第三章 温度测量 热电偶

1-热电偶热端；2-热电极；3-绝缘管； 4-保护套管；5-接线盒
普通工业热电偶结构示意
(a)热电偶结构（外观），(b)热电偶参比端接线盒；(c)热电偶测温元件 1一保护套管； 2一金属加固管； 3一非金属保护套管； 4一活动法兰；5一金属保护 套管； 6一固定螺栓； 7-接线座； 8一接线柱； 9一接线盒； 10一盒盖； 11一 瓷绝缘管； 12一热电偶电极
3、薄膜热电偶
3.2.4热电势的测量及多路温度检测 3.2.4.1 热电势的测量 1. 动圈表XCZ-101 (1) 工作原理 (2) 环境温度的影响及表内电路
测温系统的构成
2. 电位差计 工作原理：电压平衡 分类：手动电位差计，电子电位差计
电子电位差计
思考：为什么电位差计的精确度比动圈表的精确 度要高？
标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际 温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被 标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度 值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的 输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度 计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对 温度计的标定；被定后的温度计可作为标准温 度计来测温度。
1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压， 把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。 摄氏温度和华氏温度的关系为： T ℉ =1.8 t℃ + 32 式中 T ——华氏温度值 t ——摄氏温度值
3.1.2.2 热力学温标
• 热力学温标是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的 ，以卡诺循环(Carnot cycle)为基础。 • 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之 一。 • 热力学温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把 水的三相点（气、液、固相平衡共存）温度定义 为273.16 K。 • 卡诺热机不存在，从与卡诺原理等效的理想气体 状态方程复现热力学温标，但实际气体与理想气 体存在差异，气体温标的建立繁杂，实际使用不 方便。
比较法校验
用标准热电偶与被校热电偶测同一稳定对象的温度 来进行的。一般用管式电炉作为被测对象，通过手动 操作或温度控制器控制调整电炉的温度，并稳定在预 定的温度值上。标准热电偶一般采用比被校热电偶精 确度更高的铂铑10-铂热电偶。
热电偶
1. 用分度号为K的镍铬-镍硅热电偶测量 温度，在没有采取冷端温度补偿的情况 下，显示仪表指示值为500℃，而这时冷 端温度为60 ℃ 。试问实际温度应为多少 ？如果热端温度不变，设法使冷端温度 保持在20 ℃ ，此时显示仪表的指示值应 为多少？
历史上有过多种温标： 经验温标：
● ●
摄氏温标； 华氏温标；
热力学温标 国际实用温标
目前的国际实用温标为ITS-90温标。
3.1.2.1 经验温标 华氏温标
1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温 介质，制成玻璃水银温度计。 按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸点为212℉
摄氏温标
3.2 热电偶温度计
3.2.1 热电偶的测温原理
主要板书讲解，结合图片及视频
3.2.1.1 热电偶测温原理
热电现象(塞贝克效应）
理论和实践都证实，热电现象中产生的热电势是 由接触电势和温差电势两种电势的综合效果。
热电偶
我国规定补偿导线分为补偿型和延伸型两种。补偿型补 偿导线的材料与对应的热电偶不同，是用贱金属制成的 ，但在低温下它们的热电性质是相同的。延伸型补偿导 线的材料与对应的热电偶相同，但其热电性能的准确度 要求略低。

C
2. 现用一支镍铬-镍硅热电偶测某换热器内温 度，其冷端温度为30 ℃ ，而显示仪表机械零 位为 0 ℃ ，这时指示值为400 ℃ ，若认为换 热器内的温度为430 ℃ ，对不对？为什么？正 确值为多少？
3. 检定配热电偶的温度显示仪表时，常 用标准电势输入代替实际热电偶的热电势 。现要检定K型温度显示仪表在700 ℃时 的准确度，问输入多大的标准电势（检定 时环境温度为25 ℃ ）？
非 接 触 式
需准确知道被测对象表面发射率； 被测对象的辐射能充分照射到检测 元件上
测量 范围
特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀 性对象的连续在线测温，对高于l300℃ 以上的温度测量较困难
原理上测量范围可从超低温到极高 温，但 1000℃以下，测量误差大， 能测运动物体和热容小的物体温度
精 度
●
●
规定了不同温区定义T90的计算公式
3.1.2.4 温标的传递 国际实用温标由各国计量部门按规定分别
保持和传递。
由定义固定点及一整套基准仪表复现国际
温标，再通过基准和标准测温仪表逐级传递。
实用工作温度计的检定装置采用各种恒温 槽和管式电炉，用比较法进行检定。
对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种 方法：
3.1.2.3 国际温标
1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标， 简称ITS-90。 ITS-90由温度单位、1990年国际温标的通则、1990年国际温标 的定义、补充资料和早期温标的差值。
1. 温度单位 在ITS-90中，热力学温度（符号为T）是基本物理量，它的 单位是开尔文，符号为K。定义：水三相点热力学温度的1/273.16 为1K。 温标允许使用与水冰点温度的差值来表示温度。用这种方法 表示的热力学温度称为摄氏温度，温度符号为t，则有： t90/ ℃ = T90/K - 273.15 因此，水的三相点为0.01 ℃ 绝对零度（0K）= - 273.15 ℃，不可能达到的低温极限。
2. ITS-90国际温标的通则
规定，测温范围由0.65K向上直到用普朗克辐射定律和 单色辐射实际上可测量的最高温度。 将整个温度范围定义成若干个温区和分温区。 注意：某些温区和分温区是重叠的，重叠区的温度定义 有差异，但定义是等效的。实际测量中差值可以忽略。
3. ITS-90国际温标的温度定义
（1） 温度固定点
补偿导线
补偿导线的型号和性能简表
3.2.2.1 热电偶的构造
1、普通型热电偶 常用的普通型热电偶是由热电极（一端焊接的两根金属丝） 绝缘套管、保护套管以及接线盒组成。在个别情况下，如果被测 介质对热电偶不会发生侵蚀作用，也可不用保护套管，以减小接 触测温误差与滞后。
1-接线柱；2-接线座；3-绝缘套管； 4-热电极
3.1.1.1 膨胀式温度计
1. 玻璃管温度计
玻璃液体温度计，直读式仪表。 水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝 固点为-38.9℃、测温上限为538℃。 玻璃温度计特点：结构简单，制作容易 ，价格低廉，测温范围较广，安装使用 方便，现场直接读数，一般无需能源， 易破损，测温值难自动远传记录。
水银玻璃温度计 1-玻璃温包；2-毛细管； 3-刻度标尺
3.1.2 温度标尺
定量地表示物体温度数值大小的尺度称为温度标尺，简称 温标。 温标是用数值表示温度的一整套规则，它确定了温度的单位 各种测温仪表直读温度的刻度均是通过温标来确定的。 建立温标需具备的三个条件 （1）固定温度点。利用物质的相平衡点作为温标的固定温度 点，称为基准点； （2）测温仪器。其实质是确定测温物质及测温量； （3）温标方程。确定各固定点之间任意温度值的数学关系式 ，也称内插公式。
2. 双金属温度计
（a)条形双金属；
（b）螺旋形双金属
观看视频
双金属温度计结构
（a)轴向型 (b)径向型 1一表壳；2一刻度盘；3一活动螺母；4一保护套管； 5一指针轴；6一感温元件，7一固定端
双金属温度计
3.1.1.2 压力式温度计
原理：基于物质受热膨胀，使密闭容器中 的压力变化从而指示温度。
3.2.4.2 热电偶多路温度检测通道
补偿热电偶法硬件补偿热电偶多路温度测量
补偿热电偶法软件补偿热电偶多路温度测量
共用电桥补偿多路热电偶测温
独立电桥补偿多路热电偶测温
基于集成测温芯片的多路测量通道
（a）独立集成A/D转换
（b）共用集成A/D转换
3.2.5.1 热电偶测温的特殊电路
串联回路 并联回路
普通型热电偶的结构
普通型热电偶的结构
2wk.baidu.com铠装热电偶
铠装热电偶是由金属套管、绝缘材料和热电极经拉伸加 工而成的坚实组合体，其结构如图所示。套管材料有铜、不 锈钢及镍基高温合金等。热电偶与套管之间填满了绝缘材料 的粉末，目前采用的绝缘材料绝大部分为氧化镁。套管中的 热电极有单丝的、双丝的和四丝的，彼此之间互相绝缘。
响应 速度 其它 特点
工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级， 实验室用表可达0.01级
通常为1.0、1.5、2.5级
快，通常为2～3秒钟
结构复杂、体积大、调整麻烦、价 格昂贵；仪表读数需进一步转换； 不易组成测温、控温一体化的温度 控制装置
慢，通常为几十秒到几分钟
结构简单、体积小、可靠、维护方便、 价格低廉，仪表读数直接反映被测物体 实际温度；可方便地组成多路集中测量 与控制系统
非接触式温度测量
• 感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受 被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测 对象的温度; • 非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布， 热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运 动物体的温度和快速变化的温度等优点。
方 式 测量 条件
接 触 式
感温元件要与被测对象良好接触；感温元件 的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不 超过感温元件能承受的上限温度 ; 被测对象 不对感温元件产生腐蚀
ITS-90规定了17个固定温度点，其中14个为物质的 平衡点（6个三相点，7个凝固点，1个熔点），另外3个 为由规定的温度计在装订的某温度附近测量确定。
（2）内插仪器
规定了不同温区内复现温标的基准器： 1）0.65～5.0K之间基准器：氦蒸气压温度计。 2）3.0～24.5561K之间基准器：氦气体温度 计（定容式）。 3）13.8033K～961.781 ℃之间基准器：铂电 阻温度计。 4）961.78℃以上温度基准器：光学高温计。
反接回路
3.2.6热电偶的校验
1.对热电偶的校验的原因 2.校验方法有两种。 一种是定点法，就是在国际温标规定的定点温度（如 锌、银、金、锑等金属的相平衡点温度）下进行校验。这 种方法的特点是精确度高，但设备复杂、校验点数少，而 且校验操作复杂。该方法只用于对高精确度的铂铑一铂热 电偶的校验。
一种是比较法，它是广泛采用的方法，可用于实验室 用和工业用热电偶的校验。
标准表法：
把被标定温度计(传感器)与已被标定好的 更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一 起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温 调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者 的读数，获得一系列对应差值，经多次升温， 降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录 下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就 成了对被标定温度计的标定。
第三章
接触式温度检测及仪表
3.1 温度测量的基本知识
温度测量至关重要； 温度是衡量物体冷热程度的物理量。从热平衡的观点看 ，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的 标志； 温度定义本身并未提供提供衡量温度高低的数值标准， 不能直接测量。可借助于冷热物体间的热交换及物体的 某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性，从而进行 温度的间接测量。
根据测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式 和非接触式两大类。
1. 接触式温度测量
• 测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对 较低；
• 由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被 测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差 ；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感 温元件性能和寿命等缺点。
组成：测温温包、毛细管和压力弹性元件 ，压力表盘上是温度刻度。 可分为气体、液体和蒸汽式压力温度计： 气体式充氮气，温包体积大，线性刻度。
观看 动画
液体式充二甲苯或甲醇，温包体积小，线 性刻度。
蒸汽式充乙醚等，非线性刻度。
1一温包；2一毛细管；3一基座；4一弹簧管； 5一连杆；6一扇形齿轮；7一小齿轮； 8一指针；9一刻度盘