第六章第六章 温度测量及变送温度测量及变送概概 述述膨胀式温度计膨胀式温度计热电偶温度计热电偶温度计热电阻温度计热电阻温度计非接触式温度计非接触式温度计小小结结2021/8/21 温度是重要的热工参数温度是重要的热工参数, ,如如: : 原油外输：加热炉的温度控制；原油外输：加热炉的温度控制； 常减压装置，出口温度控制等。常减压装置，出口温度控制等。温度定义温度定义： 微观：微观：组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度即对其分子平均动能大小的一种量度。第一节第一节 概述概述宏观：宏观：表征物体冷热程度的物理量。表征物体冷热程度的物理量。热力学第零定律热力学第零定律：任意两个冷热程度不同的物体相互接触，：任意两个冷热程度不同的物体相互接触，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。这也就是所的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。这也就是所描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。2021/8/22七个基本物理单位之一2021/8/23一、温标一、温标它规定了：它规定了： 温度的温度的起点起点； 测量温度的测量温度的基本单位基本单位； 各种温度计的分度值。各种温度计的分度值。温标温标：为了保证温度量值的准确和利于传递，：为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，这需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，这种用来量度物体温度高低的标尺叫温度标尺，种用来量度物体温度高低的标尺叫温度标尺，简称温标。简称温标。各种温度计的刻度数值均由温标确定。各种温度计的刻度数值均由温标确定。 2021/8/24例如：例如：长度单位长度单位，1983年年10月第十七届国际计量大会通过了月第十七届国际计量大会通过了米米的新定义的新定义：“1米是光在真空中米是光在真空中1299792458秒的时间间隔内秒的时间间隔内所经路程的长度所经路程的长度”。新的米定义有重大科学意义。从此光速新的米定义有重大科学意义。从此光速c成了一个精确数值。成了一个精确数值。通常采用具有所定标物理量通常采用具有所定标物理量固定不变的东西作为基准。固定不变的东西作为基准。例如：例如：时间单位时间单位，在，在1967年召开的第年召开的第13届国际度量衡大会对届国际度量衡大会对秒秒的定义的定义是：铯是：铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的的9,192,631,770个周期的持续时间。个周期的持续时间。温度定标温度定标：在标准大气压下，单：在标准大气压下，单组分物质具有固定的三相点、组分物质具有固定的三相点、沸点、融点等。沸点、融点等。2021/8/252021/8/261 1 华氏温标华氏温标（宏观）（宏观）17241724年，德国玻璃工华伦海特在荷兰首次创立温标年，德国玻璃工华伦海特在荷兰首次创立温标 - -华氏温标。华氏温标。 3232：标准大气准大气压下下纯水的冰的融点纯水的冰的融点； 212212：标准大气准大气压下下纯水的沸点。水的沸点。 11：在：在3221232212之间划分之间划分180180等份，每一等份为华等份，每一等份为华 氏氏1 1度（度（11）。）。单位：位：华氏度，符号氏度，符号 常用常用F F表示。表示。2021/8/272 2 摄氏温标摄氏温标 （宏观）（宏观）17501750年，瑞典物理学家、天学家摄尔修斯提出摄氏温标。年，瑞典物理学家、天学家摄尔修斯提出摄氏温标。 00：标准大气压下纯水的冰的融点；：标准大气压下纯水的冰的融点； 100100：标准大气压下纯水的沸点。：标准大气压下纯水的沸点。 11：在：在01000100之间划分之间划分100100等份，每一等份为摄氏等份，每一等份为摄氏1 1度（度（11）。）。 单位：摄氏度，符号单位：摄氏度，符号 常用常用t t表示。表示。2021/8/283 3 热力学温标（绝对温标、国际温标）（微观）热力学温标（绝对温标、国际温标）（微观） 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一，国际温标。 18481848年，由英国物理学家开尔文提出热力学温标年，由英国物理学家开尔文提出热力学温标。 0K0K：分子运：分子运动停止停止时的温度的温度为绝对零度。零度。 273.16K273.16K：水在标准大气压下水在标准大气压下的三相点温度。的三相点温度。1K1K：水的三相点：水的三相点热力学温度的力学温度的1/273.161/273.16。 单位：开位：开尔尔文，符号文，符号K K 三相点：单组分（一种纯物质）中有固、液、气平衡共存。三相点：单组分（一种纯物质）中有固、液、气平衡共存。 三相点特点：只出现在固定的压强和温度下。水三相点三相点特点：只出现在固定的压强和温度下。水三相点0.010.01 常用常用T T表示。表示。2021/8/29国际单位制中七个基本物理单位之一2021/8/2104 4 各温标关系各温标关系 2021/8/211常用常用:玻璃温度玻璃温度玻璃温度玻璃温度计计、压压力温度力温度力温度力温度计计、双金属温度、双金属温度、双金属温度、双金属温度计计、热电热电偶温度偶温度偶温度偶温度计计、热电热电阻温度阻温度阻温度阻温度计计。二、温度二、温度测量方法量方法1.接触式测温接触式测温当两个当两个两个冷两个冷热程度不同程度不同物体接触后，物体接触后，均会均会发生生热交交换，经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。经过足够长的时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。度测量，这种测温方式称为接触法。要求要求:测温物体的物理性温物体的物理性质必必须连续、单值地随温度地随温度变化，化，且复且复现性好性好。需需满足条件：足条件：感温部件与被感温部件与被测介介质充分接触充分接触；保保证热交交换时间。2021/8/212接触式测温接触式测温2021/8/2132.非接触式测温非接触式测温测温元件温元件任何部位均不与被任何部位均不与被测物体相接触物体相接触。多以多以辐射式射式为主，主，经被被测物体与感温元件之物体与感温元件之间的的热辐射射作用作用实现测温。温。特点：特点：不破坏被不破坏被测的温度的温度场，可，可测移移动或或转动物体及物物体及物体表面温度。反映速度体表面温度。反映速度较快，快，测温范温范围广。广。受物体受物体发射率、射率、对象与象与仪表表间距、烟距、烟尘和蒸汽等影响，和蒸汽等影响，精度不高，常用于精度不高，常用于测量量1000以上移以上移动、旋、旋转或反或反应迅速迅速的高温物体温度的高温物体温度。u例如：红外辐射式。例如：红外辐射式。2021/8/214非接触式测温非接触式测温红外温度计红外温度计非典非典钢水钢水2021/8/215接触式与非接触式测温特点比较接触式与非接触式测温特点比较方 式 接 触 式 非 接 触 式 测量 条件 感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上 测量 范围 特别适合1200以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于l 300以上 的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温，但1000以下，测量误差大，能测运动物 体和热容小的物体温度 精 度 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级 通常为1.0、1.5、2.5级 响应 速度慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为23秒钟 其它 特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维 护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被 测物体实际温度；可方便地组成多路集中 测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置 2021/8/216第二节第二节 膨胀式温度计膨胀式温度计 原理：原理：物体受物体受热体体积膨膨胀。分分为气体、液体、固体膨气体、液体、固体膨胀式式。 一般膨胀式温度测量大都在-50550范围内，用于温度就地指示，不需远传的场合。玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计 压力式温度计压力式温度计压力式温度计压力式温度计 双金属温度计双金属温度计双金属温度计双金属温度计2021/8/2176.2.1玻璃管玻璃管液体液体温度温度计 体体温温计、工工业水水银温温度度计 。结构结构：感温包、玻璃毛细管和刻度标尺。：感温包、玻璃毛细管和刻度标尺。感温液体感温液体：酒精、水：酒精、水银等等- 感温液体的体积膨胀系数 - 盛液容器的体积膨胀系数 与与差别越大，灵敏度越高差别越大，灵敏度越高。上部真空，压力不变上部真空，压力不变一、一、结构构2021/8/218二二. . 按用途分类按用途分类标准温度计：精度高标准温度计：精度高标准温度计：精度高标准温度计：精度高 有棒状、内标尺式的，分一等和二等，有棒状、内标尺式的，分一等和二等， 分度值为分度值为0.050.050.10.1。工业用温度计工业用温度计工业用温度计工业用温度计: : : :精度较低精度较低精度较低精度较低实验室用温度计：实验室用温度计：实验室用温度计：实验室用温度计： 形式与标准的相仿，精度较高。形式与标准的相仿，精度较高。2021/8/219优点：点：结构构简单，精度，精度较高高0.12.5，价格，价格便宜。便宜。 常用于常用于实验室。室。适用范适用范围：-200600。缺点缺点:(1)玻璃易碎；玻璃易碎；(2)用于就地指示，不能用于就地指示，不能远传;(3)属于接触式属于接触式测量，需要充分量，需要充分传热，使温，使温包与被包与被测液体达到液体达到热平衡，需要几分平衡，需要几分钟。三三. . 特点特点2021/8/2206.2.2压力式温度力式温度计由由温温包包、毛毛细管管和和弹簧簧管管构成封构成封闭系系统。 感温介感温介质：液体液体（水（水银或有机液体）或有机液体）气体气体（氮气、（氮气、氢气）气）蒸汽蒸汽（低沸点丙（低沸点丙酮、乙、乙醚）毛毛细管容管容积温包容温包容积内径内径约0.4mm，长度度封闭系统材料的膨胀系数，可忽略系封闭系统材料的膨胀系数，可忽略系统容积变化的影响，统容积变化的影响，系统视为定容系统系统视为定容系统。m=(VA+VB) 0 =(VA+VB)P0M/RT0 若温包内气体密度为若温包内气体密度为1 ，质量为，质量为m1 ；其余部分毛细管、弹；其余部分毛细管、弹簧管中气体密度为簧管中气体密度为2 ，质量为，质量为m2 ；则；则1 = PM/RT 2 = PM/RT0 m1 = VA1= VAPM/RT m2 =VB2=VBPM/RT02021/8/223因因m= m1 + m2 ，可得：，可得：压力与温度为压力与温度为非线性非线性。VA VB 时，可近似为：时，可近似为：多以多以氮气氮气或或氢气氢气为感温介质。为感温介质。（4-2-44-2-4）线性线性2021/8/224 P液体的饱和蒸汽压；液体的饱和蒸汽压；T温包内自由液面的温度；温包内自由液面的温度；a、b、c与液体性质有关的常数。与液体性质有关的常数。 m、n、q与液体有关的常数，与液体有关的常数，由实验确定。由实验确定。 3 3蒸汽压力温度计蒸汽压力温度计各种液体饱和蒸各种液体饱和蒸汽压与温度的关系汽压与温度的关系可表示为：可表示为： 液体饱和蒸汽压只与温度有关，液体饱和蒸汽压只与温度有关，利用低沸点液体饱和蒸利用低沸点液体饱和蒸汽压随温度变化的性质汽压随温度变化的性质来测量温度来测量温度。实用中，大多采用经验公式：实用中，大多采用经验公式：多以多以低沸点液体低沸点液体（丙酮、乙醚等）为感温介质。（丙酮、乙醚等）为感温介质。2021/8/225三三特点特点优点优点: : (1) (1)结构简单，结构简单，具有强度大、不易破损，价格便宜；价格便宜； (2) (2)可较远距离传送（可较远距离传送（5050米）；米）； (3) (3)不需电源，防爆，用于不需电源，防爆，用于狭小位置狭小位置的温度就地指示。的温度就地指示。缺点缺点：环境温度影响大。精度境温度影响大。精度较低：低：12.5, 不能远传。 适用于-100 +600，一般0+300。常用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量。2021/8/2266.2.3双金属温度双金属温度计（固体膨胀）（固体膨胀） 两种两种线膨膨胀系数不同的金属片叠系数不同的金属片叠焊，一端固定，一端自由。，一端固定，一端自由。受受热后后产生弯曲生弯曲变形。形。弯曲程度与温度成比例。弯曲程度与温度成比例。 x双金属片自由端位移；双金属片自由端位移；l 双金属片双金属片长度；度；d双金属片厚度；双金属片厚度；t温度温度变化量；化量；G弯弯曲曲率率，取决于头金属片的材质，通常为(514)10-6K。一、一、测量原理量原理2021/8/227二、双金属温度计的结构二、双金属温度计的结构返返回回2021/8/228 节日彩灯1双金属片；2调节螺钉；3绝缘子；4彩灯电熨斗、吹风机、彩灯电熨斗、吹风机、彩灯双金属温度计不仅可用于测量温度，而且还可方便地用作简单温度控制装置，两位式控制。三、双金属温度计的两位式温度控制三、双金属温度计的两位式温度控制2021/8/229四四特点特点优点优点: : (1) (1)结构简单，结构简单，具有强度大、不易破损，价格便宜；价格便宜； (2) (2)不需电源，防爆，用于不需电源，防爆，用于工业工业的温度就地指示。的温度就地指示。缺点缺点：精度：精度较低：低： 1 1、1.51.5、2.52.5级级，不能远传。 适用于-80 +600。2021/8/230前面介前面介绍的膨的膨胀式温度式温度计：主要用于温度的：主要用于温度的就地指示就地指示。下面我下面我们介介绍两种用于温度两种用于温度信号信号远传的温度的温度计：热电偶：偶：热电阻：阻：2021/8/231第四节第四节 热电阻温度计热电阻温度计金属金属导体体电阻阻半半导体体电阻阻2021/8/2326.4.1热电阻温度阻温度计测温原理温原理 利用利用金属金属导体或半体或半导体自身体自身电阻随温度阻随温度发生生变化化的特性。的特性。金属金属导体或半体或半导体体电阻阻值与温度呈一定函数关系。与温度呈一定函数关系。金属金属导体体电阻：阻：电子全部以自由子全部以自由电子存在子存在电阻定阻定义：UAB从微从微观的角度：的角度：电流流I表示表示单位位时间内流内流过导体某一截面的体某一截面的电子数量。子数量。半半导体体电阻：阻：多数多数电子以束子以束缚电子存在，只有少量自由子存在，只有少量自由电子子 T R热电阻电信号2021/8/233金属金属导体体电阻：阻：电子全部以自由子全部以自由电子存在子存在半半导体体电阻：阻：多数多数电子以束子以束缚电子存在，只有少量自由子存在，只有少量自由电子子数量少，碰撞几率小，可忽略数量少，碰撞几率小，可忽略2021/8/234一般温度每上升一般温度每上升1:导体体电阻增大阻增大0.360.68%；半半导体体电阻下降阻下降36%。金属金属导体体电阻：阻：半半导体体电阻：阻：2021/8/235一、金属热电阻一、金属热电阻（1 1）电阻温度系数大，即灵敏度高；）电阻温度系数大，即灵敏度高； （2 2）物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温）物理化学性能稳定，能长期适应较恶劣的测温 环境，互换性好；环境，互换性好； （3 3）电阻率要大，以减小电阻体积，减小热惯性；）电阻率要大，以减小电阻体积，减小热惯性； （4 4）电阻与温度近似为线性关系，测温范围广；）电阻与温度近似为线性关系，测温范围广； （5 5）价格）价格低廉，复制性强，加工方便低廉，复制性强，加工方便。 热电阻材料要求热电阻材料要求6.3.2常用常用热电阻的材料阻的材料 2021/8/2366.3.2常用常用热电阻的材料阻的材料 1.铂热电阻阻测温范温范围：-200850。-2000范范围： Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t30850范范围：Rt=R0(1AtBt2）R00阻值；阻值；A=3.9080210-31/;B=-5.8019510-71/2;C=-4.2735010-121/4。Pt10电阻阻丝较粗（粗（贵、不易断），主要、不易断），主要用于用于600以上以上温度温度测量。量。特点：特点：性能性能稳定可靠、抗氧化性好，精度高；定可靠、抗氧化性好，精度高；测量范围宽，适合中低温；测量范围宽，适合中低温；轻微非微非线性；价格性；价格贵；还原介质中易被沾污而变脆。还原介质中易被沾污而变脆。RtR0(1+t) 分度号分度号:Pt10、Pt100、Pt1000。在在测量精度要求低量精度要求低时：=3.8510-31/。Pt100最常用。最常用。国标ITS一90规定，在-2593463074温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。2021/8/237铂电阻分度表铂电阻分度表 2021/8/2382.铜热电阻阻测温范温范围：-50150。特点：特点：（1）材料易提）材料易提纯，易氧化，易氧化，价格便宜；价格便宜；（2）基本）基本线性。性。R00阻值。阻值。RtR0(1+t) =4.2810-31/。（4）精度低。）精度低。分度号：分度号：Cu50、Cu100。（3）测温范温范围小，适合低温，常用于小，适合低温，常用于热电偶冷端偶冷端补偿。3 3、镍热电阻、镍热电阻 -60300。分度号：。分度号：Ni100、Ni300和和Ni500Rt=100+0.548t+0.66510-3t2+2.80510-9t4比铂电阻大比铂电阻大1.51.5倍，因不易提纯，互换性差。倍，因不易提纯，互换性差。2021/8/239二二半半导体体热电阻阻 通通常常用用铁、锰、铜、钛、钼等等金金属属氧氧化化物物或或碳碳酸酸盐、硝酸硝酸盐、氯化物等材料制作。化物等材料制作。 特点：特点： 输出信号大（灵敏度高），比金属电阻大10-100倍； 体积小，0.10.2mm，结构简单； 热容小，响应快，常用于热电偶冷端补偿； 精度低；元件易老化，稳定性较差；元件一致性差； 非线性很严重。 对于在低温段-50350左右的范围、测温要求不高的场合，采用半导体热敏元件作温度传感器。大量用于各种温度测量、温度补偿及家电、汽车等要求不高的温度测量与控制。2021/8/2405.3.3.热电阻阻结构构一、一、普通型普通型热电阻阻电阻体：阻体： 0.010.07mm电阻阻丝双双线无感无感绕制制而成。而成。消除电流消除电流变化变化或外界交变磁场产生的感应电势。或外界交变磁场产生的感应电势。若有温度梯度存在，若有温度梯度存在，检测值为感温元件所在范感温元件所在范围内介内介质的平均温度。的平均温度。 返回返回内引内引线：工工业用用 1mm，标准或准或实验室用室用 0.30.5mm。保保护管：管：同同热电偶保偶保护管，材管，材质有金属或非金属等。有金属或非金属等。2021/8/241二、二、铠装装热电阻阻结构及特点与构及特点与铠装装热电偶相似。偶相似。外径外径为28mm，个，个别可制成可制成1mm。优点点:外型尺寸小，响外型尺寸小，响应速度快；速度快；抗震、可抗震、可挠；适于；适于结构复构复杂部位部位测量。量。2021/8/242三、三、半导体电阻结构形式半导体电阻结构形式2021/8/243 常用的引线方式有：二线制、三线制和四线制三种。6.3.4热电阻的常用阻的常用测量量电路路2021/8/244电桥测量电路：热电阻作为电桥的一臂。取 R2Rt0，R3R4。RtR4R3R2RjEmVbaC6.3.4热电阻的常用阻的常用测量量电路路 0时电桥平衡，毫伏表指示为0。测量基本原理：量基本原理：一、一、恒恒压源源测量量电路基本原理路基本原理2021/8/245RtRxRxCR4R3R2RjEmVba 实际使用，热电阻测温点与二次仪表要有相当一段距离。用导线连接，导线电阻与热电阻串连，相当于增加了热电阻的电阻值(2Rx)，而且导线电阻随环境温度变化会带来附加误差，这种误差很难修正。出现问题：1两两线制制连接接只有当引线电阻Rx与元件电阻值 Rt满足 Rx/RtTTT0 0, , 热热端端电电子子能能量量 冷冷端端电子能量电子能量, , 则则V VT T( (电子移动速度电子移动速度)V)VT0T0 。结果：结果：高温端高温端失去电子而失去电子而带正电带正电，低温端低温端得到电子而得到电子而带负电带负电。静电场：静电场：在高、低温两端形成一个在高、低温两端形成一个从高温端指向低温端的静电场从高温端指向低温端的静电场Es 。这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端移动，与扩散运动相反，最后平衡。温端移动，与扩散运动相反，最后平衡。此时，在导体两端产生的电位差称为此时，在导体两端产生的电位差称为温差电动势温差电动势。括号中括号中T和和T0的顺序决定了电动势的的顺序决定了电动势的参考方向参考方向：T0（低）指向（低）指向T（高）（高）2021/8/259温差温差电动势的表示：的表示： 大小只与大小只与导体材料和体材料和导体两端点温度体两端点温度T、T0有关。有关。与与导体体长度、截面及沿度、截面及沿长度的温度分布情况无关度的温度分布情况无关。k：玻尔兹曼常数（k=1.381023J/K）e：电子电荷量（e1.6021019C）NA：导体A电子密度2021/8/2602.接触接触电动势 由两种由两种电子密度不同子密度不同的的导体相互体相互接触所接触所产生的生的电动势。扩扩散散运运动动：假假设设N NA ANNB B，A A端端扩扩散散到到B B端端的的电子数量多电子数量多。结果：结果：A端端失去电子而失去电子而带正电带正电，B端端得到电子而得到电子而带负电带负电。静电场：静电场：在高、低温两端形成一个在高、低温两端形成一个从高温端指向低温端的静电场从高温端指向低温端的静电场Es 。这个静电场将阻止电子进一步从这个静电场将阻止电子进一步从A端向端向B端移动，与扩散运动相反，最后平衡。端移动，与扩散运动相反，最后平衡。此时，在导体两端产生的电位差称为此时，在导体两端产生的电位差称为温差电动势温差电动势。其中其中A和和B的顺序决定了电动势的参考方向：的顺序决定了电动势的参考方向：B（低）指向（低）指向A（高）（高）2021/8/261接触接触电动势的表示：的表示： 大小取决于两大小取决于两导体材料及接触点温度。体材料及接触点温度。材料一定（材料一定（电子密度），子密度），只与接触点温度有关。只与接触点温度有关。k：玻尔兹曼常数（k=1.381023J/K）e：电子电荷量（e1.6021019C）NA：导体A电子密度NB：导体B电子密度T：接触点绝对温度2021/8/262ATBT0EAB(T，T0)eAB(T)eAB(T0)eA(T，T0)eB(T，T0)3回路总电动势回路总电动势电势的方向是电位升高的方向电势的方向是电位升高的方向始始点点温差温差电动势+接触接触电动势假假设 参考方向已定参考方向已定 温差温差电动势6000.25t铂铑铂铑13铂铂R正正较硬较硬0.64701300160011000.25t铂铑铂铑30铂铂6B正正较硬较硬0.0330160018006008004负负较软较软8000.5t镍铬镍硅镍铬镍硅K正正不亲磁不亲磁4.096-20012001300-4013002.5或或0.75t负负稍亲磁稍亲磁-200402.5或或1.5t镍铬硅镍硅镍铬硅镍硅N正正不亲磁不亲磁2.774-20012001300-4011001.5或或0.4t负负稍亲磁稍亲磁-4013002.5或或0.75t镍铬康铜镍铬康铜E正正暗绿暗绿6.319-200760850-409002.5或或0.75t负负亮黄亮黄-200402.5或或1.5t铜康铜铜康铜T正正红色红色4.279-200350400-403501或或0.75t负负银白色银白色-200401或或1.5t铁康铜铁康铜J正正亲磁亲磁5.269-40600750-407502.5或或0.75t负负不亲磁不亲磁标准化热电偶技术数据标准化热电偶技术数据2021/8/286当当热电偶型号偶型号选定后定后,热电极的材料一定，极的材料一定，热电偶的偶的总电动势EAB(T,T0)仅是两个接点温度是两个接点温度T和和T0的函数，可表示的函数，可表示为若若T0（冷端冷端）恒定，则恒定，则eAB(T0)为常数，热电动势只与热为常数，热电动势只与热电偶的温度电偶的温度T (测温端温端或或热端端)成单值函数关系，即成单值函数关系，即规定热电偶冷端温度为规定热电偶冷端温度为0时，按热电偶的不同种类，分别时，按热电偶的不同种类，分别列成表格形式，这些表格称为热电偶的列成表格形式，这些表格称为热电偶的分度表分度表。6.4.4常用常用热电偶分度表偶分度表 2021/8/287分度表：分度表：t0=0时，热电势E(t,0)与温度与温度t的的对应关系。关系。相同分度号的相同分度号的热电偶可共用同一分度表。偶可共用同一分度表。常用分度表常用分度表见本章本章附表附表。分度表可由分度表可由t EAB(t,0)或或EAB(t,0)t。P111-120：分度表（冷端为分度表（冷端为t0=0时，时，Et的关系表）的关系表）。注意2021/8/2882021/8/2892021/8/290若若A，B为普通普通导线，则E=EAB(t,t0)。 t0为现场环境温度，不境温度，不稳定。定。无法无法测量，量，希望冷端希望冷端t0稳定，定，补偿导线作用：作用：将冷端由不将冷端由不稳定的室外温度定的室外温度t0延伸到延伸到稳定的地方定的地方-控制室控制室t06.4.5热电偶偶补偿导线 一、一、补偿导线的工作原理的工作原理 2021/8/291补偿型型（C）：）：AA,BB，用于，用于贵金属金属热电偶；偶；补偿型：型：不完全不完全补偿，两种廉价两种廉价导体材料的体材料的导线。在一定温度在一定温度范范围内内热电特性与特性与热电偶相同或十分相近偶相同或十分相近。热电偶与偶与补偿导线连接接处温度温度100。二、二、补偿导线的的类型：型：延伸型延伸型（X）：）：A=A,B=B，用于廉价金属，用于廉价金属热电偶。偶。根据中根据中间温度定理：温度定理：如果如果 A=A,B=B2021/8/292 不同分度号不同分度号热电偶偶补偿导线材料不同，材料不同，应注意注意型号匹配型号匹配与正与正负极性极性连接正确接正确。注意：注意：+-+-+-热电偶、补偿导线、显示仪表热电偶、补偿导线、显示仪表的的+、-极性必须连接正确极性必须连接正确2021/8/293 补偿导线本身并无温度补偿作用，仅起到热电偶冷端的补偿导线本身并无温度补偿作用，仅起到热电偶冷端的延伸作用。延伸作用。 补偿导线只是在一定的温度范围内与相应的热电偶的热补偿导线只是在一定的温度范围内与相应的热电偶的热电特性接近，超出这个范围误差会增大，一般补偿导线与热电特性接近，超出这个范围误差会增大，一般补偿导线与热电偶的连接处的温度不应超过电偶的连接处的温度不应超过100。更不能代替热电偶。更不能代替热电偶。 在计算式，补偿导线等效于同分度号的热电偶在计算式，补偿导线等效于同分度号的热电偶2021/8/294则需将需将问题提出：问题提出：因分度表在因分度表在t00得到，只有得到得到，只有得到E(t,0)才能由才能由分度表得到分度表得到实测温度温度t。如测温时热电偶是t0，不为0 ，不能用测得E(t, t0) 直接查分度表求t。6.4.6热电偶冷端温度偶冷端温度补偿方法方法通过补偿导线已将将冷端由不将冷端由不稳定的室外温度定的室外温度t0延伸到延伸到稳定定的地方的地方-控制室控制室t0冷端冷端补偿2021/8/2951.冰浴法冰浴法 将冷端延伸到冰水混合物将冷端延伸到冰水混合物0中，中，测得得EAB(t,0)，直接，直接查表求得表求得t。特点：直接特点：直接补偿到到0度，度，补偿精度高。但使用不便。精度高。但使用不便。用于用于实验室温度室温度短短时精密精密测量。量。 下面介下面介绍几种常用的冷端几种常用的冷端补偿方法方法2021/8/2962.补偿电桥法法 利利用用不不平平衡衡电桥随随温温度度变化化产生生电压，补偿冷冷端端温温度度变化化导致致热电偶回路偶回路电势变化。化。当当桥路取在路取在0平衡平衡时： R1=R2=R3=Rcu=R0,桥路无路无输出，出，Uba=0。ExE(t,0)E(t,t0)+E(t0,0) AtBmVabdc2021/8/297特点：特点：1 1）不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器。属于）不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器。属于硬件硬件补偿，只适合一种分度号，补偿精度低。通常在显示仪表中，带分度号当当热电偶分度号改偶分度号改变时，可适当，可适当调整整RB，使，使Uba=E(t0 ,0)。2 2）补偿范围有限（一般为）补偿范围有限（一般为0 050 50 ，设计温度，设计温度25 25 ）ExE(t,0)E(t,t0)+E(t0,0) AtBmVabdcRB适当适当选择桥路参数，使路参数，使Uba =E(t0 ,0)，达到自，达到自动补偿。2021/8/2983.计算修正法算修正法当当t00时，测得得热电势为E(t,t0)，可采用，可采用E(t,0)E(t,t0)+E(t0,0) E(t,0)冷端冷端0，热端端t热电势；E(t,t0)冷端冷端t0，热端端t热电势。由由热电偶回路偶回路测得得；E(t0,0)冷端冷端0，热端端t0热电势。由室温由室温计测t0，查分度表得到。分度表得到。一一般般由由另另一一种种测温温元元件件（半半导体体或或铜电阻阻）测量量出出室室温温t0，然然后后根根据据不不同同的的分分度度号号查表表计算算E(t0,0) （由计算机、单片机实现）。适合各种不同分度号的另端补偿，补偿精度较高另一个温度另一个温度传感器感器测量量t0，软件件计算算E(t0,0)，工业上最常用，工业上最常用 2021/8/2994.仪表零点校正法表零点校正法E(t,0)E(t,t0)+E(t0,0) 认为控制室温度认为控制室温度t0不变不变:E(t,0)E(t,t0)+C调整机械零点至调整机械零点至t0处处但是，实际上控制室温度但是，实际上控制室温度t0也是变化的，只是变化比较小，也是变化的，只是变化比较小，这样做使室温引起的测量误差增大，所以现在很少使用。这样做使室温引起的测量误差增大，所以现在很少使用。该方法适用于冷端温度较稳定的情况。该方法适用于冷端温度较稳定的情况。只补偿一个温度，冷端温度变化后，必须及时重新调整机械零点，只补偿一个温度，冷端温度变化后，必须及时重新调整机械零点，在冷端温度经常变化的情况下，不宜采用这种方法。在冷端温度经常变化的情况下，不宜采用这种方法。2021/8/21001.冰浴法冰浴法 2.计算修正法算修正法3.补偿电桥法法4.仪表零点校正法表零点校正法完全完全补偿，适用，适用实验室短室短时适用，不适合工适用，不适合工业冷端温度冷端温度补偿方法：方法：冷端温度变化后，必须及时重新调冷端温度变化后，必须及时重新调整机械零点，在冷端温度经常变化整机械零点，在冷端温度经常变化的情况下，不宜采用这种方法。的情况下，不宜采用这种方法。常用常用不完全不完全补偿2021/8/21011.普通型普通型热电偶偶热电极极:贵金属金属D=0.30.65mm，普通金属普通金属D=0.53.2mm。长度一般度一般3502000mm。绝缘子子:聚四氟乙聚四氟乙烯、石英、陶、石英、陶瓷等材料。瓷等材料。结构有构有单孔、双孔和四孔。孔、双孔和四孔。保保护套管：套管：有金属、非金属和金属陶瓷三有金属、非金属和金属陶瓷三类。接接线盒：盒：用于用于导线与与热电极极连接。接。6.4.7热电偶偶结构构2021/8/2102固定螺固定螺纹锥形保形保护管管连接，接，高高强强度度结构。构。用于用于P30MPa、流速、流速80m/s的的测量。量。 常用常用连接方式：接方式：螺螺纹连接接或或法法兰连接，接，用于用于P10MPa的的测量。量。缺点缺点：普通热电偶体积与热惯性较大，不宜在热容较小的对象中使用，在结构复杂、弯曲的对象上不易安装。 2021/8/2103普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管引出线套管固定螺纹固定螺纹（出厂时用塑料包裹）（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢不锈钢保护管保护管 2021/8/21042.铠装装热电偶偶经整体复合拉伸而成的整体复合拉伸而成的可弯曲的可弯曲的坚实组合体合体。标准准铠装型装型:外径外径0.58mm，热电极极0.11.3mm，套管壁厚套管壁厚0.0751mm，长度度500m。(1)动态特性好。特性好。10s。(2)寿命短寿命短。套管壁薄，。套管壁薄，热电极极细。(4)适用于适用于温度变化频繁、热容量较小、结构复杂对象温度变化频繁、热容量较小、结构复杂对象。(3) (3) 由于结构小型化、绕性好，易制成各种特殊用由于结构小型化、绕性好，易制成各种特殊用 途的型式，可适应对象结构复杂的途的型式，可适应对象结构复杂的测量量场合。合。 2021/8/2105由两种金属薄膜连接而成。 1）特点：微小面积上的温度测量；动态响应快，可测瞬变的表面温度。 2)应用： (1)如将热电极材料直接蒸镀到被测表面，可测微秒级变化的温度。 (2)如制成针状，针尖为热端，可测量点的温度3 3 薄膜热电偶薄膜热电偶2021/8/21061.热电偶偶:测温元件温元件 2.导线:补偿导线 3.专用用显示示仪表表(输入入mV，带冷端冷端补偿)显示示仪表或表或计算机。算机。一、分离式温度一、分离式温度测量（量（热电偶偶+补偿导线+显示）示）+-+-+-分度号一致分度号一致5.4.8热电偶偶测温系温系统的的组成成如果题中不特别指出如果题中不特别指出+、-，表示热电，表示热电偶、补偿导线、显示仪表的极性和分偶、补偿导线、显示仪表的极性和分度号连接正确度号连接正确2021/8/2107二、二、热电偶偶+温度温度变送器送器+显示示1.热电偶偶:测温元件温元件 2.导线:补偿导线 3.温度温度变送器送器(输入入mV，带冷端冷端补偿，在控制室，在控制室) 4.通用通用显示示仪表表(输入入4-20mA)显示示仪表或表或计算机。算机。 +-+-+-+-+分度号一致分度号一致2021/8/2108三、一体化温度三、一体化温度变送器送器+显示示1.一体化温度一体化温度变送器送器（热电偶与偶与变送器一体化，安装于送器一体化，安装于现场） 不需不需补偿导线。2.导线:普通普通导线一体化温度变送器一体化温度变送器3.通用通用显示示仪表表(输入入4-20mA)，显示示仪表或表或计算机。算机。 优点：点：结构构简单、使用方便；、使用方便；缺点：冷端位于室外，冷端温度缺点：冷端位于室外，冷端温度变化大，化大，补偿效果差，精度低；效果差，精度低；不适合高温不适合高温场合。合。2021/8/2109一串联线路一串联线路两支以上热电偶串联连接。两支以上热电偶串联连接。（1 1）正向串联）正向串联 将将n支同型号支同型号热电偶，依次热电偶，依次按正负极性相连按正负极性相连。 热电势大，精度比单支热电偶高，一支热电偶断路，热电势大，精度比单支热电偶高，一支热电偶断路，系统不能工作。系统不能工作。各热电偶冷端必须相同。各热电偶冷端必须相同。6.4.9热电偶的串并偶的串并联2021/8/2110（2）反向串联）反向串联E = E1 - E2 一般采用一般采用两支同型号两支同型号的热电偶，的热电偶，将相同极性串连在一起，测量两点将相同极性串连在一起，测量两点的温差的温差。要求：要求： b.b.两热电偶的两热电偶的热电特性热电特性均应为均应为线性或近似线性线性或近似线性。a.a.两热电偶两热电偶延伸的冷端温度必须相同延伸的冷端温度必须相同；是否需要冷端补偿？是否需要冷端补偿？2021/8/2111二二. .并联线路并联线路 将将n支同型号支同型号热电偶的正、负极热电偶的正、负极分别连接在一起分别连接在一起，总电势为总电势为n支热支热电偶热电势的平均值。电偶热电势的平均值。用于用于大型设备平均温度的测量大型设备平均温度的测量。当某支热电偶断路时，测温系统可照常工作。当某支热电偶断路时，测温系统可照常工作。2021/8/2112(1) (1) 用于远传用于远传, ,一般需要补偿导线一般需要补偿导线 ； (2) 通常用于测量高温（0-1800），测量低温时，测 量精度降低，一般用热电阻代替； (3)(4) E为mV级，测量时需要电压放大； (5) 需要进行冷端补偿处理。 +-+-+-6.4.10热电偶偶测温特点温特点2021/8/2113计算的常用公式：算的常用公式：第第三三种种导导体体定定律律：接接入入第第三三种种导导体体，只只要要与与第第三三种种导导体体相相接接的的两两接接点点温温度度相相同同，则则对回路中电势无影响。对回路中电势无影响。 EAA(t,t0)=0；EAB(t,t)=0；当当A、B（或（或+、-）材料已知，）材料已知，t、t0温度已知，温度已知，可以直接采用实际热电势方向，可以直接采用实际热电势方向，也可用参考热电势方向也可用参考热电势方向6.4.11热电偶温度偶温度计算算2021/8/2114 在计算中，补偿导线等效于同分度号的在计算中，补偿导线等效于同分度号的热电偶热电偶如果如果AB=CD如果如果t0=0 中间温度定理：中间温度定理：2021/8/2115t0=20 ,C为铜导线，求t?线性插值，2021/8/21162021/8/2117例例6-3：有一个实际的热电偶测温系统，两个热电极的材料为：有一个实际的热电偶测温系统，两个热电极的材料为镍铬和镍硅镍铬和镍硅，L1和和L2分别为配镍铬镍硅分别为配镍铬镍硅补偿导线补偿导线，测量系统配，测量系统配K型热电偶的温度显示仪型热电偶的温度显示仪表表(带补偿电桥带补偿电桥)来显示被测温度的大小，设来显示被测温度的大小，设t 300。tc50，t020求显示仪表输入端的热电势求显示仪表输入端的热电势补偿电桥 补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶温度温度T()T()热电势热电势E(mV)E(mV)20200.7980.79850502.0232.02330030012.20912.209解解：由题意可知，使用的热电偶分度号为：由题意可知，使用的热电偶分度号为K型，则回路总电势型，则回路总电势2021/8/2118铜导线显示仪表镍铬镍硅热电偶如补偿导线如补偿导线错接为普通的铜导线错接为普通的铜导线，则测量回路的总电势和温度的显示，则测量回路的总电势和温度的显示值为多少。值为多少。查查K型热电偶分度表，得型热电偶分度表，得2021/8/2119补偿导线显示仪表镍铬镍硅热电偶KKE如如错配错配E型显示仪表型显示仪表，则测量回路的总电势和温度的显示值为多少，则测量回路的总电势和温度的显示值为多少?查查E型型热电偶分度表热电偶分度表2021/8/2120121例例6-4 6-4 如图为如图为S热电偶与显示仪表组成的热电偶与显示仪表组成的测温系统。测温系统。A、B为热电偶补偿导线，但为热电偶补偿导线，但续接的一段由于疏忽接反，已知续接的一段由于疏忽接反，已知: :E(1000,0)=9.585mV, E(50,0)=0.299mV, E(1000,0)=9.585mV, E(50,0)=0.299mV, E(100,0)=0.645mV, E(20,0)=0.113mVE(100,0)=0.645mV, E(20,0)=0.113mV求：（求：（1 1）显示仪表显示的温度是多少）显示仪表显示的温度是多少？ （2 2）若全部正确连接显示仪表应显示何值？由于第二段导线接反）若全部正确连接显示仪表应显示何值？由于第二段导线接反 引入的绝对误差是多少？引入的绝对误差是多少？解：解：在正确连接时在正确连接时: :EAB(1000,100)+EAB(100,50)+EBA(50,20)+EAB(20,0)=EAB(t,0)查分度表：查分度表：t=967+(9.213-9.206t=967+(9.213-9.206）/(9.217-9.206)=967.64/(9.217-9.206)=967.64EAB(t,0)=EAB(1000,0)-2EAB(50,0)+2EAB(20,0) =9.585mV-20.299mV+20.113mV =9.585mV-20.299mV+20.113mV =9.213mV =9.213mVEAB(1000,100)+EAB(100,50)+EAB(50,20)+EAB(20,0）=EAB(1000,0)=EAB(t,0)由由中间温度定律中间温度定律: :2021/8/2121第五节第五节 接触式温度计的安装接触式温度计的安装测温元件的安装测温元件的安装测温元件的安装测温元件的安装 连接导线连接导线连接导线连接导线的安装的安装的安装的安装2021/8/2122一、正确选择测温点一、正确选择测温点 有利于热交换，不应装于死角区域。有利于热交换，不应装于死角区域。二、测温元件应与被测介质充分接触二、测温元件应与被测介质充分接触1 1保证足够的插入深度保证足够的插入深度水银温度计应使水银球中心置于管中心线上；水银温度计应使水银球中心置于管中心线上；双金属温度计插入长度必须大于敏感元件的长度；双金属温度计插入长度必须大于敏感元件的长度；压力式温度计的温包中心应与管中心线重合；压力式温度计的温包中心应与管中心线重合；热电偶热电偶温度计保护管末端温度计保护管末端应过管中心线应过管中心线510mm；热电阻热电阻温度计的插入深度应为温度计的插入深度应为(d(d保护管直径保护管直径):): 电阻体长度电阻体长度+ +1520d金属电阻、金属电阻、非金属非金属1015d无论多粗无论多粗管道，插入深度管道，插入深度=300mm=300mm已足够已足够。6.5.1 6.5.1 测温元件的安装测温元件的安装2021/8/21232 2保证充分的热交换保证充分的热交换 选择测温元件插入选择测温元件插入深度深度l 时，还应考虑安时，还应考虑安装连接头长度装连接头长度H。安装图安装图 测温元件应测温元件应迎着流向插入迎着流向插入，至少与流向成正交，至少与流向成正交, , 不不得顺流安装。得顺流安装。 管径较细时管径较细时（D80mm）可加）可加扩大管或装在弯头扩大管或装在弯头处。处。 第一节第一节 测温元件的安装测温元件的安装2021/8/21246.5.2 6.5.2 连接导线的安装连接导线的安装一、按照规定的测温元件型号配用相应导线一、按照规定的测温元件型号配用相应导线 热电偶热电偶注意与相应分度号的注意与相应分度号的补偿导线、显示仪表配用，补偿导线、显示仪表配用，且且正、负极性正、负极性连接正确；连接正确； 热电阻采用热电阻采用三线制或四线制三线制或四线制连接，连接，线路电阻符合线路电阻符合显示仪显示仪表的表的要求要求。二、导线应有良好的绝缘屏蔽二、导线应有良好的绝缘屏蔽三、防止外界机械损伤三、防止外界机械损伤最好采用架空敷设，也可地下敷设。最好采用架空敷设，也可地下敷设。四、保证环境使用条件四、保证环境使用条件2021/8/2125小小 结结三、热电阻温度计三、热电阻温度计一、膨胀式温度计一、膨胀式温度计二、热电偶温度计二、热电偶温度计原理：物体受热体积膨胀。原理：物体受热体积膨胀。分为气体、液体、固体膨胀式。分为气体、液体、固体膨胀式。测温系统组成。测温系统组成。热电效应：热电效应：包括包括温差电势温差电势和和接触电势接触电势。常用热电偶的常用热电偶的分度号、特点（测温范围、精度等）分度号、特点（测温范围、精度等）补偿导线：作用、种类；补偿导线：作用、种类；冷端温度的处理方法：作用、方法冷端温度的处理方法：作用、方法分度表的使用、查表计算分度表的使用、查表计算物质自身电阻随温度发生变化。物质自身电阻随温度发生变化。热电阻的连接、测温系统组成热电阻的连接、测温系统组成。各种热电阻的分度号、特点各种热电阻的分度号、特点（测温范围、精度等）（测温范围、精度等）。连接导线要求。连接导线要求。2021/8/2126各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围2021/8/2127作业1.1.温度仪表总结温度仪表总结2.2.习题：习题：2/4/5/6/8/9/10/142/4/5/6/8/9/10/142021/8/2128部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！