第七章温度测量

第七章温度测量

§7-1概述

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、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。热力学的定律指出：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。

二、温标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。

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，或不同物质的同一种特性对同一个温度进行测量，也会得出不同的量值，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。1.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定的温标称为经验温标。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℉。(它规定在标准大气压下冰的融点为32华氏度，水的沸点为212华氏度，中间等分为180份，每一等份称为华氏一度)

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℃。

摄氏温度和华氏温度的关系为

T

℉=t℃+32

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。经验温标与测温介质有关，有多少种测温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。2.热力学温标

热力学温标是英国物理学家开尔文(Kelvin)于1848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,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。热力学温标是以卡诺循环为基础。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，其效率只与热源和冷源的温度有关。假设热机从温度为T2的热源获得的热量为Q2，放给温度为T1的冷源的热量为Q1，则有长度单位米(m)，质量单位千克(kg)，时间单位秒(s)，温度单位开尔文(K)，电流单位安培(A)，物质的量的单位摩尔(mol)，发光强度单位坎德拉(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。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”。3.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温标。由波义耳定律：PV=RT 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。

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。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。ITS一90基本内容为：（1）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的1/273.16；（2）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（℃）和国际实用温度（K）关系为：

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4个温区，其相应的标准仪器如下；

（4）

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。三、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；被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。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。

§7—2测温方法的种类和特点

一、测温方法分类

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。超低温一般是指0～10K，低温指10～800K，中温指800～1900K，高温指1900～2800K的温度，2800K以上被认为是超高温。晶体管半导体集成电路温度传感器物理现象

体积热膨胀

电阻变化温差电现象导磁率变化电容变化压电效应超声波传播速度变化P–N结电动势晶体管特性变化热、光辐射种类铂测温电阻、热敏电阻热电偶钛酸锶钡BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计半导体二极管辐射温度传感器光学高温计1.气体温度计2.玻璃制水银温度计3.玻璃制有机液体温度计4.双金属温度计5.液体压力温度计6.气体压力温度计1．

热铁氧体2．

Fe-Ni-Cu合金按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。

1.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：直观可靠。缺点：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，故可避免接触测温法的缺点。优点：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，便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。缺点：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。

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：

1)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。2)接触式温度计简单、可靠、测试精确，一般为刻度的1％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的距离、烟尘积水蒸气等的影响，其测试误差较大，一般为10℃左右，但它在原理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，不能用于测试很高的温度。3)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1)测温范围的大小和精度要求。2）测温元件的大小适当与否。3)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。4)被测对象和环境条件对测温元件是否有损害。接触式与非接触式测温特点比较

方式接触式非接触式

测量条件

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；被测温度不超过感温元件能承受的上限温度;被测对象不对感温元件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

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

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，通常为秒级快，通常为微秒至毫秒

其它特点

整个测温系统结构简单、体积小、可靠、维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映被测物体实际温度；可方便地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表现温度(需进一步转换)；不易组成测温、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§7-3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(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。一、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，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。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。1.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。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。压力温度计结构示意图

这类压力温度计其毛细管细而长(规格为1—60m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。压力温度计测温范围下限能达-100℃以下，上限最高可达600℃，常用于汽车、拖拉机、内燃机、汽轮机的油、水系统的温度测量。

2.压力温度计

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、传递压力元件(毛细管)及压力敏感元件齿轮或杠杆传动机构、指针和读数盘组成。3.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）。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。

双金属温度计原理图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A（例如因瓦合金）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。其关系可用下式表示：式中 x——双金属片自由端的位移，mm；

l——双金属片的长度，mm； d——双金属片的厚度，mm； ——双金属片的温度变化，℃； G——弯曲率(将长度为100mm，厚度为1mm的线状双金属片的一端固定，当温度变化1℃(1K)时，另一端的位移称为弯曲率)，取决于头金属片的材质，通常为(5～14)×10-6／K。

目前，实际采用的双金属材料及测温范围：100℃以下，通常采用黄铜与34％镍钢；150℃以下，通常采用黄铜与因瓦合金；250℃以上，通常采用蒙乃尔高强度耐蚀镍合金与34％~42％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(尤其是开关的“通—断”控制)。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。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。热电阻主要缺点是需要电源激励、有（会影响测量精度）自热现象以及测量温度不能太高。常用热电阻种类主要有铂电阻、铜电阻和半导体热敏电阻。1.铂电阻测温

铂电阻的电阻率较大，电阻—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；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理、化学性质都很稳定。国标ITS一90规定，在-259．34～630．74℃温度范围内，以铂电阻温度计作为基准温度仪器。

铂的纯度用百度电阻比W100表示。它是铂电阻在100℃时电阻值R100与O℃时电阻值R0之比，即W100＝R100／R0。W100越大，其纯度越高。目前技术已达到W100＝1.3930，其相应的铂纯度为99.9995％。国标ITS一90规定，作为标准仪器的铂电阻W100应大于1.3925。一般工业用铂电阻的Wl00应大于1.3850。目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用；而Pt10是用较粗的铂丝制作的，主要用于600℃以上的测温。铂电阻测温范围通常最大为-200℃～850℃。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； ℃

铂电阻与温度的关系：热电阻主要由感温元件、内引线、保护管3部分组成。通常还具有与外部测量及控制装置、机械装置连接的部件。它的外形与热电偶相似，使用时要注意避免用错。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。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：①电阻温度系数大、线性好、性能稳定；②使用温度范围广、加工方便；③固有电阻大，互换性好，复制性强。能够满足上述要求的丝材，最好是纯铂丝。绝缘骨架是用来缠绕、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能。因此，作为骨架材料应满足如下要求：①在使用温度范围内，电绝缘性能好；②热膨胀系数要与热电阻相近；③物理及化学性能稳定，不产生有害物质污染热电阻丝；④足够的机械强度及良好的加工性能；⑤比热小，热导率大。

目前常用的骨架材料有云母、玻璃、石英、陶瓷等。用不同骨架可制成各种热电阻感温元件。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，由于云母是天然物质，其质量不稳定；即使是优质云母，在600℃以上也要放出结晶水并产生变形。所以，使用温度宜在500℃以下。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，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，就会改变热电阻的性能。这种玻璃骨架的软化点约为450℃，最高安全使用温度为400℃，而且，低温到4K仍然可用。

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960℃。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 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。

热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种，如图所示。①两线制 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)等效原理图

②三线制

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。

三线制热电阻测量电桥 a)示意图b)等效原理图③)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，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。还可以通过CPU定时控制继电器一对触点C和D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。

四线制热电阻测量电桥 a)示意图b)等效原理图四线电阻和三线电阻是完会不同的两个概念，四线电阻主要用于高精度的场盒，四线电阻有一根导线是用来计算其导线电阻阻值的，所以几乎可以完全减去引线的阻值，四线电阻多用于计量和化工科研单位做为温场记录用高精度传感器。大部分工业一般用三线，三线电阻和四线电阻的二次显示表也有区别。1）.铜电阻

铜电阻(WZC)的电阻值与温度的关系几乎呈线性，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-40℃～120℃。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100Ω,Cu50为50Ω）； ---温度为t时铜热电阻的电阻值；2.铜电阻和热敏电阻测温2）.半导体热敏电阻 对于在低温段-50—350℃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、汽车等要求不高的温度控制。①灵敏度高，其灵敏度比热电阻要大1～2个数量级；由于灵敏度高，可大大降低后面调理电路的要求；②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考虑连线电阻的影响；③体积小(最小珠状热敏电阻直径仅0.1～0.2mm)，可用来测量“点温”④热惯性小，响应速度快，适用于快速变化的测量场合；⑤结构简单、坚固，能承受较大的冲击、振动；⑥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下列优点：①阻值与温度的关系非线性严重；②元件的一致性差，互换性差；③元件易老化，稳定性较差；④除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围，使用时必须注意。（2）热敏电阻的主要缺点：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一。其优点是：

①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。

②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）。

③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。1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A、B的两端连接成如图7所示的闭合回路。若使连接点分别处于不同温度场T0和T（设T>T0），则在回路中产生由于接点温度差（T－T0）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，A和B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）。热电效应

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入的研究，得到热电偶回路中产生的电势差为

式中NA——材料A的电子密度；

NB——材料B的电子密度；

sA——导体A的汤姆逊系数；

sB——导体B的汤姆逊系数；

k

——玻耳兹曼常数。从上式可知，前一项是由于两种不同材料金属连接时产生的接触电势差，取决于材料的电子密度；而后一项是由于同一种材料的均质导体，当两端温度不同时产生的温差电势，即所谓汤姆逊效应。但由于导体汤姆逊效应引起的电势差相比甚小，常可忽略。于是当材料A、B的特性（NA、NB）为已知时，并使一端温度T0固定，则待测温度T是电动势E（T，T0）的单值函数。这给工程中用热电偶测量温度带来极大的方便。为了使热电偶冷端温度T0固定，通常采用一些措施对冷端进行补偿。常用的方法是将冷端置于冰内或恒温槽中，或采用补偿导线法将热电极冷端延伸，或通过补偿电桥法补偿冷端的温度变化。接触面上金属A的电子扩散到B，A失去电子带正电，B因获得电子带负电，在接触面上形成了静电场，这个静电场将阻止扩散过程的进行，当自由电子密度的不同引起的扩散能力与静电场的作用相互抵消时，达到了动平衡，在接触面上形成一个稳定的接触电位差。自由电子密度nA＞nB接触电势（珀耳贴电势）

不同导体自由电子的密度是不同的,当两种不同导体接触时,在接触面上将产生电子扩散,电子扩散的速率与自由电子的密度及接触区的温度成正比。同一种金属的温差电势（汤姆逊电势）

在同一导体中，存在温度梯度时，会产生温差电势。

▲两端的温度不一致时，高温端的自由电子具有的动能大，向低温端扩散，跑到低温端去堆积起来，在导体内形成一个静电场，阻止电子扩散，当两者的作用相互抵消时，在导体两端就形成一个稳定的电位差。2热电偶基本定律从式中可以得出热电偶的一些基本定律，即1.组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点的温度如何，回路总热电势为零；2.若热电偶两接点温度相等，即T=T0，回路总热电势仍为零；3.热电偶的热电势输出只与两接点温度及材料的性质有关，与材料A、B的中间各点的温度、形状及大小无关。4.在热电偶中插入第三种材料，只要插入材料两端的温度相同，对热电偶的总热电势没有影响。这一定律称之为中间导体定律。中间导体定律对热电偶测温具有特别重要的实际意义。因为利用热电偶来测量温度时，必须在热电偶回路中接入测量导线或测量仪表，也就是相当于接入第三种材料，如图所示。将热电偶的一个接点分开，接入第三种材料C。当三个接点的温度相同（T0）时，则不难证明

如果A、B接点的温度为T，其余接点的温度为T0，且T＞T0，则回路中的总热电势为各接点电势之和，即

由式得

因此

由上式可以看出，由导体A、B组成的热电偶，当插入第三种导体时，只要该导体两端的温度相同，插入导体C后对回路总的热电势无影响。将第三种导体C用测量仪表或连接导线代替，并保持两个接点的温度一致，这样就可以对热电势进行测量而不影响热电偶的热电势输出。

三种导体形成的回路

3常用热电偶（一）、热电偶的材料及种类

根据热电偶的原理，只要是两种不同金属材料都可以形成热电偶。但是为了保证工程技术中的可靠性以及足够的测量精度，一般说来，要求热电偶电极材料具有热电性质稳定、不易氧化或腐蚀、电阻温度系数小、电导率高、测温时能产生的较大热电势等要求，并且希望这个热电势随温度单值地线性或接近线性变化；同时还要求材料的复制性好、机械强度高、制造工艺简单、价格便宜、能制成标准分度。

应该指出，实际上没有一种材料能满足上述全部要求，因此在设计选用热电偶的电极材料时，要根据测温的具体条件来加以选择。

贵金属热电偶电极直径大多在0.13～0.65mm范围内，普通金属热电偶电极直径为0.5～3.2mm。热电极有正、负之分，在其技术指标中会有说明，使用时应注意到这一点。

目前，常用热电极材料分贵金属和普通金属两大类，贵金属热电极材料有铂铑合金和铂；普通金属热电极材料有铁、铜、康铜、考铜、镍铬合金、镍硅合金等，还有铱、钨、锌等耐高温材料，这些材料在国内外都已经标准化。不同的热电极材料的测量温度范围不同，一般可将热电偶用于0～1800℃范围的温度测量。适于制作热电偶的材料有300多种，其中广泛应用的有40～50种。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。

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。

国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分别是：铂铑10-铂(分度号为S)、铂铑13-铂(R)、铂铑30-铂铑6(B)、镍铬-镍硅(K)、镍铬-康铜(E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅(N)。下面简要介绍其中几种。

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。

铂铑10-铂热电偶由纯铂丝和直径相同的铂铑丝制成，分度号为S。铂铑丝为正极,

纯铂丝为负极。它的特点是热电性能好，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。长期适用的温度为1400℃，超过此温度时，即使在空气中纯铂丝也将再结晶而使晶粒增大。短期使用温度为1600℃。在所有的热电偶中，它的准确度等级最高,

通常用作标准或测量高温的热电偶，其使用温度范围广（0~1600℃），均质性及互换性好；其缺点是价格昂贵,热电势较小，需配灵敏度高的显示仪表。铜-康铜热电偶

纯铜为正极，康铜为负极，分度号为T。其特点是：在贱金属热电偶中准确度最高，热电丝均匀性好，使用温度范围为-200～

350℃。镍铬-镍硅(镍铝)热电偶镍铬为正极，镍硅为负极，分度号为K。其特点是：使用温度范围宽（-50~1300℃），高温下性能较稳定，热电动势和温度的关系近似线性，价格便宜，因此是目前用量最大的一种热电偶。它适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃。镍铬—康铜热电偶镍铬为正极，康铜为负极，分度号为E。它的最大特点是在常用热电偶中热电动势最大，即灵敏度最高，适宜在－250~870℃范围内的氧化性或惰性气氛中使用,尤其适宜在0℃以下使用。在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀。此外，还有非标准化热电偶，有钨铼系列（属难融金属），铂铑系列，铱铑系列，铂钼系列及非金属热电偶等。工业用热电偶测温范围被测对象的温度范围在-200—300℃时，可优选T型热电偶，因为它在贱金属热电偶中精度最高；或选E型热电偶，它是贱金属热电偶中热电势最大、灵敏度最高的热电偶。热电偶的选用除了考虑被测对象的温度范围外，还需考虑热电偶使用的环境：通常当上限温度＜1000℃，可优先选K型热电偶，其特点为使用温度范围宽(上限最高可达1300℃)、高温性能较稳定，价格较满足该温区的其它热电偶低；当上限温度＜1300℃，可选N型或K型。当测温范围为1000—1400℃时，可选S或R型热电偶；当测温范围为1400℃～1800℃时，应选B型热电偶；当测温上限大于1800℃，应考虑选用属非国际标准的钨铼系列热电偶(其最高上限温度可达2800℃，但超过2300℃其准确度要下降；要注意保护，因为钨极易氧化，必须用惰性或干燥氢气把热电偶与外界空气严格隔绝。在易氧化环境下，且被测温度上限小于1300℃，应优先选用抗氧化能力强的贱金属N型或K型；当测温上限高于1300℃，应选S、R或B型贵金属热电偶。在真空或还原性气环境下，当上限温度低于950℃时，应优先选用J型热电偶(它不仅可在还原气氛下工作，也可在氧化气氛中使用)，高于此限，或选钨铼系列热电偶，或非贵金属系列热电偶，或选采取特别的隔绝保护措施的其它标准热电偶。热接点的几种结构（二）、热电偶的结构

热电偶的测量端又称为热接点，可以有不同的结构形式，以适应于不同的温度测量环境。热接点从本质上说，都是将两种或两种以上的热电偶材料用各种方法可靠地连接在一起，通常可以采用铰接、焊接、镀层等方法实现。常用的结构形式如图所示。热电偶两热电极之间通常用耐高温材料绝缘。根据被测对象的不同，热电偶的结构形式是多种多样的。常见的结构形式有普通型热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶（片状、针状）等，如图所示。图几种热电偶的结构（a）普通热电偶结构；（b）铁－镊薄膜热电偶；（c）铠装热电偶工作端结构

4热电偶测温线路的基本组成:——————热电偶，补偿导线，连接导线和二次仪表组成。电压放大器或数据采集系统5热电偶的冷端温度补偿方法冰点槽法计算修正法补正系数法零点迁移法冷端补偿法原因热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据，否则会产生误差。参考端的形式和用途参考端形式用途冰点式常用的冰点瓶是在保温瓶内盛满冰水混合物用于校正标准热电偶等高精度温度测量电子式利用半导体制冷的原理,冷却密封的水槽,从而把参考端温度保持在0,体积小,操作简单用于热电温度计的温度测量恒温槽式利用温度调节器将温度恒定。如果它的温度不是0,要用其它温度计测出其温度并进行修正补偿式利用不平衡电桥进行补偿,又称补偿电桥法室温式(零点迁移法)无参考端恒定装置,或将参考端置于油中利用油的惰性使参考端温度保持一致及接近室温用于精度不太高的测量mVABA’B’TCC’仪表铜导线试管补偿导线热电偶冰点槽冰水溶液T01.冰点槽法把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。2参比端处理(计算修正法)__软件处理法

当热电偶的测量端和参比端温度分别为t、to，则热电动势

可变成

式中 -----测量端和参比端温度分别为t、to时的热电势； ----测量端和参比端温度分别为t1、to时的热电势；

-----测量端和参比端温度分别为t，t1时的热电势。［例］：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t1＝38℃；测得测量端和参比端间的热电动势E(t,38℃)＝29.90mV，试求实际炉温。由K型分度表查得E(38，0)＝1.53mV，由式可得到：

E(t，0)＝E(t,t1)+E(t1,0)＝29.90+1.53=31.43mV 再查K型分度表，由31.43mV查得到实际炉温755℃。上述例子，若参比端不作修正，则按所测测量端和参比端间的热电动势E(t,38℃)＝29.90mV查K型分度表得对应的炉温718℃，与实际炉温755℃相差37℃，由此产生的相对误差约为5%。由此可见，如果不考虑参比端温度修正、补偿有时将产生相当大的（温度）测量误差。使用补偿线法为使热电偶冷端温度保持不变，不受热源的影响，往往需要使冷端远离工作点，为了不使用过多的贵重的热电偶导线，往往采用价格低廉的导线来替代部分热电偶导线，如图。A’、B’这就是补偿线法。要求补偿导线的热电性质与所用热电偶相同或相近。3.冷端补偿法补偿导线的作用

用补偿导线把两个热电极延长到所需要的长度（即将热电偶的参比端延伸到远离热源或环境温度较恒定的地方），而又保持热电性质不变。根据中间导体定律，可以采用与热电偶的热电性能相似的材料作为补偿导线，连接在热电偶电极和冷端之间，不会影响测量结果。使用补偿导线的优点： ①改善热电偶测温线路的机械与物理性能，采用多股或小直径补偿导线可提高线路的挠性，接线方便，也可以调节线路的电阻或遮蔽外界干扰； ②降低测量线路的成本。当热电偶与仪表的距离很远时，可用贱金属补偿型补偿导线代替贵金属热电偶。需要说明的是：补偿导线在一定温度范围内，其热电性能与热电偶基本一致，且它的作用只是把热电偶的参比端移至离热源较远或环境温度恒定的地方，但不能消除参比端不为0℃的影响，所以，仍须将参比端的温度修正到0℃。补偿导线使用须注意事项如下：①各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用；连接时，切勿将补偿导线极性接反。②补偿导线与热电偶连接点的温度，不得超过规定的使用温度范围，通常接点温度在100℃以下，耐热用补偿导线可达200℃。③由于补偿导线与电极材料通常并不完全相同，因此两连接点温度必须相同，否则会产生附加电势、引入误差。④在需高精度测温场合，处理测量结果时应加上补偿导线的修正值，以保证测量精度。6热电偶的标定（非标准热电偶）

热电偶的标定就是将制成的热电偶进行分度，其方法是把热电偶的参考端恒定为0℃，改变热接点的温度，用适当精度的仪表测量出该热电偶所产生的热电势的数值，从而得到热电势与温度的关系，编制成表，以备查用。对于一些标准规格型号的热电偶，国家已有标准的分度表可供查用。当使用这几种热电偶时，只需定期地对所用的热电偶进行检验，检查它们在规定的温度下所产生的热电势值是否符合分度表所给的数值，给出实际偏差，以便测量时加以修正。热电偶的标定方法有许多种，国家已经编制了详细的检定规程，并且有专设的计量部门从事这方面的研究及服务。对于工程测试来说，除了可以将所用的热电偶达到计量部门去标定外，有时，还必须自己进行标定工作。较常用的标定方法是比较法。78564321稳压电源220V热电偶校验图1-调压变压器；2-管式电炉；3标准热电偶；4-被校热电偶；5-冰瓶(杜瓦瓶)；6-切换开关；7-测试仪表；8-试管300℃以下，采用恒温油浴，与标准水银温度计进行比较；300～1300℃，采用管式电炉，与标准铂铑—铂热电偶进行比较；

1300～2000℃，采用钼丝炉，与一等或二等光学高温计进行比较。

标定时，要有一个温度均匀，稳定，又可根据需要进行调节的热源。热源的种类视需要标定的温度范围而异。应把被标定的热电偶与作为标准用的热电偶的热接点置于炉内同一点上，以保证二者所处的温度相同。7热电偶的动态特性热电偶以及其他接触式测温传感器的动态响应本质上是一个瞬态传热的问题。

1．时间常数热电偶测温的数学模型可用下式表示：其中τ称为热电偶的时间常数。

式中c——热接点的比热(J／kg·K)；m——热接点的质量(kg)；h——表面传热系数(W／m2·K)；A——热接点的表面积(m2)。c·m项表示该热偶测量接点的热容量的大小，h·A项则表示向热电偶热接点传热的速率。从式可以找到减小热电偶常数的途径，即减小热接点的质量，加大换热表面积和加大表面传热系数。下面以阶跃变化的情况为例，讨论时间常数的物理意义。设热电偶从某一平衡温度Tl突然插入到温度为了T0的温度场中，热电偶所显示的温度值T将会发生变化。应用上式积分后可得到：当取t＝τ时得到根据上式，可以对时间常数做如下定义：如果热电偶原来的平衡温度为T1，突然插入到一个温度为T0的恒温介质中，时间常数τ就是环境温度T1与热电偶显示的温度T的差值（T-T1）减小到初始温度差（T0-T1）的63.2%所需的时间。

一个测温元件，热惯性越小，时间常数就越小。它在变化的温度介质中能较快地跟随介质温度的改变。因此，对于瞬态变化的温度进行测量时，应选用时间常数小的热电偶。时间常数的实验测定方法根据上式所得到时间常数的定义，可以用实验的方法测出热电偶的时间常数。

先使热电偶处于稳定的温度场T1中，达到热平衡，在某一瞬时略把它迅速地投入温度为T0的另一个稳定的温度场中，这一投掷动作应尽可能迅速，可以利用机械装置或电动机构来完成，以便造成一个接近于阶跃的温度变化，同时，用示波器记录变化曲线，在图中截取T-T1=0.632(T0-T1)，则了点所对应的t-t0即为该热电偶的时间常数τ。用这种方法可以对各种热电偶进行测量。8热电偶测温的误差分析l、热交换的误差这项误差的存在使得热电偶热端温度达不到被测温度，产主原因是由于热辐射损失和导热损失。2．热电偶的不均匀性引起的误差。3．分度误差。4．热电特性不同引起的误差。补偿导线和热电偶材料在100℃以下时因热电特性不同而产生的误差。5．冷端温度引起的误差。6．动态误差。被测对象温度的变化，测温系统不能立即指示出变化了的温度，因而引起起读数误差。7．绝缘不良引起的误差。由热电势损耗造成了误差。§7-4非接触式测温方法

——————辐射高温计任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐射。而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测物体或被测介质直接接触，所以其感温元件不需达到被测物体的温度，从而不会受被测物体的高温及介质腐蚀等影响；它可以测量高达摄氏几千度的高温。而感温元件不会破坏被测物体原来的温度场；可以方便地用于测量运动物体的温度是此类仪表的突出优点。一、概述物体受热以后，电子的运动动能增加。有一部分热能转变为辐射能，辐射能量的多少与物体的温度有关。设法对这一部分辐射能进行测量，就可以得知物体的温度。由于在温度较低时，物体的辐射能力很弱，而对微弱的辐射能进行精确的测量是很困难的。只有在高温情况(一般在800℃以上)，辐射能较强，才便于测量。所以这一类基于物体的热辐射作用来测量物体温度的仪表称为辐射高温计。

辐射高温计属于非接触式测温仪表，它的敏感元件不必像热电偶等接触式测温仪表那样置于被测介质之中，或被测物体表面上。因此，它不会破坏物体的温度场，测温上限不受敏感元件的限制。原则上，可以测任意高的温度。根据测量原理的差异，辐射高温计可以分成三类：

1．单色式：包括光学高温计，光电高温计；2．全辐射式；3．比色式。辐射高温计已经广泛用于工业生产中。在国防工业中，亦有广泛的用途，如测量爆轰温度，燃烧温度等。

本节将要介绍的内容包括：辐射高温计的理论基础；各类辐射高温计的工作原理及结构特点等。二、辐射高温计的理论基础

（一）、基本概念1．辐射能和热辐射能

受热物体将其接受的一部分热能转变为辐射能，以波的形式向外放出，包括X射线，紫外线，可见光，红外线和电磁波。这是按照波长范围来划分的。波长为0.4～40um的辐射能，包括可见光(0.4～0.8um)和红外线(0.8～40um)部分可以被其他物体吸收而转变成热能，这一部分称为热辐射能。非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。2．黑体、镜体、灰体和透明体一种物体若能把投射到它上面的热辐射能全部吸收，此物体称为黑体(或绝对黑体)。一种物体能把投射到它上面的热辐射能全部反射掉，一点也吸收，这种物体称为镜体(或绝对白体)。—种物体若能把投射到它上面的热辐射能吸收一部分，反射掉一部分，这种物体称为灰体，一般的固体和液体多属于灰体。一种物体若能使投射到它上面的热辐射能全部透过，既不吸收，也不反射，这种物体称为透明体(或绝对透明体)。清洁的空气是透明体。3．辐射能力、辐射强度和亮度物体在单位时间内从单位表面积上放出的辐射能称为辐射能力或辐射力，以E表示。假定物体表面积为F(m2)，每秒放出Q(J)的辐射能，则有：E＝Q