HG第三章检测仪表与传感器(温度检测)

eAB(t)
ktlnNAt
e
NAt
K：波尔兹曼常数，e：单位电荷电量n，N 为自由电子密度。
温差电势：同一根导体两端处于不同的温度，导体中 会产生温差电势（很小可忽略不计） 。
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热电偶回路的总的热电势
A
T
T0
B 图 7 --2 热 电 偶 回 路
E A ( t , t B 0 ) e A ( t ) B e B ( t 0 ) A e A ( t ) B e A ( t 0 ) B
第五节 温度检测及仪表
➢概念：温度是表征物体冷热程度的物理量。温度的微观 概念是大量分子运动平均强度的表示。分子运动愈激烈其 温度表现越高。
➢自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关， 因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普 遍进行测量和控制的一个重要物理量。
➢ 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量， 而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读 数起点（零点）和测量温度的基本单位。温标有：华氏温标、 摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。
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热电偶的热电特性
使
冷
端
热 电 特
保 持 0
℃
性时
，
得
到
热
电
偶 的
-
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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温度的计算
当已知冷端温度不等于0摄氏度时，如何计算 所测的温度值?
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温标
（1）摄氏温标：以水的冰点为“0”，水的沸点为 “100”，中间等分为100份，每份为1度，以OC表示。
（2）华氏温标：冰水融体为“32”，水的沸点为 “212”，中间等分为180份，每份为1度，以OF表示。
oC5(oF32)5oR
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4
（3）热力学温标 ----又称开尔文温标，单位为开尔文（K）。
（4）国际实用温标 -----是一种符合热力学温标又使用简单的温标。 最新温标是1990年国际温标 (ITS－90)
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一、温度测量的主要方法
温度的测量：以热平衡为基础的。温度最本质的性质：当两 个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热，换热结束 后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。
测温方式可分为接触式和非接触式两大类。
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1、工作原理与热电效应
A
T
T0
B 图 7-2 热 电 偶 回 路
将两种不同的导体或半导体两 端相接组成闭合回路，当两接 点分别置于两种不同的温度时， 则在回路中产生热电势，形成 回路电流.这种现象称塞贝克效 应，即热电效应.
热电偶回路产生的热电势由接触电势和温差电势两部分组 成。
测温时，将焊接的一端置于被测温度场中，称为测量端 （或工作端、热端）。另一段一般要求恒定在某一温度， 称为参考端（或自由端、冷端）。
接触式：温度敏感元件与被测对象接触，经过换热后两者 温度相等。比较简单、可靠，测量精度较高；但因充分的 热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温 的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高 的温度测量。
非接触测温：温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过
辐射能量进行热交换，由辐射能的大小来推算被测物体的
温度。 (1) 辐射式温度计 ， (2) 光纤式温度计。不与被测物
体接触，不破坏原有的温度场。精度一般不高。
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温度计
常用温度计的种类及适用温度
膨胀式
玻璃液体 : 50 ~ 600 C
双金属
: 80 ~ 600 C
接触式
压力式
液体
气体
蒸汽
: 30 ~ 600 C : 20 ~ 600 C : 0 ~ 250 C
热电偶
铂铑
镍铬
镍铬
铂 : 0 ~ 1600 C 镍硅 : 50 ~ 1000 C 考铜 : 50 ~ 600 C
热电阻：铂
: 200 ~ 600 C 、铜 : 50 ~ 150 C
热辐射 : 400 ~ 2000 C
辐射式
光辐射
: 700 ~ 3200 C
➢均质导体定律：由同一种均质导体组成的闭合 回路不可能产生热电势。 ➢中间温度定律：
E A ( t B , t 0 ) E A ( t B , t c ) E A ( t B c , t 0 )
➢等值替代定律：在某一温度范围内如果产生的热电势 相同，则两支热电偶在此温度范围内可互相代用。
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3、标准化热电偶与分度表
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热电势的产生
❖不同金属具有不同的电子密度；
❖两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场—热 电现象；
❖电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；
❖电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。 扩散作用
自由电子 密度大
金属A + +
金属B -
自由电子 密度小
电场作用
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接触电势与温差电势
-
-
接触电势：
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2、压力式温度计
利用液体的蒸发或气体的 膨胀而引起的压力变化进行 测量。
–温包：传热、容纳膨胀 介质； –毛细管：传递压力； –弹簧管：显示压力（温 度）。
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二、 热电偶测温
➢热电偶测温系统可实现 远距离温度自动测量。
➢它的测温范围为：
❖-270～+1800℃。
-
➢是广泛应用的温度检测
系统.
➢常用来测量中高温。
热电偶的材质要求 ❖单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系； ❖热电性质稳定； ❖化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀； ❖具有较好的延展性，易于加工； ❖复现性好，便于批量生产和互换。
几种型号（分度号）的国际标准化热电偶
S：铂铑10-铂，-50~1768oC;
正极
负极
长期工作：1300 oC
K：镍铬-镍硅，-270~1372oC; 长期工作：900 oC
接触电势的大小与不同导体的电子密度及接点处温度高 低 有关.回路热电势的大小仅与材料和端点的温度有关， 与热电偶的尺寸形状无关。
当冷端温度保持不变时，热电势才是被测热端温度 的单值函数
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2、热电偶基本定律
如下：
➢中间导体定律：如果插入热电偶回路的第三根导线 两端的温度相同，将不影响整个回路总的热电势。
非接触式
比色 : 900 ~ 1700 C
红外线
光电式
热电式
: 0 ~ 3500 C : 200 ~ 2000 C
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1、膨胀式温度计
玻璃液体温度计
–利用液体受热膨胀并 沿玻璃毛细管延伸而
t t0
t = t0
直接显示温度。
双金属温度计
–不同金属受热膨胀不同， 双金属片在受热情况下发 生弯曲而显示温度。