温度测量仪表

1、第一节温度计，1.1概述1.2热电偶温度计1.3热阻温度计，通过本节的学习掌握温度传感器的分类和发展趋势掌握热电偶的不同类型的特征和应用情况，第一节概论，温度传感器是实现温度检测和控制的重要器件。 在各种各样的传感器中，温度传感器是最广泛、发展最快的传感器之一。 温度是关系到人类生活的物理量。 从2000多年前开始，为了检测温度而进行了各种各样的努力，开始使用温度传感器来检测温度。 在人类社会，工业、农业、商业、科学研究、防卫、医学、环境保护等部门与温度有着密切的关系。 工业生产的自动化流程中，温度测量点必须占全部测量点的一半左右。 温度是反映物体冷热状态的物理参数。 所以，人类离不开温度，当

2、然也离不开温度传感器。 一、温度的基本概念，热平衡：温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量。 分子物理学：温度反映了物体内部分子不规则运动的激烈程度。 能量：温度是描述系统不同自由度之间的能量分配情况的物理量。 表示温度大小的尺度是温度的尺度，简称为温度坐标。 1热力学温度坐标2国际实用温度坐标3温度坐标4温度坐标，如果用式规定另一个条件，就能通过卡诺循环中的热传递完全确定温度坐标。 1954年，国际计量会议选定的水的三相点为273.16，将其1/273.16定为一次，热力学温度坐标完全确定，即T=273.16(Q1/Q2 )。 1848年，威廉汤姆首先根据热力学第二定律，提出了建立温度只与热相

3、关，与物质无关的热力学温度坐标。 开尔文汇总而成，也称为开尔文温度坐标，用符号k表示。 这是国际基本单位制之一。 根据热力学中的卡诺定理，如果在温度T1的热源和温度T2的冷热源之间实现卡诺循环，则存在以下关系式。 1 .热力学温度坐标，Q1从热源到热机的热传递量q 23354从热机到热源的热传递量，为了解决国际温度基准的同意和实用性问题，由国际协商决定，能够表现热力学温度(即能够保证一定的精度)的方便且容易实现的温度坐标， 作为国际实用温度坐标的国际温度坐标1968 (ipst-68 )也被称为国际温度坐标。 2 .国际实用温度坐标，注意：摄氏温度的分度值与开尔文温度分度值相同，即温度间隔为1

4、K=1。 T0是标准大气压下的冰的融解温度，T0=273.15 K。 的双曲馀弦值。 1968年国际实用温度坐标规定热力学温度为基本温度，用t表示的话，其单位是开尔文，符号是k。 1K定义为水三相点热力学温度的1/273.16，水三相点指的是纯水在固体、液体及气体三项中平衡时的温度，热力学温度坐标规定三相点的温度为273.16 K，这是建立温度坐标的唯一基准点。 3 .摄氏温度坐标是工程上最常见的温度尺度。 摄氏温度坐标以标准大气压(即101325Pa )将水的冰点和沸点的中间等分100等分，每等分称为摄氏一次(摄氏，)，用普通小写的t表示。 与热力学温度坐标单位开尔文并用。 摄氏温度坐标与国

5、际实用温度坐标的关系如下：4.华氏温度坐标，现在很少使用。 它在标准大气压下分为冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间为180度，各自的等级称为华氏度，符号为？其与摄氏温度的关系如下： T=t 273.15 K，t=T-273.15 ，m=1.8n 32 2 .温度传感器的分类和特征、接触式温度传感器非接触式温度传感器、接触式温度传感器的特征：传感器直接接触被测定物进行温度测定，被测定物的热量向传感器传递，因此降低被测定物的温度，特别是在被测定物的热容量小的情况下，测定精度低。 因此，用该方式测量物体的真实温度的前提条件是被测量物体的热容量足够大。非接触式温度传感器主要利用被测量物的热辐射

6、产生红外线，可以测量物体的温度，进行遥测。 其制造成本高，但测定精度低。 优点是不从被测量物吸收热量，不干涉被测量对象的温度场，连续测量不消耗热量，反应快。 温差热电偶(简称热电偶)是目前温度测量中最常用的传感器元件之一。 除了结构简单、测量范围大、精度高、热惯性小、输出信号容易传到远处、信号变等优点外，还可以测量流体温度、测量固体和固体壁面温度。 微热电偶也可以用于快速动态的温度测量。1.2热电偶温度计、热电偶的工作原理热电偶电路的性质热电偶的常用材料和结构冷端处理和补偿热电偶的选择、安装使用和检查，将两种不同的导体或半导体a和b组合成图示的闭合电路，导体a和b的连接处的温度不同(TT0)，

7、该闭合电路中产生电流，即在电路中这种现象是1821年首先发现的，因此也被称为“背景效应”。 一、热电偶的工作原理、电路中产生的电动势称为热电偶。 热电电位由温差电位和接触电位两部分组成。 热端、自由端、1 .接触电位、eAB(T)导体a、b节点在温度t下形成的接触电动势e单位电荷、e=1.610-19C； k波尔兹曼常数，k=1.3810-23 J/K； NA、NB 导体a、b在温度t下的电子密度。 接触电位的大小与温度的高低和导体中的电子密度有关。a，eA(T，To )、To，t，eA(T，T0)导体a的两端温度为t，T0时产生的温度差电动势t、T0的低端的绝对温度A汤姆森系数是导体a的两端

8、的温度差为1时产生的温度差电动势，例如0 2 .温度差电位、温度差电位原理图，由导体材料a、b构成的闭合电路，接点温度分别为t、T0，如果TT0，则一定存在两个接触电位和两个温度差电位，电路总电位：T0，t，eAB(T )，eAB(T0 )，eA(T，T0 )，EB (NBT、NBT0导体b的节点温度为t和T0时的电子密度A、B导体a和b的汤姆森系数。 根据电磁场理论，结论(4点):EAB(T，T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T 根据公式，EAB(T，t0 )=eab (t )-eab (t0 )=eab (t )-eab (0)-eab (0)- eab (t

9、)-eab (t0 ) =eab (t，0 )-eab (t0，0 )、热电偶的热电偶，两端温度分别为t与零度、t0的热电偶导体材料决定后，热电偶的大小只与热电偶两端的温度有关。 如果设EAB(T0)=常数，则电路热电势EAB(T，T0 )仅与温度t相关，而且是t的一值函数，这是基于热电偶测温的原理。 如果热电偶的两端温度不同，则只在热电偶的两导体材料不同的情况下产生热电偶电势。 热电偶电路的热电偶电势与构成热电偶的材料和仅与两端温度有关的热电偶的长度和粗细无关。 在只能用不同性质的导体(或半导体)组合热电偶的相同材料中不会产生热电势。 在a、b这两种导体为相同材料的情况下，ln(NA/NB)

10、=0，即EAB(T，T0)=0。 对于几个不同材料串联构成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2、Tn，冷端温度为零度的热电势。 由均质导体构成的闭合电路，与该导体是否存在温度梯度无关，在电路中没有电流(即不产生电动势)。 相反，电流流过时，这种材料一定不均匀，也就是说热电偶必须采用两种不同的材料作为电极。二、热电偶电路的性质、1 .均质导体的规律、e总=EAB(T) EBC(T) ECA(T)=0、由三种不同导体构成的热电偶电路、2 .中间导体的规律、由几种不同的导体材料构成的闭合电路，如果它们连接的接点的温度相同，则在该电路的各接点发生如图所示，在由a、b、c三种材料构成的闭合电路中，l )

11、将第三材料c与由a、b构成的热电偶电路连接时，如图所示，图a的a、c接点2和c、a接点3都处于相同的温度T0中，该电路的总电位不变，即，同样地，图在相同温度T0中，该电路的电位也是：T2、T1 a、b、c、2、3、EAB a、a、T0、2、3、a、b、EAB、T1、T2、c、T0、EAB(T1，T2)=EAB(T1)-EAB(T2 )、(a )、(b )、T2 第三材料访问热电偶电路图的t :e，T0，T1，t，电位计连接到热电偶电路上，根据上述原理，可以将电位计e连接到热电偶电路上，只要电位计和连接热电偶的接点的温度相等，就可以热电偶材料化学性能稳定，热电电势高，导电率高，电阻温度系数小，制

12、造容易，再现性好，便于大量生产，以防止在必须满足物理性能稳定，热电特性不随时间变化的不同介质中测定时腐蚀。 三、热电偶的常用材料和结构，(二)常用热电偶的结构类型1 .工业用热电偶下图是典型的工业用热电偶结构的示意图。 由热电偶线材、绝缘套管、保护套管、端子箱等部分构成。 在实验室中使用时，为了减小热惯性，也可以不安装保护套筒。 2 .鞘热电偶(也称为鞘热电偶)小型化(直径12mm到0.25mm )，寿命、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下的是镍铬合金、镍铬合金热电偶。 剖视图如图所示。 这是热电偶线材、绝缘材料、金属制套筒三者细组合成一体的。 另外，由于热端的形状不同，可以分为图中

13、所示的四种模式。 图3.2-12套式热电偶的剖面结构图1-金属套筒2-绝缘材料3-热电极(a)-底型(b)-不接触底型(c)-头角型(d)-帽型，3 .高速反应薄膜热电偶用真空蒸镀等方法将2种热电极材料蒸镀在绝缘板上进行薄膜安装如图所示，其热接点极薄(0.010.lm )，4，1，2，3，急速反应薄膜热电偶1-热电极； 因为引出2-热接点3-绝缘基板4-导线，特别适合壁面温度的迅速测量。 安装时，用粘合剂粘在被测量物的壁面上。 目前，中国试制的有铁-镍、铁-康铜和铜-康铜三种，尺寸为6060.2mm的绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃和苯酚塑料纸等； 测温范围在300以下反应时间只有几毫秒。 方法计

14、算校正法冰点槽法零点移动法校正桥接法校正导线法，四、冷端处理和校正，原因热电偶的热电偶电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为了保证输出热电偶是被测定温度的一值函数，需要将冷端温度保持一定的热电偶标度表所示的热电偶电势是1 .冰点下槽法是将热电偶的基准端放入冰水混合物容器中，使T0=0。 这个方法仅限于科学实验。 为了避免冰水导电引起的两个连接点的短路，必须将连接点分别放入两个玻璃试管中，浸在同一冰点下槽中，使其相互绝缘。、 参考端在室温环境TH中测定热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，在室温下测定TH=21，调查该热电偶的水垢时，由于eab (21，0 )=0.832 mv，因此EAB

15、(T，0)=EAB(T，2 注意，仅用1.999mV不能调查：T=49，49不能加21，T=70。EAB(T，T0)=EAB(T，TH) EAB(TH，T0 )，例如在可动环设计中使热电偶的测温一致的情况下，如果将设计的机械零点与室温TH的刻度一致，则热电动势为0时，指针指示的温度值不是0，而是TH。 另一方面，如果热电偶的冷却温度为TH，则仅在热温度T=TH时EAB(T，TH)=0，指示值与热的实际温度一致。 该方法非常简单，而且劳动永远，冷端温度始终保持TH，指示值永远正确。 3、零点移动法、应用领域：冷端不在0时非常稳定(如恒温厂或有空调的地方)。 实际：由于测量结果人为加一定值，冷端温

16、度稳定，电动势EAB(TH，0 )为常数，指示调整仪表上的零点，增大某个合适的值实现补偿。 4、补偿桥法补偿不平衡桥引起的热电偶冷端温度变化引起的热电偶的变化值。 不平衡桥由R1、R2、R3 (锰铜线缠绕)、RCu (铜线缠绕)四个桥臂和桥电源构成。 在设计时，当在0下平衡桥接器(R1=R2=R3=RCu )时，Uab=0，并且桥接器不影响仪表的读取值。 冷端补偿器的作用，注意：桥式RCu应靠近热电偶的冷端，并设在相同的温度。、注意：材质不同的热电偶所具备的冷补偿器中，电流限制电阻r不同，交换时必须再调整。 1、热电偶的选定、使用设置热电偶的选定，应该根据被测定介质的温度、压力、介质的性质、测温时间的长度，选择热电偶和保护套。 那个设置场所有代表性，设置方法必须正确。 图3.2-17是管道常用的两种方法。 在工业生产中，热电偶经常与毫安计连用(X