1、油气井工程测量理论与方法 第八节第八节 热电式温度计热电式温度计 热电式传感器是指将温度变化转化为电量变化的原件热电式传感器是指将温度变化转化为电量变化的原件和装置。热电式传感器有许多种类，如热电偶、热电阻、和装置。热电式传感器有许多种类，如热电偶、热电阻、集成温度传感器等。本节主要介绍热电偶和热电阻。集成温度传感器等。本节主要介绍热电偶和热电阻。一、热电偶一、热电偶 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。它的热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。它的测量范围广、结构简单、使用方便，测温准确可靠，便于测量范围广、结构简单、使用方便，测温准确可靠，便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而
2、在工业生产和科信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。研领域中应用极为普遍。油气井工程测量理论与方法 热电偶温度计是由热电偶、连接导线及显热电偶温度计是由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。下图是最简单的热电偶示仪表三部分组成。下图是最简单的热电偶温度计测温系统示意图。温度计测温系统示意图。123图3-6-6 热电偶温度计1-热电偶；2-导线；3-显示仪表123图3-6-6 热电偶温度计1-热电偶；2-导线；3-显示仪表油气井工程测量理论与方法（一）热电偶的测温原理（一）热电偶的测温原理 热电偶是由两种不同的导体（或半导体）材料焊接或热电偶是由两种不同的导体（
3、或半导体）材料焊接或绞接（见下图）而成，绞接（见下图）而成，焊接的一端与被测介质充分接触，焊接的一端与被测介质充分接触，感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端；另一端与导感受被测温度，称为热电偶的工作端或热端；另一端与导线连接，称为自由端或冷端。线连接，称为自由端或冷端。导体导体A A、B B称为热电极。称为热电极。热电效应：将热电效应：将热电偶热端加热，使得冷、热两端温度不热电偶热端加热，使得冷、热两端温度不同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象同，则在该热电偶回路中就会产生热电势，这种物理现象叫热电效应。叫热电效应。油气井工程测量理论与方法 在热电偶回路中产生的热电势有在热电偶
4、回路中产生的热电势有温差电势和接触电势温差电势和接触电势两部分两部分组成。组成。（1 1）温差电势）温差电势 它是在同一导体材料的两端因其温度不同，它是在同一导体材料的两端因其温度不同，自由电子分布不均匀，而产生温差电动势。记为自由电子分布不均匀，而产生温差电动势。记为e e（t t，t t0 0）。）。此电势只与导体性质和导体两端的温度有关此电势只与导体性质和导体两端的温度有关，而与导体长度、，而与导体长度、截面大小及沿导体长度上的温度分布无关。截面大小及沿导体长度上的温度分布无关。Att0U图3-6-8 温差电势的产生eA（t,t0）油气井工程测量理论与方法（2 2）接触电势）接触电势:它
5、是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。电势。当两种不同的导体当两种不同的导体A A和和B B相接触时，其自由电子密度不等，相接触时，其自由电子密度不等，则在两导体的接触面上，有电子扩散现象因而产生接触电则在两导体的接触面上，有电子扩散现象因而产生接触电势，记为势，记为e eABAB(t)(t)。接触接触电势只与两种导体的性质和接触点的温度有关，电势只与两种导体的性质和接触点的温度有关，当当两种导体的材料一定，接触电势仅与其接触点的温度有关。两种导体的材料一定，接触电势仅与其接触点的温度有关。温度越高，导体中的电子就越活跃，由温度越高
6、，导体中的电子就越活跃，由A A导体扩散到导体扩散到B B导体导体的电子数就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，的电子数就越多，致使接触面处所产生的电场强度越高，因而接触电势也就越大。因而接触电势也就越大。油气井工程测量理论与方法ABtUeAB（t）图3-6-9 接触电势的产生 导体导体A和和B相接触时，其自由相接触时，其自由电子密度不等，则在两导体的接电子密度不等，则在两导体的接触面上，有电子扩散现象因而产触面上，有电子扩散现象因而产生接触电势，记为生接触电势，记为eAB(t)。油气井工程测量理论与方法 综上所述，由综上所述，由A A、B B两种不同导体组成的热电偶回路两种不同导体组成的
7、热电偶回路中，如果两接触点的温度不同，假设中，如果两接触点的温度不同，假设 t tt t0 0，电子密度，电子密度 NNA ANNB B，则存在两个温差电势，则存在两个温差电势e eA A（t t，t t0 0）和）和e eB B（t t，t t0 0），两个接触电势），两个接触电势e eABAB(t)(t)和和e eABAB(t(t0 0)，各电势的方向示，各电势的方向示于图中。于图中。由图中可知，由图中可知，两个温差电势的方向相反，两个接触电两个温差电势的方向相反，两个接触电势的方向也相反，因温差电势往往远小于接触电势，势的方向也相反，因温差电势往往远小于接触电势，所以常常把它忽略不计所以
8、常常把它忽略不计.油气井工程测量理论与方法电路中的总电势电路中的总电势EAB(t，t0)可表示为：可表示为：EAB(t，t0)eAB(t)eAB(t0)下脚注下脚注AB的顺序表示热电势的方向，的顺序表示热电势的方向，A表示为正极表示为正极（电子密度大的）导体，（电子密度大的）导体，B表示为负极（电子密度小的）表示为负极（电子密度小的）导体，导体，t表示高温端，表示高温端，t0表示低温端。如果次序改变，则表示低温端。如果次序改变，则热电势前面的符号也应随之改变。即热电势前面的符号也应随之改变。即 eAB(t)eBA(t)EAB(t，t0)EBA(t，t0)EAB(t0，t)油气井工程测量理论与方
9、法 由热电偶回路中的总电势可知，当由热电偶回路中的总电势可知，当A A、B B两种材料确两种材料确定之后，热电势仅与两接点的温度定之后，热电势仅与两接点的温度t t和和t t0 0有关，如果有关，如果t t0 0端端温度保持不变，即温度保持不变，即e eABAB(t(t0 0)为常数，则热电偶回路中的总为常数，则热电偶回路中的总电势就成为热端温度电势就成为热端温度t t的单值函数，的单值函数，只要测出只要测出E EABAB(t(t，t t0 0)的大小，就能得到被测温度的大小，就能得到被测温度t t，这就是利用热电现象来，这就是利用热电现象来测温的原理。测温的原理。说明：说明：如果组成热电偶回
10、路的如果组成热电偶回路的A A、B B 导体材料相同，则无论两导体材料相同，则无论两接点温度如何，热电偶回路内的总电势为零。接点温度如何，热电偶回路内的总电势为零。如果热电偶两端温度相同，尽管如果热电偶两端温度相同，尽管A A、B B两导体材料不同，两导体材料不同，热电偶回路内的总电势也为零。热电偶回路内的总电势也为零。热电偶回路中的热电势除了与两接点处的温度有关外，热电偶回路中的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关，也就是说不同热电极材料制成还与热电极的材料有关，也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的，参见各的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同
11、的，参见各种热电偶分度表。种热电偶分度表。油气井工程测量理论与方法（3 3）引入第三种导体的问题）引入第三种导体的问题 为了测量热电偶产生的热电势，必须要用导线与显示仪为了测量热电偶产生的热电势，必须要用导线与显示仪表构成闭合回路，这样就在热电偶回路中加入了第三导体，表构成闭合回路，这样就在热电偶回路中加入了第三导体，而第三导体的引入又构成了新的接点，如下图中的点而第三导体的引入又构成了新的接点，如下图中的点3 3和和点点4 4、点、点2 2和点和点3 3，引入第三导体后会不会影响热电偶的热，引入第三导体后会不会影响热电偶的热电势呢？下面分别对以下两种情况进行分析。电势呢？下面分别对以下两种情
12、况进行分析。油气井工程测量理论与方法 EABC(t，t1，t0)eAB(t)eBC(t1)eCB(t1)eBA(t0)）因为因为 eBC(t1)eCB(t1)eBA(t0)eAB(t0)所以，式可以改写成：所以，式可以改写成：EABC(t，t1，t0)eAB(t)eAB(t0)EAB(t，t0)A:右图所示情况右图所示情况在电路中，在电路中，3、4接点温度相同接点温度相同（均为（均为t1），故回路中总的热），故回路中总的热电势为：电势为：所以回路中总的热电势与引入第三导体无关。油气井工程测量理论与方法 B:右图所示情况电路中的右图所示情况电路中的2、3接接点的温度相同（均为点的温度相同（均为t
13、0），故回路中），故回路中总的热电势为：总的热电势为：根据能量守恒定律，多种导体组成根据能量守恒定律，多种导体组成的闭合回路中，尽管它们的材料不同，的闭合回路中，尽管它们的材料不同，只要各接点的温度相等，则此闭合回只要各接点的温度相等，则此闭合回路中的总电势等于零。即路中的总电势等于零。即ABC三种导三种导体组成的闭合回路，体组成的闭合回路，EABC(t，t0)eAB(t)eAB(t0)EAB(t，t0)结果表明热电势与第三导体的引入无关。EABC(t，t0)eAB(t)eBC(t0)eCA(t0)EABC(t0，t0)eAB(t0)eBC(t0)eCA(t0)0则：eAB(t0)eBC(t0
14、)eCA(t0)（3-6-9）三个接点温度相同（均为t0），则回路中总热电势为：将式（3-6-9）代入前式得：油气井工程测量理论与方法 经过分析知：经过分析知：在热电偶回路中，在热电偶回路中，接入第三种导体后，只要与第三接入第三种导体后，只要与第三种导体连接的两接点的温度相同，则对热电偶回路中的种导体连接的两接点的温度相同，则对热电偶回路中的热电势没有影响。热电势没有影响。同理，如在回路中引入多种导体，只要保证引入的导同理，如在回路中引入多种导体，只要保证引入的导体两端温度相同，均不会影响热电偶回路中的热电势体两端温度相同，均不会影响热电偶回路中的热电势。这是热电偶回路中一个很重要的性质，正是
15、由于这种这是热电偶回路中一个很重要的性质，正是由于这种性质的存在，才可以在回路中根据需要方便地引入各种性质的存在，才可以在回路中根据需要方便地引入各种连接导线及显示仪表。连接导线及显示仪表。油气井工程测量理论与方法（二）常用热电偶二）常用热电偶 根据热电偶测温原理，理论上任意两种导体都可以组根据热电偶测温原理，理论上任意两种导体都可以组成热电偶。但实际为保证一定的测量精度，对组成热电成热电偶。但实际为保证一定的测量精度，对组成热电偶的材料必须进行严格地选择。工业用热电极材料应满偶的材料必须进行严格地选择。工业用热电极材料应满足以下要求：足以下要求：1 1、热电极的物理和化学稳定性要高，即在测温
16、范围内热电热电极的物理和化学稳定性要高，即在测温范围内热电特性（热电势与温度之间的关系）不随时间变化；特性（热电势与温度之间的关系）不随时间变化；2 2、电阻温度系数小，导电率高；电阻温度系数小，导电率高；3 3、温度每升高温度每升高11所产生的热电势要大，而且热电势与温所产生的热电势要大，而且热电势与温度之间尽可能为线性关系；度之间尽可能为线性关系；3 3、材料组织要均匀，有韧性，复现性好（用同种成分材材料组织要均匀，有韧性，复现性好（用同种成分材料制成的热电偶其热电特性均相同的性质称复现性），料制成的热电偶其热电特性均相同的性质称复现性），便于成批生产及互换等。便于成批生产及互换等。热电偶
17、温度计（续）热电偶温度计（续）油气井工程测量理论与方法 在实际生产中同时具备上述要求的热电极材料在实际生产中同时具备上述要求的热电极材料是难以找到的。因此，应根据不同的测温范围，是难以找到的。因此，应根据不同的测温范围，选用不同的热电极材料。选用不同的热电极材料。目前在国际上被公认的比较好的热电极材料只目前在国际上被公认的比较好的热电极材料只有几种，这些材料是经过精选而且标准化了的，有几种，这些材料是经过精选而且标准化了的，应用在各种温度范围内，测量效果较好。现将工应用在各种温度范围内，测量效果较好。现将工业上最常用的（已标准化了的）几种热电偶介绍业上最常用的（已标准化了的）几种热电偶介绍如下
18、：如下：油气井工程测量理论与方法 1 1铂铑铂铑3030铂铑铂铑6 6热电偶（分度号为热电偶（分度号为B B）也称双铂铑热电偶，是典型的高温热电偶。以铂铑也称双铂铑热电偶，是典型的高温热电偶。以铂铑3030（铂（铂7070，铑，铑3030）为正极，铂铑）为正极，铂铑6 6（铂（铂9494，铑，铑6 6）为负极，其测温上限长期使用可达为负极，其测温上限长期使用可达16001600，短期可达，短期可达18001800。其热电特性在高温下更为稳定，适于在氧化性。其热电特性在高温下更为稳定，适于在氧化性或中性介质中使用。但它产生的热电势小，价格贵。在或中性介质中使用。但它产生的热电势小，价格贵。在室温
19、下热电势极小（室温下热电势极小（2525时为时为2V2V，5050时为时为3V3V），因此当冷端温度在），因此当冷端温度在4040以下范围使用时，一以下范围使用时，一般不需要进行冷端温度补偿。般不需要进行冷端温度补偿。油气井工程测量理论与方法 2 2铂铑铂铑1010铂热电偶（分度号为铂热电偶（分度号为S S）铂铑铂铑1010为正极，纯铂丝为负极，测温上限长期使用为为正极，纯铂丝为负极，测温上限长期使用为13001300，短期可达，短期可达16001600，适于在氧化性及中性介质中，适于在氧化性及中性介质中使用。物理化学性能稳定，耐高温，不易氧化，在所有使用。物理化学性能稳定，耐高温，不易氧化，
20、在所有的热电偶中，它的精度最高，可用于精密温度测量和作的热电偶中，它的精度最高，可用于精密温度测量和作基准热电偶。基准热电偶。3 3镍铬镍铬镍硅热电偶（分度号为镍硅热电偶（分度号为K K）镍铬为正极，镍硅为负极，测温上限长期使用为镍铬为正极，镍硅为负极，测温上限长期使用为10001000，短期使用可达，短期使用可达12001200。此热电偶由于正、负极材料中都含镍，故抗氧化性抗此热电偶由于正、负极材料中都含镍，故抗氧化性抗腐蚀性好，腐蚀性好，500500以下可用于氧化性及还原性介质中，以下可用于氧化性及还原性介质中，500500以上只宜在氧化性和中性介质中使用。热电势与以上只宜在氧化性和中性介
21、质中使用。热电势与温度近似为线性，热电势比铂铑温度近似为线性，热电势比铂铑1010铂热电偶高铂热电偶高3 34 4倍，倍，价格便宜，应用广泛。价格便宜，应用广泛。油气井工程测量理论与方法 4 4镍铬镍铬康铜热电偶（分度号为康铜热电偶（分度号为E E）镍铬为正极，康铜（含镍镍铬为正极，康铜（含镍4040的铜镍合金）为负极，测的铜镍合金）为负极，测温范围为温范围为200200870870，但在，但在750750以上只宜短期使用。以上只宜短期使用。该热电偶稳定性好，价格低廉，该热电偶稳定性好，价格低廉，并可用于低温测量，尤其并可用于低温测量，尤其适宜在适宜在00以下使用以下使用，而且在湿度大的情况下
22、，较其它热，而且在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀。电偶耐腐蚀。5 5铜铜康铜热电偶（分度号为康铜热电偶（分度号为T T）该热电偶正极为纯铜，负极为康铜，适用测温范围一般该热电偶正极为纯铜，负极为康铜，适用测温范围一般为为200200300300，短期可达，短期可达350350。在廉价金属热电偶中。在廉价金属热电偶中它的精确度高，稳定性好，低温测量灵敏度高，可用于真它的精确度高，稳定性好，低温测量灵敏度高，可用于真空、氧化、还原及中性介质中。但由于铜在高温时易氧化，空、氧化、还原及中性介质中。但由于铜在高温时易氧化，故一般使用时不超过故一般使用时不超过300300，因铜热电极的热导率高，在，
23、因铜热电极的热导率高，在低温下易引入误差。低温下易引入误差。油气井工程测量理论与方法6 6铁铁康铜热电偶（分度号为康铜热电偶（分度号为J J）该热电偶正极为铁，负极为康铜，一般测温范围为该热电偶正极为铁，负极为康铜，一般测温范围为4040750750。它是廉价金属热电偶，适用的介质同铜。它是廉价金属热电偶，适用的介质同铜康康铜热电偶，这种热电偶在铜热电偶，这种热电偶在700 700 以下线性非常好，具有较以下线性非常好，具有较高的灵敏度。由于铁易氧化生锈，故它不能在高温或含硫高的灵敏度。由于铁易氧化生锈，故它不能在高温或含硫的介质中使用。的介质中使用。各种常用热电偶的热电势与温度的关系可由标准
24、数据表各种常用热电偶的热电势与温度的关系可由标准数据表中查到，这种表称为热电偶的分度表，中查到，这种表称为热电偶的分度表，分度表是在热电偶分度表是在热电偶冷端温度冷端温度t t0 000的条件下，得到的热电势与测量端温度的条件下，得到的热电势与测量端温度对应关系。对应关系。分度号相同的热电偶可以共用同一分度表。几分度号相同的热电偶可以共用同一分度表。几种常用热电偶的分度表见本章附录一。种常用热电偶的分度表见本章附录一。油气井工程测量理论与方法 普通型热电偶由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒普通型热电偶由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒四部分组成，其结构如图所示。四部分组成，其结构如图所示。热电
25、极是组成热电偶的两根热偶丝，热电极的直径由热电极是组成热电偶的两根热偶丝，热电极的直径由材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的测温范围材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的测温范围等决定。贵金属的热电极大多采用直径为等决定。贵金属的热电极大多采用直径为0.30.30.65mm0.65mm的细丝，普通金属电极直径一般为的细丝，普通金属电极直径一般为0.50.53.2mm3.2mm。其长。其长度由安装条件及插入深度而定，一般为度由安装条件及插入深度而定，一般为3503502000mm2000mm。油气井工程测量理论与方法 绝缘子用于防止热电偶两极之间及热电极与保护套管绝缘子用于防止热电偶两极之
26、间及热电极与保护套管之间形成短路，在热电极上套入绝缘子，其材料视被测之间形成短路，在热电极上套入绝缘子，其材料视被测温度高低而定。最常用的绝缘子是瓷管和高温陶瓷管，温度高低而定。最常用的绝缘子是瓷管和高温陶瓷管，其结构有单孔、双孔和四孔的。其结构有单孔、双孔和四孔的。保护套管是套在热电极及绝缘子外边，其作用是保保护套管是套在热电极及绝缘子外边，其作用是保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。其材质一般根据测护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。其材质一般根据测温范围、插入深度、被测介质性质以及测温时间常数等温范围、插入深度、被测介质性质以及测温时间常数等条件来决定。条件来决定。对材料的要求是：耐高温，耐腐
27、蚀，有良好的气密性，对材料的要求是：耐高温，耐腐蚀，有良好的气密性，足够的机械强度，具有较高的导热系数等。最常用的保足够的机械强度，具有较高的导热系数等。最常用的保护套管是碳钢和不锈钢。护套管是碳钢和不锈钢。为了便于安装，保护套管又分为螺纹连接和法兰连接为了便于安装，保护套管又分为螺纹连接和法兰连接两种型式。两种型式。油气井工程测量理论与方法 （三）热电偶冷端温度处理方法（三）热电偶冷端温度处理方法 为了使用上的方便，与各种标准化热电偶配套的显示仪为了使用上的方便，与各种标准化热电偶配套的显示仪表是根据所配热电偶的分度表将热电势转换为对应的温度值表是根据所配热电偶的分度表将热电势转换为对应的温
28、度值来进行刻度的。来进行刻度的。各热电偶的分度表均是在冷端温度（各热电偶的分度表均是在冷端温度（t t0 0）为）为00的条件下的热电势与温度（的条件下的热电势与温度（t t）之间的关系）之间的关系，因此要求热，因此要求热电偶工作时，冷端必须保持在电偶工作时，冷端必须保持在00，否则将产生误差。但在，否则将产生误差。但在工业上使用时，要使冷端保持在工业上使用时，要使冷端保持在00是比较困难的，因此要是比较困难的，因此要根据不同的使用条件及要求的测量精度，对热电偶冷端采用根据不同的使用条件及要求的测量精度，对热电偶冷端采用一些不同的处理方法一些不同的处理方法。油气井工程测量理论与方法 1 1补偿
29、导线补偿导线 由于热电偶一般做得比较短（除铠装热电偶外），特别由于热电偶一般做得比较短（除铠装热电偶外），特别是贵金属热电偶就更短。这样热电偶的冷端离被测对象很是贵金属热电偶就更短。这样热电偶的冷端离被测对象很近，使冷端温度较高且波动较大。如果把热电偶做得很长，近，使冷端温度较高且波动较大。如果把热电偶做得很长，使冷端延长至温度比较稳定的地方，这种办法由于热电极使冷端延长至温度比较稳定的地方，这种办法由于热电极线不便于敷设，对于贵金属热电偶很不经济。采用专用导线不便于敷设，对于贵金属热电偶很不经济。采用专用导线将热电偶的冷端延伸出来，如图所示，这种导线也是由线将热电偶的冷端延伸出来，如图所示，
30、这种导线也是由两种材料制成，在一定温度范围内（两种材料制成，在一定温度范围内（0 0100100）与所连接）与所连接的热电偶具有相同或十分近似的热电特性，其材料又是廉的热电偶具有相同或十分近似的热电特性，其材料又是廉价金属，称为补偿导线。价金属，称为补偿导线。ABt0t0ABt0t0ABABEAB（t，t0）图3-6-17 补偿导线的作用油气井工程测量理论与方法 不同热电偶所用的补偿导线也不同，在使用时要注意型不同热电偶所用的补偿导线也不同，在使用时要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接处的温度不应超过不应超过100100。各种型号
31、热电偶所配用的补偿导线材料。各种型号热电偶所配用的补偿导线材料列于表。列于表。补偿导线合金丝绝缘层颜色正极负极正极负极SPC（铜）K P C（铜）K P X（镍铬）E P X（镍铬）J P X（铜）T P X（铜）SNC（铜镍）KNC（铜镍）KNX（镍硅）ENX（铜镍）JNX（铜镍）TNX（铜镍）红红红红红红绿蓝黑棕紫白补偿导线配用热电偶的分度号SCKCKXEXJXTXS（铂铑1 0 铂）K（镍铬镍硅）K（镍铬镍硅）E（镍铬铜镍）J（铁铜镍）T（铜铜镍）油气井工程测量理论与方法 补偿导线表示并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只补偿导线表示并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只是起到了热电偶冷端的延伸
32、作用，改变热电偶的冷端位是起到了热电偶冷端的延伸作用，改变热电偶的冷端位置，以便于采用其它的补偿方法。置，以便于采用其它的补偿方法。另外，即使在规定使用温度范围内，由于补偿导线热另外，即使在规定使用温度范围内，由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误差。差。油气井工程测量理论与方法 2 2冰点法冰点法 热点偶的分度表都是在冷端温度为热点偶的分度表都是在冷端温度为00的情况下制定的，的情况下制定的，如果把冷端置于能保持温度为如果把冷端置于能保持温度为00的冰点槽内，则测得的的冰点槽内，则测得的热电势就代表被测实际温度。保温瓶内
33、盛满冰水混合物，热电势就代表被测实际温度。保温瓶内盛满冰水混合物，为了防止短路，两根电极丝要分别插入各自的试管中，试为了防止短路，两根电极丝要分别插入各自的试管中，试管则置于保温瓶中，使其温度保持在管则置于保温瓶中，使其温度保持在00，然后用铜导线，然后用铜导线引出接入显示仪表。引出接入显示仪表。油气井工程测量理论与方法 冰点法一般在实验室里精密测量中使用。因为这种冰点法一般在实验室里精密测量中使用。因为这种方法需要保持冰水两相共存，使用起来比较麻烦，故方法需要保持冰水两相共存，使用起来比较麻烦，故一般工业测量中均不采用。一般工业测量中均不采用。油气井工程测量理论与方法3 3计算修正法计算修正
34、法当热电偶冷端温度不是当热电偶冷端温度不是00而是而是t t0 0时，测得的热电偶回路时，测得的热电偶回路中的热电势为中的热电势为E E（t t，t t0 0），这时可采用下式进行修正：），这时可采用下式进行修正：E E（t t，0 0）E E（t t，t t0 0）E E（t t0 0，0 0）式中：式中：E E（t t，0 0）冷端为冷端为00，热端为，热端为tt时的热电势；时的热电势；E E（t t，t t0 0）冷端为冷端为t t0 0，热端为，热端为tt时的热电势；时的热电势；E E（t t0 0，0 0）冷端为冷端为0 0，热端为，热端为t t0 0时的热电势，时的热电势，即冷端温
35、度不为即冷端温度不为00时热电势校正值。时热电势校正值。例例 油气井工程测量理论与方法 1 1、热电阻的测温原理热电阻的测温原理 热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度呈热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系的原理实现温度测量的。一定函数关系的原理实现温度测量的。实验证明，大多数实验证明，大多数金属导体当温度上升金属导体当温度上升11时，其电阻值均增大时，其电阻值均增大0.40.40.60.6；而半导体当温度上升；而半导体当温度上升11时，其电阻值则下降时，其电阻值则下降3 36 6。金属导体电阻与温度的关系一般可表示为金属导体电阻与温度的关系一般可表示为 R R
36、t tR Rt0t01 1(t(tt t0 0)=R)=Rt0t0 1+t 1+t0 0+R+Rt0t0tt式中：式中：R Rt t温度为温度为t t 时的电阻值；时的电阻值；R Rt0t0温度为温度为t t0 0 时的电阻值；时的电阻值；电阻温度系数，即温度每升高电阻温度系数，即温度每升高11时的电阻相对变时的电阻相对变化量。化量。一般金属材料的电阻与温度的关系并非线性，故一般金属材料的电阻与温度的关系并非线性，故值也值也随温度而变化，并非常数，但在某一范围内可近似为常数。随温度而变化，并非常数，但在某一范围内可近似为常数。二、热电阻温度计二、热电阻温度计油气井工程测量理论与方法半导体电阻与
37、温度的关系为：半导体电阻与温度的关系为：R RT TAeAeB/TB/T 式中：式中：R RT T温度温度T T时的电阻值；时的电阻值；T T绝对温度，绝对温度，K K；e e自然对数的底，自然对数的底，2.718282.71828；A A、B B常数，其值与半导体材料结构有关。常数，其值与半导体材料结构有关。电阻与温度的函数关系一旦确定之后，就可通过测量置电阻与温度的函数关系一旦确定之后，就可通过测量置于测温对象之中并与测温对象达到热平衡的热电阻的阻值于测温对象之中并与测温对象达到热平衡的热电阻的阻值而求得被测温度。而求得被测温度。油气井工程测量理论与方法2 2、常用金属热电阻、常用金属热电
38、阻 作为电阻温度计感温元件的热电阻，分为金属热电阻和作为电阻温度计感温元件的热电阻，分为金属热电阻和半导体热电阻两类，其中以金属热电阻应用较多。一般对半导体热电阻两类，其中以金属热电阻应用较多。一般对热电阻材料要求如下：热电阻材料要求如下：（1 1）电阻温度系数大，即灵敏度高；）电阻温度系数大，即灵敏度高；（2 2）物理化学性能稳定，以能长期适应较恶劣的测温环境；）物理化学性能稳定，以能长期适应较恶劣的测温环境；（3 3）电阻率要大，以使电阻体积较小，减小测温的热惯性；）电阻率要大，以使电阻体积较小，减小测温的热惯性；（4 4）电阻与温度之间近似为线性关系；）电阻与温度之间近似为线性关系；（5
39、 5）价格低廉，便于复制。）价格低廉，便于复制。目前，使用的金属热电阻材料有铜、铂、铁、镍，而实际目前，使用的金属热电阻材料有铜、铂、铁、镍，而实际应用最广的是铜、铂两种材料，并已列入了标准化生产。应用最广的是铜、铂两种材料，并已列入了标准化生产。油气井工程测量理论与方法（一）结构（一）结构 金属热电阻感温元件一般由电阻体、引线、绝缘子、保护套管及接金属热电阻感温元件一般由电阻体、引线、绝缘子、保护套管及接线盒等组成，其外型与热电偶相似。热电阻通常也有普通型和铠装型等线盒等组成，其外型与热电偶相似。热电阻通常也有普通型和铠装型等结构型式。结构型式。普通热电阻为电阻体是用热电阻丝绕制在绝缘骨架上
40、制成的。一般普通热电阻为电阻体是用热电阻丝绕制在绝缘骨架上制成的。一般工业用热电阻丝，铂丝直径多为工业用热电阻丝，铂丝直径多为0.07mm0.07mm（毫米），铜丝直径多为（毫米），铜丝直径多为0.1mm0.1mm（毫米）。为消除绕制电感，通常采用双线并绕（亦称无感绕（毫米）。为消除绕制电感，通常采用双线并绕（亦称无感绕制）。制）。1 1电阻体；电阻体；2 2引线；引线；3 3绝缘子；绝缘子；4 4保护套管；保护套管；5 5接线盒；接线盒；6 6安装安装螺纹螺纹油气井工程测量理论与方法（二）常用热电阻（二）常用热电阻铂电阻特点铂电阻特点（1）铂电阻）铂电阻 铂电阻由纯铂电阻丝绕制而成，其使用温
41、度范围（按国铂电阻由纯铂电阻丝绕制而成，其使用温度范围（按国际电工协会际电工协会IEC标准）为标准）为200850。铂电阻的特点：铂电阻的特点：精度高，精度高，性能可靠，性能可靠，抗氧化性好，抗氧化性好，物理化学性能稳定。物理化学性能稳定。易提纯，复制性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂易提纯，复制性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝（直径可达丝（直径可达0.02 mm或更细）或极薄铂箔，或更细）或极薄铂箔，与其它热电阻材料相比，有较高电阻率。与其它热电阻材料相比，有较高电阻率。油气井工程测量理论与方法 铂电阻是一种较为理想的热电阻材料，除作为铂电阻是一种较为理想的热电阻材料，除作为一般
42、工业测温元件外，还可作为标准器件。一般工业测温元件外，还可作为标准器件。铂电阻缺点：铂电阻缺点：电阻温度系数小，电阻温度系数小，电阻与温度呈非线性，电阻与温度呈非线性，高温下不宜在还原性介质中使用，而且价格较贵高温下不宜在还原性介质中使用，而且价格较贵。油气井工程测量理论与方法 3 3、常用热电阻温度计算、常用热电阻温度计算（1）铂电阻）铂电阻 一般工业上常用的铂电阻，我国规定的分度号为一般工业上常用的铂电阻，我国规定的分度号为Pt10和和Pt100。即相。即相应应0时的电阻值分别为时的电阻值分别为R010和和R0100。Pt10的电阻温度计电的电阻温度计电阻丝较粗，主要应用于阻丝较粗，主要应
43、用于600以上的温度测量。以上的温度测量。在在2000范围内，铂的电阻与温度的关系为：范围内，铂的电阻与温度的关系为：RtR01A tBt2C（t100）t3）在在0850范围内，其关系为：范围内，其关系为：RtR01A tBt2 两式中：两式中：Rt、R0t和和0时的阻值。时的阻值。A、B、C常数，常数，A3.90802103，B5.80195107，C4.273501012。满足上述关系的热电阻，其平均温度系数为满足上述关系的热电阻，其平均温度系数为3.851031/。不。不同分度号的铂电阻因为同分度号的铂电阻因为R0不同，在相同温度下的电阻值是不同的，因不同，在相同温度下的电阻值是不同的
44、，因此电阻与温度之间的关系，即分度表也是不同的，分度表见本节附录此电阻与温度之间的关系，即分度表也是不同的，分度表见本节附录二。二。油气井工程测量理论与方法（2）铜电阻）铜电阻 铜电阻一般用于铜电阻一般用于50150范围的温度测量。范围的温度测量。特点：特点：电阻值与温度之间基本为线性关系，电阻温度系数大，电阻值与温度之间基本为线性关系，电阻温度系数大，且材料易提纯，价格便宜。且材料易提纯，价格便宜。缺点：缺点：电阻率低，易氧化。电阻率低，易氧化。在温度不高，测温元件体积无特殊限制时，可以使用铜电在温度不高，测温元件体积无特殊限制时，可以使用铜电阻温度计。阻温度计。铜电阻与温度的关系为：铜电阻
45、与温度的关系为：RtR0（1 t）（3-6-16）式中：式中：Rt、R0t和和0时的阻值；时的阻值；电阻温度系数，电阻温度系数，4.254.281031/。我国工业用铜热电阻的分度号分为我国工业用铜热电阻的分度号分为Cu50和和Cu100两种，其两种，其R0的阻值分别为的阻值分别为50和和100。其分度表见本节附录二。其分度表见本节附录二。油气井工程测量理论与方法 （3）半导体热电阻亦称为热敏电阻，）半导体热电阻亦称为热敏电阻，通常用铁、锰、钼、钛、镁、铜等金通常用铁、锰、钼、钛、镁、铜等金属氧化物或碳酸盐、硝酸盐、氧化物属氧化物或碳酸盐、硝酸盐、氧化物等材料制造，其电阻温度系数为：等材料制造
46、，其电阻温度系数为：（3-6-17）式中：式中：B常数，与半导体材料及结常数，与半导体材料及结构有关；构有关；T绝对温度，绝对温度，K。由此可见，半导体电阻具有负的电阻由此可见，半导体电阻具有负的电阻温度系数，即温度升高，电阻减小。温度系数，即温度升高，电阻减小。此外，随温度上升，电阻温度系数急此外，随温度上升，电阻温度系数急剧减小，即高温下的测量灵敏度很低剧减小，即高温下的测量灵敏度很低（见图）。（见图）。2/)(1/TBdTAedRdRdRTBTTTT油气井工程测量理论与方法 半导体热电阻与一般金属热电阻不同，它是由铁镍等半导体热电阻与一般金属热电阻不同，它是由铁镍等氧化物混合，以有机粘合
47、剂成型，并经高温烧结而成。氧化物混合，以有机粘合剂成型，并经高温烧结而成。半导体热电阻的电阻温度系数比金属热电阻要大，灵半导体热电阻的电阻温度系数比金属热电阻要大，灵敏度高，一般测量范围为敏度高，一般测量范围为100300。半导体热电阻的缺点：半导体热电阻的缺点：同一型号的热电阻复现性（互换性）差，同一型号的热电阻复现性（互换性）差，特性分散，非线性严重；特性分散，非线性严重；电阻与温度的关系不稳定，随时间而变化，电阻与温度的关系不稳定，随时间而变化，因此测温误因此测温误差较大，均为差较大，均为2t（t 为所测温度），使用受到了一定为所测温度），使用受到了一定的限制。目前只使用于一些测量要求不
48、高的场合。的限制。目前只使用于一些测量要求不高的场合。随着半导体技术的发展，制造工艺水平的提高，半导随着半导体技术的发展，制造工艺水平的提高，半导体热电阻有其广阔的发展前景。体热电阻有其广阔的发展前景。油气井工程测量理论与方法4 4、温度显示仪表、温度显示仪表 利用热电偶和热电阻可以把被测温度的高低分别转利用热电偶和热电阻可以把被测温度的高低分别转换成相应热电势和电阻值，如何测量热电势和电阻值，换成相应热电势和电阻值，如何测量热电势和电阻值，并指示出对应于这些信号的温度。目前工业温度显示仪并指示出对应于这些信号的温度。目前工业温度显示仪表三大类：动圈式显示仪表、电子自动平衡式显示仪表、表三大类
49、：动圈式显示仪表、电子自动平衡式显示仪表、数字式显示仪表。数字式显示仪表。1 1、动圈式温度显示仪表、动圈式温度显示仪表 （1 1）结构组成）结构组成温度显示仪表温度显示仪表油气井工程测量理论与方法（1）动圈式温度显示仪表结构组成 动圈表动圈表油气井工程测量理论与方法A.A.永久磁铁：用于产生磁场；永久磁铁：用于产生磁场；B.B.铁芯：使磁场的磁力线分布均匀合理；铁芯：使磁场的磁力线分布均匀合理；C.C.动圈：用铜漆包线绕制，置于空气隙磁场中；动圈：用铜漆包线绕制，置于空气隙磁场中；D.D.张丝：支承动圈，作连接导线用，平衡动圈扭转；张丝：支承动圈，作连接导线用，平衡动圈扭转；E.E.指针：固
50、定在动圈上，随动圈转动；指针：固定在动圈上，随动圈转动；F.F.刻度盘：指示被测参数；刻度盘：指示被测参数；G.G.平衡重锤：调整转动部分重心与转轴中心重合；平衡重锤：调整转动部分重心与转轴中心重合；H.RH.RT T是动圈的温度补偿电阻，是半导体热敏电阻。补偿是动圈的温度补偿电阻，是半导体热敏电阻。补偿动圈铜线电阻随温度变化而变化所引起的误差；动圈铜线电阻随温度变化而变化所引起的误差；I.RI.RB B：锰铜电阻；热敏电阻：锰铜电阻；热敏电阻R RT T温度特性曲线非线性，与温度特性曲线非线性，与R RB B 并联以校正其温度特性。并联以校正其温度特性。J.RJ.R串串：动圈表的量程电阻。：
