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第第11章章温度测量温度测量11.211.2热电偶热电偶11.311.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻11.411.4集成温度传感器集成温度传感器AD590AD59011.111.1概述概述第1页第三篇第三篇常见过程参数测量常见过程参数测量过程控制系统最少包含被控对象（或称被控过程控制系统最少包含被控对象（或称被控过程）、检测装置（包含传感器和变送器）和控过程）、检测装置（包含传感器和变送器）和控制器（或调整器）以及执行机构四个基本部分。制器（或调整器）以及执行机构四个基本部分。检测装置将被测参数如温度、压力、流量、检测装置将被测参数如温度、压力、流量、液位以及成份量等检测出来，并变换成对应统一液位以及成份量等检测出来，并变换成对应统一标准信号，系统显示、统计或进行下一步调整控标准信号，系统显示、统计或进行下一步调整控制作用。检测装置实际上包含两部分内容，首先制作用。检测装置实际上包含两部分内容，首先是将被控参数检测出来，然后变送器将其变换成是将被控参数检测出来，然后变送器将其变换成统一标准信号。统一标准信号。第2页11.1概述概述温度是表征物体冷热程度一个物理量，是工业生产和温度是表征物体冷热程度一个物理量，是工业生产和科学试验中最普遍、最主要热工参数之一。科学试验中最普遍、最主要热工参数之一。温度不能直接温度不能直接进行测量，只能借助于冷热不一样物体之间热交换，以及物进行测量，只能借助于冷热不一样物体之间热交换，以及物体一些物理性质随冷热程度不一样而改变特征，来进行间接体一些物理性质随冷热程度不一样而改变特征，来进行间接测量。测量。依据测温方式能够分为接触式测温法与非接触式测温法依据测温方式能够分为接触式测温法与非接触式测温法两大类。两大类。第3页11.1概述概述11.1.1温度测量方法温度测量方法接触式测温接触式测温接触式温度测量特点是感温元件直接与被测对象相接触式温度测量特点是感温元件直接与被测对象相接触，二者进行充分热交换，最终到达热平衡，此时温接触，二者进行充分热交换，最终到达热平衡，此时温度计示值就是被测对象温度。度计示值就是被测对象温度。以接触式方法测温惯用温度计有玻璃温度计、压力以接触式方法测温惯用温度计有玻璃温度计、压力温度计、双金属温度计、热电偶以及热电阻等接触式温温度计、双金属温度计、热电偶以及热电阻等接触式温度测量尤其适合度测量尤其适合以下，热容大，无腐蚀性对象以下，热容大，无腐蚀性对象连续在线测温。连续在线测温。第4页11.1概述概述非接触式测温非接触式测温非接触式温度测量特点是感温元件不与被测对象直接接非接触式温度测量特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是经过接收被测物体热辐射能实现热交换，据此测出触，而是经过接收被测物体热辐射能实现热交换，据此测出被测对象温度。被测对象温度。非接触式测温含有不改变被测物体温度分布，热惯性小，非接触式测温含有不改变被测物体温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体温度和快速改变测温上限可设计得很高，便于测量运动物体温度和快速改变温度等优点。温度等优点。为了确保温度量值准确并利于传递，需要建立一个衡量为了确保温度量值准确并利于传递，需要建立一个衡量温度统一尺度，即温标。它要求了温度读数起点（零点）和温度统一尺度，即温标。它要求了温度读数起点（零点）和测量温度基本单位。测量温度基本单位。第5页11.1概述概述1.经验温标经验温标依据一些物质体积膨胀与温度关系，用试验方法或经验依据一些物质体积膨胀与温度关系，用试验方法或经验公式所确定温标称为经验温标。公式所确定温标称为经验温标。华氏温标华氏温标华氏温标要求在大气压下纯水冰点为华氏温标要求在大气压下纯水冰点为32度，沸点为度，沸点为212度，度，中间划分为中间划分为180等份，每一等份为等份，每一等份为1华氏度华氏度.摄氏温标摄氏温标摄氏温标将标准大气压下水冰点定为零度，水沸点定为摄氏温标将标准大气压下水冰点定为零度，水沸点定为100度，在度，在0-100之间划分了之间划分了100等份，每一等份为等份，每一等份为1摄氏度，摄氏度，用符号用符号t表示。表示。11.1.2温度单位温度单位第6页11.1概述概述摄氏温标与华氏温标关系为摄氏温标与华氏温标关系为（11-1）热力学温标热力学温标1848年由开尔文提出以卡诺循环为基础建立热力年由开尔文提出以卡诺循环为基础建立热力学温标，是一个理想而不能真正实现理论温标，它是学温标，是一个理想而不能真正实现理论温标，它是国际单位制中七个基本物理单位之一。国际单位制中七个基本物理单位之一。它与摄氏温度之间关系为它与摄氏温度之间关系为（11-2）单位是开，记为单位是开，记为K。第7页11.1概述概述3.绝对气体温标绝对气体温标从理想气体状态方程入手，复现热力学温标称为绝对从理想气体状态方程入手，复现热力学温标称为绝对气体温标，由波义尔定律，有气体温标，由波义尔定律，有（11-3)式中，为式中，为P一定质量气体压强；为一定质量气体压强；为V该气体体积；为该气体体积；为R普适常数；为普适常数；为T热力学温度。热力学温度。当气体体积为恒定时，其压强就是温度单值函数当气体体积为恒定时，其压强就是温度单值函数（11-4）这种比值关系与开尔文给出热力学温标比值关系完全这种比值关系与开尔文给出热力学温标比值关系完全类似。所以若用同一固定点（水三相点）来作参考点，两类似。所以若用同一固定点（水三相点）来作参考点，两种温标在数值上就完全相同。上式就是理想气体温标方程。种温标在数值上就完全相同。上式就是理想气体温标方程。第8页11.1概述概述国际温标国际温标依据国际温标要求：热力学温度是基本温度，用符依据国际温标要求：热力学温度是基本温度，用符号号T表示，单位是开，记为表示，单位是开，记为K。它要求水三相点热力学。它要求水三相点热力学温度（即固态、液态、气态三相共存时平衡温度）为温度（即固态、液态、气态三相共存时平衡温度）为273.16K，定义，定义1K（开尔文（开尔文1度）等于水三相点热力学度）等于水三相点热力学温度温度1/273.16。通常将比水三相点温度低。通常将比水三相点温度低0.01K温度要温度要求为摄氏零度，它与摄氏温度之间关系为求为摄氏零度，它与摄氏温度之间关系为（11-5）温度量程分段与内插方程。摄氏温度与热力学温度温度量程分段与内插方程。摄氏温度与热力学温度之间关系仍如式（之间关系仍如式（11-5）所表示，可记为）所表示，可记为（11-6）第9页11.1概述概述11.1.3温度测量仪表分类温度测量仪表分类温度测量范围广，测温仪表种类很多。按工温度测量范围广，测温仪表种类很多。按工作原理分，有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射作原理分，有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两类。式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两类。按温度范围范围，可分为超低温、低温、中高温按温度范围范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温普通是指和超高温温度测量。超低温普通是指0-10K，低温，低温指指10-800K，中温指，中温指，高温指，高温指，以上以上被认为是超高温。被认为是超高温。第10页测测温温方方式式类别类别经典仪表名称测测温原理温原理测量范围测量范围 接接触触式式测测温温仪仪表表膨膨胀胀式式双金属温度双金属温度计计固体热膨胀变形量随温度改变压压力式温度力式温度计计气体、液体在定容条件下，压力随温度改变玻璃管液体温玻璃管液体温度度计计液体热膨胀体积量随温度改变电电阻阻类类热电热电阻阻金属或半导体电阻值随温度改变热电热电类类热电热电偶偶热电热电效效应应表表11-1惯用测温仪表惯用测温仪表第11页测测温温方方式式类别类别经典仪表名称测测温原理温原理测量范围测量范围 其它其它电电学学类类石英晶体温度石英晶体温度计计晶体固有频率随温度改变集成温度集成温度传传感感器器半导体器件温度效应非非接接触触式式测测温温仪仪表表光光电电亮度温度亮度温度传传感器感器物体单色辐射强度及亮度随温度改变全全辐辐射温度射温度传传感器感器物体全辐射能随温度改变部分部分辐辐射温度射温度传传感器感器限于特定部分光谱范围工作内辐射能随温度改变光光电电比色温度比色温度传传感器感器两个波长亮度比随温度改变第12页11.2热电偶热电偶在温度测量中虽有许多不一样测量方法，但利用热在温度测量中虽有许多不一样测量方法，但利用热电偶作为测温元件应用最为广泛，其主要优点为：电偶作为测温元件应用最为广泛，其主要优点为：结构简单，其主体实际上是由两种不一样性质导结构简单，其主体实际上是由两种不一样性质导体或半导体相互绝缘并将一端焊接在一起而成。体或半导体相互绝缘并将一端焊接在一起而成。含有较高准确度。含有较高准确度。测量范围宽，惯用热电偶，低温可测到测量范围宽，惯用热电偶，低温可测到，高温可测到达高温可测到达左右，配以特殊材料热电极，最左右，配以特殊材料热电极，最低可测低可测，最高可达，最高可达温度。温度。含有良好敏感度。含有良好敏感度。使用方便。使用方便。第13页11.2热电偶热电偶 两种不一样材料导体或半导体两种不一样材料导体或半导体A A、B B串接成一个闭合串接成一个闭合回路，并使结点回路，并使结点1 1和和2 2处于不一样温度处于不一样温度 T T、，那么回路，那么回路中会存在热电势中会存在热电势 ，因而就有电流产生，这一，因而就有电流产生，这一现象称为热电效应。现象称为热电效应。11.2.1热电效应热电效应图图11-1热电偶回路热电偶回路第14页11.2热电偶热电偶图图11-211-2温差电势温差电势一、热电势产生一、热电势产生 热电偶产生热电势热电偶产生热电势是由两种导体接触电势是由两种导体接触电势和单一导体温差电势组成。和单一导体温差电势组成。热电偶温差电势只与热电极材料和两结点温度相关，热电偶温差电势只与热电极材料和两结点温度相关，而与热电极几何尺寸无关。而与热电极几何尺寸无关。第15页11.2热电偶热电偶单一导体温差电势单一导体温差电势 在一根匀质导体中，假如两端温度不一样，则在导体在一根匀质导体中，假如两端温度不一样，则在导体内部也会产生电势，这种电势称为温差电势。内部也会产生电势，这种电势称为温差电势。记为记为 （11-711-7）A A、B B 温差电动势分别为：温差电动势分别为：第16页11.2热电偶热电偶图图11-3 接触电势接触电势接触电势：接触电势：两种导体接触电势两种导体接触电势接触电势与接触点温度相关，与材料相关。接触电势与接触点温度相关，与材料相关。第17页11.2热电偶热电偶热电偶回路总热电势热电偶回路总热电势 由由A A、B B两种不一样导体组成热电偶回路中，假如两个接两种不一样导体组成热电偶回路中，假如两个接触点温度和两个导体电子密度不一样，假如触点温度和两个导体电子密度不一样，假如 ，回路中，回路中总电势总电势（11-811-8）第18页11.2热电偶热电偶二、热电偶基本定律二、热电偶基本定律均质导体定律均质导体定律 由一个均质导体（或半导体）组合闭合回路，不论导体由一个均质导体（或半导体）组合闭合回路，不论导体（或半导体）截面和长度怎样以及各处温度怎样，都不能产（或半导体）截面和长度怎样以及各处温度怎样，都不能产生热电势。由均质导体生热电势。由均质导体A A组成闭合回路以下：组成闭合回路以下：图图11-411-4均质导体回路均质导体回路第19页11.2热电偶热电偶所以，回路中总热电势所以，回路中总热电势 在实际应用中要注意以下几点：在实际应用中要注意以下几点：任何热电偶都必须由两种性质不一样导体组成。任何热电偶都必须由两种性质不一样导体组成。假如热电偶由两种均质导体组成，则热电偶热电势假如热电偶由两种均质导体组成，则热电偶热电势仅与两接点温度相关，而与沿热电极温度分布无关。仅与两接点温度相关，而与沿热电极温度分布无关。在闭合回路中，因为材料相同，即在闭合回路中，因为材料相同，即两接点，接触两接点，接触电势为零：即电势为零：即因为导体因为导体A两端温度不一样，故有温差电势产两端温度不一样，故有温差电势产生，但回路中两支路温差电势大小相等，方向相反，生，但回路中两支路温差电势大小相等，方向相反，回路中总温差电势为零，即回路中总温差电势为零，即第20页11.2热电偶热电偶中间导体定律中间导体定律中间导体定律是指，在热电偶回路中，只要中间中间导体定律是指，在热电偶回路中，只要中间导体两端两端温度相同，那么接入中间导体后，对热导体两端两端温度相同，那么接入中间导体后，对热电偶回路总热电势无影响。该叙述可表示为：电偶回路总热电势无影响。该叙述可表示为：（11-911-9）第21页11.2热电偶热电偶图图11-511-5有中间导体热电偶回路有中间导体热电偶回路第22页11.2热电偶热电偶所以所以因为因为以图以图11-5a11-5a为例进行分析为例进行分析第23页11.2热电偶热电偶在图在图11-5b11-5b中中因为因为所以所以第24页11.2热电偶热电偶标准电极定律标准电极定律 标准电极标准电极定律是指：假如将导体定律是指：假如将导体C C（热电极，普通为纯（热电极，普通为纯铂丝）作为标准电极，并已知标准电极与任意导体配对时热铂丝）作为标准电极，并已知标准电极与任意导体配对时热电势，那么在相同结点温度（电势，那么在相同结点温度（、）下，任意两导体）下，任意两导体A A、B B组成热电偶，其热电势可由下式求得：组成热电偶，其热电势可由下式求得：（11-1011-10）结点温度为结点温度为结点温度仍为结点温度仍为与标准电极与标准电极C C组成热组成热电偶时产生热电势。电偶时产生热电势。，由导体，由导体A A、B B组成热电组成热电偶时偶时产生热电势；产生热电势；第25页11.2热电偶热电偶图图11-611-6标准电极定律标准电极定律第26页11.2热电偶热电偶连接导体定律和中间温度定律连接导体定律和中间温度定律 连接导体定律指出，在热电偶回路中，假如热电极连接导体定律指出，在热电偶回路中，假如热电极A A、B B分别与连接导线分别与连接导线A A、B B相连接，结点温度分相连接，结点温度分别为别为，那么回路热电势将等于热电偶，那么回路热电势将等于热电偶热电势热电势与与连接导线连接导线A A、B B在温度在温度 时热时热电势电势代数代数和，即和，即（11-1111-11）连接导体定律是工业上利用赔偿导线进行温度测量连接导体定律是工业上利用赔偿导线进行温度测量理论基础。理论基础。第27页11.2热电偶热电偶 当当A A与与A A，B B与与B B材料分别相同且结点温度为材料分别相同且结点温度为时，依据时，依据连接导体定律得该回路热电势，连接导体定律得该回路热电势，图图11-711-7连接导体定律连接导体定律（11-11-1212）第28页11.2热电偶热电偶表明表明,热电偶在结点温度为热电偶在结点温度为就等于热电偶在（就等于热电偶在（），（），（）时对应热电势）时对应热电势与与代数和，这就是中间温度定律，代数和，这就是中间温度定律，称为中间温度。称为中间温度。时，热电势时，热电势其中其中 中间温度定律为热电偶制订分度表提供了理论依据，中间温度定律为热电偶制订分度表提供了理论依据，依据这一定律只要列出参考温度为依据这一定律只要列出参考温度为 时热电势时热电势温度关温度关系，那么参考温度不等于系，那么参考温度不等于热电势就可按上式求出。热电势就可按上式求出。第29页11.2热电偶热电偶一、热电偶材料一、热电偶材料对热电偶电极材料主要要求是：对热电偶电极材料主要要求是：配制成热电偶应含有较大热电势，并希望热电势与温度配制成热电偶应含有较大热电势，并希望热电势与温度之间成线性关系或近似线性关系。之间成线性关系或近似线性关系。能在较宽温度范围内使用，而且在长久工作后物理化学能在较宽温度范围内使用，而且在长久工作后物理化学性能与热电性能都比较稳定。性能与热电性能都比较稳定。电导率要求高，电阻温度系数要小。电导率要求高，电阻温度系数要小。易于复制，工艺简单，价格廉价。易于复制，工艺简单，价格廉价。二、热电偶型号二、热电偶型号 标准化热电偶标准化热电偶 国际电工委员会（国际电工委员会（IECIEC）推荐工业标准热电偶为八种，我国）推荐工业标准热电偶为八种，我国均已采取。均已采取。11.2.2热电偶材料、型号及结构热电偶材料、型号及结构第30页11.2热电偶热电偶 工业标准化热电偶，工艺成熟，应用广泛，性能良工业标准化热电偶，工艺成熟，应用广泛，性能良好稳定，能成批生产，同一型号能够交换，统一分度，好稳定，能成批生产，同一型号能够交换，统一分度，并有配套显示仪表。工作端温度高于参考端时，前一导并有配套显示仪表。工作端温度高于参考端时，前一导体为热电势正极，后一个为负极，即前者材料电子密度体为热电势正极，后一个为负极，即前者材料电子密度大于后者。大于后者。铂铑铂铑1010-铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号S S）铂铑铂铑30-铂铑铂铑6热电偶（分度号热电偶（分度号B)铂铑铂铑13-13-铂热电偶（分度号铂热电偶（分度号R R)镍铬镍铬-镍硅热电偶（分度号镍硅热电偶（分度号K）镍铬镍铬-康铜热电偶（分度号康铜热电偶（分度号E）镍铬硅镍铬硅-镍硅热电偶（分度号镍硅热电偶（分度号N）铜铜-康铜热电偶（分度号康铜热电偶（分度号T）铁铁-康铜热电偶（分度号康铜热电偶（分度号J）第31页11.2热电偶热电偶非标准化热电偶非标准化热电偶 除了上述标准热电偶之外，在一些特殊条件下，比除了上述标准热电偶之外，在一些特殊条件下，比如超高温、超低温等，也应用一些特殊热电偶，因当前如超高温、超低温等，也应用一些特殊热电偶，因当前还没有到达国际标准化程度，非标准化热电偶在使用范还没有到达国际标准化程度，非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，普通也没有统一分围或数量级上均不及标准化热电偶，普通也没有统一分度表。度表。铱铑铱铑4040-铱热电偶是当前唯一能在氧化气氛中测到铱热电偶是当前唯一能在氧化气氛中测到高温热电偶，所以成为宇航火箭技术中主要测温元件高温热电偶，所以成为宇航火箭技术中主要测温元件范围内使用。范围内使用。镍铬镍铬-金铁是一个较为理想低温热电偶，可在金铁是一个较为理想低温热电偶，可在第32页11.2热电偶热电偶 另外，利用石墨和难熔化合物这些非金属材料熔点另外，利用石墨和难熔化合物这些非金属材料熔点高，在高，在 以上高温条件下性能稳定特点，作为高以上高温条件下性能稳定特点，作为高温热电偶材料能够处理金属热电偶材料无法处理问题。温热电偶材料能够处理金属热电偶材料无法处理问题。当前已研制出碳当前已研制出碳石墨、石墨石墨、石墨-碳化硅、石墨碳化硅、石墨-碳化钼以碳化钼以及硼化碳及硼化碳-碳等非金属热电偶。碳等非金属热电偶。三、热电偶结构：三、热电偶结构：普通热电偶普通热电偶 工业上惯用普通热电偶结构由热电极工业上惯用普通热电偶结构由热电极1 1、绝缘套管、绝缘套管2 2（预防两个热电极在中间位置短路）、保护套（预防两个热电极在中间位置短路）、保护套管管3（使（使热电极免受化学侵蚀及机械损伤）、接线盒热电极免受化学侵蚀及机械损伤）、接线盒4（连接导线（连接导线经过接线盒与热电极连接）、接线盒经过接线盒与热电极连接）、接线盒5（预防灰尘、水分（预防灰尘、水分及有害气体进入保护套管内）组成。及有害气体进入保护套管内）组成。第33页11.2热电偶热电偶普通热电偶主要用普通热电偶主要用于气体、蒸汽和液体等于气体、蒸汽和液体等介质温度测量介质温度测量，这类热这类热电偶已做成标准形式，电偶已做成标准形式，可依据测温范围和环境可依据测温范围和环境条件选择适当热电极材条件选择适当热电极材料和保护套管。料和保护套管。图图11-811-8普通热电偶基本结构普通热电偶基本结构第34页11.2热电偶热电偶铠装热电偶铠装热电偶(又称缆式热电偶又称缆式热电偶)铠装热电偶是将热电极、缘材料连同金属保护套铠装热电偶是将热电极、缘材料连同金属保护套一起拉制成形，可做得很细、很长，其外径可小到一起拉制成形，可做得很细、很长，其外径可小到1-3mm，而且能够弯曲，适合于测量狭小对象上各点温，而且能够弯曲，适合于测量狭小对象上各点温度。铠装热电偶种类多，可制成单芯、双芯和四芯等。度。铠装热电偶种类多，可制成单芯、双芯和四芯等。主要特点是测量端热容量小；动态响应快；有良好柔主要特点是测量端热容量小；动态响应快；有良好柔性，便于弯曲；抗振性能好，强度高。性，便于弯曲；抗振性能好，强度高。薄膜热电偶薄膜热电偶用真空蒸镀（或真空溅射）方法，将热电偶材料用真空蒸镀（或真空溅射）方法，将热电偶材料淀积在绝缘基板上而制成热电偶称薄膜热电偶。因为淀积在绝缘基板上而制成热电偶称薄膜热电偶。因为热电偶能够做得很薄，测表面温度时不影响被测表面热电偶能够做得很薄，测表面温度时不影响被测表面温度分布，其本身热容量小，动态响应快，故适合于温度分布，其本身热容量小，动态响应快，故适合于测量微小面积和瞬时改变温度。测量微小面积和瞬时改变温度。第35页11.2热电偶热电偶图图11-11-9 9薄膜热电偶薄膜热电偶1-测量端测量端2-绝缘基板绝缘基板3、4-热电极热电极5、6-引出线引出线7-接头夹具接头夹具第36页11.2热电偶热电偶 图图11-11-1010铠装热电偶铠装热电偶1-1-接线盒接线盒2-2-金属套管金属套管3-3-固定装置固定装置 4-4-绝缘绝缘材材料料 5-5-热电极热电极除此之外，还除此之外，还有用于测量圆弧有用于测量圆弧形固体表面温度形固体表面温度表面热电偶和用表面热电偶和用于测量液态金属于测量液态金属温度浸入式热电温度浸入式热电偶等。偶等。第37页11.2热电偶热电偶一、测温原理和方法一、测温原理和方法理论依据理论依据 已知热电偶两个电极材料确定以后，热电偶热已知热电偶两个电极材料确定以后，热电偶热电动势就只与热电偶两端温度相关，假如使参考端电动势就只与热电偶两端温度相关，假如使参考端温度温度恒定不变，则对给定材料热电偶，其热电动势恒定不变，则对给定材料热电偶，其热电动势就只与工作端温度就只与工作端温度T成单值函数关系，即成单值函数关系，即（11-11-1414）11.2.3热电偶测温电路热电偶测温电路第38页11.2热电偶热电偶 热电偶测量线路热电偶测量线路 测量单点温度基本电路测量单点温度基本电路热电偶与动圈式仪表连接，如图热电偶与动圈式仪表连接，如图11-1111-11所表示。所表示。图图11-1111-11热电偶与动圈仪表连接使用热电偶与动圈仪表连接使用第39页11.2热电偶热电偶 该力矩该力矩M促使线圈绕中心轴转动。线圈转动促使线圈绕中心轴转动。线圈转动时，支持线圈张丝便产生反作用力矩，其大小与时，支持线圈张丝便产生反作用力矩，其大小与线圈偏转角成正比，即线圈偏转角成正比，即（11-1611-16）在线圈几何尺寸和匝数已定条件下，在线圈几何尺寸和匝数已定条件下，M只与只与流过线圈电流大小成正比，即流过线圈电流大小成正比，即（11-1511-15）第40页11.2热电偶热电偶（11-11-1818）式中，式中，-回路热电势回路热电势 平衡时，动圈停顿在某一位置上，此平衡时，动圈停顿在某一位置上，此时时流过仪表电流为流过仪表电流为 当当 和和动圈偏转角为动圈偏转角为 式中，式中，C-C-仪表灵敏度，显示动圈转角与流过仪表灵敏度，显示动圈转角与流过线圈电流含有单值正比关系。线圈电流含有单值正比关系。（11-1711-17）第41页11.2热电偶热电偶热电偶串联（热电堆）热电偶串联（热电堆）图中图中C、D为赔偿导线，回路总电势为：为赔偿导线，回路总电势为：（11-1911-19）即回路总电势为各热电偶电势之和。即回路总电势为各热电偶电势之和。假如要测平均温度，则假如要测平均温度，则 为了提升测量精度和灵敏度，也可将为了提升测量精度和灵敏度，也可将n n支型号相支型号相同热电偶依次串联，如图同热电偶依次串联，如图11-1311-13。第42页11.2热电偶热电偶图图11-1211-12两支热电偶串联两支热电偶串联第43页11.2热电偶热电偶图图11-1311-13正向串联正向串联第44页11.2热电偶热电偶 热电偶并联热电偶并联-平均温度测量平均温度测量 测量平均温度方法是用几支同型号热电偶并联接测量平均温度方法是用几支同型号热电偶并联接在一起。在一起。使用热电偶并联方法测多点平均温度，其优点是使用热电偶并联方法测多点平均温度，其优点是仪表分度依然和单独配用一个热电偶时一样，缺点是仪表分度依然和单独配用一个热电偶时一样，缺点是当有一支热电偶烧断时，不能即使觉察出来。当有一支热电偶烧断时，不能即使觉察出来。假如假如n n支热电偶电阻值相等，则并联电路总电势为：支热电偶电阻值相等，则并联电路总电势为：（11-2611-26）回路中总电热势为回路中总电热势为（11-25）第45页11.2热电偶热电偶图图11-1411-14热电偶并联线路热电偶并联线路第46页11.2热电偶热电偶热电偶反接（差动热电偶）热电偶反接（差动热电偶）图图11-1511-15热电偶反向串接热电偶反向串接第47页11.2热电偶热电偶 这种测量线路是测量两处温度差（这种测量线路是测量两处温度差（T1-T2T1-T2）一个方）一个方法。它是把两个型号相同热电偶配用相同赔偿导线把它法。它是把两个型号相同热电偶配用相同赔偿导线把它们反接而成，此时输入到测量仪表热电势为两个热电偶们反接而成，此时输入到测量仪表热电势为两个热电偶热电势之差，即热电势之差，即（11-11-2727）从上式能够看出从上式能够看出即反应出温度即反应出温度T T1 1和和T T2第48页11.2热电偶热电偶二、热电偶冷端处理二、热电偶冷端处理冷端恒温方式冷端恒温方式 为防止经常校正麻烦，可使冷端温度保持为恒定为防止经常校正麻烦，可使冷端温度保持为恒定 。在试验室条件下采取冷端恒温方式，也称为冰浴法，在试验室条件下采取冷端恒温方式，也称为冰浴法，通常是把冷端放在盛有绝缘油试管中，然后再将其放入通常是把冷端放在盛有绝缘油试管中，然后再将其放入装满冰水混合物保温容器中，使冷端保持装满冰水混合物保温容器中，使冷端保持，这时热电偶输出热电势与分度值一致。试验室中通，这时热电偶输出热电势与分度值一致。试验室中通常使用这种方法。近年来，已生产一个半导体常使用这种方法。近年来，已生产一个半导体制冷器件，制冷器件，可恒定在可恒定在。第49页11.2热电偶热电偶冷端延伸冷端延伸使冷端远离被测热源使冷端远离被测热源图图11-1611-16热电偶与赔偿导线连接热电偶与赔偿导线连接第50页11.2热电偶热电偶=式中，式中，工作热电偶冷端温度；工作热电偶冷端温度；为为工作热电偶产生热电势；工作热电偶产生热电势；赔偿导线产生热电势。赔偿导线产生热电势。上述方法只是相当于冷端直接延伸到了温度为上述方法只是相当于冷端直接延伸到了温度为T0T0处，处，但并不消除冷端温度不为但并不消除冷端温度不为 该用前面介绍补正方法把冷端修正到必须指出，只该用前面介绍补正方法把冷端修正到必须指出，只有有当新移接点处冷端温度恒定或配用仪表本身含有冷端温度当新移接点处冷端温度恒定或配用仪表本身含有冷端温度自动赔偿装置时，应用赔偿导线才有意义。自动赔偿装置时，应用赔偿导线才有意义。第51页11.2热电偶热电偶在工业上制成了专用赔偿导线，并以不一样颜色区在工业上制成了专用赔偿导线，并以不一样颜色区分各种特定热电偶赔偿导线。分各种特定热电偶赔偿导线。在使用赔偿导线时应注意以下几方面：在使用赔偿导线时应注意以下几方面：各种赔偿导线只能与对应型号热电偶配用，而各种赔偿导线只能与对应型号热电偶配用，而且必须在要求温度范围内使用；且必须在要求温度范围内使用；注意极性，不能接反，不然会造成更大误差；注意极性，不能接反，不然会造成更大误差；赔偿导线与热电偶连接两个结点，其温度必须赔偿导线与热电偶连接两个结点，其温度必须相同。相同。第52页11.2热电偶热电偶图图11-1711-17电桥赔偿法电桥赔偿法冷端温度波动自动赔偿冷端温度波动自动赔偿电桥赔偿法电桥赔偿法第53页11.2热电偶热电偶热电势补正法热电势补正法 由中间温度定律得知，参考端温度为由中间温度定律得知，参考端温度为 时热电时热电势为势为 可见当参考端温度可见当参考端温度 时，热电偶输出热电时，热电偶输出热电势将不等于势将不等于而引入误差。热电偶热电特征，而引入误差。热电偶热电特征，是在参考端是在参考端为条件下取得，若不加补正，所测得为条件下取得，若不加补正，所测得温度必定要低于实际值。为此，只要将测得热电势温度必定要低于实际值。为此，只要将测得热电势加上加上就可取得所需就可取得所需 是参考端为是参考端为 时热时热电势，可查分度表得到，电势，可查分度表得到，即为补正值。即为补正值。第54页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻利用电阻随温度改变特征制成传感器叫热电阻传利用电阻随温度改变特征制成传感器叫热电阻传感器，对温度和与温度相关参数进行检测装置。感器，对温度和与温度相关参数进行检测装置。按采取电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电按采取电阻材料可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常称为热电阻，后者称为热敏电阻。阻两大类，前者通常称为热电阻，后者称为热敏电阻。第55页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻11.3.1金属热电阻金属热电阻1.对热电阻材料要求对热电阻材料要求并非全部金属材料都适合做温度敏感元件，适于制并非全部金属材料都适合做温度敏感元件，适于制作温度测量敏感元件电阻材料要具备以下要求：作温度测量敏感元件电阻材料要具备以下要求：温度特征线性度好温度特征线性度好良好输出特征，即电阻温良好输出特征，即电阻温度改变靠近于线性关系；度改变靠近于线性关系；高且稳定温度系数和大电阻率，方便提升灵敏度高且稳定温度系数和大电阻率，方便提升灵敏度和确保测量精度；和确保测量精度；电阻率大；电阻率大；在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定；在使用范围内，其化学、物理性能应保持稳定；良好工艺性，方便批量生产，降低成本。良好工艺性，方便批量生产，降低成本。第56页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻2.2.电阻电阻温度特征温度特征 电阻随温度改变关系：电阻随温度改变关系：惯用热电阻惯用热电阻1）铂电阻）铂电阻铂是一个贵金属，其主要特点是物理化学铂是一个贵金属，其主要特点是物理化学性能极为稳定，而且有良好工艺性，易于提纯，性能极为稳定，而且有良好工艺性，易于提纯，能够制成极细铂丝或极薄铂箔。它缺点是电阻能够制成极细铂丝或极薄铂箔。它缺点是电阻温度系数小。温度系数小。第57页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻铂电阻阻值与温度改变之间关系近似直线，可用铂电阻阻值与温度改变之间关系近似直线，可用下式表示：下式表示：在在在在式中，式中，R Rt t为温度为为温度为t t时电阻值；时电阻值；R R0为温度为为温度为电阻值；电阻值；A A为常数为常数B B为常数为常数C C为常数为常数第58页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻2 2）铜电阻）铜电阻铂是贵金属，价格昂贵，所以在测温范围比较小（铂是贵金属，价格昂贵，所以在测温范围比较小（称铜电阻。在一些测量精度不高且温度较低地方一称铜电阻。在一些测量精度不高且温度较低地方一般采取铜电阻，可用它来测量般采取铜电阻，可用它来测量铜电阻有以下优点：铜电阻有以下优点：）情况下，可采取铜制成测温电阻，）情况下，可采取铜制成测温电阻，在上述温度范围内有很好稳定性，铜电阻阻值在上述温度范围内有很好稳定性，铜电阻阻值与温度之间关系为与温度之间关系为电阻温度系数高；电阻温度系数高；材料轻易提纯，价格廉价；材料轻易提纯，价格廉价；第59页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻3 3）其它热电阻）其它热电阻 镍和铁电阻温度系数较大，电阻率也较高，适镍和铁电阻温度系数较大，电阻率也较高，适合做热电阻，但因为存在易氧化或非线性严重等缺合做热电阻，但因为存在易氧化或非线性严重等缺点，当前应用较少。铂、铜热电阻不宜做低温和超点，当前应用较少。铂、铜热电阻不宜做低温和超低温测量，近年来，一些新奇测量低温领域材料相低温测量，近年来，一些新奇测量低温领域材料相继出现，如铟电阻、锰电阻、碳电阻等。继出现，如铟电阻、锰电阻、碳电阻等。热电阻传感器应用热电阻传感器应用 在工业上广泛应用热电阻传感器进行在工业上广泛应用热电阻传感器进行范围温度测量。热电阻传感器进行测量特点是精度高，范围温度测量。热电阻传感器进行测量特点是精度高，适于测低温。适于测低温。第60页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻 a a）三线制结构）三线制结构 b b）四线制结）四线制结构构 图图11-1811-18热电阻传感器测量电路热电阻传感器测量电路第61页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻 热敏电阻是一个半导体材料制成敏感元件，其特热敏电阻是一个半导体材料制成敏感元件，其特点是电阻随温度改变而显著改变，能直接将温度改变点是电阻随温度改变而显著改变，能直接将温度改变转换为能量改变。制造热敏电阻材料很多，如锰、铜、转换为能量改变。制造热敏电阻材料很多，如锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，它们按一定百分比混合后压制镍、钴和钛等氧化物，它们按一定百分比混合后压制成型，然后在高温下烧结而成。热敏电阻含有灵敏度成型，然后在高温下烧结而成。热敏电阻含有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特征好等优点，所以得到广泛应用，尤其是应用动态特征好等优点，所以得到广泛应用，尤其是应用于远距离测量和控制中。于远距离测量和控制中。11.3.2热敏电阻热敏电阻半导体电阻半导体电阻第62页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻热敏电阻类型和特点热敏电阻类型和特点相对于普通金属热电阻而言，它主要有以下特点：相对于普通金属热电阻而言，它主要有以下特点：电阻温度系数大，灵敏度高，比普通金属电阻大电阻温度系数大，灵敏度高，比普通金属电阻大10100倍倍结构简单，体积小，能够测量点温度；结构简单，体积小，能够测量点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；阻值与温度改变呈非线性关系；阻值与温度改变呈非线性关系；稳定性和交换性较差。稳定性和交换性较差。热敏电阻结构及符号热敏电阻结构及符号热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体组成，结构及热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体组成，结构及符号分别如图符号分别如图11-19所表示。所表示。第63页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻图图11-1911-19热敏电阻结构及符号热敏电阻结构及符号第64页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻 依据不一样使用要求，热敏电阻可做成依据不一样使用要求，热敏电阻可做成不一样形状结构。不一样形状结构。图图11-2011-20热敏电阻结构形式热敏电阻结构形式 a)a)圆片型圆片型b)b)薄膜型薄膜型c)c)柱型柱型d)d)管型管型e)e)平板型平板型 f)f)珠型珠型g)g)扁型扁型h)h)垫圈型垫圈型i)i)杆型杆型第65页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻NTC热敏电阻特征热敏电阻特征热敏电阻是非线性电阻，它非线性表现在：其电热敏电阻是非线性电阻，它非线性表现在：其电阻值与温度之间呈指数关系和电流随电压改变不服从阻值与温度之间呈指数关系和电流随电压改变不服从欧姆定律。欧姆定律。电阻电阻-温度特征温度特征；伏安特征伏安特征；电流电流-时间特征时间特征；在外加电压情况下，电流到达稳定最大值都有一在外加电压情况下，电流到达稳定最大值都有一段延迟时间，这是在自热过程中为到达新热平衡状态段延迟时间，这是在自热过程中为到达新热平衡状态所必需。延迟时间反应了热敏电阻动特征。所必需。延迟时间反应了热敏电阻动特征。第66页11.3热电阻和热敏电阻热电阻和热敏电阻 温度测量。热敏电阻传感器可用于液体、气体、温度测
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