-
-
手机阅读
第一节 温度检测与仪表
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。
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℃。
摄氏温度值t和华低温度值tF有如下关系：
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。
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。
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。用这种方法表示的热力学温度称为摄氏温度，答号为t，定义为：
式中：t/℃--分子为摄氏温度，分母为摄氏温度的单位；
T/K—分子为开尔文温度，分母为开尔文温度的单位。
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。
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）。T90和t90之间的关系与T和t一样，即：
它们的单位及符号热力学温度T和摄氏温度t一样。
2． 国际温标ITS—90的通则
ITS—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
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.
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.
ITS—90的定义固定点共17个,列于表
表
序号 | 国际实用温标规定值 | 物质 | 状态 | |
T90/K | t90/℃ | |||
1 | 3～5 | -270.15~-268.15 | He | 蒸气压点(V) |
2 | 13.8033 | -259.3467 | e-H2 | 三相点(T) |
3 | ～17 | ~-256.15 | e-H2 或(He) | 蒸气压点(V)(或气体温度计)(G) |
4 | ～20.3 | ~-252.85 | e-H2 或(He) | 蒸气压点(V)(或气体温度计)(G) |
5 | 24.5561 | ~248.5939 | Ne | 三相点(T) |
6 | 54.3584 | ~-218.7916 | O2 | 三相点(T) |
7 | 83.8058 | -189.3442 | Ar | 三相点(T) |
8 | 234.3158 | -38.8344 | Hg | 三相点(T) |
9 | 273.16 | 0.01 | H2O | 三相点(T) |
10 | 302.9146 | 29.7646 | Ga | 熔点(M) |
11 | 429.7485 | 156.5985 | In | 凝固定(F) |
12 | 505.078 | 231.928 | Sn | 凝固定(F) |
13 | 692.677 | 419.527 | Zn | 凝固定(F) |
14 | 933.473 | 660.323 | Al | 凝固定(F) |
15 | 1234.93 | 961.78 | Ag | 凝固定(F) |
16 | 1337.33 | 1064.18 | Au | 凝固定(F) |
17 | 1357.77 | 1084.62 | Cu | 凝固定(F) |
注:1.除3He外,其他物质均为自然同位素成分, e-H2为正、促分子态处于平衡浓度的氢。
2．对于这些不同状态的定义，以及关复现这些不同状态的建议，可参“ITS—90补充资料”。
表中各符号的含义为：V—蒸气压点；T—三相点，在此温度下，固、液和蒸气相呈平衡；C—气体温度计；M、F—熔点和凝固点，在101325Pa压力下，固、液相的平衡温度。
二、温度测量仪表的分类
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。
工业上常用的温度检测仪表的分类如表
表
测温 方式 | 温度计种类 | 常用测温范围，℃ | 优点 | 缺点 | |
非接触式测温仪表 | 辐射式 | 辐射式 | 400~2000 | 测温时，不破坏被测温度场 | 低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度 |
光学式 | 700~3200 | ||||
比色式 | 900~1700 | ||||
红外线 | 热敏探测 | -50~3200 | 测温时，不能破坏被测温度场，响应快，测温范围大，适于测温度分布 | 易受外界干扰，标定困难 | |
光电探测 | 0~3500 | ||||
热电探测 | 200~2000 | ||||
接触式测温仪表 | 膨胀式 | 玻璃液体 | -50~600 | 结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉 | 测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录和远传 |
双金属 | -80~600 | 结构紧凑，牢固可靠 | 精度低，量程和使用范围有限 | ||
压力式 | 液体 | -30~600 | 耐震，坚固，防爆，价格低廉 | 精度低，测温距离短，滞后大 | |
气体 | -20~350 | ||||
蒸汽 | 0~250 | ||||
热电偶 | 铂铑-铂 | 0~1600 | 测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制 | 需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低 | |
镍铬-镍铝 | 0~900 | ||||
镍铬-考铜 | 0~600 | ||||
热电阻 | 铂 | -200~500 | 测温精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制 | 不能测高温,须注意环境温度的影响 | |
铜 | -50~150 | ||||
热敏 | -50~300 | ||||
表
表
仪表名称 | 精度等级 | 分度值,℃ | 仪表名称 | 精度等级 | 分度值,℃ |
双金属温度计 | 1,1.5,2.5 | 0.5~20 | 光学高温计 | 1~1.5 | 5~20 |
压力式温度计 | 1,1.5,2.5 | 0.5~20 | 辐射温度计（热电堆） | 1.5 | 5~20 |
玻璃液体温度计 | 0.5~2.5 | 0.1~10 | 部分辐射温度计 | 1~1.5 | 1~20 |
热电阻 | 0.5~3 | 1~10 | 比色温度计 | 1~1.5 | 1~20 |
热电偶 | 0.5~1 | 5~20 |
三、热电偶
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，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。
A B t t.0 图
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
如图
称为自由端，放在温度为t0的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随
之发生变化，将热电势送入显示仪表进行指示或记录，或送入微机进行处理，即可获得温度值。
热电偶两端的热电势差可以用下式表示：
式中：Et—热电偶的热电势；
eAB(t)—温度为t时工作端的热电势；
eAB(t0)—温度为t0时自由端的热电势
当自由端温度t0恒定时，热电势只与工作端的温度有关，即Et=f(t)。
当组成热电偶的热电极的材料均匀时，其热电势的大小与热电极本身的长度和直径大小无关，只与热电极材料的成分及两端的温度有关，因此，用各种不同的导体或半导体材料可做成各种用途的热电偶，以满足不同温度对象测量的需要。