温度检测与仪表

吴浩先生

3 x" } K0 K2 W 一、温度测量的基本概念 　温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。 　华氏温标（oF）规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每第分为报氏1度，符号为oF。 % v! v6 r6 H8 l2 k: r　摄氏温度（℃）规定：在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每第分为报氏1度，符号为℃。 　热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。 O0 ~9 T$ w; M6 Z. g国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。目前国际通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的《1968年国际实用温标-1975年修订版》，记为：IPTS-68（Rev-75）。但由于IPTS-68温示存在一定的不足，国际计量委员会在18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过了1990年国际温标ITS-90，ITS-90温标替代IPTS-68。我国自1994年1月1日起全面实施ITS-90国际温标。 1 Z) X: G1 P- o% y; Q2 c　1990年国际温标（ITS-90）简介如下。 1．温度单位 热力学温度（符号为T）是基本功手物理量，它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。由于以前的温标定义中，使用了与273.15K（冰点）的差值来表示温度，因此现在仍保留这各方法。 根据定义，摄氏度的大小等于开尔文，温差亦可以用摄氏度或开尔文来表示。 2 X$ k5 a. q8 |4 l8 h国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度(符号为T90)和国际摄氏温度(符号为t90) & s% B( c& p# k2．国际温标ITS-90的通则 6 k% @& @5 b+ C, y! Z7 qITS-90由0.65K向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。ITS-90是这样制订的，即在全量程中，任何温度的T90值非常接近于温标采纳时T的最佳估计值，与直接测量热力学温度相比，T90的测量要方便得多，而且更为精密，并具有很高的复现性。 3． ITS-90的定义 $ _ l* ?. n3 H) e" X% ?: G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。 $ I; C3 `) z$ @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. ! x% R3 E" R$ I E第二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. # y6 }6 D9 P2 W" h2 X2 l7 b: O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. 0 }) W8 Q% X- D, s [9 |; p

二、温度测量仪表的分类 * h/ t/ \# a4 u- C! P9 ?2 [　温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交金刚，帮需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。

7 ~2 e7 _" o3 T, G' i a

三、热电偶 / l+ A6 q f9 E/ L$ i& u　热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： ' c- t9 q/ Y$ S5 k( O8 C0 N/ N①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。 " C( H/ V5 y$ |% b N- B0 A2 |3 o②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，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。 $ ~% ~, K+ Z7 d1．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，如图2-1-1所 ( u2 E! d* J5 g& L! O$ H* H# ]# G示。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在 5 ~ d. d) _. `2 P5 s5 i6 ~4 m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。 6 W+ G2 d- U, y' `- ~2．热电偶的种类及结构形成 - c% f% f9 Q" N( _（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 4 y. I/ {# _, F# u, [, S" U6 {' V/ o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。 ( I& [" X. _8 D6 q(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： ① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固； ) J# U' F8 ~7 P n② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路； ③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠； 0 x8 K) b" X3 g1 q' Q④ 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 0 T7 Z6 b7 P* a8 @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t0≠0℃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℃。

四、热电阻 　　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 $ d; _. E9 `9 Y- b; U/ `1 U　　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。 2 S9 _5 X/ n/ J8 H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．热电阻的结构 $ e: ]+ h5 d. P: `- A& f（1）精通型热电阻 工业常用热电阻感温元件（电阻体）的结构及特点见表2-1-11。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，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。 6 o7 V: ^5 N+ ~9 T: ~与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④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，其结构如图2-1-8所示。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。 . @2 v3 u: a4 |6 p: _/ Y（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Bla~B3c级区内具有爆炸危险场所的温度测量。 3．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： " n8 X8 G6 j! p X0 X: J①热电阻和显示仪表的分度号必须一致 ' |% i2 m9 A% I②为了消除连接导线电阻变化的影响，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，如图2-1-7所示，它的外径一般为φ2~φ8mm，最小可达φmm。 与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击；③能弯曲，便于安装④使用寿命长。 4 |/ _% E' j* t' O/ O/ H d（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，其结构如图2-1-8所示。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。 8 A* @' _3 Z4 C1 M6 ^8 h（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 5 E! ~* Q: ?/ P　　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。　 . ]3 ?5 U: k3 k6 t# i