第五章溫度檢測原理

第五章溫度測量

第一節(jié)溫度測量概述一、溫度與溫標（一）溫度溫度是表征物體冷熱程度的物理量溫度是描述系統(tǒng)不同自由度能量分布狀況的物理量溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量溫度的宏觀概念是建立在熱平衡基礎上的。任意兩個冷熱程度不同的物體相互接觸，它們之間必然會發(fā)生熱交換現象，熱量要從溫度高的物體傳向溫度低的物體，直到兩物體之間的溫度完全一致時，這種熱傳遞現象才能停止。這也就是熱力學第零定律所描述的，系統(tǒng)溫度相等是建立熱平衡的充要條件。溫度的微觀概念表明：物體溫度的高低標志著組成物體的大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度，即對其分子平均動能大小的一種量度。顯然物體的物理化學特性與溫度密切相關。

溫度的測量當兩個物體同處于一個系統(tǒng)中而達到熱平衡時，則它們就具有相同的溫度。因此可以從一個物體的溫度得知另一個物體的溫度，這就是測溫的依據。如果事先已經知道一個物體的某些性質或狀態(tài)隨溫度變化的確定關系，就可以以溫度來量度其性質或狀態(tài)的變化情況，這就是設計與制作溫度計的數學物理基礎。

雖然有不少物體的某些性質或狀態(tài)（如電阻、體積、電勢等）會隨溫度的變化而變化，但并不是所有的物質都可制作成溫度計。選作溫度計的物質，其性質必須滿足以下條件：物質的某一屬性G僅與溫度T有關，即G=G(T)，且必須是單調函數，最好是線性的。隨溫度變化的屬性應是容易測量的，且輸出信號較強，以保證儀表的靈敏度和測量精確度。應有較寬的測量范圍。有較好的復現性和穩(wěn)定性。

（三）溫標

溫標是溫度數值化的標尺。它規(guī)定了溫度的讀數起點和測量溫度的基本單位。各種溫度計的刻度數值均由溫標確定。

1．經驗溫標它是借助于某一種物質的物理量與溫度變化的關系，用實驗方法或經驗公式所確定的溫標。攝氏溫標

攝氏溫標規(guī)定標準大氣壓下純水的冰融點為0度，水沸點為100度，中間等分為100格，每格為攝氏1度，符號為℃。

華氏溫標華氏溫標規(guī)定標準大氣壓下純水的冰融點為32度，水沸點為212度，中間等分180格，每格為華氏1度，符號為℉。它與攝氏溫標的關系為：

類似的經驗溫標還有蘭氏、列氏等經驗溫標的缺點在于它的局限性和隨意性

2．熱力學溫標 熱力學溫標又稱開氏溫標（K）或絕對溫標，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度。它建于熱力學基礎，體現出溫度僅與熱量有關而與測溫物質的任何物理性質無關的理想溫標，已由國際權度大會采納作為國際統(tǒng)一的基本溫標。

熱力學中卡諾定理指出：一個理想的卡諾機，當它工作于溫度為T2的熱源與溫度為T1的冷源之間，它從熱源中吸收的熱量Q2與向冷源中放出的熱量Q1，應遵循以下關系：這就是建立熱力學溫標的物理基礎。如果指定了一個定點溫度數值，就可以通過熱量比求得未知溫度值。

熱力學溫標規(guī)定水在標準大氣壓下的三相點為273.16K，沸點與三相點之間分為100等分，每等分1K，將水的三相點以下273.16K定為絕對零度（0K）。

3．國際溫標為了使用方便，國際上經協(xié)商，決定建立一種既使用方便，又具有一定科學技術水平的溫標，這就是國際溫標的由來。具備的條件：盡可能接近熱力學溫標復現精度高，各國均能以很高的準確度復現同樣的溫標，確保溫度量值的統(tǒng)一用于復現溫標的標準溫度計，使用方便，性能穩(wěn)定

國際實用溫標是用來復現熱力學溫標的，簡稱IPTS-68，它是由1968年國際權度會議通過的。這個溫標經過20多年使用，發(fā)現了一些問題，已無法滿足現代科學發(fā)展對溫度測量的要求。國際計量委員會決定用1990年國際溫標（ITS-90）代替IPTS-68。在1990年國際溫標中指出，熱力學溫標是基本物理量。單位開爾文，符號為K。它規(guī)定水的三相點熱力學溫度為273.16K，定義開爾文一度等于水三相點熱力學溫度的1/273.16。

在ITS-90中同時使用國際開爾文溫度（符號為T90）和國際攝氏溫度（符號為t90），其關系為t90=T90－273.15T90單位為開爾文（K），t90單位為攝氏度（℃）。這里所說的攝氏度符合國際實用溫標（ITS-90）的規(guī)定。

ITS-90的一些規(guī)定如下：由0.65K到4He臨界點（~5.2K）溫度范圍為一溫度段，在此溫度段內用3He和4He周期壓力與溫度的關系來確定溫度。由4He沸點（~4.2K）到氖三相點（~24.6K）溫度范圍內，T90的確定采用在三個規(guī)定溫度點分度過的3He或4He氣體溫度計內插。這三個點分別是氖三相點（~24.6K）、平衡氫三相點（~13.8K）和4He正常沸點（~4.2K）。由平衡氫三相點（~13.8K）到銀凝固點（~962℃），這個溫度段內，標準儀器應用鉑電阻溫度計。銀凝固點（~962℃）以上溫度區(qū)間采用普朗克定律外推。二、溫度標準的傳遞

與國際實用溫標有關的基準儀器均由國家指定機構（我國由中國計量科學研究所）保存，并通過下級計量機構（如省、市級的技術監(jiān)督局）進行傳遞，通常采用較高級對較低級進行校驗。

三、溫度測量方法及測量儀表的分類溫度不能直接測量，而是借助于物質的某些物理特性是溫度的函數，通過對某些物理特性變化量的測量間接地獲得溫度值。根據溫度測量儀表地使用方式，通常可分類為接觸法與非接觸法兩大類。

1.接觸法當兩個物體接觸后，經過足夠長的時間達到熱平衡后，則它們的溫度必然相等。如果其中之一為溫度計，就可以用它對另一個物體實現溫度測量，這種測溫方式稱為接觸法。特點：溫度計要與被測物體有良好地熱接觸，使兩者達到熱平衡。2.非接觸法利用物體的熱輻射能隨溫度變化的原理測定物體溫度，這種測溫方式稱為非接觸法。特點：不與被測物體接觸，也不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小。通常用來測定1000℃以上的移動、旋轉或反應迅速的高溫物體的溫度。按工作原理來劃分，也根據溫度范圍（高溫、中溫、低溫等）或儀表精度（基準、標準等）來劃分。3.測量儀表的分類接觸式測溫法是使感溫元件直接與被測物體或直接與被測介質接觸，感受被測物體或被測介質的溫度變化。膨脹式、壓力式、熱電阻與熱電偶溫度計非接觸式測溫儀表是采用感溫元件與被測物體不直接接觸的方法來測量溫度。在高溫范圍內，用直接接觸測溫法非常困難，可采用非接觸式測溫法，利用物體的熱輻射特性對物體的溫度進行非接觸式測量。光學高溫計、比色高溫計、輻射高溫計型式溫度計種類優(yōu)點缺點使用范圍／℃玻璃液體溫度計結構簡單、使用方便、測量準確、價格低廉容易破損、讀數麻煩、一般只能現場指示，不能記錄與遠傳～100～100(150)有機液體O～350(一30～650)水銀接雙金屬溫度計結構簡單、機械強度大、價格低、能記錄、報警與自控精度低、不能離開測量點測量，量程與使用范圍均有限0～300，-50～600)觸式壓力式溫度計結構簡單、不怕震動、具有防爆性、價格低廉、能記錄、報警與自控精度低、測量距離較遠時。儀表的滯后性較大、一般離開測量點不超過10米O～500(-50～600)液體型0～100(-50～200)蒸汽型溫度電阻溫度計測羹精度高，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制結構復雜、不能測量高溫，由于體積大，測點溫度較困難一150～500(一200600)鉑電阻Onl00(一50～150)銅電阻～50～150(180)鎳電阻～100～200(300)熱敏電阻計熱電偶溫度計測溫范圍廣，精度高，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制需冷端溫度補償，在低溫段測量精度較低一20～1300(1600)鉑銠10一鉑一50～1000(1200)鎳鉻一鎳硅一40～800(900)鎳鉻一銅鎳一40～300(350)銅一銅鎳非接觸光學高溫計攜帶用、可測量高溫、測溫時不破壞被測物體溫度場測量時，必須經過人工調整，有人為誤差，不能作遠距離測量，記錄和自控900～2000(700～2000)式溫度計輻射高溫計測溫元件不破壞被測物體溫度場，能作遠距離測量、報警和自控、測溫范圍廣只能測高溫，低溫段測量不準，環(huán)境條件會影響測量精度，連續(xù)測高溫時須作水冷卻或氣冷卻100～2000(50～2000)第二節(jié)膨脹式溫度計膨脹式溫度計是利用物體受熱膨脹的原理制成的溫度計，主要有液體膨脹式溫度計、固體膨脹式溫度計和壓力式溫度計三種。一、液體膨脹式溫度計1.測溫原理2.主要特點3.分類4.測溫誤差分析二、固體膨脹式溫度計

它是利用兩種線膨脹系數不同的材料制成，有桿式和雙金屬片式兩種。雙金屬溫度計

感溫元件是用兩片線膨脹系數不同的金屬片疊焊在一起而制成的三、壓力式溫度計它是利用密閉容積內工作介質隨溫度升高而壓力升高的性質，通過對工作介質的壓力測量來判斷溫度值的一種機械式儀表。工作介質是氣體、液體或蒸氣簡單可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性動態(tài)性能差，示值的滯后較大，不能測量迅速變化的溫度第三節(jié)熱電偶溫度計

熱電偶是目前世界上科研和生產中應用最普遍、最廣泛的溫度測量元件。它將溫度信號轉換成電勢（mV）信號，配以測量毫伏的儀表或變送器可以實現溫度的測量或溫度信號的轉換。具有結構簡單、制作方便、測量范圍寬、準確度高、性能穩(wěn)定、復現性好、體積小、響應時間短等各種優(yōu)點。它既可以用于流體溫度測量，也可以用于固體溫度測量。既可以測量靜態(tài)溫度，也能測量動態(tài)溫度。并且直接輸出直流電壓信號，便于測量、信號傳輸、自動記錄和控制等。鎧裝熱電偶圖型

WRTK2-434/ⅡΦ8*1000mm

鎧裝固定卡套法蘭熱電偶

WRSK-143/ⅡΦ6*1000mmGh3030

鎧裝防爆熱電偶

WRNK-332/ⅠΦ4*1000mmGh2520

鎧裝可動卡套螺紋熱電偶一、熱電偶的測溫原理

兩種不同的導體（或半導體）A和B組成閉合回路，如下圖所示。當A和B相接的兩個接點溫度T和T0不同時，則在回路中就會產生一個電勢，這種現象叫做熱電效應。由此效應所產生的電勢，通常稱為熱電勢，用符號EAB（T，T0）表示。BATT0參考端冷端工作端熱端

圖中的閉合回路稱為熱電偶，導體A和B稱為熱電偶的熱電極。熱電偶的兩個接點中，置于被測介質（溫度為T）中的接點稱為工作端或熱端，溫度為參考溫度T0的一端稱為參考端或冷端。熱電偶產生的熱電勢由兩部分組成：接觸電勢和溫差電勢。1．接觸電勢接觸電勢用EAB(T)表示，其數值可用下式表示式中e——單位電荷，4.802X10-10靜電單位；K——波爾茲曼常數，K=1.38×10-23J/K；NA(T)、NB(T)——材料A、B在溫度為T時的自由電子密度；T——A、B接觸點的溫度，K。從理論上可以證明該接觸電勢的大小和方向主要取決于兩種材料的性質（電子密度）和接觸面溫度的高低。溫度越高，接觸電勢越大；兩種導體電子密度比值越大，接觸電勢也越大。2．溫差電勢溫差電勢可表示為

式中符號同前式。3．熱電偶閉合回路的總熱電勢

對于由A和B兩種導體組成的熱電偶閉合回路，設兩端溫度接點溫度分別為T和T0，且T>T0，NA>NB；那么回路中存在兩個接觸電勢EAB(T)和EAB(T0)，兩個溫差電勢EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的總熱電勢為

進行推導整理后，可得對于確定的材料A和B，NA和NB與T的關系已知，則上式可簡寫成下面的形式EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)如果冷端溫度T0保持恒定，這個熱電勢就是熱端溫度T的單值函數，即

EAB(T,T0)=f(T)－C

兩個熱電極熱電偶接點從以上式子可以得到如下結論：熱電偶回路熱電勢的大小只與組成熱電偶的材料和材料兩端連接點所處的溫度有關，與熱電偶絲的直徑、長度及沿程溫度分布無關。只有用兩種不同性質的材料才能組成熱電偶，相同材料組成的閉合回路不會產生熱電勢。熱電偶的兩個熱電極材料確定之后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端接點的溫度有關。如果T0已知且恒定，則f（T0）為常數，回路總熱電勢EAB（T，T0）只是溫度T的單值函數。工程上所使用的各種類型的熱電偶均把E(t)和t的關系制成易于查找的表格形式，這種表格稱為熱電偶的分度表。二、熱電偶的基本定律1．均質導體定律由一種均質導體組成的閉合回路中，不論其截面和長度如何以及沿長度方向上各處的溫度分布如何，都不能產生熱電勢。反之，如果回路中有熱電勢存在則材料必為非均質的。

這條規(guī)律還要求熱電偶的兩種材料必須各自都是均質的，否則會由于沿熱電偶長度方向存在溫度梯度而產生附加電勢，從而因熱電偶材料不均勻性引入誤差。2．中間導體定律在熱電偶回路中接入第三種導體，只要第三種導體兩端溫度相同，該導體的引入對熱電偶回路的總電勢沒有影響。同理，熱電偶回路中接入多種導體后，只要保證接入的每種導體的兩端溫度相同，則對熱電偶的熱電勢沒有影響。

該定律表明熱電偶回路中可接入各種儀表或連接導線。只要儀表或導線處于穩(wěn)定的環(huán)境溫度，原熱電偶回路的熱電勢將不受接入儀表或導線的影響。該定律還表明熱電偶的接點不僅可以焊接而成，也可以借助均質等溫的導體加以連接。3．中間溫度定律熱電偶回路中，兩接點溫度分別為T、T0時的熱電勢，等于接點溫度為T、TN和TN、T0的兩支同性質熱電偶的熱電勢的代數和。

EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0)該定律說明當熱電偶參比端溫度t0≠0℃時，只要能測得熱電勢E(t,t0)，且t0已知，仍可以采用熱電偶分度表求得被測溫度t值。4.連接導體定律在熱電偶回路中，如果熱電偶的電極材料A和B分別與連接導體A’和B’相連接，各有關接點溫度為t，tn和t0，那么回路的總熱電勢等于熱電偶兩端處于t和tn溫度條件下的熱電勢EAB(t,tn)與連接導線A’和B’兩端處于tn和t0溫度條件下的熱電勢EA’B’(tn,t0)的代數和。EABB’A’(t,tn,t0)=EAB(t,tn)+EA’B’(tn,t0)中間溫度定律和連接導體定律是工業(yè)熱電偶測溫中應用補償導線的理論依據。1.熱電偶分度號測量端溫度(℃)參考端溫度(℃)熱電勢(mV)S13000B14008.914K3034.111T-145-5.324E80535J5651513.155158502059.30430.3062.用熱電偶測量金屬壁面溫度有兩種方案，如下圖所示，當熱電偶具有相同的參考端溫度t0時，問在壁溫相等的兩種情況下，儀表的示值是否一樣？為什么？3.用兩支分度號為K的熱電偶測量A區(qū)和B區(qū)的溫差，連接回路如右圖所示。當熱電偶參考端溫度t0為0℃時，儀表指示200℃。問在參考端溫度上升25℃時，儀表的指示值為多少？為什么？三、常用熱電偶的材料、結構和分類

1．熱電偶的材料

雖然任意兩種導體或半導體材料都可以配對制成熱電偶，但是作為實用的測溫元件，對它的要求卻是多方面的。（1）兩種材料所組成的熱電偶應輸出較大的熱電勢，以得到較高的靈敏度，且要求熱電勢和溫度之間盡可能呈線性的函數關系。

（2）能應用于較寬的溫度范圍，物理化學性能、熱電特性都較穩(wěn)定。即要求有較好的耐熱性、抗氧性、抗還原、抗腐蝕等性能。（3）要求熱電偶材料有高導電率和低電阻溫度系數。（4）具有較好的工藝性能，便于成批生產。具有滿意的復現性，便于采用統(tǒng)一的分度表。2.熱電偶結構（1）熱電極（2）絕緣套管（3）保護套管（4）接線盒2.標準化熱電偶（1）廉金屬熱電偶1）T型（銅－康銅）熱電偶2）K型（鎳鉻－鎳鋁或鎳硅）熱電偶3）E型（鎳鉻－康銅）熱電偶4）J型（鐵－康銅）熱電偶（2）貴金屬熱電偶

1）S型（鉑銠10－鉑）熱電偶2）R型（鉑銠13－鉑）熱電偶3）B型（鉑銠30－鉑銠6）熱電偶3.非標準化熱電偶

（1）鎢－錸系熱電偶（2）鎢－銥系熱電偶（3）其他非標準化熱電偶四、熱電偶測溫系統(tǒng)

熱電偶測溫系統(tǒng)是由熱電偶、補償導線、測量儀表及相應的電路構成的。（一）熱電偶參考端的溫度處理1.補償導線法原理：在一定溫度范圍內，與配用熱電偶的熱電特性相同的一對帶有絕緣層的廉金屬導線為補償導線。補償導線補償導線回路總熱電勢為E=EAB(T,T0’)+EA’B’(T0’,T0)E=EAB(T,T0)EAB(T0’,T0)=EA’B’(T0’,T0)常用補償導線的結構分為普通型和帶屏蔽層型兩種按照補償原理分為補償型及延伸型兩種補償導線按使用溫度可分為一般用（0～100℃）和耐熱用（0～200℃）2.計算修正法

當用補償導線把熱電偶的冷端延長到某一溫度T0處（通常是環(huán)境溫度），然后再對冷端溫度進行修正。3.冷端恒溫法（1）把冷端引至冰點槽內，維持冷端始終為0℃，但使用起來不大方便。（2）把冷端用補償導線引至電加熱的恒溫器內4.補償電橋法

補償電橋法是在熱電偶測溫系統(tǒng)中串聯(lián)一個不平衡電橋，此電橋輸出的電壓隨熱電偶冷端溫度變化而變化，從而修正熱電偶冷端溫度波動引入的誤差。（二）熱電偶的檢定和誤差分析1.熱電偶的檢定為了保證熱電偶的測量精度，必須定期進行檢定。熱電偶的檢定方法有兩種，比較法和定點法。用被校熱電偶和標準熱電偶同時測量同一對象的溫度，然后比較兩者示值，以確定被檢電偶的基本誤差等質量指標，這種方法稱為比較法。2.熱電偶測溫誤差分析（1）分度誤差：指檢定時產生的誤差，其值不得超過允許誤差。（2）冷端溫度引起的誤差（3）補償導線的誤差：它是由于補償導線的熱電特性與所配熱電偶不完全相同所造成的（4）熱交換所引起的誤差（5）測量線路和顯示儀表的誤差（6）其他誤差（三）熱電偶的使用與安裝1.使用注意事項2.安裝原則第三節(jié)電阻溫度計

WZP2-240/A級3線300/150mmE(0-300℃)隔爆熱電阻WZC-111/Φ12*1000mmCu50銅熱電阻WZPK2-103/B級Φ6*515mm(0-300℃)鉑熱電阻

導體或半導體的電阻率與溫度有關，利用此特性制成電阻溫度感溫件，它與測量電阻阻值的儀表配套組成電阻溫度計。

優(yōu)點：測溫準確度高，信號便于傳送。

缺點：不能測太高的溫度，需外部電源供電，連接導線的電阻易受環(huán)境溫度影響而產生測量誤差。一、熱電阻的特性熱電阻是用金屬導體或半導體材料制成的感溫元件。鉑熱電阻和銅熱電阻屬國際電工委員會推薦的，也是我國國標化的熱電阻。

電阻溫度系數：在某一溫度間隔內，溫度變化1℃時的電阻相對變化量，單位為1/℃。

大多數金屬熱電阻隨其溫度升高而增加，當溫度升高1℃時，其阻值約增加0.4%~0.6%，稱具有正的電阻溫度系數。電阻值Rt與溫度t（℃）的關系可表示為Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3）式中Rt——溫度為t℃時金屬導體的電阻；R0——溫度為0℃時金屬導體的電阻；A、B、C——與金屬材料有關的常數。

大多數半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，當溫度升高1℃時，其阻值約減小3%~6%，稱具有負的電阻溫度系數。電阻值RT與熱力學溫度T（K）的關系可表示為RT=RT0·exp[B(1/T)－B(1/T0)]式中，RT0——熱力學溫度T0（K）時的電阻值；B——與半導體材料有關的常數。

雖然大多數金屬和半導體的電阻與溫度之間都存在著一定的關系，但并不是所有的金屬或半導體都能做成電阻溫度計。用于測溫的熱電阻（或熱敏電阻）應滿足以下要求：（1）電阻溫度系數要大，以得到高敏感度；（2）在測溫范圍內化學與物理性能要穩(wěn)定；

（3）復現性要好；（4）電阻率要大，以得到小體積的元件，進而保證熱容量和熱慣性小，使得對溫度變化的響應比較快；（5）電阻溫度特性盡可能接近線性，以便于分度和讀數；（6）價格相對低廉。

目前已被采用的電阻溫度計具有如下特點：（1）在中低溫范圍內其精確度高于熱電偶溫度計；（2）靈敏度高，當溫度升高1℃時，大多數熱電阻的阻值增加0.4%~0.6%，半導體材料的阻值降低3%~6%；（3）熱電阻感溫部分體積比熱電偶的熱接點大得多，因此不宜測量點溫度與動態(tài)溫度，半導體熱敏電阻雖然體積較小，但其穩(wěn)定性和復現性卻較差。

熱電阻的電阻值與溫度的關系特性有三種表示方法：

作圖法函數表示法列表法二、常用熱電阻元件

1．鉑熱電阻特點：精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠。在氧化性的氣氛中，甚至在高溫下的物理化學性質都非常穩(wěn)定。它易于提純，復現性好，有良好的工藝性，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔。與其他熱電阻材料相比，有較高的電阻率。缺點：電阻溫度系數較小，在還原性氣氛中，特別是在高溫下易被沾污變脆，價格較貴。

在－200℃~0℃范圍內，鉑的電阻溫度關系為Rt=R0[1+At+Bt2+C(t－100)t3]在0~650℃范圍內，其關系