华北理工自动检测技术讲义第2章 温度测量

第2章温度测量温度是国际单位制给出的基本物理量之一，它是工农业生产、科学试验中需要经常测量和控制的主要参数，也是与人们日常生活紧密相关的一个重要物理量。通常把长度、时间、质量等基准物理量称作“外延量”，它们可以叠加，例如把长度相同的两个物体连接起来，其总长度为原来的单个物体长度的两倍；而温度则不然，它是一种“内涵量”，叠加原理不再适用，例如把两瓶90℃的水倒在一起。其温度绝不可能增加，更不可能成为180℃。从热平衡的观点看，温度可以作为物体内部分子无规则热运动剧烈程度的标志，温度高的物体，其内部分子平均动能大；温度低的物体其内部分子的平均动能亦小。热力学的第零定律指出：具有相同温度的两个物体，它们必然处于热平衡状态。当两个物体分别与第三个物体处于热平衡状态，则这两个物体也处于热平衡状态，因而这三个物体将处于同一温度。据此，如果我们能用可复现的手段建立一系列基准温度值，就可把其它待测物体的温度和这些基准温度进行比较，得到待测物体的温度。§2.1概述2．1．1温标现代统计力学虽然建立了温度和分子动能之间的函数关系，但由于目前尚难以直接测量物体内部的分子动能，因而只能利用一些物质的某些物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。为了保证温度量值的准确和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，即温标。随着温度测量技术的发展，温标也经历了一个逐渐发展，不断修改和完善的渐进过程。从早期建立的一些经验温标，发展为后来的理想热力学温标和绝对气体温标。到现今使用具有较高精度的国际实用温标，其间经历了几百年时间。1.经验温标根据某些物质体积膨胀与温度的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。(1)华氏温标1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1℉”。按照华氏温标，则水的冰点为32℉，沸点为212℉。(2)摄氏温标1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度。两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。记作1℃。摄氏温度和华氏温度的关系T℉=t℃+32(2-1)式中T——华氏温度值;t——摄氏温度值。除华氏和摄氏外，还有一些类似经验温标如列氏、兰氏等，这里不再一一列举。经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温范围也不能超过其上、下限(如摄氏为0℃、l00℃)。超过了这个温区，摄氏将不能进行温度标定。另外，经验温标主观地认为其规定的温标具有很大的局限性，很快就不能适应工业和科技等领域的测温需要。2.热力学温标1848年由开尔文(Ketvin)提出的以卡诺循环(Carnotcycle)为基础建立的热力学温标，是一种理想而不能真正实现的理论温标，它是国际单位制中七个基本物理单位之一。该温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为零时对应的温度——绝对零度（是在实验中无法达到的理论温度，而低于0K的温度不可能存在）与水的三相点温度分为273．16份，每份为1K(Kelvin)。热力学温度的单位为“K”。3.绝对气体温标从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标叫绝对气体温标。由波义耳定律：PV=RT(2-2)式中P——一定质量的气体的压强；V——该气体的体积；R——普适常数；T——热力学温度。当气体的体积为恒定(定容)时，其压强就是温度的单值函数。这样就有：T2/T1=P2/P1这种比值关系与开尔文(Ketvin)提出、确定的热力学温标的比值关系完全类似。因此若选用同一固定点(水的三相点)来作参考点，则两种温标在数值上将完全相同。理想气体仅是一种数学模型，实际上并不存在，故只能用真实气体来制作气体温度计。由于在用气体温度计测量温度时，要对其读数进行许多修正(诸如真实气体与理想气体之偏差修正，容器的膨胀系数修正,又需依据许多高精度、高难度的精确测量；因此直接用气体温度计来统一国际温标，不仅技术上难度很大、很复杂，而且操作非常繁杂、困难；因而在各国科技工作者的不懈努力和推动下，导致产生和建立了协议性的国际实用温标。4.国际实用温标和国际温标经国际协议产生的国际实用温标，其指导思想是要它尽可能地接近热力学温标，复现精度要高，且使用于复现温标的标准温度计，制作较容易，性能稳定，使用方便，从而使各国均能以很高的准确度复现该温标，保证国际上温度量值的统一。第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的国际实用温标。此后在1948、1960、1968年经多次修订，形成了近20多年各国普遍采用的国际实用温标称为(IPTS一68)。1989年7月第77届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称ITS一90。为和IPTS一68温标相区别，用表示ITS一90温标。ITS一90基本内容为：（1）重申国际实用温标单位仍为K，1K等于水的三相点时温度值的1/273.16；（2）把水的三相点时温度值定义为0.01℃（摄氏度），同时相应把绝对零度修订为-273.15℃；这样国际摄氏温度（℃）和国际实用温度（K）在实际应用中，为书写方便，通常直接用分别代表和；（3）规定把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器如下；①0.65—5.0K，用3He和4He蒸汽温度计；②3.0—24.5561K，用3He和4He定容气体温度计；③13.803K—961.78℃，用铂电阻温度计；④961.78℃以上，用光学或光电高温计；我国从1991年7月1日起开始对各级标准温度计进行改值，整个工业测温仪表的改值在1993年年底前全部完成，并从1994年元旦开始全面推行ITS一90新温标。2.1.2标定对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法。标准值法就是用适当的方法建立起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温)作标准值，把被标定温度计(或传感器)依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示值(或传感器的输出)，并根据国际温标规定的内插公式对温度计(传感器)的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被定后的温度计可作为标准温度计来测温度。更为一般和常用的另一种标定方法是把被标定温度计(传感器)与已被标定好的更高一级精度的温度计(传感器)，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读数，获得一系列对应差值，经多次升温，降温、重复测试，若这些差值稳定，则把记录下的这些差值作为被标定温度计的修正量，就成了对被标定温度计的标定。世界各国根据国际温标规定建立自己国家的标准，并定期和国际标准相对比，以保证其精度和可靠性。我国的国家温度标准保存在中国计量科学院。各省(直辖市、自治区)市县计量部门的温度标准定期进行下级与上一级标准对比(修正)、标定，据此进行温度标准的传递，从而保证温度标准的准确与统一。2.1.3测温方法分类及其特点根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等，温度计就可据此测出被测对象的温度。因此，接触式测温一方面有测温精度相对较高，直观可靠及测温仪表价格相对较低等优点，另一方面也存在由于感温元件与被测介质直接接触，从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点。根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。非接触式温度测量特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。因此，非接触式测温具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度等优点。两类测温方法的主要特点如表所示。§2.2热膨胀式温度计根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀(包括液体和固体膨胀)式，热阻(包括金属热电阻和半导体热电阻)式、热电(包括热电偶和PN结)式等多种形式。膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。一般膨胀式温度测量大都在-5℃0～550℃范围内，用于那些温度测量或控制精度要求较低，不需自动记录的场合。膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体膨胀式双金属温度计。2.2.1.玻璃温度计玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9℃、测温上限为538℃。对于较低温度测量，可以用其它有机液体(如酒精下限为-62℃，甲苯下限为-90℃，而戊烷则可达-20l℃)。玻璃温度计具有结构简单，制作容易，价格低廉，测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般无需能源，易破损，测温值难自动远传记录等特点。玻璃温度计按使用方式又可分全浸式和局浸式两大类。全浸式即是把玻璃温度计液柱全部浸没在被测介质中。此种方式特点是测温准确度高，但读刻度困难，使用操作不便。局浸式为温度计液柱部分(固定长度)浸入被测介质中，部分暴露在空气中。此种方式特点是读数容易，但测量误差较大，即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多。2.2.2压力温度计压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。压力温度计的典型结构示意图如图所示。它由充有感温介质的感温包、传递压力元件(毛细管)及压力敏感元件齿轮或杠杆传动机构、指针和读数盘组成。测温时将其温包置入被测介质中，温包内的感温介质(为气体或液体或蒸发液体)因被测温度的高低而导致其体积膨胀或收缩造成压力的增减，压力的变化经毛细管传给弹簧管使其产生变形，进而通过传动机构带动指针偏转，指示出相应的温度。这类压力温度计其毛细管细而长(规格为1—60m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。压力温度计测温范围下限能达-100℃以下，上限最高可达600℃，常用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量。2.2.3双金属温度计固体长度随温度变化的情况可用下式表示，即（2-4）式中（2-4）——固体在温度时的长度；——固体在温度时的长度；——固体在温度，之间的平均线膨胀系数。基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金属片感温元件（俗称双金属温度计）。当温度变化时，因双金属片的两种不同材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收缩，导致双金属片产生弯曲变形。如图所示。在一端固定的情况下，如果温度升高，下面的金属B（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属A（例如因瓦合金）却几乎不变。致使双金属片向上翘，温度越高则产生的线膨胀差越大，引起的弯曲角度也越大。其关系可用下式表示：(2-5)式中x——双金属片自由端的位移，mm；l——双金属片的长度，mm；d——双金属片的厚度，mm；——双金属片的温度变化，℃；G——弯曲率(将长度为100mm，厚度为1mm的线状双金属片的一端固定，当温度变化1℃(1K)时，另一端的位移称为弯曲率)，取决于头金属片的材质，通常为(5～14)×10-6／K。目前实际采用的双金属材料及测温范围：100℃以下，通常采用黄铜与34％镍钢；150℃以下，通常采用黄铜与因瓦合金；250℃以上，通常采用蒙乃尔高强度耐蚀镍合金与34％~42％镍钢。双金属温度计不仅可用于测量温度，而且还可方便地用作简单温度控制装置(尤其是开关的“通—断”控制)。双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80℃—600℃，精度等级通常为1.5级左右。由于其测温范围和前两种温度计大致相同，且可作恒温控制，可彻底解决水银玻璃温度计和水银压力温度计易破损造成泄汞危害的问题。所以在测温和控温精度不高的场合，双金属温度计应用范围不断扩大。双金属片常制成螺旋管状来提高灵敏度。双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。§2.3热电偶温度计热电隅温度计是以热电效应为基础将温度变化转换为热电势变化进行温度测量的仪表。是目前应用最为广泛的温度传的温度传感器。它测温的精度高和灵敏度好，稳定性及复现性较好，响应时间小，结构简单，使用方便，测温范围广，可以用来测量－200~1600℃，在特殊情况下，可测至2800℃的高温或4K的低温。2.3.1测温原理热电偶的测温原理是基于1821年塞贝克（Seebeck）发现的热电现象。将两种不同的导体或半导体连接成如下图所示的闭回路，如果两个接点的温度不同（t＞t0），则在回路内就会产生热电动势，这种现象称为塞贝克热电效应。图中闭合回路称之为热电偶。导体A和B称之为热电偶的热电丝或热偶丝。热电偶两个接点中置于温度为t的被测对象中的接点称为测量端；又称工作端或热端，温度为参考温度t0的另一端称之为参考端，又称自由端或冷端。图2-1-1热电偶产生的热电势由接触电势与温差电势两部分组成。1接触电势接触电势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处成的电动势。接触电势大小与温度高低及导体中的电子密度有关。温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度的比值也越大，接触电势也越大。2温差电势温差电势是在同一根导体中。由于两端温度不同而产生的一种电势。3热电偶回路的热电势对于A、B两种导体构成的热电偶回路中，总热电势包括两个接触电势和两个温差电势。EAB（T，T0）=EAB（T）—EAB（T0）+EB（T，T0）—EA（T，T0）=lndt(2-1-5)对于确定的材料A和B，NAt与NBt和温度t的关系已知，则：EAB（T，T0）=f（T）—f（T0）(2-1-6)如果参考端温度（T0）保持恒定，则：EAB（T，T0）=f（T）+C(2-1-7)从中可以看出：热电偶两电极材料相同，无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总热电偶为零。如果热电偶两端温度相同（T=T0），则尽管两电极材料不同，热电偶回路内的总热电势也为零。一般情况下，热电偶的接触电势远大于温差电势，故其热电势的级性取决于接触电势的极性。在两个热电极当中，电子密度大的导体A总是正极，而电子密度小的导体B总是负极。2.3.2基本定律1均质导体定律由同一种均质导体或半导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何，不论其各处的温度分布如何都不能产生热电势。如果，热电势本身材质不均匀，由于温度梯度的存在，将会产生附加热电势。2中间导体定律在热电偶回路中接入中间导体C后，只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响。3中间温度定律在热电偶测温回路中，常会遇到热电极的中间连接，如果连接导体A′或B′的热电特性相同，则总热电势等于热电偶与连接导体的热电势的代数和。根据这个定律，在实际测温中的安装情况，可以用热电特性相同的导体，起到延伸加长热电极的作用，以适用不同的安装要求。4标准电极定律如果导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶，其测量端温度为t，参考端温度均为t0，产生的热电势分别为EAC（t，t0）和EBC（t，t0），则由导体A、B组成的势电偶产生的热电势为：EAB（t，t0）=EAC（t，t0）－EAC（t，t0）=EAC（t，t0）+EAC（t，t0）(2-1-8)其中导体C称为标准电极，一般用纯铂。因为铂容易提纯，物理化学性质稳宣，熔点较高。方便了热电偶的选配。只要知道某些材料与标准电极相配的热电势，就可以由上述定律求出任何两种材料组成的热电偶的热电势。2.3.3热电偶材料与结构1热电偶材料根据热电偶测温原理，理论上任意两种导体都可以组成热电偶。但为了保证一定的测量精度，对组成电极材料必须进行严格选择。工业用热电极材料应满足以下要求：电阻温度系数小，导电率高。材料组织要均匀，有韧性，复现性好，便于成批生产及互换。(1)标准化热电偶目前中国已采用国际电工委员会推荐的8种标准化热电偶。8种标准化热电偶的主要性能见表：标准化热电偶的主要性能分度号热电偶名称允许偏差点/℃最高使用温度℃（长期~短期）Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级SR铂铑10—铂铂铑13—铂0~1100±11100~1600(1+(t－1100)×0.3%0~600±1.5600~1100±0.25%t￠0.51300~1600B铂铑13—铂铑6600~1700±0.25%t600~800±4800~1700±0.5%t￠0.516~1800K镍铬—镍硅-40~1100±1.5或0.4%t-40~900±2.5或0.75%t-200~40±2.5或1.5%t￠0.3700~800￠3.21200~1300E镍铬—康铜-40~800±1.5或0.4%t-40~900±2.5或0.75%t-200~40±2.5或1.5%t￠0.30.5350~450￠3.2750~900J铁—康铜-40~750±1.5或0.4%t-40~750±2.5或0.75%t￠0.3/0.5300~400￠2.5/3.2600~750T铜—康铜-40~350±0.5或0.4%t-40~350±1或0.75%t-200~40±1或1.5%t￠0.2150~200￠1.6350~400N镍铬硅—镍硅-40~1100±1.5或0.4%t-40~1300±2.5或0.75%t-200~40±2.5或1.5%t￠0.3700~800￠3.21200~1300(2)非标准化热电偶在超高温、低温等这些特殊测温条件下，应用一些特殊的热电偶。镍铬—金铁热电偶标准热电偶材料，在常温附近具有很高的灵敏度，而在低温酸灵敏度却迅速下降，从而无法在液氢、液氦等介质中使用，附着低温科学和低温技术的研究与应用，低温、超低温测量问题成迫切需要解决的重要问题，镍铬—金铁热电偶能在液氦温度范围，保持大于10μV/℃的灵敏度，适用于0~273K的低温范围，测量误差可达到±0.5℃，是一种较理想的低温测量热电偶。非金属热电偶传统热电偶是由单一金属或合金导体材料制成的，在某些特殊场合下，金属材料有一定的局限性。如：金属中钨的熔点最高，也只有3422℃，并且3000℃以上的绝缘材料也不易解决；金属热电偶在1500℃以上均与碳起化学反应，而铂金属其性能较好，但价格昂贵，因此在使用上受到一定的限制，且难以解决高温含碳气氛下的测温问题。人们通过非金属材料的研究，它具有以下的特点：热电势远大于金属热电偶材料；熔点高，且在熔点以下均很稳定，有可能在某些范围内代替贵金属热电偶材料；在含碳气氛中也很稳定，可在极恶劣的条件下工作。缺点：复现性差；机械强度低。在实际使用中受到很大限制。国外已定型并投入生产的有如下。（1）石墨—碳化钛热电偶在含碳和中性气氛中可测至2000℃的高温国，允许温差为±（0.1%~1.5%t）℃（2）WSi2—MoSi2热电偶在含碳中性和还原性气氛中，可测到2500℃。（3）碳化硼—石墨热电偶特点是硬度大、耐磨、耐高温、抗氧化；化学性能稳定，与酸碱均不起作用；在600~2000℃范围内线性好，热电势大，为钨铼热电偶的19倍。2.热电偶结构热电偶结构类型较多，应用最广泛的主要有普通型热电偶及铠装热电偶。（1）普通型热电偶普通型热电偶由热电极、绝缘子、保护套管及接线盒四部分组成。①热电偶是由两种不同材料的热电极组成。热电极的直径，是材料的价格、机械强度、导电率以及热电偶的测温范围等决定。贵金属的热电极大多采用直径为0.3~0.65mm的细丝.普通金属热电极直径一般为0.5~3.2mm，长度由要安装条件及插入深度而定，一般为350~2000mm。②绝缘子用于保证热电偶两极之间及热电极与保仿套管之间的电气绝缘。材料的选择要考滤电气性能及对热电极的化学作用，常用的绝缘子材料是高温陶瓷管，其结构有单孔、双孔和四孔之分。通常采用的几种材料见表2-1-3：表2-1-3绝缘材料表名称长期使用温度上限℃名称长期使用温度上限℃名称长期使用温度上限℃天然橡胶60~80玻璃和玻璃纤维400氧化铝1600聚乙烯80石英1100氧化镁2000聚四氟乙烯250陶瓷1200③保护套管在热电极及绝缘子外边，作用是保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。材质一般根据测温范围、插入深度；被测介质及测温时间常数等条件来决定。对材料的要求是：耐高温、耐腐蚀、气密性良好，有足够的机械强度，导热系数较高等等。常用的保护套管材料有金属、非金属和金属陶瓷三类。金属保护套管的特点是机械强度高韧性好，工业中1000℃以下使用较广；非金属保护套管主要用于1000℃以上的情况；金属陶瓷是由某种金属或合金同某种陶瓷或几种陶瓷组成非均质的复合材料。集中了金属材料的坚韧和陶瓷材料的耐高温抗腐蚀等两者的优点。为了便于安装，保护套管可分为螺纹连接和法兰连接两种。常用的保护套管材料见表2-1-4。表2-1-4热电偶保护套管材料金属材料耐温℃非金属材料耐温℃金属陶瓷耐温℃铜20#碳钢1Gr18Ni9Ti镍铬合金3506009001200石英高温陶瓷高温氧化铝氧化镁1100130018002000AT203基金属陶瓷Zr02基金属陶瓷MgO基金属陶瓷碳化钛系基金属陶瓷1400220020001000④接线盒的主要作用是将热电偶的参考端引出，供热电偶和导线连接之用，兼有密封和保护接线端子等作用。一般由铝合金，不锈钢，工程塑料，胶木等制成，有防溅式，防水式，防爆式，插座式等等。为防止灰尘和有害气体进入热电偶保护套管内，接线盒的出线孔和面盖均用垫片和垫圈加以密封。用连接热电极与补偿导线的螺丝必须紧固，以免产生较大的接触电阻而影响测量的准确性。（2）铠装热电偶铠装热电偶是将热电偶丝与绝缘材料及金属套管经整体复合拉伸工艺加工而成的可弯曲的坚实组合体。它较好地解决了普通热电偶体积及热惯性大，对被测对象温度场影响较大，不易在热容量较小的对象中使用，在结构复杂弯曲的对象上不便安装等问题。与普通热电偶不同的是：①热电偶与金属保护套管之间被氧化镁材料填实，三者成为一体。②具有一定的可挠性，一般最小弯曲半径为其直径的5倍，这安装使用方便。铠装热电偶套管材料一般采用不锈钢或镍其高温合金，绝缘材料采用高纯度脱水氧化镁或氧化铝粉未。铠装热电偶的突出优点是动态特性好，适用于温度变化频繁以及热容量较小的对象的温度测量。由于其结构小型化，易于制成特殊用途的形式，挠性好，能弯曲，适应对象结构复杂测量场合，因此应用比较普遍。（3）高性能实体热电偶20世纪80年代日本研制出一种新型热电偶，这种热电偶是将热电极装入高温合金钢，或不锈钢等耐热耐腐蚀厚壁的保护套管内，用高纯氧化镁做绝缘材料，经加工形成一个厚壁粗偶丝的坚实组合体。它的特点是耐高温、寿命长、响应速度快。（4）其他热电偶由于某些特殊需要，出现了一些结构特殊的热电偶。如薄膜热电偶、热套式热电偶、高温耐磨热电偶等等。（1）薄膜热电偶是由两种非金属薄膜在绝缘基板上连接而成的一种特殊结构的热电偶，它的测量端又小又薄，主要用于表面温度测量，一般只适用于-200~300℃的温度范围。（2）热套式热电偶主要用在大容量火力发电厂的蒸汽的温度测量中。采用特殊的热套形式；保证了热电偶的插入深入；并且缩短了热电偶悬壁的长度。（3）高温耐磨热电偶主要用于水泥窑熟料及重油；粉煤混烧工酸预热温度测量等。要求保护管的材料要耐热冲击及高温固体颗粒的磨担忧，而且要有足够的机械强度而研制。采用耐磨合金电焊法或等离子喷涂法，制备保护套管。也可采用热喷涂法，喷涂Ni—Gr—Si—B合金，制备保护套管。2.3.4热电偶冷端温度补偿为了使用上的方便，与各种标准化热电偶配套的显示仪表，是根据所配用热电偶的分度表，将热电势转换为对应的温度数值来进行刻度的。各种热电偶的分度表均是在参考端即冷端温度（t0）为0℃的条件下，得到的热电势与温度之间的关系，因此，热电偶温度时，冷端温度必须为0℃，否则将产生测量误差。而在工业上使用时，要使冷端保持在0℃时是比较困难的，所以，必须根据不同的使用条件和要求的测量精度，对热电偶冷端温度采用一些不同的处理办法。常用的如下几种：1．补偿导线延伸法热电偶做的很长，使冷端延长到温度比较稳定的地方，由于热电极本身不便于敷设，对于贵金属热电偶也很不经济。因此，采用一种专用导线将热电偶的冷端延伸出来，而这种导线也是由两种不同金属材料制成；在一定温度范围内（100℃以下）与所连接的热电偶具有相同或十分相近的热电特性，其材料也是廉价金属，将这种导线为补偿导线。根据热电偶补偿导线标准GB4989—499850，不同热电偶所配用的补偿导线也不同，并且有正、负极性之分，各种补偿导线的正极均为红色，负极的不同颜色分别代表不同的分度号和导线；使用时注意与型号相匹配，并且极必不能接错，否则将产生较大的测量误差。常见的热电偶补偿导线见表2-1-5表2-1-5常用的热电偶补偿导线如下表型号热电偶分度号线芯材料绝缘层颜色正极负极正极负极SCS（铂铑10—铂）SPC（铜）SNC（铜镍）红绿KCK（镍铬—镍硅）KPC（铜）KNC（康铜）红蓝KXK（镍铬—镍硅）KPX（镍铬）KNX（镍硅）红黑EXE（镍铬—康铜）EPX（镍铬）ENX（铜镍）红棕JXJ（铁—康铜）JPX（铁）JNX（铜镍）红紫TXT（铜—康铜）TPX（铜）TNX（铜镍）红白按照国际（GB4989—85）补偿导线的精度等级分为精密级（A），普通极（B），按使用温度可分为一般用（G）和耐热用（H）两类。注意无论是补偿型还是延伸型，补偿导线本身并不能补偿热电偶冷端温度的变化，只是起到热电偶冷端延伸作用，改变冷位置，以便采用其他补偿方法。在规定的范围内，由于补偿导线热电特性不可能与热电偶完全相同，因而仍存在一定的误差。2．冰点法各种热电偶的分度表都是在冷端为0℃的情况下制定的，如果把冷端置于能保持温度为0℃的冰点槽内，则测得的热电势就代表被测的实际温度。冰点槽内的温度变化不能超过±0.02℃，保持冰水两相共存。因此冰点法一般在实验室里的精密测量中使用，工业测量时均不采用。3．计算修正法当热电偶冷端温度不是0℃而是t0℃时，测得的热电偶回路中的热电势为E（t，t0）。可采用下式进行修正：E（t，0）=E（t，t0）+E（t0，0）（2-1-9）式中：E（t，0）为冷端为0℃，测量端为t℃时的热电势。E（t，t0）为冷端为t0℃，测量端为t℃时的热电势。E（t0，0）为冷端为0℃，测量端为t0℃时的热电势。即冷端温度不为0℃时热电势校正值。例：用K热电偶测温，t0=30℃，测得E（t，t0）=25.566mV，求被测的实际温度。从K分度表中查得E（30，0）=1.203mV，则E（t，0）=E（t，30）+E（30，0）=25.566+1.203=26.796（mV）再查K分度表，得出实际温度为644℃用计算修正法来补偿冷端温度变化的影响，只适用于实验室或临时性测温的情况。而对于现场的连续测量显然是不实用的。4．仪表零点校正法如果热电偶冷端温度比较恒定，与之配用的显示仪表零点调整又比较方便，则可采用此种方法实现冷端温度补偿。如冷端温度t0已知，可将显示仪表的机械零点直接调至t0处。注意，当冷端温度t0变化时，需要重新调整仪表的零点，若冷端温度变化频繁，此方法则不宜采用，调整显示仪表的零点时，应当断开热电偶回路的情况下进行。5．补偿电桥法补偿电桥法是采用不平衡电桥产生的直流毫伏信号，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化，又称为冷端补偿器。如果补偿电桥按0℃时电桥平衡设计,应将显示仪表的零位预先调至到0℃处，如果补偿电桥按20℃时平衡设计，则将显示仪表的零位预先调至20℃处。2.3.5热电偶的实用测温电路1.工业用热电偶刻温的基本线路如图所示，热电偶测温线路由热电偶、中间连接部分(补偿导线、恒温器或补偿电桥、铜导线等)和显示部分(或微机)组成。连接时应注意:热电偶冷端和补偿导线接点的两个端子必须保持在同一温度上，否则将引起误差。

2.热电偶的串联（1）热电偶的正向串联正向串联就是各同型号热电偶异名极串联的接法，如图2-41(a)所示。图中n只同型号式中E,(T,T0)—各单支热电偶的热电势，mV;E.(T,T0)—正向串联回路的总热电势，mV.采用热电堆来侧量同一温度，可使输出电势增加，进而提高仪表的灵敏度。在相同条件下，热电偶的正向串联回路可与灵敏度较低的电测仪表配合。其缺点是:当一只热电偶烧断时，整个仪表回路开路，不能正常工作。（2）热电偶反向串联热电偶反向申联是将两只同型号热电偶的同名极相串联，这样组成的热电偶称为微差热电偶。如图2-41(b)所示，其输出热电势△E反映了两个测量点(T1和T2)的温度之差，即（3）热电偶的并联将n只同型号的热电俩的正极和负极分别连接在一起的线路称为并联线路，如图2-42所示。如果几只热电偶的电阻值均相等，则并联测量线路的总热电势等于几只热电偶热电势的平均值，即

并联线路常用来侧最测量的平均温度。同串联线路相比，并联线路的热电势虽小，但其相对误差仅为单只热电偶的,且当某只热电偶短路时，测温系统仍可照常工作。2.3.6热电偶的选择、使用和安装1.热电偶的选择在实际测温时，被测对象极其复杂，应在熟悉被测对象、掌握各种热电偶特性的基础上，根据测量要求、使用环境、温度的高低等正确地选择热电偶。（1）按使用温度选择当t<1000℃时，多选用廉金属热电偶，如K型热电偶。它的特点是使用温度范围宽，高温下性能较稳定。当t=一200--300℃时，最好选用T型热电偶.它是廉金属热电偶中准确度最高的;也可选择E型热电偶，它是廉金属中热电势变化率最大、灵敏度最高的。当t=1000-1400℃时，多选用R,s型热电偶。当t<1300℃时，可选用N型或者K型热电偶。当t=1400-1800℃时.多选用B型热电偶。当t<1600℃时，短期可用S型或R型热电偶。当t>1800℃时，常选用钨铼热电偶。（2）根据被测介质选择a氧化性气氛当t<1300℃时，多选用N型或K型热电偶，因为它们是廉金属热电偶中抗氧化性最强的;当t>1300℃时，选用铂铭系热电偶。b真空、还原性气氛当t<950℃时，可选用J型热电偶，它既可以在氧化性气氛下工作，又可以在还原性气氛下工作;当t>1600℃时，应选用钨锌热电偶，C恨据冷端温度的影响选择当t<1000℃时，可选用镍钻一镍铝热电偶.其冷端温度在0--300℃时，可忽略其影响。它常被用于飞机尾喷口排气温度的测址;当t>1000℃时，常选用B型热电偶，一般可忽略冷端温度的影响。D根据热电极的直径与长度选择热电极直径和长度的选择是由热电极材料的价格、比电阻、测温范围及机械强度决定的。对于快速反应，必须选用细直径的电极丝:测ht端越小，越灵敏，响应速度越快，但电阻也越大。如果热电极直径选择过细，会使测最线路的电阻值增大。若选择粗直径的热电极丝，虽然可以提高热电偶的测温范围和寿命.但要延长响应时间。热电极丝长度的选择是由安装条件.主要是由插入深度决定的。综上所述，热电偶丝的直径与长度，虽不影响热电势的大小，但是它却直接与热电偶的使用寿命、动态响应特性及线路电阻有关，所以它的正确选择也是很重要的。2.热电偶的安装热电偶的安装应遵循如下原则:（1）安装方向安装热电偶时，应尽可能保持垂直，以防保护管在高温下产生变形。若水平安装热电偶，则在高温下会因自重的影响而向下弯曲，可用耐火砖或耐热金属支架来支撑，以防止弯曲。测流体温度时，热电偶应与被测介质形成逆流.亦即安装时热电偶应迎着被测介质的流向插人，至少须与被测介质成正交。（2）安装位置热电偶的测M端应处于能够真正代表被测介质温度的地方。如侧虽管道中流体的温度，热电偶工作端应处于管道中流速最大的地方，热电偶保护什的末端应越过管道中心线约5-10mm（3）插入深度热电偶应有足够的插入深度。在实际测温过程中，如热电偶的插人深度不够，将会受到与保护管接触的侧壁或周围环境的影响而引起测虽误差。对金属保护管热电偶，插人深度应为直径的15一20倍;对非金属保护管热电偶，插人深度应为直径的10一15倍。增加热电偶插入深度的方法如图2-43所示。此外，热电偶保护管露在设备外的部分应尽可能短，最好加保温层，以减少热损失。（4）细管道内流体温度的测量在细管道(直径小于80mm)内测温，往往因插人深度不够而引起测量误差，安装时应接扩大管，如图2-45(a)所示;或按图2-45(a)所示的方法，选择适宜部位安装，以减小或消除此项误差。（5）含大量粉尘气体的温度测是由于气体内含大献粉尘，对保护管的磨损严重，因此应按图2-46所示，采用端部切开的保护筒。如采用恺装热电偶，不仅响应快，而且寿命长（6）负压管道中流体温度的测量热电偶安装在负压管道中，必须保证其密封性，以防外界冷空气吸人，使测量值偏低。（7）接线盒安装导线及电绩等在穿管前应检查其有无断头和绝缘性能是否达到要求.管内导线不得有接图1细管道内流体温度的测量(a)安装扩大管;(b)选择适宜安装部位图2含大量粉尘气体的温度测量图1细管道内流体温度的测量(a)安装扩大管;(b)选择适宜安装部位图2含大量粉尘气体的温度测量1-流体流动方向;2-端部切开的保护筒;3-恺装热电偶头，否则应加接线盒。热电偶接线盒的盖子应朝上，以免雨水或其他液体的侵人，影响测量的准确度。（8）如果被测物体很小，在安装时应注意不要改变原来的热传导及对流条件3.热电偶的使用(1)为减小测最误差.热电偶应与被测对象充分接触，使两者处于相同温度。(2)保护管应有足够的机械强度，并可承受被测介质的腐蚀。保护管的外径越粗，耐热、耐腐蚀性越好，但热情性也越大。(3)当保护管表面附着灰尘等物质时，将因热阻增加，使指示温度低于真实温度而产生误差，故应定期清洗。(4)磁感应的影响。热电偶的信号传输线.在布线时应尽量避开强电区(如大功率的电机、变压器等)，更不能与电网线近距离平行敷设。如果实在避不开，也要采取屏蔽措施或采用恺装线，并使之完全接地。若担心热电偶受影响时，可将热电极丝与保护管完全绝缘.并将保护管接地(5)如在最高使用温度下长期工作，应注意热电偶材质发生变化而引起误差。(6)冷端温度的补偿与修正热电偶的冷端必须妥善处理，保持恒定，补偿导线的种类及正、负极不要接错，补偿导线不应有中间接头，补偿导线最好与其他导线分开敷设。(7)热电偶的焊接、清洗、定期检定与退火等应严格按照有关规定进行。§2.4热电阻温度计基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值随温度变化的性质，将电阻值的变化转换为电信号，从而达到测温的目的。用于制造热电阻的材料，要求电阻率、电阻温度系数要大，热容量、热惯性要小，电阻与温度的关系最好近于线性；另外，材料的物理、化学性质要稳定，复现性好，易提纯，同时价格尽可能便宜。热电阻测温的优点是信号灵敏度高、易于连续测量、可以远传（与热电偶相比）、无需参比温度；金属热电阻稳定性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。常用热电阻种类主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。2.4.1铂电阻测温1.概述铂电阻(IEC)的电阻率较大，电阻—温度关系呈非线性，但测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。国标ITS一90规定，在-259．34～630．74℃温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。铂的纯度用百度电阻比W100表示。它是铂电阻在100℃时电阻值R100与O℃时电阻值R0之比，即W100＝R100／R0。W100越大，其纯度越高。目前技术已达到W100＝1.3930，其相应的铂纯度为99.9995％。国标ITS一90规定，作为标准仪器的铂电阻W100应大1.3925。一般工业用铂电阻的Wl00应大于1.3850。目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用；而Pt10是用较粗的铂丝制作的，主要用于600℃以上的测温。铂电阻范围通常最大为-200℃～850℃。在550℃以上高温（真空和还原气氛将导致电阻值迅速漂移）只适合在氧化气氛中使用。铂电阻与温度的关系：当℃时（2-6）当℃时（2-7）式中---温度为零时铂热电阻的电阻值（Ptl00为100，Ptl0为10）；---温度为t时铂热电阻的电阻值；C据公式（2-6）制成的工业铂热电阻分度表见附录1和2。2.热电阻的结构工业热电阻的基本结构如图所示。热电阻主要由感温元件、内引线、保护管3部分组成。通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置连接的部件。它的外形与热电偶相似，使用时要注意避免用错。热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。它是热电阻的核心部分，由电阻丝及绝缘骨架构成。作为热电阻丝材料应具备如下条件：①电阻温度系数大、线性好、性能稳定；②使用温度范围广、加工方便；③固有电阻大，互换性好，复制性强。能够满足上述要求的丝材，最好是纯铂丝。我国纯铂丝品种及应用范围如表所示。绝缘骨架是用来缠绕、支承或固定热电阻丝的支架。它的质量将直接影响电阻的性能。因此，作为骨架材料应满足如下要求：①在使用温度范围内，电绝缘性能好；②热膨胀系数要与热电阻相近；③物理及化学性能稳定，不产生有害物质污染热电阻丝；④足够的机械强度及良好的加工性能；⑤比热小，热导率大。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种热电阻感温元件。云母骨架感温元件的结构特点是：抗机械振动性能强，响应快。很久以来多用云母作骨架。但是，由于云母是天然物质，其质量不稳定；即使是优质云母，在600℃以上也要放出结晶水并产生变形。所以，使用温度宜在500℃以下。云母骨架感温元件，因其电阻丝并非完全固定，故受热后引起电阻变化小，电阻性能比较稳定，但其体积较大，不适宜在狭小场所进行测量，并且响应时间较长是其不足。玻璃骨架感温元件其特点是：体积小，响应快、抗振性强。因铂丝已固定在玻璃骨架上，故在使用中不产生形变，因此，必须选取与电阻丝具有相同膨胀系数的玻璃作骨架。否则，当温度变化时引起膨胀或收缩，就会改变热电阻的性能。其结构如图2-3所示。感温元件较通用的尺寸是外径为1~4mm，长度为10~40mm。这种玻璃骨架的软化点约为450℃，最高安全使用温度为400℃，而且，低温到4K仍然可用。陶瓷骨架感温元件的特点是：体积小、响应快、绝缘性能好。使用温度上限可达960℃。陶瓷骨架的缺点是机械强度差，不易加工。(3)热电阻的引线形式内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。内引线通常位于保护管内。因保护管内温度梯度大，作为内引线要选用纯度高、不产生热电动势的材料。对于工业铂热电阻而言，中低温用银丝作引线，高温用镍丝。这样，既可降低成本，又能提高感温元件的引线强度。对于铜和镍热电阻的内引线，一般都用铜、镍丝。为了减少引线电阻的影响，内引线直径通常比热电阻丝的直径大很多。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图所示。线制在热电阻感温元件的两端各连一根导线(见图)的引线形式为两线制。这种两线制热电阻配线简单，安装费用低，但要带进引线电阻的附加误差。因此，不适用于A级。并且在使用时引线及导线都不宜过长。采用两线制的测温电桥如图所示，a)接线示意图，b)为等效原理图。从图中可以看出热电阻两引线电阻Rw一起构成电桥测量臂，这样当引线电阻随沿线环境温度改变引起的阻值变化量2△Rw和热电阻随被测温度变化的增量值△Rt一起成为有效信号转换成测量信号电压，从而影响温度测量精度。两线制热电阻测量电桥a)示意图b)等效原理图②三线制在热电阻感温元件的一端连接两根引线，另一端连接一根引线(见图)，此种引线形式称为三线制。用它构成如图所示测量电桥，可以消除内引线电阻的影响，测量精度高于两线制。目前三线制在工业检测中应用最广。而且，在测温范围窄或导线长或导线途中温度易发生变化的场合必须考虑采用三线制。四线制热电阻测量电桥a)示意图b)等效原理图另外，为保护感温元件、内引线免受环境的有害影响，热电阻外面往往装有可拆卸式或不可拆卸式的保护管。保护管的材质有金属、非金属等多种材料，可根据具体使用特点选用合适的保护管。2.4.2.铜电阻和热敏电阻测温1.铜电阻铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，其材料易提纯，价格低廉；但因其电阻率较低（仅为铂的1/2左右）而体积较大，热响应慢；另因铜在250℃以上温度本身易于氧化，故通常工业用铜热电阻（分度号分别为Cu50和Cul00）一般其工作温度范围为-40℃～120℃。其电阻值与温度的关系为：当℃时（2-7）式中---温度为零时铜热电阻的电阻值（Cul00为100Ω,Cu50为50Ω）；---温度为t时铜热电阻的电阻值；℃根据公式（2-6）制成的工业用铜热电阻分度表见附录3。2.半导体热敏电阻对于在低温段-50—350℃左右的范围、测温要求不高的场合，目前世界各国，特别是工业化国家，采用半导体热敏元件作温度传感器。大量用于各种温度测量、温度补偿及家电、汽车等要求不高的温度控制。（1）热敏电阻和热电阻、热电偶及其它接触式感温元件相比具有下列优点：

①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数量级；由于灵敏度高，可大大降低后面调理电路的要求；②标称电阻有几欧到十几兆欧之间的不同型号、规格，因而不仅能很好地与各种电路匹配，而且远距离测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；③体积小(最小珠状热敏电阻直径仅0.1～0.2mm)，可用来测量“点温”④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；⑤结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动；采用玻璃、陶瓷等材料密封包装后，可应用于有腐蚀性气氛等的恶劣环境；⑥资源丰富，制作简单、可方便地制成各种形状（如图所示），易于大批量生产，成本和价格十分低廉。（2）热敏电阻的主要缺点：①阻值与温度的关系非线性严重；②元件的一致性差，互换性差；③元件易老化，稳定性较差；特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围，使用时必须注意。§2.5非接触测温2.5.1光学高温计光学高温计的原理物体在高温状态下会发光，也就是具有一定的光亮度，物体的波长为λ的光亮度Bλ和它的辐射强度Eλ是成正比的，即Bλ=CEλ（2-1-19）式中C——比例常数。由于Eλ与温度有关，因此受热物体的亮度大小反映了物体温度的高低。但因为各种物体的黑度ελ是不同的，因此即使它们的亮度相同，它们的温度也是不相同的。这样如按某一物体的温度刻度的光学高温计就不可以用来测量黑度不同的另一物体的温度，所以仪表是按黑体的温度刻度。当测量实际物体的温度时，所测量出的结果不是物体的真实温度，而是相当黑体的温度，即所谓被测物体的亮度温度。然后通过修正求得被测物体的真实温度。亮度温度的定义是：当物体在辐射波长为λ、温度为T时的亮度Bλ，和黑体在辐射波长为λ、温度为TS时的亮度B0λ相等，则把TS称为这个物体在波长为λ时的亮度相等。将维思公式代入（2-1-19）式，得到物体和黑体的亮度公式分别为Bλ=CελC1λ－5e（2-1-20）B0λ=CC1λ－5e（2-1-21）假如两者的亮度相等，就得到：－=lnελ（2-1-22）式中λ=0.66μ（红光波长）TS——亮度温度，K；ελ——黑度系数（物体在波长λ下的吸收率）；C2——普朗克第二辐射常数。在已知物体的黑度ελ和高温计测得的亮度温度TS之后，就可用式（2-1-22）求出物体的真实温度T。由上式看出ελ越小，则亮度温度与真实温度间的差别也就越大。因0＜ελ＜1，因此测得物体的亮度温度总是低于真实温度。使用光学高温计应注意的事项：（1）非黑体的影响：被测物体往往是非绝对黑体，而且物体的黑度ελ不是常数，它和波长λ、物体的表面情况及温度高低均有关系。物体黑度的变化有时是很大的，这给测量带来很不利的影响。为了消除ελ的影响，可以人为地创造黑体辐射的条件，譬如测量炉膛温度，可以插入一根细长而有底的陶瓷管，在充分受热以后，这个管子底部的辐射就可以近似的认为是绝对黑体了。为得到足够的黑度，管子的长度与管子的内径之比不得小于10。（2）中间介质的影响：光学高温计和被测物体之间的灰尘、烟雾和二氧化碳等气体，对热辐射会有吸收作用，因而造成测量误差。在实际测量时很难做到没有灰尘，因此光学高温计不要距离被测物体太远，一般在1~2米之内比较合适。（3）光学高温计不宜测量反射光很强的物体，否则要产生误差。光学高温计由于受被测物体黑度的影响，测量的精度要比热电偶、热电阻低，且结构复杂，价贵，不能测物体内部点的温度，因此在使用上受到限制。2．5.2全辐射高温计全辐射高温计的工作原理全辐