06 第六章 温度的测量.pptx

第1页：华氏温标与摄氏温标

第6章温度的测量3温标是衡量温度高低的尺度，华氏温标、摄氏温标和热力学温标

1华氏温标

18世纪初由德国物理学家华伦海特制定。把水、冰、盐混合物的温度定为0度，把健康人的体温定为100度。水的冰点为32度，沸点为212度，180等分，符号用ºF表示

2摄氏温标

由瑞典天文学家摄西阿斯制定。水的冰点为0度，沸点为100度，100等分，符号用ºC表示

第2页：热力学温标

第6章温度的测量4（3）热力学温标：19世纪中叶，英国物理学家开尔文提出来。水的冰点为273.15度，沸点为373.15度，100等分，符号用K表示。热力学温度与摄氏温度的关系为：t=T−T0T0代表水的冰点温度为273.15K。

第3页：接触法与非接触法测温

温度的测量方法——接触法测温和非接触法测温。接触法测温：测量敏感元件直接与被测介质接触，是被测介质与温度敏感元件进行充分的热交换（主要是通过导热和对流）而完成温度的测量。非接触测温法——测温仪表的敏感元件不直接与被测对象接触，通过辐射和对流实现热交换而达到测温的目的。

第4页：接触式测温仪表的特点

接

缺点

1测温仪表容易影响被测温场的分布，带来测量误差；2测量仪表与被测对象不能充分接触，产生测量误差。3对有些介质（如高温或具有腐蚀性介质），应用接触测量会减少测温元件的使用寿命

第5页：接触式温度计的类型

• 膨胀式温度计利用物体受热后体积膨胀的原理设计的温度计，其中包括气体、液体和固体膨胀式温度计
• 电阻温度计利用导体或半导体电阻随温度变化的原理设计的温度计
• 热电偶温度计利用两种不同材料构成的热电偶，在两端节点具有不同的温度时，回路中产生热电动势，且此电动势大小与温度有关的原理设计的温度计
• 其它原理的温度计采用其它物理原理（即利用某些物理特性与温度有关）而设计的温度计，例如利用一定切向的石英晶体振荡频率与温度有关的石英温度计，利用声音

第6页：非接触式测温仪表

非接

触式测温仪表特点

检测部分与被测对象不直接接触。由于实现了非接触测量，所以不破坏原有温场，并且便于对运动物体测量或采用扫描的方法测出温场的分布。非接触测温仪表除少数应用对流换热及其它原理以外，大多数是利用物体的热辐射原理进行测量的，根据

测量特点的不同有

（1）辐射式温度计根据全光谱辐射能量或部分光谱辐射能量的大小来测量温度，又分为全辐射温度计和部分光谱辐射温度计两大类

第7页：辐射式、亮度与比色温度计

非接触式测温仪表2亮度温度计根据物体辐射的单色亮度与温度的关系来测量温度。3比色温度计根据两个波长的亮度比与温度的关系来测量温度。4真实温度测量仪前面三种方法，在物体发射率（黑度系数）小于1时，测得的都是“视在”温度，不是物体真实温度，只有经过特殊转换的真实温度测量仪测得的结果才是被测物体的真实温度。

第8页：热电效应与热电偶结构

2.1热电效应热电偶，热电极，热端（工作端），冷端（自由端）。接触电势，温差电势。

第9页：热电偶的主要特点

• 结构简单
• 测量温度高（1000ºC以上）
• 本身尺寸小，可用来测量小空间的温度
• 动态响应快
• 电动势信号便于传送

第10页：接触电势的计算式

接触电势：不同金属，同一温度，电位差。BABeNE(T)=KTlnNA式中K为波尔兹曼常数K=1.38×10−23JKT为绝对温度NA、NB为材料A，B的自由电子密度e为电子电荷电量e=1.6×10−19C）。

第11页：温差电势

接触电势

不同金属，同一温度，电位差

温差电势

同一金属，温度不同，电位差。BABeNE(T)=KTlnNATTA∫0EA(T,T0)=δdTδA汤姆逊系数，大小与金属材质有关

第12页：热电偶回路总电动势

EAB(T,T0)=EAB(T)−EAB(T0)+EB(T,T0)−EA(T,T0)BANNKe0(T−T)lnEAB(T,T0)=EAB(T)−EAB(T0)=EAB(T0)=f(T0)=CEAB(T,T0)=EAB(T)−f(T0)=f(T)−C=φ(T)

第13页：热电偶输出为零的条件

注意：1两电极材料相同，输出电动势为零。2两接点温度相同，输出电动势为零。B15ANNKe0AB0ABAB0(T−T)lnE(T,T)=E(T)−E(T)=

第14页：常用热电偶与分度号

热电偶的分度表对给定的热电偶通过实验测得T0=0℃，T取不同温度时的热电势数据，制成“热电势——温度对应关系数据表”。常用热电偶铂铑10—铂铜—康铜铂铑30—铂铑6镍铬—镍硅（镍铝）分度号S分度号T分度号B分度号K

第15页：铜—康铜热电偶分度表

铜—康铜热电偶（分度号为T）的分度表

第16页：中间导体定律

2.3热电偶基本定律如何测出热电势？1．中间导体定律由导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体C时，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体后回路总电动势不变。

第17页：标准电极定律

2.3热电偶基本定律热电偶分度表无穷多2．标准电极定律如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成热电偶产生的热电动势可由下式计算在实际应用中，一般标准热电极材料为纯铂。EAB(T,T0)=EAC(T,T0)−EBC(T,T0)

第18页：中间温度定律

2.3热电偶基本定律冷端温度不为零怎么办？3．中间温度定律EAB(T,T0)=EAB(T,T1)+EAB(T1,T0)EAB(t,t1)=EAB(t,0)−EAB(t1,0)

第19页：热电偶测温原理

2.4热电偶测温原理和方法EAB(t,t1)=EAB(t,0)−EAB(t1,0)

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第20页：0℃恒温法

71、0℃恒温法一个大气压，纯净水和冰的混合物。只适合于实验室中使用，不适合于工业现场中使用。

第21页：计算修正法

计算修正法例：用铜——康铜热电偶测量温度测得EAB(t,t0)=EAB(t,tH)+EAB(tH,t0)EAB(t,tH)=1.999mVtH=21°CEAB(t,0)=EAB(t,21)+EAB(21,0)

第22页：分度表的插值计算

铜—康铜热电偶（分度号为T）的分度表EAB(20,0)=0.789mVEAB(30,0)=1.196mVAB9E(21,0)=0.789+1.196−0.789×(21−20)=0.830mV30−20

第23页：计算修正法求热电动势

计算修正法例：用铜——康铜热电偶测量温度测得计算EAB(t,t0)=EAB(t,tH)+EAB(tH,t0)EAB(t,tH)=1.999mVtH=21°CEAB(21,0)=0.830mVEAB(t,0)=EAB(t,21)+EAB(21,0)=1.999+0.830=2.829(mV)

第24页：由热电动势反查温度

铜—康铜热电偶（分度号为T）的分度表EAB(60,0)=2.467mVEAB(70,0)=2.908mVt=60+2.829−2.467×(70−60)=68.2(°C)2.908−2.467EAB(t,0)=2.829(mV)

第25页：冷端补偿法

冷端补偿法当t0=0℃时，电桥平衡Uba=0V当t0>0℃时，EAB(t,t0)减小，但RCu增大，使Uba>0V选择限流电阻R，使U=EAB(t,t0) +Uba不变

第26页：补偿导线的使用条件

134．冷端的延伸——补偿导线1热电特性相同，在一定范围内（一般为0～100ºC）。2接点温度相同（补偿导线与热电偶），且不得超过规定的范围（一般为0～100ºC）。3补偿导线的正负极以其绝缘层的颜色来区分。

第27页：热电阻温度传感器

电阻式温度传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。金属热电阻（简称热电阻）温度传感器半导体热敏电阻（简称热敏电阻）温度传感器{

第28页：热电阻测温的特点

• 阻值的增量，借助桥式电路减掉起始阻值
• 外加电源，将阻值的变化转化为电压的变化
• 感温部分尺寸较大，测出的是平均温度
• 测温上限低铂热电偶0℃~1600℃铂热电阻-250℃~650℃

第29页：热电阻材料的要求

• 电阻率大——在同样灵敏度下元件尺寸小、热惯性低
• 电阻温度系数保持单值（最好是常数）——保证电阻值随温度变化的线性关系
• 性能稳定（物理、化学性能）。铂铜镍铁

第30页：铂电阻的温度特性

铂电阻优点

物理化学性能稳定，工艺性好，易于提纯

缺点

电阻温度系数较小。铂电阻与温度之间的关系近似直线，可用下式表示在－200～0ºC范围内在0～650ºC范围内2t01+At+R=R[Bt+C(t−100°C)t3]2t0R=R[1+At+Bt]A=3.96847×10−3/°CB=−5.847×10−7/°C2C=−4.22×10−12/°C4

第31页：百度电阻比与铂纯度

铂电阻的精度与铂的提纯程度有关通常用百度电阻比表示铂的纯度R0W(100)=R100W(100)≥1.3915

第32页：Pt100铂电阻分度表

Pt100电阻分度表

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第33页：铜电阻的温度特性

铜电阻特点

价格便宜；精度较低

缺点

易于氧化，不适于在腐蚀性介质或高温下工作；电阻率低，体积较大。在-50～150ºC20tR=R(1+At+Bt+Ct3)B=−2.133×10−7/°C2A=4.28899×10−3/°CC=1.233×10−9/°C3W(100)≥1.4257

第34页：镍铁热电阻与测量电流

其它热电阻镍和铁电阻的温度系数都较大，电阻率也较高，因此也适合作热电阻，但由于存在易氧化或非线性严重等缺点，所以这两种热电阻目前应用较少。6.3.3热电阻的测量通过热电阻的电流小于4mA。

第35页：热敏电阻的三种类型

热敏电阻：用半导体材料制成的热敏器件。1负温度系数热敏电阻（NTC）2正温度系数热敏电阻（PTC）3临界温度系数热敏电阻（CTR）。PTC型和CTR型热敏电阻——位式温度传感器。NTC型热敏电阻——连续作用的温度传感器。

第36页：NTC热敏电阻的特点

NTC测量范围

-100～300ºNTC特点

（与热电阻相比）

1电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍；2结构简单，体积小，可以测量点温度；3电阻率高，热惯性小，适宜动态测量

第37页：NTC电阻温度特性

4.2NTC型热敏电阻的特性NTC型热敏电阻的电阻——温度特性热敏电阻的温度系数铂电阻的温度系数0R=RexpB1−1TT0T<450°CB=2000K~6000KT2RdTα=1ΣdR=−Bα=1ΣdR=1×136.5−100=0.37%°CRdT100100B=4000KT=293.15K(20°C)400011293.152T2α=−B=−=−4.7%°C

第38页：NTC测温的优缺点

126.4.2NTC型热

敏电阻的特性优点

1温度系数高；2连接导线的阻值几乎对测温没有影响（因为热敏电阻在常温下的阻值很大，通常都在数千欧以上，而连接导线的阻值最多不过10欧）

缺点

非线性严重，需线性化处理

第39页：热敏电阻伏安特性曲线

热敏电阻的伏安特性

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第40页：伏安特性与负阻成因

146.4.2NTC型热敏电阻的特性伏安特性在稳态情况下，热敏电阻上的电压和通过的电流之间的关系。负阻特性原因电流引起热敏电阻自身发热升温，阻值减小，所以电压降反而变小了。注意勿使电流过大，根据允许功耗来确定电流，以免带来测温误差。

第41页：AD590绝对温度电流变换器

5AD590绝对温度/电流变换器

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第42页：AD590的性能特点

5AD590绝对温度/电流变换器21．性能特

2测温范围宽

-55~150℃

3二端器件

电压输入，电流输出

4精度高

±0.5℃（AD590M）

5线性度好

在整个测温范围内非线性误差小于±0.3℃（AD590M）

6工作电压范围宽

4~30V；7器件本身与外壳绝缘；8成本低

第43页：AD590的基本接法

5AD590绝对温度/电流变换器2．基本接法

第44页：习题6-1 两类测温输出比较

习题6-1．试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同。答：（1）同样温度之下，热电阻输出信号较大，易于测量。以0～100ºC为例，如用K热电偶，输出为4.095mV；用S热电偶更小，只有0.643mV。但用铂热电阻，如0ºC时为100Ω，则100ºC时为139.1Ω，电阻增加量为39.1Ω；如用铜热电阻，电阻增加量可达42.8Ω。测量毫伏级的电动势，显然不如测几十欧的电阻增量容易。（2）热电阻对温度的响应是阻值的增量，必须借助桥式电路或其它措施。将起始阻值减掉才能得到反映被测温度的电阻增量。通常起始阻值是对应于t=0℃时的阻值。热电偶对温度的响应是全部热电动势，对参比温度t=0℃而言不需要减起始值，因为起始值为零。

第45页：习题6-1 测温范围比较

习题6-1．试比较热电偶测温与热电阻测温有什么不同。答：（3）热电阻的测量必须借助外加电源，测量时，将电流加入热电阻，通过测量电阻两端的电压，推导出电阻值。热电偶只要热端、冷端温度不等，就会产生电动势，它是不需电源的发电式传感器。4热电阻感温部分的尺寸较大，通常约几十毫米长，它测出的是该空间的平均温度。热电偶的热端是很小的焊点，它测出的是该点的温度。5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构成，支架材质在高温下的物性限制了测温范围。例如铂组成的热电偶可测1600℃，而铂热电阻却只能工作在1000℃以下（通常只到650℃）。但在低温领域热电阻可用到－250℃。热电偶一般用在0℃以上。

第46页：习题6-2 中间导体定律价值

习题6-2．中间导体定律和标准电极定律的实用价值是什么？6答：1．中间导体定律由导体A、B组成的热电偶，当引入第三导体C时，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体后回路总电动势不变。根据中间导体定律，我们可以在回路中引入各种仪表和连接导线，只要保证两结点温度一致，就可以对热电动势进行测量，而不影响热电偶的输出。

第47页：习题6-2 标准电极定律价值

习题6-2．中间导体定律和标准电极定律的实用价值是什么？

7答

2．标准电极定律如果两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶产生的热电动势已知，则由这两个导体A、B组成热电偶产生的热电

动势可由下式计算

EAB(T,T0)=EAC(T,T0)−EBC(T,T0)这里采用的电极称为标准热电极，在实际应用中，一般标准热电极材料为纯铂。这是因为铂易得纯态，物理化学性质稳定，熔点较高。由于采用了标准电极，大大方便了热电偶的选配工作，只要知道了一些材料与标准热电极相配的热电动势，就可以用上述定律求出任何两种材料配成热电偶的热电动势

第48页：习题6-3 补偿导线的作用

习题6-3．正确使用补偿导线和引入中间导体的条件是什么?答：工业测温时，被测点与指示仪表之间往往有很长的距离，同时为了避免冷端温度受被测点温度变化的影响，也需要使热电偶的冷端远离工作端。然而由于热电偶材料昂贵，热电偶尺寸不易过长（一般只1米左右）。为了解决这一问题，一般是采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，称这种导线为补偿导线。为保证接入补偿导线后不影响原热电偶回路热电势的测量值，必须注意以下几点：（1）补偿导线的热电特性在一定范围内（一般为0～100ºC），要与所配用的热电偶的热电特性相同。

第49页：习题6-3 补偿导线接线要求

习题6-3．正确使用补偿导线和引入中间导体的条件是什么?答：2补偿导线与热电偶的两个接点的温度必须相同，且不得超过规定的范围（一般为0～100ºC）。3补偿导线的正负极以其绝缘层的颜色来区分。在使用时，一定要使补偿导线与热电偶的同性电极相接，切不可接反。不同的热电偶要求配用不同的冷端温度补偿导线。对于廉价金属热电偶，其补偿导线就采用与其电极材料相同的合金丝。而对于贵重金属热电偶，通常用实验方法找出热电特性相同的廉价合金丝作为补偿导线。

第50页：习题6-5 冷端补偿方法

习题6-5．热电偶测温时为什么要进行冷端温度补偿？有哪些种补偿方法？各适用于什么场合？答：热电偶输出的电动势是热电偶两结点温度的函数差，因此，为了保持输出电动势是被测温度的单值函数，必须使一个结点温度保持恒定。1．0℃恒温法2.计算修正法3.冷端补偿器法4.冷端的延伸

第51页：习题6-6 炉温实际值计算

习题6-6．用镍铬一镍硅热电偶测量炉温，如果热电偶在工作时的冷端温度为30ºC，测得的热电势指示值为33.34mV，求被测炉温的实际值?解：

已知

故得：tH=30°CEAB(t,30)=33.34mV查镍铬一镍硅

热电偶分度表可知

EAB(30,0)=1.203mVEAB(t,0)=EAB(t,30)+EAB(30,0)=33.34+1.203=34.543(mV)再一次查分度表：EAB(830,0)=34.502mVEAB(840,0)=34.909mV被测炉温的实际值：t=830+34.543−34.502×10=831(°C)34.909−34.502

第52页：习题6-7 铜热电阻测温

习题6-7．用分度号为Cu50的铜热电阻测温，测得Rt=71.02Ω，若求此时的被测温度。解：α=4.28×10−3°CRt=R0(1+αt)Rt−171.02−1t=R0=50=98.22(°C)α4.28×10−3

第53页：习题6-8 起始阻值偏差误差

习题6-8．用分度号为Cu50的热电阻测得某介质温度为84ºC，但检定时发现该电阻的R0=50.4Ω，若电阻温度系数为α=4.28×10-3/℃。求由此引起的绝对误差和相对误差。解：实际温度：

相对误差

t=84°C()()t−3R=501+αΣt=501+4.28×10×84Ω=67.976Ω0Rt−167.976−1t=R0=50.4=81.5(°C)α4.28×10−3Δt=t−t0=84°C−81.5°C=2.5°Cγ=Δt×100%=2.5×100%=3.07%t081.5

第54页：习题6-9 错用分度表的影响

习题6-9．用分度号为Pt100铂电阻测温，但错用了Cu100铜电阻的分度表，查得温度为140℃，求实际的被测温度?解：t=140°CRt=R0(1+αCuΣt)Rt=R0(1+αPtΣt0)αCuΣt=αPtΣt0013.96Ptαt=αCuΣt=4.28×140°C=151.3°C

第55页：习题6-10 线性关系推算电阻

当一个热电阻温度计所处的温度为20℃时，电阻是100Ω，当温度是25℃时，它的电阻是101.5Ω，假设温度与电阻间的变换关系为线性关系，试计算当温度计分别处在-100℃和150℃时的电阻值。解：设热电阻在0℃时，阻值为R0，电阻温度系数为α2当温度是-100℃时当温度是150℃时0100=R(1+20α)101.5=R0(1+25α)α=3.19×10−3/°CR0=94Ω()()t−3R=94×1+3.19×10×−100=64Ω()t−3R=94×1+3.19×10×150=139Ω

第56页：习题6-11 热敏电阻特性

概述热敏电阻的特性。热敏电阻分为三类：负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）和临界温度系数热敏电阻（CTR）。PTC型和CTR型热敏电阻在一定温度范围内，阻值将随温度的变化而剧烈变化，因此最适合于制造位式作用的温度传感器。NTC型热敏电阻在一定温度范围内，阻值将随温度的升高而减少，适合制造连续作用的温度传感器。

第57页：习题6-12 半导体测温特点

• 电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍
• 结构简单，体积小，可以测量点温度
• 电阻率高，热惯性小，适宜动态测量
• 连接导线的阻值几乎对测温没有影响。因为热敏电阻在常温下的阻值很大，通常都在数千欧以上，而连接导线的阻值最多不过10Ω，所以热敏电阻的阻值变化在整个电路中占绝对主导地位，不必考虑连接导线的电阻波动问题
• 热敏电阻非线性严重，在实际使用时要对其进行线性化处理

第58页：习题6-12 NTC特性公式

半导体温度传感器在应用上有何特点？其测温原理是什么？NTC型热敏电阻的电阻——温度特性，在不太宽的温度范围内（小于450ºC）可以用如下公式描述式中R，R0为温度为T(K)和T0(K)时的电阻值；B为热敏电阻的材料常数，一般情况下，B=2000K~6000K。05R=RexpB1−1TT0