1、第3章 溫度測(cè)量技術(shù)接觸式測(cè)溫接觸式測(cè)溫 基于基于熱平衡原理熱平衡原理，即測(cè)溫敏感元件必須與被測(cè)，即測(cè)溫敏感元件必須與被測(cè)介質(zhì)接觸，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)。介質(zhì)接觸，使兩者處于同一熱平衡狀態(tài)。 如水銀溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)。如水銀溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)。溫度測(cè)量方法可分為：溫度測(cè)量方法可分為： 接觸式、非接觸式接觸式、非接觸式1 1 概述概述非接觸式測(cè)溫非接觸式測(cè)溫 利用物質(zhì)的熱輻射原理，測(cè)溫元件不需利用物質(zhì)的熱輻射原理，測(cè)溫元件不需與被測(cè)介質(zhì)接觸。與被測(cè)介質(zhì)接觸。 如如: :輻射溫度計(jì)、紅外熱象儀等。輻射溫度計(jì)、紅外熱象儀等。熱電式傳感器熱電式傳感器: : 將溫度變化轉(zhuǎn)

2、換為電量變化的裝置較普通的將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置較普通的 熱電式傳感器將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻。熱電式傳感器將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)和電阻。常用熱電式傳感器的敏感元件有：常用熱電式傳感器的敏感元件有： 熱電偶：熱電偶：將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)之變化；將溫度轉(zhuǎn)換為電勢(shì)之變化； 熱電阻：熱電阻：將溫度轉(zhuǎn)換為電阻阻值之變化。將溫度轉(zhuǎn)換為電阻阻值之變化。 2 電阻溫度計(jì)電阻溫度計(jì)工作原理：工作原理： 基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)而工作的。性質(zhì)而工作的。測(cè)溫敏感元件有測(cè)溫敏感元件有: :金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體熱敏電阻金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體熱敏電阻。(1)(1)、金屬測(cè)溫電阻

3、、金屬測(cè)溫電阻( (金屬熱電阻金屬熱電阻) ) 一般金屬導(dǎo)體具有一般金屬導(dǎo)體具有正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù)（電阻率隨溫度的（電阻率隨溫度的上升而增加），上升而增加），在一定的溫度變化范圍內(nèi)在一定的溫度變化范圍內(nèi)，電阻和溫度之間，電阻和溫度之間的函數(shù)關(guān)系：的函數(shù)關(guān)系：)1 ()(1 000tRttRR其中：其中： R、R0分別表示溫度為分別表示溫度為t和和t0時(shí)的電阻值時(shí)的電阻值; 為材料的電阻溫度系數(shù)，為材料的電阻溫度系數(shù)，=(46)10-3/0C。 在不同溫度范圍內(nèi)，電阻溫度系數(shù)在不同溫度范圍內(nèi)，電阻溫度系數(shù)是不同的，希望在是不同的，希望在測(cè)量溫度的范圍內(nèi)測(cè)量溫度的范圍內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。是

4、一個(gè)常數(shù)。熱電阻材料應(yīng)具備以下性質(zhì)：熱電阻材料應(yīng)具備以下性質(zhì)： 1 1）電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)要大；要大； 2 2）在測(cè)量范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；在測(cè)量范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定； 3 3）電阻率電阻率要大，可提高溫度計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；要大，可提高溫度計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)； 4 4）電阻溫度關(guān)系線性好；電阻溫度關(guān)系線性好； 5 5）材料要容易制作，價(jià)格便宜。材料要容易制作，價(jià)格便宜。 常用材料有：鉑、銅、鐵、鎳等。常用材料有：鉑、銅、鐵、鎳等。 熱電阻的制作是用上述金屬的細(xì)絲繞在云母、石英或陶瓷熱電阻的制作是用上述金屬的細(xì)絲繞在云母、石英或陶瓷等絕緣支架上。等絕緣支架上。 熱敏電阻是由金

5、屬氧化物熱敏電阻是由金屬氧化物(NiO,MnO2,CuO,TiO2)(NiO,MnO2,CuO,TiO2)粉末按一粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。 常用的熱敏電阻的阻值隨溫常用的熱敏電阻的阻值隨溫度上升而下降。度上升而下降。TBAeR T T是絕對(duì)溫度是絕對(duì)溫度(K)(K)；A A、B B是常數(shù)。是常數(shù)。電阻溫度系數(shù)：?jiǎn)挝粶囟茸兓鸬碾娮璧南鄬?duì)變化電阻溫度系數(shù)：?jiǎn)挝粶囟茸兓鸬碾娮璧南鄬?duì)變化dTdRRdTRdR1(2)半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻2221)()(TBdTdRRTBRTBAedTdRAeRTBTB半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻的

6、電阻溫度系數(shù)不是常數(shù)，而不是常數(shù)，而和絕對(duì)溫度的平方成反比。和絕對(duì)溫度的平方成反比。當(dāng)當(dāng)T=T0時(shí)有電阻時(shí)有電阻R0；當(dāng)當(dāng)T=T時(shí)有電阻時(shí)有電阻R（1） （2）)11(0000TTBTBTBeReeRR電阻值電阻值R與溫度與溫度T的關(guān)系：的關(guān)系：010111lnlnTTRRB常數(shù)常數(shù)B可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得：可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得：(即只要測(cè)定溫度分別為即只要測(cè)定溫度分別為T1和和T0時(shí)半導(dǎo)體的熱敏電阻的阻值時(shí)半導(dǎo)體的熱敏電阻的阻值R1和和R0)(B的范圍一般為的范圍一般為150050000K)半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬熱電阻相比半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬熱電阻相比, 有以下優(yōu)點(diǎn)：有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）溫度系數(shù)的絕對(duì)值較熱電

7、阻大，靈敏度高，）溫度系數(shù)的絕對(duì)值較熱電阻大，靈敏度高， 可測(cè)可測(cè)0.0010.00050C的微小溫度變化；的微小溫度變化； 2）電阻率大，時(shí)間常數(shù)小）電阻率大，時(shí)間常數(shù)小(毫秒級(jí)毫秒級(jí))。可制成體。可制成體 積小、熱慣性小、響應(yīng)速度快的感溫元件。積小、熱慣性小、響應(yīng)速度快的感溫元件。半導(dǎo)體熱敏電阻缺點(diǎn)：半導(dǎo)體熱敏電阻缺點(diǎn)： 1）電阻溫度特性分散性大；）電阻溫度特性分散性大； 2）穩(wěn)定性差；）穩(wěn)定性差； 3）非線性較嚴(yán)重。）非線性較嚴(yán)重。 （3 3）電阻測(cè)定）電阻測(cè)定 測(cè)量方法測(cè)量方法 可采用電橋測(cè)定熱電阻的電阻值可采用電橋測(cè)定熱電阻的電阻值 常用電橋測(cè)熱阻存在的問(wèn)題常用電橋測(cè)熱阻存在的問(wèn)題(

8、 (二線接橋法二線接橋法) )注意：將熱電阻接到電注意：將熱電阻接到電橋的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生附加電阻橋的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生附加電阻r1、r2，這是產(chǎn)生測(cè)量誤，這是產(chǎn)生測(cè)量誤差的一個(gè)重要原因。差的一個(gè)重要原因。采取的技術(shù)措施：采取的技術(shù)措施： (可采用三線接橋法及四線接橋法可采用三線接橋法及四線接橋法) 用具有相同溫度特性的導(dǎo)線用具有相同溫度特性的導(dǎo)線r1、r2分別分別接到兩個(gè)鄰臂上，因而可互相抵消，而第接到兩個(gè)鄰臂上，因而可互相抵消，而第三根線與負(fù)載電阻三根線與負(fù)載電阻RL相串聯(lián)，由于負(fù)載相串聯(lián)，由于負(fù)載的輸入阻抗都很大，的輸入阻抗都很大，r3則可忽略不計(jì)。則可忽略不計(jì)。1r3 熱電偶熱電偶熱電偶：將溫度量轉(zhuǎn)

9、換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器熱電偶：將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢(shì)大小的熱電式傳感器熱電偶具有以下特點(diǎn)：熱電偶具有以下特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，精度高，熱慣性小，可結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，精度高，熱慣性小，可測(cè)局部溫度和便于遠(yuǎn)距離傳送與集中檢測(cè)。測(cè)局部溫度和便于遠(yuǎn)距離傳送與集中檢測(cè)。3.13.1、工作原理、工作原理( (席貝克效應(yīng)席貝克效應(yīng)) ) 兩種不同材料的導(dǎo)體兩種不同材料的導(dǎo)體A A和和B B串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)閉合串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)閉合回路，如果兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同，電路中將產(chǎn)生熱回路，如果兩個(gè)接合點(diǎn)的溫度不同，電路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，并形成熱電流。電勢(shì)，并形成熱電流。 熱電勢(shì)的大小與材料的性質(zhì)及接點(diǎn)的溫度有關(guān)

10、，熱電勢(shì)的大小與材料的性質(zhì)及接點(diǎn)的溫度有關(guān)，稱為溫差熱電效應(yīng)或熱電效應(yīng)，該現(xiàn)象是稱為溫差熱電效應(yīng)或熱電效應(yīng)，該現(xiàn)象是18211821年德國(guó)年德國(guó)物理學(xué)家物理學(xué)家SecbackSecback發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)的。熱電勢(shì)可用函數(shù)關(guān)系式表示：熱電勢(shì)可用函數(shù)關(guān)系式表示： E EABAB=f(T,T=f(T,T0 0) )若知道若知道E EABAB, T, T0 0, , 即可利用熱電效應(yīng)來(lái)測(cè)溫或溫度差。即可利用熱電效應(yīng)來(lái)測(cè)溫或溫度差。 定義：定義：這兩種不同導(dǎo)體的組合體稱為熱電偶這兩種不同導(dǎo)體的組合體稱為熱電偶。 兩個(gè)連接端點(diǎn)兩個(gè)連接端點(diǎn), ,一個(gè)稱為工作端一個(gè)稱為工作端T,T,另一個(gè)稱為自另一個(gè)稱為自由端

11、或參考端由端或參考端T T0 0或冷端或冷端, ,兩根金屬絲稱之為兩根金屬絲稱之為熱電極熱電極。溫差電勢(shì)是如何產(chǎn)生的？溫差電勢(shì)是如何產(chǎn)生的？ 溫差電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)（珀耳貼電溫差電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)（珀耳貼電勢(shì)）與同一種導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）所組勢(shì)）與同一種導(dǎo)體的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)）所組成的。成的。1.1.接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)（珀耳貼電勢(shì)珀耳貼電勢(shì)） 不同導(dǎo)體自由電子的密度是不同的不同導(dǎo)體自由電子的密度是不同的, ,當(dāng)兩種不當(dāng)兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí)同導(dǎo)體接觸時(shí), ,在接觸面上將產(chǎn)生電子擴(kuò)散在接觸面上將產(chǎn)生電子擴(kuò)散, ,電子擴(kuò)電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度及接觸區(qū)的溫度成正比。散的

12、速率與自由電子的密度及接觸區(qū)的溫度成正比。 接觸面上金屬接觸面上金屬A A的電子擴(kuò)散到的電子擴(kuò)散到B B，A A失去電子帶正電，失去電子帶正電，B B因獲得電子因獲得電子帶負(fù)電，在接觸面上形成了靜電帶負(fù)電，在接觸面上形成了靜電場(chǎng)，這個(gè)靜電場(chǎng)將阻止擴(kuò)散過(guò)程場(chǎng)，這個(gè)靜電場(chǎng)將阻止擴(kuò)散過(guò)程的進(jìn)行，的進(jìn)行，當(dāng)自由電子密度的不同當(dāng)自由電子密度的不同引起的擴(kuò)散能力與靜電場(chǎng)的作用引起的擴(kuò)散能力與靜電場(chǎng)的作用相互抵消時(shí)相互抵消時(shí)，達(dá)到了動(dòng)平衡，在，達(dá)到了動(dòng)平衡，在接觸面上形成一個(gè)穩(wěn)定的接觸電接觸面上形成一個(gè)穩(wěn)定的接觸電位差。位差。自由電子密度自由電子密度 n nA An nB BBAABnnekTTEln)(

13、EAB(T)為導(dǎo)體為導(dǎo)體A和和B的接點(diǎn)在溫度為的接點(diǎn)在溫度為T時(shí)形成的時(shí)形成的電位差電位差 。其中：。其中： e 電子的電荷電子的電荷 e=1.610-19庫(kù)侖庫(kù)侖 k 波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) k=1.3810-23(焦耳焦耳/庫(kù)侖庫(kù)侖) EAB(T)和連接點(diǎn)的溫度和連接點(diǎn)的溫度T有關(guān)，因此當(dāng)兩種金有關(guān)，因此當(dāng)兩種金屬接成閉合回路而連接點(diǎn)的溫度又不同時(shí)，回路中屬接成閉合回路而連接點(diǎn)的溫度又不同時(shí)，回路中將形成接觸電勢(shì)。將形成接觸電勢(shì)。2. 同一種金屬的溫差電勢(shì)（同一種金屬的溫差電勢(shì)（湯姆遜電勢(shì)湯姆遜電勢(shì)） 在同一導(dǎo)體中，存在溫度梯度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。在同一導(dǎo)體中，存在溫度梯度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫差

14、電勢(shì)。 兩端的溫度不一致時(shí)，高溫端的自由電子具有兩端的溫度不一致時(shí)，高溫端的自由電子具有的動(dòng)能大，向低溫端擴(kuò)散，跑到低溫端去堆積起來(lái)，的動(dòng)能大，向低溫端擴(kuò)散，跑到低溫端去堆積起來(lái)，在導(dǎo)體內(nèi)形成一個(gè)靜電場(chǎng)，阻止電子擴(kuò)散，當(dāng)兩者在導(dǎo)體內(nèi)形成一個(gè)靜電場(chǎng)，阻止電子擴(kuò)散，當(dāng)兩者的作用相互抵消時(shí)，在導(dǎo)體兩端就形成一個(gè)穩(wěn)定的的作用相互抵消時(shí)，在導(dǎo)體兩端就形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差。電位差。TTAdTTTe0),(0湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為湯姆遜系數(shù)，它表示溫度為11時(shí)所產(chǎn)時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。生的電動(dòng)勢(shì)值，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。 3. 3. 熱電偶回路的總熱電勢(shì)熱電偶回路的總熱電勢(shì) TTBABAB

15、AABABBABAABABdt)(NNln)TT(ek)T ,T(e)T ,T(e)T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(E000000000TTBABABAABABBABAABABdt)(NNln)TT(ek)T ,T(e)T ,T(e)T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(e)T(e)T ,T(E000000000結(jié)論：結(jié)論：1 1）如果熱電偶兩電極）如果熱電偶兩電極材料相同材料相同，無(wú)論溫度如何，輸出電勢(shì)為零；，無(wú)論溫度如何，輸出電勢(shì)為零；2 2）如果）如果溫度相同溫度相同，則輸出電勢(shì)為零；，則輸出電勢(shì)為零；3 3）電勢(shì)的大小只與）電勢(shì)的大小只與

16、電極材料、節(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)電極材料、節(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，與熱電偶的尺，與熱電偶的尺 寸、形狀及沿電極溫度分布無(wú)關(guān)。寸、形狀及沿電極溫度分布無(wú)關(guān)。1.1.中間溫度定律中間溫度定律某熱電偶接點(diǎn)溫度為某熱電偶接點(diǎn)溫度為T T1 1和和T T2 2時(shí)的熱電勢(shì)為時(shí)的熱電勢(shì)為E E1 1，接，接點(diǎn)溫度為點(diǎn)溫度為T T2 2和和T T3 3時(shí)的熱電勢(shì)為時(shí)的熱電勢(shì)為E E2 2，則當(dāng)接點(diǎn)溫度為，則當(dāng)接點(diǎn)溫度為T T1 1和和T T3 3時(shí)的熱電勢(shì)為時(shí)的熱電勢(shì)為E E1 1+E+E2 2。3.2 熱電偶的基本實(shí)驗(yàn)定律熱電偶的基本實(shí)驗(yàn)定律 例 用（S型）熱電偶測(cè)量某一溫度，若參比端溫度T0=30，測(cè)得的熱電勢(shì)E(T,Tn)

17、=7.5mV，求測(cè)量端實(shí)際溫度T。)(),(),(0,0TTETTETTEnnCTCTTTEnn03000，）中，（在查分度表有查分度表有E（30，0）= 0.173 mV mVTTEn5 . 7），（mVETETE673.7173.05 .7)0 ,30(300），（），（反查分度表有反查分度表有T=830T=830，測(cè)量端實(shí)際溫度為，測(cè)量端實(shí)際溫度為8308302.2.中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中加入第三種均質(zhì)材料，只要它的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，在熱電偶回路中加入第三種均質(zhì)材料，只要它的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，則對(duì)回路的熱電勢(shì)沒(méi)有影響。則對(duì)回路的熱電勢(shì)沒(méi)有影響。它說(shuō)明：它說(shuō)明： 第三種均質(zhì)

18、材料可以是接在兩個(gè)熱電極之間，也可接在某個(gè)熱電極第三種均質(zhì)材料可以是接在兩個(gè)熱電極之間，也可接在某個(gè)熱電極之中，因此在用熱電偶測(cè)溫時(shí)，只要保證熱電偶和連接后續(xù)測(cè)量電路或之中，因此在用熱電偶測(cè)溫時(shí)，只要保證熱電偶和連接后續(xù)測(cè)量電路或儀表的引線的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，接入電路或儀表都不會(huì)影響熱電勢(shì)的儀表的引線的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，接入電路或儀表都不會(huì)影響熱電勢(shì)的數(shù)值。數(shù)值。3.3.標(biāo)準(zhǔn)電極定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律( (參考電極定律參考電極定律) ) 有三種金屬有三種金屬A A、B B、C C兩兩相接，當(dāng)接點(diǎn)溫度分別為兩兩相接，當(dāng)接點(diǎn)溫度分別為T T1 1和和T T2 2時(shí)，金屬時(shí)，金屬A A和和C C的熱電勢(shì)為

19、的熱電勢(shì)為E EACAC，金屬，金屬C C和和B B的熱的熱電勢(shì)為電勢(shì)為E ECBCB，則金屬，則金屬A A和和B B的熱電勢(shì)：的熱電勢(shì)： E EABAB=E=EACAC+E+ECBCB 用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，電勢(shì)的大小決定于冷熱端用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，電勢(shì)的大小決定于冷熱端溫度之差。如果冷端溫度固定，則決定于熱端；如果溫度之差。如果冷端溫度固定，則決定于熱端；如果冷端溫度變化，則會(huì)引起測(cè)量誤差。冷端溫度變化，則會(huì)引起測(cè)量誤差。 1 1、冷端恒溫法；、冷端恒溫法；3.3 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。適用于實(shí)驗(yàn)室中的精確測(cè)量和檢定熱電偶時(shí)使用。

20、 在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是冰水混在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶的參比端往往不是冰水混合物，而是環(huán)境溫度，這時(shí)測(cè)量出的回路熱電勢(shì)要小，合物，而是環(huán)境溫度，這時(shí)測(cè)量出的回路熱電勢(shì)要小，因此必須加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的熱電因此必須加上環(huán)境溫度與冰點(diǎn)之間溫差所產(chǎn)生的熱電勢(shì)后才能符合熱電偶分度表的要求。勢(shì)后才能符合熱電偶分度表的要求。 )0 ,(),()0 ,(11TETTETE 可用室溫計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度可用室溫計(jì)測(cè)出環(huán)境溫度T1，從分度表中查出的，從分度表中查出的E(T1,0)值，值，然后加上熱電偶回路熱電勢(shì)然后加上熱電偶回路熱電勢(shì)E(T,T1)，得到，得到E(T,0)值，反查分度值，反查分度表即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)溫度值。表即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)溫度值。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2 計(jì)算修正法計(jì)算修正法 3 3、補(bǔ)償導(dǎo)線法、補(bǔ)償導(dǎo)線法 為使熱電偶冷端溫度保持不變，不受熱源的影響，往往需為使熱電偶冷端溫度保持不變，不受熱源的影響，往往需要使冷端遠(yuǎn)離工作點(diǎn)，為了不使用過(guò)多的貴重的熱電偶導(dǎo)線，