第三章 温度测量及仪表第三章 温度测量及仪表本章主要内容本章主要内容

膨胀式温度计测温

热电偶测温

热电阻测温

温标

仪表

什么是温标？什么是温标？衡量温度的标准尺度。譬如规定什么样的温度是 150℃，什么样的温度是 200℃

3-1 温度的测量方法一、温标

国际普遍使用的温标有四种：热力学温标、 国际实用温标、摄氏温标、华氏温标。

温标三要素：温度计、固定点、内插方程

1.1. 摄氏温标摄氏温标 17401740 年瑞典人摄氏年瑞典人摄氏 定义水银体膨胀是线性；标准大气压下纯水的冰点是摄氏零度，

沸点为 100 度，而将汞柱在这两点间等分为 100 格，每等分格为摄氏 1 度，标记为℃。

2.2. 华氏温标华氏温标定义1714 年德国人法伦海脱以水银为测温介

质，制成玻璃棒水银温度计。规定水的沸点为 212 度，氯化铵与冰的混合物为 0度，中间等分为 212 份，每一份为 1 度记作℉。称为华氏温标。

5( 32)

9C F

3.3. 热力学温标热力学温标

Q1 ：卡诺热机从高温热源吸收热量；Q0 ：卡诺热机向低温热源放出热量

Q1/Q0 =T1/T0

假设一卡诺热机工作在温度为 T0 的低温热源和未知温度的高温热源之间，如果该卡诺热机向低温热源放出的热量为 Q0 ，从高温热源吸收的热量为Q1 ，那么高温热源的温度为

T1 = Q1/Q0 ·T0

T0

T1

卡诺热机

Q0

Q1

0011 T/Q Q T

热力学温度的内插方程

假设一标准热源热力学温度为 100K ，热力学温标如何规定 300K 的温度？拿标准热源作为低温热源，另一热源作为高温热源，让一卡诺热机在两热源之间运转，如果从高温热源吸收的热量 Q1

与向标准热源放出的热量 Q0 之比等于 3

，那么高温热源温度等于 300K

3.3. 热力学温标热力学温标

现实中热力学温标是应用气体特性方程实现的。理想气体的 P 、 V 、 T 之间的关系式为：

恒量T

PV

以水的三相点作为参考点，这样可按照气体压力变化测温。

16.273参P

T

P（气体定容温度计）

3.3. 热力学温标热力学温标

选用水的三相点温度为 273.16 ，定义水的三相点温度的 1/273.16 为 1 度，单位为 k ，这样就建立了热力学温标。只要确定一个基准点，则整个温标就确定了。

3.3. 热力学温标热力学温标

4.4. 国际温标国际温标 ITS-90ITS-90

指导思想 : 应尽量与热力学温标接近，温度的复现性要好。

内容（ 1 ）定义了固定点，共有 17 个。（ 2 ）规定不同区域内的基准仪器。（ 3 ）建立基准仪器示值与国际温标之间的插

补公式。

国际实用温标指出，热力学温度为基本物理量，规定水的三相点温度为 273.16 ，单位为 k ， 1k 的大小为水的三相点热力学温度的 1/273.16 ，由于摄氏温标将冰点定义为 0℃ ，而冰点比水的三相点低 0.01k ，那么冰点温度为 273.15k ，即

单位℃。15.2739090 Tt

4.4. 国际温标国际温标 ITS-90ITS-90

二、温度仪表分类与选择二、温度仪表分类与选择

玻璃管液体温度计 固体膨胀式 压力式温度计

膨胀式温度计测温 热电偶测温 热电阻测温

接触法 非接触法

测温方法

温度测量方法的分类

1 ．接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的温度。

优点：直观、可靠。 缺点：①存在负载效应， ② 受到测量条件的限制，不能充分接触，使检

测元件温度与被测对象温度不一致。 ③ 热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。

（动态误差） 2 ．非接触法测温：检测部分与被测对象不直接

接触，不破坏原有温度场。通常用来测量 1000℃以上的移动、旋转、或反映迅速的高温物体。

温度测量方法的分类

温度传感器

装配式热电偶

防爆热电阻

3-2 3-2 膨胀式温度计膨胀式温度计

测温敏感元件在受热后尺寸或体积发生变化，采取一些简便方法，测出它的尺寸或体积变化的大小。

分类：液体膨胀式、固体膨胀式、压力式

（一）工作原理 利用玻璃管内液体的体积随温度

的升高而膨胀的原理。 组成：液体存储器、毛细管、标

尺、安全泡四部分。 液体可为：水银、酒精、甲苯等。 当温度超过 300℃ 时，应采用硅硼玻璃， 500℃ 以上要采用石英玻璃。

一 . 玻璃管液体温度计 4

（二）结构与类型 棒式玻璃温度计 内标式玻璃温度计 电接点式温度计

利用水银的热胀冷缩和水银的导电性。

功能 :(1 ）指示温度，

（ 2 ）恒温自动控制。

玻璃棒温度计

（三）（三）．误差分析．误差分析

（ 1 ）玻璃材料有较大的热滞后效应。（ 2 ）温度计插入深度不够将引起误差，（ 3 ）非线性误差（ 4 ）工作液的迟滞性（ 5 ）读数误差

液柱应全部浸入被测介质中。若只有部分液柱被浸没时，应对指示值进行修正。

)( attnt

某水银温度测量水温为 90℃，插入处刻度为 10℃，环境温度为 10 ℃，则测量误差为 -1.024℃

n: 露出液体部分所占的刻度数， : 工作液体对玻璃的相对体膨胀系数（汞 0.00016 ，洒精 0.000103 ）， t: 温度计的示值， ta: 露出液柱部分所处的环境温度

（三）．误差分析（三）．误差分析

玻璃管液体温度计使用注意事项玻璃管液体温度计使用注意事项

温度计与被测介质应接触足够长的时间，以使温度计与被测介质达到热平衡。

读数时，视线应与标尽垂直，并与液柱于同一水平面上，手持温度计顶端的小耳环，不可触摸标尺。

二二 .. 固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计（一）类型及工作原理

利用固体受热膨胀原理制成的温度计

1. 杆式温度计

利用固体（一般采用膨胀系数较大的金属）材料构成

2 2 双金属温度计双金属温度计

它的感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固地结合在一起制成。

可作温度继电控制、极值温度控制信号

固定端

自由端

BBA

A

双金属温度计

三三 .. 压力式温度计压力式温度计（一）工作原理与结构形式1 原理 压力式温度计是利用密封系统中测温物

质的压力随温度变化来测温；2 分类

按所充物质相态分充气式、冲液式、蒸发式

按功能分：指示式、记录式、报警式和温度调节式等

3 组成 温包、毛细管、感压元件（弹簧管、波纹管等）

（二）使用方法与特点对毛细管采取保护措施，防止损坏；注意安装方式与位置对精度的影响。

特点：结构简单，价格便宜，刻度清晰，防爆。精度差，示值滞后时间长，毛细管易损坏。

3-3 3-3 热电偶热电偶

标准热电偶

热电偶

3-3 3-3 热电偶热电偶

一．热电偶的工作原理1 ．热电效应：将两种不同材料的导体或半导体组成一个闭和回路，如果两端点的温度不同，则回路中将产生一定大小的电流，这个电流的大小同材料的性质以及节点温度有关，上述现象称为热电效应。这个现象是 1821 年 Seebeck发现的故又称为塞贝克效应。

BT

AT0

2 ．接触电势：当两种不同的导体接触时，由于两者有不同的电子密度而产生的电势。

B

AAB N

N

e

KTTE ln)( 1

1

B

AAB N

N

e

KTTE ln)( 0

0 一

一一 一一一

一 一一 一一

一一一

一一一 一

+

-

电子密度大

电子密度小

接触电动势

珀尔贴电势

A

B

波尔滋曼常数

1

0101 ),(

T

T AA dTTTE

1

0101 ),(

T

T BB dTTTE

——A ， B 材料的汤姆逊系数A B

一 一一

+

-

高温

低温

温差电动势汤姆逊温差电势

3. 温差电势（汤姆逊温差电势）

如果 T0=const. ，则 EAB=f(T1)

热电偶回路中总热电势

B

EAB （ T1

）EAB （ T0

）

EA （ T1 ， T0

）

EB （ T1 ， T0

）

A

),()(),()(),( 10001101 TTETETTETETTE ABABABAB

),()(),()( 010011 TTETETTETE AABBAB

二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律利用热电偶来检测温度，必须引入变换

器和显示器。

A B

T1

T0

（一）热电偶均质导体定律 :

由同一均质导体（电子密度处处相等）组成的闭合回路中， 不论导体的截面、长度以及温度分布如何，均不产生热电势。

检验热电偶丝的均匀性

二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律

二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 （二）中间导体定律 : 在热电偶回路中接入第三导体，只要与第三种导体相连接的两端温度相同，接入第三种导体后，对热电偶回路中的总热电势没有影响。

),(),( 00 TTETTE ABCAB

0 0 0 00 0

0 0

0 0 0 0 00

0 0 0

( ) ( )( ) ( ) ln ln

( ) ( )

( ) ( ) ( )ln ln ( )

( ) ( ) ( )

B CBC CA

C A

B C BBA

C A A

kT N T kT N TE T E T

e N T e N T

kT N T N T kT N TE T

e N T N T e N T

0 0 0 0( ) ( , ) ( ) ( ) ( , )AB B BC CA AE T E T T E T E T E T T

T0

TT0

A

cB

0 0 0( ) ( , ) ( ) ( , )AB B BA AE T E T T E T E T T

0( , )ABE T T

思考题思考题

A

BC

D

E

FT1

T1

T1

T1

T2

T2

六种不同的导体组成如图回路，写出回路中总的热电势。

2 1( , )BDE T T

二、热电偶的基本定律二、热电偶的基本定律 （三）热电偶的中间温度定律 :

热电偶在两接点温度为 T、 T0 时的热电势等于该热电偶在两接点温度分别为 T、TN和TN、 T0 时相应热电势的代数和。

),(),(),( 00 TTETTETTE NABNABAB

T T0TN

A

BB

A

结论（ 1 ）已知热电偶在某一冷端温度下进行分度，只要引入适当的修正就可在另一冷端温度下使用。

热电偶分度表中冷端温度为 0℃ ，在实际测量中若热电偶的冷端温度为 20℃ ，则可应用中间温度定律进行计算。

)0,20()20,()0,( ABABAB ETETE

mV811.0143.0668.0)0,25()25,()0,( sss etete

举例：用铂铑 10—铂热电偶测温，冷端温度为 25℃ ，输出电势为 0.668mV，试求被测对象的温度。查表得被测温度为 122℃ 。

（（ 22 ）补偿导线）补偿导线

锅炉mVT

T0

T0

T0 ’

T0 ’

贵

锅炉mVT

T0 ’

T0 ’

T0

T0

参考点温度不易保证

A

B

如果在 T0~T0 ’ 范围内，某对廉价导线的热电性能与贵金属热电偶相同，则可以用这对导线代替从 T0’ 点到 T0点一段的热电偶线，而不影响热电偶的热电势值，同时降低热电偶测量成本。

补偿导线补偿导线

锅炉mVT

T0 ’

T0 ’

T0

T0

将热电偶全用补偿导线代替行吗？

补偿导线补偿导线性能 在一定温度范围和误差范围内与热

电偶的热电性能相同作用 使热电偶冷端远离热源注意

– 两个接点温度不能超过规定温度– 两个接点温度应当相同。否则，由于热电偶

与补偿导线的热电特性并不完全相同，可能会引起较大的测量误差。

– 正负极不能接反

三、热电偶的种类及结构形式三、热电偶的种类及结构形式（一）种类：国际电工委员会（ ICE ）对热电偶公认性能比较好的材料制定了统一的标准，ICE推荐的标准化热电偶 7 种。名称 分 度

号名称 分 度

号名称 分 度

号铂铑 10-铂 S 铜 -康铜 T 镍铬 - 镍

硅K

铂铑 30-铂铑 6

B 镍铬 - 康铜

E    

铂铑 13-铂 R 铁 -康铜 J    

三、热电偶的种类及结构形式三、热电偶的种类及结构形式

（二）热电偶的结构类型（二）热电偶的结构类型

1. 普通工业热电偶结构：热电极，绝缘套管，接线盒，保护套管

1.1. 普通工业热电偶普通工业热电偶

2.2. 铠装热电偶铠装热电偶

结构：热电极，绝缘材料，保护套管

特点：测量端热容量小，动态响应快，机械强度高，挠性好，耐高压，耐振动，寿命长，适用各种工业测量。

铠装热电偶

3.3. 小惯性热电偶小惯性热电偶特点：响应快，时间常数小，可作温度变

化的动态测量。

表面表面温度温度热电偶热电偶

表面温度热电偶表面温度热电偶

四、热电偶冷端温度的补偿方法四、热电偶冷端温度的补偿方法

1. 冰点法精度高多用于实验室

工业用冷端恒温器

冰瓶的制作冰瓶的制作冰呈屑状，试管较细，插入较深，底部

装变压器油或者水银

2.2. 计算补偿法计算补偿法

原理

),(),(),( 00 TTETTETTE NABNABAB

T T0TN

A

BB

A

例用镍铬 -镍硅热电偶测温，冷端 Tn=25℃，EAB(T， Tn)=40.347mV ，求被测对象的实际温度。

由分度表知： EAB(25 ℃ ， 0 )=1mV℃ EAB(T， 0 )=40.347+1.00mV℃ ＝ 41.347mV

由分度表知， T＝ 1002 ℃

3.3. 校正仪表机械零点法校正仪表机械零点法

当热电偶与动圈仪表配套使用时，如果冷端相对恒定，测量精度要求不高，可将仪表的机械零点调到热电偶冷端温度Tn，这就相当于在输入电势之前，就有一个补偿电势 EAB(Tn， 0 )℃ ，则

( , ) ( ,0) ( ,0)AB N AB N ABE T T E T E T

4.4. 补偿电桥补偿电桥法法

利用电桥不平衡原理，桥臂热电阻随温度变化，产生补偿电压 V

),(),(),( 00 TTETTETTE NABABNAB

),(),( 0TTEVTTE ABNAB

),( 0TTEV NAB

具体实现方法具体实现方法 R1=R2=R3=1Ω

与温度无关 热电阻 20℃， RCU= 1Ω ， Vab=0 ；环境不等于 20 ℃，电桥失去平衡，产生电势 Vab与 E(Tn,T0)相等，叠加补偿

电桥又叫毫伏发生器 使用时，注意零点是 20 ℃

五、热电偶误差及校验五、热电偶误差及校验（一）热电偶测量误差1. 热电偶分度误差2. 补偿导线与热电偶的热电特性不完全相

同带来的误差3.冷端温度变化引起的误差4. 热电极变质产生的误差5.绝缘不良引起的误差6. 二次仪表的基本误差

（二）热电偶的校验（二）热电偶的校验 热电偶出厂使用一段时间后，或热电偶重新焊

制后，应进行校验 高于 300℃热电偶的校验原理与方法

3-43-4 电阻电阻温度温度计温度温度计

热电 阻测温原理

热电 阻的类型

热电 阻测温电路

三种测温方法比较

本节主要内容

一、热电阻测温原理一、热电阻测温原理

对于一个给定电阻，其电阻值是温度的单值函数，因而可以通过测量电阻值来推算温度。 T

Rt

铂电阻

热敏电阻

电阻温度系数：电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变在某一温度间隔内，温度变化化 1℃1℃ 时的电阻相对变化量，单位为时的电阻相对变化量，单位为 1/ ℃1/ ℃。。

平均电阻温度系数dt

dR

Rt

0

1

tR

R

t

0

金属导体电阻温度系数一般为正值 纯金属一般为 0.38~0.68% ，金属纯度越高，其电阻温度系数越大

半导体材料的电阻温度系数一般为负值

一、热电阻测温原理一、热电阻测温原理

电阻比：W（ 100 ） =

金属导体纯度越高，电阻比越大。

0

100

R

R

金属与半导体作为测温元件要具备的条件金属与半导体作为测温元件要具备的条件

电阻温度系数 α 应大复现性要好电阻率大价格便宜，工艺性好

一、热电阻测温原理一、热电阻测温原理

二、热电阻的类型二、热电阻的类型

金属热电阻 铂热电阻 铜热电阻 镍热电阻半导体热敏电阻

1 1 铂热电阻铂热电阻特点：准确度高，稳定性好、性能可靠、

有较高电阻率，广泛应用于基准、标准化仪器中，是目前测温复现性最好的一种。

使用范围： -200～ 850℃ ，在 90 年国际温标中规定平衡氢三相点 13.8k 到银凝固点961.78℃ 标准仪器应用铂电阻。

电阻纯度：W（ 100 ） = 1.3850

规格型号： Pt100 、 Pt10 、 Pt1000 。

结构：电阻丝、绝缘管、保护套管、接线盒

1 1 铂热电阻铂热电阻

铂电阻

2 2 铜热电阻铜热电阻特点：线性度高、电阻温度系数高、价

格便宜、电阻率低、易氧化。使用范围： -50～ 180℃ 。

002.0428.1)100( W

)1(0 tRRt 电阻值与温度关系

标准化热电阻 Cu50, Cu100

33 、半导体热敏电阻、半导体热敏电阻随着温度的增高阻值降低，具有负的温

度系数，测温范围 -40～ 350℃ 。电阻值随温度按指数曲线变化，

)]11

(exp[0

0 TTBRRt

T

Rt

热敏电阻

与金属热电阻比较：① 电阻温度系数大，热敏电阻的电阻温

度系数约为 -（ 3～ 6 ）%，金属热电阻约为 0.4～ 0.6%。

② 电阻率大，可将电阻作的很大而体积很小，电阻阻值大，连接导线所用的电阻可忽略不计。

③结构简单，体积小，可用于测量点温度

④热惯性小⑤工艺和互换性差。

NSP 功率型 NTC 热敏电阻器

CWF 型 NTC 精密温度传感器

MF11型 NTC 热敏电阻器

温度传感器

44 、热电阻的分类、热电阻的分类

(1) 、普通型热电阻 (2) 、铠装热电阻（ 3 ）薄膜铂热电阻（ 4 ）厚膜铂热电阻

三、热电阻测温电路三、热电阻测温电路

分类： 平衡电桥 二线制 不平衡电桥 三线制 四线制

平衡电桥二线法平衡电桥二线法

电源电压和稳定性一般不影响测量结果如果不计 RW 随温度的变化，Rt 与 RH 触点位置成线性关系连接导线的电阻随温度变化引起测量误差

1 平衡电桥

G

R1 R2

R3

RW2RW1

Rt

a

b

c

d

R0

RH1

RH2

平衡电桥三线法平衡电桥三线法

电源电压和稳定性一般不影响测量结果连接导线的电阻随温度变化引起测量误差被削弱

//

/)(

21222311

2231121

HWWHt

WHHWt

RRRRRRRRR

RRRRRRRR

）（）（）（

RW2RW1

Rt

d

G

R1 R2

R3

ab

c

R0

RH1

RH2

不平衡电桥法不平衡电桥法I

)(IfRt

连续自动显示，结构简单，价格便宜Rt 与 I成非线性关系电源电压的稳定性对测量结果有影响，应该使用稳压电源连接导线电阻随温度变化会引起测量误差，三线接法可以削弱

RW2RW1

Rt

d

I

R1 R2

R3

a b

c

二线制

三线制

数字表法（四线接法）数字表法（四线接法）

V

→

I

Rt=V/I

高精度恒流源电压表回路中无电

流，热电阻两端电压不受影响

自热→电流很小 电流不大于 6mA ，高精度电流源不大于 1mA ，热敏电阻不大于100A 。

四、三种测温方法的比较四、三种测温方法的比较

大类 小类 适用温域 允差液体膨胀 水银 -80~600 0.5~5

有机液体 -200~200 1~4

热电阻 铂电阻 -200~850 0.001~5

热敏电阻 -50~350 0.3~5

铜 -康铜热电偶（ T型）

I型 -40~350 0.5 或0.4%

三种测温方法适用场合三种测温方法适用场合铜 -康铜（ T型）热电偶 一般精度，要求

动态特性较好或者要求对原温度场影响较小的场合。可以自动记录测量结果。测头布置方便。多用于实验室测量。

铂热电阻 稳态或者温度变化速度不大，要求高精度测量的场合。可自动记录测量结果。

热敏电阻 稳态或者温度变化速度不大，要求精度不高。多用于工业测量。

玻璃液体温度计 稳态，测量精度不高。不能自动记录测量结果，因而不能用于测量频度过快的场合。测头布置受到限制。

33－－ 5 5 温度计的选择与安装温度计的选择与安装

一、温度计的选择 满足精度要求 >价钱适中 >记录方便、操作简单

二、温度传感器的安装 1. 测点的布置，避免死区 2. 有良好的换热条件 3.减少传感器与周围物体的散热 4.便于维修