測溫儀表的基礎知識

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值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標和實用溫標。
華氏溫標（oF）規定：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℃。
熱力學溫標又稱開爾文溫標，或稱溫標，它規定分子運動停止時的溫度為零度，記符號為K。
實用溫標是一個協議性溫標，它與熱力學溫標相接近，而且復現精度高，使用方便。目前通用的溫標是1975年第15屆權度大會通過的《1968年實用溫標-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，計量委員會在18屆計量大會第七號決議*予1989年會議通過了1990年溫標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溫標。
1990年溫標（ITS-90）簡介如下。
1．溫度單位
熱力學溫度（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，因此現在仍保留這各方法。
根據定義，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。
溫標ITS-90同時定義開爾文溫度（符號為T90）和攝氏溫度（符號為t90）
2．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zui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*估計值，與直接測量熱力學溫度相比，T90的測量要方便得多，而且更為精密，并具有很高的復現性。
3． ITS-90的定義
*溫區為0.65K到5.00K之間, T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關系式來定義。
第二溫區為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.它使用一組規定的定義固定點及利用規定的內插法來分度.
銀凝固點（961.78℃）以上的溫區,T90是按普朗克輻射定律來定義的,復現儀器為光學高溫計.
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需要進行充分的熱交換，需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現象，同時受耐高溫材料的限制，不能應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，反應速度一般也比較快；但受到物體的發射率、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
熱電偶是工業上zui常用的溫度檢測元件之一。其優點是：
①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。
②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可邊續測量，某些特殊熱電偶zui低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），zui高可達+2800℃（如鎢-錸）。
③構造簡單，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體或半導體A和B焊接起來，構成一個閉合回路，如圖2-1-1所 示。當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產生電動勢,因而在 回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工 作的。
2．熱電偶的種類及結構形成
（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。所調用標準熱電偶是指國家 標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統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量級上均不及標準 化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，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標準生產，并S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。
（2）熱電偶的結構形式 為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對它的結構要求如下：
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很好地絕緣，以防短路；
③ 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④ 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。
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，為了節省熱電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷端（自由端）延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導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線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導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zui常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩定。其中鉑熱電阻的測量度是zui高的，它不僅廣泛應用于工業測溫，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，目前應用zui多的是鉑和銅，此外，現在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
2．熱電阻的結構
（1）精通型熱電阻 工業常用熱電阻感溫元件（電阻體）的結構及特點見表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，有關具體內容參見本篇第三章*節.
（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，zui小可達φmm。
與普通型熱電阻相比，它有下列優點：①體積小，內部無空氣隙，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，其結構如圖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構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發生的爆炸局限在接線盒內，生產現場不會引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla~B3c級區內具有爆炸危險場所的溫度測量。
3．熱電阻測溫系統的組成
熱電阻測溫系統一般由熱電阻、連接導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為了消除連接導線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。
（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，zui小可達φmm。
與普通型熱電阻相比，它有下列優點：①體積小，內部無空氣隙，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，其結構如圖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構的接線盒，把其外殼內部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響，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，若采用焊接修理，焊后要校驗合格后才能使用。