

k温度被测对象温度传感器温度变送器

ka)简单系统b)较完善的系统mA温度显示记录仪k5第二节热电偶

一、热电效应

由两种导体（或半导体）A、B组成的闭合回路（见图4-3）中，如果对节点1加热，使得节点1与2的温度不同，那么回路中就会有电流产生，接在回路中的电流表指针会发生偏转，这一现象称为温差电效应或塞贝克效应。ABT1T0图4-3塞贝克效应6相应的电动势称为温差电动势或塞贝克电动势，它在回路中产生的电流，称为热电流。A、B称为热电极。接点1在测温时，将它置于被测温度场中，称为测量端（或工作端、热端）。节点2一般要求恒定在某一温度，称为参考端（或自由端、冷端）。实践证明，当热电极材料一定后，则热电动势就仅与两接点的温度有关，即式中，

AB---塞贝克系数或热电动势率，其值随热电极材料和两接点的温度而定。

由此可见，热电偶就是利用热电动势随两接点温度变化的特性来测量温度的。7理论证明：1）热电偶必须由两种不同材料的热电极组成；2）热电偶的两接点必须具有不同的温度；3）当热电极的材料固定以后，热电动势的大小EAB（T，T0）是温度（T，T0）

如果保持T0不变，那么EAB（T，T0）就是T的单值函数，利用这个关系就可以通过测温仪表测定温度。8二、热电偶材料和常用热电偶

1、热电偶材料

常用的热电偶材料有铜、铁、铂铹合金和镍铬合金等。2、常用的热电偶（1）铂铑10-铂热电偶分度号为S,是一种贵金属热电偶。（2）镍铬-镍硅（镍铝）热电偶分度号为K,是一种廉价热电偶。（3）铂铑30-铂铑6热电偶分度号为B,亦称作双铂铑热电偶。（4）钨-铼热电偶属高温型热电偶。（5）镍铬-考铜热电偶分度号为EA。（6）铜-康铜热电偶分度号为T。92、热电偶的结构类型

（1）普通热电偶（2）铠装热电偶（3）表面热电偶（4）快速微型热电偶

10三、热电偶的冷端温度补偿

热电偶的热电动势大小与热电极材料和两节点的温度有关,同时热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都是以热电偶参考端温度等于零为条件的。但实际上,冷端温度受周围温度的影响不可能保持为

C

或某一常数。因此要测出实际温度就必须采取修正或补偿措施。111、冷端恒温法：使参考端（冷端）温度处于

C

或某一恒定温度。1）将冷端放在固定的铁匣内,利用铁匣有有较大的热容量,使冷端温度变化不大或变化缓慢,或将铁匣做成水套式通以流水以提高恒定性。2）将冷端置入盛油的容器内,利用油的热惰性使节点温度保持一致并接近室温。3）将冷端置入充满绝缘物的铁管中,把铁管埋在1.5-2mm或更深的地下，以保持恒温。4）将冷端置入冰水混合物容器中,容器维持在C不变。这种方法精度高，一般用在实验室和校验热电偶的装置中。5）将冷端置于恒温器中,恒温器可自动控制温度恒定。122、冷端温度校正法：使即通过计算来补正。当测温精度要求不高时，可采用补正系数K来进行计算修正，即

T=T指+KTn式中，T指——测温时仪表指示温度；

Tn——测温时冷端温度（或环境温度）；

K——补正系数（见表3）。133、补偿导线法：测温时，热电偶长度受一定限制，使得冷端温度直接受到被测介质温度和周围环境温度的影响，难以处于C，而且不稳定。根据中间温度定律，当热电极A、B与A，、

B，相连接后仍然可以看作仅由热电极A、B组成的回路。一般在低温范围内（0—100

C），用补偿导线作为A，、

B，，它的作用是把热电偶参考端移至离热源较远及环境温度较恒定的地方。必须注意的是，补偿导线只起延长热电极的作用，并不能消除冷端温度不为0C时的影响，因此还应该用补正方法将其补正到

0C。

应注意不同的不同的补偿导线和极性（表4-4，80）。14

4、补偿热电偶：在热电偶测量回路中反向串接一支同型号的热电偶，如图4-11所示（P80）。A‘、B’是补偿热电偶的热电极，其工作端置于恒定温度t0,如果t0为非零的恒定温度，则还必须补正到0C。155、冷端温度补偿器：当冷端温度为tn时，热电动势为

EAB（t，t0）=

EAB（t0，tn）+EAB（t，t0）

如果在线路中串接一个电动势U=EAB（tn，t0），则显示仪表的输入电动势为EAB（t，t0）=

EAB（t，tn），从而得到正确的测量值。所谓冷端温度补偿器（一个不平衡电桥），实质上就是产生一个直流信号为EAB（tn，t0）的毫伏发生器，将它串接在热电偶的测量线路中，就可以在测量时使读数得到自动补偿（如图4-12，P81）。

在直读式自动电子电位差计中，它的测量桥路本身具有温度自动补偿功能，只要将热电偶的补偿导线与仪表相连接即可。

16第三节非接触式测温仪表

一、全辐射测温法

通过测量辐射体全波辐射能量的方法来测量温度。

1、全辐射高温计的组成（图4-13，P83）（1）光学系统：把被测物体的辐射聚焦在敏感元件上。（2）热接受器（敏感元件）：常采用热电堆、热电阻等热敏元件。（3）测量仪表：测量并显示热电堆或其它热敏元件的输出信号。（4）辅助装置：包括冷却及烟尘防尘装置等。

172、箱式炉温度检测（图4-14，P84）3、工件表面温度检测（图4-15，P84）

困难：表面向空间散失热量太大。措施：采用测温罩。18二、光学测温法

1、光学高温计（图4-18，P86）

根据物体在不同温度下其辐射单色亮度也不同的原理制成的。2、光电高温计（图4-19，P87）

和光学高温计一样，也是测量亮度温度的，但它是采用光电元件进行亮度比较的。3、比色高温计（图4-20，P88）

根据辐射体的颜色与温度相对应的原理，可用光电方法测量辐射体在不同波长下的光谱辐射强度之比来实现测温。19三、红外辐射测温法（图4-21，P89）

由于不同温度的物体都有不同的红外辐射，而红外测温就是通过对物体红外辐射的测量来确定物体的温度。四、光导纤