1、温度测量简介,李丽,一、温度测量的基本概念,在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！,低温,高温,温度：标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。,二、温标,1、温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。,几种温标的对比,热力学温标（K）,热力学温标:建立在热力学第二定律基础上的温标开氏温标:由开尔文（Kelvin）提出来符号: T单位: 开尔文（K） 。,威廉汤姆逊开尔文勋爵像,1990国际温标(ITS-90)
2、,ITS-90：从1990年1月1日开始在全世界范围采用 定义了：温度的固定点测量和重现固定点的标准仪器计算公式 例如水的三相点为273.16K（0.01C）。,摄氏温标,是工程上最通用的温度标尺。摄氏温标是在标准大气压(即101325Pa)下将水的冰点与沸点中间划分一百个等份，每一等份称为摄氏一度(摄氏度，)，一般用小写字母t表示。与热力学温标单位开尔文并用。摄氏温标与国际实用温标温度之间的关系如下：,华氏温标,目前已用得较少，它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度，符号用，它和摄氏温度的关系如下：,T=t+273.15 K
3、,t=T-273.15 ,m=1.8n+32 ,n= 5/9 (m-32) ,温度是表征物体冷热程度的物理量。是工业生产中最普遍而重要的操作参数。,三、温度检测及仪表,（一）温度检测方法,一般利用物体的某些物理性质随温度变化的特性来感知、测量温度。 主要分为2大类：接触式测温通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度。非接触式测温通过接受被测物体发出的热辐射来感知温度。,接触式测温仪表有： 1、膨胀式温度计 膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。主要有：液体膨胀式温度计：利用液体（水银、酒精）受热时体积膨胀的特性测温。,玻璃管温度计,电接点式 玻璃管温度计,气体热膨胀式,不需要
4、电源，耐用；但感温部件体积较大。,气体的体积与热力学温度成正比,双金属片:两片线胀系数不同的金属片叠焊接在一起。 受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲。 若将双金属片制成螺旋形，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴偏转，带动指针在刻度盘上指示出相应温度值。,固体膨胀式温度计,双金属片常用来做温度报警或控制,随着温度上升，双金属片逐渐弯曲，当其触点接触到固定触点时，报警灯和继电器回路被接通。 调节螺钉用来调整固定触点的位置，以调整报警温度。,双金属温控器,继电器,原理：封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽，受热后体积膨胀，压力增大。,利用封闭容器中的介质压力随温度变化的现象来
5、测温。,压力表指示温度,2、压力式温度计,3、热电偶温度计利用物体的热电性质：热电势 4、热电阻温度计利用金属或半导体电阻值随温度而变化的性质 5、半导体温度计利用半导体PN结的结电压随温度变化的特性,红外线测温计,光学高温计,1、辐射式温度计：通过测量物体热辐射功率来测量温度。 2、红外式温度计：通过测量物体红外波段热辐射功率来测量温度。,非接触式测温的具体方法有,红外温度计,集成温度传感器将温敏晶体管和外围电路集成在一个芯片上构成，相当于一个测温器件。 特点：体积小、反应快、线性较好、价格便宜，测温范围为-50150。,集成温度传感器分为电压型电流型数字型,3、集成温度传感器,热电偶、热电
6、阻的测温信号，须经后级仪表处理将温度显示出来或记录保存。,1. 动圈式指示仪表 可直接与热电偶、热电阻配套显示温度，是最简单的模拟指示仪表。,（二） 温度显示仪表,动圈式仪表实质上是测量电流的仪表 核心部件是一个磁电式毫安表 通电线圈在磁场中受力矩的作用而偏转，指针移动,当测量信号通过张丝加在动圈上，电流流过动圈，动圈受磁场力作用而偏转。,动圈转动使张丝扭转并产生反抗动圈转动的力矩，两力矩平衡时，动圈就停留在某一位置上，指示被测参数值。,动圈测量机构原理,由于热敏电阻温度系数太大，用一个锰铜电阻RM（50）和热敏电阻RT（6820）并联。R串按量程大小调整。,热电偶直接输出毫伏信号，可以驱动动
7、圈仪表。 但要解决动圈电阻温度补偿和量程匹配问题。 用热敏电阻补偿动圈电阻的温度误差,1) 配热电偶的动圈仪表, 外接电阻和外接调整电阻 热电偶和动圈仪表相接后，流过动圈的电流为：,R外 = R热+ R补+ R连+ R调 R内 = 表内电阻之和,测量时要求回路： R总=15 通过调整R调实现。,一般用电桥将热电阻信号转换成电压信号,2) 配热电阻的动圈仪表,则 R1R3 =R2（R0+RT0） 且 R1= R2 ， R3 = RT0 + R0 有：I1 = I2 = I 当T 时，电桥输出 Uab =R3 I （RT+R0）I =R3 I （RT0+RT+R0）I= RT I, 电桥工作原理,
8、设T0时，电桥平衡。,可见三线制接法可以消除接线电阻的影响。一般规定每根连接导线的电阻值为5。, 三线制与外接调整电阻在考虑接线电阻后，电桥输出：,Uab =（R3+r) I （RT0 +RT +R0+r）I = RT I,数字式指示仪表是以数字电压表为主体而构成的测量仪表。其原理框图如下：,2. 数字式指示仪表,例：配热电偶的数字式测 温仪表原理框图,标准热电势,滤波,放大,线性化,标度变换,检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将不标准的检测信号，如热电偶、热电阻的输出信号转换成标准信号输出，并使能够远传。,数字控制系统的信号标准有：FF协议、 HART协议等
9、,模拟控制系统的信号标准是： 型：010mA、010VIII型：420mA、15V,（三）温度变送器,1. 模拟式温度变送器,模拟式温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和量程，但结构相同,E1,以DDZ-III型热电偶温度变送器为例:,DDZ型电动单元组合仪表中的变送单元之一,它能将热电偶（或热电阻）的输入信号线性地转换成与温度成比例的电流（电压）信号，供给显示、控制仪表及计算机集散系统，广泛用于冶金、石油化工、热电站、纺织、造纸等行业的测温控制系统中。,轨装式温度变送器,传感元件与测量电路一体化高度集成，自带冷端补偿功能， 24VDC供电。,智能变送器是采用微处理器技术的现场型仪
10、表。可输出模拟、数字混合信号或全数字信号，而且可以通过现场总线与上位计算机连接，构成集散控制系统和现场总线控制系统。,2. 智能温度变送器,西仪444系列温度变送器,上海横河YT200温度变送器,3.1 电阻式传感器,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,3.1.2 测温热电阻传感器,3.1 电阻式传感器,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,分为：金属热电阻，半导
11、体热敏电阻,一、金属热电阻（热电阻）,1、材料：要求有大的、稳定的温度系数，大，线性好， 性能稳定，便于生产（铜、铂、镍）。 2、特点：测温精度较高，范围广（-2006000 C），稳定 性、重复性好。但热惯性大，灵敏度低。 3、结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部 件组成的，电阻丝是热电阻的 最主要部分。,3.1 电阻式传感器,1）铂电阻阻值与温度的函数关系为:,其中：A, B, C 为常数,4、分别描述铂电阻，铜电阻，其它金属热电阻的特点。,特点：精度高、稳定性好、性能可靠，测温范围广。 分度号： Pt50 R0 = 50Pt100 R0 =100 百度电阻比1.385 结构：
12、用很细的铂丝绕在云母片制成的平板性支架上，铂 丝绕组的出线端与银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加以绝缘和保护。热电阻的结构主要由不同材料的电阻丝绕制而成，为避免通过交流电时产生感抗，或有交变磁场时产生感应电动势，在绕制时采用双线无感绕制，通过两股导线的电流方向相反，从而使其产生的磁通相互抵消 微型铂电阻: 特点是体积小，热惯性小，气密性好,2）铜电阻 适用范围：-501500C ,精度要求不高的场合 优点：铜的电阻与温度呈线性关系；电阻温度系数高； 易提纯，价格便宜 缺点：机械强度不高、易氧化等, 温度范围小。百度电阻比1.428,3.1 电阻式传感器,铜电阻阻值与温度的函数关系为:.25.281
13、0-3 /0C分度号: Cu50 R0 =50 WZC型Cu100 R0 =1003）其它金属热电阻：铟电阻，锰电阻，碳电阻,3.1 电阻式传感器,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,3.1 电阻式传感器,表2-2 热电阻的主要技术性能,3.1 电阻式传感器,5. 使用时的注意事项工业上广泛应用金属感温电阻器作为-200+600 范围的温度测量。它的特点是精度高, 适于测低温。但使用中需要注意以下两点。1） 自热误差在用感温电阻器测量时,电阻总要消耗一定的电功率,它同样会造成电阻值的变化,但这种变化是不希望的。使用中应尽量减小由于电阻器通电产生的自热而引起的误差。一般是限制电流, 规
14、定其值应不超过6mA。,3.1 电阻式传感器,2） 引线电阻的影响用于测量的感温电阻器,总得有连接导线,但由于金属电阻器本身的电阻值很小, 所以引线的电阻值及其变化就不能忽略。比如对于50的测温电阻,1的导线电阻将产生约5的误差, 这是不能允许的。为此,测量电阻的引线通常采用三线式或四线式接法。,3.1 电阻式传感器,图2.12 二线式接法,图2.12的二线式接法中,两根引线完全加到一个桥臂上,引线电阻值及其变化将引起电桥输出变化, 造成测温误差。,3.1 电阻式传感器,图2.13 三线式接法,图2.13中,Rt为热电阻,r1、r2、r3为引线电阻。在三线式连接法中,一根引线接到电源对角线上,
15、另两根分别接到电桥相邻的两个臂。这样，引线电阻值及其变化对仪表读数的影响可以互相抵消。,3.1 电阻式传感器,四线制测温,运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。 恒流源供电。,3.1 电阻式传感器,薄膜型及普通型铂热电阻,3.1 电阻式传感器,小型铂热电阻,3.1 电阻式传感器,防爆型铂热电阻,3.1 电阻式传感器,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,3.1 电阻式传感器,附录 铂热电阻分度表,3.1 电阻式传感器,铂电阻温度显示、变送器,3.1 电阻式传感器,可设定温度的温度控制箱,旋转式机械设定开关,拨码式设定开关,3.1 电阻式传感器,二、半导体热敏电阻器1. 分类及特性半导体热敏
16、电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型, 即负电阻温度系数热敏电阻(NTC)、正电阻温度系数热敏电阻(PTC)和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻(CTR)。它们的特性曲线如图2.14所示。,3.1 电阻式传感器,由图2.14可见,使用CTR组成热控制开关是十分理想的。但在温度测量中,则主要采用NTC,其温度特性如下式所示：,式中： Rt、R0 ：分别为TK和T0K时的 热敏电阻值； B：热敏电阻的材料常数,其值 主要取决于热敏电阻的材 料。一般情况下, B=20006000K,在高温下 使用时,B值将增大； T：被测温度（K）。,（2.14）,3.1 电阻式传感器,若定
17、义 为热敏电阻的温度系数,则由式（2.14）有,(2.15),可见,随温度降低而迅速增大。如B值为4000K,当T=293.15K(20)时,用上式可求得=4.7%/,约为铂电阻的12倍,因此,这种测温电阻灵敏度高。R0的常用范围是几百欧到一百千欧,所以,该测温电阻的引线电阻影响小,可忽略。半导体热敏电阻的又一特点是体积小。这使它非常适合于测量微弱的温度变化、温差以及温度场的分布。,3.1 电阻式传感器,2. 使用时的注意事项在使用热敏电阻时,也要注意到自热效应问题,但是,必须特别注意的有如下两点。,1） 热敏电阻温度特性的非线性 热敏电阻随温度变化呈指数规律, 其非线性是十分严重的。当需要进
18、行线性转换时, 就应考虑其线性化处理。常用的线性化方法如下。,（1） 线性化网络。利用包含有热敏电阻的电阻网络（常称线性化网络）来代替单个的热敏电阻,其一般形式如图2.15所示。,图2.15 热敏电阻的线性化网络,3.1 电阻式传感器,根据Rt的实际特性和要求的网络特性RT(t), 通过计算或图解方法确定网络中的电阻RB 、RS、RP。目前这种方法用得较多。为了提高设计的准确度,可利用计算机进行。,例：要求热敏电阻的阻值当温度分别为：T1 时为R1, Rt1 T2 时为R2, 现有热敏电阻 Rt2 不满足要求。T3 时为R3, Rt3,图2.15 热敏电阻的线性化网络,3.1 电阻式传感器,串
19、并电阻调整后，,RT在T1 ，T2， T3 ，三个点上满足对特性的要求。,3.1 电阻式传感器,（2） 利用电子装置中其它部件的特性进行综合修正。图2.16是一个温度-频率转换电路。它实际是一个三角波-方波变换器,电容C的充电特性是非线性特性。适当地选取线路中的电阻 r 和 R,加上 Rt,可以在一定的温度范围内,得到近似于线性的温度 - 频率转换特性。 该电路,3.1 电阻式传感器,（3） 计算修正法。在带有微处理机（或微型计算机）的测量系统中,当已知热敏电阻的实际特性和要求的理想特性时,可采用线性插值法将特性分段,并把各分段点的值存放在计算机的存储器内。计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进
20、行校正计算后,给出要求的输出值。2） 热敏电阻器特性的稳定性和老化问题早期热敏电阻器的应用曾因其特性的不稳定、分散性、缺乏互换性和老化问题而受到限制。近十几年来,随着半导体工艺水平的提高,产品性能已得到很大的改善。现在已研制出精度优于热电偶,并具有互换性的热敏电阻,而且还能制造出300 以下可忽略老化影响的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大,使用时仍应认真选择。,3.1 电阻式传感器,一般地说,正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器。在辐射热检测器中,人们采用薄膜式金属电阻和热敏电阻薄膜,构成热量型检测器,将辐射热转换成电阻的变化。 3. 应用举例电动
21、机过热 保护装置组 成电路原理,3.1 电阻式传感器,把三只特性相同的NTC热敏电阻(如RRC6型, 20时为10 k；100 时为1 k; 110 时为0.6 k)放置在电动机内绕组旁, 每相各放置一只,用万能胶固定。当电动机正常运转时,温度较低,热敏电阻阻值较高,三极管V1截止,继电器K不动作。当电动机过负荷、或断相、或一相通地时,电动机温度急剧上升,热敏电阻阻值急剧减小,小到一定值,使三极管V完全导通, 继电器K动作,使S 闭合,红灯亮,起 到报警保护作用。表2.3列出几种 常用NTC型号。,3.1 电阻式传感器,表2.3常用热敏电阻,3.1 电阻式传感器,片式负温度系数热敏电阻,BN系
22、列珠状NTC热敏电阻器,GN系列玻壳型NTC热敏电阻器,PN系列功率型NTC热敏电阻器,SN系列温度传感器,3.1 电阻式传感器,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,3.1 电阻式传感器,其他形式的热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,3.1 电阻式传感器,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,3.1 电阻式传感器,贴片式NTC热敏电阻,3.1 电阻式传感器,MF58型（珠形）高精度 负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,（深圳科蓬达电子有限公司资料）,3.1 电阻式传感器,非标热敏电阻,3.1 电阻式传感器,非标热敏电阻（续）,3.1
23、电阻式传感器,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,3.1 电阻式传感器,热敏电阻体温表,3.1 电阻式传感器,热敏电阻用于CPU的温度测量,3.1 电阻式传感器,热敏电阻用于电热水器的温度控制,温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。,热电偶温度传感器,热电偶的工作原理 热电偶回路的性质 热电偶的常用材料与结构 冷端处理及补偿 热电偶的选择、安装使用和校验,两种不同的导体或半导体A和
24、B组合成如图所示闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。,一、热电偶的工作原理,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,热端,冷端,1. 接触电势,eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； 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在温度为T 时的电子密度。,接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度
25、有关。,A,eA(T,To),To,T,eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势，例如在0时，铜的 =2V/。,2. 温差电势,温差电势原理图,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T0,T,eAB(T),eAB(T0),eA(T,T0),eB(T,T0),A,B,3. 回路总电势,NAT、NAT0导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0导体B在结点温度为T和T0时的电子密度； A 、
26、 B导体A和B的汤姆逊系数。,根据电磁场理论得,结论(4点)：,EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T ),由于NA、NB是温度的单值函数,在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系并做成分度表，以供备查。由公式可得：,EAB(T, T0)= EAB(T)-EAB(T0)= EAB(T)-EAB(0)-EAB(T)-EAB(T0)= EAB(T，0)-EAB(T0，0),热电偶的热电势，等于两端温度分别为T 和零度以及T0和零度的热电势之差。,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，
27、T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶的长度、粗细无关。,只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶；相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。,对于有几种不同材料串联组成的闭合回路，接点温度分别为T1、T2 、 、Tn ，冷端温度为零度的热电势。其热电势为 E= EAB（T1）+ EBC（T2）+ENA（Tn）,由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是
28、否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作为电极。,二、热电偶回路的性质,1. 均质导体定律,E总=EAB（T）+EBC（T）+ECA（T）= 0,三种不同导体组成的热电偶回路,2. 中间导体定律,一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路，只要它们彼此连接的接点温度相同，则此回路各接点产生的热电势的代数和为零。,如图，由A、B、C三种材料组成的闭合回路，则,两点结论：l）将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路的总电势不变，即同理，图
29、b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为：,T2,T1,A 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),T0,T0,EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2）,第三种材料接入热电偶回路图,思考,中间导体定律非常重要，否则无法使用热电偶！ 为了测量热电势，必须断开热电偶闭合回路，接入电表及其它电路。有影响吗？,E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,E,T0,T0,T,E,T0,T1,T1,T,电位计接入 热电偶回路,根据上述原理，可以
30、在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。,EAB（T, T0）= EAC（T, T0）+ ECB（T, T0）,T0,T,EBA(T,T0),B,A,T0,T,EAC(T,T0),A,C,T0,T,ECB(T,T0),C,B,2）如果任意两种导体材料的热电势是已知的，它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：,3. 中间温度定律,如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EA
31、B(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则,EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3）,EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3）=EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）,A,B,T1,T2,T2,A,B,T0,T0,热电偶补偿导线接线图,E,对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0时，则：,只要T1、T0不变，接入AB后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。,EAB=EAB(T1)EAB(T0),说明：当在
32、原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A、B(如图)即引入所谓补偿导线时，当EAA(T2)=EBB(T2)，则回路总电动势为,练习,某个铂铑铂热电偶（S型）输出为10.000mv，而其冷端（参考端）温度为25C，则其工作端的被测温度是多少？（分度表见教材P114）,热电偶材料应满足：物理性能稳定，热电特性不随时间改变；化学性能稳定，以保证在不同介质中测量时不被腐蚀；热电势高，导电率高，且电阻温度系数小；便于制造；复现性好，便于成批生产。,三、热电偶的常用材料与结构,1铂铂铑热电偶(S型) 分度号LB3 工业用热电偶丝：0.5mm，实验室用可更细些。 正极：铂铑合金丝,用90
33、铂和10铑(重量比)冶炼而成。 负极：铂丝。 测量温度：长期：1300、短期：1600。 特点：材料性能稳定，测量准确度较高；可做成标准热电偶或基准热电偶。用途：实验室或校验其它热电偶。测量温度较高，一般用来测量1000以上高温。在高温还原性气体中（如气体中含Co、H2等）易被侵蚀，需要用保护套管。材料属贵金属，成本较高。热电势较弱。,（一）热电偶常用材料,2镍铬镍硅(镍铝)热电偶(K型) 分度号EU2 工业用热电偶丝： 1.22.5mm，实验室用可细些。 正极：镍铬合金(用88.489.7镍、910铬，0.6硅，0.3锰，0.40.7钴冶炼而成)。 负极：镍硅合金(用95.797镍,23硅,
34、0.40.7钴冶炼而成)。 测量温度：长期1000，短期1300。 特点：价格比较便宜，在工业上广泛应用。高温下抗氧化能力强，在还原性气体和含有SO2，H2S等气体中易被侵蚀。复现性好，热电势大，但精度不如WRLB。,3镍铬考铜热电偶(E型) 分度号为EA2 工业用热电偶丝:1.22mm，实验室用可更细些。 正极：镍铬合金 负极：考铜合金（用56铜，44镍冶炼而成）。 测量温度：长期600，短期800。 特点：价格比较便宜，工业上广泛应用。在常用热电偶中它产生的热电势最大。气体硫化物对热电偶有腐蚀作用。考铜易氧化变质，适于在还原性或中性介质中使用。,4铂铑30铂铑6热电偶(B型) 分度号为LL
35、2 正极：铂铑合金（用70铂，30铑冶炼而成）。 负极：铂铑合金（用94铂，6铑冶炼而成）。 测量温度：长期可到1600，短期可达1800。 特点：材料性能稳定，测量精度高。还原性气体中易被侵蚀。低温热电势极小，冷端温度在50以下可不加补偿。成本高。,几种持殊用途的热电偶 （1）铱和铱合金热电偶 如铱50铑铱10钌热电偶它能在氧化气氛中测量高达2100的高温。 （2）钨铼热电偶 是60年代发展起来的，是目前一种较好的高温热电偶，可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中，但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围3002000分度精度为1。 （3）金铁镍铬热电偶 主要用在低温测量，可在2
36、273K范围内使用，灵敏度约为10V。 （4）钯铂铱15热电偶 是一种高输出性能的热电偶，在1398时的热电势为47.255mV，比铂铂铑10热电偶在同样温度下的热电势高出3倍，因而可配用灵敏度较低的指示仪表，常应用于航空工业。,（6）铜康铜热电偶，分度号MK热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶，约为43V/。复现性好，稳定性好，精度高，价格便宜。缺点是铜易氧化，广泛用于20K473K的低温实验室测量中。,（5）铁康铜热电偶，分度号TK 灵敏度高，约为53V/，线性度好，价格便宜，可在800以下的还原介质中使用。主要缺点是铁极易氧化，采用发蓝处理后可提高抗锈蚀能力。,（二）常用热电偶的结构类型
37、1工业用热电偶下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,2铠装式热电偶（又称套管式热电偶）,优点是小型化（直径从12mm到0.25mm）、寿命、热惯性小，使用方便。 测温范围在1100以下的有：镍铬镍硅、镍铬考铜铠装式热电偶。,断面如图所示。它是由热电偶丝、绝缘材料，金属套管三者拉细组合而成一体。又由于它的热端形状不同，可分为四种型式如图。,图3.2-12 铠装式热电偶断面结构示意图1 金属套管; 2绝缘材料; 3热电极(a)碰底型; (b)不碰底型; (c)露头型; (d)帽型,3快速反应薄膜热电偶
38、用真空蒸镀等方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘板上而形成薄膜装热电偶。如图，其热接点极薄(0.010.lm),4,1,2,3,快速反应薄膜热电偶 1热电极; 2热接点; 3绝缘基板; 4引出线,因此，特别适用于对壁面温度的快速测量。安装时,用粘结剂将它粘结在被测物体壁面上。目前我国试制的有铁镍、铁康铜和铜康铜三种,尺寸为 6060.2mm;绝缘基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料纸等；测温范围在300以下；反应时间仅为几ms。,4快速消耗微型热电偶下图为一种测量钢水温度的热电偶。它是用直径为0.050.lmm的铂铑10一铂铑30热电偶装在U型石英管中，再铸以高温绝缘水泥，外面再用保护钢帽所组成。这种
39、热电偶使用一次就焚化，但它的优点是热惯性小，只要注意它的动态标定，测量精度可达土57。,1,4,2,3,5,6,7,8,9,11,10,快速消耗微型 1刚帽； 2石英； 3纸环； 4绝热泥；5冷端； 6棉花； 7绝缘纸管； 8补偿导线；9套管； 10塑料插座； 11簧片与引出线,方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿器法软件处理法,四、冷端处理及补偿,原因 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,1. 冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使
40、T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。,mV,A,B,A,B,T,C,C,仪表,铜导线,试管,补偿导线,热电偶,冰点槽,冰水溶液,四、冷端处理及补偿,T0,2. 计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算例 用铜-康铜热电偶测某一温度T，参比端在室温环境TH中，测得热电动势EAB(T，TH)=1.999mV，又用室温计测出TH=21,查此种热电偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得 EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0) =1.999+0
41、.832 =2.831(mV) 再次查分度表，与2.831mV对应的热端温度T=68。,注意:既不能只按1.999mV查表，认为T=49，也不能把49加上21，认为T=70。,EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0),3. 补正系数法 把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即式中：T为未知的被测温度； T为参比端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度； TH室温； k为补正系数，其它参数见下表。 例 用铂铑10铂热电偶测温，已知冷端温度TH=35，这时热电动势为11.348mV查S型热电偶的分度表，得出与
42、此相应的温度T=1150。再从下表中查出，对应于1150的补正系数k=0.53。于是，被测温度T=1150+0.5335=1168.3（） 用这种办法稍稍简单一些，比计算修正法误差可能大一点，但误差不大于0.14。,T T k T H,例 用动圈仪表配合热电偶测温时，如果把仪表的机械零点调到室温TH的刻度上,在热电动势为零时，指针指示的温度值并不是0而是TH。而热电偶的冷端温度已是TH,则只有当热端温度T=TH时，才能使EAB(T,TH)=0，这样，指示值就和热端的实际温度一致了。这种办法非常简便，而且一劳永逸，只要冷端温度总保持在TH不变，指示值就永远正确。,4. 零点迁移法,应用领域：如果
43、冷端不是0，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。,实质：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。,5. 冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。 设计时，在0下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu)，此时Uab=0 ，电桥对仪表读数无影响。,冷端补偿器的作用,注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。,mV,EAB(T,T0),T0,T0,T
44、,A,B,+,+,-,a,b,U,Uab,RCu,R1,R2,R3,R,供电4V直流，在040或-2020的范围起补偿作用。 注意，不同材质的热电偶所配的冷端补偿器，其中的限流电阻R不一样，互换时必须重新调整。,6. 软件处理法 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太
45、多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。,1. 热电偶的选择、安装使用热电偶的选用应该根据被测介质的温度、压力、介质性质、测温时间长短来选择热电偶和保护套管。其安装地点要有代表性，安装方法要正确，图3.2-17是安装在管道上常用的两种方法。在工业生产中，热电偶常与毫伏计连用（XCZ型动圈式仪表）或与电子电位差计联用，后者精度较高，且能自动记录。另外也可,通过与温度变送器经放大后再接指示仪表，或作为控制用的信号。,五、热电偶的选择、安装使用和校验,2. 热电偶的定期校验校验的方法是用标准热电偶与被校验热电偶装在同一校验炉中进行对比，误差超过规定允许值为不合格。图为热电偶校验装置示意图，最佳校验方法可由查阅有关标准获得。工业热电偶的允许偏差，见下表。 工业热电偶允许偏差,热电偶校验图1-调压变压器； 2-管式电炉； 3标准热电偶； 4-被校热电偶； 5-冰瓶； 6-切换开关； 7-测试仪表； 8-试管,
