F温度测量

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玻璃温度计的分类：


全浸式：测温准确度高， 但读刻度困难，使用操作 不便。 局浸式：读数容易，但测 量误差较大，即使采取修 正措施其误差比全浸式仍 要大好几倍或更多。
V形工业玻璃温度计

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压力温度计


压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽 在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关 系的原理实现其测温功能的。 压力温度计的典型结构示意图
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
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 慢，通常为几十秒到几分钟
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
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温标 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，定量描述温度的高低所建 立温度标尺, 即温标。温标就是温度的数值表示。 利用一些物质的某些物性（诸如尺寸、密度、硬度、 弹性模量、辐射强度等）随温度变化的规律，通过这 些量来对温度进行间接测量。 历史上提出过多种温标 经验温标（华氏温标、摄氏温标） 热力学温标 国际温标
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经验温标
摄氏温度和华氏温度的换算关系为：
T ℉ =9/5 t℃ +32 式中 T——华氏温度值; t——摄氏温度值。
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热力学温标
摄氏温度和华氏温度的换算关系为：
T K =t℃ +273.15 式中 T——华氏温度值; t——摄氏温度值。
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温度传感器的组成在工程中无论是简单的还是复 杂的测温传感器, 就测量系统的功能而言, 通常由 现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成, 如图所示。
第15章 传感器在工程检测中的应用
温度测量问题
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一、 温度概述




温度是国际单位制给出的基本物理量之一，是 工（农）业生产和科学实验中一个非常重要的 参数。 对温度的测量越来越普遍, 而且对温度测量的 准确度也有更高的要求。 从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分 子无规则热运动剧烈程度的标志，是表征物体 冷热程度的物理量。 温度不能直接加以测量。
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T
2、热电偶的基本定律
（1）中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种导体后，只要第三种 导体两端的温度相同，就不会影响热电偶回路的总热 电势。 T0 B
A
Tn C
M
T
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E ABC T , T0 E AB T EB T , Tn EBC Tn EC Tn , Tn ECB Tn EB Tn , T0 EBA T0 E A T0 , T A
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三、热电偶传感器

热电偶是工业和武备试验中温度测量应用最多 的器件，它的特点是测温范围宽、测量精度高、 性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出 直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自 动控制。
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热电偶测温原理
一、热电效应 ——1821年德国人塞贝克（Seeback） 保持恒温
T0
参考端、自由端、冷端
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（3）冷端的自动补偿
A T B
a
Rt
Tn
R1
R2
R4 E
R3
UO
b
R1、R2、R3：用锰铜制电阻温度系数极小， 可近似为不随温度变化。
Rt：由温度系数大的铜丝制成
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热电偶传感器
Rt与冷端感受同一温度（或称环境温度）后，当Tn 变化时， Rt也随之变化，电桥便由原来的平衡输出u0变 成不平衡输出，设不平衡输出电压为Uab，则：
两种导体A、B连接构成回路 →两端温度T0≠T →回路产生温差热电势 温差发电器
A
I
B
热电极
测量端、工作端、热端
T
加热
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1、热电势的产生
T0
热电偶产生的热电势与两电极的材 料和两电极的温度有关。
A
B
（1）单一导体的温差电势
一根匀质金属导体两端温度不 同，导体内部产生电动势
T
E A T , T0 A dT
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热电偶回路接入第三导体
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开路热电偶使用
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（2）中间温度定律
热电偶AB在接点温度为（T，T0）时的热电势等于该热 电偶在接点为（T，Tn）和（Tn，T0）时的热电势的代数和。
EAB (T , T0 ) EAB (T , Tn ) EAB (Tn , T0 )
Tn称为中间温度 对热电偶参考端温度不为0℃时的热电势进 行修正，为补偿导线应用提供了依据。
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（3）热电偶回路的总电势
E AB T , T0 E AB (T ) EB T , T0 EBA (T0 ) E A T0 , T K NA E AB T , T0 T T0 ln B A dT e N B T0
当AB为同质材料，NA＝NB，σA＝ σB EAB（T，T0）＝0 当AB为异质材料，NA≠NB，σA≠ σB EAB（T1，T0） ≠ 0
电阻 材料 条件
电阻温度系数大而稳定； 电阻率要大；微小的温度传感器
电阻温度系数保持单值,最好为常数；
金属的物理、化学性能稳定；
目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。
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易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻
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(a)铂电阻 ：

Rt R 0 1 At Bt 2 C t 100 C t3 Rt
通常为1.0、1.5、2.5级
测量 精度 响应 速度 其它 特点
快，通常为2～3秒钟
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
T0
Tn
A
B
T
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（3）标准电极定律
若热电极A和B分别与标准热电极C组成的热 电偶产生的热电势已知，则由A和B组成的热电偶 所产生的热电势为
EAB (T ,T 0) EAC (T , T0 ) EBC (T , T0 )
T0
T0 C
T0 B C
A
B
A
T
T
T
A→B
A →C
B →C
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二、热电偶测温
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温度检测的主要方法

测温方法分类

接触测量法 非接触测量法

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接触式温度测量
优点：测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价
格相对较低；
缺点：由于感温元件与被测介质直接接触，从而要
影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温 误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响 感温元件性能和寿命等缺点。
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非接触式温度测量
感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被 测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温 度;
优点：非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，
热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体 的温度和快速变化的温度。
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接触式与非接触式测温特点比较
测量 方式 测量 条件 接 触 式 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 非 接 触 式 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
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铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能 可靠, 所以在温度传感器中得到了广泛应用。 按IEC标准, 铂热电阻的使用温度范围为200~+850℃。
R 1 At Bt

t 200 ,0

t 0 ,850
EB T , Tn EB Tn , T0 EB T , T0
T0 B
Tn C
M
EC Tn , Tn 0
EBC Tn ECB Tn 0
T
E AB T , T0 所以可以在回路引入各种仪表和连接线，而 对热电势无影响。
E ABC T , T0 E AB T EB T , T0 EBA T0 E A T0 , T
T0
T
σA是导体A的 温差系数
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（2）两种导体的接触电势 两种金属A、B接触，由于导体内自电电子密 度不同，接触面形成电场。
电场阻止作用与扩散作用处于动态平衡时，产生一 个固定的电动势
KT N A E AB (T ) ln e NB
式中：K－波尔兹曼常数 e－电子电荷量 T－接触处的绝对温度 NA、NB －分别为金属A、B的自由电子密度
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三、热电偶传感器的应用
多点测温线路
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平均温度测量——并联方式
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平均温度测量——串联方式
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四、电阻式温度传感器
利用电阻随温度变化而制成的传感器 称为电阻式温度传感器。 分为：金属热电阻和半导体热敏电阻
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1、金属热电阻
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。
固体长度随温度变化的情况可用下式表示：
L L0 1 t t0
基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线 膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金 属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同材 料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩， 导致双金属片产生弯曲变形。
1、测量温度方法
Fra Baidu bibliotek
热电偶的材料确定后，且参数温度T0（冷端温 度）恒定不变后，则有 EAB（T，T0）＝f（T） 即热电势只与被测温度（简称热端温度）成单 值对应关系。
当T0=0℃时，T取不同温度时的EAB（T，0） , 制成关系数据表，查表法即可确定T的大小。
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若：T0≠ 0℃时，则由
EAB(T，T0)＝ EAB(T，0)－ EAB(T0，0) 则：EAB(T，0)＝ EAB(T，T0)＋ EAB(T0，0)
查表后确定T
测量后已知 已知
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2、热电偶的冷端处理
（1）恒温法 将冷端处于冰水混合物中或处于恒温槽中 （2）冷端的延伸 实际测温时 ①被测点与指示仪表之间距离长 ②热端要远离冷端 ③热电偶材料昂贵
U 0 EAB (T , Tn ) U ab
选桥臂电阻和电流，使之满足
Tn T0时 U ab 0 Tn T0时 U ab E AB (Tn , T0 ) U 0 E AB (T , Tn ) U ab E AB (T , Tn ) E AB (Tn , T0 ) E AB (T , T0 )
专用导 线将冷 端延长
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注意：补偿导线的使用不能代替冷端温度补偿。
应满足的条件： ①补偿导线在一定温度范围（0℃~100 ℃） 要与所配热电偶的热电特性相同， 即 EA’B’（Tn，T0）=EAB（Tn，T0） ②两接点温度均相同（Tn） ③同性极性相接，不可接反。
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补偿导线的分类型号与分度号
L L0 1 2 t
下图是双金属温度计原理图：
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双金属温度计原理图
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双金属温度计的感温 双金属元件的形状有 平面螺旋型和直线螺 旋型两大类，其测温 范围大致为-80℃ ~ 600℃，精度等级通常 为1.5级左右。 双金属温度计抗振性 好，读数方便，但精 度不太高，只能用做 一般的工业用仪表。
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压力温度计其毛细管细而长 （规格为1~60m），它的作 用主要是传递压力，长度愈 长，则使温度计响应愈慢， 在长度相等条件下，管愈细， 则准确度愈高。 压力温度计和玻璃温度计相 比，具有强度大、不易破损、 读数方便，但准确度较低、 耐腐蚀性较差等特点。

电接点压力式温度计
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双金属温度计
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各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围
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二、热膨胀式温度传感器

玻璃温度计（液体）
压力温度计（气体） 双金属温度计（固体）


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玻璃温度计


玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读 式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其 凝固点为-38.9℃、测温上限为538℃。 玻璃温度计特点：结构简单，制作容易，价格 低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直 接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自 动远传记录。