第三章 温度的测量

第三章温度的测量•第一节温标及其传递一、温标经验温标为了确定地描述温度的数值，通常以两个特征温度为基准点建立温标。

早期温标大多基于经验公式或人为地规定，由一定的实验方法确定，称为经验温标。

华氏温标德国科学家华伦海特（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为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，根据温度计的体膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作1F。

按照华氏温标，则水的冰点为32F，沸点为212F。

国际温标国际温标是用来复现热力学温标的，其指导思想是采用气体温度计测出一系列标准固定温度（相平衡点），以它们为依据在固定点中间规定传递的仪器及温度值的内插公式。

第一各国际温标制定于1927年，此后随着社会生产和科学技术的进步，温标的探索也在不断地进展，1989年7月国际计量委员会批准了新的国际温标，简称ITS-90。

我国于1994年元旦起全面推行ITS-90新温标。

ITS-90同时定义国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90）。

水三相点热力学温度为273.16K，摄氏度与开尔文温度保留原有简单的关系式：t90=T90-273.15℃。

二、温度量值的传递对温度计的标定有标准值法和标准表法两种方法。

标准值法用适当的方法建立一系列国际温标定义的固定温度点作标准值，把被标定温度计或传感器依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值（或传感器的输出），并根据国际温标规定的内插公式对温度计或传感器的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定，被标定后的温度计可作为标准温度计来测量。

标准表法把被标定温度计（或传感器）与已被标定的更高一级精度的温度计（或传感器）紧靠在一起，同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选定的若干个温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经过多次升降温度的重复测试，若这些差值稳定，则记录的差值就可用作被标定温度计的修正量。

世界各国根据国际温标规定建立自己的标准，并定期和国际标准相比较，以保证其精度和可靠性。

三、温度传感器的种类温度传感器基本测量方法可分为接触式和非接触式两大类：接触式是温度测量的基本形式，即传感器直接置于与物体相同的热平衡状态中进行温度测量。

测量过程中被测物体的热量将传递给传感器，降低了被测物体的温度，因而在被测物体热容量较小时，测量精度较低。

接触式检测物体真实温度的前提条件是被测物体的热容量应远远大于温度传感器。

接触式温度传感器有膨胀式温控开关，有热电偶、热敏电阻以及铂热电阻等。

非接触式是通过检测物体辐射热来测量物体的温度，有利用半导体吸收光而使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器。

非接触式传感器广泛用于辐射温度计、报警装置、来客告知器、火灾报警器、自动门、气体分析仪、分光光度计、资源探测等。

•第二节常用温度传感器膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。

一、膨胀式温度传感器（一）液体膨胀式1. 测温原理2. 主要特点3. 分类（二）固体膨胀式它是利用两种线膨胀系数不同的材料制成，有杆式和双金属片式两种。

（三）压力式温度计是利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。

•工作介质是气体、液体或蒸气•简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性•动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度附加误差1）温包浸入深度的影响2）环境温度的影响3）大气压力的影响4）液柱高度的影响液体压力式温度计气体压力式温度计蒸汽压力式温度计水银、二甲苯、乙醇、甘油氮气，低温充氢气，下限可达-120℃热电偶的特点：z 结构简单z 制作方便z 测量范围宽z 准确度高z 性能稳定z 复现性好z响应时间短二、热电偶温度传感器铠装热电偶图型WRTK2-434/ⅡΦ8*1000mm铠装固定卡套法兰热电偶WRSK-143/ⅡΦ6*1000mm Gh3030铠装防爆热电偶WRNK-332/ⅠΦ4*1000mm Gh2520铠装可动卡套螺纹热电偶大。

0从以上式子可以得到如下结论：热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。

只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。

热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。

如果T0已知且恒定，则f（T0）为常数，回路总热电势EAB（T，T）只是温度T的单值函数。

工程上所使用的各种类型的热电偶均把E(t)和t的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。

（二）热电偶的基本定律1．均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。

反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。

2．中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，该导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响。

结论：该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。

只要仪表或导线处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。

3．中间温度定律（连接导体定律）热电偶回路中，两接点温度分别为t 、t 0时的热电势，等于接点温度为t 、t n 和t n 、t 0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。

E AB (t,t 0)=E AB (t,t n )+E AB (t n ,t 0)E ABB’A’(t,t n ,t 0)= E AB (t,t n )+ E A’B’(t n ,t 0)表明：1、当热电偶参比端（冷端）温度不等于0℃时E AB (t, 0)=E AB (t,t n )+E AB (t n , 0)2、应用补偿导线的理论依据。

（三）热电偶的种类1. 标准化热电偶（1）廉价金属热电偶正极TP 负极TN 1）T型（铜－康铜）2）K型（镍铬－镍铝或镍硅）3）E型（镍铬－康铜）4）J型（铁－康铜）5）N型（镍铬硅-镍硅）（2）贵金属热电偶1）S型（铂铑10－铂）热电偶2）R型（铂铑13－铂）热电偶3）B型（铂铑30－铂铑6）热电偶3.热电偶的封装形式金属套管热电偶热电偶使用时，双金属线要安装在用绝缘管进行电气隔离的保护套管里使用。

铠装热电偶薄膜热电偶热电偶的结构应能满足以下要求：(1)两电极间电气绝缘；(2)保护热电极不受环境中有害物质侵害；(3)保证测量端与被测对象有良好的热接触；(4)保证热电偶传感器以一定的强度和刚度安装在对象上。

（1）热电极（2）绝缘套管（3）保护套管（4）接线盒铠装热电偶的特点1）热惯性小，测温时间常数可小到毫秒数量级；2）电缆式结构，使热电偶可以弯曲，机械性能好，耐震动和冲击，绝缘性好，可防止外界有害气氛的侵入，使热电偶分度的稳定性大为改善；3）使用方便，可以就地制造，安装方便灵活。

（四）热电偶的冷端处理z补偿导线–补偿导线是在一定温度范围内具有与所匹配热电偶的热电动势相同标称值的一对带有绝缘层的导线，用它们连接热电偶与测量装置以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。

–补偿导线有两类：一类是采用与热电偶相同材料的伸长型；另一类是利用与热电偶的热电动势类似特性的合金补偿型。

–补偿导线连接方式补偿导线补偿导线的结构与电缆一样，有单芯、双芯等；芯线又分单股硬线和多股软线；芯线外为绝缘层和保护层，有的还有屏蔽层。

根据补偿导线所耐环境温度不同，又可分为一般用和耐热用两种。

根据补偿导线热电势的允许误差大小又可分成普通级和精密级两种。

补偿导线型号按产品的品种划分为SC、KC、KX、EX、JX、TX、NC。

其中：a)型号第一个字母与热电偶的分度号相对应；b)字母“X”表示延伸型；c)字母“C”表示补偿型。

使用补偿导线时注意问题：•补偿导线只能用在规定的温度范围内；•热电偶和补偿导线的两个接点处要保持温度相同；•不同型号的热电偶配有不同的补偿导线；•补偿导线由正、负极需分别与热电偶正、负极相连；•补偿导线的作用是对热电偶冷端延长。

z 冷端恒温法z 计算修正法当用补偿导线把热电偶的冷端延长到某一温度T 0处（通常是环境温度），然后再对冷端温度进行修正。

E AB (t ，0) = E AB (t ，T 0)+E AB (t 0，0)例题：用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。

已知冷端温度t 0=30℃，测得热电势E AB （t ，t 0）为33.29mV ，求加热炉的温度？解：先由镍铬-镍硅热电偶分度表查得E AB （30，0）＝1.203mV 。

根据中间温度定律可得：E AB (t ，0）=E AB (t，t 0)+ E AB (t 0，0)=33.29+1.203=34.493mV 再查镍铬-镍硅热电偶分度表得t =829.8℃。

z电桥自动补偿为铜电–在热电偶与仪表之间接入一个补偿电桥，如图所示，R4阻，感受与热电偶冷端同样的温度，铜电阻受温度的变化引起补偿量U大小的变化，实现了自动补偿cd2. 热电偶测温误差分析（1）分度误差：指检定时产生的误差，其值不得超过允许误差。

（2）冷端温度引起的误差（3）补偿导线的误差：它是由于补偿导线的热电特性与所配热电偶不完全相同所造成的（4）热交换所引起的误差（5）测量线路和显示仪表的误差（6）其他误差(2)热电偶应安装在有保护层的管道内，以防止热量散失。

为防止传导散热产生测温附加误差，保护套管露在设备外部的长度应尽量短，并加保温层。

(3)热电偶安装在负压管道中时，必须保证测量处的密封性，以防止外界冷空气进入，使读数偏低。

(4)热电偶的接线盒面盖应向上，入线口应向下，以避免雨水或灰尘进入接线盒，影响测量精度。

工业装配热电偶1）吹气热电偶2）多点隔爆热电偶3）高温高压热电偶4）直角弯头热电偶WZP2-240/A级3线300/150mmE(0-300℃)隔爆热电阻WZC-111/Φ12*1000mm Cu50铜热电阻WZPK2-103/B级Φ6*515mm(0-300℃)铂热电阻（一）热电阻材料的特性z导体或半导体的电阻率与温度有关，利用此特性制成电阻温度感温件，它与测量电阻阻值的仪表配套组成电阻温度计。

z优点：测温准确度高，信号便于传送。

z缺点：不能测太高的温度，需外部电源供电，连接导线的电阻易受环境温度影响而产生测量误差。

z热电阻是用金属导体或半导体材料制成的感温元件。

z铂热电阻和铜热电阻属国际电工委员会推荐的，也是我国国标化的热电阻。

虽然大多数金属和半导体的电阻与温度之间都存在着一定的关系，但并不是所有的金属或半导体都能做成电阻温度计。

用于测温的热电阻（或热敏电阻）应满足以下要求：（1）电阻温度系数要大，以得到高敏感度；（2）在测温范围内化学与物理性能要稳定；（3）复现性要好；（4）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而保证热容量和热惯性小，使得对温度变化的响应比较快；（5）电阻温度特性尽可能接近线性，以便于分度和读数；（6）价格相对低廉。