第七章溫度測(cè)量

第七章溫度測(cè)量

§7-1概述

一、溫度的基本概念

溫度是一個(gè)基本物理量。它是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗(yàn)中需要經(jīng)常測(cè)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(gè)重要物理量。通常把長(zhǎng)度、時(shí)間、質(zhì)量等基準(zhǔn)物理量稱作“外延量”，它們可以疊加，例如把長(zhǎng)度相同的兩個(gè)物體連接起來(lái)，其總長(zhǎng)度為原來(lái)的單個(gè)物體長(zhǎng)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(diǎn)看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)劇烈程度的標(biāo)志，溫度高的物體，其內(nèi)部分子平均動(dòng)能大；溫度低的物體其內(nèi)部分子的平均動(dòng)能亦小。熱力學(xué)的定律指出：具有相同溫度的兩個(gè)物體，它們必然處于熱平衡狀態(tài)。當(dāng)兩個(gè)物體分別與第三個(gè)物體處于熱平衡狀態(tài)，則這兩個(gè)物體也處于熱平衡狀態(tài)，因而這三個(gè)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(zhǔn)溫度值，就可把其它待測(cè)物體的溫度和這些基準(zhǔn)溫度進(jìn)行比較，得到待測(cè)物體的溫度。

二、溫標(biāo)現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)力學(xué)雖然建立了溫度和分子動(dòng)能之間的函數(shù)關(guān)系，但由于目前尚難以直接測(cè)量物體內(nèi)部的分子動(dòng)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(qiáng)度等)隨溫度變化的規(guī)律，通過(guò)這些量來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行間接測(cè)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(duì)同一個(gè)溫度進(jìn)行測(cè)量，也會(huì)得出不同的量值，為了保證溫度量值的準(zhǔn)確和利于傳遞，需要建立一個(gè)衡量溫度的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尺度，即溫標(biāo)。隨著溫度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，溫標(biāo)也經(jīng)歷了一個(gè)逐漸發(fā)展，不斷修改和完善的漸進(jìn)過(guò)程。從早期建立的一些經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，發(fā)展為后來(lái)的理想熱力學(xué)溫標(biāo)和絕對(duì)氣體溫標(biāo)。到現(xiàn)今使用具有較高精度的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，其間經(jīng)歷了幾百年時(shí)間。1.經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)

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

1714年德國(guó)人法勒海特(Fahrenheit)以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，制成玻璃水銀溫度計(jì)，選取氯化銨和冰水的混合物的溫度為溫度計(jì)的零度，人體溫度為溫度計(jì)的100度，把水銀溫度計(jì)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(biāo)，則水的冰點(diǎn)為32℉，沸點(diǎn)為212℉。(它規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的融點(diǎn)為32華氏度，水的沸點(diǎn)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(biāo)

1740年瑞典人攝氏(Celsius)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，把水的冰點(diǎn)規(guī)定為0度，水的沸點(diǎn)規(guī)定為100度。根據(jù)水這兩個(gè)固定溫度點(diǎn)來(lái)對(duì)玻璃水銀溫度計(jì)進(jìn)行分度。兩點(diǎn)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(yàn)溫標(biāo)如列氏、蘭氏等，這里不再一一列舉。經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)與測(cè)溫介質(zhì)有關(guān)，有多少種測(cè)溫介質(zhì)就有多少個(gè)溫標(biāo)。

經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)均依賴于其規(guī)定的測(cè)量物質(zhì)，測(cè)溫范圍也不能超過(guò)其上、下限(如攝氏為0℃、l00℃)。超過(guò)了這個(gè)溫區(qū)，攝氏將不能進(jìn)行溫度標(biāo)定。另外，經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)主觀地認(rèn)為其規(guī)定的溫標(biāo)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(cè)溫需要。2.熱力學(xué)溫標(biāo)

熱力學(xué)溫標(biāo)是英國(guó)物理學(xué)家開(kāi)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(cè)溫物質(zhì)無(wú)關(guān)的溫標(biāo),它是一種理想而不能真正實(shí)現(xiàn)的理論溫標(biāo)，是國(guó)際單位制中七個(gè)基本物理單位之一。熱力學(xué)溫標(biāo)是以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)?？ㄖZ定律指出，一個(gè)工作于恒溫?zé)嵩磁c恒溫冷源之間的可逆熱機(jī)，其效率只與熱源和冷源的溫度有關(guān)。假設(shè)熱機(jī)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(zhǎng)度單位米(m)，質(zhì)量單位千克(kg)，時(shí)間單位秒(s)，溫度單位開(kāi)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(qiáng)度單位坎德拉(cd)開(kāi)爾文引出此溫標(biāo)后，于1854年建議用一個(gè)固定點(diǎn)來(lái)確定此溫標(biāo)。人們發(fā)現(xiàn)水的三相點(diǎn)(273.16K)的穩(wěn)定性。因此，1954年第10屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定采用水的三相點(diǎn)作為熱力學(xué)溫際的基本固定點(diǎn)．此溫標(biāo)的表達(dá)式為：

這種溫標(biāo)的最大特點(diǎn)是與選用的測(cè)溫介質(zhì)性質(zhì)無(wú)關(guān)，克服了經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)隨測(cè)溫介質(zhì)而變的缺陷，故稱它為科學(xué)的溫標(biāo)或絕對(duì)熱力學(xué)溫標(biāo)。由此而得的溫度稱為熱力學(xué)溫度。從此所有的溫度測(cè)量都以熱力學(xué)溫標(biāo)作為基準(zhǔn)。該溫標(biāo)為了在分度上和攝氏溫標(biāo)相一致，把理想氣體壓力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度——絕對(duì)零度（是在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法達(dá)到的理論溫度，而低于0K的溫度不可能存在）與水的三相點(diǎn)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(duì)氣體溫標(biāo)

從理想氣體狀態(tài)方程入手，來(lái)復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)叫絕對(duì)氣體溫標(biāo)。由波義耳定律：PV=RT 式中 P——一定質(zhì)量的氣體的壓強(qiáng)； 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(shí)際上并不存在，故只能用真實(shí)氣體來(lái)制作氣體溫度計(jì)。由于在用氣體溫度計(jì)測(cè)量溫度時(shí)，要對(duì)其讀數(shù)進(jìn)行許多修正又需依據(jù)許多高精度、高難度的精確測(cè)量；因此直接用氣體溫度計(jì)來(lái)統(tǒng)一國(guó)際溫標(biāo)，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(guó)際實(shí)用溫標(biāo)和國(guó)際溫標(biāo)

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

第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)是1927年第七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定采用的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。此后在1948、1960、1968年經(jīng)多次修訂，形成了近20多年各國(guó)普遍采用的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)稱為(IPTS一68)。1989年7月第77屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)建立了新的國(guó)際溫標(biāo)，簡(jiǎn)稱ITS一90。為和IPTS一68溫標(biāo)相區(qū)別，用表示ITS一90溫標(biāo)。ITS一90基本內(nèi)容為：（1）重申國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)單位仍為K，1K等于水的三相點(diǎn)時(shí)溫度值的1/273.16；（2）把水的三相點(diǎn)時(shí)溫度值定義為0.01℃（攝氏度），同時(shí)相應(yīng)把絕對(duì)零度修訂為-273.15℃；這樣國(guó)際攝氏溫度（℃）和國(guó)際實(shí)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(lái)定義。

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

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

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

（4）

新確認(rèn)和規(guī)定17個(gè)固定點(diǎn)溫度值以及借助依據(jù)這些固定點(diǎn)和規(guī)定的內(nèi)插公式分度的標(biāo)準(zhǔn)儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱力學(xué)溫標(biāo)。三、標(biāo)定

對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定，有標(biāo)準(zhǔn)值法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩種方法。標(biāo)準(zhǔn)值法就是用適當(dāng)?shù)姆椒ń⑵鹨幌盗袊?guó)際溫標(biāo)定義的固定溫度點(diǎn)(恒溫)作標(biāo)準(zhǔn)值，把被標(biāo)定溫度計(jì)(或傳感器)依次置于這些標(biāo)準(zhǔn)溫度值之下，記錄下溫度計(jì)的相應(yīng)示值(或傳感器的輸出)，并根據(jù)國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定的內(nèi)插公式對(duì)溫度計(jì)(傳感器)的分度進(jìn)行對(duì)比記錄，從而完成對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定；被定后的溫度計(jì)可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來(lái)測(cè)溫度。更為一般和常用的另一種標(biāo)定方法是把被標(biāo)定溫度計(jì)(傳感器)與已被標(biāo)定好的更高一級(jí)精度的溫度計(jì)(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(diǎn)，比較和記錄兩者的讀數(shù)，獲得一系列對(duì)應(yīng)差值，經(jīng)多次升溫，降溫、重復(fù)測(cè)試，若這些差值穩(wěn)定，則把記錄下的這些差值作為被標(biāo)定溫度計(jì)的修正量，就成了對(duì)被標(biāo)定溫度計(jì)的標(biāo)定。四、對(duì)測(cè)溫的要求對(duì)溫度測(cè)量的要求包括以下兩方面：1．足夠的準(zhǔn)確度2.良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在很多情況下，被測(cè)溫度是隨時(shí)間而變化的，而且有時(shí)變化速率比較快。即要求測(cè)溫傳感器有效小的“慣性”，測(cè)量線路有足夠高的頻率響應(yīng)。

§7—2測(cè)溫方法的種類和特點(diǎn)

一、測(cè)溫方法分類

按照溫度測(cè)量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測(cè)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(rèn)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(dòng)勢(shì)晶體管特性變化熱、光輻射種類鉑測(cè)溫電阻、熱敏電阻熱電偶鈦酸鍶鋇BaSrTiO3陶瓷石英晶體振動(dòng)器超聲波溫度計(jì)半導(dǎo)體二極管輻射溫度傳感器光學(xué)高溫計(jì)1.氣體溫度計(jì)2.玻璃制水銀溫度計(jì)3.玻璃制有機(jī)液體溫度計(jì)4.雙金屬溫度計(jì)5.液體壓力溫度計(jì)6.氣體壓力溫度計(jì)1．

熱鐵氧體2．

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

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

非接觸測(cè)溫的特點(diǎn)是感溫元件不與被測(cè)對(duì)象相接觸，而是通過(guò)輻射進(jìn)行熱交換，故可避免接觸測(cè)溫法的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：具有不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，測(cè)溫上限可設(shè)計(jì)得很高，響應(yīng)可達(dá)微秒、納秒級(jí)，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度。缺點(diǎn)：受到物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測(cè)量誤差較大。

接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫各有所長(zhǎng)，隨著近代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，采用非接觸式來(lái)測(cè)溫已顯得愈來(lái)愈重要?，F(xiàn)比較如下：

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

方式接觸式非接觸式

測(cè)量條件

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

測(cè)量范圍

特別適合1200℃以下、熱容大、無(wú)腐蝕性對(duì)象的連續(xù)在線測(cè)溫，對(duì)高于l300℃以上的溫度測(cè)量較困難原理上測(cè)量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測(cè)量誤差大，能測(cè)運(yùn)動(dòng)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(jí)，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級(jí)通常為1.0、1.5、2.5級(jí)

響應(yīng)速度慢，通常為秒級(jí)快，通常為微秒至毫秒

其它特點(diǎn)

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

根據(jù)測(cè)溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測(cè)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(cè)溫方法

膨脹式測(cè)溫是基于物體受熱時(shí)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(cè)量大都在-5℃0～550℃范圍內(nèi)，用于那些溫度測(cè)量或控制精度要求較低，不需自動(dòng)記錄的場(chǎng)合。膨脹式溫度計(jì)種類很多，按膨脹基體可分成液體膨脹式玻璃溫度計(jì)、液體或氣體膨脹式壓力溫度計(jì)及固體膨脹式雙金屬溫度計(jì)。玻璃溫度計(jì)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(jì)液柱全部浸沒(méi)在被測(cè)介質(zhì)中。此種方式特點(diǎn)是測(cè)溫準(zhǔn)確度高，但讀刻度困難，使用操作不便。局浸式為溫度計(jì)液柱部分(固定長(zhǎng)度)浸入被測(cè)介質(zhì)中，部分暴露在空氣中。此種方式特點(diǎn)是讀數(shù)容易，但測(cè)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(jì)

玻璃液體溫度計(jì)簡(jiǎn)稱玻璃溫度計(jì)，是一種直讀式儀表。水銀是玻璃溫度計(jì)最常用的液體，其凝固點(diǎn)為-38.9℃、測(cè)溫上限為538℃。對(duì)于較低溫度測(cè)量，可以用其它有機(jī)液體(如酒精下限為-62℃，甲苯下限為-90℃，而戊烷則可達(dá)-20l℃)。玻璃溫度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，價(jià)格低廉，測(cè)溫范圍較廣，安裝使用方便，現(xiàn)場(chǎng)直接讀數(shù)，一般無(wú)需能源，易破損，測(cè)溫值難自動(dòng)遠(yuǎn)傳記錄等特點(diǎn)。壓力溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

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

2.壓力溫度計(jì)

壓力溫度計(jì)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(shí)現(xiàn)其測(cè)溫功能的。壓力溫度計(jì)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(xì)管)及壓力敏感元件齒輪或杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、指針和讀數(shù)盤組成。3.雙金屬溫度計(jì) 固體長(zhǎng)度隨溫度變化的情況可用下式表示，即

式中 ——固體在溫度時(shí)的長(zhǎng)度； ——固體在溫度時(shí)的長(zhǎng)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(cè)量溫度通常是把兩片線膨脹系數(shù)差異相對(duì)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(jì)）。當(dāng)溫度變化時(shí)，因雙金屬片的兩種不同材料線膨脹系數(shù)差異相對(duì)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(jì)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)度為100mm，厚度為1mm的線狀雙金屬片的一端固定，當(dāng)溫度變化1℃(1K)時(shí)，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(shí)際采用的雙金屬材料及測(cè)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(qiáng)度耐蝕鎳合金與34％~42％鎳鋼。雙金屬溫度計(jì)不僅可用于測(cè)量溫度，而且還可方便地用作簡(jiǎn)單溫度控制裝置(尤其是開(kāi)關(guān)的“通—斷”控制)。二、熱阻式測(cè)溫方法

基于熱電阻原理測(cè)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(hào)，從而達(dá)到測(cè)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(shí)價(jià)格盡可能便宜。熱電阻測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)靈敏度高、易于連續(xù)測(cè)量、可以遠(yuǎn)傳（與熱電偶相比）、無(wú)需參比溫度；金屬熱電阻穩(wěn)定性高、互換性好、準(zhǔn)確度高，可以用作基準(zhǔn)儀表。熱電阻主要缺點(diǎn)是需要電源激勵(lì)、有（會(huì)影響測(cè)量精度）自熱現(xiàn)象以及測(cè)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(cè)溫

鉑電阻的電阻率較大，電阻—溫度關(guān)系呈非線性，測(cè)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(guó)標(biāo)ITS一90規(guī)定，在-259．34～630．74℃溫度范圍內(nèi)，以鉑電阻溫度計(jì)作為基準(zhǔn)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(shí)電阻值R100與O℃時(shí)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(dá)到W100＝1.3930，其相應(yīng)的鉑純度為99.9995％。國(guó)標(biāo)ITS一90規(guī)定，作為標(biāo)準(zhǔn)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(hào)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(cè)溫。鉑電阻測(cè)溫范圍通常最大為-200℃～850℃。當(dāng) ℃時(shí) 當(dāng) ℃時(shí)

式中 ---溫度為零時(shí)鉑熱電阻的電阻值（Ptl00為100，Ptl0為10）； ---溫度為t時(shí)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(hù)管3部分組成。通常還具有與外部測(cè)量及控制裝置、機(jī)械裝置連接的部件。它的外形與熱電偶相似，使用時(shí)要注意避免用錯(cuò)。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(lái)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(qiáng)。能夠滿足上述要求的絲材，最好是純鉑絲。絕緣骨架是用來(lái)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(jī)械強(qiáng)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(diǎn)是：抗機(jī)械振動(dòng)性能強(qiáng)，響應(yīng)快。很久以來(lái)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(chǎng)所進(jìn)行測(cè)量，并且響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)是其不足。

玻璃骨架感溫元件其特點(diǎn)是：體積小，響應(yīng)快、抗振性強(qiáng)。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(dāng)溫度變化時(shí)引起膨脹或收縮，就會(huì)改變熱電阻的性能。這種玻璃骨架的軟化點(diǎn)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(diǎn)是：體積小、響應(yīng)快、絕緣性能好。使用溫度上限可達(dá)960℃。陶瓷骨架的缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)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(shí)自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測(cè)量及控制裝置相連接。內(nèi)引線通常位于保護(hù)管內(nèi)。因保護(hù)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(dòng)勢(shì)的材料。對(duì)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(qiáng)度。對(duì)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(jiǎn)單，安裝費(fèi)用低，但要帶進(jìn)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(cè)量臂，這樣當(dāng)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(cè)溫度變化的增量值 一起成為有效信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)量信號(hào)電壓，從而影響溫度測(cè)量精度。

兩線制熱電阻測(cè)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(cè)量電橋，可以消除內(nèi)引線電阻的影響，測(cè)量精度高于兩線制。目前三線制在工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用最廣。而且，在測(cè)溫范圍窄或?qū)Ь€長(zhǎng)或?qū)Ь€途中溫度易發(fā)生變化的場(chǎng)合必須考慮采用三線制。

三線制熱電阻測(cè)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(cè)量時(shí)，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(shí)，消除該電阻的影響。還可以通過(guò)CPU定時(shí)控制繼電器一對(duì)觸點(diǎn)C和D的通斷，改變測(cè)量熱電阻中的電流方向，消除測(cè)量過(guò)程中的寄生電勢(shì)影響。

四線制熱電阻測(cè)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(huì)不同的兩個(gè)概念，四線電阻主要用于高精度的場(chǎng)盒，四線電阻有一根導(dǎo)線是用來(lái)計(jì)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(jì)量和化工科研單位做為溫場(chǎng)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(jià)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(hào)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(shí)銅熱電阻的電阻值（Cul00為100Ω,Cu50為50Ω）； ---溫度為t時(shí)銅熱電阻的電阻值；2.銅電阻和熱敏電阻測(cè)溫2）.半導(dǎo)體熱敏電阻 對(duì)于在低溫段-50—350℃左右的范圍、測(cè)溫要求不高的場(chǎng)合，目前世界各國(guó)，特別是工業(yè)化國(guó)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(cè)量、溫度補(bǔ)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(gè)數(shù)量級(jí)；由于靈敏度高，可大大降低后面調(diào)理電路的要求；②標(biāo)稱電阻有幾歐到十幾兆歐之間的不同型號(hào)、規(guī)格，因而不僅能很好地與各種電路匹配，而且遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)幾乎無(wú)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(lái)測(cè)量“點(diǎn)溫”④熱慣性小，響應(yīng)速度快，適用于快速變化的測(cè)量場(chǎng)合；⑤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，能承受較大的沖擊、振動(dòng)；⑥易于大批量生產(chǎn)，成本和價(jià)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(diǎn)：①阻值與溫度的關(guān)系非線性嚴(yán)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?zé)崦綦娮柰?，絕大多數(shù)熱敏電阻僅適合0～150℃范圍，使用時(shí)必須注意。（2）熱敏電阻的主要缺點(diǎn)：三、熱電偶（熱電式測(cè)溫方法）

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：

①測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

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

③構(gòu)造簡(jiǎn)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(shì)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(diǎn)分別處于不同溫度場(chǎng)T0和T（設(shè)T>T0），則在回路中產(chǎn)生由于接點(diǎn)溫度差（T－T0）引起的電勢(shì)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(diǎn)稱為熱端（或工作端），溫度低的接點(diǎn)稱為冷端（或自由端）。熱電效應(yīng)

溫差電勢(shì)示意圖接觸電勢(shì)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(shì)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(xiàng)是由于兩種不同材料金屬連接時(shí)產(chǎn)生的接觸電勢(shì)差，取決于材料的電子密度；而后一項(xiàng)是由于同一種材料的均質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)兩端溫度不同時(shí)產(chǎn)生的溫差電勢(shì)，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(shì)差相比甚小，?？珊雎浴Ｓ谑钱?dāng)材料A、B的特性（NA、NB）為已知時(shí)，并使一端溫度T0固定，則待測(cè)溫度T是電動(dòng)勢(shì)E（T，T0）的單值函數(shù)。這給工程中用熱電偶測(cè)量溫度帶來(lái)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(duì)冷端進(jìn)行補(bǔ)償。常用的方法是將冷端置于冰內(nèi)或恒溫槽中，或采用補(bǔ)償導(dǎo)線法將熱電極冷端延伸，或通過(guò)補(bǔ)償電橋法補(bǔ)償冷端的溫度變化。接觸面上金屬A的電子擴(kuò)散到B，A失去電子帶正電，B因獲得電子帶負(fù)電，在接觸面上形成了靜電場(chǎng)，這個(gè)靜電場(chǎng)將阻止擴(kuò)散過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)自由電子密度的不同引起的擴(kuò)散能力與靜電場(chǎng)的作用相互抵消時(shí)，達(dá)到了動(dòng)平衡，在接觸面上形成一個(gè)穩(wěn)定的接觸電位差。自由電子密度nA＞nB接觸電勢(shì)（珀耳貼電勢(shì)）

不同導(dǎo)體自由電子的密度是不同的,當(dāng)兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí),在接觸面上將產(chǎn)生電子擴(kuò)散,電子擴(kuò)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(shì)（湯姆遜電勢(shì)）

在同一導(dǎo)體中，存在溫度梯度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。

▲兩端的溫度不一致時(shí)，高溫端的自由電子具有的動(dòng)能大，向低溫端擴(kuò)散，跑到低溫端去堆積起來(lái)，在導(dǎo)體內(nèi)形成一個(gè)靜電場(chǎng)，阻止電子擴(kuò)散，當(dāng)兩者的作用相互抵消時(shí)，在導(dǎo)體兩端就形成一個(gè)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(shí)，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，回路總熱電勢(shì)為零；2.若熱電偶兩接點(diǎn)溫度相等，即T=T0，回路總熱電勢(shì)仍為零；3.熱電偶的熱電勢(shì)輸出只與兩接點(diǎn)溫度及材料的性質(zhì)有關(guān)，與材料A、B的中間各點(diǎn)的溫度、形狀及大小無(wú)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(duì)熱電偶的總熱電勢(shì)沒(méi)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(duì)熱電偶測(cè)溫具有特別重要的實(shí)際意義。因?yàn)槔脽犭娕紒?lái)測(cè)量溫度時(shí)，必須在熱電偶回路中接入測(cè)量導(dǎo)線或測(cè)量?jī)x表，也就是相當(dāng)于接入第三種材料，如圖所示。將熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)分開(kāi)，接入第三種材料C。當(dāng)三個(gè)接點(diǎn)的溫度相同（T0）時(shí)，則不難證明

如果A、B接點(diǎn)的溫度為T，其余接點(diǎn)的溫度為T0，且T＞T0，則回路中的總熱電勢(shì)為各接點(diǎn)電勢(shì)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(dāng)插入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要該導(dǎo)體兩端的溫度相同，插入導(dǎo)體C后對(duì)回路總的熱電勢(shì)無(wú)影響。將第三種導(dǎo)體C用測(cè)量?jī)x表或連接導(dǎo)線代替，并保持兩個(gè)接點(diǎn)的溫度一致，這樣就可以對(duì)熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量而不影響熱電偶的熱電勢(shì)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(cè)量精度，一般說(shuō)來(lái)，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(cè)溫時(shí)能產(chǎn)生的較大熱電勢(shì)等要求，并且希望這個(gè)熱電勢(shì)隨溫度單值地線性或接近線性變化；同時(shí)還要求材料的復(fù)制性好、機(jī)械強(qiáng)度高、制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、能制成標(biāo)準(zhǔn)分度。

應(yīng)該指出，實(shí)際上沒(méi)有一種材料能滿足上述全部要求，因此在設(shè)計(jì)選用熱電偶的電極材料時(shí)，要根據(jù)測(cè)溫的具體條件來(lái)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(fù)之分，在其技術(shù)指標(biāo)中會(huì)有說(shuō)明，使用時(shí)應(yīng)注意到這一點(diǎn)。

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(guó)內(nèi)外都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。不同的熱電極材料的測(cè)量溫度范圍不同，一般可將熱電偶用于0～1800℃范圍的溫度測(cè)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(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。

非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。

國(guó)際電工委員會(huì)向世界各國(guó)推薦8種熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶也有8種。分別是：鉑銠10-鉑(分度號(hào)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(jiǎn)要介紹其中幾種。

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)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(hào)為S。鉑銠絲為正極,

純鉑絲為負(fù)極。它的特點(diǎn)是熱電性能好，抗氧化性強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用。長(zhǎng)期適用的溫度為1400℃，超過(guò)此溫度時(shí)，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(zhǔn)確度等級(jí)最高,

通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)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(diǎn)是價(jià)格昂貴,熱電勢(shì)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(fù)極，分度號(hào)為T。其特點(diǎn)是：在賤金屬熱電偶中準(zhǔn)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(fù)極，分度號(hào)為K。其特點(diǎn)是：使用溫度范圍寬（-50~1300℃），高溫下性能較穩(wěn)定，熱電動(dòng)勢(shì)和溫度的關(guān)系近似線性，價(jià)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(zhǎng)期使用溫度為1000℃。鎳鉻—康銅熱電偶鎳鉻為正極，康銅為負(fù)極，分度號(hào)為E。它的最大特點(diǎn)是在常用熱電偶中熱電動(dòng)勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)溫范圍被測(cè)對(duì)象的溫度范圍在-200—300℃時(shí)，可優(yōu)選T型熱電偶，因?yàn)樗谫v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(shì)最大、靈敏度最高的熱電偶。熱電偶的選用除了考慮被測(cè)對(duì)象的溫度范圍外，還需考慮熱電偶使用的環(huán)境：通常當(dāng)上限溫度＜1000℃，可優(yōu)先選K型熱電偶，其特點(diǎn)為使用溫度范圍寬(上限最高可達(dá)1300℃)、高溫性能較穩(wěn)定，價(jià)格較滿足該溫區(qū)的其它熱電偶低；當(dāng)上限溫度＜1300℃，可選N型或K型。當(dāng)測(cè)溫范圍為1000—1400℃時(shí)，可選S或R型熱電偶；當(dāng)測(cè)溫范圍為1400℃～1800℃時(shí)，應(yīng)選B型熱電偶；當(dāng)測(cè)溫上限大于1800℃，應(yīng)考慮選用屬非國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的鎢錸系列熱電偶(其最高上限溫度可達(dá)2800℃，但超過(guò)2300℃其準(zhǔn)確度要下降；要注意保護(hù)，因?yàn)殒u極易氧化，必須用惰性或干燥氫氣把熱電偶與外界空氣嚴(yán)格隔絕。在易氧化環(huán)境下，且被測(cè)溫度上限小于1300℃，應(yīng)優(yōu)先選用抗氧化能力強(qiáng)的賤金屬N型或K型；當(dāng)測(cè)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(dāng)上限溫度低于950℃時(shí)，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(hù)措施的其它標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。熱接點(diǎn)的幾種結(jié)構(gòu)（二）、熱電偶的結(jié)構(gòu)

熱電偶的測(cè)量端又稱為熱接點(diǎn)，可以有不同的結(jié)構(gòu)形式，以適應(yīng)于不同的溫度測(cè)量環(huán)境。熱接點(diǎn)從本質(zhì)上說(shuō)，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，通常可以采用鉸接、焊接、鍍層等方法實(shí)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(cè)對(duì)象的不同，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的。常見(jiàn)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(cè)溫線路的基本組成:——————熱電偶，補(bǔ)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(bǔ)償方法冰點(diǎn)槽法計(jì)算修正法補(bǔ)正系數(shù)法零點(diǎn)遷移法冷端補(bǔ)償法原因熱電偶熱電勢(shì)的大小是熱端溫度和冷端的函數(shù)差，為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)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(shì)是以冷端溫度0℃為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。參考端的形式和用途參考端形式用途冰點(diǎn)式常用的冰點(diǎn)瓶是在保溫瓶?jī)?nèi)盛滿冰水混合物用于校正標(biāo)準(zhǔn)熱電偶等高精度溫度測(cè)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(jiǎn)單用于熱電溫度計(jì)的溫度測(cè)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(jì)測(cè)出其溫度并進(jìn)行修正補(bǔ)償式利用不平衡電橋進(jìn)行補(bǔ)償,又稱補(bǔ)償電橋法室溫式(零點(diǎn)遷移法)無(wú)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(cè)量mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T01.冰點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。2參比端處理(計(jì)算修正法)__軟件處理法

當(dāng)熱電偶的測(cè)量端和參比端溫度分別為t、to，則熱電動(dòng)勢(shì)

可變成

式中 -----測(cè)量端和參比端溫度分別為t、to時(shí)的熱電勢(shì)； ----測(cè)量端和參比端溫度分別為t1、to時(shí)的熱電勢(shì)；

-----測(cè)量端和參比端溫度分別為t，t1時(shí)的熱電勢(shì)。［例］：用K型熱電偶測(cè)爐溫時(shí)，測(cè)得參比端溫度t1＝38℃；測(cè)得測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)E(t,38℃)＝29.90mV，試求實(shí)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(shí)際爐溫755℃。上述例子，若參比端不作修正，則按所測(cè)測(cè)量端和參比端間的熱電動(dòng)勢(shì)E(t,38℃)＝29.90mV查K型分度表得對(duì)應(yīng)的爐溫718℃，與實(shí)際爐溫755℃相差37℃，由此產(chǎn)生的相對(duì)誤差約為5%。由此可見(jiàn)，如果不考慮參比端溫度修正、補(bǔ)償有時(shí)將產(chǎn)生相當(dāng)大的（溫度）測(cè)量誤差。使用補(bǔ)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(yuǎn)離工作點(diǎn)，為了不使用過(guò)多的貴重的熱電偶導(dǎo)線，往往采用價(jià)格低廉的導(dǎo)線來(lái)替代部分熱電偶導(dǎo)線，如圖。A’、B’這就是補(bǔ)償線法。要求補(bǔ)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(bǔ)償法補(bǔ)償導(dǎo)線的作用

用補(bǔ)償導(dǎo)線把兩個(gè)熱電極延長(zhǎng)到所需要的長(zhǎng)度（即將熱電偶的參比端延伸到遠(yuǎn)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(bǔ)償導(dǎo)線，連接在熱電偶電極和冷端之間，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。使用補(bǔ)償導(dǎo)線的優(yōu)點(diǎn)： ①改善熱電偶測(cè)溫線路的機(jī)械與物理性能，采用多股或小直徑補(bǔ)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(cè)量線路的成本。當(dāng)熱電偶與儀表的距離很遠(yuǎn)時(shí)，可用賤金屬補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線代替貴金屬熱電偶。需要說(shuō)明的是：補(bǔ)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(yuǎn)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(bǔ)償導(dǎo)線使用須注意事項(xiàng)如下：①各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶匹配使用；連接時(shí)，切勿將補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反。②補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)的溫度，不得超過(guò)規(guī)定的使用溫度范圍，通常接點(diǎn)溫度在100℃以下，耐熱用補(bǔ)償導(dǎo)線可達(dá)200℃。③由于補(bǔ)償導(dǎo)線與電極材料通常并不完全相同，因此兩連接點(diǎn)溫度必須相同，否則會(huì)產(chǎn)生附加電勢(shì)、引入誤差。④在需高精度測(cè)溫場(chǎng)合，處理測(cè)量結(jié)果時(shí)應(yīng)加上補(bǔ)償導(dǎo)線的修正值，以保證測(cè)量精度。6熱電偶的標(biāo)定（非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶）

熱電偶的標(biāo)定就是將制成的熱電偶進(jìn)行分度，其方法是把熱電偶的參考端恒定為0℃，改變熱接點(diǎn)的溫度，用適當(dāng)精度的儀表測(cè)量出該熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的數(shù)值，從而得到熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系，編制成表，以備查用。對(duì)于一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格型號(hào)的熱電偶，國(guó)家已有標(biāo)準(zhǔn)的分度表可供查用。當(dāng)使用這幾種熱電偶時(shí)，只需定期地對(duì)所用的熱電偶進(jìn)行檢驗(yàn)，檢查它們?cè)谝?guī)定的溫度下所產(chǎn)生的熱電勢(shì)值是否符合分度表所給的數(shù)值，給出實(shí)際偏差，以便測(cè)量時(shí)加以修正。熱電偶的標(biāo)定方法有許多種，國(guó)家已經(jīng)編制了詳細(xì)的檢定規(guī)程，并且有專設(shè)的計(jì)量部門從事這方面的研究及服務(wù)。對(duì)于工程測(cè)試來(lái)說(shuō)，除了可以將所用的熱電偶達(dá)到計(jì)量部門去標(biāo)定外，有時(shí)，還必須自己進(jìn)行標(biāo)定工作。較常用的標(biāo)定方法是比較法。78564321穩(wěn)壓電源220V熱電偶校驗(yàn)圖1-調(diào)壓變壓器；2-管式電爐；3標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；4-被校熱電偶；5-冰瓶(杜瓦瓶)；6-切換開(kāi)關(guān)；7-測(cè)試儀表；8-試管300℃以下，采用恒溫油浴，與標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)進(jìn)行比較；300～1300℃，采用管式電爐，與標(biāo)準(zhǔn)鉑銠—鉑熱電偶進(jìn)行比較；

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

標(biāo)定時(shí)，要有一個(gè)溫度均勻，穩(wěn)定，又可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的熱源。熱源的種類視需要標(biāo)定的溫度范圍而異。應(yīng)把被標(biāo)定的熱電偶與作為標(biāo)準(zhǔn)用的熱電偶的熱接點(diǎn)置于爐內(nèi)同一點(diǎn)上，以保證二者所處的溫度相同。7熱電偶的動(dòng)態(tài)特性熱電偶以及其他接觸式測(cè)溫傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)本質(zhì)上是一個(gè)瞬態(tài)傳熱的問(wèn)題。

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

式中c——熱接點(diǎn)的比熱(J／kg·K)；m——熱接點(diǎn)的質(zhì)量(kg)；h——表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W／m2·K)；A——熱接點(diǎn)的表面積(m2)。c·m項(xiàng)表示該熱偶測(cè)量接點(diǎn)的熱容量的大小，h·A項(xiàng)則表示向熱電偶熱接點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(chǎng)中，熱電偶所顯示的溫度值T將會(huì)發(fā)生變化。應(yīng)用上式積分后可得到：當(dāng)取t＝τ時(shí)得到根據(jù)上式，可以對(duì)時(shí)間常數(shù)做如下定義：如果熱電偶原來(lái)的平衡溫度為T1，突然插入到一個(gè)溫度為T0的恒溫介質(zhì)中，時(shí)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(shí)間。

一個(gè)測(cè)溫元件，熱慣性越小，時(shí)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(duì)于瞬態(tài)變化的溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)選用時(shí)間常數(shù)小的熱電偶。時(shí)間常數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法根據(jù)上式所得到時(shí)間常數(shù)的定義，可以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出熱電偶的時(shí)間常數(shù)。

先使熱電偶處于穩(wěn)定的溫度場(chǎng)T1中，達(dá)到熱平衡，在某一瞬時(shí)略把它迅速地投入溫度為T0的另一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)中，這一投擲動(dòng)作應(yīng)盡可能迅速，可以利用機(jī)械裝置或電動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成，以便造成一個(gè)接近于階躍的溫度變化，同時(shí)，用示波器記錄變化曲線，在圖中截取T-T1=0.632(T0-T1)，則了點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的t-t0即為該熱電偶的時(shí)間常數(shù)τ。用這種方法可以對(duì)各種熱電偶進(jìn)行測(cè)量。8熱電偶測(cè)溫的誤差分析l、熱交換的誤差這項(xiàng)誤差的存在使得熱電偶熱端溫度達(dá)不到被測(cè)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(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶材料在100℃以下時(shí)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(dòng)態(tài)誤差。被測(cè)對(duì)象溫度的變化，測(cè)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(shì)損耗造成了誤差?！?-4非接觸式測(cè)溫方法

——————輻射高溫計(jì)任何物體，其溫度超過(guò)絕對(duì)零度，都會(huì)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(dòng)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(duì)被測(cè)物體熱輻射能量進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而確定被測(cè)物體溫度的儀表，通稱為輻射式溫度計(jì)。輻射式溫度計(jì)的感溫元件不需和被測(cè)物體或被測(cè)介質(zhì)直接接觸，所以其感溫元件不需達(dá)到被測(cè)物體的溫度，從而不會(huì)受被測(cè)物體的高溫及介質(zhì)腐蝕等影響；它可以測(cè)量高達(dá)攝氏幾千度的高溫。而感溫元件不會(huì)破壞被測(cè)物體原來(lái)的溫度場(chǎng)；可以方便地用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度是此類儀表的突出優(yōu)點(diǎn)。一、概述物體受熱以后，電子的運(yùn)動(dòng)動(dòng)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(duì)這一部分輻射能進(jìn)行測(cè)量，就可以得知物體的溫度。由于在溫度較低時(shí)，物體的輻射能力很弱，而對(duì)微弱的輻射能進(jìn)行精確的測(cè)量是很困難的。只有在高溫情況(一般在800℃以上)，輻射能較強(qiáng)，才便于測(cè)量。所以這一類基于物體的熱輻射作用來(lái)測(cè)量物體溫度的儀表稱為輻射高溫計(jì)。

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

1．單色式：包括光學(xué)高溫計(jì)，光電高溫計(jì)；2．全輻射式；3．比色式。輻射高溫計(jì)已經(jīng)廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。在國(guó)防工業(yè)中，亦有廣泛的用途，如測(cè)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(jì)的理論基礎(chǔ)；各類輻射高溫計(jì)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。二、輻射高溫計(jì)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(jiàn)光，紅外線和電磁波。這是按照波長(zhǎng)范圍來(lái)劃分的。波長(zhǎng)為0.4～40um的輻射能，包括可見(jiàn)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(cè)溫主要是利用光輻射來(lái)測(cè)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(duì)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(diǎn)也吸收，這種物體稱為鏡體(或絕對(duì)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(guò)，既不吸收，也不反射，這種物體稱為透明體(或絕對(duì)透明體)。清潔的空氣是透明體。3．輻射能力、輻射強(qiáng)度和亮度物體在單位時(shí)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