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溫 度 測(cè) 量
更新日期：2012-12-24瀏覽：7297次
2.1 溫標(biāo)與測(cè)溫方法
2.1.1 溫度標(biāo)尺（溫標(biāo)）
1）溫度與溫標(biāo)：
l 溫度：衡量物體冷熱程度的物理量，是物體分子熱運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)志。
l 溫標(biāo)：衡量溫度高低的標(biāo)尺，是表示溫度數(shù)值的一套規(guī)則。
2）經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)
l 攝氏溫標(biāo)：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，以水的冰點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，兩固定點(diǎn)之間等分100份，每份為攝氏1度，記為1°C。（1740年瑞典人攝爾塞斯Celsius）
l 華氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，兩固定點(diǎn)中間等分180份，每份為華氏1度，記為1°F。（1714年德國(guó)人華倫凱特Fahrenheit）
｛zui初建立時(shí)以水銀作為測(cè)溫介質(zhì)，把氯化銨與水的混合物的溫度定為0度，人的體溫定為100度，按水銀的膨脹程度分成100等份，每份為華氏1度｝
l 兩種溫標(biāo)的關(guān)系：
2-1
l 這種溫標(biāo)的缺點(diǎn)：溫標(biāo)本身依賴于物質(zhì)本身的特性，分度的任意性無法滿足測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展需求。
l 解決：尋求一種不依賴于物質(zhì)本身特性的新溫標(biāo)。
3）熱力學(xué)溫標(biāo)
在卡諾循環(huán)中，卡諾機(jī)在高溫?zé)嵩碩1和低溫?zé)嵩碩2之間交換熱量，其中從高溫?zé)嵩次諢崃縌1,向低溫?zé)嵩捶艧酫2。則有
2.2
可見，溫度只與熱量有關(guān)，與物質(zhì)無關(guān)，從而避免了分度的任意性。以此建立的溫標(biāo)稱為熱力學(xué)溫標(biāo)。熱力學(xué)溫度（也稱溫度）用符號(hào)T表示，單位為開爾文，符號(hào)K。
熱力學(xué)溫度的定義中以水的三相點(diǎn)作為273.16，再取1／273.16定義為1K。
4）理想氣體溫標(biāo)
由于卡諾機(jī)為理想熱機(jī)，實(shí)際上并不存在。復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)可從與卡諾定理等效的理想氣體狀態(tài)方程入手。用波意爾—馬略特定律制成氣體溫度計(jì)，解決了熱力學(xué)溫標(biāo)的實(shí)現(xiàn)問題。
5）實(shí)用溫標(biāo)（溫標(biāo)）
由于氣體溫度計(jì)制造和使用都很復(fù)雜，不宜實(shí)用，故只用來夫現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)。1927年第七屆計(jì)量大會(huì)開始制定了以熱力學(xué)溫標(biāo)為基礎(chǔ)的能用公式表示、便于實(shí)際應(yīng)用的協(xié)議溫標(biāo)—溫標(biāo)（ITS-27）,后幾經(jīng)修改成為ITS-48/ITS-68/ITS-90。
1990年溫標(biāo)是國(guó)內(nèi)目前使用的溫度標(biāo)準(zhǔn)。包括三方面的內(nèi)容：溫度單位的定義；定義固定溫度點(diǎn)的方法和復(fù)現(xiàn)固定溫度點(diǎn)的方法。
2-3
2.1.2 測(cè)溫方法分類
兩大類 接觸式：體積膨脹式、壓力表式、熱電偶、熱電阻等
非接觸式：輻射式、光電式等
2.2 接觸式測(cè)溫
2.2.1 膨脹式與壓力式溫度計(jì)
1）膨脹式
l 玻璃管溫度計(jì)（液體膨脹式）
原理：基于液體在透明玻璃外殼中的熱脹冷縮作用。
結(jié)構(gòu)：感溫包（球型或圓柱形液體貯囊），毛細(xì)管，溫度標(biāo)尺。
內(nèi)標(biāo)式 圖2.5
| 圖2.6 |
外標(biāo)式
特殊結(jié)構(gòu) 圖2.7，2.8
數(shù)量關(guān)系：
2-4
其中： L—溫度計(jì)的靈敏度（對(duì)應(yīng)刻度每1°C，液體在毛細(xì)管中的長(zhǎng)度）；
—液體在0~100°C間的視膨脹系數(shù)；
V0—液體貯囊的容積；
S—毛細(xì)管的橫截面積。
[液體在玻璃內(nèi)的視膨脹系數(shù)：液體的平均體膨脹系數(shù)（）與玻璃的平均體膨脹系數(shù)（）之差。（可通過試驗(yàn)或查表取得，如P41 表2.3）]
提高靈敏度的方法：升高和V0（過大有熱惰性），降低S（過小易堵或上升不均勻）。
l 雙金屬溫度計(jì)（固體膨脹式）
原理：利用線膨脹系數(shù)差別較大的兩種金屬材料制成雙層片狀元件，當(dāng)溫度變化時(shí)使自由端產(chǎn)生位移，用位移標(biāo)識(shí)溫度。
結(jié)構(gòu)： 如圖2.9，圖2.10
特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，價(jià)低，抗震動(dòng)和沖擊，精度稍差。
2）壓力式溫度計(jì)
原理：利用密封在容器中的工質(zhì)受熱后體積變化引起的壓力變化來指示溫度。
結(jié)構(gòu)：測(cè)溫包+壓力計(jì)（刻度成溫度示值），冰箱測(cè)溫或如圖2.11
2.2.2 熱電偶溫度計(jì)
1）熱電現(xiàn)象（塞貝克效應(yīng)1821年）：
兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接觸端溫度T1>T2時(shí)，回路中將產(chǎn)生電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電現(xiàn)象。
l 產(chǎn)生的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)；
l AB構(gòu)成的閉合回路稱為熱電偶；圖2.12
l T1為測(cè)量端（熱端、工作端），T0稱為參比端（冷端、自由端）。
2）熱電現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：
物理學(xué)指出，熱電勢(shì)由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)組成。
l 接觸電勢(shì)：由于導(dǎo)體材料內(nèi)部自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同導(dǎo)體相互接觸時(shí)接點(diǎn)處產(chǎn)生的電勢(shì)。（自由電子從密度大的導(dǎo)體擴(kuò)散到密度小的導(dǎo)體中，失去電子的導(dǎo)體呈陽性，獲得電子的導(dǎo)體呈陰性，因此又形成了一個(gè)內(nèi)部電場(chǎng)，此電場(chǎng)阻礙自由電子的進(jìn)一步擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電場(chǎng)力與擴(kuò)散力達(dá)到平衡時(shí)，接點(diǎn)處形成一定的電位差——即：接觸電勢(shì)也叫珀?duì)柼妱?shì)。
圖示見圖2.13（分清三個(gè)方向：內(nèi)部電場(chǎng)、內(nèi)部電壓降和外部電勢(shì)）
l 接觸電勢(shì)的數(shù)值：
2-5
式中：
k—波爾茲曼常數(shù)1.38´10-23 J／K
T—接點(diǎn)溫度
e—單位電荷數(shù)，4.802´10-10靜電單位
NA、NB—導(dǎo)體A、B在溫度T時(shí)的自由電子密度
結(jié)論：接觸電勢(shì)是接點(diǎn)溫度的函數(shù)，與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)有關(guān)。
l 溫差電勢(shì)：同種材料導(dǎo)體由于兩端溫度不同產(chǎn)生的熱電勢(shì)。（溫度高的一側(cè)自由電子能量大，因此電子擴(kuò)散時(shí)從高溫端移向低溫端的數(shù)量多，返回的數(shù)量少，形成的內(nèi)部電場(chǎng)力與擴(kuò)散力平衡時(shí)，導(dǎo)體呈電性，產(chǎn)生溫差電勢(shì)—也叫湯姆遜電勢(shì)）
圖示見圖2.14（分清三個(gè)方向：內(nèi)部電場(chǎng)、內(nèi)部電壓降和外部電勢(shì)）
l 溫差電勢(shì)的數(shù)值：
2-6
式中：
—湯姆遜系數(shù)，表示溫差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，它與材料的性質(zhì)有關(guān)。
—只與導(dǎo)體性質(zhì)及溫度有關(guān)，與導(dǎo)體長(zhǎng)度、截面積及溫度分布無關(guān)。
3）熱點(diǎn)偶回路的總電勢(shì)：
溫差電勢(shì)與接觸電勢(shì)的綜合效應(yīng)。
設(shè)T>T0，NA>NB
如圖2.15
2-7
即：
2-8
Ø 若電極A、B為同一種材料（NA＝NB，），則無論溫度如何，回路總電勢(shì)始終為0；
Ø 若T＝T0，則無論電極A、B材料是否相同，回路總電勢(shì)始終為0。
Ø 熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的條件——不同材料且接點(diǎn)溫度不同。
l 等效表達(dá)形式1：
2-9
Ø 熱電勢(shì)是溫度函數(shù)之差，而不是溫差的函數(shù)；
Ø 若T0恒定，則熱電勢(shì)與T呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；
Ø 熱電勢(shì)大小只與導(dǎo)體材質(zhì)和接點(diǎn)溫度相關(guān)，而與形狀、接觸面積無關(guān)；
Ø 熱電極的極性規(guī)定，電子密度大的電極為正；熱電勢(shì)符號(hào)中電極和溫度順序互換一次，電勢(shì)變一次符號(hào)；
l 等效表達(dá)式2：
2-10
Ø 2-11
| 證明： |
4）熱電偶的基本定律
l 均質(zhì)導(dǎo)體定律
Ø 均質(zhì)導(dǎo)體：沿導(dǎo)體長(zhǎng)度方向各部分化學(xué)成分均相同的導(dǎo)體。
Ø 定律：由一種均質(zhì)導(dǎo)體所組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的截面積如何及導(dǎo)體各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。
Ø 作用：熱電偶必須采用兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體構(gòu)成（制造）；
若兩種導(dǎo)體組成的閉合回路產(chǎn)生熱電勢(shì)，材料非均質(zhì)（冶煉）；
若材料局部不均勻?qū)a(chǎn)生附加熱電勢(shì)（及時(shí)檢修，防腐）；
l 中間導(dǎo)體定律
Ø 定律：在熱電偶回路中接入中間均質(zhì)導(dǎo)體，只要導(dǎo)體兩端溫度相等，則對(duì)回路總電勢(shì)沒有影響（非均質(zhì)導(dǎo)體要求此導(dǎo)體等溫）。
證明：如圖2.16所示，在電極為AB的熱電偶回路中接人第三種均質(zhì)導(dǎo)體C，保持C兩端的溫度相等，則回路總電動(dòng)勢(shì)不變，即：
| CA |
| B |
| A |
| T0 |
| T |
| 圖2.16 |
2-13
∵ 2-14
∴ 2-15
式2-15代入式2-13有：
證畢。
Ø 作用：用儀表測(cè)量熱電勢(shì)成為可能；
且提出了測(cè)量接線及環(huán)境要求；
熱電偶開路測(cè)量金屬壁溫、液態(tài)金屬等成為可能；
可推廣到第四種以上導(dǎo)體。
Ø 推論：如果A、B對(duì)C 材料的熱點(diǎn)是已知，則A、B構(gòu)成熱電偶的熱電勢(shì)為它們對(duì)C熱電勢(shì)的代數(shù)和。
| A |
| C |
| A |
| + |
| ＝ |
| C |
| B |
| B |
| T |
| T |
| T |
| T0 |
| T0 |
| T0 |
證明：要證
證畢
Ø 作用：只要通過實(shí)驗(yàn)獲得某些電極與標(biāo)準(zhǔn)鉑電極的熱電勢(shì)，則其中任何兩個(gè)電極配成的熱電偶熱電勢(shì)即可通過計(jì)算獲得。
［例］已知在熱端100℃，冷端0℃時(shí)，銅鉑相配熱電勢(shì)為0.75mV，考銅與鉑相配的熱電勢(shì)為-4.0mV，問銅－考銅熱電偶此溫度下的熱電勢(shì)？
解：設(shè)銅為A，鉑為B，考銅為C
由已知：
l 連接導(dǎo)體定律：熱電偶回路中如果熱電極級(jí)A和B分別與導(dǎo)體A’、B’相接，接點(diǎn)溫度分別為T、Tn、T0，則回路總電勢(shì)等于熱電偶熱電勢(shì)和連接導(dǎo)體熱電勢(shì)的代數(shù)和。如圖2.17所示。
2-16
| A’ |
| B’ |
| B |
| A |
| T |
| Tn |
| T0 |
| 圖2.17 |
證明：左側(cè)展開有
2-17
由
2-18
式2-18代入2－17有
證畢
Ø 作用：若A’，B’材料熱電特性在Tn，T0（低溫區(qū)）與A、B的熱電特性相同，則可用A’B’材料代替AB延長(zhǎng)熱電偶。
l 中間溫度定律：
Ø 定律：兩種均質(zhì)材料AB構(gòu)成熱電偶，兩端溫度分別為T，T0，如果有一個(gè)中間溫度Tn，則熱電勢(shì)不受影響。
2-19證明：連接導(dǎo)體定律中A’B’換成AB即可。
Ø 寫成特殊形式：
2-20
Ø 作用： 已知熱電偶在某一冷端下的分度（溫度與熱電勢(shì)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)），只要 引入適當(dāng)?shù)男拚涂稍诹硗獾睦涠讼率褂谩?/div>
T0
電橋平衡時(shí)：
數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)思路：
、—內(nèi)插、外露長(zhǎng)度
為制造方便，傳感器保護(hù)套管的截面積尺寸和材料應(yīng)保持一致，因此外露段的A2、U2、不能變化，只有減小和L2；辦法：外露部分盡可能短；同時(shí)加包保溫材料。
2.3.1 概述
Ø 介紹《分度表》P416
四點(diǎn)注意： 冷端0℃；
由T查E（T，0）；
由E（T,0）查T；
顯示儀表刻度以分度表為準(zhǔn)。
［例］K型熱電偶用于測(cè)溫，已知參比端溫度25℃，測(cè)得熱電勢(shì)20.54mV，問實(shí)際測(cè)量溫度是多少？
解：由已知，E（T，25）＝20.54mV,
因 E（T，0）＝E（T，25）+E（25，0）
＝20.54+1.0＝26.54mV
查表，得T＝521℃
｛問，可否直接查K型熱電偶的分度表P420，得出一個(gè)溫度，如20.559對(duì)應(yīng)498℃，再加上25℃，得523℃？為何有此差別？｝
5）熱電偶的種類與結(jié)構(gòu)
l 熱電極的材料
原則上任何導(dǎo)體均可。但考慮作為傳感器的基本要求，故實(shí)際可用材料有限，且隨著材料技術(shù)的發(fā)展有一定的變化。
單值性：輸出與被測(cè)量單值關(guān)系，是線性關(guān)系；
復(fù)現(xiàn)性：在不同的測(cè)量條件下測(cè)量值應(yīng)在一定的準(zhǔn)確度內(nèi)一致；
選擇性：傳感器輸出只對(duì)被測(cè)量變化敏感；
超然性：對(duì)被測(cè)量的干擾盡可能小；
靈敏性：輸出信號(hào)盡可能大；
穩(wěn)定性：物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；
經(jīng)濟(jì)性：價(jià)格可被接受。
l 熱電偶的分類
Ø 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：工藝成熟，能批量生產(chǎn)、性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛，具有統(tǒng)一分度表并已列入、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)性文件的熱電偶。見P48 表2.4
² 分度號(hào)S，鉑銠10－鉑， 0～1300℃***
² 分度號(hào)R，鉑銠13－鉑， 0～1300℃
² 分度號(hào)B，鉑銠30-鉑銠6 0～1300℃
²
分度號(hào)K，鎳鉻-鎳硅， -200～1200℃*** 見P48-50說明
² 分度號(hào)N，鎳鉻硅－鎳硅，-200～1200℃
² 分度號(hào)E，鎳鉻－康銅， -200～760℃***
² 分度號(hào)T，銅－康銅， -200～350℃***
² 分度號(hào)J，鐵－康銅， -40～600℃
Ø 非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶：對(duì)這一類熱電偶的研究還不夠成熟，雖然已有產(chǎn)品，也能夠使用，但還沒有統(tǒng)一的分度表。非標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶發(fā)展很快，主要目的是進(jìn)一步擴(kuò)展高溫和低溫的測(cè)量范圍。
² 貴金屬熱電偶 包括鉑銠系列熱電偶，它們zui高測(cè)量溫度為1850C。還有銥銠系列熱電偶，zui高測(cè)溫達(dá)2250C。此外還有鉑-金熱電偶，具有*的穩(wěn)定性，主要用于航天技術(shù)和高精度測(cè)量領(lǐng)域。
² 貴一廉金屬混合式熱電偶 金鐵合金熱電偶主要用于低溫測(cè)量，這種熱電偶測(cè)溫范圍在一270～OC，它們?cè)诘蜏叵露加休^高的靈敏度和穩(wěn)定性。此外還有雙鉑鉬熱電偶，這種熱電偶可用于核輻射場(chǎng)合中，也可以在真空和惰性氣體中長(zhǎng)期使用，zui高溫度為1600C。
² 難熔金屬熱電偶 它包括鎢錸合金熱電偶，熔點(diǎn)高于3000℃，zui高測(cè)量溫度可達(dá)2500～2800℃，而且穩(wěn)定性好，線性度好，在冶金。建材、航空航天和核能工業(yè)中應(yīng)用廣泛。它是一種在高溫測(cè)量領(lǐng)域很有發(fā)展前途的熱電偶。此外還有鎢鉬熱電偶，zui高測(cè)量溫度為2000℃，價(jià)格便宜，但熱電勢(shì)小。
² 非金屬熱電偶 由非金屬材料制成的熱電偶目前仍處于研究階段，主要問題是它的復(fù)現(xiàn)性和機(jī)械強(qiáng)度差，但熱電勢(shì)大，如碳－硅碳熱電偶在1700℃時(shí)，熱電勢(shì)508mV.
l 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式
要求： 兩電極間電氣絕緣；—————絕緣子
電極不受環(huán)境有害物質(zhì)污染；— 保護(hù)套管
一定的剛度和強(qiáng)度；—————
測(cè)量端與被測(cè)對(duì)象有良好的接觸。—緊貼套管端部、插入深度等。
圖2.22 普通裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)
圖2.23 鎧裝熱電偶結(jié)構(gòu)
6）熱電偶的冷端處理
影響： 由 知T0 恒定，EAB與T單值，故需修正。
辦法： 首先將冷端延長(zhǎng)到一個(gè)溫度穩(wěn)定的地方——使用補(bǔ)償導(dǎo)線；
然后再考慮將冷端處理為0（與分度表對(duì)應(yīng)），——冷端處理和補(bǔ)償
方法：
l 補(bǔ)償導(dǎo)線法
補(bǔ)償導(dǎo)線：在 100℃（或200℃）以下的常溫范圍內(nèi)，具有與所匹配的熱電偶的熱電勢(shì)標(biāo)稱值相同特性的廉價(jià)材料導(dǎo)線。用它連接熱電偶可起到延長(zhǎng)熱電偶冷端的作用。
延長(zhǎng)型補(bǔ)償導(dǎo)線：合金絲的化學(xué)成分及熱電勢(shì)標(biāo)稱值與配用的熱電偶相同。
補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線：合金絲的化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但熱電勢(shì)值在100℃以下與配用的熱電偶的熱電勢(shì)標(biāo)稱值相同。
對(duì)補(bǔ)償導(dǎo)線的要求： 價(jià)格低
與熱電偶配套
正負(fù)極性不能接錯(cuò)
與熱電偶的接點(diǎn)溫度相同
［問題］上述要求每一條的原因是什么？
l 參比端恒溫法
Ø 冰點(diǎn)槽法——重點(diǎn)在結(jié)構(gòu)和連線。
適用于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，或校驗(yàn)精度時(shí)使用。
Ø 恒溫箱法：把冰點(diǎn)槽換成恒溫箱。恒溫?cái)?shù)值T0 已知，通過計(jì)算等方法處理。
l 計(jì)算修正法：通常冷端溫度已知，并測(cè)出時(shí)，利用公式得出。
2-21
［例］用K型熱電偶測(cè)溫，顯示儀表按溫度刻度（以分度表為依據(jù)），儀表讀數(shù)為500℃，但此時(shí)冷端溫度50℃，問儀表示值是否可信，應(yīng)為多少？
解：由題義，儀表讀數(shù)500℃，查分度表知對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)為：20.644mV。
設(shè)被測(cè)溫度為T，則
20.644mV
=20.644+2.023=22.667mV
查表插值計(jì)算： 547 22.649
548 22.691
T 22.667
V ＝22.667代入上式
T ＝547.43℃
s問題：為何不直接進(jìn)行溫度相加減？線性特性是否可以？
l 冷端補(bǔ)償器法
Ø 思路：被測(cè)溫度一定時(shí)，冷端溫度升高—>熱電勢(shì)下降，反之亦然。若想辦法在熱電偶回路中串聯(lián)上一個(gè)輸出電壓也跟隨冷端溫度變化，但與熱電勢(shì)變化方向大小相等方向相反，那么總輸出電勢(shì)將再不受冷端溫度變化影響。
Ø 實(shí)現(xiàn)原理：直流不平衡電橋，其中固定三個(gè)橋臂電阻，另一個(gè)橋臂電阻隨溫度變化即可。
| d |
| C |
圖中R1、R2、R3為1歐姆，用錳銅電阻（溫度系數(shù)0.006´10-3／℃），Rcu為銅電阻（溫度系數(shù)4.25～4.28´10-3／℃），設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)1歐姆。
補(bǔ)償電勢(shì)設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)處＝0；
| E |
| U |
| Rcu |
| I1 |
| Uda |
| UbaE |
上述過程中認(rèn)為Ucd不變。當(dāng)冷端溫度偏離設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)時(shí)，熱電勢(shì)變化方向與Uab變化方向相反從而保證U基本不變（示值不變）。
Ø 要求： 不同分度號(hào)的熱電偶配用不同的冷端補(bǔ)償器（調(diào)整電源回路電阻）；
冷端補(bǔ)償器中的銅電阻必須與冷端同溫；
補(bǔ)償范圍有限（一定精度內(nèi)，一般0～50℃）；
極性不能接反；
作用上強(qiáng)制冷端處于平衡點(diǎn)溫度，若平衡點(diǎn)為0℃可直接用分度表。
l 軟件修正法
計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中使用的方法。即采集實(shí)時(shí)的冷端溫度，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算并自動(dòng)查表修正。
冷端溫度測(cè)量通常采用半導(dǎo)體測(cè)溫元件或數(shù)字溫度計(jì)。
2.2.3 熱電阻溫度計(jì)
廣泛用于測(cè)量-200～850℃溫度
1）測(cè)溫原理
利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的阻值隨溫度變化這一現(xiàn)象測(cè)量溫度。（R～T特性）
l 對(duì)材料的要求：
Ø 相對(duì)溫度系數(shù)要大——提高靈敏度；
Ø 電阻率要大——減小體積，提高動(dòng)態(tài)性能；
Ø 符合傳感器基本要求。
l 對(duì)繞線骨架的要求：
Ø 膨脹系數(shù)??；
Ø 機(jī)械強(qiáng)度高；
Ø 絕緣性能好；
Ø 耐高溫、耐腐蝕。
2）標(biāo)準(zhǔn)熱電阻
l 鉑熱電阻：
Ø 特點(diǎn)：測(cè)溫范圍：-200～850℃，精度高、穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，價(jià)格高、體積略大。
Ø 種類： Pt10：0℃時(shí)10歐姆，用較粗鉑絲繞制，主要用于650℃以上溫區(qū)；
Pt100：0℃時(shí)100歐姆，用較細(xì)鉑絲繞制，用于650℃以下溫區(qū)；
厚膜鉑電阻：鉑漿料印刷在玻璃或陶瓷底板上，再經(jīng)光刻而成，-70～500℃；
Ø 數(shù)學(xué)模型：
-200～0℃： 2-22
0～850℃： 2-23
式中：
l 銅熱電阻：
Ø 特點(diǎn)：測(cè)溫范圍：-40～140℃，線性好，價(jià)格低、體積大；
Ø 種類：Cu50和Cu100，0℃時(shí)分別50歐姆和100歐姆：
Ø 數(shù)學(xué)模型：
2-24
式中：
l 分度表：分度表：表格形式列出的R～T關(guān)系，由數(shù)學(xué)模型計(jì)算出；P423附錄2
3）標(biāo)準(zhǔn)熱電阻結(jié)構(gòu)：
4）熱電阻的測(cè)溫誤差：
l 分度誤差：材料純度和工藝致使；
l 通電發(fā)熱誤差（自升溫）：無法消除，可用規(guī)定zui大電流<6mA,傳熱條件好來減小。
l 線路電阻變化引入的誤差：可串聯(lián)電位器調(diào)整，規(guī)定三線、四線接線方法等減小；
l 附加熱電勢(shì)：接點(diǎn)處構(gòu)成熱偶，可通過接點(diǎn)靠近，同溫等辦法減小或消除。
5）接線方法
l 三線制接法：熱電阻與電橋配合使用時(shí)，可有效減小連線誤差。
Ø 平衡電橋原理測(cè)電阻：
| c |
| dd |
| a |
| b |
| RJ |
2-25
2-26
設(shè)計(jì)時(shí)滿足：
式2－26變成：，即，溫度變化時(shí)調(diào)整R3即可使電橋平衡，用可變電阻R3即可刻度Rt同時(shí)不受連線電阻影響。三線制作用明顯！！
Ø 不平衡電橋原理測(cè)電阻：
原理：除測(cè)溫電阻外，其它橋臂電阻不可變。設(shè)計(jì)工況下電橋處于平衡狀態(tài)（如0℃下），當(dāng)被測(cè)溫度偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)時(shí)，電橋失去平衡，檢流計(jì)顯示出不平衡電流的大小，并以此電流反映溫度變化的數(shù)值。
| IJ |
| Rcd |
| Ucd |
| RJ |
² 用等效發(fā)電機(jī)原理畫出檢流計(jì)以外的等效電路：先讓電壓源短路，電流源開路，忽略電源支路電阻時(shí)求出等效電阻Rcd，再將檢流計(jì)支路開路求出等效Ucd；
² 求出IJ與Rt，r等參數(shù)的關(guān)系。
［具體求法課下完成］
說明：
² 不平衡電橋測(cè)量模型中，測(cè)量精度電路中的所有元器件相關(guān)（公式中有體現(xiàn)），所以除測(cè)溫電阻外，均要保持穩(wěn)定；
² IJ與測(cè)量電阻的關(guān)系非線性；
² 三線制有補(bǔ)償效果但不完善，只能部分抵消；
² 工作電源的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大（不同于平衡電橋）；
² 對(duì)檢流計(jì)的精度、靈敏度要求很高。
l 四線制接法：
此方法用于恒流源驅(qū)動(dòng)、電位差計(jì)測(cè)量的情況。
因?yàn)殡娢徊钣?jì)是高阻抗輸入，故連線電阻r對(duì)電位差不產(chǎn)生影響。
l 特別注意：無論三線制還是四線制，導(dǎo)線都必須從電阻感溫體的根部引出，不要從端子處引出。
2.2.4 熱敏電阻溫度計(jì)
l 熱敏電阻：金屬氧化物或半導(dǎo)體作為電阻體的感溫元件。由正溫度系數(shù)（PTC）、負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和臨界溫度系數(shù)（CTR）三種。NTC常用于溫度測(cè)量，PTC和CTR常用于溫度開關(guān)器件。
l NTC的數(shù)學(xué)模型：
2-27
相對(duì)溫度系數(shù)：
2-28
B—材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)（常數(shù)）
l 熱敏電阻的特點(diǎn)：
Ø 溫度系數(shù)大，靈敏度高，阻值大（連線電阻影響可忽略）；
Ø 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、熱響應(yīng)快、價(jià)格低；
Ø 互換性差；
Ø 民用較多。
2.2.5 接觸式測(cè)溫討論
1）接觸測(cè)溫過程中的傳熱問題
鍋爐尾部煙道煙溫測(cè)量為例：
| Q1 |
| 過熱器 |
| 省煤器 |
| 煙 氣 |
| T2 |
| T1 |
| T3 |
| T4 |
| T5 |
| Q2 |
| Q3 |
| Q4 |
由煙氣流程知：
T1（煙溫）>T2（熱端溫度）>T3（過熱器壁溫）>T4（省煤器壁溫）>T5（墻外氣溫）；
傳熱學(xué)知：有溫差就有傳熱。因此，Q1為煙氣傳給熱電偶熱端的熱量；Q2為套管傳給環(huán)境的熱量； Q3、Q4為熱端輻射給換熱器冷表面的熱量。
熱平衡時(shí)：Q1＝Q2+Q3+Q4
因正常工作時(shí)Q2、Q3、Q4散熱永遠(yuǎn)存在，故Q1必然存在，
所以T1¹T2即測(cè)溫誤差永遠(yuǎn)存在。
減小誤差的辦法：增大Q1，減小Q2、Q3、Q4
2）導(dǎo)熱誤差及其對(duì)策
l 誤差公式
導(dǎo)熱存在于熱電偶套管上，因T2> T5造成。
若只考慮被測(cè)介質(zhì)向傳感器內(nèi)插部分的對(duì)流換熱，沿傳感器向外導(dǎo)熱和傳感器外露部分相空間的散熱，且達(dá)到熱平衡時(shí)，由傳熱學(xué)原理推導(dǎo)出的導(dǎo)熱誤差公式如下：
| T5 |
| T2 |
| T1 |
| α1 |
| α2 |
| L1 |
| L2 |
| d1 |
| d0 |
| L1 |
2-29
式中：
、—管道內(nèi)外介質(zhì)與傳感器之間的換熱系數(shù)
、—套管內(nèi)外兩段的導(dǎo)熱系數(shù)
、—L1,L2兩段的外圓周長(zhǎng)
、—L1,L2兩段的截面積
| 數(shù)學(xué)補(bǔ)充：在x>0時(shí)， ch（x）是雙曲余弦函數(shù)，自變量增大時(shí)，函數(shù)值增大； th（x）雙曲正切函數(shù)，自變量增大時(shí)，函數(shù)值增大； cth（x）雙曲余切函數(shù)，自變量增大時(shí)，函數(shù)值減??； |
、—內(nèi)插、外露長(zhǎng)度
l 結(jié)論：
Ø ，必然存在，切不可消除，與測(cè)量?jī)x表的精度無關(guān)；
Ø 除外，、均影響誤差值，減小應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造、安裝等方面同時(shí)考慮；
l 減小導(dǎo)熱誤差的具體措施：升高T5和增大降低
Ø 插入段分析：應(yīng)增大：
增大b1－> 需增大 ,U1；降低和F1
² ：流動(dòng)介質(zhì)流速越高數(shù)值越大
辦法 傳感器插入管道中心；
采用抽氣式結(jié)構(gòu)，人為提高流速。
² 增大L1－> 與綜合考慮，既要增加插入深度，又要保證傳感器在管道中心，辦法只能“斜插”或“在彎頭處插”（注：對(duì)于高溫、高壓、高速等介質(zhì)，從強(qiáng)度上考慮，不允許這種安裝方式）。
² 增大U1與減小A1：二者矛盾，一般設(shè)計(jì)成細(xì)且薄壁的形式。
² 減?。翰捎脽釋?dǎo)率小的材料做套管，例如不銹鋼或非金屬材料。
Ø 外露段分析：應(yīng)降低
| 綜上：減小導(dǎo)熱誤差必須從設(shè)計(jì)、制造、安裝等多方面綜合考慮。 |
為制造方便，傳感器保護(hù)套管的截面積尺寸和材料應(yīng)保持一致，因此外露段的A2、U2、不能變化，只有減小和L2；辦法：外露部分盡可能短；同時(shí)加包保溫材料。
2）輻射換熱誤差及對(duì)策
l 誤差公式
| T2 |
| T3 |
| Q3 |
| T1 |
| α1 |
2-30
式中：－傳感器套管端部黑度；
－斯特芬－波爾茲曼常數(shù)；
—介質(zhì)與傳感器之間的換熱系數(shù)。
l 減小輻射換熱誤差的方法：
Ø 降低：保護(hù)套管表面光滑；
Ø 升高：插入中心、加大流速（同導(dǎo)熱情況）；
Ø T3升高： 傳感器遠(yuǎn)離冷物體；
加裝遮熱罩
2.3 非接觸式測(cè)溫
| 如，非典時(shí)期車站、機(jī)場(chǎng)等使用的紅外溫度計(jì)等 |
l 特點(diǎn)：
Ø 不干擾被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)；
Ø 不會(huì)受到被測(cè)對(duì)象的腐蝕和毒化；
Ø 不必與被測(cè)對(duì)象同溫，測(cè)量上限不受限制；
Ø 不必與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡，動(dòng)態(tài)特性好；
Ø 測(cè)量準(zhǔn)確性受環(huán)境及對(duì)象性質(zhì)影響較大。
l 依據(jù)：物體的輻射能量與其溫度之間的函數(shù)關(guān)系。
l 運(yùn)用場(chǎng)合：高溫測(cè)量（冶金、鑄造、熱處理、玻璃、陶瓷、耐火材料生產(chǎn)等），不適于接觸式測(cè)量的場(chǎng)合。
l 測(cè)溫范圍：常溫（紅外）到900℃以上的高溫區(qū)。
2.3.2 輻射測(cè)溫物理基礎(chǔ)
1）概念
l 熱輻射：物體處于0K以上任何溫度，其內(nèi)部帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的電磁波，這種現(xiàn)象稱為熱輻射（或溫度輻射）。
l 輻射能Q：以輻射的形式發(fā)射傳播或接收的能量，單位為焦耳［J］。
l 輻射通量：輻射能隨時(shí)間的變化率（或輻射率），單位為瓦特［W］。
l 輻射出射度（M）：若輻射源表面上的元面積在半個(gè)空間的總輻射通量，則元面積的輻射出射度為：
W／m2 2-31
l 單色輻射出射度：在波長(zhǎng)（）范圍內(nèi)的輻射出射度。
W／m3 2-32
l 黑體：在任何溫度下，對(duì)投射到其上的任何波長(zhǎng)的熱輻射均能全部吸收的物體。
l 單色輻射黑度（光譜發(fā)射率）：物體在溫度T時(shí)，單色輻射出射度與同溫度、同波長(zhǎng)的黑體的單色輻射出射度之比。
2-33
l 全輻射黑度（全發(fā)射率）：
2-34
l 灰體：若物體的不隨波長(zhǎng)的改變而變化，則這種物體稱為灰體。
l 實(shí)際物體：物體的隨波長(zhǎng)的改變而變化，則這種物體稱為實(shí)際物體。
2）基本定律
l 普朗克定律（單色輻射強(qiáng)度定律）：黑體的單色輻射出射度與波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系如下：
2-35
式中： C1＝3.7418´10-16 W˙m2普朗克*常數(shù)。
C2＝1.4388´10-12 m˙K 普朗克第二常數(shù)。
n － 與黑體香靈物質(zhì)的折射率，空氣n＝1.00029。
l 維恩公式 當(dāng) >>1時(shí)，普朗克公式簡(jiǎn)化成維恩公式：
2-36
當(dāng)T<3000K且可見光范圍內(nèi)，常用此公式。
l 斯蒂芬－玻耳茲曼定律（全輻射定律）：黑體的總輻射出射度與表面溫度之間符合：
2-37
通常取＝1，－斯蒂芬－玻耳茲曼常數(shù)，5.66961´10-3W／（m2˙K4）
l 實(shí)際物體的輻射能力：
Ø 單色輻射出射度：
Ø 全輻射出射度：
Ø 實(shí)際物體的黑度
3）輻射測(cè)溫儀表的種類
l 依據(jù)單色輻射原理 光學(xué)高溫計(jì)
光電高溫計(jì)
比色高溫計(jì)
紅外測(cè)溫儀
……
l 依據(jù)全輻射原理 輻射高溫計(jì)
部分輻射溫度計(jì)
4）光學(xué)高溫計(jì)
l 原理：用已知溫度的燈絲亮度與被測(cè)物體亮度相比，當(dāng)二者相等時(shí)，用燈絲溫度反映被測(cè)溫度。
［分析］
Ø 由普朗克公式，波長(zhǎng)一定時(shí)，測(cè)出黑體的單色輻射出射度就可算出溫度；而單色輻射出射度又與亮度一一對(duì)應(yīng)，人眼可分辨出亮度，故產(chǎn)生此設(shè)想。
Ø 普朗克定律只適用于黑體，而實(shí)際物體的黑度不為定植，故只有按黑體溫度進(jìn)行刻度才有通用性。
Ø 若直接測(cè)量實(shí)際物體，所讀出的溫度稱為亮度溫度，物體的真實(shí)溫度要進(jìn)行黑度修正。
l 亮度溫度：當(dāng)實(shí)際物體在某一波長(zhǎng)下的單色輻射亮度與黑體在同一波長(zhǎng)下的單色輻射亮度相等時(shí)，黑體的溫度稱為實(shí)際物體的亮度溫度。
l 結(jié)構(gòu)及操作：國(guó)產(chǎn)WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)
Ø 結(jié)構(gòu)：
1-物鏡 2-吸收玻璃 3-燈泡 4-紅色濾光片 5-目鏡 6-電壓表 7-刻度調(diào)整電阻
Ø 操作方法：調(diào)節(jié)目鏡，清晰看到燈絲；調(diào)節(jié)物鏡清晰看到物體；調(diào)節(jié)刻度電阻使燈絲隱滅，讀出亮度溫度。
l 主要部件及作用
Ø 紅色濾光片：使亮度比較在0.66微米波段進(jìn)行（保證單色、可見）；
Ø 吸收玻璃：保證燈絲不過熱的條件下增大光學(xué)高溫計(jì)的測(cè)量范圍（似墨鏡）。
l 誤差分析
Ø 非黑體輻射的影響－已知物體黑度可計(jì)算修正，否則創(chuàng)造人工黑體環(huán)境；
Ø 中間吸收介質(zhì)的影響－如霧里車燈，不易修正，應(yīng)選擇測(cè)點(diǎn)位置；
Ø 火焰及其它發(fā)光體的影響－加裝觀測(cè)管；
Ø 環(huán)境溫度影響－在燈絲上造成溫度梯度引起誤差，固定環(huán)境溫度；
Ø 讀數(shù)誤差－主觀±4℃。
5）輻射高溫計(jì)
l 原理：測(cè)出全輻射出射度對(duì)應(yīng)出溫度，斯蒂芬－玻耳茲曼定律。
黑體： 實(shí)際物體：
l 輻射溫度：當(dāng)實(shí)際物體輻射出射度與黑體的輻射出射度相等時(shí)，黑體的溫度稱為實(shí)際物體的輻射溫度。儀表按黑體刻度，讀數(shù)為輻射溫度，黑度修正后才得實(shí)際溫度。
l 結(jié)構(gòu)
Ø 顯示儀表：mV表，動(dòng)圈表、點(diǎn)溫差計(jì)等
Ø 輻射傳感器： 光學(xué)系統(tǒng) 透鏡式（如圖）
反射式
混合式
輻射變換系統(tǒng) 光電變換式：反應(yīng)快、電量輸出；
熱變換器：熱電堆、熱電阻、雙金屬片等；
l 誤差：
Ø 黑度影響
Ø 中間介質(zhì)影響
Ø 距離、目標(biāo)大小影響
Ø 環(huán)境溫度影響等。
2.4 溫度變送器
l 作用 接受溫度傳感器信號(hào)并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。
Ø 工業(yè)常用溫度傳感器：熱電偶、熱電阻；
Ø 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：兩線制4～20mA或 1~5V或標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的數(shù)字信號(hào)。
l 要解決的技術(shù)問題：
信號(hào)調(diào)理（濾波、放大、零點(diǎn)調(diào)整、量程調(diào)整、線性化、能量限制及電壓／電流轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)等），熱電偶冷端補(bǔ)償。――電子技術(shù)。
l DDZ-III型溫度變送器
Ø 特點(diǎn)： 24VD.C集中供電，兩線制；
集成運(yùn)算放大器為核心器件；
具有熱電阻、熱電偶線性化功能；
兼有安全柵作用，可用于本安防爆系統(tǒng)。
Ø 電路結(jié)構(gòu)分析：
² 量程單元 直流毫伏：信號(hào)調(diào)理；
熱電偶：信號(hào)調(diào)理+冷端補(bǔ)償；
熱電阻：三線接入（橋式測(cè)量）+信號(hào)調(diào)理。
² 放大單元 直交直變換電路：供電；
信號(hào)及功率放大電路：放大信號(hào)、驅(qū)動(dòng)輸出；
反饋電路：與運(yùn)放組成負(fù)反饋放大；
輸出回路：
變壓器信號(hào)隔離電路。
l 一體化溫度變送器
Ø 結(jié)構(gòu)：小型化（可安裝在傳感器接線盒中），固態(tài)化（無可維修部件）
Ø 特點(diǎn)： 節(jié)省了熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線；
傳輸抗*力強(qiáng)（4～20mA）
體積小不占空間；
無需維護(hù)。
Ø 圖片
2.5 新型溫度傳感器簡(jiǎn)介
近幾年開發(fā)出來，已經(jīng)或正在走向?qū)嵱没臏囟葌鞲衅鳌?/div>
l 開發(fā)依據(jù) 新型傳感效應(yīng)：光、磁、力、化學(xué)、生物等等效應(yīng)；
新型敏感材料：?jiǎn)尉?、多晶、非晶、微晶等等?/div>
新型加工工藝：薄膜加工（蒸發(fā)、濺射、沉積、分子束外延、微加工等）、光纖制造、集成等等工藝；
新的信號(hào)處理方法：數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化等。
l 典型產(chǎn)品 模擬式半導(dǎo)體溫度傳感器AD590
數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器DS1820系列（可構(gòu)成單總線系統(tǒng)）
光纖溫度傳感器
l 發(fā)展方向 數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。
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