溫度檢測與儀表

一、溫度測量的基本概念
　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)值的標尺叫溫標。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學(xué)溫標和國際實用溫標。
　華氏溫標（oF）規(guī)定：在標準大氣壓下，冰的熔點為32度，水的沸點為212度，中間劃分180等分，每第分為報氏1度，符號為oF。
　攝氏溫度（℃）規(guī)定：在標準大氣壓下，冰的熔點為0度，水的沸點為100度，中間劃分100等分，每第分為報氏1度，符號為℃。
　熱力學(xué)溫標又稱開爾文溫標，或稱絕對溫標，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度，記符號為K。
國際實用溫標是一個國際協(xié)議性溫標，它與熱力學(xué)溫標相接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便。目前國際通用的溫標是1975年第15屆國際權(quán)度大會通過的《1968年國際實用溫標-1975年修訂版》，記為：IPTS-68（Rev-75）。但由于IPTS-68溫示存在一定的不足，國際計量委員會在18屆國際計量大會第七號決議授權(quán)予1989年會議通過了1990年國際溫標ITS-90，ITS-90溫標替代IPTS-68。我國自1994年1月1日起全面實施ITS-90國際溫標。
　1990年國際溫標（ITS-90）簡介如下。
1．溫度單位
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），定義為水三相點的熱力學(xué)溫度的1/273.16。由于以前的溫標定義中，使用了與273.15K（冰點）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ITS-90同時定義國際開爾文溫度(符號為T90)和國際攝氏溫度(符號為t90)
2．國際溫標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值非常接近于溫標采納時T的最佳估計值，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。
3． 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(24.5661K)之間T90是用氦氣體溫度計來定義.
第二溫區(qū)為平衡氫三相點(13.8033K)到銀的凝固點(961.78℃)之間,T90是由鉑電阻溫度計來定義.它使用一組規(guī)定的定義固定點及利用規(guī)定的內(nèi)插法來分度.
銀凝固點(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. 


二、溫度測量儀表的分類
　溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來說接觸式測溫儀表測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(zhì)需要進行充分的熱交金剛，幫需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象，同時受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大。


三、熱電偶
　熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：
①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。
③構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。 
1．熱電偶測溫基本原理 
將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，如圖2-1-1所 
示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢,因而在 
回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工 
作的。 
2．熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成 
（1）熱電偶的種類 
常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家 
標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它 
有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準 
化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。 
標準化熱電偶 我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。 
(2)熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下： 
① 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固； 
② 兩個熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路； 
③ 補償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠； 
④ 保護套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。 
3．熱電偶冷端的溫度補償 
由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴 金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補償導(dǎo)線把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到 儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。 
在使用熱電偶補償導(dǎo)線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃。 

四、熱電阻
　　熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱是阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀。
1．熱電阻測溫原理及材料
　　熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。
熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
2．熱電阻的結(jié)構(gòu)
（1）精通型熱電阻 工業(yè)常用熱電阻感溫元件（電阻體）的結(jié)構(gòu)及特點見表2-1-11。從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響同般采用三線制或四線制，有關(guān)具體內(nèi)容參見本篇第三章第一節(jié).
（2）鎧裝熱電阻 鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，如圖2-1-7所示，它的外徑一般為φ2~φ8mm，最小可達φmm。
與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：①體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后��；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。
（3）端面熱電阻 端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面，其結(jié)構(gòu)如圖2-1-8所示。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。
（4）隔爆型熱電阻 隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla~B3c級區(qū)內(nèi)具有爆炸危險場所的溫度測量。
3．熱電阻測溫系統(tǒng)的組成
　熱電阻測溫系統(tǒng)一般由熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意以下兩點：
①熱電阻和顯示儀表的分度號必須一致
②為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。具體內(nèi)容參見本篇第三章。
（2）鎧裝熱電阻 鎧裝熱電阻是由感溫元件（電阻體）、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅實體，如圖2-1-7所示，它的外徑一般為φ2~φ8mm，最小可達φmm。
與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點：①體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小；②機械性能好、耐振，抗沖擊；③能彎曲，便于安裝④使用壽命長。
（3）端面熱電阻 端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計端面，其結(jié)構(gòu)如圖2-1-8所示。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實際溫度，適用于測量軸瓦和其他機件的端面溫度。
（4）隔爆型熱電阻 隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影
　　電阻體的斷路修理必然要改變電阻絲的長短而影響電阻值，為此更換新的電阻體為好，若采用焊接修理，焊后要校驗合格后才能使用。