1、温度测量仪表第一节 温度测量的基本概念1、温度的定义：温度是衡量物体冷热程度的一个物理量。2、温标；温标是一个度量温度的标尺。3、国际实用温标：国际实用温标是一种协议性的温标。它规定了一些可复现的固定点和固定点间的内插外推及插补公式来保证温标的准确性。国际实用温标有两种：即1968年国际实用温标IPTS-68和1989年通过的ITS-90。4、摄氏温标：摄氏温标又叫百分温标，它把标准大气压下，冰的融点定为零度（0），水的沸点定为一百度（100），在0到 100之间划分100等份，每一等份为一摄氏度。摄氏温标用符号表示。5、华氏温标：华氏温标规定在标准大气压下，冰的融点为32，水的沸点为212，
2、中间划分180等份，每一等份称为一华氏度。华氏温标用符号 表示。6、开氏温标：开氏温标是一种绝对温度，也叫热力学温标。它规定分子运动停止时的温度为绝对零度或最低理论温度。开氏温标用符号K表示。7、摄氏温标、华氏温标和开氏温标的关系：或 )32(95tFt)32(95tFt)32(95tFt3259ttF15.273 Tt第二节 温度检测仪表1、热电偶温度计1.1热电偶测温原理：热电偶的基本原理是基于“热电效应”。将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端接点的温度不同，回路中将产生电势，该电势的大小和方向，与两种导体的性质和温度有关。这个物理现象称为热电效应，有时也叫温差效应。组成热电偶的
3、导体称为热电极，温度高的一端称为热端或工作端，另一端称为冷端或自由端。热电势表示符号为E（t，t0），它由两导体的接触电势和温差电势组成。1.1.1接触电势 接触电势是两种自由电子密度不同的导体在接触时形成的电势。接触电势的大小与温度t的高低及导体的电子密度有关。温度越高，接触电势越大；两导体的电子密度的比值越大，接触电势亦越大。1.1.2单一导体的温差电势 在同一根导体中，由于两端温度不同而产生的电势称为温差电势，又称汤姆逊电势。1.1.3热电偶回路的热电势 由两种不同导体组成的热电偶，设其测量端与参比端的温度分别为t，t0，则回路内的热电势E（t，t0）包含两个接点分别在t，t0处的接触电
4、势和温差电势。1.1.4热电偶的应用定则 （1）若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两端温度如何，热电偶回路内的总电势为零。（2）若热电偶两端温度相同即t=t0，则尽管导体的材料不同，热电偶回路内的总电势亦为零。（3）热电势与材料的中间温度无关，它只与端点温度有关。（4）中间导体定则。在热电偶回路中，只要中间导体两端温度相同，则接入中间导体后，对热电偶回路的总电势没有影响。在实际应用的时候，连接导线和显示仪表均可看成中间导体。（5）标准电极定则。采用同一标准热电极与不同的材料组成热电偶，可以先测出分的热电势，然后再计算总的热电势。1.2常用热电偶的类型及构造1.2.1常用热电偶（见下表）名
5、称型 号分 度 号测温范围（平均灵敏度/铂铑30-铂铑6B0180010铂铑10-铂S0160010镍铬-镍硅K0130040镍铬-康铜E-20090080铜-康铜T-200400501.2.2热电极材料的要求 （1）物理性能稳定。在所测温度范围内材料的热电特性应稳定。（2）化学性能稳定。在高温下不被氧化也不会被周围的其他所腐蚀而变质。（3）有足够的灵敏度。热电偶能产生尽可能大的热电势，且与温度是单值函数关系。（4）复现性好。同样材料组成的热电偶，其热电特性基本相同。（5）电阻温度系数要小，导电率高。（6）机械加工性能好。材料质地均匀，有良好的韧性，便于加工成丝。1.2.3热电偶的构造形式 热
6、电偶由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等几部分组成。根据热电偶的用途不同，常制成以下几种形式：（1）普通型热电偶。主要用以测量气体、蒸汽和液体介质的温度，已标准化、系列化。安装连接方式可分为螺纹连接和法兰连接两种。（2）铠装热电偶，又称缆式热电偶。它是由热电极、绝缘材料和金属保护套管三者结合一体的特殊结构形式。它可以做得很细很长，而且可以弯曲，可分为单芯和双芯两种。铠装热电偶是将热电极，绝缘材料连同保护套管一起拉制成形的，其外径可为0.2512mm。铠装热电偶的特点是热惯性小；具有良好的柔性，便于弯曲；抗振性能好；动态响应快。（3）薄膜热电偶。薄膜热电偶是用真空蒸镀（或真空溅射）方法，将热电
7、极沉积在绝缘基板上而成的热电偶。由于采用蒸镀工艺，所以热电偶做得很薄，直至微米数级。其使用温度范围为-200500时，热电极材料有铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-镍硅。绝缘基板材料采用云母。主要用于测量各种表面温度及汽轮叶片温度。若使用温度范围为-500800时，热电极材料有镍铬-镍硅、铂铑-铂。绝缘基板材料采用陶瓷。主要用于测量火箭、飞机喷嘴温度；钢锭，轧辊等表面温度。（4）表面热电偶。表面热电偶主要用来测量圆弧形表面温度。它的测温结构分为凸形、弓形和针形。1.3热电偶的冷端温度误差及补充 1.3.1热电偶冷端温度误差 由于热电偶分度表是在保持冷端温度为0的条件下给出的热电势与温度的对照表，因此
8、，在使用热电偶测温时，若冷端温度保持为0，则可直接使用分度表。然而，在实际测温中，热电偶的冷端温度会受环境温度的影响，并不为0。为了使用特性分度表对热电偶进行标定，实际温度的准确测量，对冷端温度变化所引起的冷端温度温差应进行补偿。1.3.2热电偶冷端温度的补偿 （1）0恒温法。0恒温法就是将热电偶的冷端保持在0器皿内。（2）冷端温度计算修正法。因各种热电偶的分度关系是在冷端温度为零摄氏度时得到的，如果测温热电偶的热端为t，冷端温度为t0（0）,就不能用测得的E(t,t0)去查分度表得t，必须根据下式进行修正：式中：E(t,0)冷端为0而热端为t时的热电势；E(t,)冷端为而热端为t时的热电势。
9、E(,0)冷端为时应加的校正值。)0,(),()0,(00tEt tEtE 例如：用镍铬-镍硅热电偶，测得某介质温度为t=800，冷端温度为t0=30 ，则由分度表查得热电势E（t，t0）=32.29Mv，又查得E（t0，0）=1.20Mv，故 E（t，0）=32.29+1.20=34.49Mv 再根据分度表查得电势 34.29 对应829.6度，此值则为真实温度值。（3）电桥补偿法。利用热电偶的热电势随冷端温度的升高而减少的特点，若在热电偶电路中串入不平衡电桥亦称冷端补偿器，进行电势补偿，如图：具有补偿电桥的热电偶回路1-热电偶；2-补偿导线；3-铜导线；4-指示仪表；5-冷端补偿器图中R1
10、=R2+R3=1是用温度系数很小的猛铜丝绕制的电阻，另一桥臂Rcu是铜线绕制的补偿电阻，桥路电源E=4V，整个桥路处于与热电偶冷端相同的环境温度中，因此，不平衡电桥的输出电压随环境温度的升高而增加，且增加的数值和热电；欧电势所减少的数值相同，从而起到补偿的作用。补偿电阻Rcu值根据温度补偿的范围T1T2来决定。设计时选择在温度为20时，桥路处于平衡状态，输出为0。当冷端温度偏离20时，就自动给出补偿电势。该补偿过程在温度T1T2内可实行完全补偿。冷端补偿器主要用来配动圈表使用。国产常用的冷端补偿器见下表：型号配用补偿导线补偿范围（）t0 内源（V）内阻功能补偿误差（Mv)WBC-01铂铑10-
11、铂0.045WBC-02镍铬-镍硅05020交流22018W 0.16WBC-03镍铬-考铜0.18WBC-57-LB铂铑10-铂(0.015+0.015t）WBC-57-EU镍铬-镍硅铝040 20直流41460mA(0.04+0.04 t)WBC-57-EA镍铬-考铜(0.065+0.065t)（4）补偿导线法。补偿导线法就是用一种特殊的导线将热电偶冷端延伸出来和测量仪表直接连接。补偿导线作用只是将热电偶原来的冷接点移到一个温度相对稳定的新的位置，它本身并不起冷端温度的补偿作用。作为补偿导线必须满足以下条件。即在冷端可能温度变化范围内（0100），补偿导线的热电势特性和工作热电偶相同。每一
12、种热电偶都有相应的补偿导线，并有整复及之分，因此，在使用的时候不能接错，否则将造成测量误差。常用的补偿导线见下表：配用热电偶分度号 补偿导线型号 补偿导线正极 补偿导线正极 补偿导线在100的热电势（MV）材料 颜色 材料 颜色 SSC铜红铜镍绿0.0645KKC铜红铜镍兰4.095KKX镍铬红镍硅黑4.095EEX镍铬红铜镍棕6.317JJX铁红铜镍紫5.268T TX 铜 红 铜镍 白 4.277 注：补偿导线型号头一个字母与热电偶分度号相对应；第二个字母X表示延伸型补偿导线，字母C表示补偿型补偿导线。我厂现使用的工作热电偶是K型（镍铬-镍硅），标准热电偶是S型（铂铑10-铂）热电偶。配用
13、的补偿导线有KX型（普通）或KX-FF型（耐高温）。1.4热电偶测量线路及应用 热电偶是一种温差形电压输出器，输出灵敏度一般为几十微伏/，室温下的典型输出电压为毫伏数量级。热电偶具有低输出阻抗（典型值为10），温度范围宽等特点。热电偶测温系统一般有选定的工作热电偶配以动圈式毫伏计、自动平衡式电子电位差计或专用的数字显示仪器。1.4.1测量基本电路及热电毫伏温度计 测量基本电路如下：0000接线端子基本测温电路 它实际是一个热电毫伏温度计。图中冷端温度T0，A，B为补偿导线，通常将其延伸到配用仪表的接线端子上，这时冷端温度即为仪表接线端子所处的环境温度T0，G为动圈仪式仪表，D为连接铜线。回路中
14、总热电势EAB（T，T0），流过测温毫伏计的电流：式中：rt、rc、rG分别为热电偶、连接导线（包括）铜线、补偿导线）和仪表的内阻。rgrcrtTTEIAB)0,(1.4.2测量两点间温度差的电路 这种测温线路如右图所示。用两只同型号的热电偶，配用相同的补偿导线，连接时应使各自产生的热 电势互相抵消，而且两只 热电偶新的冷锻温度必须 一样，否则将产生测量误 差。此时，仪表G即可测 得T1、T2间的温度差，证 明如下：回路内的总电势ET为：ET=eAB(T1)+eBB(T0)+eBB(T0)+eBA(T2)+eAA(T0)+eAA(T0)21 因为补偿导线A、B的热电特性与热电偶A、B相同，所以
15、可以认为：eBB（T0）=0 （同一材料不产生热电势）同理：eBB（T0）=0；eAA（T0）=0 eAA(T0）=0 所以 ET=eAB(T1)+eBA(T2)=eAB(T1）-eAB(T2）必须说明：若连接导线为普通铜导线，则必须保证两热电偶的冷段温度相等，否则测量结果不准确。1.4.3测量平均温度的测量电路 测量平均温度的方法通常用几支同型号的热电偶并联在一起，如图所示：图中要求三支热电偶均工作在特性曲线的线性部分，则指示仪表中的读数值为三支热电偶输出的平均值。E1=EAB（T1，T0）；E2+EAB（T2，T0）；E3=EAB（T3，T0）132回路的总电势为：在每支热电偶中，分别串接
16、均衡电阻r1、r2、r3，它们的值远大于相应热电偶的电阻，因此在T1，T2，T3不相等时，可使每支热电偶电路中的电流不受电阻不相等的影响。此电路的特点是，仪表分度仍旧和单独配用一个热电偶时一样，其缺点是当某一支热电偶烧断时，不能及时发现。3#21EEEET二、热电阻温度计 利用导电物体的电阻随本身温度而变化的温度电阻效应制成的传感器，称为热电阻式传感器。它主要用于温度以及温度有关的参量进行检测。按照热电阻的性质可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称热电阻，后者称为半导体热敏电阻。2.1热电阻2.1.1电阻与温度的关系 导体材料的电阻Rd关系式为：SLR式中：电阻率（cm）；L导体长
17、度（cm）；S导体截面积（cm2）导体材料的电阻率随温度变化的关系式为：2-1 式中t导体材料在温度t时的电阻率；0导体材料在温度0时的电阻率；导体材料的电阻温度系数（/）当温度改变时，L、S可以看作不变，导体材料的电阻则可表示为：)1(0tt Rt=R0（1+t）2-2式中：Rt导体材料在t时的电阻值；R0导体材料在 0的电阻值。从2-1和2-2式可以看出，用于制造热电阻的金属应满足以下要求：（1）电阻温度系数大。（2）电阻随温度的变化保持单值性，而且有良好的线性关系。（3）热容量小，物理和化学性质稳定。（4）电阻率大，在相同的灵敏度下，元件尺寸要小。（5）材料的复现性能好，价格便宜。根据以
18、上要求，目前大都采用铂、铜等金属作为制造热电阻的材料。2.2 铂热电阻 铂热电阻由电阻体、绝缘体和接线盒等几部分组成。铂热电阻的电阻体是用很细的铂丝绕在云母支架上做成的。铂电阻的温度特性：在0850范围内：Rt=R0（1+At+Bt2）在-2000范围内：Rt=R0 1+At+Bt2+C（t-100）t3）式中：R0、Rt分别为温度0和t时的铂电阻的电阻值；A、B、C常数。（A=3.90802X10-3-1 B=-5.802X10-7-2 C=-4.27350X10-12-4）铂电阻阻值与温度的分度关系由以上两式决定。我国工业上常用铂电阻的分度号有Pt10，Pt50，Pt100三种，其在 0温
19、度时的电阻值分别是10，50，100。2.3铜热电阻 铜热电阻体是用直径约为0.1mm的绝缘电阻丝双绕在圆柱形塑料支架上制成的。为了防止铜丝松散，整个元件经过酚醛树脂（环氧树脂）的浸渍处理，以提高其导电性能和机械固紧。铜热电阻的优点：（1）容易提纯，价格便宜。（2）铜的电阻与温度几乎是线性关系。（3）电阻温度系数比较大。铜热电阻的缺点是电阻率较小，与铂电阻相比，当阻值相同时，铜电阻的体积较大。此外，铜易氧化，只能用于低温和没有浸蚀性的介质中。铜电阻的温度特性：在-50150范围内：Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）式中：R0、Rt分别为温度0和t时的铜电阻的电阻值；A、B、C常数。（A=4
20、.28899X10-3-1 B=-2.133X10-7-2 C=1.233X10-9-3）工业上使用铜电阻的分度有Cu50和Cu100两种，其在0温度时的阻值分别是50和100。常用热电阻的技术性能见下表：名称 分度号 温度范围/温度为0的阻值R0/电阻比R100/R0 铂电阻（WZP）Pt10-200850100.01 1.3850.001 Pt50500.05 1.3850.001 Pt1001000.1 1.3850.001 铜电阻（WZC）Cu50-50-150500.05 1.4280.001 Cu501000.1 1.4280.001 2.4半导体热敏电阻 半导体热敏电阻是利用半导
21、体材料的电阻率随温度变化的性质制成的温度敏感元件。其具有电阻温度系数大，体积小，热惯性小，结构简单等优点，在点温、表面温度、温差测量中得到广泛应用。2.4.1 半导体热敏电阻的结构和类型 热敏电阻是由金属氧化物粉料按一定的配方挤压成型，然后1000 1500高温烧结而 成，引出线通常用 银线。按半导体电阻 随温度变化的典型特性分类有三种类型。即负温度系数热敏电阻（NTC），正温度系数热敏电阻（PTC）和在某一特定温度（）符号引出线外壳热敏电阻（）珠形（）柱形（）圆形 下电阻值会发生突变临界温度电阻器（CTR）。使用CTR半导体热敏电阻组成的控制开关非常理想，但在温度检测中，主要采用NTC。半导
22、体热敏电阻是非线性电阻，它的非线性特性主要表现在其电阻与温度是指数关系；电流随电压的变化不服从欧姆定律。2.4.2半导体热敏电阻的主要特性 （1）电阻与温度的关系。对于NTC热敏电阻，电阻与温度关系如下：式中 A与热敏电阻的几何尺寸、形状以及半导体的物理性质有关的常数；TBTAeR/B与半导体物理性质有关的常数；T绝对温度。（2）伏安特性(U-I特性）伏安特性表征景泰时热敏电阻两端的电压降与通过他的电流之间的关系。与热敏电阻的结构尺寸、电阻值、电阻温度系数等因素有关。热敏电阻两端的电压U为：式中 T0环境温度。)(00TBTBtTeIRIRU2.5铠装热电阻 铠装热电阻是由金属保护管、绝缘材料
23、和电阻体经冷拔、旋锻加工成的组合体。电阻体多数为铂丝，绝缘材料用氧化镁粉末，金属套管通常为不锈钢。其特点如下：（1）热惰性小，反应迅速；（2）具有可挠性，适用于结构复杂或狭小设备的温度测量；（3）能耐振动华人冲击；（4）寿命长，因为热阻受到结果复杂和气密性很好的保护套管的保护，所以不易氧化。2.6热电阻温度计的应用2.6.1典型电阻温度计测量电桥 在工业测量中常采 用电桥法对热电阻进行 测量。如图所示：图中 Rt作为一个桥臂，Rref 和Rf分别代表电阻温度 计起始温度和温度为某 值时的电阻值。（1）零位校准。将开关K拔在位置“1”，调整“调零”电位计R0，使仪表G指示零。（2）满刻度校准。将
24、开关K拔向位置“3”，调整满度电位计，使G满度偏转。调满度0142123调零 （3）正常测温。开关K拔向位置“2”即可。2.6.2电阻温度计的三线制和四线制测量电路 由于热电阻安装位置和显示仪表都有一定距离，在环境温度变化时连接导线的电阻也将发生变化，又因为导线电阻和热电阻Rt串联作为一个桥臂，因而将造成测量误差。为了克服此种误差，在导线连接方面可采用三线制或四线制。（1）三线制连接法测量电路。如图所示，如电阻Rt用三根导线l2、l3和lg 引出。lg与指示仪表串 联，l2、l3分别测量桥 路的相邻两臂。在测量过程中，当 环境温度变化时，导线 电阻发生变化。然而，lg的电阻变化不影响电桥的平衡
25、，l2和l3的电阻变化可以相互平衡而自动抵消。电桥调零时，应使Ra+Rt0=R2，其中Rt0 为人电阻在参考温度时的电阻值。（2）四线制连接法测量电路。三线制的缺点是可调电阻Ra的触点不稳定时会导致零点变化。为了克服此缺点，可采用四线制接法。如图所示：图中Ra不仅可调整电桥的平衡，而 且其触点的接触电阻的 变化是与指示仪表串联，接在电桥的对角线上，其 不稳定因素也不会影响电 桥的平衡。2.6.2半导体热敏电阻测量电路1、热继电器 如图所示为 用热敏电阻传感器作为对 电动机保护的热继电器。把三只特性相同的热敏电 阻放在电动机绕组中，紧 靠绕组处每相各放一只。当电机正常运行时温度较低，三极管BG截
26、止，继电器不动作。当电机过负荷或断相火一相接地时，电动机温度急剧上升，使热敏电阻阻值急剧减小，小到一定值后，三极管BG导通，继电器吸合，实现保护作用。还可以根据电动机各种绝缘等级的允许升温来调节偏流电阻R2值，从而改变三极管BG的动作点。2、温度补偿 如图所示为动圈式表头线圈的温度补偿电路。由于仪表的动线圈是 用铜线绕制的，因此，当环 境温度变化时，线圈电阻也 发生变化，结果必然造成测 量误差。为了补偿指示器的 温度误差，一般采用热敏电阻补偿网络进行补偿。补偿网络由热敏电阻Rt和RB并联组成，Rt是负温度系数，但热敏电阻的特性是非线性的，若在热敏电阻上并联一个猛铜电阻RB就可以修正它的温度特性
27、，使它的阻值变化近似于线性。当它们和动圈表的动圈相串联时，可以很好地进行温度补偿。Rt和RB均置于与指示器同一环境温度中，它们的合成电阻RK与温度之间的特性曲线就变得较为平坦。当补偿网络Rk再与指示器线圈电阻Rc串联，便可得一条更为平坦的电阻 -温度特性曲线。若取热敏电阻Rt在20时的电阻值为68，猛铜电阻RB的阻值为50。补偿后的电阻值R=Rc+Rk基本不随温度再变化，图中R1的作用是为了改变仪表的阻尼特性。由于Rk是近似线性的，因此，该补偿方式只能在某两点之间得到完全补偿，通常是选择20和50 两点进行补偿。三、膨胀式温度计 膨胀式温度计是利用固体或液体热胀冷缩的特性制成的温度计。常见的膨
28、胀式温度计有玻璃温度计和双金属温度计。3.1玻璃温度计 玻璃温度计是利用液体受热膨胀的原理进行工作的。常用的感温液有水银和有机液体。玻璃温度计按用途一般分为工业用、实验室用和标准水银温度计三种。标准水银温度计按精度等级又分为一等水银温度计和二等水银温度计，其分度值为0.050.1，常用来校验其它温度计。每组标准水银温度计由7支测温范围相互衔接的温度计组成。可在-30300 或-32302范围内作为校验其它温度计的标准仪器。3.2双金属温度计 双金属温度计是利用固体受热膨胀的性质制成的测温仪表。其中主要感温元件是双金属片。双金属片是由两层膨胀系数不同的金属彼此牢固结合一起的组合材料。其中膨胀系数
29、大的一层叫主动层，小的一层叫被动层。当温度升高时，由于它们的膨胀系数不同，主动层变形大，被动层变形小，因而双金属片朝一个方向弯曲。双金属片一般制成直形螺旋形状。双金属温度计工作原理是：当双金属片感温元件感受温度变化时，由于膨胀系数不同，双金属片产生角位移，带动指针指示相应的温度。双金属温度计的特点是结构简单，价格便宜，使用方便，耐振动，没有水银温度计的“汞害”，刻度较水银温度计清晰。缺点是精度较差，精度一般为1、1.5和2.5级。四、压力式温度计 压力式温度计是根据密封在固定容器内的液体或气体，当温度变化时压力发生变化的特性，将温度的测量转化为压力的测量。它主要由温包、毛细管和弹簧管压力计三部分组成。
