第2章 溫度測量

*測控技術(shù)與系統(tǒng)第二章溫度測量*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST第二章溫度測量本章主要內(nèi)容2.0非接觸式測溫2.3接觸式測溫2.2新型溫度傳感器2.4溫標(biāo)2.1*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.0本章主要內(nèi)容溫度的概念以及溫度測量的相關(guān)基本知識預(yù)備各種溫標(biāo)的概念。按照測量方法的分類，分別介紹了接觸式測溫方法，包括膨脹式液體和固體溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計和熱電阻溫度計。介紹非接觸式測溫方法，包括光學(xué)高溫計、光電高溫計、輻射溫度計和比色溫度計。簡單介紹新型溫度傳感器。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST1、溫度的相關(guān)概念溫度表示物體冷熱程度的一個物理量。是國際單位制規(guī)定的七個基本單位量之一。熱平衡：溫度的宏觀概念當(dāng)兩個冷熱程度不同的物體接觸后就會產(chǎn)生導(dǎo)熱換熱，換熱結(jié)束后兩物體處于熱平衡狀態(tài)，則它們具有相同的溫度，這是溫度最基本的性質(zhì)。分子運動：溫度的微觀概念溫度標(biāo)志著物體內(nèi)部分子無序運動的劇烈程度（用分子運動的平均動能或者平均速度的平方表示）。接觸式測溫的基礎(chǔ)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2、溫度測量的預(yù)備知識測溫測量的意義溫度幾乎遍及所有最基本的每一種物理測量中。因而，不僅許多生產(chǎn)工藝和生活中要求對溫度進行測量和控制。溫度還是其他參量測量時的主要影響因素。因而在測量其他參量時可能需要同時測量溫度進行溫度補償。▲總之：溫度是最普遍測量的變量之一。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2、溫度測量的預(yù)備知識傳熱基本方式：（熱）傳導(dǎo)、（熱）對流和（熱）輻射。(熱)傳導(dǎo)：物體各部分之間或相互接觸的不同物體通過物質(zhì) 內(nèi)部微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。(熱)對流：依靠流體質(zhì)團的宏觀運動或相互混合所進行的熱 量傳遞現(xiàn)象。(熱)輻射：物體轉(zhuǎn)換自身熱能向外以電磁波（光子能）的形 式傳遞熱能的現(xiàn)象。傳熱的三種基本方式*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2、溫度測量的預(yù)備知識溫度測量方式的兩個大類：接觸式測溫和非接觸式測溫。接觸式測溫：溫度敏感元件與被測對象接觸，經(jīng)過換熱后兩者溫度相等。但它往往會破壞被測對象原有的溫度場，存在“置入誤差”。非接觸式測溫：溫度敏感元件不與被測對象接觸，比如通過輻射能量進行熱交換，由輻射能的大小來推算出被測物體的溫度。這種方法響應(yīng)快，對被測對象干擾小，可測高溫、運動物體的溫度，但精度一般不高。溫度測量方法的分類*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2、溫度測量的預(yù)備知識溫度測量方法的分類（續(xù)）*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)要進行溫度測量首先要建立一套確定溫度基準(zhǔn)的規(guī)程，稱為溫度標(biāo)尺，也就是溫標(biāo)。溫標(biāo)的發(fā)展過程：早期的經(jīng)驗溫標(biāo)→根據(jù)熱力學(xué)第二定律建立的熱力學(xué)溫標(biāo)（1848，Kelvin）→國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的國際溫標(biāo)（1927，1948，1968，1990）當(dāng)前的溫標(biāo)ITS—90*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——溫標(biāo)的概念定義：溫標(biāo)是用數(shù)值表示溫度的一整套規(guī)程。又叫溫度標(biāo)尺。溫標(biāo)溫標(biāo)的三個要素：①固定溫度點：用物質(zhì)的相平衡點可以作為溫標(biāo)的固定溫度點。②測溫儀器：確定測溫的標(biāo)準(zhǔn)儀器。③溫標(biāo)方程：又稱內(nèi)插函數(shù)或內(nèi)插公式。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——經(jīng)驗溫標(biāo)由特定的測溫質(zhì)和測溫量所確定的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗溫標(biāo)。1714年，德國人華倫海特(Fahrenheit)以水銀為工質(zhì)，以水銀的體積隨溫度而變化為依據(jù)，制成了玻璃水銀溫度計，并規(guī)定氯化氨和冰的混合物為0℉，水的沸點為212℉，冰的熔點為32℉，在沸點和冰點之間等分為180份，每份為華氏1度(1℉)，構(gòu)成了華氏溫標(biāo)。1740年瑞典人攝爾塞斯(Celsius)規(guī)定水的冰點為0℃，水的沸點為100℃，兩固定點之間等分為100份，每份為攝氏1度(1℃)，構(gòu)成了攝氏溫標(biāo)。(2.1)二者轉(zhuǎn)換華氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——熱力學(xué)溫標(biāo)根據(jù)熱力學(xué)定律（卡諾定理）：工作于兩熱源之間的卡諾熱機與兩熱源交換的熱量之比等于兩熱源的溫度之比，即：1848年開爾文建議，利用卡諾定理及其推論可以建立一個與測溫質(zhì)無關(guān)的溫標(biāo)即熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)所確定的溫度數(shù)值稱為熱力學(xué)溫度也稱絕對溫度，用符號T表示。單位為開爾文，用K表示。(2.4)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——熱力學(xué)溫標(biāo)設(shè)T為被測熱源的熱力學(xué)溫度，T3為標(biāo)準(zhǔn)熱源的熱力學(xué)溫度，并定義T3為水的三相點(固、液、氣三相并存)的熱力學(xué)溫度，數(shù)值為273.16K。根據(jù)式(2.4)則有：

(2.5)

上式就是熱力學(xué)溫標(biāo)的溫標(biāo)方程即內(nèi)插公式。熱力學(xué)溫標(biāo)選用卡諾熱機作為測溫質(zhì)，而選用熱量比作為測溫量。只要用卡諾熱機測出Q/Q3值，就可以求出被測熱源的熱力學(xué)溫度T。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫度的單位開爾文(K)是水的三相點的熱力學(xué)溫度值的1/273.16。它是在熱力學(xué)溫度定義的基礎(chǔ)上，首先確定了水的三相點熱力學(xué)溫度標(biāo)志數(shù)值為273.16后，再取1/273.16定為1個開爾文(K)的。將計量單位K加在所標(biāo)志的溫度數(shù)值后就形成了完整的熱力學(xué)溫度的表示方式。熱力學(xué)溫度的起點為絕對零度，所以它不可能為負值；且水的冰點為273.15K，沸點為373.15K。注意：此處應(yīng)注意水的冰點和三相點是不一樣的，兩者相差0.01K。熱力學(xué)溫度可以不受限制，并與任何特殊物質(zhì)無關(guān)地對溫度給以科學(xué)地標(biāo)識。熱力學(xué)溫標(biāo)的特點*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——理想氣體溫標(biāo)由于實際上并不存在卡諾熱機，所以可以從理想氣體狀態(tài)方程入手，用玻意耳-馬略特定律即PV=RT來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)。即形成所謂的理想氣體溫標(biāo)：(2.6)利用該原理可以制成定容氣體溫度計，它通過壓強的測量可以測出溫度值。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——國際溫標(biāo)國際溫標(biāo)建立的原則：①盡可能接近熱力學(xué)溫標(biāo)；②復(fù)現(xiàn)精度高并能確保量值的統(tǒng)一；③用以復(fù)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計使用方便，性能穩(wěn)定?，F(xiàn)在使用的是1990年國際溫標(biāo)(ITS—90)90國際溫標(biāo)主要有三方面的內(nèi)容，即溫度單位的定義、定義固定溫度點和復(fù)現(xiàn)固定溫度點的方法。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——國際溫標(biāo)90國際溫標(biāo)定義國際開爾文溫度T90

(單位為K)和國際攝氏度t90(單位為℃)

，其間關(guān)系如同T和t一樣，即為：

t90=T90-273.15 (2.7)

它們的單位與熱力學(xué)溫度T和攝氏溫度t單位一致。K定義為水的三相點溫度的1/273.16對于溫差有：ΔT=Δt

1℃=1K注意：這里所講的攝氏度(℃)與古典的經(jīng)驗溫標(biāo)的攝氏度(℃)是完全不同的，這里的攝氏度(℃)是由國際溫標(biāo)重新定義的，是以熱力學(xué)溫標(biāo)為基礎(chǔ)的90國際溫標(biāo)的溫度單位*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——國際溫標(biāo)90國際溫標(biāo)的定義固定溫度點是利用一系列純物質(zhì)各相間可復(fù)現(xiàn)的相平衡狀態(tài)或蒸汽壓所建立起來的特征溫度點。這些特征溫度點的溫度指定值是由國際上公認的最佳測量手段測定的。90國際溫標(biāo)定義了17個固定溫度點，如表2.2所示。90國際溫標(biāo)固定溫度點定義*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——國際溫標(biāo)90國際溫標(biāo)固定溫度點定義*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.1溫標(biāo)——國際溫標(biāo)分為四個溫區(qū)：①0.65~5.0K間：3He或4He蒸氣壓溫度計；②3.0~24.5561K間：3He或4He定容氣體溫度計；③13.8033K~961.78℃間：鉑電阻溫度計；④961.78℃以上：光學(xué)或光電高溫計。

以上有關(guān)溫度計的分度方法以及固定點之間的內(nèi)插公式，90國際溫標(biāo)都有明確的規(guī)定，有需要時可參考ITS—90標(biāo)準(zhǔn)文本。90國際溫標(biāo)復(fù)現(xiàn)固定溫度點的方法*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2接觸式測溫——基本原理接觸測溫基本原理步驟：接觸熱平衡比較讀數(shù)

條件被測對象MTiTi溫標(biāo)溫度計的某物理量變化量與溫標(biāo)的比較＝f(T)標(biāo)定*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2接觸式測溫——設(shè)計原則2、改善接觸測溫測量性能的手段(設(shè)計原則)：

(1)改善接觸被測物、傳感器和環(huán)境之間的熱阻關(guān)系：要求：R2>>R1R=R1+R2R2則：T2>>T1T=T1+T2T2測量誤差減小傳感器與被測物的熱阻，減少傳感器向周圍環(huán)境的散熱是減小由于傳熱造成的測量誤差的主要方法*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2接觸式測溫——設(shè)計原則減小測溫探頭體積和比熱容

(2)減小測溫探頭體積和比熱容探頭和被測對象接觸將破壞對象原來的溫度場，引入置入誤差。因而，為了盡量減小置入誤差，要求測溫探頭相對于被測對象，有小的體積和比熱容，從而減小對被測對象的溫度場的破壞。另一方面，也可提高測溫探頭的響應(yīng)速度，因為減小了探頭的熱慣性。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.1接觸式測溫——膨脹式

(1)膨脹式①玻璃液體溫度計：測溫介質(zhì)為水銀等，利用其膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系測量溫度，具有使用方便，測溫范圍廣(-200～+600℃)，價格便宜的特點，在科研、生產(chǎn)以及日常生活中都被廣泛使用。②固體膨脹式溫度計典型的固體膨脹式溫度計是雙金屬片溫度計。原理：它利用線膨脹系數(shù)差別較大的兩種金屬材料制成雙層片狀元件，在溫度變化時將使自由端產(chǎn)生位移，借此帶動指針在溫度刻度盤上轉(zhuǎn)動構(gòu)成溫度計。如果帶動電接點實現(xiàn)通斷就構(gòu)成溫度開關(guān)。液體膨脹和固體膨脹式溫度計*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.1接觸式測溫——膨脹式雙金屬片溫度溫度開關(guān)舉例原理：溫度低時電接點接觸，電熱絲加熱；溫度高時雙金屬片向下彎曲，電接點斷開，加熱停止。圖2.10雙金屬溫度開關(guān)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.1接觸式測溫——壓力式壓力式溫度計基本原理原理：壓力式溫度計的原理也是基于物質(zhì)受熱膨脹的原理，但它不是靠物質(zhì)受熱膨脹后體積變化來指示溫度，而是靠在密閉容器中壓力的變化來指示溫度。圖2.11壓力式溫度計*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計熱電偶溫度計概要熱電偶和熱電阻是最基本和最重要的兩種溫度測量原理，這兩部分內(nèi)容是本章重點！熱電效應(yīng)：1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)主要優(yōu)點：測溫范圍廣，可以在1K至2800℃的范圍內(nèi)使用，精度高，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)特性好。由溫度轉(zhuǎn)換的電信號便于處理和遠傳。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理由兩種不同的金屬A和B構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)兩個接觸端溫度不同即T≠T0時，回路中會產(chǎn)生熱電勢：其中T稱為熱端、工作端或測量端，T0稱為冷端、自由端或參比端。A和B稱為熱電極。熱電勢的大小是由接觸電勢和溫差電勢所決定的。熱電效應(yīng)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理①接觸電勢：由于金屬導(dǎo)體材料不同，金屬導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子密度也不相同，因此當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體A和B接觸時，自由電子就要從密度大的導(dǎo)體擴散到密度小的導(dǎo)體中去，從而產(chǎn)生自由電子的擴散現(xiàn)象。熱電效應(yīng)①接觸電勢如果兩金屬的自由電子密度（N）不同，則A、B接觸處形成一定的電位差，這就是接觸電勢(也叫珀爾帖電勢)，其大小可用下式表示：

(2.11)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理②溫差電勢在同一導(dǎo)體A中，當(dāng)導(dǎo)體兩端的溫度不同即T＞T0時，兩端電子能量就不同。溫度高的一端電子能量大，則電子從高溫端跑向低溫端的數(shù)量多，而返回的數(shù)量少，最后達到平衡。這樣在導(dǎo)體的兩端形成一定的電位差即溫差電勢(也叫湯姆遜電勢)，大小為：其中：eA(T,T0)——導(dǎo)體A在兩端溫差分別為T和T0時的溫差電勢，T和T0的順序代表電動勢的方向；δ——湯姆遜系數(shù)，它表示溫差為1℃時所產(chǎn)生的電動勢值，它與導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)。熱電效應(yīng)②溫差電勢*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理熱電效應(yīng)③總熱電勢③熱電偶回路的總熱電勢在兩種金屬導(dǎo)體A和B組成的熱電偶回路中，兩接觸點的溫度為T和T0，而且T＞T0，導(dǎo)體A的自由電子密度比導(dǎo)體B大。則回路總熱電勢由4個部分組成，2個溫差電勢，即eA(T,T0)和eB(T,T0)，2個接觸電勢即eAB(T)和eAB(T0)，它們的方向和大小如圖2.15所示。圖2.15熱電偶回路電動勢分布*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理熱電效應(yīng)③總熱電勢順時針寫出環(huán)路電勢(2.13)從上式中可以看到，若熱電極A和B為同一種材料時，NA=NB，δA=δB，則EAB(T，T0)=0。若熱電偶兩端處于同一溫度下，T=T0，T-T0=0，則EAB(T，T0)=0。因此熱電勢存在必須具備兩個條件：兩種不同的金屬組成熱電偶，兩端存在溫差。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理熱電效應(yīng)③總熱電勢再對式(2.13)進行重新組合，則有：從上式中可以看到，熱電勢是T和T0的溫度函數(shù)的差，而不是溫差的函數(shù)，這是因為熱電勢是非線性的。如果令f(T０)=0即(T0=0K，絕對零度)，則有：

EAB(T，T0)=f(T) (2.15)則E與T之間有惟一對應(yīng)的關(guān)系即單值函數(shù)關(guān)系，因此就可以用測量到的熱電勢E來找到對應(yīng)的溫度值T。理論和實驗都已證明，熱電偶熱電勢的大小，只與導(dǎo)體A和B的材質(zhì)有關(guān)，與冷、熱端的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的粗細、長短以及兩導(dǎo)體接觸面積無關(guān)。(2.14)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理均質(zhì)導(dǎo)體定則(2)熱電偶的幾個定則----理解熱電偶實際中如何用①均質(zhì)導(dǎo)體定則

由一種均質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積如何及導(dǎo)體各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢。這一定則說明：①熱電偶必須采用兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體構(gòu)成。②如果熱電偶是由兩種均質(zhì)導(dǎo)體組成，則熱電偶的熱電勢僅與兩接點的溫度有關(guān)，而與沿?zé)犭姌O的溫度分布無關(guān)。同時也要注意：如果熱電偶的熱電極是非均質(zhì)導(dǎo)體，在不均勻溫度場中測溫時將造成測量誤差。所以熱電極材料的均勻性是衡量熱電偶質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)之一。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理(2)熱電偶的幾個定則②中間導(dǎo)體定則在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相等，則中間導(dǎo)體接入對回路總電動勢沒有影響。中間導(dǎo)體定則中間導(dǎo)體定則對于熱電偶的實際應(yīng)用十分重要，因為要測量回路的熱電勢，就需要接入測量儀表，那么儀表中肯定有導(dǎo)線等其它第三種導(dǎo)體C，甚至還有第四種導(dǎo)體D，如圖2.16中(c)所示。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理連接導(dǎo)體和中間溫度定則③連接導(dǎo)體定則在熱電偶回路中，如果熱電極A和B分別與連接導(dǎo)體A′和B′相接，其接點溫度分別為T、Tn和T0，則回路的總熱電勢等于熱電偶的熱電勢EAB(T，Tn)與連接導(dǎo)體的熱電勢EA′B′(Tn,T0)之代數(shù)和。這就是連接導(dǎo)體定則，即：EABB′A′(T,Tn,T0)=EAB(T,Tn)+EA′B′(Tn,T0)(2.16)連接導(dǎo)體定則為在工業(yè)測溫中使用補償導(dǎo)線提供了理論基礎(chǔ)。這樣只要選配在低溫下(100℃以下)與熱電偶熱電特性相同、價格便宜的補償導(dǎo)線，便可使熱電偶的參比端延長，使之遠離熱源到達一個溫度相對穩(wěn)定的地方而不會影響測溫的準(zhǔn)確性。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理連接導(dǎo)體和中間溫度定則③中間溫度定則在熱電偶回路中，當(dāng)A與A′、B與B′材料分別相同，所處溫度仍為T、Tn和T0時，其總的熱電勢為，即：EAB(T，Tn，T０)=EAB(T,Tn)+EAB(Tn,T0)(2.17)這就是中間溫度定則，其中Tn稱為中間溫度。中間溫度定則為熱電偶的分度表和冷端補償提供了依據(jù)：熱電偶分度表表達的是在參比端為0℃時，熱端溫度與熱電勢之間的對應(yīng)關(guān)系，并以表格的方式加以表示。中間溫度定則為使用分度表奠定了理論基礎(chǔ)。根據(jù)這一定則，當(dāng)熱電偶冷端不等于0℃時，也可使用分度表。（參P416：分度表）*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理熱電偶分度表的應(yīng)用例2.1用鎳鉻-鎳硅(K型)熱電偶測量某一溫度，若參比端溫度Tn=25℃，測得的熱電勢E(T，Tn)=20.54mV，求測量端實際溫度T。（K型熱電偶分度表P420）解：E(T，T0)=E(T,Tn)+E(Tn,T0)在E(Tn,T0)中Tn=25℃，T0=0℃,查分度表有E(25，0)=1.00mV因：E(T，Tn)=20.54mV則有：E(T,0)=20.54mV+1.00mV=21.54mV反查分度表有T=521℃，所以測量端實際溫度為521℃。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理熱電偶分度表的應(yīng)用例2.2條件同例2.1，已知測量端實際溫度T=800℃，參比端溫度Tn=20℃，求用直流電位差計所測得的熱電勢值。解： E(T,Tn)=E(T,T0)-E(Tn,T0)其中 E(T,T0)=E(800,0)=33.275mV(查表)E(Tn,T0)=E(20,0)=0.798mV(查表)E(T,Tn)=33.275mV-0.798mV=32.477mV(計算)所以：用直流電位差計測得的熱電勢為32.477mV。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——測溫原理熱電偶分度表的應(yīng)用課堂作業(yè)：用鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶測量某一溫度，若冷端溫度Tn=20℃，測得熱電勢E(T,Tn)=21.04mV，求測量端實際溫度。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)化按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，可分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶兩種。所謂標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指工藝上比較成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入國際和國家標(biāo)準(zhǔn)文件中的熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶可以互換，精度有一定的保證，并有配套的顯示、記錄儀表可供選用。到目前為止，國際電工委員會(IEC)共推薦了8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，它的型號和熱電極用英文字母表示，第一個字母表示熱電偶的類型，也稱為分度號。第二個字母是P或N，分別表示熱電偶的正極或負極。我國目前完全采用國際標(biāo)準(zhǔn)并制定了我國熱電偶的系列型譜。在執(zhí)行90國際溫標(biāo)(ITS—90)后，我國的熱電偶分度表國家標(biāo)準(zhǔn)代號為GB/T16839.1—1997，熱電偶允差國家標(biāo)準(zhǔn)代號為GB/T16839.2—1997。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的名稱、分度號、測量范圍、精確度等級及允差見表2.4所示。幾種典型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的分度表見附錄。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——標(biāo)準(zhǔn)化表2.4標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶S型熱電偶

鉑銠10-鉑熱電偶為貴金屬熱電偶。S型熱電偶具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬和使用壽命長等優(yōu)點。不足之處是熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染敏感，貴金屬材料昂貴，一次性投資較大。R型熱電偶

鉑銠13-鉑熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當(dāng)，在我國一直難于推廣。但根據(jù)國外有關(guān)研究表明，R型熱電偶在穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性方面均好于S型熱電偶，而我國尚未開展這方面的研究。B型熱電偶

鉑銠30-鉑銠6熱電偶為貴金屬熱電偶。具有準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點它還有一個明顯的優(yōu)點是參比端不需進行冷端補償，因為在0～50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。不足之處是熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，抗污染能力差，價格昂貴。

*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶K型熱電偶

鎳鉻-鎳硅熱電偶是目前用量最大的廉金屬熱電偶，其用量為其它熱電偶的總和。K型熱電偶具有線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性均好，抗氧化性強，價格便宜的優(yōu)點。N型熱電偶

鎳鉻硅-鎳硅熱電偶為廉金屬熱電偶，它是一種最新國際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶。N型熱電偶具有線性度好，熱電勢較大，靈敏度較高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，抗氧化性強、價格便宜等優(yōu)點，其綜合性能優(yōu)于K型熱電偶，具有很大的發(fā)展前途。E型熱電偶

鎳鉻-銅鎳熱電偶，又稱為鎳鉻-康銅熱電偶，也是一種廉價金屬熱電偶。E型熱電偶電動勢之大，靈敏度之高屬所有標(biāo)準(zhǔn)熱電偶之最，宜制成熱電堆來測量微小的溫度變化。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶J型熱電偶

鐵-銅鎳熱電偶又叫鐵-康銅熱電偶，是一種價格低廉的熱電偶。J型熱電偶線性度好，熱電勢大，靈敏度高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性都較好，價格便宜，已得到廣泛的應(yīng)用。T型熱電偶

銅-銅鎳熱電偶又叫銅-康銅熱電偶。它是一種最佳的測量低溫的廉金屬熱電偶。它的線性度好，熱電勢大，靈敏度高，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，價格便宜。特別是在低(-200～0℃)區(qū)間使用，年熱電勢漂移小于±3μV。但T型熱電偶的正極銅在高溫下抗氧化能力差，故使用上限受到限制。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——非標(biāo)準(zhǔn)非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶

非標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶發(fā)展很快，主要目的是進一步擴展高溫和低溫的測量范圍。由于對這一類熱電偶的研究還不夠成熟，雖然已有產(chǎn)品，也能夠使用，但還沒有統(tǒng)一的分度表，使用前需個別標(biāo)定，以確定熱電勢和溫度之間的關(guān)系。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——冷端補償熱電偶冷端補償熱電偶的冷端處理與補償熱電勢的大小與熱端溫度有關(guān)，也與冷端溫度有關(guān)，只有當(dāng)冷端溫度固定不變，才能通過熱電勢的大小去判斷熱端溫度的高低。當(dāng)冷端溫度波動較大時，必須首先使用補償導(dǎo)線將冷端延長到一個溫度穩(wěn)定的地方，然后再考慮將冷端處理為0℃，這稱為熱電偶的冷端處理和補償。熱電偶的冷端處理與補償方法：冰點槽法；補償導(dǎo)線法；冷端補償器法；計算修正法；軟件修正法*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——冷端補償熱電偶冷端補償①補償導(dǎo)線法(連接導(dǎo)體定則)

熱電偶補償導(dǎo)線通常由補償導(dǎo)線合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層組成。在100℃(或200℃)以下常溫范圍內(nèi)，補償導(dǎo)線具有與所匹配的熱電偶的熱電勢標(biāo)稱值相同的特性。用它連接熱電偶可起到延長熱電偶冷端作用。熱電偶技術(shù)補償導(dǎo)線有兩方面的優(yōu)點：其一是改善了熱電偶測溫線路的物理性能和機械性能。采用多股線芯或小線徑補償導(dǎo)線可提高線路的撓性，接線方便，也可調(diào)節(jié)線路電阻和屏蔽外界的干擾；其二是降低了線路的成本。當(dāng)熱電偶與測量儀表距離較遠時，使用補償導(dǎo)線可節(jié)約熱電偶材料，尤其對于貴金屬熱電偶來說，經(jīng)濟效益更是明顯。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——冷端補償熱電偶冷端補償補償導(dǎo)線又分為延長型和補償型兩種。延長型：補償導(dǎo)線合金絲的名義化學(xué)成分及熱電勢標(biāo)稱值與配用的熱電偶相同。補償型：其合金絲的名義化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但其熱電勢值在100℃以下時與配用的熱電偶的熱電勢標(biāo)稱值相同。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUSTR2.2.2

熱電偶溫度計——冷端補償熱電偶冷端補償②冷端補償器法：冷端補償器是一個直流不平衡電橋，在它的四個橋臂中有一個是銅電阻作為測溫元件，其余三個臂由阻值恒定的錳銅電阻制成。工作原理:橋臂RCu必須和熱電偶的冷端盡量靠近，使它們處于同一溫度下。設(shè)計時使RCu在0℃下的阻值和其余三個橋臂R1、R2和R3完全相等，這時電橋處于平衡狀態(tài)，圖中a和b之間的電壓Uab=0(冷端補償器輸出電壓)。當(dāng)冷端t0＞0℃時，回路熱電勢將減小，但這時RCu增大，使電橋不平衡，出現(xiàn)Uab＞0，而且極性為a負、b正。這時Uab與熱電勢E(t,t0)同向串聯(lián)，電勢疊加增大，起到了補償作用，如果限流電阻R選擇合適，可使Uab增大值恰好等于回路熱電勢減小的值，就避免了t0的變化帶來的影響，而且把冷端相當(dāng)于置于0℃，完成了熱電偶冷端處理和補償功能。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——冷端補償熱電偶冷端補償③計算修正法和軟件修正法在實際的應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是0℃，而是環(huán)境溫度t1，這時測量出的回路熱電勢要小，因此必須加上環(huán)境溫度t1與冰點t0之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢后才能符合熱電偶分度表的要求。根據(jù)連接導(dǎo)體和中間溫度定則有：

E(t,0)=E(t,t1)+E(t1,0) (2.18)計算修正法：可用室溫計測出環(huán)境溫度t1，從分度表中查出E(t1,0)的值，然后加上熱電偶回路熱電勢E(t,t1)，得到E(t,0)值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測溫度t值。軟件修正法：在熱電偶接線端子附近（冷端）安裝有熱敏電阻，計算機每次都采集各路熱電勢信號和熱敏電阻信號，根據(jù)熱敏電阻信號可得到E(t0,0)，再按計算修正法計算出每一路的E(t,0)值，可以得到準(zhǔn)確的t值。*華中科技大學(xué)自動化學(xué)院測量系HUST2.2.2

熱電偶溫度計——冷端補償熱電偶冷端補償冷端補償?shù)挠嬎阈拚鹤⒁鉄犭妱菔菧囟群瘮?shù)的差，而不是溫差的函數(shù)。

*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——結(jié)構(gòu)形式熱電偶結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)型式熱電偶的典型結(jié)構(gòu)有普通型裝配式結(jié)構(gòu)和柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)兩種，此外還有新型的薄膜熱電偶。普通型裝配式結(jié)構(gòu)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——結(jié)構(gòu)形式熱電偶結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)型式工業(yè)熱電偶的典型結(jié)構(gòu)有普通型裝配式結(jié)構(gòu)和柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)兩種。柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——結(jié)構(gòu)形式熱電偶結(jié)構(gòu)形式柔性安裝型鎧裝結(jié)構(gòu)鐵-鎳薄膜熱電偶*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.2

熱電偶溫度計——誤差分析熱電偶測溫的誤差分析傳熱誤差：熱電偶與環(huán)境之間的熱交換引起。分度誤差：由于熱電極材料成分不符要求和材料均勻性差等原因，使熱電偶熱電性質(zhì)與統(tǒng)一的分度表之間產(chǎn)生分度誤差。補償導(dǎo)線誤差：由于補償導(dǎo)線和熱電極材料在100℃以下的熱電性質(zhì)不完全相同將產(chǎn)生誤差。參比端溫度誤差：冷端補償引入的誤差。

顯示儀表基本誤差：二次儀表的誤差。

線路電阻誤差：線路阻抗不滿足二次儀表要求引入的誤差。一般較小。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——基本原理熱電阻基本原理熱電阻溫度計：利用金屬(包括合金)導(dǎo)體或金屬氧化物半導(dǎo)體做測溫質(zhì)，利用隨溫度而變化的電阻值來進行測溫的。與熱電阻匹配的溫度顯示二次儀表原理一般為電橋。熱電阻在科研和生產(chǎn)中經(jīng)常用來測量-200～+850℃區(qū)間內(nèi)的溫度。熱電阻特點：測量范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是廣泛使用的一種測溫元件。例如：表述鉑熱電阻的和溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型為：

-200～0℃：Rt=R0(1+At+Bt2)0～850℃：Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——基本原理熱電阻的材料選擇(1)熱電阻對材料的要求①電阻相對溫度系數(shù)a值要大。

a為溫度從0℃變化到100℃時，電阻值的相對變化率。相應(yīng)的傳感器的靈敏度就大。②電阻率β要大。β值表示在單位體積時的電阻值。β=dR/dV

對于一定的電阻值來說，β值越大則表明熱電阻的體積越小，則熱容量小，動態(tài)特性就好。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻標(biāo)準(zhǔn)化兩種標(biāo)準(zhǔn)化的熱電阻類型，對應(yīng)4個分度號：①鉑熱電阻：-200～850℃；Pt10，Pt100②銅熱電阻：-50～150℃；Cu50，Cu100項目鉑熱電阻銅熱電阻分度號PT100PT10Cu100Cu50R0(Ω)1001010050a(Ω/℃)0.003850.00428測溫范圍(℃)-200～850-50～150允許誤差(℃)A級:±(0.15+0.002|t|)B級:±(0.30+0.005|t|)±(0.30+0.006|t|)溫度為0℃時的電阻值*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻的算式①鉑熱電阻：鉑熱電阻精度高、線性好、測溫范圍寬，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，但價格高。在高溫時適于在氧化氣氛中使用，在真空和還原氣氛中使用將導(dǎo)致電阻值漂移。鉑熱電阻的參考函數(shù)在0℃上、下溫區(qū)各不相同，但參考函數(shù)的系數(shù)相同，其數(shù)學(xué)模型為：-200～0℃：Rt=R0(1+At+Bt2)0～850℃：Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］式中A=3.9083×10-3(1/℃)，B=-5.775×10-7(1/℃2),C=-4.183×10-12(1/℃3)。Pt10熱電阻感溫元件是用較粗的鉑絲繞制而成，主要用于650℃以上溫區(qū)。Pt100熱電阻主要用于650℃以下溫區(qū)。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻的算式②銅熱電阻

使用測溫范圍為-50～150℃，分度號為Cu50和Cu100，它們在0℃時的阻值R0分別為50Ω和100Ω。銅熱電阻線性好，價格低，但電阻率低，因而體積大，熱響應(yīng)慢。銅熱電阻的數(shù)學(xué)模型為：Rt=R0(1+At+Bt２+Ct３) (2.23)式中A=4.28899×10-3(1/℃)，B=-2.133×10-7(1/℃2)，C=1.233×10-9(1/℃3)。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——測溫電路熱電阻裝配形式在工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)熱電阻的結(jié)構(gòu)有2種，分為普通型裝配式和柔性安裝型鎧裝式熱電阻。(a)裝配式熱電阻；(b)鎧裝式熱電阻*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——誤差分析熱電阻測溫的誤差分析熱電阻測溫的誤差來源：傳熱誤差分度誤差焦耳熱引起的誤差

：自熱效應(yīng)引起的誤差。注意驅(qū)動電流不要大于6mA線路電阻引起的誤差：采用合適的測溫電路二次儀表基本誤差：由儀表精度決定*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——測溫電路熱電阻測溫電路電阻測溫電路有三種形式：兩線制，三線制和四線制即連接熱電阻的導(dǎo)線分別有：2根導(dǎo)線，3根導(dǎo)線，4根導(dǎo)線*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——測溫電路熱電阻測溫電路兩線制測量電路當(dāng)考慮導(dǎo)線電阻時，兩線制電路將引入誤差因而兩線制電路僅適用于短導(dǎo)線情況下的熱電阻測量*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——測溫電路熱電阻測溫電路四線制測量電路四線制電路消除了導(dǎo)線電阻和接觸電阻影響，是最精確的電阻測量電路，可用于標(biāo)準(zhǔn)溫度計*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——測溫電路熱電阻測溫電路三線制測量電路三線制電路相比四線制電路減少了1根導(dǎo)線，基本消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻影響，但可以滿足工業(yè)測溫要求，是最常用的工業(yè)測溫電路制式。三線制電路種類很多，其中不平衡電橋電路最典型*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——測溫電路熱電阻測溫電路不平衡電橋三線制測量電路：當(dāng)電橋平衡時，有：(Rt+r)R2=(R3+r)R1設(shè)計電橋時如滿足R1=R2,則上式等號右邊含有r的兩項完全消去。在這種情況下，導(dǎo)線電阻r對熱電阻的測量會毫無影響。但必須注意，只有在R1=R2的情況下，在平衡狀態(tài)下才會有上述的結(jié)論。實際測溫時不能完全消除導(dǎo)線影響，但已經(jīng)大大減小了誤差。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3

熱電阻溫度計——測溫電路熱電阻測溫電路思考題：另一種三線制電路*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3熱電偶和熱電阻的安裝方式溫度傳感器安裝方式(1)兩種測溫元件的測量端應(yīng)有足夠的插入深度，在φ100以上管道上安裝時應(yīng)使保護套管的末端超過管道中心線5~10mm。(2)為防止熱損失，保護套管露在設(shè)備外部的長度應(yīng)盡量短，并加保溫層，減少由于熱損失帶來的傳熱誤差。(3)為防止高溫下保護套管變形，應(yīng)盡量垂直安裝。在有流速的管子中必須傾斜安裝，如有條件應(yīng)盡量在管道的彎管處安裝。上述情況都應(yīng)使測量端迎向流速方向。若需水平安裝時，則應(yīng)有支架加以支撐。如圖所示。*華中科技大學(xué)控制系測控所HUST2.2.3熱電偶