第二章温度测量分析

(b)、中间介质的影响，灰尘、烟雾的干扰；
(c )、非绝对黑体的影响。
2.2.2 热电偶温度计 2.2.2.1 工作原理
工作原理 (1)热电效应：两种不同的导体 或半导体连成闭合回路，当两个接点处的温 度不同时，回路中将产生热电势，这种现象 称为热电效应。回路电动势大小与导体材料 性质及温度有关。
华氏温标、热力学温标等。
温
标
摄氏温标:
把标准大气压下纯水的冰融点定为0度，
纯水的沸点定为100度的一种温标。在0度和100度之
间分成100等分，每一分为一摄氏度，符号为℃。
华氏温标: 规定在大气压下，纯水的冰融点为32度， 纯水的沸点为212度，中间划分为180等分，每一分为 一华氏度，符号为℉。 热力学温标: 又称开尔文温标，单位为开尔文 （K）。
eA(T, T0)
A T eAB(T)
B
T0 eAB(T0)
eB(T, T0)
由A、B两种材料连成闭合回路，接点处于不 同温度场T、T0。
能产生热电效应的元件称为热电偶。 其中A、B：热 电极（正、负)T：热端、工作端 T0 ：冷端、参考端
回路中产生的热电势由接触电势和温差电势组成。 接触电势：产生于两导体的接点（同一温场），由于 A、B的电子密度不同（设NA＞NB），电子扩散的速 率不同。A失去电子多呈(＋)、B失去电子少呈(－)， AB间形成静电场，即接触电势eAB(T), eAB(T0) A T B T0
【解】查铂铑10—铂热电偶分度表，得 E(30,0)=0.173mV，由中间温度定律得 E(t,0)=E(t,30)+E(30,0) =9.481+0.173 =9.654mV 再查分度表,得被测温度t=1006.5 ℃。若不进 行校正，则所测9.481mV对应的温度为991 ， 这与真实温度的误差为-15.5 。
2、wk.baidu.com度测量
本章内容：1、温度的概念及测温方法分类
2、热电偶温度计 3、热电阻测温 4、辐射式高温计
学习目标
• 通过学习要求了解温度测量的基
本方法，掌握几种温度测量器件
的结构、工作原理、特性, 学会 选用方法和技巧，能用其组成测 量系统。
热电阻 温度传感器
热敏电阻 热电偶
温度测量基本知识
温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的
设：冷端温度恒为t0（t0≠0） 被测温度为 t 修正公式 (t ,0) 测量得出热电势
E(t , t 0 ) E(t 0 ,0)
被测温度t热电势 冷端t0热电势
仪表机械零点调整法 将显示仪表的机械零点调至t0处，相当于在输入热电 偶热电势之前就给显示仪表输入了电势E(t0, 0)
例1
用S型热电偶测温，热电偶的冷端温度t0=20℃，
返回
结论：
（2）若组成热电偶回路的两热电极 材料相同，无论两接点温度如何，由 于二导体的电子密度相同，不能形成 接触电势，而两个温差电势大小相等， 方向相反，因此回路中不能产生热电 势。利用此结论可验证两热电极材料 是否相同。
返回
结论：
（3）若热电偶两接点温度相同，则 尽管两导体材料不同，热电偶回路 的总电势亦为零。
T
c.EAB只与端点温度T、 T0有关，与材料的中间温度
无关。
(2)中间导体定律：在热电偶回路中接入第三种 材料的导体，只要中间导体两端的温度相同， 第三种导体的接入不会影响热电偶的总电势。 T0
T
V
证明：如图，C是第三种导体，与A、B接 点的温度同为T0 ，回路中的总接触电势为：
E ABC E AB (T ) E BC (T0 ) ECA (T0 )
2)非接触式测温
非接触式测温：测温仪表的敏感元件不直接与被测 对象接触，而是通过辐射和对流来实现热交换，以 达到测温的目的。非接触测温的特点是感温元件不 与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故 可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。 此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒， 故便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。
2.2.2.4热电偶冷端温度补偿
热电偶的分度表所表征的是冷端温
问题引出
度为0℃时的热电势-温度关系，与 热电偶配套使用的显示仪表就是根
据这一关系进行刻度的。
解决方法 0℃恒温法
冷端温度修正法
仪表机械零点调整法 补偿电桥法
1）冰浴法（0℃恒温法）
适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用
2）冷端温度修正法
＊热电偶：利用热电效应，电偶二端的热电动势与 温度有关的原理。 常用有： 铂铑10－铂、镍铬－镍硅、铜－康铜等。 测量 原理 热电 极
两种不同的金属A和B构成闭合回路 当两个接触端 T﹥ T0时，回路中会产生热电势
• 两种不同的金属A和B构成闭合回路 • 当两个接触端 T﹥ T0时，回路中会产生热电势
气体膨胀式：压力式温度计
对于液体： Vt 2 Vt1 Vt 0 ( )(t 2 t1 ) , 分别为液体、容器的体积膨胀系数。水银的 较大、线性好。
测量原理
物体受热时产生膨胀 固体膨胀式温度计
液体膨胀式温度计
玻璃管温度计
双金属温度计
＊压力式温度计：利用气体在固定容积中随温度升 高，其压力增大的原理。 有：气体压力温度计、饱和蒸汽压力温度计 ＊热电阻：利用导体或半导体的电阻值随温度变化 的原理。 常用的有：Cu50、Cu100、Pt10、Pt100、热敏电 阻
讨论：
1、热电偶回路热电势大小与热电偶的长 度，热电极直径大小有没有关系？ 2、若热电偶的两热电极材料相同，两端 温度不同，回路有没有热电势？ 3、若热电偶的两热电极材料不同，两端 温度相同，回路有没有热电势？
结论：
（1）回路热电势的大小，只与组成热 电偶的导体材料及两端温度有关，而 与热电偶的长度、热电极直径无关。
T＝T0
EABC＝0
E AB (T0 ) E BC (T0 ) ECA (T0 ) 0
E BC (T0 ) ECA (T0 ) E AB (T0 )
EABC EAB (T) EAB (T0 ) EAB
(3)中间温度定律
热电偶在接点温度为(T1,T3)时的热电势，等于在 (T1 ,T2)和(T2 ,T3)时的热电势之和。(T1 ＞ T2 ＞ T3)
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2.2.2.3
热电偶的应用定则（性质）
(1)均质导体定律：若热电偶由两种均质导体组成， 则热电偶的热电势仅与两接点的温度有关。
NA k E AB (T , T0 ) (T T0 ) ln ( A B )dt e N B T0
a.若T＝T0，尽管A、B材质不同，总热电势EAB为0； b.若热电偶由两种相同的导体组成，无论两接点的 温度如何，总热电势为0；
3)测温仪器
测温仪器分为接触式和非接触式。
接触式仪器分: 膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式 温度计) 电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电 阻温度计) 热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原 理的温度计。 非接触式温度计分：辐射温度计、亮度温度计和比色 温度计，统称辐射温度计。
0
T
T
（忽略了温差电势）
当A、B材质选定， EAB(T,T0)只与T、 T0有关，
E AB (T , To ) f (T ) f (T0 )
若保持T0恒定，f(T0)为一常数，则有：
E AB (T , To ) f (T ) C (T )
EAB(T,T0)只与热端温度T有关。上式是热电偶 的测温依据，其前提是维持冷端温度T0恒定。
测得热电势为7.32 mv，求被测对象的实际温度t。
解 由分度表查得 E(20,0 )=0.113 mv 则 E(t,0) = E (t,t0)+E (t0,0) = 7.32 + 0.113 mv 再查分度表得其对应的被测温度t=808℃ = 7.434
例2：用分度号为S的铂铑10—铂热电偶测炉温， 其冷端温度为30℃，而直流电位差计测得的热 电势为9.481mV，试求被测温度。
各种物理和化学过程相联系。 温度概念的建立及测量：以热平衡为基础的， 温度最本质的性质：当两个冷热程度不同的物 体接触后就会产生导热换热，换热结束后两物 体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。 测量方法：接触式测温和非接触式测温
温度检测的基本知识
2.1 温度标尺 温度的数值表示方法称为温标。它 规定了温度的读数的起点（即零点） 以及温度的单位。各类温度计的刻 度均由温标确定。 国际上规定的温标有：摄氏温标、
温度的单位：
开尔文T K tC =T – 273.15 K
摄氏度tC 华氏度tF
℃
℉
9 t F 32 t C 5
思考题：
正常体温为37 C ， 相当于华氏温度多 少度？
9 t F 32 t C 5
几种温标 的对比
2.2接触式测温 2.2.1 温度的测量方法分类
1）接触式测温
按照温度测量范围，可分为超低温、 低温、中高温和超高温温度测量。 超低温一般是指0～10K，低温指10～ 800K，中温指800～1900K，高温指 1900～2800K的温度，2800K以上被认为 是超高温。
4)测温误差分析
、接触式测温误差来源： (a)、测温元件（传感器的敏感元件）必须与 被测对象接触,易影响被测温场的分布； (b)、测温元件与被测对象之间不能充分接触。 非接触式测温误差来源： (a)、人的视觉误差；
势，与导体材料性质有关。
闭和回路总电势
A (t , t0 )
AB (t )
A
AB (t0 )
B
B (t , t0 )
AB (t, t0 ) AB (t ) B (t, t0 ) AB (t0 ) A (t, t0 )
NA k (T T0 ) ln ( A B )dt e N B T0
2）非接触测温
温度敏感元件不与被测对象接触，而是
通过辐射能量进行热交换，由辐射能的大小
来推算被测物体的温度。
(1) 辐射式温度计 特 点 (2) 光纤式温度计。
具有较高的测温上限；不与被测物体接触，
不破坏原有的温度场；热惯性小，可达千分
之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速
度变化的温度。精度一般不高。
接触电势
eAB(T)＝UA－UB
又称珀尔特效应
kT N AT e AB (T ) U AT U BT ln e N BT kT0 N AT 0 e AB (T0 ) U AT 0 U BT 0 ln e N BT 0
式中 k：玻尔丝曼常数 e：单位电荷 N：自由电子密度 接触电势eAB(T)取决于导体的性质和接点的温度。
E AB (T1,T3 ) E AB (T1,T2 ) E AB (T2 ,T3 )
根据热电偶在冷端温度为0℃的分度表，可求出冷 端温度在其它温度时的热电势值。也可用于计算 修正。
(4)标准电极定律：
T T C T0 B T0 C A T0 T
A
B
已知EAC(T,T0)、 EBC(T,T0)，C作为标准电极，（常 用金属铂）则 EAB(T,T0)＝ EAC(T,T0)－ EBC(T,T0)
温度敏感元件与被测对象接触，经过换热
后两者温度相等。
(1) 膨胀式温度计 (2) 热电阻温度计
(3)热电偶温度计
特 点
(4)其他原理的温度计
直观、可靠，测量仪表也比较简单
＊膨胀式温度计：利用物体受热后体积膨胀的原理。 固体膨胀式：杆式温度计、双金属温度计
液体膨胀式：玻璃管水银温度计（常用）－100~600℃
温差电势：一根均质金属导体A两端温度不等则 产生温差电势。
＊温差电势：eA(T,T0)，eB(T,T0) 汤姆逊效应:
e A (T , T0 ) U AT U AT 0 δ Adt
T0
T
eB (T , T0 ) U BT U BT 0 δ B dt
T0
T
汤姆逊系数，表示温差为10C时所产生电动
T
2.2.2.2 热电偶测温依据
热电偶回路中总热电势EAB(T,T0)由二个接触电势和二个温 差电势串联而成。
E AB (T, T0 ) e AB (T) e A (T, T0 ) e AB (T0 ) e B (T, T0 ) k NA NA k e ( T ) e ( T ) ln dt (T T ) ln ( ) dt AB AB 0 0 A B e NB e N B T0 T