溫度測(cè)量?jī)x表的基本原理

　　溫度是表征物體冷熱程度的參數(shù)，它不能象質(zhì)量，長(zhǎng)度那樣用直接比較的方法來獲得量值，我們只能用物質(zhì)的與溫度有關(guān)的其它物理性質(zhì)來測(cè)量它，如物體的體積，密度，粘度，硬度，電導(dǎo)率等。

　　1.1.1熱電阻溫度儀表

　　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(cè)量精度高，復(fù)現(xiàn)性好;有較大的測(cè)量范圍，尤其是在低溫方面;易于使用在自動(dòng)測(cè)量中，也便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。同樣，熱電阻也有缺陷，在高溫(大于850℃)測(cè)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：

　?。弘娮杪剩?Omega;·㎝ t：溫度，℃

　　a，b，c：常量(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?cè)诔Ｓ脺囟榷蔚臏囟扰c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

　　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(cè)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(jí)和B級(jí)，A級(jí)測(cè)溫允許誤差±(0.15℃+0.002|t|), B級(jí)測(cè)溫允許誤差±(0.3℃+0.005|t|)

　　現(xiàn)場(chǎng)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。如右圖1所示。

　　鉑熱電阻有兩線制，三線制，四線制幾種，兩線制在測(cè)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。如下圖2所示，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(cè)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(duì)二次儀表的電橋中的鉑熱電阻進(jìn)行微調(diào)，能進(jìn)行更**的測(cè)量。

　　a

　　b

　　c

　　MV

　　1.2 熱電偶溫度儀表

　　熱電偶溫度計(jì)是利用熱電效應(yīng)來測(cè)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(cè)量端，一個(gè)為T0端，參比端，如右圖3所示。在實(shí)際測(cè)量中，熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號(hào)要用較精密的毫伏表或I/O卡件測(cè)量。

　　T

　　T0

　　B材料

　　A材料

　　T0

　　C材料

　　T

　　T0

　　B材料

　　A材料

　　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(dòng)勢(shì)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。

　　T

　　T0

　　B材料

　　A材料

　　Ta

　　中間溫度定律

　　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：如右圖4所示，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(dòng)勢(shì)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(duì)原先的熱電偶的電動(dòng)勢(shì)造成影響

　　熱電偶測(cè)量

　　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(dòng)勢(shì)，等于該熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T,Ta和Ta,T0時(shí)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。EAB(T,T0)=EAB(T, Ta)-EAB(Ta,T0)

　　T

　　T0

　　T0

　　C材料

　　MV

　　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(cè)量用毫伏表，并可在遠(yuǎn)處測(cè)量。如圖6。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(zhǎng)熱電偶，為了節(jié)約貴重金屬或臨時(shí)延長(zhǎng)，我們常用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行延長(zhǎng)。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(zhǎng)到所需要的地方，而且不會(huì)對(duì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)值，在實(shí)際應(yīng)用中，參比端不會(huì)保持0℃，所以我們采用一些方法來補(bǔ)償，我們會(huì)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(duì)參比端溫度進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?，有電位自?dòng)補(bǔ)償法和電橋自動(dòng)補(bǔ)償法。

　　1.1.3膨脹式溫度儀表

　　膨脹式溫度計(jì)是利用物體受熱膨脹這一原理進(jìn)行測(cè)量的。*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(cè)量上下限受液體汽化和凝固溫度的限制，*小分度可以到0.1℃。還有利用固體膨脹來測(cè)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(huì)有一定的角位移，這個(gè)角位移經(jīng)過傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)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(cè)量相應(yīng)溫度。

　　1.1.4輻射式溫度儀表

　　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(dòng)形式表現(xiàn)出來，其波長(zhǎng)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(cè)溫用主要時(shí)可見光和紅外線。輻射測(cè)溫屬于非接觸式測(cè)溫，能應(yīng)用到許多不好測(cè)溫的場(chǎng)合，但輻射測(cè)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(cè)溫原理的溫度計(jì)已能測(cè)量低溫如人體溫度。