第七章溫度測量

第七章溫度測量

§7-1概述

一、溫度的基本概念

溫度是一個基本物理量。它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗中需要經(jīng)常測量和控制的主要參數(shù)，也是與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的一個重要物理量。通常把長度、時間、質(zhì)量等基準物理量稱作“外延量”，它們可以疊加，例如把長度相同的兩個物體連接起來，其總長度為原來的單個物體長度的兩倍；而溫度則不然，它是一種“內(nèi)涵量”，疊加原理不再適用，例如把兩瓶90℃的水倒在一起。其溫度絕不可能增加，更不可能成為180℃。

從熱平衡的觀點看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運動劇烈程度的標志，溫度高的物體，其內(nèi)部分子平均動能大；溫度低的物體其內(nèi)部分子的平均動能亦小。熱力學(xué)的定律指出：具有相同溫度的兩個物體，它們必然處于熱平衡狀態(tài)。當兩個物體分別與第三個物體處于熱平衡狀態(tài)，則這兩個物體也處于熱平衡狀態(tài)，因而這三個物體將處于同一溫度。據(jù)此，如果我們能用可復(fù)現(xiàn)的手段建立一系列基準溫度值，就可把其它待測物體的溫度和這些基準溫度進行比較，得到待測物體的溫度。

二、溫標現(xiàn)代統(tǒng)計力學(xué)雖然建立了溫度和分子動能之間的函數(shù)關(guān)系，但由于目前尚難以直接測量物體內(nèi)部的分子動能，因而只能利用一些物質(zhì)的某些物性(諸如尺寸、密度、硬度、彈性模量、輻射強度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過這些量來對溫度進行間接測量。

由于不同物質(zhì)的不同物理特性與溫度有著不同的關(guān)系，因此即使用同一物質(zhì)的不同特性，或不同物質(zhì)的同一種特性對同一個溫度進行測量，也會得出不同的量值，為了保證溫度量值的準確和利于傳遞，需要建立一個衡量溫度的統(tǒng)一標準尺度，即溫標。隨著溫度測量技術(shù)的發(fā)展，溫標也經(jīng)歷了一個逐漸發(fā)展，不斷修改和完善的漸進過程。從早期建立的一些經(jīng)驗溫標，發(fā)展為后來的理想熱力學(xué)溫標和絕對氣體溫標。到現(xiàn)今使用具有較高精度的國際實用溫標，其間經(jīng)歷了幾百年時間。1.經(jīng)驗溫標

根據(jù)某些物質(zhì)體積膨脹與溫度的關(guān)系，用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫標稱為經(jīng)驗溫標。華氏溫標

1714年德國人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計，選取氯化銨和冰水的混合物的溫度為溫度計的零度，人體溫度為溫度計的100度，把水銀溫度計從0度到l00度按水銀的體積膨脹距離分成100份，每一份為1華氏度，記作“1℉”。按照華氏溫標，則水的冰點為32℉，沸點為212℉。(它規(guī)定在標準大氣壓下冰的融點為32華氏度，水的沸點為212華氏度，中間等分為180份，每一等份稱為華氏一度)

攝氏溫標

1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標準大氣壓下，把水的冰點規(guī)定為0度，水的沸點規(guī)定為100度。根據(jù)水這兩個固定溫度點來對玻璃水銀溫度計進行分度。兩點間作100等分，每一份稱為1攝氏度。記作1℃。

攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為

T

℉=t℃+32

式中T——華氏溫度值; t——攝氏溫度值。

除華氏和攝氏外，還有一些類似經(jīng)驗溫標如列氏、蘭氏等，這里不再一一列舉。經(jīng)驗溫標與測溫介質(zhì)有關(guān)，有多少種測溫介質(zhì)就有多少個溫標。

經(jīng)驗溫標均依賴于其規(guī)定的測量物質(zhì)，測溫范圍也不能超過其上、下限(如攝氏為0℃、l00℃)。超過了這個溫區(qū)，攝氏將不能進行溫度標定。另外，經(jīng)驗溫標主觀地認為其規(guī)定的溫標具有很大的局限性，很快就不能適應(yīng)工業(yè)和科技等領(lǐng)域的測溫需要。2.熱力學(xué)溫標

熱力學(xué)溫標是英國物理學(xué)家開爾文(Kelvin)于1848年以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)所引出的與測溫物質(zhì)無關(guān)的溫標,它是一種理想而不能真正實現(xiàn)的理論溫標，是國際單位制中七個基本物理單位之一。熱力學(xué)溫標是以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)?？ㄖZ定律指出，一個工作于恒溫熱源與恒溫冷源之間的可逆熱機，其效率只與熱源和冷源的溫度有關(guān)。假設(shè)熱機從溫度為T2的熱源獲得的熱量為Q2，放給溫度為T1的冷源的熱量為Q1，則有長度單位米(m)，質(zhì)量單位千克(kg)，時間單位秒(s)，溫度單位開爾文(K)，電流單位安培(A)，物質(zhì)的量的單位摩爾(mol)，發(fā)光強度單位坎德拉(cd)開爾文引出此溫標后，于1854年建議用一個固定點來確定此溫標。人們發(fā)現(xiàn)水的三相點(273.16K)的穩(wěn)定性。因此，1954年第10屆國際計量大會決定采用水的三相點作為熱力學(xué)溫際的基本固定點．此溫標的表達式為：

這種溫標的最大特點是與選用的測溫介質(zhì)性質(zhì)無關(guān)，克服了經(jīng)驗溫標隨測溫介質(zhì)而變的缺陷，故稱它為科學(xué)的溫標或絕對熱力學(xué)溫標。由此而得的溫度稱為熱力學(xué)溫度。從此所有的溫度測量都以熱力學(xué)溫標作為基準。該溫標為了在分度上和攝氏溫標相一致，把理想氣體壓力為零時對應(yīng)的溫度——絕對零度（是在實驗中無法達到的理論溫度，而低于0K的溫度不可能存在）與水的三相點溫度分為273．16份，每份為1K(Kelvin)。熱力學(xué)溫度的單位為“K”。3.絕對氣體溫標

從理想氣體狀態(tài)方程入手，來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標叫絕對氣體溫標。由波義耳定律：PV=RT 式中 P——一定質(zhì)量的氣體的壓強； V——該氣體的體積； R——普適常數(shù)； T——熱力學(xué)溫度。

理想氣體僅是一種數(shù)學(xué)模型，實際上并不存在，故只能用真實氣體來制作氣體溫度計。由于在用氣體溫度計測量溫度時，要對其讀數(shù)進行許多修正又需依據(jù)許多高精度、高難度的精確測量；因此直接用氣體溫度計來統(tǒng)一國際溫標，不僅技術(shù)上難度很大、很復(fù)雜，而且操作非常繁雜、困難。4.國際實用溫標和國際溫標

經(jīng)國際協(xié)議產(chǎn)生的國際實用溫標，其指導(dǎo)思想是要它盡可能地接近熱力學(xué)溫標，復(fù)現(xiàn)精度要高，且使用于復(fù)現(xiàn)溫標的標準溫度計，制作較容易，性能穩(wěn)定，使用方便，從而使各國均能以很高的準確度復(fù)現(xiàn)該溫標，保證國際上溫度量值的統(tǒng)一。

第一個國際溫標是1927年第七屆國際計量大會決定采用的國際實用溫標。此后在1948、1960、1968年經(jīng)多次修訂，形成了近20多年各國普遍采用的國際實用溫標稱為(IPTS一68)。1989年7月第77屆國際計量委員會批準建立了新的國際溫標，簡稱ITS一90。為和IPTS一68溫標相區(qū)別，用表示ITS一90溫標。ITS一90基本內(nèi)容為：（1）重申國際實用溫標單位仍為K，1K等于水的三相點時溫度值的1/273.16；（2）把水的三相點時溫度值定義為0.01℃（攝氏度），同時相應(yīng)把絕對零度修訂為-273.15℃；這樣國際攝氏溫度（℃）和國際實用溫度（K）關(guān)系為：

第一溫區(qū)為0.65K到5.00K之間，

T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義。

第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(24.5661K)之間，T90是用氦氣體溫度計來定義。

第三溫區(qū)為平衡氫三相點(13.8033K)到銀的凝固點(961.78℃)之間，T90是由鉑電阻溫度計來定義。它使用一組規(guī)定的定義固定點及利用規(guī)定的內(nèi)插法來分度。

第四溫區(qū)為銀凝固點(961.78℃)以上的溫區(qū)，T90是按普朗克輻射定律來定義的，復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計。（3）規(guī)定把整個溫標分成4個溫區(qū)，其相應(yīng)的標準儀器如下；

（4）

新確認和規(guī)定17個固定點溫度值以及借助依據(jù)這些固定點和規(guī)定的內(nèi)插公式分度的標準儀器來實現(xiàn)整個熱力學(xué)溫標。三、標定

對溫度計的標定，有標準值法和標準表法兩種方法。標準值法就是用適當?shù)姆椒ń⑵鹨幌盗袊H溫標定義的固定溫度點(恒溫)作標準值，把被標定溫度計(或傳感器)依次置于這些標準溫度值之下，記錄下溫度計的相應(yīng)示值(或傳感器的輸出)，并根據(jù)國際溫標規(guī)定的內(nèi)插公式對溫度計(傳感器)的分度進行對比記錄，從而完成對溫度計的標定；被定后的溫度計可作為標準溫度計來測溫度。更為一般和常用的另一種標定方法是把被標定溫度計(傳感器)與已被標定好的更高一級精度的溫度計(傳感器)，緊靠在一起，共同置于可調(diào)節(jié)的恒溫槽中，分別把槽溫調(diào)節(jié)到所選擇的若干溫度點，比較和記錄兩者的讀數(shù)，獲得一系列對應(yīng)差值，經(jīng)多次升溫，降溫、重復(fù)測試，若這些差值穩(wěn)定，則把記錄下的這些差值作為被標定溫度計的修正量，就成了對被標定溫度計的標定。四、對測溫的要求對溫度測量的要求包括以下兩方面：1．足夠的準確度2.良好的動態(tài)響應(yīng)在很多情況下，被測溫度是隨時間而變化的，而且有時變化速率比較快。即要求測溫傳感器有效小的“慣性”，測量線路有足夠高的頻率響應(yīng)。

§7—2測溫方法的種類和特點

一、測溫方法分類

按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測量。超低溫一般是指0～10K，低溫指10～800K，中溫指800～1900K，高溫指1900～2800K的溫度，2800K以上被認為是超高溫。晶體管半導(dǎo)體集成電路溫度傳感器物理現(xiàn)象

體積熱膨脹

電阻變化溫差電現(xiàn)象導(dǎo)磁率變化電容變化壓電效應(yīng)超聲波傳播速度變化P–N結(jié)電動勢晶體管特性變化熱、光輻射種類鉑測溫電阻、熱敏電阻熱電偶鈦酸鍶鋇BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動器超聲波溫度計半導(dǎo)體二極管輻射溫度傳感器光學(xué)高溫計1.氣體溫度計2.玻璃制水銀溫度計3.玻璃制有機液體溫度計4.雙金屬溫度計5.液體壓力溫度計6.氣體壓力溫度計1．

熱鐵氧體2．

Fe-Ni-Cu合金按照所用方法之不同，溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。

1.接觸式測溫接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參效的量值就代表了被測對象的溫度值。優(yōu)點：直觀可靠。缺點：是感溫元件影響被測溫度場的分布，響應(yīng)差、接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。2、非接觸式測溫

非接觸測溫的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行熱交換，故可避免接觸測溫法的缺點。優(yōu)點：具有不改變被測物體的溫度分布，熱慣性小，測溫上限可設(shè)計得很高，響應(yīng)可達微秒、納秒級，便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。缺點：受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。

接觸式測溫與非接觸式測溫各有所長，隨著近代科學(xué)技術(shù)的進展，采用非接觸式來測溫已顯得愈來愈重要?，F(xiàn)比較如下：

1)接觸式測溫是將測溫元件與被測對象相接觸進行的，需要一定的時間使兩者達到熱平衡，因此產(chǎn)生測溫的滯后現(xiàn)象一般較大，且不適于測量小物體溫度；同時測溫元件易破壞被測對象溫度場，并有可能與之產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。而非接觸式是通過被測對象的熱輻射進行的，反應(yīng)速度一般比較快，且不會破壞被測對象的溫度場。2)接觸式溫度計簡單、可靠、測試精確，一般為刻度的1％左右。而非接觸式溫度計由于受物體的發(fā)射率，被測對象到儀表之間的距離、煙塵積水蒸氣等的影響，其測試誤差較大，一般為10℃左右，但它在原理上沒有溫度上限的限制，適宜于高溫測試。接觸式受耐高溫材料的限制，不能用于測試很高的溫度。3)接觸式對運動狀態(tài)的物體的測溫有困難，但可以測試任何地點的溫度。非接觸式易于進行運動物體的測溫，一般用于測試表面溫度。二、溫度計的選用原則1)測溫范圍的大小和精度要求。2）測溫元件的大小適當與否。3)在被測對象溫度隨時間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應(yīng)測溫要求。4)被測對象和環(huán)境條件對測溫元件是否有損害。接觸式與非接觸式測溫特點比較

方式接觸式非接觸式

測量條件

感溫元件要與被測對象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對象的溫度；被測溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度;被測對象不對感溫元件產(chǎn)生腐蝕需準確知道被測對象表面發(fā)射率；被測對象的輻射能充分照射到檢測元件上

測量范圍

特別適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，對高于l300℃以上的溫度測量較困難原理上測量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測量誤差大，能測運動物體和熱容小的物體溫度

精度

工業(yè)用表通常為1.0、0.5、0.2及0.1級，實驗室用表可達0.01級通常為1.0、1.5、2.5級

響應(yīng)速度慢，通常為秒級快，通常為微秒至毫秒

其它特點

整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維護方便、價格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測物體實際溫度；可方便地組成多路集中測量與控制系統(tǒng)整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測物體表現(xiàn)溫度(需進一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測溫、控溫一體化的溫度控制裝置各種溫度檢測方法及其測溫范圍§7-3接觸式測溫方法

根據(jù)測溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測溫又可分為膨脹(包括液體和固體膨脹)式，熱阻(包括金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻)式、熱電(包括熱電偶和PN結(jié))式等多種形式。一、熱膨脹式測溫方法

膨脹式測溫是基于物體受熱時產(chǎn)生膨脹的原理，分為液體膨脹式和固體膨脹式兩類。一般膨脹式溫度測量大都在-5℃0～550℃范圍內(nèi)，用于那些溫度測量或控制精度要求較低，不需自動記錄的場合。膨脹式溫度計種類很多，按膨脹基體可分成液體膨脹式玻璃溫度計、液體或氣體膨脹式壓力溫度計及固體膨脹式雙金屬溫度計。玻璃溫度計按使用方式又可分全浸式和局浸式兩大類。全浸式即是把玻璃溫度計液柱全部浸沒在被測介質(zhì)中。此種方式特點是測溫準確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。局浸式為溫度計液柱部分(固定長度)浸入被測介質(zhì)中，部分暴露在空氣中。此種方式特點是讀數(shù)容易，但測量誤差較大，即使采取修正措施其誤差比全浸式仍要大好幾倍或更多。1.玻璃溫度計

玻璃液體溫度計簡稱玻璃溫度計，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計最常用的液體，其凝固點為-38.9℃、測溫上限為538℃。對于較低溫度測量，可以用其它有機液體(如酒精下限為-62℃，甲苯下限為-90℃，而戊烷則可達-20l℃)。玻璃溫度計具有結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，價格低廉，測溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場直接讀數(shù)，一般無需能源，易破損，測溫值難自動遠傳記錄等特點。壓力溫度計結(jié)構(gòu)示意圖

這類壓力溫度計其毛細管細而長(規(guī)格為1—60m)它的作用主要是傳遞壓力，長度愈長，則使溫度計響應(yīng)愈慢，在長度相等條件下，管愈細，則準確度愈高。壓力溫度計和玻璃溫度計相比，具有強度大、不易破損、讀數(shù)方便，但準確度較低、耐腐蝕性較差等特點。壓力溫度計測溫范圍下限能達-100℃以下，上限最高可達600℃，常用于汽車、拖拉機、內(nèi)燃機、汽輪機的油、水系統(tǒng)的溫度測量。

2.壓力溫度計

壓力溫度計是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)其測溫功能的。壓力溫度計的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。它由充有感溫介質(zhì)的感溫包、傳遞壓力元件(毛細管)及壓力敏感元件齒輪或杠桿傳動機構(gòu)、指針和讀數(shù)盤組成。3.雙金屬溫度計 固體長度隨溫度變化的情況可用下式表示，即

式中 ——固體在溫度時的長度； ——固體在溫度時的長度； ——固體在溫度，之間的平均線膨脹系數(shù)。

基于固體受熱膨脹原理，測量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)差異相對很大的金屬片疊焊在一起，構(gòu)成雙金屬片感溫元件（俗稱雙金屬溫度計）。當溫度變化時，因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數(shù)差異相對很大而產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，導(dǎo)致雙金屬片產(chǎn)生彎曲變形。

雙金屬溫度計原理圖在一端固定的情況下，如果溫度升高，下面的金屬B（例如黃銅）因熱膨脹而伸長，上面的金屬A（例如因瓦合金）卻幾乎不變。致使雙金屬片向上翹，溫度越高則產(chǎn)生的線膨脹差越大，引起的彎曲角度也越大。其關(guān)系可用下式表示：式中 x——雙金屬片自由端的位移，mm；

l——雙金屬片的長度，mm； d——雙金屬片的厚度，mm； ——雙金屬片的溫度變化，℃； G——彎曲率(將長度為100mm，厚度為1mm的線狀雙金屬片的一端固定，當溫度變化1℃(1K)時，另一端的位移稱為彎曲率)，取決于頭金屬片的材質(zhì)，通常為(5～14)×10-6／K。

目前，實際采用的雙金屬材料及測溫范圍：100℃以下，通常采用黃銅與34％鎳鋼；150℃以下，通常采用黃銅與因瓦合金；250℃以上，通常采用蒙乃爾高強度耐蝕鎳合金與34％~42％鎳鋼。雙金屬溫度計不僅可用于測量溫度，而且還可方便地用作簡單溫度控制裝置(尤其是開關(guān)的“通—斷”控制)。二、熱阻式測溫方法

基于熱電阻原理測溫是根據(jù)金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)，將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而達到測溫的目的。用于制造熱電阻的材料，要求電阻率、電阻溫度系數(shù)要大，熱容量、熱慣性要小，電阻與溫度的關(guān)系最好近于線性；另外，材料的物理、化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，易提純，同時價格盡可能便宜。熱電阻測溫的優(yōu)點是信號靈敏度高、易于連續(xù)測量、可以遠傳（與熱電偶相比）、無需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準確度高，可以用作基準儀表。熱電阻主要缺點是需要電源激勵、有（會影響測量精度）自熱現(xiàn)象以及測量溫度不能太高。常用熱電阻種類主要有鉑電阻、銅電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻。1.鉑電阻測溫

鉑電阻的電阻率較大，電阻—溫度關(guān)系呈非線性，測溫范圍廣，精度高，且材料易提純，復(fù)現(xiàn)性好；在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理、化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定。國標ITS一90規(guī)定，在-259．34～630．74℃溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計作為基準溫度儀器。

鉑的純度用百度電阻比W100表示。它是鉑電阻在100℃時電阻值R100與O℃時電阻值R0之比，即W100＝R100／R0。W100越大，其純度越高。目前技術(shù)已達到W100＝1.3930，其相應(yīng)的鉑純度為99.9995％。國標ITS一90規(guī)定，作為標準儀器的鉑電阻W100應(yīng)大于1.3925。一般工業(yè)用鉑電阻的Wl00應(yīng)大于1.3850。目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用；而Pt10是用較粗的鉑絲制作的，主要用于600℃以上的測溫。鉑電阻測溫范圍通常最大為-200℃～850℃。當 ℃時 當 ℃時

式中 ---溫度為零時鉑熱電阻的電阻值（Ptl00為100，Ptl0為10）； ---溫度為t時鉑熱電阻的電阻值； ℃

鉑電阻與溫度的關(guān)系：熱電阻主要由感溫元件、內(nèi)引線、保護管3部分組成。通常還具有與外部測量及控制裝置、機械裝置連接的部件。它的外形與熱電偶相似，使用時要注意避免用錯。熱電阻的結(jié)構(gòu)工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

熱電阻感溫元件是用來感受溫度的電阻器。它是熱電阻的核心部分，由電阻絲及絕緣骨架構(gòu)成。作為熱電阻絲材料應(yīng)具備如下條件：①電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定；②使用溫度范圍廣、加工方便；③固有電阻大，互換性好，復(fù)制性強。能夠滿足上述要求的絲材，最好是純鉑絲。絕緣骨架是用來纏繞、支承或固定熱電阻絲的支架。它的質(zhì)量將直接影響電阻的性能。因此，作為骨架材料應(yīng)滿足如下要求：①在使用溫度范圍內(nèi)，電絕緣性能好；②熱膨脹系數(shù)要與熱電阻相近；③物理及化學(xué)性能穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害物質(zhì)污染熱電阻絲；④足夠的機械強度及良好的加工性能；⑤比熱小，熱導(dǎo)率大。

目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。用不同骨架可制成各種熱電阻感溫元件。云母骨架感溫元件的結(jié)構(gòu)特點是：抗機械振動性能強，響應(yīng)快。很久以來多用云母作骨架。但是，由于云母是天然物質(zhì)，其質(zhì)量不穩(wěn)定；即使是優(yōu)質(zhì)云母，在600℃以上也要放出結(jié)晶水并產(chǎn)生變形。所以，使用溫度宜在500℃以下。云母骨架感溫元件，因其電阻絲并非完全固定，故受熱后引起電阻變化小，電阻性能比較穩(wěn)定，但其體積較大，不適宜在狹小場所進行測量，并且響應(yīng)時間較長是其不足。

玻璃骨架感溫元件其特點是：體積小，響應(yīng)快、抗振性強。因鉑絲已固定在玻璃骨架上，故在使用中不產(chǎn)生形變，因此，必須選取與電阻絲具有相同膨脹系數(shù)的玻璃作骨架。否則，當溫度變化時引起膨脹或收縮，就會改變熱電阻的性能。這種玻璃骨架的軟化點約為450℃，最高安全使用溫度為400℃，而且，低溫到4K仍然可用。

陶瓷骨架感溫元件的特點是：體積小、響應(yīng)快、絕緣性能好。使用溫度上限可達960℃。陶瓷骨架的缺點是機械強度差，不易加工。

熱電阻的引線形式 內(nèi)引線是熱電阻出廠時自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測量及控制裝置相連接。內(nèi)引線通常位于保護管內(nèi)。因保護管內(nèi)溫度梯度大，作為內(nèi)引線要選用純度高、不產(chǎn)生熱電動勢的材料。對于工業(yè)鉑熱電阻而言，中低溫用銀絲作引線，高溫用鎳絲。這樣，既可降低成本，又能提高感溫元件的引線強度。對于銅和鎳熱電阻的內(nèi)引線，一般都用銅、鎳絲。為了減少引線電阻的影響，內(nèi)引線直徑通常比熱電阻絲的直徑大很多。

熱電阻的外引線有兩線制、三線制及四線制三種，如圖所示。①兩線制 在熱電阻感溫元件的兩端各連一根導(dǎo)線的引線形式為兩線制。這種兩線制熱電阻配線簡單，安裝費用低，但要帶進引線電阻的附加誤差。

從圖中可以看出熱電阻兩引線電阻和熱電阻一起構(gòu)成電橋測量臂，這樣當引線電阻隨沿線環(huán)境溫度改變引起的阻值變化量 和熱電阻隨被測溫度變化的增量值 一起成為有效信號轉(zhuǎn)換成測量信號電壓，從而影響溫度測量精度。

兩線制熱電阻測量電橋

a)示意圖 b)等效原理圖

②三線制

在熱電阻感溫元件的一端連接兩根引線，另一端連接一根引線，此種引線形式稱為三線制。用它構(gòu)成測量電橋，可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測量精度高于兩線制。目前三線制在工業(yè)檢測中應(yīng)用最廣。而且，在測溫范圍窄或?qū)Ь€長或?qū)Ь€途中溫度易發(fā)生變化的場合必須考慮采用三線制。

三線制熱電阻測量電橋 a)示意圖b)等效原理圖③)四線制 在熱電阻感溫元件的兩端各連兩根引線。在高精度測量時，要采用如圖所示四線制。此種引線方式不僅可以消除內(nèi)引線電阻的影響，而且在連接導(dǎo)線阻值相同時，消除該電阻的影響。還可以通過CPU定時控制繼電器一對觸點C和D的通斷，改變測量熱電阻中的電流方向，消除測量過程中的寄生電勢影響。

四線制熱電阻測量電橋 a)示意圖b)等效原理圖四線電阻和三線電阻是完會不同的兩個概念，四線電阻主要用于高精度的場盒，四線電阻有一根導(dǎo)線是用來計算其導(dǎo)線電阻阻值的，所以幾乎可以完全減去引線的阻值，四線電阻多用于計量和化工科研單位做為溫場記錄用高精度傳感器。大部分工業(yè)一般用三線，三線電阻和四線電阻的二次顯示表也有區(qū)別。1）.銅電阻

銅電阻(WZC)的電阻值與溫度的關(guān)系幾乎呈線性，其材料易提純，價格低廉；但因其電阻率較低（僅為鉑的1/2左右）而體積較大，熱響應(yīng)慢；另因銅在250℃以上溫度本身易于氧化，故通常工業(yè)用銅熱電阻（分度號分別為Cu50和Cul00）一般其工作溫度范圍為-40℃～120℃。其電阻值與溫度的關(guān)系為：

式中 ---溫度為零時銅熱電阻的電阻值（Cul00為100Ω,Cu50為50Ω）； ---溫度為t時銅熱電阻的電阻值；2.銅電阻和熱敏電阻測溫2）.半導(dǎo)體熱敏電阻 對于在低溫段-50—350℃左右的范圍、測溫要求不高的場合，目前世界各國，特別是工業(yè)化國家，采用半導(dǎo)體熱敏元件作溫度傳感器。大量用于各種溫度測量、溫度補償及家電、汽車等要求不高的溫度控制。①靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個數(shù)量級；由于靈敏度高，可大大降低后面調(diào)理電路的要求；②標稱電阻有幾歐到十幾兆歐之間的不同型號、規(guī)格，因而不僅能很好地與各種電路匹配，而且遠距離測量時幾乎無需考慮連線電阻的影響；③體積小(最小珠狀熱敏電阻直徑僅0.1～0.2mm)，可用來測量“點溫”④熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測量場合；⑤結(jié)構(gòu)簡單、堅固，能承受較大的沖擊、振動；⑥易于大批量生產(chǎn)，成本和價格十分低廉。（1）熱敏電阻和熱電阻、熱電偶及其它接觸式感溫元件相比具有下列優(yōu)點：①阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴重；②元件的一致性差，互換性差；③元件易老化，穩(wěn)定性較差；④除特殊高溫熱敏電阻外，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍，使用時必須注意。（2）熱敏電阻的主要缺點：三、熱電偶（熱電式測溫方法）

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：

①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。

③構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成。1熱電偶的工作原理熱電偶是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的元件。所謂熱電效應(yīng)是指兩種不同導(dǎo)體A、B的兩端連接成如圖7所示的閉合回路。若使連接點分別處于不同溫度場T0和T（設(shè)T>T0），則在回路中產(chǎn)生由于接點溫度差（T－T0）引起的電勢差。通常把兩種不同金屬的這種組合稱為熱電偶，A和B稱為熱電極，溫度高的接點稱為熱端（或工作端），溫度低的接點稱為冷端（或自由端）。熱電效應(yīng)

溫差電勢示意圖接觸電勢示意圖熱電效應(yīng)也稱塞貝克效應(yīng)，這一現(xiàn)象在物理學(xué)中已作了深入的研究，得到熱電偶回路中產(chǎn)生的電勢差為

式中NA——材料A的電子密度；

NB——材料B的電子密度；

sA——導(dǎo)體A的湯姆遜系數(shù)；

sB——導(dǎo)體B的湯姆遜系數(shù)；

k

——玻耳茲曼常數(shù)。從上式可知，前一項是由于兩種不同材料金屬連接時產(chǎn)生的接觸電勢差，取決于材料的電子密度；而后一項是由于同一種材料的均質(zhì)導(dǎo)體，當兩端溫度不同時產(chǎn)生的溫差電勢，即所謂湯姆遜效應(yīng)。但由于導(dǎo)體湯姆遜效應(yīng)引起的電勢差相比甚小，?？珊雎浴Ｓ谑钱敳牧螦、B的特性（NA、NB）為已知時，并使一端溫度T0固定，則待測溫度T是電動勢E（T，T0）的單值函數(shù)。這給工程中用熱電偶測量溫度帶來極大的方便。為了使熱電偶冷端溫度T0固定，通常采用一些措施對冷端進行補償。常用的方法是將冷端置于冰內(nèi)或恒溫槽中，或采用補償導(dǎo)線法將熱電極冷端延伸，或通過補償電橋法補償冷端的溫度變化。接觸面上金屬A的電子擴散到B，A失去電子帶正電，B因獲得電子帶負電，在接觸面上形成了靜電場，這個靜電場將阻止擴散過程的進行，當自由電子密度的不同引起的擴散能力與靜電場的作用相互抵消時，達到了動平衡，在接觸面上形成一個穩(wěn)定的接觸電位差。自由電子密度nA＞nB接觸電勢（珀耳貼電勢）

不同導(dǎo)體自由電子的密度是不同的,當兩種不同導(dǎo)體接觸時,在接觸面上將產(chǎn)生電子擴散,電子擴散的速率與自由電子的密度及接觸區(qū)的溫度成正比。同一種金屬的溫差電勢（湯姆遜電勢）

在同一導(dǎo)體中，存在溫度梯度時，會產(chǎn)生溫差電勢。

▲兩端的溫度不一致時，高溫端的自由電子具有的動能大，向低溫端擴散，跑到低溫端去堆積起來，在導(dǎo)體內(nèi)形成一個靜電場，阻止電子擴散，當兩者的作用相互抵消時，在導(dǎo)體兩端就形成一個穩(wěn)定的電位差。2熱電偶基本定律從式中可以得出熱電偶的一些基本定律，即1.組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體材料相同時，無論兩接點的溫度如何，回路總熱電勢為零；2.若熱電偶兩接點溫度相等，即T=T0，回路總熱電勢仍為零；3.熱電偶的熱電勢輸出只與兩接點溫度及材料的性質(zhì)有關(guān)，與材料A、B的中間各點的溫度、形狀及大小無關(guān)。4.在熱電偶中插入第三種材料，只要插入材料兩端的溫度相同，對熱電偶的總熱電勢沒有影響。這一定律稱之為中間導(dǎo)體定律。中間導(dǎo)體定律對熱電偶測溫具有特別重要的實際意義。因為利用熱電偶來測量溫度時，必須在熱電偶回路中接入測量導(dǎo)線或測量儀表，也就是相當于接入第三種材料，如圖所示。將熱電偶的一個接點分開，接入第三種材料C。當三個接點的溫度相同（T0）時，則不難證明

如果A、B接點的溫度為T，其余接點的溫度為T0，且T＞T0，則回路中的總熱電勢為各接點電勢之和，即

由式得

因此

由上式可以看出，由導(dǎo)體A、B組成的熱電偶，當插入第三種導(dǎo)體時，只要該導(dǎo)體兩端的溫度相同，插入導(dǎo)體C后對回路總的熱電勢無影響。將第三種導(dǎo)體C用測量儀表或連接導(dǎo)線代替，并保持兩個接點的溫度一致，這樣就可以對熱電勢進行測量而不影響熱電偶的熱電勢輸出。

三種導(dǎo)體形成的回路

3常用熱電偶（一）、熱電偶的材料及種類

根據(jù)熱電偶的原理，只要是兩種不同金屬材料都可以形成熱電偶。但是為了保證工程技術(shù)中的可靠性以及足夠的測量精度，一般說來，要求熱電偶電極材料具有熱電性質(zhì)穩(wěn)定、不易氧化或腐蝕、電阻溫度系數(shù)小、電導(dǎo)率高、測溫時能產(chǎn)生的較大熱電勢等要求，并且希望這個熱電勢隨溫度單值地線性或接近線性變化；同時還要求材料的復(fù)制性好、機械強度高、制造工藝簡單、價格便宜、能制成標準分度。

應(yīng)該指出，實際上沒有一種材料能滿足上述全部要求，因此在設(shè)計選用熱電偶的電極材料時，要根據(jù)測溫的具體條件來加以選擇。

貴金屬熱電偶電極直徑大多在0.13～0.65mm范圍內(nèi)，普通金屬熱電偶電極直徑為0.5～3.2mm。熱電極有正、負之分，在其技術(shù)指標中會有說明，使用時應(yīng)注意到這一點。

目前，常用熱電極材料分貴金屬和普通金屬兩大類，貴金屬熱電極材料有鉑銠合金和鉑；普通金屬熱電極材料有鐵、銅、康銅、考銅、鎳鉻合金、鎳硅合金等，還有銥、鎢、鋅等耐高溫材料，這些材料在國內(nèi)外都已經(jīng)標準化。不同的熱電極材料的測量溫度范圍不同，一般可將熱電偶用于0～1800℃范圍的溫度測量。適于制作熱電偶的材料有300多種，其中廣泛應(yīng)用的有40～50種。

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。

標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。

非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。

國際電工委員會向世界各國推薦8種熱電偶作為標準化熱電偶，我國標準化熱電偶也有8種。分別是：鉑銠10-鉑(分度號為S)、鉑銠13-鉑(R)、鉑銠30-鉑銠6(B)、鎳鉻-鎳硅(K)、鎳鉻-康銅(E)、鐵-康銅(J)、銅-康銅(T)和鎳鉻硅-鎳硅(N)。下面簡要介紹其中幾種。

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。

鉑銠10-鉑熱電偶由純鉑絲和直徑相同的鉑銠絲制成，分度號為S。鉑銠絲為正極,

純鉑絲為負極。它的特點是熱電性能好，抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用。長期適用的溫度為1400℃，超過此溫度時，即使在空氣中純鉑絲也將再結(jié)晶而使晶粒增大。短期使用溫度為1600℃。在所有的熱電偶中，它的準確度等級最高,

通常用作標準或測量高溫的熱電偶，其使用溫度范圍廣（0~1600℃），均質(zhì)性及互換性好；其缺點是價格昂貴,熱電勢較小，需配靈敏度高的顯示儀表。銅-康銅熱電偶

純銅為正極，康銅為負極，分度號為T。其特點是：在賤金屬熱電偶中準確度最高，熱電絲均勻性好，使用溫度范圍為-200～

350℃。鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶鎳鉻為正極，鎳硅為負極，分度號為K。其特點是：使用溫度范圍寬（-50~1300℃），高溫下性能較穩(wěn)定，熱電動勢和溫度的關(guān)系近似線性，價格便宜，因此是目前用量最大的一種熱電偶。它適用于在氧化性和惰性氣氛中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃，長期使用溫度為1000℃。鎳鉻—康銅熱電偶鎳鉻為正極，康銅為負極，分度號為E。它的最大特點是在常用熱電偶中熱電動勢最大，即靈敏度最高，適宜在－250~870℃范圍內(nèi)的氧化性或惰性氣氛中使用,尤其適宜在0℃以下使用。在濕度大的情況下，較其它熱電偶耐腐蝕。此外，還有非標準化熱電偶，有鎢錸系列（屬難融金屬），鉑銠系列，銥銠系列，鉑鉬系列及非金屬熱電偶等。工業(yè)用熱電偶測溫范圍被測對象的溫度范圍在-200—300℃時，可優(yōu)選T型熱電偶，因為它在賤金屬熱電偶中精度最高；或選E型熱電偶，它是賤金屬熱電偶中熱電勢最大、靈敏度最高的熱電偶。熱電偶的選用除了考慮被測對象的溫度范圍外，還需考慮熱電偶使用的環(huán)境：通常當上限溫度＜1000℃，可優(yōu)先選K型熱電偶，其特點為使用溫度范圍寬(上限最高可達1300℃)、高溫性能較穩(wěn)定，價格較滿足該溫區(qū)的其它熱電偶低；當上限溫度＜1300℃，可選N型或K型。當測溫范圍為1000—1400℃時，可選S或R型熱電偶；當測溫范圍為1400℃～1800℃時，應(yīng)選B型熱電偶；當測溫上限大于1800℃，應(yīng)考慮選用屬非國際標準的鎢錸系列熱電偶(其最高上限溫度可達2800℃，但超過2300℃其準確度要下降；要注意保護，因為鎢極易氧化，必須用惰性或干燥氫氣把熱電偶與外界空氣嚴格隔絕。在易氧化環(huán)境下，且被測溫度上限小于1300℃，應(yīng)優(yōu)先選用抗氧化能力強的賤金屬N型或K型；當測溫上限高于1300℃，應(yīng)選S、R或B型貴金屬熱電偶。在真空或還原性氣環(huán)境下，當上限溫度低于950℃時，應(yīng)優(yōu)先選用J型熱電偶(它不僅可在還原氣氛下工作，也可在氧化氣氛中使用)，高于此限，或選鎢錸系列熱電偶，或非貴金屬系列熱電偶，或選采取特別的隔絕保護措施的其它標準熱電偶。熱接點的幾種結(jié)構(gòu)（二）、熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶的測量端又稱為熱接點，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)于不同的溫度測量環(huán)境。熱接點從本質(zhì)上說，都是將兩種或兩種以上的熱電偶材料用各種方法可靠地連接在一起，通?？梢圆捎勉q接、焊接、鍍層等方法實現(xiàn)。常用的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。熱電偶兩熱電極之間通常用耐高溫材料絕緣。根據(jù)被測對象的不同，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的。常見的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝熱電偶、薄膜熱電偶（片狀、針狀）等，如圖所示。圖幾種熱電偶的結(jié)構(gòu)（a）普通熱電偶結(jié)構(gòu)；（b）鐵－鑷薄膜熱電偶；（c）鎧裝熱電偶工作端結(jié)構(gòu)

4熱電偶測溫線路的基本組成:——————熱電偶，補償導(dǎo)線，連接導(dǎo)線和二次儀表組成。電壓放大器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5熱電偶的冷端溫度補償方法冰點槽法計算修正法補正系數(shù)法零點遷移法冷端補償法原因熱電偶熱電勢的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢是被測溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會產(chǎn)生誤差。參考端的形式和用途參考端形式用途冰點式常用的冰點瓶是在保溫瓶內(nèi)盛滿冰水混合物用于校正標準熱電偶等高精度溫度測量電子式利用半導(dǎo)體制冷的原理,冷卻密封的水槽,從而把參考端溫度保持在0,體積小,操作簡單用于熱電溫度計的溫度測量恒溫槽式利用溫度調(diào)節(jié)器將溫度恒定。如果它的溫度不是0,要用其它溫度計測出其溫度并進行修正補償式利用不平衡電橋進行補償,又稱補償電橋法室溫式(零點遷移法)無參考端恒定裝置,或?qū)⒖级酥糜谟椭欣糜偷亩栊允箙⒖级藴囟缺３忠恢录敖咏覝赜糜诰炔惶叩臏y量mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補償導(dǎo)線熱電偶冰點槽冰水溶液T01.冰點槽法把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于科學(xué)實驗中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。2參比端處理(計算修正法)__軟件處理法

當熱電偶的測量端和參比端溫度分別為t、to，則熱電動勢

可變成

式中 -----測量端和參比端溫度分別為t、to時的熱電勢； ----測量端和參比端溫度分別為t1、to時的熱電勢；

-----測量端和參比端溫度分別為t，t1時的熱電勢。［例］：用K型熱電偶測爐溫時，測得參比端溫度t1＝38℃；測得測量端和參比端間的熱電動勢E(t,38℃)＝29.90mV，試求實際爐溫。由K型分度表查得E(38，0)＝1.53mV，由式可得到：

E(t，0)＝E(t,t1)+E(t1,0)＝29.90+1.53=31.43mV 再查K型分度表，由31.43mV查得到實際爐溫755℃。上述例子，若參比端不作修正，則按所測測量端和參比端間的熱電動勢E(t,38℃)＝29.90mV查K型分度表得對應(yīng)的爐溫718℃，與實際爐溫755℃相差37℃，由此產(chǎn)生的相對誤差約為5%。由此可見，如果不考慮參比端溫度修正、補償有時將產(chǎn)生相當大的（溫度）測量誤差。使用補償線法為使熱電偶冷端溫度保持不變，不受熱源的影響，往往需要使冷端遠離工作點，為了不使用過多的貴重的熱電偶導(dǎo)線，往往采用價格低廉的導(dǎo)線來替代部分熱電偶導(dǎo)線，如圖。A’、B’這就是補償線法。要求補償導(dǎo)線的熱電性質(zhì)與所用熱電偶相同或相近。3.冷端補償法補償導(dǎo)線的作用

用補償導(dǎo)線把兩個熱電極延長到所需要的長度（即將熱電偶的參比端延伸到遠離熱源或環(huán)境溫度較恒定的地方），而又保持熱電性質(zhì)不變。根據(jù)中間導(dǎo)體定律，可以采用與熱電偶的熱電性能相似的材料作為補償導(dǎo)線，連接在熱電偶電極和冷端之間，不會影響測量結(jié)果。使用補償導(dǎo)線的優(yōu)點： ①改善熱電偶測溫線路的機械與物理性能，采用多股或小直徑補償導(dǎo)線可提高線路的撓性，接線方便，也可以調(diào)節(jié)線路的電阻或遮蔽外界干擾； ②降低測量線路的成本。當熱電偶與儀表的距離很遠時，可用賤金屬補償型補償導(dǎo)線代替貴金屬熱電偶。需要說明的是：補償導(dǎo)線在一定溫度范圍內(nèi)，其熱電性能與熱電偶基本一致，且它的作用只是把熱電偶的參比端移至離熱源較遠或環(huán)境溫度恒定的地方，但不能消除參比端不為0℃的影響，所以，仍須將參比端的溫度修正到0℃。補償導(dǎo)線使用須注意事項如下：①各種補償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶匹配使用；連接時，切勿將補償導(dǎo)線極性接反。②補償導(dǎo)線與熱電偶連接點的溫度，不得超過規(guī)定的使用溫度范圍，通常接點溫度在100℃以下，耐熱用補償導(dǎo)線可達200℃。③由于補償導(dǎo)線與電極材料通常并不完全相同，因此兩連接點溫度必須相同，否則會產(chǎn)生附加電勢、引入誤差。④在需高精度測溫場合，處理測量結(jié)果時應(yīng)加上補償導(dǎo)線的修正值，以保證測量精度。6熱電偶的標定（非標準熱電偶）

熱電偶的標定就是將制成的熱電偶進行分度，其方法是把熱電偶的參考端恒定為0℃，改變熱接點的溫度，用適當精度的儀表測量出該熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的數(shù)值，從而得到熱電勢與溫度的關(guān)系，編制成表，以備查用。對于一些標準規(guī)格型號的熱電偶，國家已有標準的分度表可供查用。當使用這幾種熱電偶時，只需定期地對所用的熱電偶進行檢驗，檢查它們在規(guī)定的溫度下所產(chǎn)生的熱電勢值是否符合分度表所給的數(shù)值，給出實際偏差，以便測量時加以修正。熱電偶的標定方法有許多種，國家已經(jīng)編制了詳細的檢定規(guī)程，并且有專設(shè)的計量部門從事這方面的研究及服務(wù)。對于工程測試來說，除了可以將所用的熱電偶達到計量部門去標定外，有時，還必須自己進行標定工作。較常用的標定方法是比較法。78564321穩(wěn)壓電源220V熱電偶校驗圖1-調(diào)壓變壓器；2-管式電爐；3標準熱電偶；4-被校熱電偶；5-冰瓶(杜瓦瓶)；6-切換開關(guān)；7-測試儀表；8-試管300℃以下，采用恒溫油浴，與標準水銀溫度計進行比較；300～1300℃，采用管式電爐，與標準鉑銠—鉑熱電偶進行比較；

1300～2000℃，采用鉬絲爐，與一等或二等光學(xué)高溫計進行比較。

標定時，要有一個溫度均勻，穩(wěn)定，又可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)的熱源。熱源的種類視需要標定的溫度范圍而異。應(yīng)把被標定的熱電偶與作為標準用的熱電偶的熱接點置于爐內(nèi)同一點上，以保證二者所處的溫度相同。7熱電偶的動態(tài)特性熱電偶以及其他接觸式測溫傳感器的動態(tài)響應(yīng)本質(zhì)上是一個瞬態(tài)傳熱的問題。

1．時間常數(shù)熱電偶測溫的數(shù)學(xué)模型可用下式表示：其中τ稱為熱電偶的時間常數(shù)。

式中c——熱接點的比熱(J／kg·K)；m——熱接點的質(zhì)量(kg)；h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W／m2·K)；A——熱接點的表面積(m2)。c·m項表示該熱偶測量接點的熱容量的大小，h·A項則表示向熱電偶熱接點傳熱的速率。從式可以找到減小熱電偶常數(shù)的途徑，即減小熱接點的質(zhì)量，加大換熱表面積和加大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。下面以階躍變化的情況為例，討論時間常數(shù)的物理意義。設(shè)熱電偶從某一平衡溫度Tl突然插入到溫度為了T0的溫度場中，熱電偶所顯示的溫度值T將會發(fā)生變化。應(yīng)用上式積分后可得到：當取t＝τ時得到根據(jù)上式，可以對時間常數(shù)做如下定義：如果熱電偶原來的平衡溫度為T1，突然插入到一個溫度為T0的恒溫介質(zhì)中，時間常數(shù)τ就是環(huán)境溫度T1與熱電偶顯示的溫度T的差值（T-T1）減小到初始溫度差（T0-T1）的63.2%所需的時間。

一個測溫元件，熱慣性越小，時間常數(shù)就越小。它在變化的溫度介質(zhì)中能較快地跟隨介質(zhì)溫度的改變。因此，對于瞬態(tài)變化的溫度進行測量時，應(yīng)選用時間常數(shù)小的熱電偶。時間常數(shù)的實驗測定方法根據(jù)上式所得到時間常數(shù)的定義，可以用實驗的方法測出熱電偶的時間常數(shù)。

先使熱電偶處于穩(wěn)定的溫度場T1中，達到熱平衡，在某一瞬時略把它迅速地投入溫度為T0的另一個穩(wěn)定的溫度場中，這一投擲動作應(yīng)盡可能迅速，可以利用機械裝置或電動機構(gòu)來完成，以便造成一個接近于階躍的溫度變化，同時，用示波器記錄變化曲線，在圖中截取T-T1=0.632(T0-T1)，則了點所對應(yīng)的t-t0即為該熱電偶的時間常數(shù)τ。用這種方法可以對各種熱電偶進行測量。8熱電偶測溫的誤差分析l、熱交換的誤差這項誤差的存在使得熱電偶熱端溫度達不到被測溫度，產(chǎn)主原因是由于熱輻射損失和導(dǎo)熱損失。2．熱電偶的不均勻性引起的誤差。3．分度誤差。4．熱電特性不同引起的誤差。補償導(dǎo)線和熱電偶材料在100℃以下時因熱電特性不同而產(chǎn)生的誤差。5．冷端溫度引起的誤差。6．動態(tài)誤差。被測對象溫度的變化，測溫系統(tǒng)不能立即指示出變化了的溫度，因而引起起讀數(shù)誤差。7．絕緣不良引起的誤差。由熱電勢損耗造成了誤差。§7-4非接觸式測溫方法

——————輻射高溫計任何物體，其溫度超過絕對零度，都會以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。而把能對被測物體熱輻射能量進行檢測，進而確定被測物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計。輻射式溫度計的感溫元件不需和被測物體或被測介質(zhì)直接接觸，所以其感溫元件不需達到被測物體的溫度，從而不會受被測物體的高溫及介質(zhì)腐蝕等影響；它可以測量高達攝氏幾千度的高溫。而感溫元件不會破壞被測物體原來的溫度場；可以方便地用于測量運動物體的溫度是此類儀表的突出優(yōu)點。一、概述物體受熱以后，電子的運動動能增加。有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，輻射能量的多少與物體的溫度有關(guān)。設(shè)法對這一部分輻射能進行測量，就可以得知物體的溫度。由于在溫度較低時，物體的輻射能力很弱，而對微弱的輻射能進行精確的測量是很困難的。只有在高溫情況(一般在800℃以上)，輻射能較強，才便于測量。所以這一類基于物體的熱輻射作用來測量物體溫度的儀表稱為輻射高溫計。

輻射高溫計屬于非接觸式測溫儀表，它的敏感元件不必像熱電偶等接觸式測溫儀表那樣置于被測介質(zhì)之中，或被測物體表面上。因此，它不會破壞物體的溫度場，測溫上限不受敏感元件的限制。原則上，可以測任意高的溫度。根據(jù)測量原理的差異，輻射高溫計可以分成三類：

1．單色式：包括光學(xué)高溫計，光電高溫計；2．全輻射式；3．比色式。輻射高溫計已經(jīng)廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。在國防工業(yè)中，亦有廣泛的用途，如測量爆轟溫度，燃燒溫度等。

本節(jié)將要介紹的內(nèi)容包括：輻射高溫計的理論基礎(chǔ)；各類輻射高溫計的工作原理及結(jié)構(gòu)特點等。二、輻射高溫計的理論基礎(chǔ)

（一）、基本概念1．輻射能和熱輻射能

受熱物體將其接受的一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，以波的形式向外放出，包括X射線，紫外線，可見光，紅外線和電磁波。這是按照波長范圍來劃分的。波長為0.4～40um的輻射能，包括可見光(0.4～0.8um)和紅外線(0.8～40um)部分可以被其他物體吸收而轉(zhuǎn)變成熱能，這一部分稱為熱輻射能。非接觸測溫主要是利用光輻射來測量物體溫度。任何物體受熱后都特有一部分的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，溫度越高，則發(fā)射到周圍空間的能量就越多。2．黑體、鏡體、灰體和透明體一種物體若能把投射到它上面的熱輻射能全部吸收，此物體稱為黑體(或絕對黑體)。一種物體能把投射到它上面的熱輻射能全部反射掉，一點也吸收，這種物體稱為鏡體(或絕對白體)?！N物體若能把投射到它上面的熱輻射能吸收一部分，反射掉一部分，這種物體稱為灰體，一般的固體和液體多屬于灰體。一種物體若能使投射到它上面的熱輻射能全部透過，既不吸收，也不反射，這種物體稱為透明體(或絕對透明體)。清潔的空氣是透明體。3．輻射能力、輻射強度和亮度物體在單位時間內(nèi)從單位表面積上放出的輻射能稱為輻射能力或輻射力，以E表示。假定物體表面積為F(m2)，每秒放出Q(J)的輻射能，則有：E＝Q