第七章温度测量

1、第七章第七章 温度测量温度测量 7-17-1概概 述述 一、温度的基本概念一、温度的基本概念 温度是一个基本物理量。它是工农业生产、温度是一个基本物理量。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。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通常把长度、时间、质量等基准物理量称作“外延量外延量”，它们可以叠加，例如把长度相同的，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

2、不然，它是一种长度的两倍；而温度则不然，它是一种“内涵内涵量量”，叠加原理不再适用，例如把两瓶，叠加原理不再适用，例如把两瓶90的水的水倒在一起。其温度绝不可能增加，更不可能成为倒在一起。其温度绝不可能增加，更不可能成为180。 从热平衡的观点看，从热平衡的观点看，温度可以作为物体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。低的物体其内部分子的平均动能亦小。热力热力学的定律指出：学的定律指出：具有相同温度的两个物体，具有相同温度的两个物体

3、，它们必然处于热平衡状态。当两个物体分别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体也处于热平衡状态，因而这三个物体将处于同一温度。于同一温度。据此，如果我们能用可复现的据此，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。到待测物体的温度。 二、温标二、温标 现代统计力学虽然建立了温度和分子动能之现代统计力学虽然建立了温度和分子动能之间的函数关

4、系，但由于目前尚难以直接测量物体间的函数关系，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内部的分子动能，因而只能利用一些物质的某些物性物性(诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强诸如尺寸、密度、硬度、弹性模量、辐射强度等度等)随温度变化的规律，通过这些量来对温度进随温度变化的规律，通过这些量来对温度进行间接测量。行间接测量。 由于不同物质的不同物理特性与温度有着不由于不同物质的不同物理特性与温度有着不同的关系，因此即使用同一物质的不同特性，或同的关系，因此即使用同一物质的不同特性，或不同物质的同一种特性对同一个温度进行测量，不同物质的同一种特性对同一个温度进行测量，

5、也会得出不同的量值，也会得出不同的量值，为了保证温度量值的准确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和利于传递，需要建立一个衡量温度的统一标准尺度，尺度，即温标。即温标。 随着温度测量技术的发展，温标也经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。温标，其间经历了几百年

6、时间。1.经验温标经验温标 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定的温标称为经验温标经验温标。华氏温标华氏温标 17141714年德国人法勒海特年德国人法勒海特(Fahrenheit)(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃以水银为测温介质，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温度为温度计的100100度，把水银温度计从度，把水银温度计从0 0度到度到l00l00度按水银的体积膨胀度按

7、水银的体积膨胀距离分成距离分成100100份，每一份为份，每一份为1 1华氏度，记作华氏度，记作“1”1”。按照华氏温标，则。按照华氏温标，则水的冰点为水的冰点为3232，沸点为，沸点为212212。( (它规定在标准大气压下冰的融点为它规定在标准大气压下冰的融点为3232华氏度，水的沸点为华氏度，水的沸点为212212华氏度，中间等分为华氏度，中间等分为180180份，每一等份称为华氏份，每一等份称为华氏一度一度) ) 摄氏温标摄氏温标 17401740年瑞典人摄氏年瑞典人摄氏(Celsius)(Celsius)提出在标准大气压下，把水的冰点规定提出在标准大气压下，把水的冰点规定为为0 0度

8、，水的沸点规定为度，水的沸点规定为100100度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度。两点间作温度计进行分度。两点间作100100等分，每一份称为等分，每一份称为1 1摄氏度。记作摄氏度。记作11。 摄氏温度和华氏温度的关系为摄氏温度和华氏温度的关系为 T = t + 32 式中式中 T华氏温度值华氏温度值; t摄氏温度值。摄氏温度值。 除华氏和摄氏外，还有一些类似经验除华氏和摄氏外，还有一些类似经验温标如列氏、兰氏等，这里不再一一列举。温标如列氏、兰氏等，这里不再一一列举。经验温标与测温介质有关经验温标与测温介质有关，有多少种测温，有多少种

9、测温介质就有多少个温标。介质就有多少个温标。 经验温标均依赖于其规定的测量物质，测温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、下限范围也不能超过其上、下限(如摄氏为如摄氏为0、l00)。超过了这个温区，摄氏将不能进行。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。应工业和科技等领域的测温需要。2.热力学温标热力学温标 热力学温标热力学温标是英国物理学家开尔文是英国物理学家开尔文(Kelvin)于于1848年以热力学

10、第二定律为基础所引出的与测温物质年以热力学第二定律为基础所引出的与测温物质无关的温标无关的温标,它是一种理想而不能真正实现的理论它是一种理想而不能真正实现的理论温标，是国际单位制中七个基本物理单位之一。温标，是国际单位制中七个基本物理单位之一。热力学温标是以卡诺循环为基础。热力学温标是以卡诺循环为基础。卡诺定律指出，卡诺定律指出，一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，其效率只与热源和冷源的温度有关。假设热机从其效率只与热源和冷源的温度有关。假设热机从温度为温度为T2的热源获得的热量为的热源获得的热量为Q2，放给温度为，放给温度为T1的冷源的热量

11、为的冷源的热量为Q1，则有，则有1122QTQT长度单位米长度单位米(m)(m)，质量单位千克，质量单位千克(kg)(kg)，时间单位秒，时间单位秒(s)(s)，温度单位，温度单位开尔文开尔文(K)(K)，电流单位安培，电流单位安培(A)(A)，物，物质的量的单位摩尔质的量的单位摩尔(mol)(mol)，发光强，发光强度单位坎德拉度单位坎德拉(cd) (cd) 开尔文引出此温标后，于1854年建议用一个固定点来确定此温标。人们发现水的三相点(273.16K)的稳定性。因此，1954年第10届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温际的基本固定点此温标的表达式为： 这种温标的最大特点是与选用的

12、测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基准。2273.161QTKQ该温标为了在分度上和摄氏温标相一致，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绝对零度（是在实验中无法达到的理论温度，而低于温度，而低于0 K的温度不可能存在）的温度不可能存在）与水的三相点温度分为与水的三相点温度分为27316份，每份，每份为份为1 K (Kelvin) 。热力学温度的单位热力学温度的单位为为“K”。3.

13、绝对气体温标绝对气体温标 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：温标。由波义耳定律： PV=RT 式中式中 P一定质量的气体的压强；一定质量的气体的压强； V该气体的体积；该气体的体积； R普适常数；普适常数； T热力学温度。热力学温度。 理想气体仅是一种数学模型，实际上并不存在，故只能用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。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，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又需依据许多高精度、高难度的精确要对其读数进

14、行许多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。度很大、很复杂，而且操作非常繁杂、困难。4.国际实用温标和国际温标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

15、准确度复现该温标，保证国际上温度量值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。的统一。 第一个国际温标是第一个国际温标是19271927年第七届国际计量大会年第七届国际计量大会决定采用的国际实用温标。此后在决定采用的国际实用温标。此后在19481948、19601960、19681968年经多次修订，形成了近年经多次修订，形成了近2020多年各国普遍采用多年各国普遍采用的国际实用温标称为的国际实用温标称为(IPTS(IPTS一一68)68)。 19891989年年7 7月第月第7777届国际计量委员会批准建立了新届国际计量委员会批准建立了新的国际温标，简称的国际温标，简称IT

16、SITS一一9090。为和。为和IPTSIPTS一一6868温标相区温标相区别，用表示别，用表示ITSITS一一9090温标。温标。ITSITS一一9090基本内容为：基本内容为：（1）重申国际实用温标单位仍为）重申国际实用温标单位仍为K，1 K等于水等于水的三相点时温度值的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）把水的三相点时温度值定义为0.01（摄（摄氏度），同时相应把绝对零度修订为氏度），同时相应把绝对零度修订为-273.15；这样国际摄氏温度这样国际摄氏温度 （）和国际实用温度）和国际实用温度 （K）关系为：）关系为： 9090273.15tT90t90T

17、 第一温区第一温区为0.65K到5.00K之间， T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。 第二温区第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间，T90是用氦气体温度计来定义。 第三温区第三温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78)之间，T90是由铂电阻温度计来定义。它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度。 第四温区第四温区为银凝固点(961.78)以上的温区，T90是按普朗克辐射定律来定义的，复现仪器为光学高温计。（3）规定把整个温标分成）规定把整个温标分成4个温区，其相应的个温区，其相应的标准仪器如下；标准仪器如下； （4） 新确新确

18、认和规定认和规定17个固定点温个固定点温度值以及借度值以及借助依据这些助依据这些固定点和规固定点和规定的内插公定的内插公式分度的标式分度的标准仪器来实准仪器来实现整个热力现整个热力学温标。学温标。三、标定三、标定 对温度计的标定，有标准值法和标准表法对温度计的标定，有标准值法和标准表法两种方法。两种方法。标准值法就是用适当的方法建立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起一系列国际温标定义的固定温度点(恒温恒温)作作标准值，把被标定温度计标准值，把被标定温度计(或传感器或传感器)依次置于依次置于这些标准温度值之下，记录下温度计的相应这些标准温度值之下，记录下温度计的相应示

19、值示值(或传感器的输出或传感器的输出)，并根据国际温标规定，并根据国际温标规定的内插公式对温度计的内插公式对温度计(传感器传感器)的分度进行对比的分度进行对比记录，从而完成对温度计的标定；被定后的记录，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。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更为一般和常用的另一种标定方法是把被标是把被标定温度计定温度计(传感器传感器)与已被标定好的更高一级与已被标定好的更高一级精度的温度计精度的温度计(传感器传感器)，紧靠在一起，共同，紧靠在一起，共同置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调节到置于可调节的恒温槽中，分别把槽温调

20、节到所选择的若干温度点，比较和记录两者的读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，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。就成了对被标定温度计的标定。四、对测温的要求四、对测温的要求 对温度测量的要求包括以下两方面： 1足够的准确度 2.良好的动态响应 在很多情况下，被测温度是随时间而变化的，而且有时变化速率比较快。即要求测温传感器有效小的“惯性”，测量线路有足够高的频率响应。 72

21、 72 测温方法的种类和特点测温方法的种类和特点一、测温方法分类一、测温方法分类 按照温度测量范围，可分为超低温、低温、按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。中高温和超高温温度测量。 超低温一般是指超低温一般是指010K，低温指，低温指10800K，中温指，中温指8001900K，高温指，高温指19002800K的温度，的温度，2800K以上被认为是超高温。以上被认为是超高温。晶体管半导体集成电路温度传感器晶体管半导体集成电路温度传感器物物理理现现象象 体积热膨胀体积热膨胀 电阻变化电阻变化温差电现象温差电现象导磁率变化导磁率变化电容变化电容变化压电效应压电效应超声波传

22、播速度变化超声波传播速度变化PN结电动势结电动势晶体管特性变化晶体管特性变化热、光辐射热、光辐射种种类类铂测温电阻、热敏电阻铂测温电阻、热敏电阻热电偶热电偶钛酸锶钡钛酸锶钡BaSrTiO3陶瓷陶瓷石英晶体振动器石英晶体振动器超声波温度计超声波温度计半导体二极管半导体二极管辐射温度传感器辐射温度传感器 光学高温计光学高温计1.气体温度计气体温度计 2. 玻璃制水银温度计玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计双金属温度计5.液体压力温度计液体压力温度计 6. 气体压力温度计气体压力温度计1 热铁氧体热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金合金按照所用方法之不同，按

23、照所用方法之不同，温度测量分为接触式温度测量分为接触式和非接触式两大类。和非接触式两大类。 1. 接触式测温接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参效的量值就代表了被测对象的温度值。优点优点：直观可靠。：直观可靠。缺点缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，响应差、：是感温元件影响被测温度场的分布，响应差、接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。2、非接触式测温、非接触式测温

24、非接触测温的特点是感温元件不与被非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点。故可避免接触测温法的缺点。优点优点：具有不改变被测物体的温度分布，热惯性小，：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，响应可达微秒、纳秒级，测温上限可设计得很高，响应可达微秒、纳秒级，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。缺点缺点：受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气：受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。等外界因素的影响，其测量误

25、差较大。 接触式测温与非接触式测温各有所长，随着近代科学技术的进展，采用非接触式来测温已显得愈来愈重要。现比较如下：现比较如下： 1)1)接触式测温是将测温元件与被测对象相接接触式测温是将测温元件与被测对象相接触进行的，需要一定的时间使两者达到热触进行的，需要一定的时间使两者达到热 平衡，因此产生测温的滞后现象一般较大，平衡，因此产生测温的滞后现象一般较大，且不适于测量小物体温度；同时测温元件易且不适于测量小物体温度；同时测温元件易破坏被测对象温度场，并有可能与之产生化破坏被测对象温度场，并有可能与之产生化学反应。而非接触式是通过被测对象的热辐学反应。而非接触式是通过被测对象的热辐射进行的，反

26、应速度一般比较快，且不会破射进行的，反应速度一般比较快，且不会破坏被测对象的温度场。坏被测对象的温度场。2)2)接触式温度计简单、可靠、测试精确，一接触式温度计简单、可靠、测试精确，一般为刻度的般为刻度的1 1左右。而非接触式温度计由左右。而非接触式温度计由于受物体的发射率，被测对象到仪表之间于受物体的发射率，被测对象到仪表之间的距离、烟尘积水蒸气等的影响，其测试的距离、烟尘积水蒸气等的影响，其测试误差较大，一般为误差较大，一般为1010左右，但它在原理左右，但它在原理上没有温度上限的限制，适宜于高温测试。上没有温度上限的限制，适宜于高温测试。接触式受耐高温材料的限制，不能用于测接触式受耐高温

27、材料的限制，不能用于测试很高的温度。试很高的温度。3)3)接触式对运动状态的物体的测温有困难，但可接触式对运动状态的物体的测温有困难，但可以测试任何地点的温度。非接触式易于进行运以测试任何地点的温度。非接触式易于进行运动物体的测温，一般用于测试表面温度。动物体的测温，一般用于测试表面温度。二、温度计的选用原则二、温度计的选用原则1)1)测温范围的大小和精度要求。测温范围的大小和精度要求。2 2）测温元件的大小适当与否。）测温元件的大小适当与否。3)3)在被测对象温度随时间变化的场合，测在被测对象温度随时间变化的场合，测温元件的滞后能否适应测温要求。温元件的滞后能否适应测温要求。4)被测对象和环

28、境条件对测温元件是否有被测对象和环境条件对测温元件是否有损害。损害。接触式与非接触式测温特点比较接触式与非接触式测温特点比较 方方 式式 接接 触触 式式 非非 接接 触触 式式 测量测量 条件条件 感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的感温元件要与被测对象良好接触；感温元件的加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过加入几乎不改变对象的温度；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度感温元件能承受的上限温度; ;被测对象不对感温被测对象不对感温元件产生腐蚀元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被测对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象的辐射能充分照射到检测元

29、件上 测量测量 范围范围 特别适合特别适合12001200以下、热容大、无腐蚀性以下、热容大、无腐蚀性 对象的连续在线测温，对高于对象的连续在线测温，对高于l 300l 300以上以上 的温度测量较困难的温度测量较困难 原理上测量范围可以从超低温到极高温，原理上测量范围可以从超低温到极高温，但但10001000以下，测量误差大，能测运动物以下，测量误差大，能测运动物 体和热容小的物体温度体和热容小的物体温度 精精 度度 工业用表通常为工业用表通常为1.01.0、0.50.5、0.20.2及及0.10.1级，级，实验室用表可达实验室用表可达0.010.01级级 通常为通常为1.01.0、1.51

30、.5、2.52.5级级 响应响应 速度速度慢，通常为秒级慢，通常为秒级 快，通常为微秒至毫秒快，通常为微秒至毫秒 其它其它 特点特点 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维 护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被 测物体实际温度；可方便地组成多路集中测物体实际温度；可方便地组成多路集中 测量与控制系统测量与控制系统 整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻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烦、价格昂贵；仪表读数通常只反映被测物体表现温度物体表现温度( (需进一步转换需进一步转换) )；不易

31、组成；不易组成测温、控温一体化的温度控制装置测温、控温一体化的温度控制装置 各种温度检测方法及其测温范围各种温度检测方法及其测温范围7-3 7-3 接触式测温方法接触式测温方法 根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀根据测温转换的原理，接触式测温又可分为膨胀 (包包括液体和固体膨胀括液体和固体膨胀) 式，热阻式，热阻 (包括金属热电阻和半导包括金属热电阻和半导体热电阻体热电阻) 式、热电式、热电(包括热电偶和包括热电偶和PN结结)式等多种形式。式等多种形式。一、一、 热膨胀式测温方法热膨胀式测温方法 膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，膨胀式测温是基于物体受热时产生膨胀的原理，分分为

32、液体膨胀式和固体膨胀式两类。为液体膨胀式和固体膨胀式两类。一般膨胀式温度测量一般膨胀式温度测量大都在大都在-50550范围内，用于那些温度测量或控制范围内，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。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膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨胀式胀式玻璃温度计、液体或气体膨胀式压力温度计及固体玻璃温度计、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膨胀式双金属温度计。 玻璃温度计按使用方式又可分全浸式和局浸式两大类。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

33、浸没在被测介质中。此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。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局浸式为温度计液柱部分(固定长度固定长度)浸入被测介质中，部浸入被测介质中，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，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。即使采取修正措施其误差比全浸式仍要大好几倍或更多。1.玻璃温度计玻璃温度计 玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表。玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一

34、种直读式仪表。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为-38.9、测温、测温上限为上限为538。对于较低温度测量，可以用其它有机液体。对于较低温度测量，可以用其它有机液体(如如酒精下限为酒精下限为-62，甲苯下限为，甲苯下限为-90，而戊烷则可达，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。损，测温值难自动远传记录等特点。 压力温度计结构

35、示意图 这类压力温度计其毛细这类压力温度计其毛细管细而长管细而长(规格为规格为160m)它的作用主要是传它的作用主要是传递压力，长度愈长，则递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。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、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、耐腐蚀不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。性较差等特点。压力温度计测温范围下限能达压力温度计测温范围下限能达-100-100以下，上限最高可达以下，上限最高可达600600，常用于汽常用于汽车

36、、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量。温度测量。 2.压力温度计压力温度计压力温度计是根据一定质量的液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、传递压由充有感温介质的感温包、传递压力元件力元件(毛细管毛细管)及压力敏感元件齿轮及压力敏感元件齿轮或杠杆传动机构、指针和读数盘组或杠杆传动机构、指针和读数

37、盘组成。成。3. 双金属温度计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 式中 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）。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。10101LLk ttk1L0L1t1t0t0t 双金属温度计原理图在一端固定的情况下，

38、如果温度升高，下面的金属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（例如黄铜）因热膨胀而伸长，上面的金属A（例如（例如因瓦合金）却几乎不变。致使双金属片向上翘，温度因瓦合金）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。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：其关系可用下式表示：式中式中 x双金属片自由端的位移，双金属片自由端的位移，mm； l双金属片的长度，双金属片的长度，mm； d双金属片的厚度，双金属片的厚度，mm； 双金属片的温度变化，双金属片的温度变化，； G弯曲率弯曲率(将长

39、度为将长度为100mm，厚度为，厚度为1mm的线状双的线状双金属片的一端固定，当温度变化金属片的一端固定，当温度变化1(1K)时，另一端的位移称时，另一端的位移称为弯曲率为弯曲率)，取决于头金属片的材质，通常为，取决于头金属片的材质，通常为(514)10-6K 。 tdlGx)/(2t 目前，实际采用的双金属材料及测温范围：目前，实际采用的双金属材料及测温范围：100以下，以下，通常采用黄铜与通常采用黄铜与34镍钢；镍钢；150以下，通常采用黄铜与因以下，通常采用黄铜与因瓦合金；瓦合金；250以上，通常采用蒙乃尔高强度耐蚀镍合金与以上，通常采用蒙乃尔高强度耐蚀镍合金与3442镍钢。双金属温度计

40、不仅可用于测量温度，而且镍钢。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还可方便地用作简单温度控制装置(尤其是开关的尤其是开关的“通通断断”控制控制)。二、热阻式测温方法二、热阻式测温方法 基于热电阻原理测温是根据金属导体或半导体的电阻值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。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

41、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。性高、互换性好、准确度高，可以用作基准仪表。热电阻主热电阻主要缺点要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。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常用热电阻种类主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。阻。1. 铂电阻测温铂电阻测温

42、 铂电阻的电阻率较大，电阻铂电阻的电阻率较大，电阻温度关系呈非线性，测温度关系呈非线性，测温范围广，精度高，且材料易提纯，复现性好；在氧化性温范围广，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。国标介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。国标ITS一一90规定，在规定，在-2593463074温度范围内，以铂温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。电阻温度计作为基准温度仪器。 铂的纯度用百度电阻比铂的纯度用百度电阻比W100表示。它是铂电阻在表示。它是铂电阻在100时电阻值时电阻值R100与与O时电阻值时电阻值R0之比，即之比，即W100R1

43、00R0。W100越大，其纯度越高。目前技术已达到越大，其纯度越高。目前技术已达到W1001.3930，其相应的铂纯度为，其相应的铂纯度为99.9995。国标。国标ITS一一90规定，作为标准仪器的铂电阻规定，作为标准仪器的铂电阻W 100应大于应大于1.3925。一。一般工业用铂电阻的般工业用铂电阻的Wl00应大于应大于1.3850。 目前工业用铂电阻分度号为目前工业用铂电阻分度号为Pt100和和Pt10，其中，其中Pt100更为常用；而更为常用；而Pt10是用较粗的铂丝制作的，主要用于是用较粗的铂丝制作的，主要用于600以上的测温。以上的测温。铂电阻测温范围通常最大为铂电阻测温范围通常最大

44、为-200850。当 时 当时 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； 2000t 0850t 2301100R tRAtBtCtt 201R tRAtBt0R R t33.90802 10/A725.8019 10/BC 1244.27350 10/CC 铂电阻与温度的关系：铂电阻与温度的关系：热电阻主要由感温元件、内引热电阻主要由感温元件、内引线、保护管线、保护管3部分组成。部分组成。通常还通常还具有与外部测量及控制装置、具有与外部测量及控制装置、机械装置连接的部件。它的外机械装置连接的部件。它的外形与热电偶相似，使用时要

45、注形与热电偶相似，使用时要注意避免用错。意避免用错。热电阻的结构热电阻的结构工业热电阻的基本结构如图所示。 热电阻感温元件是用来感受温度的电阻器。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：架构成。作为热电阻丝材料应具备如下条件： 电阻温度系数大、线性好、性能稳定；电阻温度系数大、线性好、性能稳定； 使用温度范围广、加工方便；使用温度范围广、加工方便； 固有电阻大，互换性好，复制性强。固有电阻大，互换性好，复制性强。 能够满足上述要求的丝材，最好是纯铂能够满足上述要求的丝材，最好是纯铂

46、丝。丝。 绝缘骨架绝缘骨架是用来缠绕、支承或固定热电是用来缠绕、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：能。因此，作为骨架材料应满足如下要求：在使用温度范围内，电绝缘性能好；在使用温度范围内，电绝缘性能好；热膨胀系数要与热电阻相近；热膨胀系数要与热电阻相近；物理及化学性能稳定，不产生有害物质污物理及化学性能稳定，不产生有害物质污染热电阻丝；染热电阻丝；足够的机械强度及良好的加工性能；足够的机械强度及良好的加工性能；比热小，热导率大。比热小，热导率大。 目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、目前常用的骨架材料

47、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。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，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；即使是优由于云母是天然物质，其质量不稳定；即使是优质云母，在质云母，在600以上也要放出结晶水并产生变以上也要放出结晶水并产生变形。所以，使用温度宜在形。所以，使用温度宜在500以下。以下。 云母骨架感温元件，因其电阻丝并非完全固云母骨架感温元件，因其电阻丝并非完全固定，故受热后引起电

48、阻变化小，电阻性能比较稳定，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，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。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。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，就会否则，当温度变化时引起膨胀或收缩，就会改变热电阻的性

49、能。这种玻璃骨架的软化点改变热电阻的性能。这种玻璃骨架的软化点约为约为450，最高安全使用温度为，最高安全使用温度为400，而，而且，低温到且，低温到4K仍然可用。仍然可用。陶瓷骨架感温元件的特点是：体积小、响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。陶瓷骨架的缺点是机械强度差，不易加工。 热电阻的引线形式热电阻的引线形式 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功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。内引

50、线通常位于保护管内。因保护管内连接。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，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。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。常比热电阻丝的直径大很多

51、。热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，三种，如图所示如图所示。两线制两线制 在热电阻感温元件的两端各连一根导线的引线形在热电阻感温元件的两端各连一根导线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。低，但要带进引线电阻的附加误差。从图中可以看出热电阻两引线电阻 和热电阻 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 和热电阻随被测温度变化的增量值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

52、)等效原理图WRtR2WRtR 三线制三线制 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，此种引线形式称为三线制。用它构成测量电桥，可以消除内线，此种引线形式称为三线制。用它构成测量电桥，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。生变化的场合必须考虑采用三线制。 三线制热电阻测量电桥 a)示意图 b)等效原理图

53、)四线制四线制 在热电阻感温元件的两端各连两根引线。在高精度测量时，在热电阻感温元件的两端各连两根引线。在高精度测量时，要采用如图所示四线制。此种引线方式不仅可以消除内引线电阻要采用如图所示四线制。此种引线方式不仅可以消除内引线电阻的影响，而且在连接导线阻值相同时，消除该电阻的影响。还可的影响，而且在连接导线阻值相同时，消除该电阻的影响。还可以通过以通过CPU定时控制继电器一对触点定时控制继电器一对触点C和和D的通断，改变测量热的通断，改变测量热电阻中的电流方向，消除测量过程中的寄生电势影响。电阻中的电流方向，消除测量过程中的寄生电势影响。 四 线制热电阻测量电桥 a)示意图 b)等效原理图

54、四线电阻和三线电阻四线电阻和三线电阻是完会不同的两个概念，是完会不同的两个概念，四线电阻主要用于高精度四线电阻主要用于高精度的场盒，四线电阻有一根的场盒，四线电阻有一根导线是用来计算其导线电导线是用来计算其导线电阻阻值的，所以几乎可以阻阻值的，所以几乎可以完全减去引线的阻值，四完全减去引线的阻值，四线电阻多用于计量和化工线电阻多用于计量和化工科研单位做为温场记录用科研单位做为温场记录用高精度传感器。大部分工高精度传感器。大部分工业一般用三线，三线电阻业一般用三线，三线电阻和四线电阻的二次显示表和四线电阻的二次显示表也有区别。也有区别。1）.铜电阻铜电阻铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈

55、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-40120。其电阻值与温度的关系为：式中 -温度为零时铜热电阻的电阻值（Cul00为100, Cu50为50 ）；-温度为t时铜热电阻的电阻值；50150t 2301R tRAtBtCt0R R t2.铜电阻和热敏电阻测温铜电阻和热敏电阻测温2）.半导体热敏电阻半导体热敏电阻对于在低温段对于在低温段-50350左右的范围、测温要求不高的场左右的范围、测温要求不高的场合，目前世界各国，特别是工业

56、化国家，采用半导体热敏元件作合，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。要求不高的温度控制。灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大12个数量级；由于灵个数量级；由于灵敏度高，可大大降低后面调理电路的要求；敏度高，可大大降低后面调理电路的要求； 标称电阻有几欧到十几兆欧之间的不同型号、规格，因而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不仅能很好地与各种电路匹配，而且远距离

57、测量时几乎无需考虑连线电阻的影响；考虑连线电阻的影响；体积小体积小(最小珠状热敏电阻直径仅最小珠状热敏电阻直径仅0.10.2 mm)，可用来测，可用来测量量“点温点温”热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动；结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动；易于大批量生产，成本和价格十分低廉。易于大批量生产，成本和价格十分低廉。 （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）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：下列优点：阻值与温度的关系非线性严重；阻值与温度的关系非线性

58、严重；元件的一致性差，互换性差；元件的一致性差，互换性差； 元件易老化，稳定性较差；元件易老化，稳定性较差；除特殊高温热敏电阻外，除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热绝大多数热敏电阻仅适合敏电阻仅适合0150范围范围，使用时必，使用时必须注意须注意。 （2）热敏电阻的主要缺点：）热敏电阻的主要缺点：三、热电偶（热电式测温方法）三、热电偶（热电式测温方法） 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：一。其优点是： 测量精度高。测量精度高。因热电偶直接与被测对象接因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。触，不受中间介质的影响。 测量范围广。测量范围广

59、。常用的热电偶从常用的热电偶从-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（如金铁镍铬），最高可达+2800（如（如钨钨-铼）。铼）。 构造简单，使用方便。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两热电偶通常是由两种不同的金属丝组成。种不同的金属丝组成。1 热电偶的工作原理热电偶的工作原理 热电偶是利用导体或半导体材料的热电效应将温度的变热电偶是利用导体或半导体材料的热电效应将温度的变化转换为电势变化的元件。化转换为电势变化的元件。 所谓热电效应是指两种不同导体所谓热电效应是指两种不同导体A、B的两端连接成如图的两端连接

60、成如图7 7所示的闭合回路。若使连接点分别处于不同温度场所示的闭合回路。若使连接点分别处于不同温度场T0 0和和T（设（设TT0），则在回路中产生由于接点温度差（），则在回路中产生由于接点温度差（TT0 0）引起的电势差。通常把两种不同金属的这种组合称为热引起的电势差。通常把两种不同金属的这种组合称为热电偶，电偶，A和和B称为热电极，温度高的接点称为热端（或工称为热电极，温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。热电效应 热端 T冷端 T0ABU温差电势示意图 接触电势示意图 热电效应也称塞贝克效应，这一现象在物理学中已作了深