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温度测量方法原理


第九章 温度测量

一、温度及其测量

第一节 概述

温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量, 温度是用来定量地描述物体冷热程度的物理量,温度 的测量是建立在热平衡基础上的。 的测量是建立在热平衡基础上的。通过选择某一物体同被 测物体相接触来测量它的温度,当两者达到热平衡时, 测物体相接触来测量它的温度,当两者达到

热平衡时,对 所选物体的物理参量(如液体的体积、导体的电阻等) 所选物体的物理参量(如液体的体积、导体的电阻等)进 行测量,便可测出温度值。 行测量,便可测出温度值。

二、温标的概念
温度的数值表示是通过建立温度标尺,即温标来实现。 温度的数值表示是通过建立温度标尺,即温标来实现。 目前常用的是摄氏温标和国际温标。 目前常用的是摄氏温标和国际温标。 1、摄氏温标:以水银热胀冷缩特性为基础,水的冰点定 、摄氏温标:以水银热胀冷缩特性为基础, 为0℃,沸水定为 ℃ 沸水定为100℃,两点之间的温度均匀分为 ℃ 两点之间的温度均匀分为100分 分 每格为1度 格,每格为 度( 1℃ )。 ℃

第九章 温度测量

2、国际温标:建立在热力学理论基础上的,并规定以气 、国际温标:建立在热力学理论基础上的, 体温度计为基准仪器,水的三相点(固相 液相、 固相、 体温度计为基准仪器,水的三相点 固相、液相、气相三 相平衡点)为 相平衡点 为273.16度,以绝对零度 理想气体的压力为 . 度 以绝对零度(理想气体的压力为 零时所对应的温度)到水的三相点之间的温度均匀分为 零时所对应的温度 到水的三相点之间的温度均匀分为 273.16格,每格称为 开尔文”(Kalvm)。 开尔文” . 格 每格称为1“开尔文 。 1989年第 届国际计量委员会 年第27届国际计量委员会 通过“ 年第 届国际计量委员会(CIPM)通过“1990国 通过 国 际温标”,从1990年1月1日开始实施。国际温标同时使 际温标” 年 月 日开始实施。 日开始实施 用国际开尔文温度(T 和国际摄氏温度 和国际摄氏温度(t , 用国际开尔文温度 90)和国际摄氏温度 90),它们的单位 分别为开尔文(K)和摄氏度 和摄氏度(℃ , 分别为开尔文 和摄氏度 ℃),其相互关系为 t90=T90-273.15

第九章 温度测量

三、测温方法与测温仪器的分类 按照所用方法之不同,温度测量分为接触式和非接 触式两大类。 1. 接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触, 两者之间进行充分的热交换,最后达到热平衡,这 是感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对 象的温度值。 优点:直观可靠。 缺点:是感温元件影响被测温度场的分布,接触不 良等都会带来测量误差,另外温度太高和腐蚀性介 质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。 第九章 温度测量

2、非接触式测温 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。

第九章 温度测量

3、测温仪器
对应于两种测温方法, 对应于两种测温方法,测温仪器亦分为接触式和非接触 式两大类。 式两大类。 接触式仪器又可分为 又可分为: 接触式仪器又可分为 膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计 包括液体和固体膨胀式温度计、 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)、 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 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)、 温度计 、 热电式温度计(包括热电偶和 包括热电偶和P-N结温度计 以及其它原理 结温度计)以及其它原理 热电式温度计 包括热电偶和 结温度计 的温度计。 的温度计。 非接触式温度计又可分为辐射温度计、 又可分为辐射温度计 非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比 色温度计,由于它们都是以光辐射为基础, 色温度计,由于它们都是以光辐射为基础,故也按统称 辐射温度计。 为辐射温度计。

第九章 温度测量

§9-2 热电偶温度计 热电偶是工程应用最广泛的温度传感器。 特点:构造简单,使用方便,准确度高,测 温范围宽,适用于信号的远传,自动记录和 集中控制。 微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量



第九章 温度测量

热电偶的测温原理

一、热电效应
定义:两种不同的导体或半导体 和 组成闭合回路 组成闭合回路, 定义:两种不同的导体或半导体A和B组成闭合回路, 的两连接处温度不同( 若A和B的两连接处温度不同(设T>T0),则在此闭 和 的两连接处温度不同 > ),则在此闭 合回路中就有电流产生, 合回路中就有电流产生,也就是说回路中有电动势存 这种现象叫做热电效应 热电效应。 在,这种现象叫做热电效应。

热端

冷端

第九章 温度测量

热电偶的测温原理 把两种不同导体或半导体的这种组合, 把两种不同导体或半导体的这种组合,称为 热电偶。 温度高的接点称为热端(或工作端), ),温度 温度高的接点称为热端(或工作端),温度 低的接点称为冷端(或自由端)。 低的接点称为冷端(或自由端)。 回路中所产生的电动势,叫热电势。 回路中所产生的电动势,叫热电势。热电势 由两部分组成, 温差电势和接触电势。 由两部分组成,即温差电势和接触电势。 A和B称为热电极。 称为热电极 和 称为热电极。 闭合回路称为 热端 冷端 热电回路。 热电回路。
第九章 温度测量

1. 接触电势
当两种金属材料A 当两种金属材料A和B接触时,自由电子就 接触时, 要从密度大的金属材料扩散到密度小的金 属材料中去,从而产生电子的扩散, 属材料中去,从而产生电子的扩散,当扩 散达到平衡时,自由电子密度大的A 散达到平衡时,自由电子密度大的A材料 失去电子带正电荷,而金属材料B 失去电子带正电荷,而金属材料B得到电 子带负电荷。从而在A 子带负电荷。从而在A,B接触处形成一定 的电势差,这就是接触电势,其大小为: 的电势差,这就是接触电势,其大小为:
A + - B

T

eAB(T)

kT N A e AB (T ) = ln e NB
eAB(T)——导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势; e——单位电荷, e =1.6×10-19C; k——波尔兹曼常数, k =1.38×10-23 J/K ; NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。

第九章 温度测量 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。 接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。

2. 温差电势
在同一金属材料A 在同一金属材料A中,当两端的温度不 两端电子能量就不同, 同,即T>T0时,两端电子能量就不同, e A(T,To) A 温度高的一端电子能量大, 温度高的一端电子能量大,则电子从高 温端向低温端扩散的数量多, 温端向低温端扩散的数量多,最后达到 平衡。这样在金属材料A 平衡。这样在金属材料A的两端形成一 T 定的电位差,即温度电势,其大小为: 定的电位差,即温度电势,其大小为:温差电势原理图 To

e A (T , T0 ) = ∫ σ A dT
T0

T

eA(T,T0)——导体 两端温度为 、T0时形成的温差电动势; 导体A两端温度为 , 导体 两端温度为T、 时形成的温差电动势; T,T0——高低端的绝对温度; 高低端的绝对温度; , 高低端的绝对温度 σA——汤姆逊系数,表示导体 两端的温度差为 ℃时所产生 汤姆逊系数, 两端的温度差为1℃ 汤姆逊系数 表示导体A两端的温度差为 的温差电动势,例如在0℃ 的温差电动势,例如在 ℃时,铜的σ =2?V/℃。 ℃

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3. 回路总电势
由导体材料A 组成的闭合回路, 由导体材料A、B组成的闭合回路,其接点温度分 别为 T 、 T 0 , 如果 T > T 0 , 则必存在着两个接触电势和 两个温差电势,回路总电势: 两个温差电势,回路总电势: E AB (T , T0 ) = e AB (T ) ? e AB (T0 ) ? e A (T , T0 ) + e B (T , T0 )
n AT kT n AT kT 0 ln + = ln ? e n BT e nBT
0 0



T

T0

(?σ A + σ B )dT

nAT、nAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度; 导体A 时的电子密度; 导体 在结点温度为T nBT、nBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度; 导体B 时的电子密度; 导体 在结点温度为T

σA 、σB——导体A和B的汤姆逊系数。 导体A 的汤姆逊系数。 导体

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热电偶的测温原理 结论:
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两 端温度有关;与热电偶的长度、粗细无关。 若两热电极A,B材料相同,nA=nB, σA =σB则 无论两端温度如何,EAB(T,T0)≡0. 若热电偶两端温度相同, T=T0,则EAB(T,T0) ≡0. 热电势与材料的中间温度无关,只与两结点温 度有关。 第九章 温度测量

热电偶的测温原理 导体材料确定后, 导体材料确定后 , 热电势的大小只与 热电偶两端的温度有关。如果使 EAB(T0)=常数 , 则回路热电势 AB(T, 常数 则回路热电势E , T0)就只与温度 有关 , 而且是 的单值 就只与温度T有关 就只与温度 有关, 而且是T的单值 函数,这就是利用热电偶测温的原理。 函数,这就是利用热电偶测温的原理。

第九章 温度测量

热电偶基本定律 二、热电偶的基本定律 中间导体定律(第三导体定律)
一个由几种不同导体材料连接成的闭合回路,只 要它们彼此连接的接点温度相同,则此回路各接 点产生的热电势的代数和为零。 如图,由A、B、C三种材料组成的闭合回路,则

E总=EAB(T)+EBC(T)+ECA(T)= 0
T
A

T
B

C

三种不同导体组 成的热电偶回路

T

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热电偶基本定律
结论: 将第三导体C接入由A、B组成的热电偶回路,只 要其两个接入点的温度相同,则回路中的热电 势保持不变。即: EAB(T,T0)=EAB(T)-EAB(T0)
A T0 a 2 Tn T0 EAB C B A B 3 Tn A T

第三导体 接 入热电偶回 路图

(a) (b)

T2

C 2 3 T0

EAB

T

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热电偶基本定律 根据上述原理,可以在热电偶回路中接入电 位计E,只要保证电位计与连接热电偶处的 接点温度相等,就不会影响回路中原来的热 电势,接入的方式见下图所示。
E T0 T0 T0 T1 T1 T T 第九章 温度测量 E

热电偶基本定律 标准电极定律
当如果两种导体分别与第三种导体组成的热电 如果两种导体分别与第三种导体组成的热电 偶所产生的热电动势已知, 偶所产生的热电动势已知,则由这两种导体组 成的热电偶所产生的热电动势也就已知。 成的热电偶所产生的热电动势也就已知。

EAB(T, T0)= EAC(T, T0)+ ECB(T, T0)

第九章 温度测量

热电偶基本定律
标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象, 标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象, 纯金属的种类很多,而合金类型更多。因此, 纯金属的种类很多,而合金类型更多。因此,要 得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势, 得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势, 其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳 其工作量是极大的。由于铂的物理、 熔点高,易提纯,所以, 定,熔点高,易提纯,所以,我们通常选用高纯 铂丝作为标准电极, 铂丝作为标准电极,只要测得各种金属与纯铂组 成的热电偶的热电动势, 成的热电偶的热电动势,则各种金属之间相互组 合而成的热电偶的热电动势可根据上式直接计算 出来。 出来。
? 例如:热端为 例如:热端为100℃,冷端为 ℃时,镍铬合金与纯 ℃ 冷端为0℃

铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV,而考铜与纯 , 铂组成的热电偶的热电动势为 铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV,则镍铬和考铜 铂组成的热电偶的热电动势为 , 组合而成的热电偶所产生的热电动势应为 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV

第九章 温度测量

热电偶基本定律 连接导体定律
在热电偶回路中,着导体A、B分别与连接导线 A’、B’相接,接点温度分别为T,Tn,T0如图所 示,则回路的总热电势为

EABB′A′ (T , Tn , T0 ) = EAB (T , Tn ) + EA′B′ (Tn , T0 )
A T Tn A′ T0 B Tn B′ 上式为连接导体定律的数学表达式,即回路总热电势 等于热电偶电势与连接导线电势的代数和。

连接导线定律是工业上运用补偿导线进行温度测量 的理论基础。 的理论基础。 第九章 温度测量

热电偶基本定律 中间温度定律
热电回路中的热电势与中间温度无关.

EAB (T , Tn , T0 ) = EAB (T , Tn ) + EAB (Tn , T0 )
A T B Tn B Tn A T0

求得参考端温度为0℃时热电势与温度的关系, 就可以根据上式求出参考温度不等于0℃时的热 电势。 中间温度定律是制定热电势分度表的理论基础 第九章 温度测量

常用热电偶及结构
三、常用热电偶及结构
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大 类。 所谓标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温 度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热 电偶,它有与其配套的显示仪表可供选用。 非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准 化热电偶,一般也没有统一的分度表,主要用于某 些特殊场合的测量。 我国从1988年1月1日起,热电偶和热电阻全部按 IEC国际标准生产,并指定S、B、E、K、R、J、 、 、 、 、 、 、 T七种标准化热电偶 七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。 七种标准化热电偶 第九章 温度测量

常用热电偶及结构
热电偶材料应满足:
物理性能稳定,热电特性不随时间改变; 化学性能稳定,以保证在不同介质中测量时不 被腐蚀; 导电率高,且电阻温度系数小; 热电势高,热电势与温度之间呈线性或接近线 形的单值函数关系。 复现性好,便于成批生产,制造工艺简单,便 于制造。 第九章 温度测量

常用热电偶及结构
常用热电偶种类 1.铂—铂铑热电偶 分度号S (旧LB—3)
工业用热电偶丝:Φ0.5mm,实验室用可更细 些。 正极:铂铑合金丝,用90%铂和10%铑(重量比) 冶炼而成。 负极:铂丝。 测量温度:长期:1300℃、短期:1600℃。 100 ℃时的热电势:0.634mv 第九章 温度测量

常用热电偶及结构
特点:
材料性能稳定,测量准确度较高;可做成标 准热电偶或基准热电偶。 用途:实验室或校验其它热电偶。 测量温度较高,一般用来测量1000℃以上高 温。(高温热电偶) 在高温还原性气体中(如气体中含Co、H2等) 易被侵 蚀,需要用保护套管。 材料属贵金属,成本较高。 热电势较弱。 第九章 温度测量

常用热电偶及结构
2.镍铬—镍硅热电偶 分度号K(旧EU—2)
工业用热电偶丝:Φ1.2~2.5mm,实验室可细些。 正极:镍铬合金(镍90.5%,铬9.5%) 镍 , 负极:镍硅合金(镍97.5%,硅2.5%)。 镍 , 测量温度:长期900℃,短期1300℃。 100 ℃时的热电势:4.10mv

特点:
价格比较便宜,在工业上广泛应用。 复现性好,热电势大,线性好。 高温下抗氧化能力强,但在还原性气体中易被侵 蚀。稳定性差。 第九章 温度测量

常用热电偶及结构
3.镍铬—考铜热电偶 分度号为E(旧EA—2)
工业用热电偶丝:Ф1.2~2mm,实验室可更细些。 正极:镍铬合金 负极:考铜合金(56%铜,44%镍冶炼而成)。 测量温度:长期600℃,短期800℃。 100 ℃时的热电势:6.95mv

特点:
价格比较便宜,工业上广泛应用。 在常用热电偶中它产生的热电势最大。 考铜易氧化变质,适于在还原性或中性介质中 使用。 第九章 温度测量

常用热电偶及结构
4.铂铑30—铂铑6热电偶 分度号为B(旧LL—2)
正极:铂铑合金(用70%铂,30%铑冶炼而成)。 负极:铂铑合金(用94%铂,6%铑冶炼而成)。 测量温度:长期可到1600℃,短期可达1800℃。 100 ℃时的热电势:0.034mv

特点:
材料性能稳定,测量精度高。 测温上限高。 低温热电势极小,冷端温度在50℃以下可不加补偿。 成本高。

第九章 温度测量

康铜热电偶,分度号J TK) 5、铁—康铜热电偶,分度号J (TK)
灵敏度高,约为5.3mV/℃,线性度好,价格便宜, 灵敏度高,约为5.3mV/℃,线性度好,价格便宜, 5.3mV/℃ 可在800℃以下的还原介质中使用。 800℃以下的还原介质中使用 可在800℃以下的还原介质中使用。它的正极是铁,负 测温范围为极是铜镍合金。测温范围为-200~+1300℃。主要缺点是 铁极易氧化. 铁极易氧化.

常用热电偶及结构

6、铜—康铜热电偶,分度号T( MK) 康铜热电偶,分度号 ( MK)
热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶, 热电偶的热电势略高于镍铬-镍硅热电偶,约为 4.3mV/℃。它的正极是铜,负极是铜镍合金。 4.3mV/℃。它的正极是铜,负极是铜镍合金。测温范 围为-200~+400℃。特点是精度高, 围为-200~+400℃。特点是精度高,价格便宜。在0~ 在 200℃范围内 可制成标准热电偶, 范围内, -200℃范围内,可制成标准热电偶,准确度可达土 0.1℃。缺点是铜极易氧化,故在氧化性气氛中使用时, 0.1℃。缺点是铜极易氧化,故在氧化性气氛中使用时, 一般不能超过300℃ 300℃。 一般不能超过300℃。 第九章 温度测量

几种持殊用途的热电偶
(1)铱和铱合金热电偶
如铱50铑—铱10钌热电偶它能在 氧化气氛中测量高达2100℃的高温。

(2)钨铼热电偶 是60年代发展起来的,是目前一种较好
的高温热电偶,可使用在真空惰性气体介质或氢气介质中, 但高温抗氧能力差。国产钨铼-钨铼20热电偶使用温度范围 300~2000℃分度精度为1%。

金铁— (3)金铁—镍铬热电偶 (4)钯—铂铱15热电偶

主要用在低温测量,可在2~ 273 ℃范围内使用,灵敏度约为10μV/℃。

是一种高输出性能的热电偶, 在1398℃时的热电势为47.255mV,比铂—铂铑10热电偶在同样 温度下的热电势高出3倍,因而可配用灵敏度较低的指示仪表 ,常应用于航空工业。

第九章 温度测量

第九章 温度测量

常用热电偶及结构

常见普通工业装配式热电偶的外形结构

(1)热电极 又称偶丝,它是热电偶的基本组成部分。 (1)热电极 又称偶丝,它是热电偶的基本组成部分。普 金属做成的偶丝,其直径一般为0.5 3.2mm, 0.5~ 通 金属做成的偶丝,其直径一般为0.5~3.2mm,贵重金属 做成的偶丝,直径一般为0.3 0.6mm。 0.3~ 做成的偶丝,直径一般为0.3~0.6mm。偶丝的长度则由使用 情况、安装条件, 情况、安装条件,特别是工作端在被测介质中插入的深度来 决定,通常为300 2000mm,常用的长度为350mm 300~ 350mm。 决定,通常为300~2000mm,常用的长度为350mm。

第九章 温度测量

常用热电偶及结构
又称绝缘子, ( 2 ) 绝缘管 又称绝缘子 , 是用于热电极之间及热电极 与保护套管之间进行绝缘保护的零件。 与保护套管之间进行绝缘保护的零件。形状一般为圆形或椭 圆形。偶丝穿孔而过。材料为粘土质、高铝质等, 圆形。偶丝穿孔而过。材料为粘土质、高铝质等,材料选用 视使用的热电偶而定。在室温下,其绝缘电阻应在5MΩ以上 以上。 视使用的热电偶而定。在室温下,其绝缘电阻应在5MΩ以上。 ( 3 ) 保护套管 是用来保护热电偶感温元件免受被测介 质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管应具有耐高温、 质化学腐蚀和机械损伤的装置。保护套管应具有耐高温、 耐 腐蚀的性能,要求导热性能好,气密性好。其材料有金属、 腐蚀的性能,要求导热性能好,气密性好。其材料有金属、 非金属以及金属陶瓷三大类。形状一般为圆柱形。 非金属以及金属陶瓷三大类。形状一般为圆柱形。 ( 4 ) 接线盒 是用来固定接线座和作为连接补偿导线的 装置。根据被测量温度的对象及现场环境条件, 装置。根据被测量温度的对象及现场环境条件,设计有普通 防溅式、防水式和接插座式等四种结构形式. 式、防溅式、防水式和接插座式等四种结构形式.

第九章 温度测量

第七章 热电式传感器

第七章 热电式传感器

第七章 热电式传感器

热电偶的冷端温度补偿
四、热电偶的冷端温度补偿
从热电效应的原理可知,热电偶产生的热电动势 从热电效应的原理可知, 与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定, 与两端温度有关。只有将冷端的温度恒定,热电 动势才是热端温度的单值函数。 动势才是热端温度的单值函数。 由于热电偶分度表是以冷端温度为0℃时作出的, 由于热电偶分度表是以冷端温度为 ℃时作出的, 因此在使用时要正确反映热端温度(被测温度 被测温度), 因此在使用时要正确反映热端温度 被测温度 ,最 好设法使冷端温度恒为0℃ 好设法使冷端温度恒为 ℃。 但在实际应用中, 但在实际应用中,热电偶的冷端通常靠近被测对 且受到周围环境温度的影响, 象,且受到周围环境温度的影响,其温度不是恒 定不变的。 定不变的。 为此,必须采取一些相应的措施进行补偿或修正, 为此,必须采取一些相应的措施进行补偿或修正, 常用的方法有以下几种: 常用的方法有以下几种: 第九章 温度测量

热电偶的冷端温度补偿
1 . 冷端恒温法(冰浴法)
把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里,使 T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避 免冰水导电引起两个连接点短路,必须把连接点分 别置于两个玻璃试管里,浸入同一冰点槽,使相互 绝缘。 A A’ C
T
B 热电偶 B’ 补偿导线 导 线 试管 冰点槽 冰水溶液 C 铜 mV 表 仪

T0

第九章 温度测量

热电偶的冷端温度补偿
2.冷端温度较正法
用普通室温计算出冷端实际温度TH,利用公式计算

EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)
?例:用铜-康铜热电偶测某一温度T,冷端在室温环 境TH中,测得热电动势EAB(T,TH)=1.999mV,又用室 温计测出 T H =21℃,查此种热电偶的分度表可知, EAB(21,0)=0.832mV,故得 EAB(T,0)=EAB(T,21)+EAB(21,T0) =1.999+0.832=2.831(mV) 再次查分度表,与2.831mV对应的热端温度T=68℃。 注意:既不能只按1.999mV查表,认为T=49℃,也不能把 49℃加上21℃,认为T=70℃。 第九章 温度测量

热电偶的冷端温度补偿
3、 补偿导线法
为了使冷端温度保持恒定(最好为0 ℃),热电 偶可以做得很长,使冷端远离工作端,并连同测 量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方。 但这种方法一方面安装使用不方便,另一方面也 要多耗费许多贵重金属材料。 因此一般是用一导线(称之为补偿导线)将热电偶 的冷端延伸出来。 这种补偿导线要求在0—l00 ℃范围内和所连接的 热电偶应具有相同的热电性能,而其材料又是廉 价金属。
理论基础

第九章 温度测量

热电偶的冷端温度补偿
A T1 B T2 B’ T0 T2 A’ E
热电偶补偿 导线接线图

E ABB′A′ (T1 , T2 , T0 ) = E AB (T1 , T2 ) + E A′B′ (T2 , T0 )
若导线A′, B′与A, B具有相同的热电特性,则有:

E ABB′A′ (T1 , T2 , T0 ) = E AB (T1 , T0 ) ?热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过100 ℃,以免带来新的误差。
第九章 温度测量

第九章 温度测量

热电偶的冷端温度补偿 4.补偿电桥法
较常用的一种补偿方法。 原理:利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因 冷端温度变化而引起热电势的变化值。 不平衡电桥由R1、R2、R3(锰铜丝绕制)、RCu(铜 丝绕制)四个桥臂和桥路电源组成。 设计时,在0℃下使电桥平衡(R1=R2=R3=RCu), 此时Uab=0 ,电桥对仪表读数无影响。 供电4V直流,在0~40℃或-20~20℃的范围起补 偿作用。 第九章 温度测量

热电偶的冷端温度补偿
(T-T0)EAB(T,T0) T0 RCU Uab
Uab A R1 +a R T0 RCu EAB(T,T0) T0 R2 + b U mV R3

回路中总电流U 保持不变

T
B

注意:桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近,使处于同一温 度之下。

第九章 温度测量

§9-3 热电阻温度计 绝大多数金属具有正的电阻温度系数,温度 越高,电阻越大。利用这一规律可制成温度 传感器,与热电偶对应,就称为“热电阻”。 “热电阻” 目前世界上大多采用铂和铜两种金属作为制 造热电阻的材料。 对于相对较低的温度测量,用热电偶测量输 出的热电势较小,不方便测量。 热电阻一般用于-200 ℃ ~600℃的温度测 量。
第九章 温度测量

热电阻 热电阻的特点:
测量精度高; 有较大的测量范围; 易于使用在自动测量和远距离测量中。

热电阻材料的特点
高且稳定的温度系数和大的电阻率; 良好的输出特性(近似线性); 使用范围内物理化学性能稳定; 良好的工艺性。 第九章 温度测量

常用热电阻
一、常用热电阻 铂热电阻( -200 ℃ ~850℃ ) Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100) t3]
式中 R0、Rt——温度为0及t℃时的铂电阻的电阻值; A、B、C——常数值,其中: A= 3.96847×10-3℃-1 B= 5.847×10-7℃-2 C= 4.22×10-12℃-4

优点:物理化学性质极稳定,良好的工艺性, 精度高(做基准热电阻) 缺点:电阻温度系数小,价格昂贵,非线性误 差大 第九章 温度测量

常用热电阻 铜热电阻(-50~150 ℃ )
Rt=R0(1+α) 式中 R0、Rt——温度为0及t℃时铜电阻的电阻值; α——铜电阻的温度系数α=4.28899×10-3℃-1 我国工业用铂电阻分度号为Cu50、 Cu100 优点:良好的输出特性,电阻温度系数高 缺点:电阻率低,测温范围窄

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常用热电阻

其他热电阻
镍:-50~100 ℃,非线性严重,材料提取困难,稳定 性好。 铁: -50~150 ℃,易氧化,化学性能不好,线性,电 阻率及灵敏度高。

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热电阻分度号

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测量电路
三线制
工业热电阻多半采用三线制 接法, 接法,即热电阻的一端与一根 导线相接, 导线相接,另一端同时接两根 导线。 导线。 电桥平衡条件: 电桥平衡条件 R2 E
mA

a
R1

b

d

R3 r r r Rt

(Rt+r)R2=(R3+r)R1 整理可得:
R3 R1 R1 Rt = + ( ? 1)r R2 R2

c

当R1=R2时,可消除导线电阻r的影响 R1=R2时 可消除导线电阻r

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测量电路
当电阻r随温度变化而发生阻值变化时,由于电 桥的输出特性会自动实现温度补偿。

E ?Rt + ?r ?r U sc = ( ? ) 4 Rt + r Rt + r E ?Rt = ? 4 Rt + r

第九章 温度测量

三、热电阻的特点
热电阻与热电偶相比有以下特点: ①同样温度下输出信号较大,易于测量。 ②测电阻必须借助外加电源,而热电偶不需要外加电 源。 ③热电阻感温部分尺寸较大,而热电偶工作端是很小 的焊点,因而热电阻测温的反应速度比热电偶慢。 ④同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。由 于热电阻必须用细导线绕在绝缘支架上,支架材质在 高温下的物理性质限制了温度上限范围。 第九章 温度测量

热敏电阻
热敏电阻是一种半导体材料制成的敏感元件。 特点:
灵敏度高,其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上, (1)灵敏度高 灵敏度高 能检测出10-6℃温度变化。 (2)结构简单,体积小 结构简单, 结构简单 体积小,元件尺寸可做到直径为0.2mm,能 够测出一般温度计无法测量的空隙、腔体、内孔、生物 体血管等处的温度。 热惯性小, (3)热惯性小,响应速度快,时间常数可小到毫秒级。 热惯性小 响应速度快, (4)使用方便 使用方便,电阻值可在0.1~100k 之间任意选择。 使用方便

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RT

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