第二章溫度檢測(cè)

1、第二章的問題1. 常用的測(cè)溫方法有哪些？2. 常用的溫度計(jì)有哪些？其測(cè)溫范圍如何？3. 熱電阻在測(cè)量電路中如何連接？4. 哪種溫度計(jì)可作為復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的基準(zhǔn)？5. 為什么熱電偶是工業(yè)上首選的測(cè)溫傳感器？6. 熱電偶是如何測(cè)溫的？7. 冷端溫度如何補(bǔ)償？8. 多支熱電偶如何共用一臺(tái)顯示儀表？2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 1第二章第二章 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)一、溫度一、溫度 溫度是一個(gè)基本物理量，表征物體的冷熱程度。二、溫標(biāo)二、溫標(biāo) 溫標(biāo)是用來(lái)量度溫度高低的尺度。(1) 常用溫標(biāo)：熱力學(xué)溫標(biāo)T（K）、 攝氏溫標(biāo)t(C)、華氏溫標(biāo)t(F)(2) 換算關(guān)系： t(F)=9/5 t(C)+

2、32 F T (K)=273.15 + t(C) 攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo)： 所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計(jì)。分度方法是規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，水的冰點(diǎn)為零度，沸點(diǎn)為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對(duì)應(yīng)每份的溫度定義為1攝氏度，單位為“oC“100 等分0 C100 C1 C2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 2 C太太陽(yáng)陽(yáng)表面表面5000 C燈絲燈絲2500 C火火焰焰1000 C沸騰沸騰的水的水 100 C人人體體 37 C熔化的冰熔化的冰 0 C冷藏食品冷藏食品20 C三、溫度計(jì)三、溫度計(jì) 制定了溫標(biāo)后，就可以用溫度計(jì)度量溫度。 中新社記者從中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院獲悉，中國(guó)

3、中新社記者從中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院獲悉，中國(guó)“人造人造太陽(yáng)太陽(yáng)”EASTEAST物理實(shí)驗(yàn)獲重大突破，實(shí)現(xiàn)在國(guó)際上電子溫度達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)獲重大突破，實(shí)現(xiàn)在國(guó)際上電子溫度達(dá)到50005000萬(wàn)度持續(xù)時(shí)間萬(wàn)度持續(xù)時(shí)間達(dá)達(dá)102秒秒的等離子體放電，標(biāo)志著中國(guó)在穩(wěn)態(tài)磁約束聚變研究方面繼續(xù)走在國(guó)際前的等離子體放電，標(biāo)志著中國(guó)在穩(wěn)態(tài)磁約束聚變研究方面繼續(xù)走在國(guó)際前列。列。EAST既定科學(xué)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)既定科學(xué)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1億度億度1000秒的等離子體放電。秒的等離子體放電。 2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 3四、溫度測(cè)量四、溫度測(cè)量 溫度測(cè)量是內(nèi)燃機(jī)、動(dòng)力裝置及其它熱力系統(tǒng)測(cè)試的重要項(xiàng)目之一。

4、動(dòng)力工程中常用的測(cè)溫效應(yīng)有以下幾種： 第一種，物理狀態(tài)的變化。如采用易熔合金測(cè)量零件溫度。 第二種，化學(xué)狀態(tài)的變化。如示溫涂料。 第三種，物體體積的變化。如雙金屬溫度計(jì)、玻璃水銀溫度計(jì)及壓力式溫度計(jì)等。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 4 第四種，電性能變化。如熱電阻溫度計(jì)、熱敏電阻和熱電偶等。 第五種，輻射能力的變化。如光學(xué)高溫計(jì)、紅外輻射溫度計(jì) 第六種，物體硬度的變化。如采用硬度法測(cè)量高溫零件溫度。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 5五、測(cè)溫方法五、測(cè)溫方法 按照所用方法之不同，溫度測(cè)量分為接觸式和非接觸式兩大類。 1. 1. 接觸式測(cè)溫接觸式測(cè)溫 接觸

5、式的特點(diǎn)是測(cè)溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，這時(shí)感溫元件的某一物理參效的量值就代表了被測(cè)對(duì)象的溫度值。 優(yōu)點(diǎn)：直觀可靠。 缺點(diǎn)：感溫元件影響被測(cè)溫度場(chǎng)的分布，接觸不良等都會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對(duì)感溫元件的性能和壽命會(huì)產(chǎn)生不利影響。 2 2、非接觸式測(cè)溫、非接觸式測(cè)溫 非接觸測(cè)溫的特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象相接觸，而是通過輻射進(jìn)行熱交換，故可避免接觸測(cè)溫法的缺點(diǎn)，具有較高的測(cè)溫上限。此外，非接觸測(cè)溫法熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 62-1 玻璃管液體

6、溫度計(jì)這是應(yīng)用最早而且當(dāng)前使用最廣泛的一種溫度計(jì)。利用液體體積隨溫度升高而膨脹的原理制成。水銀溫度計(jì)有機(jī)液體溫度計(jì)（酒精，甲苯等）膨脹室刻度標(biāo)尺毛細(xì)管感溫包 水銀溫度計(jì)用得最多，普通的水銀溫度計(jì)的測(cè)溫范圍在-38356 之間。在200以下，水銀的膨脹系數(shù)幾乎和溫度呈線性關(guān)系，故可作為精密的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。 為了防止毛細(xì)管中液注出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，并提高測(cè)溫液體的沸點(diǎn)溫度，常在毛細(xì)管中液體上部充以一定壓力的氣體。如果在水銀上面空間充以一定壓力的氮?dú)?，玻璃材料用石英玻璃，測(cè)溫范圍可高達(dá)1200 。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 7可調(diào)電接點(diǎn)式水銀溫度計(jì) 液體玻璃溫度計(jì)分為全浸式和部分浸入

7、式兩種。全浸是指測(cè)溫時(shí)把液柱部分全部浸入被測(cè)介質(zhì)中。部分浸入是把溫度計(jì)浸入標(biāo)志以下的部分插入被測(cè)介質(zhì)中。 全浸式和部分浸入式相比較，全浸式測(cè)量精度較高，故多用于實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，部分浸入式用于一般工業(yè)測(cè)溫，部分浸入式水銀溫度計(jì)常刻有校正時(shí)浸入量的刻度，在使用時(shí)若室溫和浸入量均與校正時(shí)一致，所示溫度是正確的。 使用時(shí)，如果全浸式溫度計(jì)的液柱部分不能全部浸入，部分浸入式溫度計(jì)露出部分的環(huán)境溫度與標(biāo)定時(shí)不一致，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差，故必須進(jìn)行修正。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 8 修正方法是用一個(gè)小的輔助溫度計(jì)度計(jì)測(cè)出露出液柱部分的平均溫度，如圖所示，并按下式估算溫度修正量t，即

8、)(0ttnKt式中：t 為溫度修正值，被測(cè)溫度的正確值為 t + t n為露出液柱所占的度數(shù) t 為溫度計(jì)示值或標(biāo)定時(shí)露出部分的溫度 t0為輔助溫度計(jì)測(cè)出的液柱露出部分的平均溫度 K為工作液體的膨脹系數(shù)(水銀 K0.00016/,有機(jī)液K 0.00124/)Ct96. 0 )80200(00016. 050Ct08. 0 )8070(00016. 050?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 92-2 壓力式溫度計(jì) 壓力式溫度計(jì)由于其抗振性好,價(jià)格便宜,被大量用在隨機(jī)儀表盤或控制臺(tái)儀表盤上,用以監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)及其裝置的運(yùn)行狀況。 根據(jù)密閉系統(tǒng)內(nèi)工作介質(zhì)不同，壓力溫度計(jì)可分為3類：

9、1.液體壓力式溫度計(jì) 液體壓力式溫度計(jì)密閉系統(tǒng)內(nèi)充滿液體工質(zhì)(如水銀、甲醇)，利用液體體積隨溫度變化的特性進(jìn)行測(cè)溫。由于液體工質(zhì)的線膨脹系數(shù)與溫度呈線性關(guān)系，因此儀表盤刻度均勻，缺點(diǎn)是感溫包與彈簧之間高度差的變化回帶來(lái)靜壓誤差，環(huán)境溫度的變化也會(huì)導(dǎo)致誤差。測(cè)溫范圍為-40200。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 10 2.氣體壓力式溫度計(jì) 氣體壓力式溫度計(jì)的工作原理是利用密閉系統(tǒng)內(nèi)氣體壓力隨溫度變化的特性。所充氣體通常為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、物理性質(zhì)接近理性氣體的氮或氦。其壓力與溫度也呈線性關(guān)系，因此表盤刻度均勻。一般感溫包較大，且充氣的原始?jí)毫^高。測(cè)溫范圍為-80550。2021

10、-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 11 3.蒸汽壓力式溫度計(jì) 密閉系統(tǒng)內(nèi)封入約占感溫包容積2/3的揮發(fā)性液體（如丙烷、氯甲烷、丙酮等），其余容積充滿了該液體的飽和蒸汽。測(cè)溫范圍為-20200。 根據(jù)道爾頓(Dalton)蒸汽定律，如果同時(shí)存在液汽兩相，則飽和蒸汽壓力僅取決于溫度，而與容器尺寸無(wú)關(guān)。 根據(jù)這個(gè)原理，可以測(cè)量壓力而知道溫度大小。當(dāng)感溫包溫度上升時(shí),飽和蒸汽壓力急劇增加,因此這種溫度計(jì)靈敏度高，響應(yīng)快。環(huán)境溫度變化對(duì)毛細(xì)管內(nèi)的蒸汽壓力無(wú)影響，其壓力由感溫包的溫度決定。優(yōu)點(diǎn)：感溫包較小，毛細(xì)管可較粗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：壓力與溫度的關(guān)系為非線性，表盤刻度不均勻，刻度誤差

11、較大，測(cè)量范圍小。 注意：使用時(shí)，感溫包應(yīng)立裝，而不可倒裝。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 122-3 雙金屬溫度計(jì) 雙金屬感溫元件是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固結(jié)合在一起而制成，一端固定，另一端為自由端。當(dāng)溫度變化時(shí)，由于兩種材料的膨脹系數(shù)不同而使雙金屬片的曲率發(fā)生變化，自由端產(chǎn)生位移，經(jīng)傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針指示溫度值。 為了滿足不同用途的要求，雙金屬元件制成各種不同的形狀。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 13雙金屬溫度計(jì)的測(cè)溫范圍為-100600。優(yōu)點(diǎn)：抗振性能好，堅(jiān)固缺點(diǎn)：精度較低，精度等級(jí)為1.0級(jí)、1.5 級(jí)、 2.0級(jí)、2.5級(jí)和4.0級(jí)

12、用途：常用于柴油機(jī)、廢氣渦輪增壓器和廢 氣鍋爐前后排氣溫度指示?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 142-4 電阻式溫度計(jì)一、熱電阻變換器一、熱電阻變換器 導(dǎo)體的電阻值一般是溫度的函數(shù)，因此，通過測(cè)量電阻也可以知道溫度。 作為實(shí)際測(cè)溫的熱電阻變換器的材料要求有：較高的電阻溫度系數(shù)；大的電阻率；穩(wěn)定的物理化學(xué)性能；電阻與溫度間為簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系；容易加工制造；互換性和復(fù)現(xiàn)性好等。 為此，現(xiàn)代工業(yè)上使用的熱電阻變換器材料只限于純金屬絲，鉑絲和銅絲用得最廣泛。電阻溫度計(jì)：利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化這一性質(zhì)做成的溫度計(jì)大多數(shù)金屬在溫度升高1 C 時(shí)電阻將增加0.40.6。半導(dǎo)體電

13、阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高1 C ，電阻約減小36。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 151.鉑熱電阻 鉑在氧化性介質(zhì)中物理化學(xué)性能都非常穩(wěn)定，能耐較高的溫度，容易得到高純度的鉑，有良好的復(fù)現(xiàn)性，電阻率較大，應(yīng)用溫度范圍寬，并且測(cè)量精度高，在國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)中，在-259.34630.74OC溫度范圍內(nèi)，鉑熱電阻作為復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的基準(zhǔn)。缺點(diǎn)是在還原性介質(zhì)中，特別是高溫下很容易被從氧化物中還原出來(lái)的金屬蒸汽所玷污，使鉑絲變脆，并改變它的電阻與溫度間的關(guān)系。 鉑電阻的測(cè)量精度和穩(wěn)定性取決于所用鉑的純度。鉑的純度以其100oC時(shí)的電阻R100與0oC時(shí)的電阻R0的比

14、值來(lái)表示。比值愈大，表示純度愈高。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)，規(guī)定比值不小于1.3925：工業(yè)用的鉑電阻溫度計(jì)，比值為1.3912021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 16 類似于熱電偶，也把熱電阻值與溫度的關(guān)系制成分度表，以便查用。與熱電阻配套的顯示儀表的刻度也是根據(jù)分度表來(lái)確定的。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 172021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 182.銅熱電阻 銅熱電阻容易提純和加工，價(jià)格便宜，有較高的電阻溫度系數(shù)。電阻與溫度的關(guān)系是線性的。銅熱電阻的主要缺點(diǎn)是電阻率小，因此體積大，熱慣性大。在150oC以上時(shí)易氧化，機(jī)械強(qiáng)度也顯著下降，所

15、以銅熱電阻只能在150oC以下工作。 我國(guó)采用的銅熱電阻分度號(hào)為Cu50(R0=50)和Cu100(R0=100)兩種。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 19二、熱電阻傳感器二、熱電阻傳感器 普通型熱電阻傳感器外形很像普通型熱電偶傳感器。感溫元件主要由熱電阻變換器、骨架和引出線組成。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 202021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 212021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 22 圖5-17(b) 所示鉑熱電阻感溫元件是把鉑絲繞在鋸齒形云母片骨架上，然后用兩片無(wú)鋸齒云母片夾住，再用綁帶扎緊。適用于500oC

16、以下的溫度測(cè)量。圖5-17(c)是一種石英玻璃圓柱做骨架的鉑熱電阻。石英玻璃具有良好的絕緣和耐高溫的性質(zhì)，因此適用于500oC以上溫度的測(cè)量。 為了消除電感的影響，所有熱電阻感溫元件均采用雙線繞法。 熱電阻也像熱電偶一樣，還可以制成鎧裝式的新型傳感器結(jié)構(gòu)。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 23三、測(cè)量?jī)x器和方法三、測(cè)量?jī)x器和方法 1.直流電橋 可用直流電橋測(cè)量熱電阻的電阻值，從而確定熱電阻所感受的溫度。為了減小導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化而變化對(duì)測(cè)量的影響，希望導(dǎo)線電阻相對(duì)熱電阻值要盡量小。另外，還可以通過線路進(jìn)行補(bǔ)償。常用補(bǔ)償方法有： 三端連接； 四端連接。 電橋測(cè)量可分為零平

17、衡電橋與偏差電橋（零平衡電橋僅適用于測(cè)量靜態(tài)或變化緩慢的溫度）。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 242.電子式自動(dòng)平衡交流電橋 電子式自動(dòng)平衡交流電橋是零平衡電橋，只是電橋平衡是由測(cè)量裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)Rt 隨溫度變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出端A和B 便有響應(yīng)電壓信號(hào)輸送給放大器。經(jīng)放大后，驅(qū)動(dòng)可逆伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，一方面帶動(dòng)滑線電阻RW 的觸頭移動(dòng)，使電橋恢復(fù)平衡；另一方面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)指針和記錄筆移動(dòng)，指示出被測(cè)溫度，并在由同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的記錄紙上繪出溫度變化曲線。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 25四、半導(dǎo)體熱敏電阻四、半導(dǎo)體熱敏電阻熱敏電阻

18、是由氧化錳、氧化鎳、氧化鐵等金屬氧化物燒結(jié)而成的。 (1) 溫度-電阻關(guān)系：(2) 常用溫度范圍： -100300 C(3) 優(yōu)點(diǎn)：溫度系數(shù)大（負(fù)電阻溫度系數(shù)）、靈敏度高、不受引線電阻影響，便于遠(yuǎn)距離測(cè)量，可制成任意大小和形狀，薄膜熱敏電阻的響應(yīng)可到毫秒量級(jí)。(4)缺點(diǎn)：無(wú)統(tǒng)一分度表、非線性嚴(yán)重、互換性差、不適于高溫測(cè)量。)11(00TTBTTeRR?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 262-5 熱電偶溫度計(jì)一、熱電變換器一、熱電變換器熱電偶熱電偶 1.工作原理 把兩種不同的金屬導(dǎo)線連接成閉合回路。當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，則在回路中有電流I 通過，成為熱電流。若在任意一點(diǎn)切斷回路

19、，在斷點(diǎn)處則有電動(dòng)勢(shì)E ，稱為熱電勢(shì)。上述現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。它是1821年由塞貝克(Seebeck) 首先發(fā)現(xiàn)的，因此也成為塞貝克效應(yīng)。 裝配式熱電偶裝配式熱電偶2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 27 熱電勢(shì)有兩個(gè)來(lái)源： 一個(gè)是由于兩種不同金屬相接觸的接點(diǎn)溫度不同而引起的接觸電勢(shì)；另一個(gè)是由于同一導(dǎo)體兩端溫度不同而引起的溫差電勢(shì)。)()()()()()()()(),()(),()(),(00000000tftftetetetetetettetettetettEABABABABABABAABBABAB回路總熱電勢(shì)為：2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 28 上式

20、表明，熱電勢(shì)僅由熱電偶材料及兩個(gè)接點(diǎn)的溫度所決定。一般來(lái)說，一個(gè)接點(diǎn)是測(cè)量待測(cè)的未知溫度，稱為熱端或測(cè)量端；另一個(gè)接點(diǎn)通常保持一定溫度，稱為冷端或參考端。這樣，熱電勢(shì)就僅為測(cè)量溫度的函數(shù)。裝配式熱電偶裝配式熱電偶鎳鉻鎳鉻-鎳硅鎳硅 熱電偶內(nèi)芯熱電偶內(nèi)芯鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶 2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 29 （2）中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中引入中間金屬時(shí)，只要這第三種金屬引入的兩個(gè)接點(diǎn)處溫度相同，就不會(huì)影響凈電動(dòng)勢(shì)。 中間導(dǎo)體定律表明：可以把測(cè)量熱電勢(shì)的裝置接入到回路中的任意點(diǎn)，只要全部接點(diǎn)均處于同樣的溫度下，則不會(huì)影響凈電動(dòng)勢(shì)。 2.熱電偶的定律 （1）均質(zhì)導(dǎo)體定律：

21、在一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，僅用加熱的方法使導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，是不能產(chǎn)生熱電勢(shì)的。 均質(zhì)導(dǎo)體定律表明：對(duì)任何熱電偶電路，必須要有兩種不同的導(dǎo)體材料組成。ABCt0t2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 30 在制造熱電偶中，可以使用接合材料。熱電偶可以直接放在導(dǎo)體或非導(dǎo)體的表面上或直接嵌入內(nèi)部，都不會(huì)改變熱電偶的使用效果。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 31 中間溫度定律說明；可以只在某一參考溫度下分度熱電偶，在其它參考端溫度時(shí)，只須加上一個(gè)修正值即可；在(t2，t3)間使用的是與熱電偶(A，B)的熱電特性相似的補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。 （3）中

22、間溫度定律 由A、B兩種材料組成的熱電偶，當(dāng)接點(diǎn)溫度為t1 、t2時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)為EAB(t1，t2)，接點(diǎn)溫度為t2，t3時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)EAB(t2,t3)，則接點(diǎn)溫度為t1,t3時(shí)其熱電勢(shì)為322131,ttEttEttEABABAB（5-4）t1t2t32021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 322021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 33二、熱電極材料和常用熱電偶二、熱電極材料和常用熱電偶 理論上任何兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體都可組成熱電偶。但作為實(shí)際的測(cè)溫元件，對(duì)導(dǎo)體的具體要求是： 熱電勢(shì)對(duì)溫度的變化率應(yīng)足夠大，即靈敏度高；熱電勢(shì)與溫度間應(yīng)是簡(jiǎn)單的函數(shù)關(guān)系，并盡可能是

23、線性關(guān)系；在測(cè)量溫度范圍內(nèi)其熱電性能穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化；物理化學(xué)性能穩(wěn)定，抗氧化還原性能好，不受化學(xué)腐蝕，能在較寬的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用；電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高，熱導(dǎo)率?。粡?fù)制性及加工性好，利于互換，便于批量生產(chǎn)，且價(jià)格便宜。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 34 實(shí)際上目前沒有材料能同時(shí)滿足上述全部要求，輪機(jī)工程測(cè)試中應(yīng)用較多的熱電偶有如下幾種： （1）鉑銠10鉑熱電偶 （分度號(hào)S） 長(zhǎng)時(shí)間測(cè)溫范圍為-501768OC。測(cè)量精度高，復(fù)制性好，物理化學(xué)穩(wěn)定性好，常作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，國(guó)際上還規(guī)定：在國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)中，在630.741064.43OC溫度范圍內(nèi)，鉑銠10鉑熱電偶 作為復(fù)現(xiàn)

24、溫標(biāo)的基準(zhǔn)。 （2）鎳鉻鎳硅熱電偶（分度號(hào)K） 長(zhǎng)時(shí)間測(cè)溫范圍為2701370OC。線性好，靈敏度高，在高溫下抗氧化能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，使用廣泛。 （3）鎳鉻康銅熱電偶（分度號(hào)E） 測(cè)溫范圍為270800OC。靈敏度最高，線性好，價(jià)格平宜。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 35 上述三種熱電偶在我國(guó)列入了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，稱為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，是定型產(chǎn)品，成批生產(chǎn)。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 362021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 37 為了與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，我國(guó)現(xiàn)使用新的熱電偶分度標(biāo)準(zhǔn)及新的分度號(hào)。 其他熱電偶及分度號(hào)：鉑銠30鉑銠6（分

25、度號(hào)為B），鉑銠13鉑（分度號(hào)為R），鎳鉻硅鎳硅（分度號(hào)為N），銅康銅（分度號(hào)為T），鐵康銅（分度號(hào)為J）。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 38允許誤差是指熱電偶的熱電勢(shì)與分度值的偏差。t為熱電偶測(cè)量溫度。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 39三、熱電式溫度傳感器三、熱電式溫度傳感器 1.普通型熱電偶傳感器 由以下四部分組成： （1）接線盒 一般由鋁合金制成，供熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接使用。 （2）保護(hù)套管 保護(hù)熱電偶不受化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷，避免高溫火焰或氣流的直接沖刷，防止導(dǎo)電介質(zhì)與熱電偶的直接接觸。還有固定和支撐作用。常用保護(hù)套管材料如表5-5所示。選用

26、時(shí)根據(jù)測(cè)量范圍和被測(cè)介質(zhì)對(duì)響應(yīng)速度的要求等條件來(lái)決定。 2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 402021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 41 （3）絕緣套管 它的作用是防止兩個(gè)熱電極短路。套管材料的選用由使用溫度范圍確定。其結(jié)構(gòu)形式有單孔和雙孔兩種。 （4）熱電偶 傳感器的核心部分，通常加工成絲狀，一端焊接。它的直徑主要由材料的價(jià)格、機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率、傳感器的用途及測(cè)量范圍所決定。長(zhǎng)度由安裝條件，特別是測(cè)量端在介質(zhì)中的插入深度決定。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 42 2.鎧裝熱電偶 它是將金屬保護(hù)管和裝在里面的熱電極及絕緣材料一起逐步拉制成堅(jiān)實(shí)

27、的整體型熱電偶。套管材料為銅、不銹鋼或鎳基高溫合金。熱電極材料一般有鎳鉻鎳硅和鎳鉻考銅等。熱電極之間和熱電極與套管之間用氧化鎂粉或氧化鋁粉等高溫絕緣材料填滿。套管中的熱電極有單絲、雙絲和四絲。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 43 鎧裝熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是外徑可以很細(xì)（0.2512mm），長(zhǎng)度可以根據(jù)需要來(lái)定，最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百米；熱慣性小，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到毫秒數(shù)量級(jí)；具有可繞性，便于在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上測(cè)量；結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、耐壓，不怕振動(dòng)和沖擊，適應(yīng)惡劣工作環(huán)境下使用。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 44 鎧裝熱電偶的熱端有三種結(jié)構(gòu)型式： （1）露頭型 反應(yīng)快，制造簡(jiǎn)單，絕緣

28、材料易吸潮，不耐壓，偶絲易損壞使分度迅速漂移，偶絲與外界接觸，使用壽命縮短。它一般用于溫度不高、氣氛良好和對(duì)偶絲不產(chǎn)生侵蝕的介質(zhì)。 （2）接殼型 偶絲的感溫部分與金屬套管接觸在一起。響應(yīng)稍慢于露頭型，耐壓較高（約達(dá)7107Pa），偶絲不受機(jī)械損傷，壽命長(zhǎng)。當(dāng)熱接點(diǎn)沒有保護(hù)性結(jié)構(gòu)時(shí)，其偶絲于套管的熱膨脹系數(shù)必須接近，避免熱接點(diǎn)被拉斷。適于溫度較高、氣氛較壞的場(chǎng)合。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 45 3.薄膜熱電偶 通常時(shí)用真空蒸鍍的方法將兩種熱電極材料蒸鍍到很薄的的絕緣基片上，再在其上蒸鍍一層二氧化硅薄膜制成。它的熱端小而薄，因此熱容量小，響應(yīng)快，特別適于物體表面小面積上的

29、溫度或瞬變溫度的測(cè)量。使用時(shí)用粘結(jié)劑將它粘貼在被測(cè)物壁面上。 （3）絕緣型 偶絲與套管完全絕緣，響應(yīng)較接殼型慢，耐高壓達(dá)3108Pa以上。偶絲不受機(jī)械損傷，壽命長(zhǎng)，熱膨脹系數(shù)對(duì)偶絲與套管影響極微。制造困難，較貴。適用于電磁場(chǎng)干擾較大和要求偶絲與金屬套管絕緣的儀表，如電子計(jì)算機(jī)等設(shè)備上。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 46 4.熱電偶絲的直接使用a) 將熱電偶直接焊接在表面上，熱電偶散熱會(huì)帶來(lái)一定的誤差。b) 將熱電偶焊在一塊導(dǎo)熱良好的金屬集熱塊上，以減小被測(cè)壁的熱阻，從而減小誤差。c) 將熱電偶一段與壁面平行，從而減小熱接點(diǎn)向熱電偶導(dǎo)熱帶來(lái)的誤差。d) 兩根熱電極分別焊在壁

30、面上，測(cè)得的是兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均溫度。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 47e) 用“B”材料作為一熱電極，可以提高測(cè)量精度。f) 將熱電偶焊或埋在專門開的小槽里，以減小外邊氣體流動(dòng)對(duì)熱端的影響。g) 焊接式壓塊結(jié)構(gòu)，先用電容沖擊焊將熱電極焊在壓塊孔底，再填滿耐熱絕緣粘固劑后，將壓塊緊緊壓入被測(cè)試件所鉆的孔中。h) 壓接法。 （h）和（g）均可避免誤測(cè)零件表面以外的氣體或液體溫度。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 48 測(cè)量氣體或液體的溫度時(shí)，將熱電偶的熱接點(diǎn)直接放置在介質(zhì)中，可以比有保護(hù)套管的熱電偶得到快得多的響應(yīng)。圖5-10所示為這種測(cè)量方法的三個(gè)方案。其中

31、圖（a）方案比圖（b）更精確。但為了防止折斷，熱電極不能太細(xì)。圖（c）方案時(shí)在粗熱電極2上焊上細(xì)的同種材料的熱電極4 ，這樣就大大減小了熱慣性。這種方法讓熱電極直接接受介質(zhì)的沖刷和侵蝕，因此使用壽命較短。它適用于流體動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 49四、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償四、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償 熱電偶分度表是以冷端為0oC而制作的。如果要直接利用分度表，應(yīng)該保持冷端為0oC。但在使用中，往往由于環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，熱電偶冷端不能維持在0oC，因此要進(jìn)行補(bǔ)償?？刹捎孟率鰩追N補(bǔ)償方法。 1.計(jì)算校正法 如果冷端溫度不是0oC，而是一個(gè)不變的溫度t0時(shí)。可采

32、用此法。 由式（5-4），令t1為測(cè)量端溫度t，t2=t0，t3=0oC，則CtEttECtEoABABoAB0 ,0 ,00（5-5） 顯然，只要知道t0 值，就可以從分度表查得校正值E(t0，0oC)。再根據(jù)儀表在冷端為t0 時(shí)的指示值E(t，t0)。，即可算出校正后的E(t， 0oC)，并由分度表查得t 值。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 50 例：用鎳鉻鎳硅熱電偶測(cè)量某柴油機(jī)的排氣溫度，已知冷端溫度為30，測(cè)得的熱電勢(shì)為14.672mV，試求被測(cè)的排氣溫度。解：查表2-5，得E(30，0)=1.203(mV)， 由中間溫度定律，有)(875.15203. 1672.

33、14)0 ,30()30,()0 ,(mVEtEtE查表2-5，得E(380，0)=15.552(mV)， E(390，0)=15.974(mV)按線性插值法，得380390)0 ,380()0 ,390(380)0 ,380()0 ,(EEtEtE)(7 .387380)380390(552.15974.15552.15875.15 380)380390()0 ,380()0 ,390()0 ,380()0 ,(CEEEtEt因此，被測(cè)的排氣溫度為2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 51 2.補(bǔ)償導(dǎo)線 為保持冷端溫度恒定或變化不大，應(yīng)使冷端遠(yuǎn)離被測(cè)的熱源。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，

34、常要把熱電偶輸出信號(hào)傳輸?shù)捷^遠(yuǎn)的控制室。如將熱電極直接延伸到較遠(yuǎn)的地方則不經(jīng)濟(jì)。實(shí)用中常采用補(bǔ)償導(dǎo)線代替熱電極的延長(zhǎng)部分。 對(duì)于有零位調(diào)整且刻度均勻的顯示儀表，測(cè)量時(shí)可預(yù)先將其指針的起始值（即機(jī)械零點(diǎn)）調(diào)到已知的冷端溫度點(diǎn)上，這樣就相當(dāng)與把校正值直接加到了顯示儀器，則儀表工作時(shí)的指示值就是實(shí)際的被測(cè)值。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 52 補(bǔ)償導(dǎo)線在0100oC（或150oC ）范圍內(nèi)，其熱電特性與所配熱電偶相同或相近，而且價(jià)格便宜。同時(shí)可以改善熱電回路的機(jī)械和物理特性，還可以用來(lái)調(diào)整回路的電阻值和屏蔽外界干擾。但補(bǔ)償導(dǎo)線并不能消除冷端不為0oC的影響。2021-12-15

35、輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 53 3.補(bǔ)償電橋法冷端溫度補(bǔ)償器 在生產(chǎn)運(yùn)行中，冷端溫度很難保持不變，用查分度表來(lái)計(jì)算很麻煩。此時(shí)可采用冷端溫度補(bǔ)償器進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。使用補(bǔ)償電橋時(shí)，只須把顯示儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到20oC溫度上，則無(wú)論冷端溫度如何變化，指示值均為實(shí)際被測(cè)值。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 54五、熱電勢(shì)測(cè)量?jī)x表五、熱電勢(shì)測(cè)量?jī)x表 熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)一般由熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、冷端恒溫器、顯示儀器等組成。 測(cè)量熱電勢(shì)的儀表按其工作原理可分為動(dòng)圈式、電位差計(jì)及數(shù)字式。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 55 1.動(dòng)圈式儀表 測(cè)量熱電勢(shì)的動(dòng)圈式儀表是一種高靈敏

36、度的磁電式電流表。若整個(gè)測(cè)量回路電阻保持恒定（等于表盤上所注明的外接電阻值），則通過儀表的電流值與熱電勢(shì)成正比，儀表指針偏轉(zhuǎn)角則指示出對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)大小。動(dòng)圈式測(cè)溫儀表刻度標(biāo)尺有毫伏和溫度兩種。動(dòng)圈式測(cè)溫儀的精度通常為1.0級(jí)和1.5級(jí)。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 56 2.自動(dòng)電位差計(jì) 自動(dòng)電位差計(jì)是利用測(cè)量電橋產(chǎn)生一個(gè)已知的電位差與熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)相平衡而實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電勢(shì)的指示和記錄。 自動(dòng)電位差計(jì)實(shí)際上是一種零位法進(jìn)行測(cè)量的自動(dòng)平衡記錄儀。它的測(cè)量精度高，一般為0.5級(jí)，有的可達(dá)0.2級(jí)。采用放大器作為檢零元件，因此靈敏度較高?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄、越限報(bào)警和自動(dòng)控制。20

37、21-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 57 3.數(shù)字式熱電偶溫度計(jì) 數(shù)字式熱電偶溫度計(jì)的工作原理如圖5-14所示。熱電勢(shì)經(jīng)放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。數(shù)字線性變換器對(duì)熱電勢(shì)與被測(cè)溫度的非線性關(guān)系進(jìn)行校正，使其線性化，然后由數(shù)字顯示器直接顯示被測(cè)溫度的數(shù)值。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 58 4.多支熱電偶共用一臺(tái)顯示儀表 為減少顯示儀表及簡(jiǎn)化控制臺(tái)臺(tái)面，可以用一臺(tái)顯示儀表測(cè)量多點(diǎn)的溫度。將多支熱電偶通過一只切換開關(guān)可以順序與顯示儀表接通。 有的場(chǎng)合環(huán)境溫度波動(dòng)較大，要使接線盒位于溫度波動(dòng)較小的地點(diǎn)，每支熱電偶均要接相當(dāng)長(zhǎng)的補(bǔ)償導(dǎo)線。為此可采用輔助

38、熱電偶，以節(jié)省大量補(bǔ)償導(dǎo)線。有如圖所示的兩種補(bǔ)償方式。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 59 應(yīng)用輔助熱電偶之后，接線盒內(nèi)溫度變化對(duì)測(cè)量無(wú)影響。但應(yīng)注意兩種補(bǔ)償方式的接線極性不同，不得接錯(cuò)。所用熱電偶的分度號(hào)均應(yīng)與顯示儀表所要求的相同。用外接電阻調(diào)整每支熱電偶測(cè)量時(shí)的線路總電阻，使之均等于顯示儀表所要求的外接電阻值。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 60 多支熱電偶共用一臺(tái)數(shù)字式測(cè)溫儀的原理如圖5-16所示。各路熱電勢(shì)信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)單片機(jī)控制的多路開關(guān)分時(shí)送線性放大器放大，然后通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)數(shù)據(jù)總線，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行線性化處理及冷端

39、溫度修正后，送存儲(chǔ)器、顯示器、打印機(jī)或控制系統(tǒng)。參考信號(hào)是熱電偶冷端溫度信號(hào)，通常用熱電阻測(cè)量得到。?2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 61一、熱輻射引起的誤差一、熱輻射引起的誤差 如圖5-20所示，假設(shè)沿測(cè)溫傳感器保護(hù)套管的導(dǎo)熱損失不計(jì)，則由于傳感器感溫部分向周圍輻射傳熱產(chǎn)生的測(cè)量誤差t 可由下式給出26 溫度測(cè)量誤差 由于熱交換的存在，傳感器感知的溫度tk 與被測(cè)介質(zhì)的實(shí)際溫度t 之間存在誤差。440100100wkkfTTCttt(5-9)式中，C0絕對(duì)黑體輻射系數(shù)，C05.67W/(m2.K4)； 輻射換熱系統(tǒng)黑度(與傳感器感溫部分表面 黑度k 近似相等)； 介質(zhì)向傳感器感溫部分表面對(duì)流換熱系數(shù)； TK傳感器感溫部分的絕對(duì)溫度； TW管道內(nèi)壁的絕對(duì)溫度。2021-12-15輪 機(jī) 工 程 測(cè) 試 技 術(shù) 62 由上式可見，要減小輻射引起的測(cè)量誤差，應(yīng)減小傳感器感溫部分表面黑度k ，為此要使感溫部分表面盡量光滑，并應(yīng)改善對(duì)流換熱條件，以提高對(duì)流換熱系數(shù) 。此外，應(yīng)減小產(chǎn)生