第1章 检测仪表

双金属片常用来做温度报警或控制 如图是一双金属温控器。
继电器
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。
绝缘柱
双金属片
调节螺钉
调节螺钉用来调整固定 触点的位置，以调整报警温 度。
2、压力式温度计 利用封闭容器中的介质压力随 温度变化的现象来测温。 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。
远传。一般用于测量500～1600℃之间的温度。 1.1.2.1 热电偶的测温原理 将两种不同的导体或半导体连接成闭合回路， 若两个连接点温度不同，回路中会产生电势。此 电势称为热电势。
冷端
t0
A
B
热端
1、接触电势 当不同导体A、B接触时，两边 的自由电子密度不同，在交界面上 产生电子的相互扩散，致使在接触 处产生接触电势。 其大小取决于两种材料的种类 和接触点的温度。
17.241
21.493 25.751 29.965
17.664
21.919 26.176 30.383
18.088
22.346 26.599 30.799
18.513
22.772 27.022 31.214
18.938
23.198 27.445 31.629
19.363
23.624 27.867 32.042
测量仪表
因为热电偶在使用 时，总要将热电偶回路 打开，接入测量仪表， 即插入第三种导体。
设将热电偶AB一端打开，接入第三种导体C
有
当
EABC (t，t0)=eAB(t)+ eBC(t0)+ eCA(t0)
t = t0 时
C
有
即
eAB(t0)+ eBC(t0)+ eCA(t0)= 0
eBC(t0)+e CA(t0)= －e AB(t0)
t0=0℃，E/mV
70 2.850 6.939 10.969 15.132 80 3.266 7.338 11.381 15.552 90 3.681 7.737 11.793 15.974
400
500 600 700
16.395
20.640 24.902 29.128
16.818
21.066 25.327 29.547
-200～ +900
-200～ +400
不同材质的热电偶，其热电势与热端温度的特 性关系不同。 铂及其合金（B、S）属于贵重金属，价格很贵， 但其热电势非常稳定，主要用做标准热电偶及测量 1100℃以上的高温。
镍铬－镍硅（K） 线性度最好 镍铬－康铜（E） 灵敏度最高 铜－康铜（T） 价格最便宜
1.1 温度检测仪表
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。
1.1.1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。有
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 辐射热来感知温度。
Kt ln NA( t )
t eAB( t ) =
e
NB( t )
NA( t )、 NB( t ) —自由电子密度； e —单位电荷
2、温差电势 t0
对于同一金属A（或B），
其两端温度不同，自由电子所
具有的动能不同，也会产生相
A
B
应的电势，称为温差电势。 热电势由两部分组成：接触 电势和温差电势。但温差电势 值远小于接触电势，常忽略不
铠装型
普通型
普通热电偶
1.1.2.4 热电偶类型 理论上任何两种导体或半导体都可以组成热 电偶，但考虑有良好的应用性能，必须对热电偶材 料加以选择。 选取原则：在测温范围内具有稳定的化学及物 理性质，热电势要大，且与温度接近线性关系。 国际电工委员会（简称IEC）规定了热电偶材 料的取材标准。用分度号命名不同取材的热电偶， 并给出了标准的热电势分度表。
计算法适用于实验或临时测温。
镍铬—镍硅热电偶分度表（简表）
分度号 K
t/℃ 0 100 200 300 00 0.000 4.095 8.137 12.207 10 0.397 4.508 8.537 12.632 20 0.798 4.919 8.938 13.039 30 1.203 5.327 9.341 13.456 40 1.611 5.733 9.745 13.874 50 2.022 6.137 10.151 14.292 60 2.436 6.539 10.560 14.712
用压力表 指示温度。
3、热电偶温度计 根据热电效应，将两种不同的导体接触并构成回路时， 若两个接点温度不同，回路中便出现毫伏级的热电势，这电 势可准确反映温度。 4、热电阻温度计 利用金属电阻值或半导体电阻值随温度变化的性质测温。
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，通过测量 感温器元件（结）电压变化来测量温度。
19.788
24.050 28.288 32.455
20.214
24.476 28.709 32.866
800
900 1000 1100 1200 1300
33.277
37.325 41.269 45.108 48.828 52.398
33.686
37.724 41.657 45.486 49.192
E=+6V
R2
Ic
Rc
c e b
+
Vbe R 1
e
R3
Vbe
由于热电 偶安装位置的 温度通常较高， 过高的环境温 度对检测电路 的工作不利。 有时需要用导 线将热电偶的 冷端延长！
1.1.3热电阻


1.1.2.5 热电偶冷端温度补偿
热电偶的热电势大小不仅与热端温度有关，还 与冷端温度有关。所以使用时，需保持热电偶冷端 温度恒定。但热电偶的冷端和热端离得很近，使用 时冷端温度较高且变化较大。为此应将热电偶冷端 延至温度稳定处。 为了节约，工业上选用在低温区与所用热电偶 的热电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区 的替代品来延长热电偶，称为补偿导线。
一、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。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。
电接点式 玻璃管温度计
玻璃管温度计
固体膨胀式温度计： 用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊接在一起制 成双金属片。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。
t0
A
t0
B
则 EABC (t，t0)= e AB(t) － e AB(t0)
t
由此可知，只要接入第三种导体的两个连接点温 度相等，它的接入对回路电势毫无影响。这一结 论可以推广至接入多种导体。
3、中间温度定律
一支热电偶在两接点温度为t 、t0 时的热电势， 等于两支同温度特性热电偶在接点温度为t 、ta和ta、 t0时的热电势之代数和。即
36.121
40.096 43.968 47.726 51.344
36.524
40.488 44.349 48.059 51.697
36.925
40.897 44.729 48.462 52.049
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2、仪表零点调整法
如果热电偶冷端温度比较稳定，与之相接的显 示仪表又可以调整零点，那么在测试前，将仪表指 针就调整到冷端温度处，再开始测量。 此法比较简单，但由于冷端温度（室温）也有 波动，所以只能在测温要求不太高的场合下应用。
热偶 补偿导线
根据中间温度定律，补偿导线和热电偶相连 后，其总的热电势等于两支热电偶产生的热电势 的代数和。 E (t,t0) = E偶 (t , t n) ＋ E补(t n ,t0)
热偶 t tn 补偿导线 t0
E (t,t0)
用补偿导线延长热电偶的必须条件是：补偿导 线的热电特性在低温段与所配热电偶相同。因此， 不同的热电偶配不同的补偿导线。
t
计。
Kt
e NB( t ) 热电偶回路总电势由接触电势和温差电势叠加 而成，称热电势。由于温差电势很小，热电势基本 由接触电势构成： EAB （t，t0）= e AB （t）- e AB（t0）
3、回路总电势
eAB( t ) =
ln
NA( t )
此计算式中，有的常数很难确定，无法实用。 实际中用实测标定。但从上述公式可以得出基本结 论： 对于确定的热电偶，热电势只与热端和冷端温 度有关。当冷端温度固定时， E（t，t0）是热端温 度 t 的单值函数。
*使用补偿导线只是将热电偶的冷端延长到温 度比较稳定的地方，而标准热电势要求冷端温度为 零度，为此还要采取进一步的补偿措施。
1．查表法（计算法） 如果某介质的温度为t，用热电偶进行测量， 其冷端温度为t0，测得的热电势为EAB（t,t0）。根 据中间温度定律，有 EAB（t ,0）＝EAB（t ,t0）＋ EAB（t0 ,0） 得出标准热电势EAB（t ,0），再查分度表就可 得出被测温度。
二、非接触式测温的具体方法有：
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。
红外线测温计 光学高温计
1.1.2 热电偶
热电偶是以热电效应为原理的测温元件，能
将温度信号转换成电势信号（mV） 。
特点：结构简单、测温准确可靠、信号便于
几种常用的标准型热电偶简介
热电偶名称 铂铑30—铂铑6 铂铑l0—铂 镍铬—镍硅 镍铬—康铜 铜—康铜 分度号 测温范围 （℃） B S K E T 0～+1800 0～+1600 0～+1000 平均灵敏度 10μ V/℃ 10μ V/℃ 40μ V/℃ 80μ V/℃ 50μ V/℃ 特 点 稳定性好,精度高,可在 氧化气氛使用 同上，线性度优于B 价廉,，可在氧化及中 性气氛中使用 灵敏,价廉,可在氧化及 弱还原气氛中使用 价廉,但铜易氧化,常用 于150℃以下温度测量
补偿导线
＋
E(t0 ,0) － E(t,0) E(t,t0)
*5．半导体PN結补偿法 利用半导体PN結电压随温度升高而降低的特 性自动补偿热电偶的冷端温度引起的误差。 图中半导体三极管基极结电压V be随温度升高 而降低。将V be放大后即可输出。
只要保持三 极管集电极电流 Ic 恒定，冷端补 偿电压e0 即与冷 端温度成正比。
1.1.2.2 热电偶的基本定律 1、均质导体定律
由一种均质导体或半导体组成的闭合回路中， 不论其截面和长度如何，以及沿长度方向上各处的 温度分布如何，都不能产生热电势。
因此，热电偶必须由两种不同材料的均质导体 或半导体组成。其截面和长度不限。
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2、中间导体定律
在热电偶回路中接入另一种中间导体后，只要 中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶 回路的热电势没有影响。
例 用K型热电偶测量某加热炉的温度。测 得的热电势E（t，t0）＝36.122mV，而自 由端的温度t0＝30℃，求被测的实际温度。
解 由分度表可以查得 E（30，0）＝1.203mV
则 E（t，0） ＝ E（t，30）+ E（30，0）
＝ 36.122+1.203＝37.325mV
再查分度表可以查得37.325mV 对应的温度 为900 ℃ 。
E AB ( t ，to ) = E AB( t , 0 ) － E AB( to , 0 ) 据此，只要给出冷端为0℃时的热电势关系 EAB( t ,0 ) ，便可求出冷端任意温度时的热电势。
t0
A B
0
0
B
=
A
－
符合分度 表要求
A
B
t
t
t0
1.1.2.3热电偶的构造
热电偶是用两种不同材料的偶丝或薄膜一端焊 接而成。其构造分普通型、铠装型、簿膜型等。
×100℃
3、冰浴法
把热电偶的冷端插入盛有绝缘油的试管中， 然后将试管放入装有冰水混合物的容器中，保持 冷端为0℃。这种方法多数用于热电偶的检定。
*4、 补偿电桥法
E(t,0)
补偿电桥法是利用不平衡电桥产 生的电势，来补偿热电偶因冷端温度 变化而引起的热电势变化值。
E(t0 ,0)
电桥
E(t,t0)
34.095
38.122 42.045 45.863 49.555
34.502
38.519 42.432 46.238 49.916
34.909
38.915 42.817 46.612 50.276
35.314
39.310 43.202 46.985 50.633
35.718
39.703 43.585 47.356 50.990