第五章溫度測量溫度的概念溫度是衡量物體冷熱程度的物理量，溫度的冷熱由物體內(nèi)部分子運動快慢來決定。從微觀上講，物體溫度的高低標志著組成物體的大量分子無規(guī)則運動的劇烈程度，即對其分子平均動能大小的一種量度。

一、溫標所謂“溫標”即衡量物體溫度高低的標尺。只有建立精確的溫標，才能準確地測取溫度。不同的溫標表示同一點的溫度只是數(shù)值不同。下面介紹四種溫標：1、攝氏溫標標準大氣壓下，冰的融點為0℃，水的沸點為100℃，0℃到100℃之間分成一百等分，每份為1℃。2、華氏溫標

在標準大氣壓下，冰的融點為32℉，水的沸點為212℉，中間分成180等分，每一等分為一華氏度，即1℉。攝氏溫標與華氏溫標之間的關(guān)系為

華氏溫度=(1.8×t+32)℉第一節(jié)概述3、熱力學(xué)溫標

熱力學(xué)溫標是以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的溫標，它已由國際權(quán)度大會采納作為國際統(tǒng)一的基本溫標。熱力學(xué)溫標又稱開氏溫標(以符號K表示)，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度(或稱最低理論溫度)。熱力學(xué)溫標是純理論的，不能付諸實用，4、國際實用溫標

t=T-273.15

t為攝氏溫度，T為K氏溫度。二、溫度計的分類1．按使用范圍分(1)高溫計——測量溫度在600℃以上；(2)溫度計——測量溫度在600℃以下。2．按測溫原理分(1)膨脹式溫度計；(2)熱電阻溫度計；(3)熱電偶高溫計；(4)輻射式高溫計。3．按測量方式分(1)接觸式——如膨脹式溫度計；(2)非接觸式——如輻射式高溫計。按測量方式分類按測量原理分類按測量方式分類按測量原理分類接觸式溫度計膨脹式溫度計固體膨脹式溫度計接觸式溫度計熱電偶式溫度計標準材料熱電偶溫度計液體膨脹式溫度計特殊材料熱電偶溫度計壓力表式溫度計氣體壓力式溫度計液體壓力式溫度計非接觸式溫度計光學(xué)高溫計蒸汽壓力式溫度計光電高溫計熱電阻式溫度計金屬熱電阻溫度計紅外測溫儀半導(dǎo)體熱電阻溫度計本節(jié)知識點1、什么是溫標？常用溫標有哪些？相互之間的關(guān)系如何？2、什么是接觸式測溫？什么是非接觸式測溫？第二節(jié)接觸式溫度計一、膨脹式溫度計1、玻璃管液體溫度計使用溫度范圍:標準溫度計使用范圍:-30~+300℃;工業(yè)溫度計使用范圍:－100~+600℃，感溫液體一般是水銀或有機液體。測溫原理：利用感溫液體在透明玻璃感溫包和毛細管內(nèi)的熱膨脹作用來測量溫度。對感溫液的要求：膨脹系數(shù)大；對玻璃不潤濕，化學(xué)穩(wěn)定性好；在毛細管液柱上端的彎曲液面清晰易見；導(dǎo)熱性能良好應(yīng)用最廣的水銀特性：很寬溫度范圍內(nèi)呈液態(tài)；200℃以下體膨脹與溫度大體呈線性關(guān)系；不浸潤玻璃可準確讀數(shù)；水銀導(dǎo)熱性能最好對玻璃管溫度計的要求：在使用溫度范圍內(nèi)膨脹系數(shù)要小，并按一定規(guī)律膨脹或收縮?；緟?shù)：示值誤差；動作誤差；示值穩(wěn)定度;使用方法：全浸式要將感溫包全部浸入被測介質(zhì)，并達到熱平衡后再讀數(shù)，露出液柱不得大于15mm；視線要與刻度垂直。玻璃溫度計在使用后需定期檢定。注意：（1）零點漂移（2）露出液柱的校正部分侵入時工作液體膨脹系數(shù)標定條件環(huán)境溫度使用條件環(huán)境溫度全部侵入時溫度計測量時的示值二、壓力式溫度計原理：它是利用密閉容積內(nèi)工作介質(zhì)壓力隨溫度升高而升高的性質(zhì)，通過對工作介質(zhì)的壓力測量來判斷溫度值的一種機械式儀表。分類：1）工作介質(zhì)是氣體，充氣式壓力計，一般為氮氣，-80~550℃，基本線性。2）工質(zhì)為低沸點液體，CH3Cl，CH2CH2Cl，飽和蒸汽壓與飽和溫度呈非線性。范圍-20~200℃。3）工質(zhì)為液體。Hg、CH3OH等，范圍-40~200℃。。特點：簡單可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性動態(tài)性能差，示值的滯后較大，不能測量迅速變化的溫度。三、雙金屬溫度計工作原理：

雙金屬溫度計是基于繞制成環(huán)性彎曲狀的雙金屬片組成。一端受熱膨脹時，帶動指針旋轉(zhuǎn)，工作儀表便顯示出熱電勢所對應(yīng)的溫度值。應(yīng)用：

雙金屬溫度計是一種測量中低溫度的現(xiàn)場檢測測儀表。可以直接測量各種生產(chǎn)過程中的-80℃～+500℃范圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)溫度。特點：現(xiàn)場顯示溫度，直觀方便；安全可靠，使用壽命長；多種結(jié)構(gòu)形式，可滿足不同要求測溫范圍:-80~+600℃準確度等級：分為1.0、1.5及2.5級。1一指針62一表殼3一金屬保護管4一指針軸5—雙金屬感溫元件6一固定端7一刻度盤8一儀表二、熱電阻溫度計一、測溫原理熱電阻是使用金屬材料制作而成的電阻。實驗證明：大多數(shù)金屬在溫度每升高1℃時，其電阻值要增加0.4％～0.6％；而半導(dǎo)體的電阻值卻隨著溫度的升高而減小，在20℃左右，溫度每變化1℃，其電阻值要變化-2％～-6％。若能設(shè)法測出電阻值的變化，就可相應(yīng)地確定溫度的變化，達到測溫的目的。熱特性:溫度升高阻值增加，溫度降低阻值減小。利用這種變化制作專門顯示儀表顯示溫度

A優(yōu)點?準確度高。在所有常用溫度計中，它的準確度最高，可達1mk。?輸出信號大，靈敏度高。如在0℃用Pt100鉑熱電阻測溫，當溫度變化1℃時，其電阻值約變化0.4Ω，如果通過電流為2mA，則其電壓輸出為800μV左右。靈敏度較熱電偶高一個數(shù)量級。?測溫范圍廣，穩(wěn)定性好。在振動小而適宜的環(huán)境下，可在很長時間內(nèi)保持0.1℃以下的穩(wěn)定性。?無需參考點。溫度值可由測得的電阻值直接求出。?輸出線性好。B

裝配式熱電阻的缺點?采用細金屬絲的熱電阻元件機械沖擊與振動性能差。?元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難大，尺寸較大，熱響應(yīng)時間長，不適宜溫度瞬變區(qū)域。熱電阻的結(jié)構(gòu)金屬熱電阻由保護套管、電阻體、骨架和引線等部件組成。1、電阻體是溫度敏感元件，其材料性能對傳感器的好壞有關(guān)鍵性的影響。2、骨架

是用來纏繞、支撐或固定熱電阻絲的支架，其質(zhì)量的好壞直接影響熱電阻的性能，作為骨架材料，要求其絕緣性能好，比熱小，導(dǎo)熱系數(shù)大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，膨脹系數(shù)小，并且有足夠的機械強度，常用骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷、塑料等。3、保護套管免受腐蝕性介質(zhì)侵蝕和機械損傷。4、引線要求引線材料電阻溫度系數(shù)小，電阻率小，熱導(dǎo)率低，和電阻體接觸產(chǎn)生的熱電勢小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。常用引線材料是鉑、金、銀和銅絲，引線形式有二線制、三線制和四線制。對于工業(yè)鉑熱電阻而言，中低溫用銀作引線，高溫用鎳絲。對于銅和鎳熱電阻的內(nèi)引線，一般都用銅和鎳絲。5、鎧裝熱電阻將陶瓷骨架及其上的感溫元件裝入不銹鋼細管內(nèi)，其周圍用氧化鎂粉牢固充填，它的三根引線用保護管之間以及引線相互間要絕緣好，充分干燥后將其端頭密封再經(jīng)模具拉制成堅實整體，這種熱電阻稱為鎧裝熱電阻。熱電阻的結(jié)構(gòu)圖特點：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠、易于提純、復(fù)制性好、具有良好的工藝性、可以制成極細的鉑絲、電阻率較高；在0C以上，其電阻與溫度的關(guān)系接近于直線(其電阻溫度系數(shù)為3.9×10－3/C)。作用：工業(yè)測量,溫度的基準、標準儀器。ITS-90國際溫標規(guī)定，在13.81K~961.78℃的標準儀器為鉑電阻溫度計。缺點：電阻溫度系數(shù)小，在還原氣氛中，特別是在高溫下，易被污染變脆、價格昂貴。常用鉑電阻分度號：Pt1000，Pt100和Pt10鉑熱電阻優(yōu)點：線性度好，電阻溫度系數(shù)大、價格低、精度適中；缺點：>100℃時，易被氧化；測溫范圍：-50~+150℃。常用銅電阻分度號：Cu100和Cu50銅熱電阻表示０℃時的電阻值，Ω玻璃燒結(jié)式陶瓷架式云母管架式昂貴雙線無感繞制鎧裝熱電阻力學(xué)性好熱電阻+保護套管+絕緣材料封裝薄膜熱電阻陶瓷鉑真空鍍膜法熱慣性??！厚膜——7μm薄膜——2μm三、熱電偶溫度計1-熱電極2-絕緣子3-保護管4-接線盒。熱電偶溫度計以熱電偶作為感溫元件，一般用于測量500℃以上的高溫，長期使用時其測溫上限可達1300℃，短期使用時可達1600℃，特殊材料制成的熱電偶可測量的溫度范圍為2000～3000℃。如電廠

生產(chǎn)過程中的主蒸汽溫度、過熱器管壁溫度、煙氣

高溫等都是采用熱電偶來測量的。

熱電偶具有性能穩(wěn)定、測溫高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、經(jīng)濟耐用、容易維護和體積小等優(yōu)點，還便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換測量。

兩種材料組成的熱電偶應(yīng)輸出較大的熱電勢，以獲得較高的靈敏度，且要求電勢和溫度之間盡可能的成線性關(guān)系能應(yīng)用于較寬的溫度范圍，物理和化學(xué)特性比較穩(wěn)定（較好的耐熱性、抗氧化、抗還原和抗腐蝕性）具有較高的導(dǎo)電率和較低電阻溫度系數(shù)工藝性好，利于批量生產(chǎn)要求（一）常用熱電偶的材料熱電偶的分類：按熱電勢－溫度關(guān)系分為標準化和非標準化熱電偶兩類；按電極材料分為金屬、半導(dǎo)體和非金屬熱電偶三類；按電極材料價格分為貴金屬和廉價金屬熱電偶兩類；按使用的溫度范圍分為高溫?zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕純深?。標準化熱電偶：高溫?zé)犭娕?鉑銠10-鉑熱電偶；鉑銠13-鉑熱電偶；鉑銠30-鉑銠6熱電偶；鎳鉻-鎳硅（鎳鋁）熱電偶；中溫?zé)犭娕?鎳鉻-銅鎳熱電偶；銅-銅鎳（康銅）熱電偶。低溫?zé)犭娕?鎳鉻-金鐵熱電偶;鎳鉻-銅鐵熱電偶它由熱電偶絲、絕緣材料、金屬套管三者組合拉制而成。特點：(1)小型化(直徑最小可達.25mm)，熱慣性小，使用方便。(2)時間常數(shù)小。露頭型鎧裝熱電偶的時間常數(shù)僅為0.05s，適宜用于動態(tài)溫度的測量。(3)機械性能好，且可做成各種形狀，以滿足復(fù)雜對象的溫度測量。（二）常用熱電偶結(jié)構(gòu)（2）常用熱電偶①鉑銠10-鉑熱電偶（分度號：S）②鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號:K）鎳鉻——康銅熱電偶（分度號：E）鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號：B）銅-康銅熱電偶（分度號：T）優(yōu)點：金屬絲直徑范圍0.35~0.5mm;精度高、物理化學(xué)特性穩(wěn)定;測溫上限高，短期使用溫度可高達1600℃。可以作為各等級標準熱電偶。缺點：熱電勢小、靈敏度低、價格昂貴。①鉑銠10-鉑熱電偶（分度號：S）正極（硬）負極（軟）②鎳鉻-鎳硅熱電偶（分度號:K）特點：金屬絲直徑范圍：0.5~3mm;價格低廉、靈敏度高、復(fù)現(xiàn)性好、高溫下抗氧化能力強。工業(yè)與實驗室廣泛采用;在還原性或硫化物氣氛中易被侵蝕。正極不親磁負極稍親磁③鎳鉻——康銅熱電偶（分度號：E）特點：金屬絲直徑范圍：0.5~3mm，價格最便宜、靈敏度高，適用于中性或還原性氣氛中。④鉑銠30-鉑銠6熱電偶（分度號：B）特點：價格昂貴、測量溫度上限可達1800℃、測量精度高、適應(yīng)于氧化或中性氣氛中使用、靈敏度低。⑤銅-康銅熱電偶（分度號：T）特點：直徑：0.1~1.6mm,適用于-200~+400℃；測量精度高、穩(wěn)定性好、低溫時靈敏度高、價格低廉。鎧裝熱電偶的優(yōu)點（1）動態(tài)響應(yīng)快，時間常數(shù)可達0.0ls，而普通熱電偶要10~180s；(2)熱電偶絲細、體輕，熱容量小，對被測對象的影響??；（3）撓性好，熱電偶經(jīng)退火后有良好的柔性，彎曲半徑僅為其直徑的兩倍，適于安裝在構(gòu)造復(fù)雜的部位；(4)因為它是實體，具有良好的防爆結(jié)構(gòu)；(5)品種多，根據(jù)需要可以制成不同長度、不同直徑的鎧裝熱電偶，最長可達l00米，最細可達0.25mm，還可制成雙芯、多芯。四、溫度計的校驗（一）熱電阻溫度計的校正1）比較法2）兩點法校驗0℃時的電阻值R0和100℃的電阻值R100，檢驗R100/R0是否符合規(guī)定。標準熱定偶值水沸點槽電橋讀數(shù)冰點槽電橋讀數(shù)（二）熱電偶溫度計的校正除標準鉑銠10-鉑熱電偶進行金、銀、鋅凝固點分度外，其余應(yīng)按表5-3的溫度點進行檢驗鎧裝式熱電偶：熱電極、耐高溫金屬粉末（如氧化鋁）、不銹鋼套管三者一起拉細而組成一體，外徑0.25~12mm不等。如圖。典型結(jié)構(gòu)（科研用）特點：慣性小、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊、力學(xué)性能良好、抗振、可撓等特點（3）典型結(jié)構(gòu)（科研用）真空蒸鍍或化學(xué)涂層鎳鉻-鎳硅銅康-銅極?。?.01~0.1μm云母或浸漬酚醛塑料60mm*6mm*0.2mm工藝特點：響應(yīng)速度快?。╩s）測溫范圍<300度熱電偶測溫誤差分析(1)熱電偶的非均勻性分度誤差：

由于電偶材料粗細不均勻或不純等原因，會使熱電偶的溫差電性與統(tǒng)一的分度表產(chǎn)生一定誤差，此誤差不應(yīng)超過有關(guān)標準。(2)因冰水不純使熱電偶冷端(即參比端)達不到真正的冰點(O℃)因而引起誤差。因此，對于精密測量，要求用純凈水制成的冰和水。(3)熱電偶由于長期處于高溫環(huán)境會氧化變質(zhì)，致使其熱電性能發(fā)生變化而引起誤差。（4）熱電偶的兩極間、電偶對之間及其與大地間不良的絕緣或測量儀表精度不高等等都會造成熱電勢的損失而影響測量的精確性。（5）插入深度引起的誤差；（6）由熱輻射引起的誤差；（7）高速氣流引起的誤差；（8）安裝誤差。還有標準熱電偶的傳遞誤差；測溫儀器的基本誤差；視差等。（一）安裝誤差1.基本要求盡量逆流，插入深度符合要求，感溫元件處于管道中心，熱電偶插入處外界要有保溫。圖5-9熱電偶安裝方式不同產(chǎn)生的誤差2.熱電偶與被測表面接觸方式不同引起的誤差包括點接觸式、面接觸式、等溫線接觸式及分立接觸式（二）輻射引起的誤差其誤差表達式為為減少誤差，加隔離罩，增加感溫元件和流體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。（三）熱傳導(dǎo)引起的誤差為減少誤差，減少導(dǎo)熱系數(shù)，加大插入長度，使長度尺寸減少。（四）高速氣流的溫度測量誤差高速氣流的溫度可以理解為靜溫和動溫的總和一般情況關(guān)心靜溫，傳感器的實際指示值為有效溫度恢復(fù)系數(shù)有效溫度如果氣體為理想氣體，則因氣流運動所引起的測溫誤差為恢復(fù)系數(shù)越低，馬赫數(shù)越高，測溫誤差越大。（五）感溫元件的響應(yīng)溫度計的時滯由兩種因素造成1）感溫元件的熱慣性2）指示儀表的機械慣性影響時間常數(shù)的因素包括感溫元件的質(zhì)量、比熱容、插入的表面積，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等。本節(jié)知識點1、什么是膨脹式溫度計？有哪幾種？2、什么是熱電阻溫度計，常用的熱電阻有哪些？測溫范圍如何？3、常用熱電偶有哪些？4、什么是鎧裝熱電偶？

第三節(jié)非接觸式測溫儀表

非接觸式測溫儀表的任何部分都不與被測對象接觸，它通過測量物體的輻射能或與輻射能有關(guān)的信號來實現(xiàn)溫度測量，因此又稱為輻射式測溫儀表。特點：不存在因接觸傳熱而產(chǎn)生的測溫傳熱誤差；理論上講，測溫上限不受測溫傳感器材料的限制，可高達2000℃以上；動態(tài)性能好，反應(yīng)快等。因低溫下物體的輻射能力很弱，因此輻射式儀表多用來測700℃以上的高溫。但用紅外測量儀表，也可測低達100℃左右的溫度。一、輻射測溫的基本原理熱輻射理論是輻射式測溫儀表的理論依據(jù)。在溫度測量中，主要涉及的波長范圍是可見光與0.76～20μm的紅外光區(qū)。輻射出射度是指物體單位表面積在單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長范圍的輻射能量的總和，并以符號M表示。如物體單位表面積單位時間內(nèi)在波長λ處的dλ波段內(nèi)所輻射的能量為dM，則把稱為物體在波長λ處的光譜輻射出射度（又稱單色輻射出射度）。顯然輻射出射度M與光譜輻射出射度Mλ之間存在如下關(guān)系：1、全輻射體（絕對黑體，簡稱黑體）的熱輻射全輻射體的光譜輻射出射度與溫度的關(guān)系符合普朗克公式

在溫度T＜3000K和可見光波長（波長λ較小）范圍，該公式可以簡化成維恩公式

全輻射體的輻射出射度可由斯忒藩一玻爾茲曼定律確定：

二、單色輻射式光學(xué)高溫計利用亮度比較取代輻射出射度比較進行測溫。物體的溫度高于700度時會明顯地發(fā)出可見光。單色亮度與單色輻射出射度成正比。

黑體：

實際物體：當溫度為Ts的黑體的亮度與溫度為T的實際物體的亮度相同時：被測物體的亮度溫度1、燈絲隱滅式光學(xué)高溫計2、光電高溫計光電高溫計具有以下優(yōu)點。（l）既可在可見光，又可在紅外光波長下工作，有利于用輻射法測低溫；（2）分辨率高，光學(xué)高溫計最高為0.5℃，而光電高溫計可達0.01～0.05℃；（3）精確度高，由于采用性能良好的干涉濾光片（或單色器），提高了儀表的單色性，因而不確定度減小。例如，2000℃時的不確定度可小到土0.25℃；

（4）可連續(xù)自動測量，響應(yīng)快。三、全輻射高溫計當某個基準溫度T1下的黑體輻射出射度(M0)1為已知時，則未知溫度下的黑體輻射出射度M0由式5-18求得全輻射高溫計按黑體進行分度，當為實際物體時，示值不是實際物體的真實溫度，而是被測物體的輻射溫度。四、比色高溫計

它根據(jù)被測物體在兩個不同波長下的光譜輻射出射度的相互比值與被測溫度的關(guān)系，通過測二者的比值進而測知被測溫度。根據(jù)光譜輻射的維思公式，同一物體在波長分別為λ1和λ2下的光譜輻射出亮度的比值為實際溫度：比色溫度本節(jié)知識點1、什么是光學(xué)高溫計，測溫原理是什么？第四節(jié)氣體溫度計