溫度測量儀表

各種溫度計(jì)產(chǎn)生的同時(shí)就規(guī)定了各自的分度方法，也就出現(xiàn)了各種溫標(biāo)，如原始的攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、氣體溫度計(jì)溫標(biāo)和鉑電阻溫標(biāo)等 。為了統(tǒng)一溫度的量值，以達(dá)到國際通用的目

的，國際權(quán)度局最早規(guī)定以玻璃水銀溫度計(jì)為基準(zhǔn)儀表，統(tǒng)一用攝氏溫標(biāo)。后經(jīng)數(shù)次改革，到1927年改用以熱力學(xué)溫度為基礎(chǔ)、以純物質(zhì)的相變點(diǎn)為定義固定點(diǎn)的國際溫標(biāo) ，以后又經(jīng)多次修改完善。

國際現(xiàn)代通用的溫標(biāo)是1967年第13次國際權(quán)度大會通過的 ，1968年國際實(shí)用溫標(biāo)。它以13個(gè)純物質(zhì)的相變點(diǎn)，如氫三相點(diǎn)，即氫的固、液、氣三態(tài)共存點(diǎn)(-259．34℃)；水三相點(diǎn)(0.01℃)和金凝固點(diǎn)(1064.43℃)等，作為定義固定點(diǎn)來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫度的。

中間插值在-259.34～630.74℃之間 ，用基準(zhǔn)鉑電阻；在630.74～1064.43℃之間，用基準(zhǔn)鉑銠-鉑熱電偶；在1064.43℃以上用普朗克公式復(fù)現(xiàn)。

熱力學(xué)溫度（符號為T）是基本功手物理量，它的單位為開爾文（符號為K），定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16。由于以前的溫標(biāo)定義中，使用了與273.15K（冰點(diǎn)）的差值來表示溫度，因此現(xiàn)在仍保留這各方法。

根據(jù)定義，攝氏度的大小等于開爾文，溫差亦可以用攝氏度或開爾文來表示。

國際溫標(biāo)ITS-90同時(shí)定義國際開爾文溫度（符號為T90）和國際攝氏溫度（符號為t90）。

國際溫標(biāo)ITS-90的通則：ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實(shí)際可測量的最高溫度。ITS-90是這樣制訂的，即在全量程中，任何溫度的T90值非常接近于溫標(biāo)采納時(shí)T的最佳估計(jì)值，與直接測量熱力學(xué)溫度相比，T90的測量要方便得多，而且更為精密，并具有很高的復(fù)現(xiàn)性。

ITS-90的定義：第一溫區(qū)為0.65K到5.00K之間, T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義。第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(diǎn)（24.5661K）之間T90是用氦氣體溫度計(jì)來定義.。第三溫區(qū)為平衡氫三相點(diǎn)（13.8033K）到銀的凝固點(diǎn)（961.78℃）之間,T90是由鉑電阻溫度計(jì)來定義.它使用一組規(guī)定的定義固定點(diǎn)及利用規(guī)定的內(nèi)插法來分度.。

銀凝固點(diǎn)（961.78℃）以上的溫區(qū),T90是按普朗克輻射定律來定義的,復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì).

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國際實(shí)用溫標(biāo)。

華氏溫標(biāo)（oF）規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，中間劃分180等分，每第分為報(bào)氏1度，符號為oF。

攝氏溫度（℃）規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分100等分，每第分為報(bào)氏1度，符號為℃。

熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開爾文溫標(biāo)，或稱絕對溫標(biāo)，它規(guī)定分子運(yùn)動停止時(shí)的溫度為絕對零度，記符號為K。

國際實(shí)用溫標(biāo)是一個(gè)國際協(xié)議性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便。目前國際通用的溫標(biāo)是國際溫標(biāo)ITS-90。

最早的溫度測量儀表，是意大利人伽利略于1592年創(chuàng)造的。它是一個(gè)帶細(xì)長頸的大玻璃泡，倒置在一個(gè)盛有葡萄酒的容器中，從其中抽出一部分空氣，酒面就上升到細(xì)頸內(nèi)。當(dāng)外界溫度改變時(shí)，細(xì)頸內(nèi)的酒面因玻璃泡內(nèi)的空氣熱脹冷縮而隨之升降，因而酒面的高低就可以表示溫度的高低，實(shí)際上這是一個(gè)沒有刻度的指示器。

1709年，德國的華倫海特于荷蘭首次創(chuàng)立溫標(biāo)，隨后他又經(jīng)過多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰點(diǎn)為32度、沸點(diǎn)為212度、中間分為180度的水銀溫度計(jì)，即至今仍沿用的華氏溫 度計(jì)。

1742年，瑞典的攝爾西烏斯制成另一種水銀溫度計(jì)，它以水的冰點(diǎn)為0度、沸點(diǎn)作為 100度。到1745年，瑞典的林奈將這兩個(gè)固定點(diǎn)顛倒過來，這種溫度計(jì)就是至今仍沿用的攝氏溫度計(jì)。

早在1735年，就有人嘗試?yán)媒饘侔羰軣崤蛎浀脑?，制造溫度?jì)，到18世紀(jì)末，出現(xiàn)了雙金屬溫度計(jì)；1802年，查理斯定律確立之后，氣體溫度計(jì)也隨之得到改進(jìn)和發(fā)展，其精確度和測溫范圍都超過了水銀溫度計(jì)。

1821年，德國的塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)；同年，英國的戴維發(fā)現(xiàn)金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律，這以后就出現(xiàn)了熱電偶溫度計(jì)和熱電阻溫度計(jì)。1876年，德國的西門子制造出第一支鉑電阻溫度計(jì)。

很早以前，人們在燒窯和冶鍛時(shí)，通常是憑借火焰和被加熱物體的顏色來判斷溫度的高低。據(jù)記載，1780年韋奇伍德根據(jù)瓷珠在高溫下顏色的變化，來識別燒制陶瓷的溫度，后來又有人根據(jù)陶土制的熔錐在高溫下彎曲變形的程度，來識別溫度。

輻射溫度計(jì)和光學(xué)高溫計(jì)是20世紀(jì)初，維思定律和普朗克定律出現(xiàn)以后，才真正得到實(shí)用。從60年代開始，由于紅外技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用各種新型光敏或熱敏檢測元件的輻射溫度計(jì)(包括紅外輻射溫度計(jì))，從而擴(kuò)大了它的應(yīng)用領(lǐng)域。

一般的溫度測量儀表都有檢測和顯示兩個(gè)部分。在簡單的溫度測量儀表中，這兩部分是連成一體的，如水銀溫度計(jì)；在較復(fù)雜的儀表中則分成兩個(gè)獨(dú)立的部分，中間 用導(dǎo)線聯(lián)接，如熱電偶或熱電阻是檢測部分，而與之相配的指示和記錄儀表是顯示部分。

按測量方式，溫度測量儀表可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式溫度測量儀表測量時(shí)，其檢測部分直接與被測介質(zhì)相接觸的為接觸式溫度測量儀表；非接觸溫度測量儀表在測量時(shí)，溫度測量儀表的檢測部分不必與被測介質(zhì)直接接觸，因此可測運(yùn)動物體的溫度。例如常用的光學(xué)高溫計(jì)、輻射溫度計(jì)和比色溫度計(jì)，都是利用物體發(fā)射的熱輻射能隨溫度變化的原理制成的輻射式溫度計(jì)。

熱電阻溫度計(jì)的原理是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化這一特性。熱電阻溫度計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)有：測量精度高，復(fù)現(xiàn)性好；有較大的測量范圍，尤其是在低溫方面；易于使用在自動測量中，也便于遠(yuǎn)距離測量。同樣，熱電阻也有缺陷，在高溫（大于850℃）測量中準(zhǔn)確性不好；易于氧化和不耐腐蝕。

熱電阻與溫度的關(guān)系，可以用一個(gè)二次方程描述：電阻率（Ω·㎝），溫度（℃ ），常量a、b、c（由試驗(yàn)確定，單位分別為Ω·㎝，Ω·㎝·℃－1，Ω·㎝·℃－2 ）。

目前，用于熱電阻的材料主要有鉑、銅、鎳等，采用這些材料主要是它們在常用溫度段的溫度與電阻的比值是線性關(guān)系，我們這里主要介紹鉑電阻溫度計(jì)。

鉑是一種貴金屬，它的物理化學(xué)性能很穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，它易于提純，有良好的工藝性，可以制成極細(xì)的鉑絲，與銅，鎳等金屬相比，有較高的電阻率，復(fù)現(xiàn)性高，是一種比較理想的熱電阻材料，缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)較小，在還原介質(zhì)中工作易變脆，價(jià)格也較貴。鉑的純度通常用百度電阻比來表示： W(100)=R100/R0

其中：R100 ：100℃時(shí)的電阻值 R0 ：0℃時(shí)的電阻值

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，采用W(100)=1.3850 初始電阻值為R0=100Ω（R0=10Ω）的鉑電阻為工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，R0=10Ω的鉑電阻溫度計(jì)的阻絲較粗，主要應(yīng)用于測量600℃以上的溫度。鉑電阻的電阻與溫度方程為一分段方程：Rt=R0[1+At+Bt2＋C(t－100℃)t3] t 在－200～0℃ ，Rt=R0(1+At+Bt2) t 在0～850℃ ，解此方程，則可根據(jù)電阻值知道溫度值，但實(shí)際工作中，我們可以查熱電阻分度表來根據(jù)電阻值確定溫度值。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鉑熱電阻分為A級和B級，A級測溫允許誤差±（0.15℃＋0.002|t|）, B級測溫允許誤差±（0.3℃＋0.005|t|）

現(xiàn)場使用的熱電阻一般都是鎧裝熱電阻，它是由熱電阻體、絕緣材料、保護(hù)管組成，熱電阻體和保護(hù)管焊接一起，中間填充絕緣材料，這樣能夠很好的保護(hù)熱電阻體，耐沖擊，耐震，耐腐蝕。

鉑熱電阻有兩線制，三線制，四線制幾種，兩線制在測量中誤差較大，已不使用，現(xiàn)在工業(yè)用一般是三線制的，實(shí)驗(yàn)室用一般為四線制。這里主要介紹下三線制鉑熱電阻的接線。三線制鉑熱電阻是在電阻的a端并聯(lián)一個(gè)c端，從而實(shí)現(xiàn)電阻引出a，b，c三個(gè)接線端子，這樣，由b導(dǎo)線引入的測量導(dǎo)線本身的電阻，可以由c導(dǎo)線來補(bǔ)償，使引線電阻不隨溫度變化而引入的引線電阻誤差的影響減小很多。在秦山二期使用的三線制鉑熱電阻，在二次儀表中，均有可變阻值的電橋，根據(jù)所配合的鉑熱電阻的量程不同，可以對二次儀表的電橋中的鉑熱電阻進(jìn)行微調(diào)，能進(jìn)行更精確的測量。

熱電偶溫度計(jì)是利用熱電效應(yīng)來測量溫度的，熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體組成一個(gè)回路時(shí)，如果兩端結(jié)點(diǎn)溫度不同，則回路中就將產(chǎn)生一定大小的電流，這個(gè)電流的大小與導(dǎo)體材料以及結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。兩個(gè)結(jié)點(diǎn)一個(gè)為T端，測量端，一個(gè)為T0端，參比端。在實(shí)際測量中，熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號要用較精密的毫伏表或I/O卡件測量。

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，目前使用的熱電偶主要有鉑銠10－鉑 ，鎳鉻－鎳硅，鎳鉻－銅鎳，鉑銠30－鉑銠6，等幾種熱電偶，他們都具有熱電性能穩(wěn)定，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易被氧化和腐蝕，電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高，材料的熱電動勢隨溫度為線性變化，材料工藝性好，易加工等特點(diǎn)。目前秦山二期使用的是鉑銠10－鉑，鎳鉻－鎳硅兩種熱電偶，現(xiàn)在熱電偶均為鎧裝熱電偶，結(jié)構(gòu)與鎧裝熱電阻雷同，也是由熱電偶體，絕緣材料，保護(hù)管構(gòu)成。

熱電偶在應(yīng)用中，主要有兩個(gè)基本定律：中間導(dǎo)體定律和中間溫度定律。

中間導(dǎo)體定律：將A,B材料構(gòu)成的熱電偶的T0端拆開，引入第三種導(dǎo)體C，那么回路種的總電動勢為EABC(T,T0)=EAB(T)－EAB(T0),即第三種導(dǎo)體兩端溫度相同時(shí)，不對原先的熱電偶的電動勢造成影響。

中間溫度定律：在熱電偶回路種，兩結(jié)點(diǎn)溫度為T,T0時(shí)的熱電動勢，等于該熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T,Ta和Ta,T0時(shí)熱電動勢的代數(shù)和。EAB(T,T0)=EAB(T, Ta)－EAB(Ta,T0) 。

利用熱電偶的中間導(dǎo)體定律和中間溫度定律，我們可以將熱電偶T0端拆開，接入測量用毫伏表，并可在遠(yuǎn)處測量。為了將熱電偶的參比端引到恒定溫度T0處或者補(bǔ)償器中，需要延長熱電偶，為了節(jié)約貴重金屬或臨時(shí)延長，我們常用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行延長。補(bǔ)償導(dǎo)線就是用熱電性質(zhì)與工作熱電偶相近的材料制成導(dǎo)線，用它將熱電偶的參比端延長到所需要的地方，而且不會對工作熱電偶回路引入超出允許的誤差。

熱電偶的參比端處理：熱電偶輸出的電動勢是熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度的函數(shù)差，為了保持溫度與電動勢的線性，必須使一個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度保持恒定，標(biāo)準(zhǔn)分度表就是根據(jù)參比端為0℃時(shí)電動勢與溫度的對應(yīng)值，在實(shí)際應(yīng)用中，參比端不會保持0℃，所以我們采用一些方法來補(bǔ)償，我們會盡量將參比端保持在一個(gè)恒定溫度Ta，查標(biāo)準(zhǔn)分度表后再經(jīng)過計(jì)算可以得到溫度值, E (T,T0)=E (T, Ta)+E(Ta,T0)，現(xiàn)在二次儀表有可以對參比端溫度進(jìn)行自動補(bǔ)償?shù)?，有電位自動補(bǔ)償法和電橋自動補(bǔ)償法。

膨脹式溫度計(jì)是利用物體受熱膨脹這一原理進(jìn)行測量的。最常見的就是酒精溫度計(jì)，水銀溫度計(jì)，這種液體膨脹式的溫度計(jì)的測量上下限受液體汽化和凝固溫度的限制，最小分度可以到0.1℃。還有利用固體膨脹來測量溫度的溫度計(jì)，常見的是雙金屬溫度計(jì)，由兩種膨脹系數(shù)不同的金屬作成螺旋型，一端固定，在受熱膨脹時(shí)，由于膨脹系數(shù)的不同，自由端會有一定的角位移，這個(gè)角位移經(jīng)過傳動放大機(jī)構(gòu)，帶動指針把相應(yīng)溫度指示出來。還有一種時(shí)利用密封容器中液體受熱膨脹或汽化引起的壓力變化來測量相應(yīng)溫度。

任何物體受熱后都將有一部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠埽矬w的溫度越高，則輻射到周圍空間的能量就越多，輻射能以波動形式表現(xiàn)出來，其波長范圍極廣，由短波開始，有X光，紫外線，可見光，紅外線一直到電磁波。一般工程測溫用主要時(shí)可見光和紅外線。輻射測溫屬于非接觸式測溫，能應(yīng)用到許多不好測溫的場合，但輻射測溫一般應(yīng)用在900℃以上的高溫，不過科技在發(fā)展，目前應(yīng)用紅外測溫原理的溫度計(jì)已能測量低溫如人體溫度。 ? ?