第5章温度测量

第五章温度测量温度的概念温度是衡量物体冷热程度的物理量，温度的冷热由物体内部分子运动快慢来决定。从微观上讲，物体温度的高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度。

一、温标所谓“温标”即衡量物体温度高低的标尺。只有建立精确的温标，才能准确地测取温度。不同的温标表示同一点的温度只是数值不同。下面介绍四种温标：1、摄氏温标标准大气压下，冰的融点为0℃，水的沸点为100℃，0℃到100℃之间分成一百等分，每份为1℃。2、华氏温标

在标准大气压下，冰的融点为32℉，水的沸点为212℉，中间分成180等分，每一等分为一华氏度，即1℉。摄氏温标与华氏温标之间的关系为

华氏温度=(1.8×t+32)℉第一节概述3、热力学温标

热力学温标是以热力学第二定律为基础的温标，它已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。热力学温标又称开氏温标(以符号K表示)，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度(或称最低理论温度)。热力学温标是纯理论的，不能付诸实用，4、国际实用温标

t=T-273.15

t为摄氏温度，T为K氏温度。二、温度计的分类1．按使用范围分(1)高温计——测量温度在600℃以上；(2)温度计——测量温度在600℃以下。2．按测温原理分(1)膨胀式温度计；(2)热电阻温度计；(3)热电偶高温计；(4)辐射式高温计。3．按测量方式分(1)接触式——如膨胀式温度计；(2)非接触式——如辐射式高温计。按测量方式分类按测量原理分类按测量方式分类按测量原理分类接触式温度计膨胀式温度计固体膨胀式温度计接触式温度计热电偶式温度计标准材料热电偶温度计液体膨胀式温度计特殊材料热电偶温度计压力表式温度计气体压力式温度计液体压力式温度计非接触式温度计光学高温计蒸汽压力式温度计光电高温计热电阻式温度计金属热电阻温度计红外测温仪半导体热电阻温度计本节知识点1、什么是温标？常用温标有哪些？相互之间的关系如何？2、什么是接触式测温？什么是非接触式测温？第二节接触式温度计一、膨胀式温度计1、玻璃管液体温度计使用温度范围:标准温度计使用范围:-30~+300℃;工业温度计使用范围:－100~+600℃，感温液体一般是水银或有机液体。测温原理：利用感温液体在透明玻璃感温包和毛细管内的热膨胀作用来测量温度。对感温液的要求：膨胀系数大；对玻璃不润湿，化学稳定性好；在毛细管液柱上端的弯曲液面清晰易见；导热性能良好应用最广的水银特性：很宽温度范围内呈液态；200℃以下体膨胀与温度大体呈线性关系；不浸润玻璃可准确读数；水银导热性能最好对玻璃管温度计的要求：在使用温度范围内膨胀系数要小，并按一定规律膨胀或收缩。基本参数：示值误差；动作误差；示值稳定度;使用方法：全浸式要将感温包全部浸入被测介质，并达到热平衡后再读数，露出液柱不得大于15mm；视线要与刻度垂直。玻璃温度计在使用后需定期检定。注意：（1）零点漂移（2）露出液柱的校正部分侵入时工作液体膨胀系数标定条件环境温度使用条件环境温度全部侵入时温度计测量时的示值二、压力式温度计原理：它是利用密闭容积内工作介质压力随温度升高而升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。分类：1）工作介质是气体，充气式压力计，一般为氮气，-80~550℃，基本线性。2）工质为低沸点液体，CH3Cl，CH2CH2Cl，饱和蒸汽压与饱和温度呈非线性。范围-20~200℃。3）工质为液体。Hg、CH3OH等，范围-40~200℃。。特点：简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度。三、双金属温度计工作原理：

双金属温度计是基于绕制成环性弯曲状的双金属片组成。一端受热膨胀时，带动指针旋转，工作仪表便显示出热电势所对应的温度值。应用：

双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测测仪表。可以直接测量各种生产过程中的-80℃～+500℃范围内液体、蒸汽和气体介质温度。特点：现场显示温度，直观方便；安全可靠，使用寿命长；多种结构形式，可满足不同要求测温范围:-80~+600℃准确度等级：分为1.0、1.5及2.5级。1一指针62一表壳3一金属保护管4一指针轴5—双金属感温元件6一固定端7一刻度盘8一仪表二、热电阻温度计一、测温原理热电阻是使用金属材料制作而成的电阻。实验证明：大多数金属在温度每升高1℃时，其电阻值要增加0.4％～0.6％；而半导体的电阻值却随着温度的升高而减小，在20℃左右，温度每变化1℃，其电阻值要变化-2％～-6％。若能设法测出电阻值的变化，就可相应地确定温度的变化，达到测温的目的。热特性:温度升高阻值增加，温度降低阻值减小。利用这种变化制作专门显示仪表显示温度

A优点•准确度高。在所有常用温度计中，它的准确度最高，可达1mk。•输出信号大，灵敏度高。如在0℃用Pt100铂热电阻测温，当温度变化1℃时，其电阻值约变化0.4Ω，如果通过电流为2mA，则其电压输出为800μV左右。灵敏度较热电偶高一个数量级。•测温范围广，稳定性好。在振动小而适宜的环境下，可在很长时间内保持0.1℃以下的稳定性。•无需参考点。温度值可由测得的电阻值直接求出。•输出线性好。B

装配式热电阻的缺点•采用细金属丝的热电阻元件机械冲击与振动性能差。•元件结构复杂，制造困难大，尺寸较大，热响应时间长，不适宜温度瞬变区域。热电阻的结构金属热电阻由保护套管、电阻体、骨架和引线等部件组成。1、电阻体是温度敏感元件，其材料性能对传感器的好坏有关键性的影响。2、骨架

是用来缠绕、支撑或固定热电阻丝的支架，其质量的好坏直接影响热电阻的性能，作为骨架材料，要求其绝缘性能好，比热小，导热系数大，物理化学性能稳定，膨胀系数小，并且有足够的机械强度，常用骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷、塑料等。3、保护套管免受腐蚀性介质侵蚀和机械损伤。4、引线要求引线材料电阻温度系数小，电阻率小，热导率低，和电阻体接触产生的热电势小，化学性质稳定等。常用引线材料是铂、金、银和铜丝，引线形式有二线制、三线制和四线制。对于工业铂热电阻而言，中低温用银作引线，高温用镍丝。对于铜和镍热电阻的内引线，一般都用铜和镍丝。5、铠装热电阻将陶瓷骨架及其上的感温元件装入不锈钢细管内，其周围用氧化镁粉牢固充填，它的三根引线用保护管之间以及引线相互间要绝缘好，充分干燥后将其端头密封再经模具拉制成坚实整体，这种热电阻称为铠装热电阻。热电阻的结构图特点：精度高、稳定性好、性能可靠、易于提纯、复制性好、具有良好的工艺性、可以制成极细的铂丝、电阻率较高；在0C以上，其电阻与温度的关系接近于直线(其电阻温度系数为3.9×10－3/C)。作用：工业测量,温度的基准、标准仪器。ITS-90国际温标规定，在13.81K~961.78℃的标准仪器为铂电阻温度计。缺点：电阻温度系数小，在还原气氛中，特别是在高温下，易被污染变脆、价格昂贵。常用铂电阻分度号：Pt1000，Pt100和Pt10铂热电阻优点：线性度好，电阻温度系数大、价格低、精度适中；缺点：>100℃时，易被氧化；测温范围：-50~+150℃。常用铜电阻分度号：Cu100和Cu50铜热电阻表示０℃时的电阻值，Ω玻璃烧结式陶瓷架式云母管架式昂贵双线无感绕制铠装热电阻力学性好热电阻+保护套管+绝缘材料封装薄膜热电阻陶瓷铂真空镀膜法热惯性小！厚膜——7μm薄膜——2μm三、热电偶温度计1-热电极2-绝缘子3-保护管4-接线盒。热电偶温度计以热电偶作为感温元件，一般用于测量500℃以上的高温，长期使用时其测温上限可达1300℃，短期使用时可达1600℃，特殊材料制成的热电偶可测量的温度范围为2000～3000℃。如电厂

生产过程中的主蒸汽温度、过热器管壁温度、烟气

高温等都是采用热电偶来测量的。

热电偶具有性能稳定、测温高、结构简单、使用方便、经济耐用、容易维护和体积小等优点，还便于信号远传和实现多点切换测量。

两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势，以获得较高的灵敏度，且要求电势和温度之间尽可能的成线性关系能应用于较宽的温度范围，物理和化学特性比较稳定（较好的耐热性、抗氧化、抗还原和抗腐蚀性）具有较高的导电率和较低电阻温度系数工艺性好，利于批量生产要求（一）常用热电偶的材料热电偶的分类：按热电势－温度关系分为标准化和非标准化热电偶两类；按电极材料分为金属、半导体和非金属热电偶三类；按电极材料价格分为贵金属和廉价金属热电偶两类；按使用的温度范围分为高温热电偶和低温热电偶两类。标准化热电偶：高温热电偶:铂铑10-铂热电偶；铂铑13-铂热电偶；铂铑30-铂铑6热电偶；镍铬-镍硅（镍铝）热电偶；中温热电偶:镍铬-铜镍热电偶；铜-铜镍（康铜）热电偶。低温热电偶:镍铬-金铁热电偶;镍铬-铜铁热电偶它由热电偶丝、绝缘材料、金属套管三者组合拉制而成。特点：(1)小型化(直径最小可达.25mm)，热惯性小，使用方便。(2)时间常数小。露头型铠装热电偶的时间常数仅为0.05s，适宜用于动态温度的测量。(3)机械性能好，且可做成各种形状，以满足复杂对象的温度测量。（二）常用热电偶结构（2）常用热电偶①铂铑10-铂热电偶（分度号：S）②镍铬-镍硅热电偶（分度号:K）镍铬——康铜热电偶（分度号：E）铂铑30-铂铑6热电偶（分度号：B）铜-康铜热电偶（分度号：T）优点：金属丝直径范围0.35~0.5mm;精度高、物理化学特性稳定;测温上限高，短期使用温度可高达1600℃。可以作为各等级标准热电偶。缺点：热电势小、灵敏度低、价格昂贵。①铂铑10-铂热电偶（分度号：S）正极（硬）负极（软）②镍铬-镍硅热电偶（分度号:K）特点：金属丝直径范围：0.5~3mm;价格低廉、灵敏度高、复现性好、高温下抗氧化能力强。工业与实验室广泛采用;在还原性或硫化物气氛中易被侵蚀。正极不亲磁负极稍亲磁③镍铬——康铜热电偶（分度号：E）特点：金属丝直径范围：0.5~3mm，价格最便宜、灵敏度高，适用于中性或还原性气氛中。④铂铑30-铂铑6热电偶（分度号：B）特点：价格昂贵、测量温度上限可达1800℃、测量精度高、适应于氧化或中性气氛中使用、灵敏度低。⑤铜-康铜热电偶（分度号：T）特点：直径：0.1~1.6mm,适用于-200~+400℃；测量精度高、稳定性好、低温时灵敏度高、价格低廉。铠装热电偶的优点（1）动态响应快，时间常数可达0.0ls，而普通热电偶要10~180s；(2)热电偶丝细、体轻，热容量小，对被测对象的影响小；（3）挠性好，热电偶经退火后有良好的柔性，弯曲半径仅为其直径的两倍，适于安装在构造复杂的部位；(4)因为它是实体，具有良好的防爆结构；(5)品种多，根据需要可以制成不同长度、不同直径的铠装热电偶，最长可达l00米，最细可达0.25mm，还可制成双芯、多芯。四、温度计的校验（一）热电阻温度计的校正1）比较法2）两点法校验0℃时的电阻值R0和100℃的电阻值R100，检验R100/R0是否符合规定。标准热定偶值水沸点槽电桥读数冰点槽电桥读数（二）热电偶温度计的校正除标准铂铑10-铂热电偶进行金、银、锌凝固点分度外，其余应按表5-3的温度点进行检验铠装式热电偶：热电极、耐高温金属粉末（如氧化铝）、不锈钢套管三者一起拉细而组成一体，外径0.25~12mm不等。如图。典型结构（科研用）特点：惯性小、性能稳定、结构紧凑、力学性能良好、抗振、可挠等特点（3）典型结构（科研用）真空蒸镀或化学涂层镍铬-镍硅铜康-铜极薄：0.01~0.1μm云母或浸渍酚醛塑料60mm*6mm*0.2mm工艺特点：响应速度快！（ms）测温范围<300度热电偶测温误差分析(1)热电偶的非均匀性分度误差：

由于电偶材料粗细不均匀或不纯等原因，会使热电偶的温差电性与统一的分度表产生一定误差，此误差不应超过有关标准。(2)因冰水不纯使热电偶冷端(即参比端)达不到真正的冰点(O℃)因而引起误差。因此，对于精密测量，要求用纯净水制成的冰和水。(3)热电偶由于长期处于高温环境会氧化变质，致使其热电性能发生变化而引起误差。（4）热电偶的两极间、电偶对之间及其与大地间不良的绝缘或测量仪表精度不高等等都会造成热电势的损失而影响测量的精确性。（5）插入深度引起的误差；（6）由热辐射引起的误差；（7）高速气流引起的误差；（8）安装误差。还有标准热电偶的传递误差；测温仪器的基本误差；视差等。（一）安装误差1.基本要求尽量逆流，插入深度符合要求，感温元件处于管道中心，热电偶插入处外界要有保温。图5-9热电偶安装方式不同产生的误差2.热电偶与被测表面接触方式不同引起的误差包括点接触式、面接触式、等温线接触式及分立接触式（二）辐射引起的误差其误差表达式为为减少误差，加隔离罩，增加感温元件和流体的表面传热系数。（三）热传导引起的误差为减少误差，减少导热系数，加大插入长度，使长度尺寸减少。（四）高速气流的温度测量误差高速气流的温度可以理解为静温和动温的总和一般情况关心静温，传感器的实际指示值为有效温度恢复系数有效温度如果气体为理想气体，则因气流运动所引起的测温误差为恢复系数越低，马赫数越高，测温误差越大。（五）感温元件的响应温度计的时滞由两种因素造成1）感温元件的热惯性2）指示仪表的机械惯性影响时间常数的因素包括感温元件的质量、比热容、插入的表面积，表面传热系数等。本节知识点1、什么是膨胀式温度计？有哪几种？2、什么是热电阻温度计，常用的热电阻有哪些？测温范围如何？3、常用热电偶有哪些？4、什么是铠装热电偶？

第三节非接触式测温仪表

非接触式测温仪表的任何部分都不与被测对象接触，它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量，因此又称为辐射式测温仪表。特点：不存在因接触传热而产生的测温传热误差；理论上讲，测温上限不受测温传感器材料的限制，可高达2000℃以上；动态性能好，反应快等。因低温下物体的辐射能力很弱，因此辐射式仪表多用来测700℃以上的高温。但用红外测量仪表，也可测低达100℃左右的温度。一、辐射测温的基本原理热辐射理论是辐射式测温仪表的理论依据。在温度测量中，主要涉及的波长范围是可见光与0.76～20μm的红外光区。辐射出射度是指物体单位表面积在单位时间内所发射的全部波长范围的辐射能量的总和，并以符号M表示。如物体单位表面积单位时间内在波长λ处的dλ波段内所辐射的能量为dM，则把称为物体在波长λ处的光谱辐射出射度（又称单色辐射出射度）。显然辐射出射度M与光谱辐射出射度Mλ之间存在如下关系：1、全辐射体（绝对黑体，简称黑体）的热辐射全辐射体的光谱辐射出射度与温度的关系符合普朗克公式

在温度T＜3000K和可见光波长（波长λ较小）范围，该公式可以简化成维恩公式

全辐射体的辐射出射度可由斯忒藩一玻尔兹曼定律确定：

二、单色辐射式光学高温计利用亮度比较取代辐射出射度比较进行测温。物体的温度高于700度时会明显地发出可见光。单色亮度与单色辐射出射度成正比。

黑体：

实际物体：当温度为Ts的黑体的亮度与温度为T的实际物体的亮度相同时：被测物体的亮度温度1、灯丝隐灭式光学高温计2、光电高温计光电高温计具有以下优点。（l）既可在可见光，又可在红外光波长下工作，有利于用辐射法测低温；（2）分辨率高，光学高温计最高为0.5℃，而光电高温计可达0.01～0.05℃；（3）精确度高，由于采用性能良好的干涉滤光片（或单色器），提高了仪表的单色性，因而不确定度减小。例如，2000℃时的不确定度可小到土0.25℃；

（4）可连续自动测量，响应快。三、全辐射高温计当某个基准温度T1下的黑体辐射出射度(M0)1为已知时，则未知温度下的黑体辐射出射度M0由式5-18求得全辐射高温计按黑体进行分度，当为实际物体时，示值不是实际物体的真实温度，而是被测物体的辐射温度。四、比色高温计

它根据被测物体在两个不同波长下的光谱辐射出射度的相互比值与被测温度的关系，通过测二者的比值进而测知被测温度。根据光谱辐射的维思公式，同一物体在波长分别为λ1和λ2下的光谱辐射出亮度的比值为实际温度：比色温度本节知识点1、什么是光学高温计，测温原理是什么？第四节气体温度计