温度检测及仪表

一、热电偶
（1）.热电现象及测温原理
热电极A
热电偶工作原理演示
热电势
左端称为：
测量端
A
(工作端、
热端)
B
热电极B
右端称为：
自由端
(参考端、 冷端）
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
热电势的产生
– 不同金属具有不同的电子密度；
– 两种金属接触面因为电子的扩散作用而产 生电场；
– 电子在扩散作用和电场力作用下最终达到 平衡；
– 电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散
作用越强。
扩散作用
接触电势eAB
金属A + +
金属B -
电场作用
+
金属A
+ +
+
-
-
金属B
-
对于一定材料 eAB(t) ∝t
闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差 电势两部分组成：
eA(t,t0)
A
EAB (t,t0 ) eAB (t) eAB (t0 ) eB (t,t0 ) eA(t,t0 )
)

eCA
(t0
)

0
t
于是可得 EABC (t, t0 ) eAB (t) eAB (t0 ) EAB (t, t0 )
A t0
同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种……导
t
C
体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原
t0 B
热电偶回路中的热电势均没有影响。 根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接
铂铑 10-铂
S
镍铬-镍硅
K
热电势小，精度高，价格高
热电势小，精度高，线性差， 价格高
下
降 热电势大，线性好，价格低
镍铬-康铜
E
热电势大，价格低
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 分度表：当t0=0℃时，EAB(t,t0 ) 与温度t对应的数值 表。（非线性）
§3.5 温度检测及仪表
§ 3.5.1 概述
• 温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。 – 所有的过程都是在一定的温度条件下进行的； – 温度决定一些反应能否进行和反应方向； – 温度决定一些反应的进程程度； – 温度显示反应的能量变化。
一、测温原理
• 温度不能直接测量。 温度的测量都是通过温度传递到敏感元件后，该
接触电势
温差电势
eAB(t)
eAB(t0)
B
由于温差电势比接触电势小很多， 常常把它忽略不计，这样热电偶 的电势可表示为：
eB(t,t0)
EAB (t,t0 ) eAB (t) eAB (t0 )
(i)
图3-57 热电偶原理
eAB(t0)
EAB (t,t0 ) eAB (t) eAB (t0)
发生弯曲而显示温度
双金属温度计
2、压力式温度计
• 利用液体的蒸发或气体的膨 胀而引起的压力变化进行测 量。
– 温包：传热、容纳膨胀介质； – 毛细管：传递压力； – 弹簧管：显示压力（温度）。
3、辐射式温度计
• 通过特定波长光波的强度或热辐射强度 来确定光源温度。
1. 辐射式温度计：测定热辐射强度；

膨胀式玻 双璃 金液 属体 : 8: 05~06~0060C0C
接触式压力式铂 蒸 液 气铑 汽 体 体
: 30 ~ 600C : 20 ~ 350C : 0 ~ 250C 铂 : 0 ~ 1600C
温度计
解二：利用中间导体定律 E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10) = eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV 。
(3)热电偶的“中间温度定律”
热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势 EAB(T,T0)等于热电偶AB在接点温度为T、TC 和TC、T0的热电势EAB(T,TC)和EAB(TC,T0)的代 数和
三、温度测量仪表的种类
• 600ºC以上-------高温计 600ºC以下-------温度计
• 接触式、非接触式 四、温度测量的基本原理及方法
1、物体受热，体积膨胀 V--T 2、压力随温度变化 P--T 3、金属导体电阻随温度变化 R--T 4、热电效应原理 E--T 5、热辐射原理
常用温度计的种类及适用温度
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？） 。
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。
2. 光学温度计：采用光学分频法，测定不同频 率光波的强度比值；
3. 比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定 光源温度。
辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特 别是光学温度计和比色温度计需要利用物体 在高温下发射的可见光进行检测。
1.红外线辐射温度计
红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以 下的温度测量，市售的红外辐射温度计的温度范围可以从 -30℃~3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需要 选择适合的型号。
导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行
测量而不影响热电偶的输出。
中间导体定律
例：求热电偶回路的电势。 已知：eAB(240)=9.747mV，eAB(50)=2.023mV，eAC(50)=3.048mV，eAC（l0）=0.591mV。
解一：E=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10)， 而 eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0 E= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV
红外辐射温度计测温依据
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发 出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长 的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此， 通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定 它的表面温度。
红外系统：
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放 大器及信号处理、显示输出等部分组成。
(i)
eA(t,t0) A B
eB(t,t0)
=eAB(t)+ eBA(t0)
eAB(t)
注意：如果下标次序改为eBA，则热电势e前面的符号也应相
应改变，即
eAB (t) eBA (t)
式(i) 当冷端温度t0一定时，对于确定的热电偶来说，eAB(t0)为常数，因此， 其总热电势EAB(t,t0)就与温度t 成单值函数对应关系，和热电偶的长短、 直径无关。只要测量出热电势大小，就能判断被测温度的高低，这就是
非接触式光纤传感测温仪
§ 3.5.2 热电偶温度计 热电偶测温的主要优点
1、它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源， 可直接驱动动圈式仪表； 2、测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以上； 3、各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。
热电偶温度计分三部分 •热电偶 •补偿导线 •测温仪表
耳温仪
红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用
温度 采集系统
利用红色激光瞄准被 测物（电控柜、天花 板内的布线层）
CIT比色在线式红外测温仪
测温范围-20～3500℃
比色式温度传感器
比色式温度传感器采用比色式（双波段）测 温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知 道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较 强，不受窗口玻璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可 不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调 焦就可准确测量。
EAB(T,T0)= EAB(T,TC)+ EAB(TC,T0)
(4).热电偶的种类
• 热电偶的材质要求：
– 单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性 关系；
– 热电性质稳定； – 化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀； – 具有较好的延展性，易于加工成丝； – 复现性好，便于批量生产和互换。
• 不同材质的热电偶有不同的特性，应根 据实际需要选择
敏感元件的物理性质随温度变化而进行的。 热交换 热辐射
二、温标
1、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。 2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、 热力学温标等。
几种温标的对比
正常体温 为37 C ， 相当于华 氏温度多 少度？
5种热电偶的测温范围与热电势各有什么特点？
几种常用热电偶的热电势与温度的关系
结论：
曲线分析
哪几种热电偶的 测温上限较高？
哪一种热电偶的 灵敏度高？
哪一种热电偶的
灵敏度较低？
哪几种热电偶的线
性较差？
为什么所有的曲线均过原点（零度点）？
常用工业热电偶比较
热电 偶名 分度号
特点
性能
称 铂铑 30-铂铑 6 B
比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 : 烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现 场。
WFT-202辐射温度计
• 根据物体的热辐射效应原理来测量物体表 面温度。
• 测量范围 400~2000 ℃
光学高温计
隐丝式光学高温计 测量方法：调节电阻R以改变灯丝亮度,
当它与待测光源像的亮度相等时，灯丝在光源的像上消失,这时 由电表G上读出物体的亮度温度；或用补偿法由电位差计测量电 流的精确值，再通过计算求出亮度温度，后一方法适用于精密 测量温度。
热力学温标（K）
热力学温标是
建立在热力学第二定 律基础上的最科学的 温标，是由开尔文 （Kelvin）根据热力 学定律提出来的，因 此又称开氏温标。它 的符号是T，单位是 开尔文（K） 。
威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像
1990国际温标(ITS-90)
从1990年1月1日开始在全世界范围内 采用1990年国际温标，简称ITS-90。它定 义了一系列温度的固定点，测量和重现这 些固定点的标准仪器以及计算公式，例如 水的三相点为273.16K（0.01C）等。
分度号
名称
测量温度范围
1000C 热电势/
mV
B
铂铑30－铂铑6
50～1800 C
4.834
R
铂铑13—铂
-40～1600 C
10.506
S
铂铑10—铂
-40～1600C
9.587
K
镍铬－镍硅 (铝)
-270～1200 C
41.276
E
镍铬－铜镍 (康 铜) －270～900 C
76.373
比色 : 900 ~ 1700C

红外线热 光电 电式 式
: :
0 ~ 3500C 200 ~ 2000C
1、膨胀式温度计
• 玻璃液体温度计
– 利用液体受热膨胀并沿
玻璃毛细管延伸而直接
t = t0
显示温度
• 双金属温度计
t t0
– 不同金属受热膨胀不同，
双金属片在受热情况下
光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大 小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光 电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和 信号处理电路，并按照仪器内部的算法和目标发射率校正
后转变为被测目标的温度值。
红外线辐射温度计外形
激光仅用于瞄准
红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用

热 热电 电阻 偶： 镍 镍铂铬 铬:
镍硅 考铜
200 ~
: 50 ~ 1000C : 50 ~ 600C 600C、铜 : 50
~
150C


热辐射 : 400 ~ 2000C
辐射式光辐射 :来自百度文库700 ~ 3200C
非接触式
不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产
生的热电势是不同的。
(2)中间导体定律和热电势的测量
毫伏计
C
C
t0
t0
中间导体定律
A
B
EABC (t, t0 ) eAB (t) eBC (t0 ) eCA (t0 ) t
A
B
当 有
t
＝
t0
时
，EABC
(t0
,
t0
)

eAB
(t0
)

eBC
(t0
– 测量范围、放大系数（以分度值表示）、测 量精度、抗腐蚀能力、价格等。
八种国际标准化热电偶：
B:铂铑30—铂铑6 、R:铂铑13—铂 、S:铂铑10—铂 、 K:镍铬—镍硅 、N:镍铬硅—镍硅 、E:镍铬—铜镍、 J:铁—铜镍 、 T:铜—铜镍
用于制造铂热电偶的各种 铂热电偶丝
几种常用热电偶的测温范围及热电势
热电偶的温度测量原理。
重要结论：
•
1.如果组成热电偶的两种电极材料相同，则
无论热电偶冷、热两端的温度如何，闭合回路
中的总热电势为零；
•
2.如果热电偶冷、热两端的温度相同，则无
论两电极材料如何，闭合回路中的总热电势也
为零
•
3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温
度有关之外，还与电极材料有关，也就是说由