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第6章温度传感器化学工业出版社6.2测温方法分类及其特点6.3热膨胀式测温方法6.4热阻式测温方法6.5热电式测温方法本章学习的主要内容有：6.1温度与标定本章学习内容6.6辐射法测温6.7新型温度传感器及其测温技术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。–温度低的物体，其内部分子的平均动能亦小–温度高的物体，其内部分子平均动能大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。6.1温度与标定6.1.1温标6.1.2标定6.1.1.1经验温标6.1.1.2热力学温标6.1.1.3绝对气体温标6.1.1.4国际实用温标和国际温标6.1温度与标定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.6.1.1温标6.1.1.1经验温标定义：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常用的经验温标有：华氏温标和摄氏温标6.1温度与标定（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℃。6.1温度与标定–华氏温标与摄氏温标的关系：T℉=t℃+32(6-1)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.6.1温度与标定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”。6.1.1.2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。6.1温度与标定波尔定律：PV=RT(6-2）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/P16.1.1.3绝对气体温标定义：从理想气体状态方程入手，来复现热力学温标．6.1温度与标定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.6.1温度与标定6.1.1.4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。6.1温度与标定ITS一90基本内容为：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1/273.16；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t90（℃）和国际实用温度T90（K）关系为：t90=T90—273.15（6-3）在实际应用中，为书写方便，通常直接用分别代表和。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；6.1温度与标定新确认和规定17个固定点温度值以及借助依据这些固定点和规定的内插公式分度的标准仪器来实现整个热力学温标。见表6-1所示。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。6.1温度与标定表6-16.1温度与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；标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6.1.2标定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。6.1温度与标定6.2测温方法分类及其特点6.2.1测温方法6.2.1.1接触式温度测量6.2.1.2非接触式温度测量6.2.1.3接触式与非接触式测温比较6.2.1.4接触式与非接触式测温范围6.2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。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。6.2.1测温方法6.2.1.1接触式温度测量6.2测温方法分类及其特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。6.2.1.1接触式温度测量6.2测温方法分类及其特点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6-2所示。6.2.1.2非接触式温度测量6.2.1.3接触式与非接触式测温比较接触式与非接触式测温特点（紫—非接触式，蓝—接触式）精度工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级，实验室用表可达0.01级通常为1.0、1.5、2.5级响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2~3秒测量范围特别适合1200℃以下、热容大、无腐蚀性对象的连续在线测温对高于l300℃以上的温度测量较困难原理上测量范围可以从超低温到极高温但1000℃以下，测量误差大，能测运动物体和热容小的物体温度测量条件感温元件：要与被测对象良好接触其加入几乎不改变对象的温度被测温度不超过其能承受的上限温度;被测对象不对其产生腐蚀需准确知道被测对象表面发射率；被测对象的辐射能充分照射到检测元件上其他特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反应被测物体的实际温度，可方便的组成多路集中测量与控制系统整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻烦、价格昂贵，仪表读数通常只反映被测物体的表现温度（需要转换），不易组成测温、控温一体化的温度控制装置表6-26.2测温方法分类及其特点表6-36.2.1.4接触式与非接触式测温范围6.3热膨胀式测温方法6.3.1玻璃温度计6.3.2压力温度计6.3.3双金属温度计6.3热膨胀式测温方法6.3热膨胀式测温方法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。6.3热膨胀式测温方法6.3热膨胀式测温方法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。6.3.1玻璃温度计6.3热膨胀式测温方法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