第五章温度测量 度检测的主要方法和分类★ 热电偶及其测温原理☆ 热电阻及其测温原理☆ 温度变送器简介 其它温度检测仪表简介☆ 温度检测仪表的选用和安装★
温度检测方法和分类 测温方式 测温仪表测温范围℃ 主要特点 玻璃液体 结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉;测量上限和精 0060/度受玻璃质量的限制,易碎,不能远传 膨胀式 双金属 80~-600结构紧凑、可靠;测量精度低、量程和使用范围有限 测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和 200~ 接触式 热电效应热电偶 l800 自动控制,应用广泛:需自由瑞温度补偿,在低温段测量精 度较低 铂电阻 200~600 测量精度高,便于远距离、多点、集中检测和自动控制,应 用广泛;不能测高温 热阻效应铜电阻 50~150 敏度高、体积小、结构简单、使用方便;互换性较差,测 半导-50-150量范围有一定限制 敏电阻 非接触式非接触式辐射式 0~3500 不破坏温度场,测温范围大,响应块,可测运动物体的温度 易受外界环境的影响,标定较困难
测温方式 测温仪表 测温范围℃ 主要特点 接 触 式 膨胀式 玻璃液体 －100～600 结构简单、使用方便、测量准确、价格低廉；测量上限和精 度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传 双金属 －80～600 结构紧凑、可靠；测量精度低、量程和使用范围有限 热电效应 热电偶 －200～ 1800 测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和 自动控制，应用广泛；需自由瑞温度补偿，在低温段测量精 度较低 热阻效应 铂电阻 －200～600 测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制，应 用广泛；不能测高温 铜电阻 －50～150 半导体热 敏电阻 －50～150 灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测 量范围有一定限制 非接触式 非接触式 辐射式 0～3500 不破坏温度场，测温范围大，响应块，可测运动物体的温度； 易受外界环境的影响，标定较困难
2熟电偶及其测温原 令热电效应和热电偶 ☆热电偶中间导体定律与熟咆势的检测 热电偶的等值替代定律和补偿导线 标准化热电偶和分度表 ☆热电偶冷端温慶的处理 热电偶的结构型式
一热电效应和热电偶 热电效应(热电偶测温的基本原理):任何两种不同的导体或半导体组成的闭 合回路,如果将它们的两个接点分别置于温度各为t及t的热源中,则在该回路内 就会产生热电势。 eab(to) b eA(tO)a B eB(t,to 图3-37热电偶示意图 图3-38热电现象 端称为工作端(假定该端置于热源中),又称测量端或热端 t端称为自由瑞,又称参考端或冷端 这两种不同导体或半导体的组合称为热电偶 每根单独的导体或半导体称为热电极
热电效应（热电偶测温的基本原理）：任何两种不同的导体或半导体组成的闭 合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度各为 t 及 t0 的热源中，则在该回路内 就会产生热电势。 A B A B 图3-37 热电偶示意图 A B eAB(t0) eAB(t) eA(t,t0) eB(t,t0) 图3-38 热电现象
闭合回路中所产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组成: EaB( to=eB(t)-er(to)+eB(t, to)-e(t, to 接触电势 温差电势 eA(t,to) a b eB(t, o 小很多,常常把它忽略不计,这样热电偶的电势可表示为电势 下标A表示正电极,B表示负电极,由于温差电势比接f E1(4)=e0()-=en() 注意:如果下标次序改为n,则热电势c前面的符号也应相应改变,即eA()==eB(t) 式()就是热电偶测温的基本公式。当冷端温度t定时,对于确定的热电偶来说,eB山)为 常数,因此,其总热电势EAB(,就与温度成单值函数对应关系,和热电偶的长短、直径无 关。只要测量出热电势大小,就能判断被测温度的高低,这就是热电偶的温度测量原理。 重要结论 1.如果组成热电偶的两种电极材料相同,则无论热电偶冷、热两端的温度如何,闭合回 路中的总热电势为零: 2.如果热电偶冷、热两端的温度相同,则无论两电极材料如何,闭合回路中的总热电势 也为零 3.热电偶产生的热电势除了冷、热两端的温度有关之外,还与电极材料有关,也就是说 由不同电极材料制成的热电偶在相同的温度下产生的热电势是不同的
A B eAB(t0) eAB(t) eA(t,t0) eB(t,t0) 0 0 0 0 ( , ) ( ) ( ) ( , ) ( , ) EAB AB AB B A t t e t e t e t t e t t 接触电势 温差电势 0 0 ( , ) ( ) ( ) (i) EAB AB AB t t e t e t ( ) ( ) AB BA e t e t
一中间导体定律和热电势的测量 热电偶的输出信号是毫伏信号,毫伏信号的大小不仅与冷、 热两端的温度有关,还和热电偶的电极材料有关,理论上 任何两种不同导体都可以组成热电偶,都会产生热电势。 毫伏计 但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢? 因为要测量亳伏信号,必须在热电偶回路中串接毫伏信号 的检测仪表,那申接的检测仪表是否会产生额外的热电势 府热电偶回路产生影响呢? 答:不会产监影响的
热电偶的输出信号是毫伏信号，毫伏信号的大小不仅与冷、 热两端的温度有关，还和热电偶的电极材料有关，理论上 任何两种不同导体都可以组成热电偶，都会产生热电势。 但如何来检测热电偶产生的毫伏信号呢？ 因为要测量毫伏信号，必须在热电偶回路中串接毫伏信号 的检测仪表，那串接的检测仪表是否会产生额外的热电势， 对热电偶回路产生影响呢？ 答：不会产生影响的。 t t0 A B C C 毫伏计
中间导体定律 如果断开冷端,接入第三种导体C,并保持A和C、B和C接触处的温 度均为t则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和 EaBC(t, to)=eB(t)+eBc(to)eca(to 当t=t时,有EABC(t0,0)=eAB(0)+eBC(t0)+ecA()=0 ,于是可得E1BC(,10)=enl(t)-e2(1)=E(tl) 同理还可以证明,在热电偶中接入第四种、第五种…导 6Q计体以后,只要接入导体的两端温度相同,接入的导体对原 热电偶回路中的热电势均没有影响。 根据这一性质,可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接 导线,只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行 测量而不影响热电偶的输出
如果断开冷端，接入第三种导体C，并保持A和C、B和C接触处的温 度均为t0，则回路中的总热电势等于各接点处的接触电势之和: t A B C t0 t0 A B t t0 0 0 0 ( , ) ( ) ( ) ( ) EABC AB BC CA t t e t e t e t 当t＝t0时，有 0 0 0 0 0 ( , ) ( ) ( ) ( ) 0 EABC AB BC CA t t e t e t e t 于是可得 0 0 0 ( , ) ( ) ( ) ( , ) EABC AB AB AB t t e t e t E t t 同理还可以证明，在热电偶中接入第四种、第五种……导 体以后，只要接入导体的两端温度相同，接入的导体对原 热电偶回路中的热电势均没有影响。 根据这一性质，可以在热电偶回路中接入各种仪表和连接 导线，只要保证两个接点的温度相同就可以对热电势进行 测量而不影响热电偶的输出。 t t0 A B C C 毫伏计
中间导体定律 24C℃B50℃ 例:求热电偶回路的电势。 已知:eA(240)=9.747mV,e(50)=2.023mV,ec(50)=3.048mV,e(10)=0.591mV。 解一:B=eA(240)+epg(50)+ecA(10) 而e(50)+epc(50)+ecA(50)=0 E=eAB(240)+eA(10)-eAB(50)-ec(50)=10.181mV 解二:利用中间导体定律 E=eAB(240)+eB(50)+ec(50)+ec(10) =e灬(240)+ec(10)-eA(50)-e(50)=10.181mV
例：求热电偶回路的电势。 已知：eAB(240)=9.747mV，eAB(50)=2.023mV，eAC(50)=3.048mV，eAC（l0）=0.591mV。 解一：E=eAB(240)+eBC(50)+eCA(10)， 而 eAB(50)+eBC(50)+eCA(50)=0 E= eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV 解二：利用中间导体定律 E=eAB(240)+eBA(50)+eAC(50)+eCA(10) = eAB(240) +eCA(10)- eAB(50)-eCA(50)=10.181 mV
等值普代定律和补偿导线 如果热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶CD在同一温度范围内所 产生的热电势相等,即EB(,10)=ECD(t,0),则这两支热电偶在该温度范 围内是可以相互替换的,这就是所谓的热电偶等值替代定律。 例如左图,设EAB(t2,t0)=EcD(t2t0), A B 证明该回路的总热电势为EAB(1) A B A B
如果热电偶AB在某一温度范围内所产生的热电势与热电偶CD在同一温度范围内所 产生的热电势相等，即 ，则这两支热电偶在该温度范 围内是可以相互替换的，这就是所谓的热电偶等值替代定律。 0 0 ( , ) ( , ) EAB CD t t E t t t0 t A A A B B C D B t t0 tc tc 例 如左图，设 ， 证明该回路的总热电势为 0 0 ( , ) ( , ) EAB c CD c t t E t t 0 ( , ) EAB t t
恒温环境 生产现场 补偿导线 毫伏计 C D A B 冷端的延伸 热电偶 被测设备 某热电偶,热端温度为t,冷端温度为t,显然冷端温度难以实现恒定,怎么办? 可以把热电偶做得很长,一直到控制室。把冷端温度延伸到控制室,变为to,恒定t比较容易 此时,测得的热电势为EA2(t,)+EA(t,t0)=EA2(1) 但热电偶一般为(较)贵重的金属,采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料,不妥。 如果选用一组较康价的材料(C、D),且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同 温度范围内所产生的热电势相等,就可以用CD来替代AB的延伸段。 EAB(t, t o)+EcD(t, to)=EAB( CD即为热电偶AB的补偿导线,通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成 般在0~100℃范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。 在选择和使用补偿导线时,要和热电偶的型号相匹配,注意极性不能接错,热电偶与补偿导 线连接处的温度一般不能高于100℃
某热电偶，热端温度为t，冷端温度为tc，显然冷端温度难以实现恒定，怎么办？ D C 补偿导线 冷端的延伸 t tc A B 热电偶 被测设备 生产现场 t0 毫伏计 恒温环境 A B 可以把热电偶做得很长，一直到控制室。 把冷端温度延伸到控制室，变为t0，恒定t0比较容易 此时，测得的热电势为 0 0 ( , ) ( , ) ( , ) EAB c AB c AB t t E t t E t t 但热电偶一般为（较）贵重的金属，采用如图所示的延伸方式将需要大量的贵金属材料，不妥。 如果选用一组较廉价的材料（C、D），且CD在一定温度范围内所产生的热电势与热电偶AB在同 一温度范围内所产生的热电势相等，就可以用CD来替代AB的延伸段。 0 0 ( , ) ( , ) ( , ) EAB c CD c AB t t E t t E t t CD即为热电偶AB的补偿导线，通常CD采用比热电偶电极材料更廉价的两种金属材料做成，一 般在0～100℃范围内要求补偿导线要与被补偿的热电偶具有几乎完全相同的热电性质。 在选择和使用补偿导线时，要和热电偶的型号相匹配，注意极性不能接错，热电偶与补偿导 线连接处的温度一般不能高于100℃