第五章 温度检测

1990年国际温标是国内目前使用的温度标准。包括三 方面的内容：温度单位的定义；定义固定温度点的方 法和复现固定温度点的方法。
内容提要
5.1 概述 5.2 热电偶温度计 5.3 热电阻温度计 5.4 光纤温度传感器 5.5 温度变送器 5.6 测温元件的选型和安装
5.1 概述
温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体 之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷 热程度不同而变化的特性来加以间接测量。
测量仪表； 连接热电偶和测量仪表的导线
热电偶 工作端：焊接的一端插入被测介质中，感受到 被测温度，导体A、B被称为热电极；
热电偶 冷端 ：与导线相连接的一端，也称为自由端
一、热电偶
1—热电偶；2—导线；3—测量仪表
热电极 A
测量端 （工作 端、热 端）
A B
B
热电偶示意图
热电 极B
自由端（ 参考端、 冷端）
0 ～250
报警，价格低廉
精度低，测温距离短，滞后大
0 ～1600 -50 ～1000 -50 ～600
测温范围广，精度高，便于远 距离、多点、集中测量和自动
控制
需冷端温度补偿，在低温段测 量精度较低
热
铂
-200 ～600
电
铜
阻
-50 ～ 测量精度高，便于远距离、多 不能测高温，需注意环境温度
150
温度测量的基本概念 1、温度
温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈 程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。
2、温标 温度是表征物体的冷热程度的物理量。为了定量分析，
要给给物体的冷热程度一个定量的描述。温标就是以此目的而 建立的。
温标是温度数值化的标尺，它给出了温度数值化的一套规则 和方法，并明确了温度的测量单位和温度起点。
化工仪表自动化
第五章 温度检测
温度是化工过程中最普遍而重要的操作参数。 所有的过程都是在一定的温度条件下进行的； 温度决定一些反应能否进行和反应方向； 温度决定一些反应的进程程度； 温度显示反应的能量变化。
温度是诸多物理现象中具有代表性的物理 量，现代生活中准确的温度是不可缺少的信息 内容，家用电器涉及温度测量和控制的有：电 饭煲、电冰箱、空调、微波炉、电热水器等。
比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如 : 烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现 场。
5.2 热电偶温度计
1）热电偶是应用最普遍、最广泛的温度测量元件。 2）既可用于流体温度测量也可用于固体温度测量，既可以检测静态温度
也能测量动态温度。 3）在火电厂中，主蒸汽、过热器管壁与高温烟气等的温度都是采用热电
摄氏度t/℃ T-273.15 1 (θ-32)/1.8
华氏度θ/℉ (T-273.15)*1.8+32 1.8*t+32 1
发展阶段：华氏温标→摄氏温标→开氏温标 威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像
1、经验温标
由特定的测温质和测温量所确定的温标称为经验温标。
（1）摄氏温标：在标准大气压下，以水的冰点为0度，水的 沸点为100度，两固定点之间等分100份，每份为摄氏1度， 记为1C。（1740年瑞典人摄尔塞斯Celsius所用标准仪器是 玻璃水银温度计）
红外系统：
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及 信号处理、显示输出等部分组成。
光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大 小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光 电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和 信号处理电路，并按照仪器内部的算法和目标发射率校正 后转变为被测目标的温度值。
（2）华氏温标：标准大气压下，氯化氨和冰的混合物为0华 氏度，水的冰点为32度，水的沸点为212度，两固定点中间 等分180份，每份为华氏1度，记为1F。（1714年德国人华 伦凯特Fahrenheit以水银体积随温度变化为依据，制成了玻 璃水银温度计）
两种温标的关系：
t
＝
F
9 5
t
C
32
包括中国在内的世界上很多国家都多使用摄氏度，但世界上
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合 回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点）， 发现放在回路中的指针发生偏转（说明什么？），如果 用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而 减小（又说明什么？） 。
热电极A/BBaidu Nhomakorabea
热端 T1 （工作端）
T0
冷端
（自由端）
塞贝克效应示意图
热电效应
红外线辐射温度计外形
激光仅用于瞄准
红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用
耳温仪
红外线辐射温度计在 非接触温度测量中的应用
集成IC 温度测量
红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用
温度 采集系统
利用红色激光瞄准被 测物（电控柜、天花 板内的布线层）
光学高温计
隐丝式光学高温计测量方法：调节电阻R 以改变灯丝亮度,
偶测量的。 4）热电偶一般用于测量100～1600℃范围内温度，用特殊材料制成的热
电偶还可测更高或更低的温度；下限可达-270C ，上限可达1800C以 上 5）热电偶将感受到的温度信号直接转换成电势信号输出，便于测量、信
号传输、自动记录和控制等。
以热电效应为基础的测温仪表 由三部分组成：热电偶；
构
原
这种变化，从而测得温度。
理
图
1—传动机构；2—刻度盘； 3—指针；4—弹簧管；5—连杆；6—接头；7—毛细管；8—温 包；9—工作物质
压力式温度计的构造由以下三部分组成
➢ 温包
➢ 毛细管 ➢ 弹簧管（或盘簧管）
3.辐射式温度计
基于物体热辐射作用来测量温度，用于800℃以上的高温
3. 辐射式温度计
通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。 1. 辐射式温度计：测定热辐射强度； 2. 光学温度计：采用光学分频法，测定不同频率光波的强度
比值； 3. 比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。 ➢ 辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度
计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行 检测。
压
液体
力
气体
式
蒸汽
铂铑-铂
热 镍铬-镍硅 电 镍铬-考铜 偶
测温范围／ ℃
优点
-50～600 -80 ～600
结构简单，使用方便，测量准 确，价格低廉
结构紧凑，牢固可靠
缺点
测量上限和精度受玻璃质量的 限制，易碎，不能记录远传
精度低，量程和使用范围有限
-30 ～600
-20 ～350 结构简单，耐震，防爆能记录、
点、集中测量和自动控制
的影响
非接
辐
辐射式
400 ～2000
触式
射
测温
式
光学式 比色式
700 ～3200 测温时，不破坏被测温度场 900 ～1700
低温段测量不准，环境条件会 影响测温准确度
仪表
红
光电探测
0 ～3500
外
热电探测 200 ～2000 测温范围大，适于测温度分布， 易受外界干扰，标定困难
1、物体受热，体积膨胀 V--T 2、压力随温度变化 P--T 3、金属导体电阻随温度变化 R--T 4、热电效应原理 E--T 5、热辐射原理
按测量范围 按用途
分
高温计、温度计 标准仪表、实用仪表
按工作原理
类
膨胀式、压力式、热电偶、
热电阻温度计和辐射高温计
按测量方式 接触式与非接触式
常用温度计的种类及适用温度
有三个国家（美国、缅甸和利比亚）通常使用华氏度。
这种温标的缺点：借助于一些物质的物理量与温度之间的关 系，用实验方法得到的经验公式来确定温度值的标尺，具有 局限性和任意性。
解决：寻求一种不依赖于物质本身特性的新温标。
2、热力学温标
在卡诺循环中，卡诺机在高温热源T1和低温热源T2之间交 换热量，其中从高温热源吸收热量Q1,向低温热源放热Q2。 则有
（1）温度的数值表示方法称为温标。
温标规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。 各类温度计的刻度均由温标确定。
（2）国际上规定的温标有：华氏温标、摄氏温标、热力学 温标、国际温标等。
温标单位 开尔文T/K 摄氏度t℃ 华氏度θ/℉
开尔文T/K 1 t+273.15 (θ32)/1.8+273.15
当它与待测光源像的亮度相等时，灯丝在光源的像上消失,这时 由电表G上读出物体的亮度温度；或用补偿法由电位差计测量电 流的精确值，再通过计算求出亮度温度，后一方法适用于精密 测量温度。
比色式温度传感器
比色式温度传感器采用比色式（双波段）测 温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知 道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较 强，不受窗口玻璃影响，能瞄准 ,测量小目标，可 不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调 焦就可准确测量。
将两种不同材料的导体组成一个闭合回路 ，如果两端接点的温度不同，回路中将产生 电势，称为热电势。这个物理现象称为热电 效应 或塞贝克效应。
（1）热电现象及测温原理
a：不同材料的金属导线A和B， 形成闭合回路，接点 1处温度t高于接点2温度t0时，闭合回路有热电势产生； 如果串联一个毫伏计，b、c所示，毫伏计中有电势指 示，这就是热电现象
膨胀式玻 双璃 金液 属体 : 8: 05~06~0060C0C
接触式压力式铂 蒸 液 气铑 汽 体 体
: 30 ~ 600C : 20 ~ 350C : 0 ~ 250C 铂 : 0 ~ 1600C
温度计
热 热电 电阻 偶： 镍 镍铂铬 铬:
镍硅 考铜
200 ~
: 50 ~ 1000C : 50 ~ 600C 600C、铜 : 50
热力学温标可从与卡诺定理等效的理想气体状态 方程入手。用盖-吕萨克定律制成气体温度计，解 决了热力学温标的实现问题。
T
P Ps
Ts
P Ps
273.15
理想气体温标方程（内插公式）
定容气体温度计
4、国际温标
由于气体温度计制造和使用都很复杂，不宜实用，故 只用来复现热力学温标。1927年第七届国际计量大会 开始制定了以热力学温标为基础的能用公式表示、便 于实际应用的协议温标—国际温标（ITS-27）,后几经 修改成为ITS-48/ITS-68/ITS-90。
Q1 T1 Q2 T2
T1
Q1 Q2
T2
可见，温度只与热量有关，与物质无关，从而避免了分度 的任意性。以此建立的温标称为热力学温标。热力学温度 （也称绝对温度）用符号T表示，单位为开尔文，符号K。
热力学温度的定义中以水的三相点作为273.16K，再取1／ 273.16定义为1K。
3、理想气体温标 由于卡诺机为理想热机，实际上并不存在。复现
红外线辐射温度计
红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点 以下的温度测量，市售的红外辐射温度计的温度范围可以 从-30℃~3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需 要选择适合的型号。
红外辐射温度计测温依据
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间 发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按 波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。 因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准 确地测定它的表面温度。
如果导体两端都封闭，形成闭合回路，则在 两接点处形成两个方向相反的热电势（图a）； 设t＞t0,就产生两个大小不等，方向相反的热电势， 图b为等效电路
线
不破坏被测温度场，响应快
1.膨胀式温度计
基于物体受热时体积膨胀的性质而制成
双金属温度信号器 双金属片
1—双金属片；2—调节螺钉；3—绝缘子；4—信号灯
2.压力式温度计
应用压力随温度的变化来测温的仪表
压
原理：在封闭系统中的液
力 式
体、气体或低沸点液体的饱
温
度
和蒸汽受热后体积膨胀或压
计
结
力变化，并用压力表来测量
热电势的产生
不同金属具有不同的电子密度；
两种金属接触面因为电子的扩散作用而产生电场；
电子在扩散作用和电场力作用下最终达到平衡；
电子的扩散与温度相关，温度越高，扩散作用越强。
扩散作用
金属A + +
金属B
-
电场作用
接触电势eAB
+
金属A
+ +
+
-
-
金属B
-
对于一定材料 eAB(t) ∝t
接触电势形成的过程：物理学可知，不同金属的自由 电子密度不同，假设金属A的电子密度大于金属B； 二者接触时，交界面处电子从A扩散到B大于从B扩 散到A，结果形成了一个静电场及电势差，此静 电场和电势差又成为扩散运动的阻力
~
150C
热辐射 : 400 ~ 2000C
辐射式光辐射 : 700 ~ 3200C
非接触式
比色 : 900 ~ 1700C
红外线热 光电 电式 式
: :
0 ~ 3500C 200 ~ 2000C
表5-1常用温度计的种类及优缺点
测温方式
接 触 式 测 温 仪 表
温度计种类
膨
玻璃液体
胀
式
双金属