2024/1/111學(xué)習(xí)內(nèi)容1測溫法分類及儀器設(shè)備2電阻溫度計(jì)3熱電偶的原理、分類、基本定律、溫度補(bǔ)償

1.1概述

溫度是用來定量地描述物體冷熱程度的物理量，溫度是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。

◆

人類一直在探索如何測量溫度。

人體是一種測溫儀:

●

精度低●量程小2024/1/1131.1概述缺點(diǎn):受氣壓影響

最早使用儀器來測量溫度的是伽里略

1592年底，伽里略發(fā)明了第一個(gè)用來測量溫度的儀器。2024/1/114◆1624年溫度計(jì)第一次正式在文獻(xiàn)里出現(xiàn)。◆1654年意大利的一個(gè)公爵費(fèi)迪南德二世做成了一個(gè)真正不受氣壓影響的溫度計(jì)◆開爾文、牛頓等建立了各種溫標(biāo):

絕對(duì)溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)

1.1

概述2024/1/115★接觸式測溫

基于熱平衡原理，即測溫敏感元件必須與被測介質(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)。溫度測量方法可分為：接觸式、非接觸式

1.1概述★非接觸式測溫利用物質(zhì)的熱輻射原理，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸。如:輻射溫度計(jì)、紅外熱象儀等。2024/1/116主要介紹接觸式測溫原理及方法)

★熱電式傳感器:

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)換為電勢和電阻◆常用熱電式傳感器的敏感元件有：

熱電偶、熱電阻●熱電偶：將溫度轉(zhuǎn)換為電勢之變化●熱電阻：將溫度轉(zhuǎn)換為電阻阻值之變化

1.1概述2024/1/1171.2電阻溫度計(jì)★電阻溫度計(jì)原理基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)而工作的?！餃y溫敏感元件有:金屬導(dǎo)體半導(dǎo)體熱敏電阻。2024/1/118一、金屬測溫電阻(金屬熱電阻)

一般金屬導(dǎo)體具有正的電阻溫度系數(shù)（電阻率隨溫度的上升而增加），在一定的溫度變化范圍內(nèi)，電阻和溫度之間的函數(shù)關(guān)系：其中：

R、R0分別表示溫度為t和t0時(shí)的電阻值;α為材料的電阻溫度系數(shù)，α=(4~6)×10-3/0C。

在不同溫度范圍內(nèi)，電阻溫度系數(shù)α是不同的，希望在測量溫度的范圍內(nèi)α是一個(gè)常數(shù)。1.2電阻溫度計(jì)2024/1/119★熱電阻材料應(yīng)具備以下性質(zhì)：

1）電阻溫度系數(shù)α要大；

2）在測量范圍內(nèi)，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；

3）電阻率ρ要大，可提高溫度計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

4）電阻溫度關(guān)系線性好；

5）材料要容易制作，價(jià)格便宜。

★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、石英或陶瓷等絕緣支架上。1.2電阻溫度計(jì)2024/1/1110★熱敏電阻是由金屬氧化物(NiO,MnO2,CuO,TiO2)粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體?！锍Ｓ玫臒崦綦娮璧淖柚惦S溫度上升而下降T是絕對(duì)溫度(K)；A、B是常數(shù)?！镫娮铚囟认禂?shù)：單位溫度變化所引起的電阻的相對(duì)變化二、半導(dǎo)體熱敏電阻2024/1/1111◆半導(dǎo)體熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)α不是常數(shù)，而和絕對(duì)溫度的平方成反比?！舢?dāng)T=T0時(shí)有電阻R0；當(dāng)T=T時(shí)有電阻R（1）（2）2024/1/1112◆電阻值R與溫度T的關(guān)系：◆常數(shù)B可通過實(shí)驗(yàn)獲得：(即只要測定溫度分別為T1和T0時(shí)半導(dǎo)體的熱敏電阻的阻值R1和R0)(B的范圍一般為1500~50000K)2024/1/1113★半導(dǎo)體熱敏電阻與金屬熱電阻相比,有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）溫度系數(shù)的絕對(duì)值較熱電阻大，靈敏度高，可測0.001~0.00050C的微小溫度變化；

2）電阻率大，時(shí)間常數(shù)小(毫秒級(jí))?？芍瞥审w積小、熱慣性小、響應(yīng)速度快的感溫元件?！锇雽?dǎo)體熱敏電阻缺點(diǎn)：

1）電阻溫度特性分散性大；

2）穩(wěn)定性差；

3）非線性較嚴(yán)重。2024/1/1114三、電阻測定1.測量方法

可采用電橋測定熱電阻的電阻值2.常用電橋測熱阻存在的問題(二線接橋法)▲注意：將熱電阻接到電橋的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生附加電阻r1、r2，這是產(chǎn)生測量誤差的一個(gè)重要原因。3.采取的技術(shù)措施

(可采用三線接橋法及四線接橋法)1.2電阻溫度計(jì)用具有相同溫度特性的導(dǎo)線r1、r2分別接到兩個(gè)鄰臂上，因而可互相抵消，而第三根線與負(fù)載電阻相串聯(lián)，由于負(fù)載的輸入阻抗都很大，r3則可忽略不計(jì)。2024/1/11161.3熱電偶熱電偶：將溫度量轉(zhuǎn)換為電勢大小的熱電式傳感器★熱電偶具有以下特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，精度高，熱慣性小，可測局部溫度和便于遠(yuǎn)距離傳送與集中檢測。2024/1/11171.3熱電偶一、工作原理(席貝克效應(yīng))▲兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串聯(lián)起來形成一個(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)生熱電勢，并形成熱電流。

▲熱電勢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1821年德國物理學(xué)家Secback發(fā)現(xiàn)的?！餆犭妱菘捎煤瘮?shù)關(guān)系式表示：

EAB=f(T,T0)若知道EAB,T0,即可利用熱電效應(yīng)來測溫或溫度差。2024/1/1118★

定義：這兩種不同導(dǎo)體的組合體稱為熱電偶?！?/p>

兩個(gè)連接端點(diǎn),一個(gè)稱為工作端T,另一個(gè)稱為自由端或參考端T0或冷端,兩根金屬絲稱之為熱電極。1.3熱電偶2024/1/1119★溫差電勢是如何產(chǎn)生的？

溫差電勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢（珀耳貼電勢）與同一種導(dǎo)體的溫差電勢（湯姆遜電勢）所組成的。1.3熱電偶2024/1/11201.接觸電勢（珀耳貼電勢）不同導(dǎo)體自由電子的密度是不同的,當(dāng)兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí),在接觸面上將產(chǎn)生電子擴(kuò)散,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。1.3熱電偶2024/1/11211.3熱電偶

接觸面上金屬A的電子擴(kuò)散到B，A失去電子帶正電，B因獲得電子帶負(fù)電，在接觸面上形成了靜電場，這個(gè)靜電場將阻止擴(kuò)散過程的進(jìn)行，當(dāng)自由電子密度的不同引起的擴(kuò)散能力與靜電場的作用相互抵消時(shí)，達(dá)到了動(dòng)平衡，在接觸面上形成一個(gè)穩(wěn)定的接觸電位差。自由電子密度

nA＞nB2024/1/1122EAB(T)為導(dǎo)體A和B的接點(diǎn)在溫度為T時(shí)形成的電位差。其中：

e—電子的電荷e=1.6×10-19庫侖

k—波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23(焦耳/庫侖)EAB(T)和連接點(diǎn)的溫度T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)，回路中將形成接觸電勢。1.3熱電偶2024/1/11232.同一種金屬的溫差電勢（湯姆遜電勢）

在同一導(dǎo)體中，存在溫度梯度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫差電勢。

▲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，在導(dǎo)體內(nèi)形成一個(gè)靜電場，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)定的電位差。1.3熱電偶2024/1/1124★作為熱電偶的材料應(yīng)具備以下特性：

1）物理性能穩(wěn)定，能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，熱電性質(zhì)不隨時(shí)間變化；

2）化學(xué)性能穩(wěn)定，不易被氧化或腐蝕；

3）靈敏度要高，且有近似的線性關(guān)系；

4）電導(dǎo)率高，電阻溫度系數(shù)??；

5）材料的復(fù)制性和工藝性能良好。

1.3熱電偶2024/1/1125二、熱電偶的基本實(shí)驗(yàn)定律1.均質(zhì)導(dǎo)體定律

▲由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論回路中是否存在溫度梯度，都不會(huì)產(chǎn)生熱電勢。

它說明：①熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的熱電極組成；②提供了一種檢查熱電極材料均勻性的辦法。1.3熱電偶2024/1/11262.熱電勢定律★熱電偶的熱電勢只和接點(diǎn)溫度有關(guān),而和其它部位的溫度無關(guān)?！f明：用熱電偶測溫時(shí)，只需要關(guān)注接點(diǎn)溫度，其他部位以及引線所處的溫度環(huán)境，都不會(huì)影響測量結(jié)果。1.3熱電偶2024/1/11273.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，則對(duì)回路的熱電勢沒有影響?！f明：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，因此在用熱電偶測溫時(shí)，只要保證熱電偶和連接后續(xù)測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)影響熱電勢的數(shù)值。1.3熱電偶2024/1/11284.標(biāo)準(zhǔn)電極定律(參考電極定律)

★有三種金屬A、B、C兩兩相接，當(dāng)接點(diǎn)溫度分別為T1和T2時(shí)，金屬A和C的熱電勢為EAC，金屬C和B的熱電勢為ECB，則金屬A和B的熱電勢：

EAB=EAC+ECB1.3熱電偶2024/1/11295.中間溫度定律★某熱電偶接點(diǎn)溫度為T1和T2時(shí)的熱電勢為E1，接點(diǎn)溫度為T2和T3時(shí)的熱電勢為E2，則當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1和T3時(shí)的熱電勢為E1+E2。1.3熱電偶2024/1/1130★該定律的兩點(diǎn)啟發(fā)：

1）熱電偶的分度都是在冷端為00C的條件下制定的，當(dāng)冷端溫度不是零度時(shí)，也可使用該分度表。

▲如用銅-鎳熱電偶測定某未知溫度，冷端溫度取200C，測得的熱電勢E2為6.418mV，而當(dāng)接點(diǎn)溫度為200C和00C時(shí)可查表得熱電勢為E1=0.789mV，則接點(diǎn)溫度為00C和未知測量溫度時(shí)有E3=E1+E2=7.207mV，由此可查出響應(yīng)的溫度值為1600C1.3熱電偶2024/1/11312）使用補(bǔ)償線法為使熱電偶冷端溫度保持不變，不受熱源的影響，往往需要使冷端遠(yuǎn)離工作點(diǎn)，為了不使用過多的貴重的熱電偶導(dǎo)線，往往采用價(jià)格低廉的導(dǎo)線來替代部分熱電偶導(dǎo)線，如圖。A’、B’這就是補(bǔ)償線法。要求補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電性質(zhì)與所用熱電偶相同或相近。1.3熱電偶2024/1/1132在溫度T2-T0的范圍內(nèi)，要求

EAB（T2，T0）=EA‘B’（T2，T0）由中間溫度定律：

EAB（T1，T0）=EAB（T1，T2）+EA‘B’（T2，T0）

=EAB（T1，T2）+EAB（T2，T0）1.3熱電偶2024/1/1133◆說明：1)用補(bǔ)償導(dǎo)線后，不管T2部分溫度如何變化，用補(bǔ)償導(dǎo)線測得的結(jié)果和原來的貴重?zé)犭娕冀z結(jié)果是一樣的；2)使用時(shí)應(yīng)注意補(bǔ)償線不要接錯(cuò)極性。

1.3熱電偶2024/1/1134三、熱電偶的類型及結(jié)構(gòu)1.熱電偶的類型

1.3熱電偶2024/1/11352.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式①普通熱電偶1.3熱電偶2024/1/11362.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式②鎧裝熱電偶（a）碰底型（b）不碰底型（c）裸露型（d）帽型圖1-2鎧裝熱電偶示意圖1.3熱電偶2024/1/11372.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式③薄膜熱電偶

圖1-3片狀薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)圖1-測量接點(diǎn)2-薄膜A3-薄膜B4-襯底5-接頭夾1.3熱電偶2024/1/11382.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式④表面熱電偶

具有永久性安裝和非永久性安裝兩種，用于測量金屬塊、爐壁、渦輪葉片等固體的表面溫度。⑤浸入式熱電偶