第六章温度检测与

1、化工系仪表教研室化工系仪表教研室化工系仪表教研室化工系仪表教研室热阻效应 （热电阻温度计） 热电效应 （热电偶温度计） 测温仪表 接触式 非接触式 热辐射原理 （光学高温计）热膨胀原理 固体（双金属片）液体（水银、酒精） 气体 （压力式温度计） 化工系仪表教研室化工系仪表教研室化工系仪表教研室化工系仪表教研室TT热电偶温度计热电偶温度计检测元件T导线Et毫伏计热电偶Et被测温度的测量值被测温度的测量值 热电偶热电偶补偿导线补偿导线 毫伏计毫伏计EtEt化工系仪表教研室化工系仪表教研室ABtto看一个实验：看一个实验：化工系仪表教研室化工系仪表教研室ABBA图图3-37 热电偶示意图A BeAB

2、(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)图图3-38 热电现象 热电效应（热电偶测温的基本原热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同材料的金属丝理）：任何两种不同材料的金属丝A材料、材料、B材料，将其两端点分别焊接材料，将其两端点分别焊接在一起，处在不同的温度下在一起，处在不同的温度下 t 及及 t0 ，在该回路内就会产生热电势。称此在该回路内就会产生热电势。称此电动势为热电势电动势为热电势Et，称两种不同材料，称两种不同材料的金属丝为热电偶，的金属丝为热电偶，t称做热电偶的称做热电偶的热端（工作端），热端（工作端），t0称做热电偶的冷称做热电偶的冷端（参比端），此物理现象称

3、做热端（参比端），此物理现象称做热电效应。电效应。化工系仪表教研室化工系仪表教研室)ttE0AB、（A BeAB(t0)eAB(t)eA(t,t0)eB(t,t0)E 表示回路中总的电动势。A、B表示组成热电偶的材料和极性A为正极、B为负极t为热电偶热端温度（被测温度）t0为热电偶冷端温度（参比温度）0000( , )( )( )( , )( , )ABABABBAEt tetetet tet t 接触电势温差电势化工系仪表教研室化工系仪表教研室温差电势温差电势 、定义 同一种材料的导体，由于两端点温度的差异，而产生的热电势叫温差电势。、物理解释在t端温度高，电子能量大。t0端电子能量小，能量

4、大的电子就要向能量小的地方扩散，t端失去电子显正电，t0端得到电子显负电从而建立内部电场，此电场阻碍电子的进一步扩散，当电场力和扩散力平衡时，我们称此电场为温差电势。eA（t，t0） 化工系仪表教研室化工系仪表教研室、影响eA（t，t0）、eB (t，t0)的因素 （1）、材料的电子密度A、B 、 （2）、导体的温度差。(tt0)接触电势接触电势 )(te (t)e0ABAB，、定义 两种不同材料的导体在某温度下接触，产生的热电势叫接触电势。化工系仪表教研室化工系仪表教研室、物理解释电子密度A大于B，A材料的电子就要向B材料扩散，A材料失去电子显正电，B材料得到电子显负电，从而建立内部电场，此

5、电场阻碍电子的进一步扩散，当电场力和扩散力平衡时，我们称此电场为接触电势。eAB（t）、eAB（t0）。、影响eAB（t）、eAB（t0）的因素(1)、NA，NB的电子密度比 (2)、接点温度t、t0BAABNNLnK t ) t (e化工系仪表教研室化工系仪表教研室BA00ABNNLn K t) t (e同样0000( , )( )( )( , )( , )ABABABBAEt tetetet tet t 接触电势温差电势00( , )( )( ) (i)ABABABEt tetet化工系仪表教研室化工系仪表教研室若NA 、NB 、to 均为常数则CNNLn K t) t (eBA00AB常

6、数 EAB( t, to) =eAB( t )C EAB ( t, to) = CF ( t )BANNLnK t 这样一来，当热电偶的热端温度变化时，其接触电势发生变化，回路中总的电动势发生变化。 若能测出EAB( t,to)，就可以达到测量温度t之目的。化工系仪表教研室化工系仪表教研室1、组成热电偶的两金属材料相同，即 NA=NB 不管其温度如何，热电偶回路中的总电势为零。 EAB（t,t0）=02、在热电偶回路中，若 t=t0 不管其金属材料是否相同，热电偶回路中的总电势为零。 EAB（t,t0）=03、回路中的热电势是两接点温度的函数差，而不是温度差的函数。 EAB（t,t0）=eAB

7、(t)- eAB(t0) EAB（t,t0）eAB(t - t0)化工系仪表教研室化工系仪表教研室4、符号法则在热电势的表示方法中，若A、B、t、t0的位置调换，会产生一个负号。A 表示热电势的正极。 B 表示热电势的负极。 t 表示热电偶的热端。 t0 表示热电偶的冷端。 若A、B的位置调换或t、t0的位置调换，都会改变热电势的正负号。 EAB（t,t0）=- EAB（t0,t） eAB(t)=- eBA(t) EAB（t,t0）=- EAB（t0，t） EBA(t0,t)= EAB（t,t0）化工系仪表教研室化工系仪表教研室热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信

8、号的大小不仅与冷、热两端的温度信号的大小不仅与冷、热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上任何两种不同导体都可以组成理论上任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。热电偶，都会产生热电势。但如何来检测热电偶产生的毫伏信号但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？呢？因为要测量毫伏信号，必须在热电偶因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号的检测仪表，回路中串接毫伏信号的检测仪表，那那串接的检测仪表是否会产生额外的热串接的检测仪表是否会产生额外的热电势，对热电偶回路产生影响呢？电势，对热电偶回路产生影响呢？tt0ABCC毫伏计答：不会产生影响的

9、。答：不会产生影响的。化工系仪表教研室化工系仪表教研室ABtt0tt0ABCC毫伏计如果断开冷端，接入第三种导体如果断开冷端，接入第三种导体C C，并保持，并保持A A和和C C、B B和和C C接触处的温度均为接触处的温度均为t t0 0，则回路中的总热电势，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和等于各接点处的接触电势之和: : 000( , )( )( )( )ABCABBCCAEt tetetet化工系仪表教研室化工系仪表教研室当当t tt t0 0时时00000( , )( )( )( )0ABCABBCCAEt tetetet于是可得于是可得 000( , )( )( )( ,

10、 )ABCABABABEt tetetEt t)(te-)(t-e)t(t,e0BC0AB0CA 在热电偶回路中，接入第三种导线，只要其接点温度相同，就不会影响原回路中的热电势。这个定律就叫中间导体定律。中间导体定律。化工系仪表教研室化工系仪表教研室同理还可以证明，在热电偶中接入第四同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种种、第五种导体以后，只要接入导导体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原热体的两端温度相同，接入的导体对原热电偶回路中的热电势均没有影响。电偶回路中的热电势均没有影响。根据这一性质，可以在热电偶回路中接根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接导线，只要

11、保证两个入各种仪表和连接导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行测接点的温度相同就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的输出。量而不影响热电偶的输出。 化工系仪表教研室化工系仪表教研室解一：解一：E=eE=eABAB(240)+e(240)+eBCBC(50)+e(50)+eCACA(10)(10)， 而而 e eABAB(50)+e(50)+eBCBC(50)+e(50)+eCACA(50)=0(50)=0 E= e E= eABAB(240) +e(240) +eCACA(10)- e(10)- eABAB(50)-e(50)-eCACA(50)=10.181 mV(50)=10.

12、181 mV例：求热电偶回路的电势。例：求热电偶回路的电势。 已知：已知：e eABAB(240)=9.747mV(240)=9.747mV，e eABAB(50)=2.023mV(50)=2.023mV，e eACAC(50)=3.048mV(50)=3.048mV，e eACAC（l0l0）=0.591mV=0.591mV。 解二：利用中间导体定律解二：利用中间导体定律 E=eE=eABAB(240)+e(240)+eBABA(50)+e(50)+eACAC(50)+e(50)+eCACA(10)(10) = e = eABAB(240) +e(240) +eCACA(10)- e(10)

13、- eABAB(50)-e(50)-eCACA(50)=10.181 mV (50)=10.181 mV 。 化工系仪表教研室化工系仪表教研室1、热电偶材料的选择、单位温度变化产生的热电势要 大。（dEt/dt大，灵敏度高）、热端温度与热电势成线性关系。（Et=Kt,线性好）、稳定性，复现性好。（精度高）、耐氧化，耐腐蚀，机械强度高。 根据热电效应，似乎任意两种不同材料的导体，都可以构成热电偶，用于温度测量。但事实上并不是这样，对组成热电偶的材料必须满足以下要求；化工系仪表教研室化工系仪表教研室、铂銠10-铂 热电偶分度号 S极性 铂銠10为，铂为。均为0.5mm。测温范围 01300 短期测

14、量 1600。特点 耐高温，不易氧化，稳定性能好，测量精度高。灵敏度较低，0.009mv/,线性较差，价格昂贵，1200元/支。2、常用热电偶化工系仪表教研室化工系仪表教研室、镍铬镍硅（镍铝） 分度号 K 极性 镍铬为， 镍硅（镍铝）为。侧温范围 0900， 短期测量 1200 。特点 线性好，灵敏度较高，0.04mv/,复现性好，稳定性能较好价格便宜。 100元/支。在工业上应用最广。化工系仪表教研室化工系仪表教研室 镍铬考铜 分度号 E 极性 镍铬为， 考铜为。 侧温范围 0600 短期测量 800 。特点 灵敏度高，0.078mv/, 测量上限低，（铜易氧化），测量范围较窄。价格便宜 6

15、0元支。 化工系仪表教研室化工系仪表教研室、铂銠30铂銠6分度号 B极性 铂銠30为 铂銠6为。测温范围 01600 短期测量 1800 。特点 稳定性能最好，测量精度高，测量上限最高。灵敏度低，价格最昂贵。3000元/支。化工系仪表教研室化工系仪表教研室EB常用热电偶的特性比较在常用热电偶中：E热电偶灵敏度最高。温度上限最低，量程最小。K热电偶线性最好。量程中等，精度较高。S（B）热电偶灵敏度最低、线性最差，但精度最高。测量上限最高。 化工系仪表教研室化工系仪表教研室如果热电偶如果热电偶ABAB在某一温度范围内所产生的热电势与热在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶电偶CDCD在同一温度范围

16、内所产生的热电势相等，在同一温度范围内所产生的热电势相等，即即 ，则这两支热电偶在该，则这两支热电偶在该温度范围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶温度范围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。等值替代定律。 00( , )( , )ABCDEt tEt tt0tAAABBBDCtt0tctc例例 如左图，设如左图，设 ，证明该回路的总热电势为证明该回路的总热电势为 00( , )( , )ABcCDcEt tEt t0( , )ABEt t（略）（略）化工系仪表教研室化工系仪表教研室热电偶热电偶补偿导线补偿导线化工系仪表教研室化工系仪表教研室DC补偿导线冷端的延伸ttcAB热

17、电偶被测设备被测设备生产现场生产现场t0毫伏计恒温环境恒温环境AB根据热电偶测量原理00( , )( )( ) (i)ABABABEt tetet化工系仪表教研室化工系仪表教研室 只有当t0为常数时,回路中总的热电势EAB(t,t0)才与被测温度t 具有单值对应关系。 但是在实际测量过程中t0由于暴露在大气中，受以下因素的影响，保证为一常数是困难的：（）季节温度的影响；（）环境温度的影响；（）热端温度的影响；例如，某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？化工系仪表教研室化工系仪表教研室可以把热电偶做得很长，一直到控制室。把冷端温度延伸到控制室，变为t0，恒定t

18、0比较容易此时，测得的热电势为00( , )( , )( , )ABcABcABEt tEt tEt t但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。如果选用一组较廉价的材料（C、D），且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CD来替代AB的延伸段。00( , )( , )( , )ABcCDcABEt tEt tEt tCD即为热电偶AB的补偿导线。化工系仪表教研室化工系仪表教研室中间导体定律中间导体定律拆开冷端，串入拆开冷端，串入“毫伏计毫伏计”，可以，可以测量热电势，而不影响总的热电势测量热电势，而

19、不影响总的热电势等值替代定律等值替代定律利用补偿导线来延伸冷端，是把热利用补偿导线来延伸冷端，是把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的电偶的冷端从温度较高和不稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的现场延伸到温度较低和比较稳定的操作室内操作室内化工系仪表教研室化工系仪表教研室 热电偶热电势与被测温度之间的关系，是在冷端温度热电偶热电势与被测温度之间的关系，是在冷端温度t0为为零度的情况下刻度的。零度的情况下刻度的。使用补偿导线将使用补偿导线将t0引至操作室。引至操作室。由由于操作室内的温度往往高于于操作室内的温度往往高于00。必然会产生误差。必然会产生误差。 因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为

20、因此，在应用热电偶时，只有把冷端温度保持为00，或者，或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果，对热电偶冷端温度的处理称为冷端温度补偿。端温度的处理称为冷端温度补偿。目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法：目前，热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法： 冰浴法冰浴法 计算修正法计算修正法 调整仪表零点法调整仪表零点法电桥补偿法电桥补偿法 补偿热电偶法补偿热电偶法化工系仪表教研室化工系仪表教研室ttc热电偶补偿导线毫伏计0恒温装置化工系仪表教研室化工系仪表教研室EAB(t,to)= EAB(t,0) EAB(t0,0) 测量值 真实值

21、 误差值EAB(t,0) EAB(t,to)EAB(t0,0)0603010204050EAB(t0,0)EAB(t,to)仪表指示值EAB(t0,0)仪表指示误差值化工系仪表教研室化工系仪表教研室t+RcuER1R2R3+ ab 00tt0( , )E t t0( , )E t t+化工系仪表教研室化工系仪表教研室用一支热电偶通过转换开关补偿若干支热电偶的方法)()(),(),(0001tetettEt ttEABABABAB化工系仪表教研室化工系仪表教研室用一支热电偶补偿若干支热电偶的方法。（1）将一支热电偶深深埋在地下（t0=常数）（2）回路中热电势为EAB（t，t0）（3）结合调零法进

22、行测温。（零点调至t0）（4）用转换开关进行测量点的转换（接线盒 温度为t1）化工系仪表教研室化工系仪表教研室材料：补偿导线应与相应的热电偶在0100范围内具有相同的热电特性极性：补偿导线应与相应的热电偶连接时，应同极性连接，正接正，负接负接点温度：补偿导线应与相应的热电偶接点温度小100价格：补偿导线应比热电偶便宜否则没有意义化工系仪表教研室化工系仪表教研室热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于热电偶广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500500以上较高温度的测量，普通型以上较高温度的测量，普通型热电偶和铠装型热电偶是实际应用最广泛的两种结构。热电偶和铠装型热电偶是实际应用

23、最广泛的两种结构。 接线盒保护套管绝缘管热电偶安装法兰引线口普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护普通型热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。套管和接线盒等主要部分组成。贵重金属热电极的直径一般为贵重金属热电极的直径一般为0.30.30.65mm0.65mm，普通金属热电极的直径一般为，普通金属热电极的直径一般为0.50.53.2mm3.2mm；热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为热电极的长度由安装条件和插入深入而定，一般为3503502000mm2000mm。绝缘管用于防止两根电极短路绝缘管用于防止两根电极短路保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤保护套管

24、用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式普通型热电偶主要有法兰式和螺纹式两种安装方式化工系仪表教研室化工系仪表教研室 铠装热电偶具铠装热电偶具有动态响应快、机械有动态响应快、机械强度高、抗震性好、强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。置上，应用十分广泛。 化工系仪表教研室化工系仪表教研室热电极 绝缘材料 金属套管热电极绝缘材料铠装型热电偶断面结构铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属铠装型热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的套管三者经过拉伸加工成型的金属套管一般

25、为铜、不锈钢、镍基高温合金等金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装型热电偶可以做得很细，一般为铠装型热电偶可以做得很细，一般为2 28mm8mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。，在使用中可以随测量需要任意弯曲。铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在铠装热电偶具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。结构较复杂的装置上，应用十分广泛。 化工系仪表教研室化工系仪表教

26、研室思考题 如图所示为热电偶测温系统，若采用调零法对热电偶冷端进行温度补偿，仪表的零点应调至 A 200 B 60 C 30D 20 E 18 化工系仪表教研室化工系仪表教研室化工系仪表教研室化工系仪表教研室 在工业应用中，热电偶一般适用于测量在工业应用中，热电偶一般适用于测量500500以上的较高温度。对于以上的较高温度。对于500500以下的中、以下的中、低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次低温度，热电偶输出的热电势很小，这对二次仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，仪表的放大器、抗干扰措施等的要求就很高，否则难以实现精确测量；而且，在较低的温度否则难以实现精确测量；而且，在较低的温

27、度区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非区域，冷端温度的变化所引起的相对误差也非常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电常突出。所以测量中、低温度，一般使用热电阻温度测量仪表较为合适。阻温度测量仪表较为合适。热电阻的测温范围200500。化工系仪表教研室化工系仪表教研室热阻效应 导体或半导体材料当所处环境温度发生变导体或半导体材料当所处环境温度发生变化时，会使其电阻值发生变化，这种现象称为化时，会使其电阻值发生变化，这种现象称为热阻效应。用这种材料制成的电阻叫热电阻，热阻效应。用这种材料制成的电阻叫热电阻，用用Rt表示。表示。一般大多数金属 1变化 电阻值增加 0.40.6 半导体 1变化

28、电阻值减小 26化工系仪表教研室化工系仪表教研室：金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示：近似关系式表示： 001()ttRRtt式中，式中， 为温度为温度t t时对应的电阻值时对应的电阻值 为温度为温度t t0 0( (通常通常t t0 00 0) )时对应的电阻值时对应的电阻值 为温度系数。为温度系数。 tR0tR化工系仪表教研室化工系仪表教研室：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为：半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为： 式中，式中， 为温度为温度t t时对应的电阻值时对应的电阻值 A A、B B是取决于半导体材料和结构的常数是取决于半导体材料和结构的常数 tRB ttRAe：热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有5050300300左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于测量金属热电阻一般适用于测量200200500500范围内的温度测量，范围内的温度测量，其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中其特点测量准确、稳定性好、性能可靠，在过程控制领域中的应用极其广泛。的应用极其广泛。 化