温度测量

温度测量测温仪表根据敏感元件和被测介质接触与否，一般可分为接触式和非接触式两大类。接触式检测方法主要包括基于物体受热膨胀的膨胀式温度检测仪表，基于导体或半导体电阻随温度变化的热电阻温度检测仪表，基于热电效应的热电偶温度检测仪表。非接触式检测方法是利用物体的热辐射特性和温度之间的对应关系，对物体的温度进行检测，主要有全辐射法、亮度法和比色法等。主要温度检测方法及特点测温方式测温种类和仪表测温范围/℃主要特点接触式膨胀式玻璃液体-100~600结构简单、使用方便、测量精度高、价格低廉；测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能远传双金属-80~600结构紧凑、牢固、可靠；测量精度较低、量程和使用范围有限压力式液体-40~200耐震、坚固、防爆、价格低廉；工业用压力式温度计精度较低、测温距离短、滞后大气体-100~500热电阻铂电阻-260~850测量精度高，便于远距离、多点、集中检测和自动控制；不能测高温，需注意环境温度的影响铜电阻-50~150半导体热敏电阻-50~300灵敏度高、体积小、结构简单、使用方便；互换性较差，测量范围有一定限制热电效应热电偶-200~1800测温范围广、测量精度高、便于远距离、多点、集中检测和自动控制；需自由端温度补偿，在低温段测量精度较低非接触式辐射式0~3500不破坏温度场，测量范围大，可测运动物体的温度；易受外界环境的影响，标定较困难1.膨胀式温度计可分为固体膨胀式和液体膨胀式温度计两种。1.1固体膨胀式温度计典型的固体膨胀式温度计是双金属片，它利用线膨胀系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，在温度变化时因弯曲变形而使其另一端有明显位移，借此带动指针就构成双金属温度计。为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状。当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端和一个可以自由转动的指针相连，因此，当双金属片感受到温度变化时，指针即可在圆形分度标尺上指示出温度来。这种仪表的测温范围是200~650℃，允许误差均为标尺量程的1%左右。这种温度计和棒状的玻璃液体温度计的用途相似，但可使用在机械强度要求更高的条件下。工业用双金属温度计1.2液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计是利用液体体积随温度升高而膨胀的原理制成的温度计。1-玻璃温包；2-毛细管；3-刻度标尺；4-膨胀室玻璃管液体温度计液体工质与测温范围工作液体测温范围/℃备注水银-30~750上限依靠充气加压获得甲苯-90~100乙醇-100~75石油醚-130~25戊烷-200~20根据所充填的工作液体不同，可分为水银温度计和有机液体温度计两类。水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当大的范围内（－38～356℃）保持液态，在200℃以下，其膨胀系数几乎和温度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。2.压力式温度计压力式温度计是根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理而制成的测温仪表。1-敏感元件温包，2-传压毛细管，3-弹簧管压力表2.1若给系统充以气体，如氮气，称为充气式压力式温度计，测温上限可达500℃，压力与温度的关系接近于线性，但是温包体积大，热惯性大。2.2若充以液体，如二甲苯、甲醇等，温包小些，测温范围分别为－40℃～200℃和－40℃～170℃。2.3若充以低沸点的液体，其饱和汽压应随被测温度而变，如丙酮，用于50℃～200℃。但由于饱和汽压和饱和汽温呈非线性关系，故温度计刻度是不均匀的。3.热电偶温度计热电偶温度计是利用不同导体间的“热电效应”现象制成的，具有结构简单、制作方便、测量范围宽、应用范围广、准确度高、热惯性小等优点。且能直接输出电信号，便于信号的传输、自动记录和自动控制。3.1热电偶的工作原理两种不同的导体或半导体材料A和B组成闭合回路，如果A和B所组成回路的两个接合点处的温度不相同，则回路中就有电流产生，说明回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电动势，通常称为热电势。热电势是由两部分电势组成的，即接触电势和温差电势。3.1.1接触电势当两种不同性质的导体或半导体材料相互接触时，由于内部电子密度不同，例如材料A的电子密度大于材料B，则会有一部分电子从A扩散到B，使得A失去电子而呈正电位，B获得电子而呈负电位，最终形成由A向B的静电场。静电场的作用又阻止电子进一步地由A向B扩散。当扩散力和电场力达到平衡时，材料A和B之间就建立起一个固定的电动势。由于两种材料自由电子密度不同而在其接触处形成电动势的现象，称为珀尔帖效应。其电动势称为珀尔帕电势或接触电势。理论上已证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质和接触面温度的高低。其关系式为:式中：——单位电荷，4.802×10-10绝对静电单位；——玻兹曼常数，1.38×10-23J/℃；——材料A和B在温度为T时的电子密度；——接触处的温度，K。结论：接触电势的大小只与接点温度的高低以及导体A和B的电子密度有关。温度越高，接触电势越大，两种材料电子密度比值越大，接触电势也越大。3.1.2温差电势因材料两端温度不同，则两端电子所具有的能量不同，温度较高的一端电子具有较高的能量，其电子将向温度较低的一端运动，于是在材料两端之间形成一个由高温端向低温端的静电场，这个电场将吸引电子从温度低的一端移向温度高的一端，最后达到动态平衡。由于同一种导体或半导体材料因其两端温度不同而产生电动势的现象称为汤姆逊效应。其产生的电动势称为汤姆逊电动势或温差电势。温差电势的方向是由低温端指向高温端，其大小与材料两端温度和材料性质有关。),(0TTEAB)()(ln)(TNTNeKTTEBAABeK()()ABNTNT,T式中：N为材料的电子密度，是温度的函数；T，T0为材料两端的温度；t为沿材料长度方向的温度分布。闭合回路的总热电势:总热电势:若材料A和B已定，则NA和NB只是温度的函数：结论：（1）热电偶回路热电势的大小，只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。（2）只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。（3）热电偶的两种材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒定，则f(T0)为常数。回路总热电势EAB(T,T0)只是温度的单值函数。3.2热电偶的基本定律3.2.1均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论沿材料长度方向各处温度如何分布，回路中均不产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。3.2.2中间导体定律在热电偶回路中接入第三种（或多种）均质材料，只要所接入的材料两端连接点温度相同，则所接入的第三种材料不影响原回路的热电势。)(1),(00tNdNeKTTETT),()(),()(),(0000TTETETTETETTEAABBABAB)()(ln)()(ln)()(0000TNTNeKTTNTNeKTTETEBABAABABTTBBTTAATTBANdNteKNdNteKdtNNeK000lnTTAATTBBABtNdNeKtNdNeKTTETTE00)(1)(1),(),(00TTAATTBBNdNteKNdNteK00dtNNeKTTETTBAAB0ln),(0)()(),(00TfTfTTEAB)()(),(00TfTfTTEABdtNNeKTTETTBAAB0ln),(03.2.3中间温度定律两种不同材料组成的热电偶回路，其接点温度分别为t和t0时的热电势EAB(t,t0)等于热电偶在接点温度为(t,tn)和(tn,t0)时相应的热电势和的代数和，其中tn为中间温度。3.3常用热电偶的材料和结构3.3.1热电偶材料应满足以下要求（1）两种材料所组成的热电偶应输出较大的热电势，以得到较高的灵敏度，且要求热电势和温度之间尽可能呈线性的函数关系。（2）能应用于较宽的温度范围，物理化学性能、热电特性都较稳定。即要求有较好的耐热性、抗氧化、抗还原、抗腐蚀等性能。（3）具有高导电率和低电阻温度系数。（4）材料复现性好，便于成批生产，制造简单，价格低廉。3.3.2常用热电偶（S型热电偶）铂铑10-铂热电偶铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（SP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为10%，含铂为90%，负极（SN）为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。S型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“ITS-90”虽规定今后不再作为国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会（CCT）认为S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。S型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。（R型热电偶）铂铑13-铂热电偶铂铑13-铂热电偶（R型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（RP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为13%，含铂为87%，负极（RN）为纯铂，长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。R型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。由于R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进口设备上的测温有所应用外，国内测温很少采用。1967年至1971年间，英国NPL，美国NBS和加拿大NRC三大研究机构进行了一项合作研究，其结果表明，R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶均好，我国目前尚未开展这方面的研究。R型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。（B型热电偶）铂铑30-铂铑6热电偶铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。B型热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。B型热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。（K型热电偶）镍铬-镍硅热电偶镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为：Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为：Ni：Si=97：3，其使用温度为-200~1300℃。K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。镍铬—镍硅K型热电偶分度表（冷端温度为0℃）测量端温度(℃)0102030405060708090热电动势(mV)00.0000.3970.7981.2031.6112.0222.4362.8503.2663.68110