第六章：温度测试技术讲义

世界各国根据国际温标规定建立自己国家的标准，并定期和国际标 准相对比，以保证其精度和可靠性。我国的国家温度标准保存在中国计 量科学院。各省(直辖市、自治区)市县计量部门的温度标准定期进行下 级与上一级标准对比(修正)、标定，据此进行温度标准的传递，从而保 证温度标准的准确与统一。
6.2 测温方法分类及其特点
1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水 银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温 度为温度计的100度，把水银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距 离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1℉”。按照华氏温标，则水 的冰点为32℉，沸点为212℉。 (2)摄氏温标 1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定 为0度，水的沸点规定为100度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银 温度计进行分度。两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。记作1℃。 摄氏温度和华氏温度的关系为 T ℉ = t℃ + 32 (6-1) 式中 T——华氏温度值; t——摄氏温度值。
第6章 温度检测技术


6.1 温度与标定 6.2 测温方法分类及其特点 6.3 热膨胀式测温方法 6.4 热阻式测温方法 6.5热电式测温方法 6.6 辐射法测温 6.7 新型温度传感器及其测温技术
温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学 试验中需要经常测 量和控制的主要参数，也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物 理量。通常把长度、时间、质量等基准物理量称作“外延量”，它们可 以叠加，例如把长度相同的两个物体连接起来，其总长度为原来的单个 物体长度的两倍；而温度则不然，它是一种“内涵量”，叠加原理不再 适用，例如把两瓶90℃的水倒在一起。其温度绝不可能增加，更不可能 成为180℃。 从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈 程度的标志，温度高的物体，其内部分子平均动能大；温度低的物体其 内部分子的平均动能亦小。热力学的第零定律指出：具有相同温度的两 个物体，它们必然处于热平衡状态。当两个物体分别与第三个物体处于 热平衡状态，则这两个物体也处于热平衡状态，因而这三个物体将处于 同一温度。据此，如果我们能用可复现的手段建立一系列基准温度值， 就可把其它待测物体的温度和这些基准温度进行比较，得到待测物体的 温度。
玻璃温度计按使用方式又可分全 浸式和局浸式两大类。全浸式即是把玻 璃温度计液柱全部浸没在被测介质中。 此种方式特点是测温准确度高，但读刻 度困难，使用操作不便。局浸式为温度 计液柱部分(固定长度)浸入被测介质中， 部分暴露在空气中。此种方式特点是读 数容易，但测量误差较大，即使采取修 正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或 更多。
又需依据许多高精度、高难度的精确测量；因此直接用气体温度计来统 一国际温标，不仅技术上难度很大、很复杂，而且操作非常繁杂、困难； 因而在各国科技工作者的不懈努力和推动下，导致产生和建立了协议性 的国际实用温标。 4.国际实用温标和国际温标 经国际协议产生的国际实用温标，其指导思想是要它尽可能地接近 热力学温标，复现精度要高，且使用于复现温标的标准温度计，制作较 容易，性能稳定，使用方便，从而使各国均能以很高的准确度复现该温 标，保证国际上温度量值的统一。 第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的国际实用 温标。此后在1948、1960、1968年经多次修订，形成了近20多年各国普 遍采用的国际实用温标称为(IPTS一68)。 1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称 ITS一90。为和IPTS一68温标相区别，用表示ITS一90温标。ITS一90基 本内容为：
需准确知道被测对象表面发射率；被测对 象的辐射能充分照射到检测元件上
测量 范围
原理上测量范围可以从超低温到极高温， 但1000℃以下，测量误差大，能测运动物 体和热容小的物体温度 通常为1.0、1.5、2.5级
精 度Байду номын сангаас
响应 速度 其它 特点
快，通常为2～3秒钟
整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维 护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被 测物体实际温度；可方便地组成多路集中 测量与控制系统
整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻 烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测 物体表现温度(需进一步转换)；不易组成 测温、控温一体化的温度控制装置
各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围如表6-3所示。 表6-3 各种温度检测方法及其测温范围
6.3 热膨胀式测温方法
根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀 (包括液体和固体 膨胀) 式，热阻 (包括金属热电阻和半导体热电阻) 式、热电(包括热电偶 和PN结)式等多种形式。 膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式 和固体膨胀式两类。一般膨胀式温度测量大都在-5℃0～550℃范围内， 用于那些温度测量或控制精度要求较低，不需自动记录的场合。 膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计、 液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。
在实际应用中，为书写方便，通常直接用分别代表和； （3） 规定把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下； ①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计； ②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计； ③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计； ④961.78℃以上，用光学或光电高温计； （4） 新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规 定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。见表6-1所 示。
2.热力学温标 1848年由开尔文(Ketvin)提出的以卡诺循环(Carnot cycle)为基础建立 的热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位 制中七个基本物理单位之一。该温标为了在分度上和摄氏温标相一致， 把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度（是在实验中无法达到 的理论温度，而低于0 K的温度不可能存在）与水的三相点温度分为 273．16份，每份为1 K (Kelvin) 。热力学温度的单位为“K”。
除华氏和摄氏外，还有一些类似经验温标如列氏、兰氏等，这里不 再一一列举。 经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、 下限(如摄氏为0℃、l00℃)。超过了这个温区，摄氏将不能进行温度标 定。另外，经验温标主观地认为其规定的温标具有很大的局限性，很快 就不能适应工业和科技等领域的测温需要。
表6-2 接触式与非接触式测温特点比较
方 式 接 触 式 非 接 触 式
测量 条件
感温元件要与被测对象良好接触；感温元件 的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不 超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不 对感温元件产生腐蚀
特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于l 300℃以上 的温度测量较困难 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级， 实验室用表可达0.01级 慢，通常为几十秒到几分钟
（1） 重申国际实用温标单位仍为K，1 K等于水的三相点时温度值的 1/273.16； （2） 把水的三相点时温度值定义为0.01℃（摄氏度），同时相应把 绝对零度修订为-273.15℃；这样国际摄氏温度 t90 （℃）和国际实用 温度 T90（K）关系为： （6-3）
t90 T90 273.15
3. 绝对气体温标 从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标。由 波义耳定律： PV=RT (6-2) 式中 P——一定质量的气体的压强； V——该气体的体积； R——普适常数； T——热力学温度。 当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数。这样 就有： T2/T1=P2/P1 这种比值关系与开尔文(Ketvin)提出、确定的热力学温标的比值关 系完全类似。因此若选用同一固定点(水的三相点)来作参考点，则两种 温标在数值上将完全相同。 理想气体仅是一种数学模型，实际上并不存在，故只能用真实气体 来制作气体温度计。由于在用气体温度计测量温度时，要对其读数进行 许多修正(诸如真实气体与理想气体之偏差修正，容器的膨胀系数修正，
根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非 接触式两大类。 接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进 行充分的热交换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的 温度必然相等，温度计就可据此测出被测对象的温度。因此，接触式测 温一方面有测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低等优 点，另一方面也存在由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被 测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀 性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。根据测温转换 的原理，接触式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。 非接触式温度测量特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通 过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。因 此，非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上 限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。 两类测温方法的主要特点如表6-2所示。
6.3.2压力温度计
压力温度计是根据一定质量的液体、 气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力 与温度呈确定函数关系的原理实现其测 温功能的。压力温度计的典型结构示意 图如图6-1所示。
图6-1 压力温度计结构示意图
它由充有感温介质的感温包、传递压力元件(毛细管)及压力敏感元 件齿轮或杠杆传动机构、指针和读数盘组成。测温时将其温包置入被测 介质中，温包内的感温介质(为气体或液体或蒸发液体)因被测温度的高 低而导致其体积膨胀或收缩造成压力的增减，压力的变化经毛细管传给 弹簧管使其产生变形，进而通过传动机构带动指针偏转，指示出相应的 温度。 这类压力温度计其毛细管细而长(规格为1—60m)它的作用主要是传 递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细， 则准确度愈高。 压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便， 但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。压力温度计测温范围下限能达100℃以下，上限最高可达600℃，常用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮 机的油、水系统的温度测量。