温度测量方法

温度测量方法
第一篇：温度测量方法
温度测量方法
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温度测量方法：主要分为两大类接触式测温方法：
一、膨胀式测温方法
膨胀式测温是一种比较传统的温度测量方法，它主要利用物质的热胀冷缩原理即根据物体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。

膨胀式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。

最常见的玻璃液体温度计，利用水银、有机液体（酒精或煤油）或汞基合金等液体的热胀冷缩原理进行温度测量。

根据选用感温介质的不同，测量的温度范围一般为-80～600℃。

双金属温度计是由两种线膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的，将其一端固定，由于两种金属膨胀系数不同，当温度变化时，就会引起弯曲变形从而指示温度。

使用黄铜和镍合金制成的温度计最高温度可以达到200℃，而使用不同成分的镍合金钢其最高温度可以达到500℃。

二、电量式测温方法
电量式测温方法主要利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻温度测量、集成芯片温度测量等。

1、热电偶：热电偶测量主要用到电热效应，热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起，当参考端和测量端有温差时，就会产生热电势，该热电势是温度差的函数，通过测量热电偶产生的热电势，就可以测量温度。

但因为测量的是测量端和参考端的温度差，而一般热电势-温度差的分度表基于参考端为0℃，因此实际测量中，如果参考端处于室温时，需要进行室温补偿。

2、热电阻：热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的。

热电阻是利用其电阻值随温度的变化而变化这一原理制成的将温度量转换成电阻量的温度传感器。

温度变送器通过给热电阻施加一已知激励电流测量其两端电压的方法得到电阻值（电压/ 电流），再将电阻值转换成温度值，从而实现温度测量。

热电阻和温度变送器之间有三种接线方式：二线制、三线制、四线制。

按照感温元件的材质，可以分为金属与半导体两类。

金属导体有铂、铜、镍、铑铁及铂钴合金等，常见的为铂电阻和铜电阻温度传感器。

半导体有锗、碳和热敏电阻等。

铂电阻的使用温度范围为-200～850℃，铜热电阻的使用温度范围一般为-50～150℃。

热敏电阻一般可以在-40～350℃温度范围内使用。

热电阻测量准确度比较高，输出信号大，稳定性好，但元件结构一般比较大，动态响应差，不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。

3、集成芯片温度测量：随着电子技术的发展，可以将感温元件和有关的电子线路集成在一个小芯片上，构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片。

AD590集成电路温度传感器是一种典型的集成温度传感器，可以输出一个与温度成线性关系的电压，测量范围可以达到-55～50℃。

近年来发展的DS1820智能温度传感器，采用数字化技术，采用单线接口方式，支持多点组网功能，在使用中不需要任何外围元件，测温范围为-55～125℃。

三、接触式光电、热色测温方法
1、接触式光电测温法：
接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象，将温度变化引起的热辐射或其他光信号引出，通过光电转换器件检测其变化从而测量温度的方法。

接触式光电测温方法本身使用辐射或光电原理进行温度测量，但在测量中传感器要和被测对象接触。

因此这种测温方法兼具有两种测量方法的优点和缺点。

首先是不像电量式测量方法一样容易受到电磁的干扰，可以应用在电磁环境下进行温度测量；另外可以避免非接触式辐射温度计那样容易受到被测对象表面发射率和中间介质的影响。

缺点是也会干扰被测对象的温度，带来接触式测温方法引起的一些误差。

其原理是：将一支底端封闭的耐高温光导管插入到被测介质中，温度平衡后由光导管传输出的高温辐射，通过高温计后端的光电转换器件转换为电信号，该电信号与感受的温度单调对应，从而测量出介质的温度。

近年来发展的空腔黑体式光电高温计原理也是如此，但光导管要经过特殊设计做成黑体腔，使其有效发射率接近1，避免了被测介质的发射率对测温结果的影响。

这种高温计测量范围一般为800～2000℃，其上限温度主要受光导管材料的限制。

2、热色测温方法
热色测温方法主要通过示温敏感材料的颜色在不同温度下发生变化来指示温度的。

示温涂料是一些化合物或混合物，能够伴随外界温度的改变而迅速引起其固有颜色的变化，反过来可以根据其显示的当前颜色来测量温度。

根据示温涂料变色后出现颜色的稳定性，可以分成可逆型示温涂料和不可逆型示温涂料；又可根据涂层随温度变化所出现的颜色的多少分为单变色示温涂料和多变色示温涂料。

示温涂料根据材料的不同，可以覆盖室温到1600℃温度范围，测温误差大约在±（10～20）℃。

示温涂料可以测量运动物体或其他复杂情况表面的温度分布，使用简单方便，缺点是影响判别温度结果的因素比较多，如涂层厚度、判读方法、样板和示温颗粒大小等，目前主要还是靠人工判读。

非接触测量方法：
与接触测温法相比，非接触测温法不需要与被测对象接触，因而不会干扰温度场，动态响应特性也很好，但是会受到被测对象表面状态或测量介质物性参数的影响。

非接触测温方法主要包括辐射式测温、光谱法测温、激光干涉式测温以及声波测温方法等。

一、辐射式测温方法
辐射式测温方法都是建立在热辐射定律基础上的。

其原理是：当实际物体的辐射强度（包括所有波长或大部分波长）与黑体的辐射强度相等，则黑体的温度称为实际物体的辐射温度；当实际物体（非黑体）在某一波长下的单色辐射亮度同黑体在同一波长下的单色辐射亮度相等时，则该黑体的温度称为实际物体的亮度温度；当黑体与实际
物体（非黑体）在某一光谱区域内的两个波长下的单色辐射亮度之比相等，则黑体的温度称为实际物体的颜色温度。

基于以上三种表观温度测量方法的高温计分别称为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。

不同结构类型的辐射高温计测量范围不同，目前定型的高温计可以覆盖-50℃～3200℃的温度范围。

全辐射高温计结构相对简单，但受被测对象发射率和中间介质影响比较大，测温偏差较大，不适用于测量低发射率目标。

亮度温度计结构也比较简单，灵敏度比较高，受被测对象发射率和中间介质影响相对较小，测量的亮度温度与真实温度偏差较小，但也不适用于测量低发射率物体的温度，并且测量时要避开中间介质的吸收带。

比色测温法测量结果最接近真
实温度，并且适用于低发射率物体的温度测量，但结构比较复杂，价格较贵。

二、光谱方法测温方法
非接触的光谱测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量。

原理为：它主要通过检测被测介质的激发光谱信号进行温度测量。

当单色光线照射透明物体时,会发生光的散射现象。

散射光包括弹性散射和非弹性散射，弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关。

相比而言,拉曼散射光谱测温技术的实用性更好，其主要应用之一就是测量高温气体的温度。

受激荧光光谱法是指在入射光的激励下，分子发出的荧光光谱在若干个波长上有较强的尖峰，这些特征波长的强度是温度的函数。

通过测量其特征波长下的绝对强度或者相对强度，或者荧光的驰豫时间，就可以确定被测介质的温度。

三、激光干涉测温方法
激光散斑照相法、纹影法和干涉法均是基于光的干涉原理，都适用与高温火焰和气流温度的测量。

基于干涉原理的各种光学方法测量介质的温度场,均可以等效为首先测量介质的折射率分布。

它们的测量原理是将流场中各处折射率的变化(即密度的变化)转变为各种光参量的变化,记录并处理后可以得到其温度和分布。

散斑照相法记录的是偏折位置差,反映的是折射率梯度的变化(即折射率的二阶导数)；纹影法记录的是偏折角度差,反映的是折射率的梯度(即折射率的一阶导数)；干涉仪法记录的是光波相位差,反映的是折射率本身；全息干涉法也是基于干涉仪法的原理,不过它不仅记录物波波前的振幅信息,同时还记录波前的相位信息，既有相位信息又有振幅信息,反映的是折射率本身和三维流场的立体信息。

四、声波、微波法测温方法
声学测温是基于声波在介质中的传播速度与介质温度有关这一基本原理实现的，因此只要测得声速，就可以推算出温度。

可以直接测量声波在被测介质中的传播速度，也可以测量放在被测介质中的细线的声波传播速度。

这种方法可以用于测量高温气体或液体的温度，选用合适的细线材料，也适用于测量腐蚀性介质的温度。

声波法测温在高温时有更高的灵敏度。

微波衰减法可以用来测量火焰温度，当入射微波通过火焰时,与火焰中的等离子体相互作用,使出射的微波强度减弱,通过测量入射微波的衰减程度可以确定火焰气体的温度。

第二篇：温度和风速测量方法总结
第一章风速测量
1.1风速测量
风是空气流动时产生的一种自然现象。

空气流动有上下流动和左右流动，上下流动为垂直运动，也叫对流；左右流动为水平运动，也就是风。

风是一个矢量，用风向和风速表示。

地面风指离地平面10─12米高的风。

风向指风吹来的方向，一般用16个方位或360°表示。

以360°表示时，由北起按顺时针方向度量。

风速指单位时间内空气的水平位移，常以米/秒、公里/小时、海里/小时表示。

1.2 风杯风速计
风杯风速计是最常见的一种风速计。

转杯式风速计最早由英国鲁宾孙发明，当时是四杯，后来改用三杯。

它由3个互成120°固定在支架上的抛物锥空杯组成感应部分，空杯的凹面都顺向一个方向。

整个感应部分安装在一根垂直旋转轴上，在风力的作用下，风杯绕轴以正比于风速的转速旋转。

转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器
等记录。

图1.1 风杯风速计
1.3 叶轮风速仪
风速计的叶轮式探头的工作原理是基于把转动转换成电信号，先经过一个临近感应开头，对叶轮的转动进行“计数” 并产生一个脉冲系列，再经检测仪转换处理，即可得到转速值。

法国KIKO叶轮风速仪工作原理如图1.2所示。

叶轮的轴杆启动内含八个电磁极的原型磁铁，置于磁铁旁的双霍尔传感器感测到侧场中电磁极的转变信号。

传感器的信号转换为电子频率且和风速成正比，并感测旋转方向。

图1.2 KIMO原理
1.4 热线风速计
一根被电流加热的金属丝，流动的空气使它散热，利用散热速率和风速的平方根成线性关系，再通过电子线路线性化（以便于刻度和读数），即可制成热线风速计。

金属丝通常用铂、铑、钨等熔点高、延展性好的金属制成。

常用的丝直径为5μm，长为2 mm；最小的探头直径仅1μm，长为0.2 mm。

根据不同的用途，热线探头还做成双丝、三丝、斜丝及V形、X 形等。

为了增加强度，有时用金属膜代替金属丝，通常在一热绝缘的基体上喷镀一层薄金属膜，称为热膜探头。

热线探头在使用前必须进行校准。

静态校准是在专门的标准风洞里进行的，测量流速与输出电压之间的关系并画成标准曲线；动态校准是在已知的脉动流场中进行的，或在风速仪加热电路中加上一脉动电信号，校验热线风速仪的频率响应，若频率响应不佳可用相应的补偿线路加以改善。

0至100m/s的流速测量范围可以分为三个区段：低速：0至5m/s；中速：5至40m/s；高速：40至100m/s。

热线风速计用于0至5m/s的精确测量，使用温度约为±70℃。

当在湍流中使用热线风速计时，来自各个方向的气流同时冲击热元件，从而会影响到测量结果的准确性。

在湍流中测量时，热敏式风速仪流速传感器的示值往往高于转轮式风速计。

因此，风速仪测量过
程应尽量在通道的直线部分进行。

直线部分的起点应至少在测量点前10×D（D=管道直径，单位为CM）外；终点至少在测量点后4×D处。

流体截面应不得有遮挡（棱角，重悬，物等）。

图1.3 热线风速计
1.4.1 恒流式热线风速计
通过热线的电流保持不变，温度变化时，热线电阻改变，因而两端电压变化，由此测量流速。

利用风速探头进行测量。

风速探头为一敏感部件。

当有一恒定电流通过其加热线圈时，探头内的温度升高并于静止空气中达到一定值。

此时，其内测量元件热电偶产生相应的热电势，并被传送到测量指示系统，此热电势与电路中产生的基准反电势相互抵消，使输出信号为零，风速仪指针也能相应指于零点或显示零值。

若风速探头端部的热敏感部件暴露于外部空气流中时，由于进行热交换，此时将引起热电偶热电势变化，并与基准反电势比较后产生微弱差值信号，此信号被测量仪表系统放大并推动电表指针变化从而指示当前风速或经过单片机处理后通过显示屏显示当前风速数值。

1.4.2 恒温式热线风速计
风速仪热线的温度保持不变，给风速敏感元件电流可调，在不同风速下使处于不同热平衡状态的风速敏感元件的工作温度基本维持不便，即阻值基本恒定，该敏感元件所消耗的功率为风速的函数。

恒温风速仪则是利用反馈电路使风速敏感元件的温度和电阻保持恒定。

当风速变化时热敏感元件温度发生变化，电阻也随之变化，从而造成热敏感元件两端电压发生变化，此时反馈电路发挥作用，使流过热敏感元件的电流发生相应的变化，而使系统恢复平衡。

上述过程是瞬时发生的，所以速度的增加就好像是电桥输出电压的增加，而速度的降低也等于是电桥输出电压的降。

1.4.3 注意事项
除保持日常数据的准确性外，日常维护使用中还要注意以下几点：
1.禁止在可燃性气体环境中使用风速计。

2.禁止将风速计探头置于可燃性气体中。

否则，可能导致火灾甚至爆炸。

3.请依据使用说明书的要求正确使用风速计。

使用不当，可能导致触电、火灾和传感器的损坏。

4.在使用中，如遇风速计散发出异常气味、声音或冒烟，或有液体流入风速计内部，请立即关机取出电池。

否则，将有被电击、火灾和损坏风速计的危险。

5.不要将探头和风速计本体暴露在雨中。

否则，可能有电击、火灾和伤及人身的危险。

6.不要触摸探头内部传感器部位。

7.风速计长期不使用时，请取出内部的电池。

否则，将电池可能漏液，导致风速计损坏。

8.不要将风速计放置在高温、高湿、多尘和阳光直射的地方。

否则，将导致内部器件的损坏或风速仪性能变坏。

9.不要用挥发性液体来擦拭风速计。

否则，可能导致风速仪壳体变形变色。

风速计表面有污渍时，可用柔软的织物和中性洗涤剂来擦拭
10.不要摔落或重压风速计。

否则，将导致风速计的故障或损坏。

11.不要在风速计带电的情况下触摸探头的传感器部位。

否则，将影响测量结果或导致风速计内部电路的损坏。

1.5 超声波风速仪
超声风速风向仪的工作原理是利用超声波时差法来实现风速的测量。

通过正、逆压电效应实现高频声能和电能之间的相互转换，从而实现超声波的发射和接收。

由于它很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因而能全天候地、长久地正常工作，越来越广泛地得到使用．它将是机械式风速仪的强有力替代品。

图1.4 超声波风速仪
1.5.1 应用领域
超声波风速计的应用便利、精确，在很多领域都能灵活运用，广泛应用于城市环境监测、风力发电、气象监测、桥梁隧道、航海船舶、航空机场、各类风扇制造业、需要抽风排气系统的行业等。

1.6 皮托管风速仪
皮托管是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置。

由法国H.皮托发明而得名。

严格地说，皮托管仅测量气流总压，又名总压管；同时测量总压、静压的才称风速管，但习惯上多把风速管称作皮托管。

皮托管的构造如图，头部为半球形，后为一双层套管。

测速时头部对准来流，头部中心处小孔（总压孔）感受来流总压p0，经内管传送至压力计。

头部后约3～8D处的外套管壁上均匀地开有一排孔（静压孔），感受来流静压p，经外套管也传至压力计。

对于不可压缩流动，根据伯努利方程和能量方程可求出气流马赫数，进而再求速度。

总压孔有一定面积，它所感受的是驻点附近的平均压强，略低于总压，静压孔感受的静压也有一定误差，其他如制造、安装也会有误差，故测算流速时应加一个修正系数ζ。

ζ值一般在0.98～1.05范围内，在已知速度之气流中校正或经标准皮托管校正而确定。

皮托管结构简单，使用方便，用途很广。

如飞机头部或机翼前缘常装设皮托管，测量相对空气的飞行速度，又称空速管。

图1.5 皮托管结构图
1.7 分析与小结 1.7.1 热线风速计
该方式是测试处于通电状态下传感器因风而冷却时产生的电阻变化，由此测试风速。

不能得出风向的信息。

除携带容易方便外，其成本性能比高，作为风速计的标准产品广泛地被采用，且长期安定性、以及在温度补偿方面都具有优势。

λ适用范围：0.05～50m/s
λ显示分辨率：0.01m/s
1.7.2 超声波风速仪
该方式是测试传送一定距离的超音波时间，因风的影响而使到达时间延迟，由此测试风速。

该方法传感器部较大，在测试部周围，有可能发生紊流，使流动不规则，并且测量环境需要比较安静的场所，用途受到限定。

λ适用范围：0～10m/s
λ显示分辨率：0.01m/s
1.7.3 叶轮风速仪
该方式是应用风车的原理，通过测试叶轮的转数，测试风速。

原理比较简单，价格便宜，但测试精度较低，所以不适合微风速的测试和细小风速变化的测试。

λ适用范围：1～50m/s
λ显示分辨率：0.1m/s
1.7.4 皮托管风速仪
在流动面的正面有与之形成直角方向的小孔，内部藏有从各自孔里分别提取压力的细管。

通过测试其压力差（前者为全压、后者为静压），就可知道风速。

其原理比较简单，价格便宜，但与流动面必须设置成直角，否则不能进行正确的测试。

不适合一般用。

λ适用范围：5～100m/s
λ显示分辨率：0.01m/s
第二章温度测量
2.1温度测量方法
温度是表征物体冷热程度的物理量, 是国际单位制中七个基本物理量之一, 它与人类生活、工农业生产和科学研究有着密切关系。

随着科学技术水平的不断提高, 温度测量技术也得到了不断的发展。

2.2 温度测量的分类
温度测量的分类可以通过其与被测量的物体是否接触分为接触式和非接触式。

2.2.1 接触式测量
接触式测量仪表比较简单、可靠，测量精度高。

但是因为测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，所以其需要一定的时间才能达到热平衡。

接触式测量仪存在测温延迟现象，同时受耐高温和耐低温材料的限制，不能应用于这些极端的温度测量。

非接触式仪表测温仪是通过热辐射的原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体发射率、测量距离、烟尘和水汽等外界因素的影响，其测量误差较大。

2.2.2 接触式测量方法
（1）膨胀式温度测量原理：利用物质的热胀冷缩原理即根据物
体体积或几何形变与温度的关系进行温度测量。

热胀冷缩式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。

优点：结构简单, 价格低廉, 可直接读数,使用方便,非电量测量方式, 适用于防爆场合。

缺点：准确度比较低, 不易实现自动化, 而且容易损坏。

（2）电量式测温方法利用材料的电势、电阻或其它电性能与温度的单值关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻和热敏电阻温度测量、集成芯片温度测量等。

①热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时, 就会产生热电势, 根据该热电势与温度的单值关系就可以测量温度。

热电偶具有结构简单, 响应快, 适宜远距离测量和自动控制的特点, 应用比较广泛。

②热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的, 输出信号大, 准确度比较高, 稳定性好, 但元件结构一般比较大, 动态响应较差, 不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。

③热敏电阻是一种电阻值随温度呈指数变化的半导体热敏感元件, 具有灵敏度高、价格便宜的特点, 但其电阻值和温度的关系线性度差,且稳定性和互换性也不好。

④石英温度传感器是以石英晶体的固有频率随温度而变化的特性来测量温度的。

石英晶体温度传感器稳定性很好, 可用于高精度和高分辨力的测量场合。

随着电子技术的发展, 可以将感温元件和相关电子线路集成在一个小芯片上, 构成一个小型化、一体化及多功能化的专用集成电路芯片, 输出信号可以是电压、频率, 或者是总线数字信号, 使用非常方便,适用于便携式设备。

（3）接触式光电、热色测温方法原理：接触式光电测温方法主要是指通过接触被测对象,将温度变化引起的热辐射或其他光电信号引出, 通过光电转换器件检测该信号, 从而获得测温结果的方法。

优点：这种方法不像电量式测量方法容易受到电磁的干扰,可以在电磁环境下进行温度测量;可以避免像非接触式辐射温度计那样容易受到被测对象表面发射率和中间介质的影响。