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1、温度和常用的测温方法,温度测量,温度的宏观概念是冷热程度的表示，温度概念的建立和温度的测量都是以热平衡现象为基础的。,温度-是一个基本物理量。,常用的测温方法,温度这一参数是不能直接测量的，一般根据物质的某些特性参数与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量而间接获取。根据测温传感器的使用方式，测温方法大体分为接触式和非接触式两种。,温度测量,(1)接触式测温法,测温传感器敏感元件直接与被测物体接触，在足够长的时间内，使传感器与被测点达到热平衡，以实现温度测量。,特点是：,由于传感器与被测物体接触，所以测量比较直观、可靠，测温准确度较高，但它直接影响被测物体温度场的分布。,使用该种方法需要
2、使测温元件与被测物体达到热平衡，所以测温时产生较大的时间滞后，并由此带来测量误差。,测温范围在1600以下，通常1000以下的温度容易测量，1200以上的温度不易测量。,温度测量,(2) 非接触式测温法,测温传感器不接触被测物体，利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度，故又称辐射测温。,特点是：,测温传感器不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，热惯性小，动态测量反应快，适于测量高温。,受环境条件影响较大，测量精度较低。从理论上讲，其测温上限是无限的，实际上一般只用到3000。,在高温领域中，使用较多的有辐射高温计、光学高温计和光电高温计等。,近些年来，红外辐射高温计、比色温度计的
3、应用也在逐渐扩大。,温度测量,常用测温方法的种类及特点,温度测量,双金属温度计,结构,双金属温度计是把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。,它是一种固体膨胀温度计。其结构简单、牢固，可将温度变化转换成机械量变化。,故：它不仅用于测量温度，而且还用于温度控制装置（尤其是开关的“通断”控制），使用范围相当广泛。,双金属温度计的工作原理,（1） 将其一端固定, 如果温度升高, 下面的金属 B（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属 A（例如因瓦合金）却几乎不变，致使双金属偏向上翘。温度越高则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲越大。,（2） 感温元件通常绕成螺旋形，一端固定，另一端连接指针轴。温度变
4、化时，感温元件的弯曲率发生变化，并通过指针轴带动指针偏转，在刻度盘上显示出温度的变化。,温度测量,温度测量,热电温度计,热电式传感器是将温度的变化转为电量输出变化的装置。,工程测量中，又以温度转换成电势和电阻变化的方法最为普遍，所以一般将常用的温度传感器分为两大类，即：,1。热电偶 -,温度电势,2。热(敏)电阻 -,温度电阻,将两种不同的金属 A 和 B 连接成图示的闭合回路。,我们称它为热电偶。,热电偶,A.B 材料称之为“热电极” (热偶的),温度测量,如果将它们的两个接点中的一个加热,使其温度为 T ,而另一接点为 T0 即: T T0,如果在回路中接入“检流计”则可看到回路中就有电流
5、产生.这一现象称之为“热电效应”.,这种情况下产生电流的电动势叫“热电势” 并且表示为:,热电势 = EAB( T, T0 ),高温端处的 A.B 材料结点称为: “热端” 或 “工作端”.,低温端处的 A.B 材料结点称为: “冷端” 或 “自由端”.,热电偶作为为传感器, 即:它可以实现将被测温度信号转换成热电势信号,而后经后接仪表测出电势的大小,就实现了温度的测量.,温度测量,由理论分析可知:,热电效应产生的热电势 EAB( T, T0 ) 是由“接触电势”和“温差电势”两部分组成. 即:,EAB( T, T0 ) = 接触电势,(一) 接触电势 (Poltier 电势),1793年,伏
6、打发现,当两种不同的金属相互接触时.两种金属的接触表面各出现“异号电荷”,并称金属表面之间所产生的电位差为“接触电势”,他还发现,接触电势的大小随两两接触的金属不同而大小不同.,并且发现,所有的金属导体可以排列一个序列,序列中任何一种金属与后一种金属相接触,前者带正电后者带负电.,铅. 锌. 锡. 镉. 铝. 锑. 铋.水银. 铁. 铜. 银. 金. 铂.钯.,+ 温差电势,温度测量,接触电势产生的机理,当两种不同的导体 A 和 B 接触时,由于两者的电子密度不同,如: NA NB .电子在两个方向上扩散的速度也不同,从 A B 的电子比 A B 的电子多.,结果, A 失去电子而带正电荷,B
7、 得到电子带负电荷.,于是在 A ,B 的接触面上形成静电场 ES,并且阻碍电子的继续扩散, A ,B 之间就形成了电位差 VA- VB 即:接触电势.,温度测量,式中:,eAB(T) 和 eAB(T0) -为导体 A 与 B 的接点在温度 T 和 T0 时形成的电位差.,- A . B 导体在接点温度为 T 和 T0 时的电子密度.,k,- 波尔兹曼常数 1.3810-23 J/K 或 1.3810-10 尔格/OC,e,-单位电荷4.80210-10 绝对静电单位,对于热电偶而言:,e AB(T0),eAB(T),低温端,高温端,温度测量,(二) 同一导体的温差电势 ( Tomson 电势
8、 ),单一导体中,如果两端温度不同,在两端间会产生电势,即单一导体的温差电势.,机理:,单一导体中由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能,因而向低温端扩散.高温端因失去电子而带正电,低温端由于得到电子而带负电,在高低温端之间形成了一个电位差,温差电势的大小可表示为,- 导体 A 两端温度为 T、T0 时形成的温差电势,- Tomson系数,即导体两端温差为1OC时所产生的温差电势,温度测量,(三)热电偶的热电势,温度测量,值得注意的是在实际使用中,试验证明:,接触电势一般为 n/10 伏-n伏(特),温差电势一般为 n/100 伏(特),T T0, 总电势: EAB(T,T0)中,接触电势E
9、AB(T)所占的比重大., A 为正极, B为负极.,对上式整理可得:,又 NA NB,温度测量,分析:, 热电偶总电势与 NA.NB 材料电子密度及两端接点温度 T,T0 有关., 电子密度 NA.NB 不仅取决于热电偶材料的特性,而且随温度变化,故 其是一个非常量., 所以当材料一经确定,总电势 EAB(T,T0)就成了温度 T 和 T0的函 数差. 即,EAB(T,T0) = f(T) - f(T0), 如果用某种方法使“冷端”温度 T0 恒定,则对一定的材料的热电偶 其总电势就只与 T 成单值函数关系.即,EAB(T,T0) = f(T) C =(T),式中: C 为由恒定温度决定的常
10、数,关系式由实验获得,测量时很有用处.,温度测量,由上述原理,所以产生了各种材料热电偶的分度表。,国际电工委员会向世界各国推荐 8 种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有 8 种。分别是：,铂铑10-铂 (分度号为S),铂铑13-铂 (R),铂铑30-铂铑6 (B),镍铬-镍硅 (K),镍铬-康铜 (E),铁-康铜 (J),铜-康铜 (T),镍铬硅-镍硅 (N),(四)常用热电偶,适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有4050种。,温度测量,1) 铂铑10-铂热电偶,由0.5mm的纯铂丝和直径相同的铂铑丝制成。铂铑丝为正极,纯铂丝为负极。它的特点是热电性能好，抗氧化性强，宜
11、在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期适用的温度为1400，短期使用温度为1600。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高,通常用作标准或测量高温的热电偶，其使用温度范围广（01600），均质性及互换性好；其缺点是价格昂贵,热电势较小，需配灵敏度高的显示仪表。,2) 镍铬-镍硅(镍铝)热电偶,镍铬为正极，镍硅为负极。其特点是：使用温度范围宽（-501300)高温下性能较稳定，热电动势和温度的关系近似线性，价格便宜，因此是目前用量最大的一种热电偶。它适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用，短期使用温度为1200，长期使用温度为1000。,常用热电偶的特性,温度测量,镍铬为正极，康铜为负极。它的最大特点是在
12、常用热电偶中热电动势最大，即灵敏度最高，适宜在250 870 范围内的氧化性或惰性气氛中使用,尤其适宜在0 以下使用。在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀。,3)镍铬康铜热电偶,纯铜为正极，康铜为负极。其特点是：在贱金属热电偶中准确度最高，热电丝均匀性好，使用温度范围为-200 350 。,4)铜-康铜热电偶,此外，还有非标准化热电偶，有钨铼系列（属难融金属），铂铑系列，铱铑系列，铂钼系列及非金属热电偶等。,温度测量,各种材料热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，制定了相
13、应的分度表，并且有相应的线性化集成电路与之对应。,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。,温度测量,（五）热电偶基本定律,由,可看出:, 当材料相同时,即 NA/NB = 1,则无论两接点温度如何变化,回路中总 电势 EAB(T,T0)= 0., 如果热电偶两端温度相同 T = T0 ,尽管导体 A.B 材料不同,回路总电 势亦为“零”. EAB(T,T0)= 0., 热电偶 A.B 热电势与 A.B 材料的中间温度无关、与电偶的形状、大小无关.而只与接点温度有关., 热电偶回路中接入第三种材料的导线,只要第三种导线两端的温度相 等,对热电偶的总
14、电势没有影响.并称之为 “ 中间导体定律 ”,温度测量,代入上式:,当 2.3 点温度为 T0 时,且 T T0,材料为 C,证明：只要第三种导线两端的温度相等,对热电偶的总电势没有影响.,温度测量,证明：只要第三种导线两端的温度相等,对热电偶的总电势没有影响.,温度测量, 标准电极定律,温度测量,根据中间导体定律则：,其中 C 导体，称为标准电极（铂制成），如果已求出各种电极对标准电极的热电势特性，可大大简化热电偶的配选工作。,当结点温度为 T,T0 时,用导体 A.B 组成热电偶的热电势于,A.C 与 C.B热电偶的热电势之代数和.,温度测量,（六）冷端温度补偿,从热电偶的工作原理及关系式
15、 EAB(T,T0) = f(T) - f(T0)可知：,热电势的大小，取决于冷、热端的温度之差,如果冷端温度不是恒定的,而是波动的.所测得的温度就不是实际温度,即会产生误差.为了消除这种影响,常采用冷端补偿方法进行., 补偿导线法,温度测量,为了保证冷端温度恒定,常将其置于恒温箱中.由于热端加长必造成浪费,如果采用某种导线将冷端延伸出来,(导线在 0-100 OC 范围内其热电性质与该热端相近),该导线称为补偿导线.,例: 试证明补偿导线的作用,解:,总电势为:,EAB(T,T0)= ECD(T,T0),恒温箱,温度测量,设:回路各点温度相同,即: 总热电势 = 0,将(b)代入(a)式,
16、EAB(T,T0)= ECD(T,T0),即: ECD(t1,T0) = EAB(t1,T0),温度测量,上式说明:, 采用了补偿导线后,能使热电偶冷端延长到所需要的( 0 OC)地方., 如果没有补偿导线而用普通铜线,回路总热电势 EAB(T,T0) 因有: EAB(T,t1)热电势变小了., 只有采用了补偿导线,将冷端“搬家”到 “0 OC” 中去,使得损失的 EAB(t1,T0)得到补偿.,由铜线段造成的损失,温度测量,补偿导线的类型,I类型通常是和所配用热电极相同的合金；,类型 通常是和所配热电极不相同的合金。,表中:,例 : 分度号为 K 的热电偶误用了分度号为 E 的补偿导线，但极
17、性连接正确，则仪表的指示如何变化？已知 t =500 ，t0= 30, t0 = 20 。,解：若错用补偿导线，则根据中间温度定律则，热电偶电势为：,若用正确的补偿导线，则和温度 t0 无关 ，热电偶电势为：,补偿导线用错，指示值偏高。,温度测量,温度测量, 冷端温度校正法,一般在测量中,都是将冷端置于“0 OC” 中,并作出各种热电偶的温度-热电势关系曲线.,而实际测量时,因种种原因冷端不等于“0 OC”,这时需对测量结果进行修正,求得真实值.,当:,误差为:,温度测量,真实值,示值,非:“0 OC”误差值,温度测量,例:,镍铬-镍硅热电偶(K),工作时其自由端温度 Tn = 30O,测得热
18、电势 E(T,Tn)= 38.56mV.求被测实际温度.,由热电偶分度表查出,E(30,0O)=1.20mV,则,E(T,0O)= E(T,30O)+ E(30,0O),= 39.76(mV),再从表中查得其对应温度为 980OC,= 38.56 +1.20,隔爆型热电偶,结构特点,隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。,使用场合,工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、
19、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。,温度测量,温度测量,隔爆型热电偶,温度测量,把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。,内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,温度测量,铠装热电偶的制造工艺：,铠装热电偶特点,铠装型热电偶可 长达上百
20、米,铠装型热电偶外形,温度测量,温度测量,1) 若热电偶的两极材料相同, 且TT0,则热电偶( )。 （A）仅接触电势为零 （B）总的热电动势为零 （C）仅单一导体的热电势为零 （D）有电势输出,2) 非接触式测温法的特点包括( )。 （A）改变被测物体的温度分布 （B）热惯性小 （C）动态测量反应快 （D）不受环境条件影响,3) 实际测温时热电偶的热电势主要是指（ ） A) 温差电势 B) 中间接点电势 C) 温差电势+接点电势 D) 接点电势,思考题：,温度测量,4) 用镍铬镍硅热电偶测量物体温度，该物体在不同时刻温度分别为15，0，-15，测量仪表所处量温为15，热电偶直接与仪表相连。问在上述时刻仪表测得的热电势分别是多少？,5) 试用数学表达式说明热电偶中间导体定律。,用镍铬镍硅热电偶测量物体温度，该物体在不同时刻温度分别为15，0，-15，测量仪表所处量温为15，热电偶直接与仪表相连。问在上述时刻仪表测得的热电势分别是多少？,解：因为,所以,式中 ，冷端0 均可在分度表中查出。,温度测量,
