第5章温度的测量(新)

显然，指南针的偏转说明回路中有电 动势产生并有电流在回路中流动，电流的强 弱与两个结点的温差有关。
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热电效应：
由A、B两种不同的导体组成一个闭合回 路，当两接点的温度不等时，回路中就会产 生电势，从而形成电流，这一现象通常称为 热电效应。相应的电势通常称为热电势。
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第二节
热电极A
左端称为：
热电偶的工作原理
热电势
A 热电极B 自由端
（参考 端、冷 端）
右端称为：
测量端
（工作 端、热 端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
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从实验到理论：热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克用两种 不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其 中一个接触点（称为结点），发现放在回路 中的指南针发生偏转（说明什么？），如果 用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针 的偏转角反而减小（又说明什么？） 。
例2，用镍铬—镍硅热电偶测量炉温时，当冷端 温度T0=30℃时，测得热电势E(T,T0)=39.17mv， 求实际炉温。
由T0 =30查分度表得 E（30，0）=1.2mv
根据中间温度定律得:
E（T，0）=E（T，30）+E（30，0） = 39.17+1.2 = 40.37(mv)
则查表得炉温T=946℃。

膨胀式、压力式、电阻式、热电 式、光学式和辐射式。 接触式与非接触式。
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2、按与被测对象的关系分类

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表2 常用热电式传感器类型及特点
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体积热膨胀式
不需要电源，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
T0
T
K T 1 E A (T, T0 ) d(N A T) e T0 N A
δ —— 汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势 值，它与材料的性质有关。
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热电偶回路的总热电势：
E AB ( T ,T0 ) e AB ( T ) e A ( T ,T0 ) e AB ( T0 ) e B ( T ,T0 ) [ e AB ( T ) e AB ( T0 )] [ e A ( T ,T0 ) e B ( T ,T0 )]
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八种国际通用热电偶：
B:铂铑30—铂铑6 、R:铂铑13—铂 、 S:铂铑10—铂 、 J:铁—铜镍 、 用于制造铂热电 偶的各种铂热电 偶丝
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K:镍铬—镍硅 、 T:铜—铜镍
N:镍铬硅—镍硅 、E:镍铬—铜镍、
几种常用热电偶的测温范围及热电势
分度号
适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的 有40～50种。
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常用热电偶 • 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热 电偶两大类。 • 标准热电偶是指国家标准规定了其热电势 与温度的关系、允许误差、并有统一的标准 分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表 可供选用。 • 非标准热电偶在使用范围或数量级上均不 及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表， 主要用于某些特殊场合的测量。
在E（Tn，T0）中Tn 30 C，T0 0C
查分度表有E（30，0）= 0.173 mV
E（T，Tn） 7.5mV
E（T， 0） E（T， 30） E(30,0) 7.5 0.173 7.673mV
反查分度表有T=830℃，测量端实际温度为830℃
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我国从1991年开始采用国际计量委员会规 定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新 标准。按此标准，制定了相应的分度表，并且 有相应的线性化集成电路与之对应。
直接从热电偶的分度表查温度与热电 势的关系时的约束条件是：自由端（冷端） 温度必须为0C。
K热电偶的 分度表
假设热电偶 的冷端温度 为0C，常用 的镍铬-镍硅 （K）热电偶 的分度表， 查出－ 100C 、0C、 100C 时的 热电势。
在实际测量中，不可能也没有必要单独测量接触 电势和温差电势，而只需要用仪表测量总的热电势。 另外，温差电势与接触电势相比较，数值甚小，因此 在工程应用中认为热电势近似等于接触电势。
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●实用中，测量出热电势后如何确定温度值？通常 不是利用公式计算，而是用查热电偶分度表来确定。 ●热电偶分度表是将冷端温度保持为0 ℃，通过实 验建立起来的热电势与温度之间的数值对应关系。
在工程测量中，由于纯铂的物理化学性能稳定， 熔较高，易提钝，所以目前常将纯铂作为标准电极。 标准电极定律使得热电偶电极的选配提供了方便。
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第三节
热电偶的种类及结构
热电偶通常以热电极材料来命名，如铂铑-铂、 镍铬-镍硅等。 热电极材料的要求：
1）热电特性稳定，不随时间变化。 2）热电势要大，热电特性应为线性或近似线性关系。 3）电阻温度系数小，导电率高。 4）制造方便，易于复制，有良好的互换性。
T NA k ( T T0 ) ln ( A B )dt e N B T0
K T N A (T) E AB (T, T0 ) ln dT e T0 N B (T)
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热电极A和B为同一种材料时，NA=NB, 若热电偶两端处于同一温度下， T=T0 ，则EAB(T, T0)=0 。 热电势存在必须具备两个条件：
名称
测量温度范围
1000C 热电势/ mV 4.834 10.506 9.587 41.276
B R
铂铑30－铂铑6 铂铑13—铂
50～1820 C -50～1768 C
S
K
铂铑10—铂
镍铬－镍铬 (铝)
镍铬－铜镍 (康 铜)
-50～1768 C
-270～1370 C
－270～800 C
第一节
一、温度

温度与温标
宏观上是表示物质冷热程度的物理 量；
微观上是物质内部分子热运动激烈 程度。
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二、温标 1 、定义： 用来衡量物体温度的标 2、表示方法：
1）刻度始点；2）单位（分度）
准尺度，是温度数字的表示方法。
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由于温度始点、基本单位、分度 的不同，常用温标有四种：
δ A=δB，则EAB(T, T0)=0。


①两种不同的金属材料组成热电偶， ②它的两端存在温差。
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当热电偶的两个不同的电极材料确定后，热电势 便与两个接点温度T、T0有关。即回路的热电势是两个 接点的温度函数之差。
若使冷端温度T0保持不变，则热电势为热端温度T 的单值函数——热电偶测温的基本原理。
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接触电势
kT N A e AB (T ) ln e NB
k —— 玻耳兹曼常数； T —— 接触面的绝对温度； e —— 单位电荷量； NA——金属电极A的自由电子密度 NA——金属电极B的自由电子密度
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温差电势
e A (T , T0 ) dT
通过以上演示得出结论 ——有关热电偶热电势的讨论
EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ）
热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电 势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt 的函数：
热电势大致与两个结点的温差Δt 成正比
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结点产生热电势的微观解释及图形符号

水的冰（融）点 320F ，沸点 2120F ； 划分180 等分，每一等分为华氏一 度； 符号0F表示。 t(0F) = (1.8t + 32)
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几种温标的对比
正常体温 为37 C ， 相当于华 氏温度多 少度？
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三、温度测量仪表分类
1、按工作原理分类
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自 由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生 自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A 扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到 电子带负电，从而产生热电势。
A
＋
T
B
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eAB（ T ）
自由 电子
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热电偶产生的热电势EAB(T,T0) 是由两 种导体的接触电势EAB和单一导体的温差 电势EA和EB所形成。
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几种常用热电偶的热电势与温度的 关系曲线分析 结论：
哪几 种热电偶的测 温上限较高？ 哪一种热电 偶的灵敏度较高？ 哪一种热电 偶的灵敏度较低？ 哪几种热电 偶的线性较差？
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为什么所有的曲线均过原点（零度点）？
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热电偶的分度表
——热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法
●热电偶测温完全是建立在利用实验热特性和一些 热电定律的基础上。
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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材料的导体， 只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会 影响热电偶回路的总热电势。
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根据中间导体定律，可以用开路热电偶对 液态金属或金属壁面测温。
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2)中间温度定律
当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所 产生的热电势等于该热电偶两接点温度为T、Tn和 Tn、T0时所产生的热电势之代数和，即: