温度测量方法

1、温度测量方法温度是度量物体热平衡条件下冷热程度的物理量，它反映了物体内部微粒无规则运动的平均动能，是国际单位制中的7个基本物理量之一。由于在很多情况下，不能直接测量，故是种特殊量。自然界中，很多物质的物理属性以及众多的物理效应均与温度有关，因此人们利用他们随温度的变化规律来间接测量温度。根据感温元件与被测介质接触与否，温度测量方法可分为：接触式和非接触式。接触式测温方法是通过传导、对流和辐射等传热方式感受被测介质的温度。此方法虽然简单、方便，但其间的热阻及感温元件的热惯性都会影响测温的迅速、准确。非接触式测温法的感温元件不与被测物体相接处，目前最常用的是辐射法，它直接利用被测对象的辐射能与温度

2、的对应关系来测量其温度。与接触式测温方法相比，非接触式测温法具有如下优点：1、动态响应快。2、适合特殊场合。3、测温范围理论上无上限，其下线也随技术发展在向中低温扩展。由于非接触式测温法必须获得被测量对象的热辐射强度，因此存在以下缺点：1、受中间介质影响大。2、接收到的辐射能常常不能直接得出被测对象的实际温度，需要进行修正。对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类：接触式仪器又可分为：膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)、电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)、热电式温度计(包括热电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。非接触式温度计

3、又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也按统称为辐射温度计。热电偶测温的应用原理 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。1、热电偶测温基本原理 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在

4、温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。2、热电偶的种类及结构形成   （1）热电偶的种类常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶    我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准

5、生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。    (2)热电偶的结构形式 为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下： 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。3、热电偶冷端的温度补偿    由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵 金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降

6、低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷 端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。必须指出，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t00时对测温的影响。     在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100。4、热电偶类型： 铂铑10-铂热电偶（S型） 铂铑10-铂热电偶（S型热电偶）为贵金属热电偶，其正极（SP）的名义化学成

7、分为铂铑合金，其中含铂90%，含铑10%，负极（SN）为纯铂。它的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准确度高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长，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，适于氧化和惰性气氛中。它的不足之处是热电势、热电势率较小，灵敏度低，高温下机械强度差，对污染很敏感，材料昂贵。 铂铑13-铂热电偶（R型） 铂铑13-铂热电偶（R型热电偶）为贵金属热电偶，其正极（RP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铂为87%，含铑为13%，负极（RN）为纯铂，长期使用最高温度为1300，短期使用最高温度为16

8、00，R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当，国外英、美等国研究发现R型热电偶的稳定性和复现性比S型热电偶好，R型热电偶不足之处与S型热电偶类似。  铂铑30-铂铑6热电偶（B型） 铂铑30-铂铑6热电偶（B型热电偶）为贵金属热电偶，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑量30%，负极（BN）也为铂铑合金，含铑量为6%，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型热电偶的准确度高，稳定性能好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高，它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

9、中。B型热电偶的参考端一般不须用补偿导线进行补偿，这是因为在050范围内其热电势小于3m。B型热电偶不足之处是热电势率更小，灵敏度更低，高温下机械强度下降，抗污染能力差，贵金属材料昂贵等。  镍铬-镍硅热电偶（K）型 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，正极（KP）的名义化学成分为：NiCr=9010，负极 (KN)的名义化学成分为：NiSi=973，其使用温度范围为-2001300。 K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，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，但是它不能

10、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。  镍铬硅-镍硅热电偶（N型） 镍铬硅-镍硅热电偶（N型热电偶）为廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，正极（NP）的名义化学成分：NiCrSi=84.414.21.4，负极（NN）的名义化学成分为：NiSiMg=95.54.40.1，其使用温度范围为-2001300。 N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点，其综合性能优于K型热电偶，缺点是在高温下不能直接用于硫，还原性或还原、氧化交替的气氛中和真空中。

11、60;镍铬-铜镍（康铜）热电偶（E型） 镍铬-铜镍热电偶（E型热电偶）又称镍铬-康铜热电偶，是一种廉金属热电偶，其正极（EP）为镍铬10合金，化学成分与KP相同，负极（EN）为铜镍合金，名称化学成分为55%铜，45%的镍以及少量的钴、锰、铁等元素，该热电偶的使用温度为-200900。 E型热电偶电动势之大，灵敏度之高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐蚀不甚灵敏，宜于湿度较高的环境。E型热电偶还具有稳定性好，抗氧化性能优于铜-康铜，铁-康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性、惰性气氛中，缺点是不能直接在高温下用于硫或其他还原性气氛中，热电

12、均匀性较差。 铁-铜镍（康铜）热电偶（J型） 铁-铜镍热电偶（J型热电偶）又叫铁-康铜热电偶，是一种价格低廉的廉金属热电偶，它的正极（JP）的名义化学成分为纯铁，负极（JN）是铜镍合金，其名义化学成份为55%的铜和45%的镍以及少量但却十分重要的钴、铁、锰等元素，尽管它也叫康铜，但却不同于镍铬-康铜和铜-康铜的康铜，故不能用EN或TN来替换。铁-康铜热电偶覆盖测量温区为-2101200，但常用的温度范围为0750。 J型热电偶线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜，它可用于真空、氧化、还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧化较快，故使用温度

13、受到限制，不能无保护直接在高温下用于硫化气氛中。 铜-铜镍（康铜）热电偶（T型） 铜-铜镍热电偶（T型热电偶），又叫铜-康铜热电偶，是一种最佳的测量低温的廉金属热电偶，正极（TP）是纯铜，负极（TN）是铜镍合金，它与镍铬-康铜的康铜EN通用，与铁-康铜的康铜JN不能通用。铜康铜热电偶测量温区为-200350。 T型热电偶具有线性度好，热电动势大，灵敏度高，稳定性和均匀性好，价格便宜等优点，特别是在-2000温区使用，稳定性更好，年稳定性小于±3v,在低温可作标准进行低温量值传递。缺点是正极铜在高温下抗氧化性能差，上限温度受到限制。 其他非标准分

14、度热电偶 （1） 钨铼系热电偶 钨铼热电偶是在20世纪6070年代发展起来的难熔金属热电偶。钨铼系热电偶有WRe5- WRe20、W-WRe26、WRe3-WRe25、WRe5-WRe26几种，美国ASTM E230-2002标准中已正式将钨铼5-钨铼26热电偶定为标准分度热电偶，分度号为C。我国目前可以提供商品化的WRe3-WRe25、WRe5 -WRe26热电偶。 与铂铑等贵金属热电偶相比，钨铼热电偶价格低廉，因此近几年来发展很快。为解决氧化气氛下的使用问题，抗氧化钨铼热电偶受到了普遍关注，主要是采用热电偶丝材料镀膜或采

15、用高致密保护套管隔绝等技术，可以延长钨铼热电偶在氧化气氛下的使用时间，在一定程度上取代铂铑等贵金属热电偶，这将使将使钨铼热电偶得到更广泛的应用。 钨铼热电偶使用时要注意以下几点： z 热电动势：在800以下，其微分电势随温度的升高而降低，但是在1500以上，其微分电势均比S型热电偶高； z 使用温度：它的最高使用温度达2800，但是在高于2300时，一致性较差，一般使用在2000以下； z 使用气氛：由于钨铼热电偶电极易发生氧化，因此适用于惰性或干燥空气中使用。另外在含碳气氛中易生成稳定的碳化物，会降低其灵敏度并引起脆断，并

16、且在有氢气存在的情况下，会加速碳化； z 绝缘与保护套管：为避免高温下因化学反应引起热电动势变化，可采用Y2O3或BN作绝缘材料。保护管采用氧化钇（Y2O3）管、钨管、钼管、钽管或铌管等。 （2） 铂铑系和铱铑系非标准分度热电偶 由于在航空航天或一些其他领域，需要测量的温度超过了B型热电偶的最高使用温度，而这些场合或需要长时间测量，或需要在氧化气氛下快速测量，提出了用PtRh40-PtRh20或铱铑热电偶进行测温。在铂铑系热电偶中，PtRh40-PtRh20热电偶稳定性最高，最高使用温度可达到1850。美国标准局(NBS)给出铱60铑-铱的极限

17、使用温度为2100，铱50铑-铱和铱40铑-铱热电偶的极限使用温度为2150，但由于铱在氧化气氛中容易被氧化蒸发，因此在空气中只能短期使用到极限温度。热电阻测温的应用原理热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。1、热电阻测温原理及材料热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电阻。2、热电阻的特点：测量精度高；有较大的测量范围；易于使用在自动测量

18、和远距离测量中。3、热电阻材料的特点：高且稳定的温度系数和大的电阻率；良好的输出特性（近似线性）；使用范围内物理化学性能稳定；良好的工艺性。4、热电阻的结构（1）精通型热电阻 从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。为消除引线电阻的影响同般采用三线制或四线制，有关具体内容参见本篇第三章第一节.（2）铠装热电阻 铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为28mm，最小可达mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后

19、小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。（3）端面热电阻 端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。（4）隔爆型热电阻 隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生产现场不会引超爆炸。隔爆型热电阻可用于BlaB3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。5、热电阻测温系统的组成热电阻测温系统一般由热电阻、连接导线和显示仪表等组成。必须注意以下两点：热电阻和显示仪表的分度号必须一致为了消除连接导线电

20、阻变化的影响，必须采用三线制接法。具体内容参见本篇第三章。（2）铠装热电阻 铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为28mm，最小可达mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；机械性能好、耐振，抗冲击；能弯曲，便于安装使用寿命长。（3）端面热电阻 端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计端面，它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。（4）隔爆型热电阻 隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧

21、等影电阻体的断路修理必然要改变电阻丝的长短而影响电阻值，为此更换新的电阻体为好，若采用焊接修理，焊后要校验合格后才能使用。6、常用的热电阻：铂热电阻（ 200 850 ）：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100) t3式中 R0、Rt温度为0及t时的铂电阻的电阻值； A、B、C常数值，其中： A= 3.96847×10-3-1 B= 5.847×10-7-2 C= 4.22×10-12-4 优点：物理化学性质极稳定，良好的工艺性，精度高（做基准热电阻）缺点：电阻温度系数小，价格昂贵，非线性误差大铜热电阻（-50150 ）Rt=R0（1+) 式中 R0、Rt温度

22、为0及t时铜电阻的电阻值； 铜电阻的温度系数=4.28899×10-3-1 我国工业用铂电阻分度号为Cu50、 Cu100优点：良好的输出特性，电阻温度系数高缺点：电阻率低，测温范围窄其他热电阻镍：-50100 ，非线性严重，材料提取困难，稳定性好。铁：-50150 ，易氧化，化学性能不好，线性，电阻率及灵敏度高。红外辐射测温技术1.原理所有的物体都是由不断震动的原子构成，原子的能量越高，振动的频率越大。所有微粒的震动，包括这些原子，生成电磁波谱。物体的温度越高，微粒的震动就越快，因此光谱的辐射能量就越高。结果，所有物体都不停的以自身的波长频率向外辐射。一切高于绝对零度的物体都存在红

23、外辐射现象，物体红外辐射能量的大小及其按波长的分布情况，都与物体的表面温度有关。通过对物体表面辐射能量的测定，并通过一定的信号转换，最终确定物体的表面温度，这就是红外辐射测温技术的基本原理。2特点红外线测温仪可以测量所有目标物体释放的红外能量，具有响应快的特点。通常被用于测量移动和间歇性目标，真空状态下的目标，由于恶劣环境空间限制以及安全威胁无法由人接触的目标。尽管在有些情况下使用其它设备也可以完成，但成本相对较高。3.辐射测温的基本方法3.1红外测温（全辐射式测温）由斯蒂芬-玻尔兹曼定律知全辐射出射度 (3.17) 式中：为黑体辐射常数，5.7×10-8Wm2K-4。当绝对黑体与黑

24、体的总辐射亮度相等时，绝对黑体的温度叫做非黑体的辐射温度。实际上，真正的黑体是不存在的，对于实际情况，辐射力和光谱辐射力可分别表示为E=Eb （3.15）E=E （3.16） (3.18)由式（3.15）和(3.18)可知，只要测出全波长总辐射出度，则被测物体的温度就可以确定。测量的温度Tr与实际温度T之间的关系式为： (3.19)式中：物体的发射率； 物体光谱发射率； T实际物体真实温度（K）；Tr黑体温度，即实际物体的辐射温度（K）；（T）所有波长的实际物体的总发射率。不同的物体，其全辐射率差异很大。在已知条件下，根据式（3.18）可以通过测量实际物体的辐射温度计算出实际温度。3.2亮度测

25、温（单色辐射测温）当实际物体（非黑体）在某一波段下的单色辐射出射度同绝对黑体在同一波长下的单色幅射度相等时，则该该黑体的温度称为实际物体的亮度温度，表达式为： (3.20)在常用的温度与波长范围内，式(3.18)可以用维恩公式表示为 (3.21)由式(3.20)可知，知道波长为的光谱发射率和用高温计测得的亮度温度T1 后，就可以用式(3.20)求出实际物体的真实温度T。物体的光谱发射，T 越小，亮度温度T 1与真实温度T 之间的差距越大。因为0<，T1,则1 ，因此物体的亮度温度T1 T 。亮度测温法，灵敏度较高，它是目前应用较广泛的辐射测温方法，但是它要依赖，T来修正T1 ，而往往，T

26、 的大小决定于材料的性质、表面形状、温度和光的波长，很难精确得到。，T的准确度将影响系统得测量精度，所以亮度测温法还存在很多不足。3.3比色测温（双色辐射测温）比色式辐射温度计是根据物体在两个相邻波长下的辐射能量密度之比来确定物体温度的。单位面积物体在半球方向、单位时间的辐射通量由普朗克公式(3.12)给出。在T<3000K，并且较小（ < 2m）时，维恩近似成立：) (3.22) 取波长1和2处辐射率的比值，可得 (3.23)考虑两波长处的带宽相等，并将（1）简记1，可得 (3.24)双波长测温方法就是假设1等于2，于是所测得的温度T S （比色温度）为： (3.25)物体真实温

27、度与比色温度的误差为： (3.26)对一辐射体，测出在两波长处辐射能量的比值R(T)，再利用公式(3.14)确定其温度的方法称为双波长测温法，所得温度为T S 。如果从其它途径获知的值，则可利用公式(3.25)得到物体的真实温度。对于存金属表面，随波长的增加而减小，即对1<2时，有12，此时T S > T ，测温偏高。对于金属氧化物及非金属材料，随波长的增加而升高，即1<2时，有12，此时T S < T ，测温偏低。对于黑体或灰体，为常数，即1=2 ，此时TS = T 。这种测温精度高，抗干扰能力强，所以比色测温是辐射测温中提高测温精度的有效方法。3.4多波长辐射测温当

28、采用超过两个波长来测量温度时，都称作多波长测温，目前有一些特殊场合已经开始尝试三波长方法，近年来也有很多学校核科研单位开始研究多波长的理论和方法，取得了一定成果，但仪器都处于实验室阶段。由于其实现较复杂，目前其实用化还有一定困难。4. 辐射测温方法的比较(1)全辐射温度、亮温度恒小于物体表面的真实温度。实际上，由于红外探测器的光谱响应，光学系统透射比，大气介质的吸收等因素的限制，所谓全辐射测温是不可能的。在亮温度测量中，也同样存在着光学系统效率低下的辐射能量损失。色温度测量和前两者不同，它的测量取决于辐射功率之比。因此，上述诸因素的影响甚微。(2) 由上述分析还可知，对于发射率较小的物体，全辐

29、射测温和亮温度测温相对误差都较大。对于发射率较高的材料，三种测温法均适宜。(3) 全辐射测温和亮温度测温都必须知道被测物体发射率的绝对值。而双波长辐射测温则只要知道两个波长处光谱发射率之比值。(4) 为了减少色温度的相对误差，在所选两个特征波长1和2处材料之发射率宜接近。对于随变化缓慢的物体，双波长辐射测温误差也较小。特别是对于灰体，其发射率为常数，则，当然，还存在其它误差来源。光谱方法测温方法 非接触的光谱测温方法主要适用于高温火焰和气流温度的测量。它主要通过检测被测介质的激发光谱信号进行温度测量。当单色光线照射透明物体时,会发生光的散射现象。散射光包括弹性散射和非弹性散射，弹性散

30、射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关。相比而言,拉曼散射光谱测温技术的实用性更好，其主要应用之一就是测量高温气体的温度。 由于自发拉曼散射的信号微弱和非相干性,对于许多具有光亮背景和荧光干扰的实际体系,它的应用受到一定的限制。与自发拉曼光谱相比,受激拉曼散射能大幅度提高测量的信噪比,常用的方法是相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)。它可使收集到的有效散射光信号强度比自发拉曼散射提高好几个数量级,同时还具有方向性强、抗噪声和荧光性能好、脉冲效率高和所需脉冲输入能量小等优点。适合于含有高浓度颗粒的两相流场非清洁火焰的温度诊断。但是,CARS 法的整套测量装置价格十分昂贵，其信号的处理相当复杂，限制了其使用。 受激荧光光谱法是指在入射光的激励下，分子发出的