接触式测温方法的分类和适用范围

接触式测温方法的分类和适用范围
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

它通过将两种不同材料的导体或半导体A和B 焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个接触点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，并在回路中形成热电流，因此，可将温度的变化转变成热电势或热电流的变化。

热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

①测量精度高；
②测量范围广；
③构造简单，使用方便；
④将温度转换成电信号，便于处理和远传。

热电势的产生
热电势＝接触电势＋温差电势！
接触电势：金属导体的材料不同，导体内部自由电子密度不同→自由电子扩散→若A导体的自由电子密度较大，则→较多的自由电子由A至B，而返回较少→平衡时，A导体失去电子带正电，B导体得到电子带负电→A、B 接触处形成一定的电位差，及接触电势（帕尔帖电势）。

k：玻尔兹曼常数
（k=1.38×10－23J/K）
e：电子电荷量
（e＝1.602×10－19）
NA：导体A电子密度
NB：导体B电子密度
T：接触点绝对温度
温差电势：单一导体两端温度不同，导体内部自由电子高温端具较大动能→自由电子向低温端扩散→高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电→导体内部形成静电场，阻止电子继续扩散→动态平衡时，在导体两端产生一个电位差，及温差电势（汤姆逊电势）
δ:汤姆逊系数，表示温差为1℃时所产生的电动势值，与导体材料的性质有关。

热电势是T和T0的温度函数的差，而不是温差的函数－热电势的非线性
若两个电极为同种导体，则NA=NB，δA=δB，则EAB(T，T0) ≡0，即热电偶必为两种材料组成；若T=T0，则EAB(T，T0)≡0，即产生热电势的条件是两接点温度不同；导体接触面积无关。

若T0＝0，则EAB(T，T0)＝f（T）,热电势和温度之间为唯一对应的单值函数关系。

结论：热电势的大小只与两种导体材料A、B及冷热端温度有关，与热电极的形状、大小、长短，以及两导体接触面积无关。

构成热电极的导体材质有何要求？
均质导体定律
由同一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度分布如何，都不产生热电势
热电偶的热电势如何输出？
在制作热电偶时，一定要选用均质材料，以防止因材质不均匀而产生附加热电势，造成测量误差。

热电偶必须采用两种不同材质的导体组成
中间导体定律
A、B构成的热电偶回路接入第三种导体C，只要中间导体两端温度相同，那么中间接
入的导体对热电偶回路的总热电势没有影响。

如第三种导体两端温度不等，将造成热电势变化，变化取决于导体热电性质与接点温度。

因此，接入导体材料要尽量与热电偶热电性质相近
当热电偶参比端温度波动较大时，如何实现单变量测量？
在热电偶回路中，如果热电极A、B分别和连接导体A’、B’相连，其接点温度分
别为T，TC 和T0，则回路的总热电势等于热电偶的热电势和连接导体的热电势的代数和。

即
冷端温度不为0时，如何根据分度表求出热端温度？热电偶A、B在接点温度为T，T0 时的热电势等于热电偶A、B在接点温度为T，TC 和TC ，T0 的热电势的代数和，即
标准和非标准热电偶
任何两种导体都可组成热电偶，但作为测温的热电偶需满足：
电势值大，随温度单调上升，最好线性
材料易获得，有较好的延展性，易于加工
热电性质稳定；复现性好，价格低，物理、化学性稳定
电极的电阻小，温度系数小
7777按照工业标准化要求，可将热电偶分为标准化和非标准化热电偶两种。

标准化热电偶：工艺上比较成熟，能批量生产，性能稳定、应用广泛，具有统一的分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶，标准化热电偶可以互换，精度有一定的保证，并有配套的显示和记录仪表可供选用。

非标准化热电偶：虽然已有产品，也能够使用，但没有统一的标准，使用前仍需个别标定来确定热电势和温度之间的关系的热电偶，其存在的主要目的是进一步扩展高温和低温的范围。

t＝0℃时，所有型号的热电偶的热电势均为0，温度越高，热电势越大，t<0 ℃时，热电势为负值；
不同型号的热电偶在相同温度下，热电势一般有较大的差别；
温度和热电势之间的关系一般为非线性，因此，当热电偶自由端温度t0≠0时，应
根据中间温度定律计算热电势，然后再查分度表，求的温度t
当冷端温度波动较大时？
解决的办法：
将热电极延长→冷端引到一个温度稳定的地方，然后再考虑将冷端温度处理为0℃→热电偶的冷端处理和补偿!
常用的方法：
补偿导线法，冰点槽法，计算修正法，冷端补偿器法，软件修正法
补偿导线法
采用一定温度范围内（如－20～100℃），热电性质与热电偶的热电性质基本相同，但材料不同、价格较便宜的金属导体将热电偶的热电极延长，由于A’、B’的热电性质与A、B相近，可将其视为A、B电极的延长不会产生附加热电势。

连接导线定律
中间温度定律
补偿导线的特点
通常由补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成，在一定温度范围内具有和所匹配的热电偶热电势标称值相同的特性;
采用补偿导线可改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能。

采用多股线芯或小线径补偿导线可提高线路挠性，接线方便，也可调节线路电阻和屏蔽外界的干扰;
采用补偿导线可降低线路成本，节约热电偶材料。

补偿导线的分类
延长型：补偿导线合金丝的名义化学成分及热电势标称值与配用的热电偶相同，字母“X”表示
补偿型：其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同，但其热电势值在100下与配用的热电偶的热电势标称值相同，用字母“C”表示
必须注意的问题
补偿导线只能在规定的温度范围内（一般为0～100℃）与热电偶的热电势相等或相近；
不同型号的热电偶有不同的补偿导线；
热电偶和补偿导线的二个接点要保持同温；
补偿导线有正负极，分别与热电偶的正负极相连；
补偿导线的作用只是延伸热电偶的自由端，当自由端温度不等于0时，还需要进行其他的补偿与修正；
不同的补偿导线有不同的颜色。

参比端恒温法在工业应用时，一般把补偿导线的末端(即热电偶的自由端)引至电加热的恒温器中，使其维持在某一恒定的温度。

通常一个恒温器可供多支热电偶同时使用。

在实验室及精密测量中，通常把自由端放在盛有绝缘油的试管中，然后再将其放入装满冰水混合物的容器中，以使自由端温度保持为0℃，这种方法称为冰点槽法。

计算修正法用补偿导线把热电偶的自由端延长到t0处(通常是环境温度)，只要知道该温度值，并测出热电偶回路的电势值，通过查热电偶分度表计算的方法，就可以求得被测实际温度。

由于热电势的非线性，热电势是温度函数的差，而不是温差的单值函数
冷端补偿器法要求：
1）不同分度号的热电偶配用不同的冷端补偿器
2）补偿器中铜电阻必须与冷端同温
3）补偿范围有限（一定精度内，一般为0～50 ℃）
4）极性不能接反
软件修正法
在计算机监控系统中，有专门设计的热电偶信号采集卡或采集器，通常有单路、8路、或16路信号通道，带有隔离、放大、滤波等处理电路，在每一块卡上都在接线端子附近安有热敏电阻或半导体温度传感器，在采集卡驱动程序的支持下，计算机每次都采集各路热电动势信号和冷端温度信号，按计算修正法计算出每一路的热电动势值，就可以得到准确的被测值
修正方法：软件编程
出现背景：计算机技术和现场总线技术的发展
热电偶的结构型式
要求：
电偶两极之间以及与保护套管之间都需要有良好的绝缘；
⑵耐高温、耐腐蚀和耐冲击的外保护套管。

普通型装配式结构
柔性安装型铠装结构
优点测量端热容量小，响应速度快，挠性好，可弯曲，可以安装在狭窄或结构复
杂的测量场合，耐压，耐振，耐冲击
将热电偶丝，绝缘材料（氧化镁粉等）和金属保护套管三者组合装配后，经拉伸加工而成的一种坚实组合体
薄膜热电偶由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶
热容量小，动态响应快，可用于微小面积上温度测量，或快速变化的物体表面温度测量测温范围：－200～300 ℃
接触式测温热电阻温度计
金属热电阻(热电阻) 半导体热电阻(热敏电阻）
热电阻
电阻的热效应:利用金属电阻随温度变化的规律进行测量。

测温范围：-200～850℃
材料要求：
电阻温度系数要大：
电阻率尽可能大，热容量要小
测量范围内，应具有稳定的物理和化学性能；电阻与温度的关系最好接近于线性；应有良好的可加工性，且价格便宜。

骨架材料的体膨胀系数要小，机械强度和绝缘性能良好，耐高温腐蚀（云母、石英、陶瓷、玻璃和塑料等）
标准热电阻
铂电阻
测温范围：－200～850 C ；
Rt=R0(1+At＋Bt2)；当-200～0 C
Rt=R0[1+At＋Bt2 ＋Ct3（t－100）]；当0～850 C
温度升高，阻值增加。

分度号：Pt10, Pt100
铜电阻：线性好，价格地，但体积大，热响应慢
测温范围：－50～150 C ；
Rt=R0(1+ t)；近似线性；
分度号：Cu50, Cu100
标准热电阻的分度表
采用标准热电阻数学模型计算得出，在相邻数据间采用线性内插法
三线制和四线制
三线制：为了减小引线电阻的影响，引线可采用三根，其中两根引线来自热电阻的一个引出端。

另一根引线接至热电阻的另一个引出端。

三根引线分别接到变送器或显示仪表输入电路的电桥的电源和两个桥臂。

这种引线方式称为三线制
电桥平衡时：
四线制：如果采用恒流源和直流电位差及来测量电阻阻值时，就要求采用四线制接法，即在热电阻两端各引出两根导线，其中两根和恒流源连接，另外两根线和电位差计相连。

此时：
在电流回路中，导线电阻r 引起的
压降rI不在测量回路范围内
在测量电压回路中虽然有导线电
阻r 但并无电流，因为电位差计
在测量时不取电流
因此：四根导线电阻对测量均没有影响！
注意：导线必须从热电阻感温体的根部引出；
流过热电阻的电流应小于6mA；
与电桥或电位差计配合使用时，要注意共模电压对测量的影响。

热敏电阻
用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的测温敏感元件
负温度系数：
两个重要参数：R（T0=25℃），B
优点：α值一般为金属热电阻的
十几倍，灵敏度高；
阻值高，引线电阻可忽略；
结构简单，响应快；
价格便宜。

缺点：互换性差，稳定性不好
测温元件的安装注意事项
确保测温元件与被测材料有充分接触；
保持接线盒清洁干燥；
防止热量散失，保护套管露在设备外部长度应尽量短，并加保温层；
使用规定的补偿导线，并确保正确接线；
一次仪表与二次仪表间的信号线尽量不要有接头；
信号线尽量单独穿管敷设；
插入深度要求：量端应有足够的插入深度，应使保护套管的测量端超过管道中心线5~10mm；
插入方向要求：保证测温元件与流体充分接触，有条件应尽量在管道弯管处安装；最好是迎着被测介质流向插入，正交90°也可，但切勿与被测介质形成顺流。

如需水平安装，应有支架加以支撑。

变送器是一种特殊的传感器，它分别将各种对象参数和电、气信号转换成相应的统一标准信号，并传送到指示记录仪表、各种运算器或调节器等，供指示、记录或调节
由图知，输入输出关系为：
当满足深度负反馈条件时：
广泛应用负反馈原理，信号处理电路等，使输入输出具有良好的线性关系
为了使用方便，还应具有零点调整、零点迁移和量程调整等功能
量程调整
量程是指被测参数测量范围的上限值xmax减去测量范围的下限值xmin。

量程（或满度）调整的目的，是使变送器的输出信号上限值ymax与测量范围的上限值xmax相对应，相当于改变输入输出特性的斜率。

量程调整通常通过改变反馈系数F
的大小来实现
也有些变送器还可以通过改变转换
系数D来调整量程
零点调整和零点迁移
目的:使输出信号下限值ymin与测量范围的下限值xmin相对应
xmin=0时，称为零点调整，xmin≠0时，称为零点迁移
④非线性特性的校正方法
在反馈通道中设置非线性补偿环节，使反馈环节与检测元件具有相同的非线性特性
在测量转换部分中设置非线性补偿环节，使测量转换部分与检测检测元件具有相反的非线性特性
⑤变送器信号传输方式
二线制和四线制
两线制：两根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号
四线制：供电电源和输出信号分别用两根导线传输
两线制：节省连接电缆，有利于安全防爆和抗干扰；大大降低安装费用，减少自控系统投资
工业中广泛使用的温度变送器是一种仪表装置，可与温度传感器（热电偶和热电阻）连接，在测量时将热电势和电阻值转化为直流4～20mA标准信号进行远传，完成从温度量到传输信号量的转换。

1. 仪表系列温度变送单元
直流毫伏量程单元
热电动势量程单元
热电阻量程单元
放大单元
2. 一体化温度变送器
该温度变送器属于仪表系列中、变送单元中的一种型号，其特点为：
采用2线制、4～20mA标准信号进行远传
直流24V集中供电，变送器内无电源电路
采用集成电路运算放大器件
除直流毫伏输入的品种之外，热电偶输入和热电阻输入的品种都有线性化功能
兼有安全栅作用，可以用于本安防爆系统
直流毫伏、热电偶、热电阻这三种输入信号的“量程单元”（即由输入电路和反馈电路组成的线路板）各不相同，但其后所接的放大单元相同。

一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。

其变送器模块和测温元件形成一个整体，可以直接安装在被测温度的工艺设备上，输出为4～20mA统一标准信号，属DDZ-S系列仪表。

分为配热电偶的SBWR型（E,K,S,B,T等）及配热电阻的SBWZ型（Cu50，Cu100 ，Pt100 ）；
按输出信号有无线性化可分为与被测温度呈线性关系及与输入信号呈线性关系两种；
基本误差都不超过量程的±0.5％，环境温度影响为每1℃变动不超过0.05％，可安装在－25～80 ℃环境中；
额定电压24V，但允许使用于12～35V电源电压下；
大多数无输入输出隔离措施；
主要特点：
节省了热电偶补偿导线或延长线的投资，只需两根普通导线相连
由于其连接导线中为较强的4～20mA信号，比传递微弱的热电动势具有明显的抗干扰能力
体积小巧紧凑，通常为直径几十毫米的短柱型，安装在热电偶或热电阻套管接线端子盒中，不必占用额外的空间。

不需调整维护，因为全部采用硅橡胶或树脂密封结构，其耐环境性较好，但损坏后只能整体更换。

非接触式测温测温原理：利用物体处于绝对零度之上时，其辐射能量随其温度而变化的原理，理论上测量上限无限制。

分类：光学高温计、辐射温度计
应用：冶金，铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产中的高温测量，其中辐射测温方法广泛应用于900 ℃以上的高温区测量，近来随红外技术的发展，测温下限移至常温区，大大扩展了非接触测温方法的使用范围
特点：不干扰被测对象的温度场，不受被测对象的腐蚀和毒化，不必与被测对象同温，测量上限不受限制，不必与被测对象达到热平衡，动态特性好，但测量准确性受环境及对象性质影响较大。