温度计量基础知识

温度计量基础知识计量所温度度室2011.02.11目录温度计量基础温度量温度测量原理温度测量方法常见的温度测量仪器常见的温度传感器测量装置测控装置常见的温度传感器的检定热电阻热电偶压力、双金属、半导体温度传感器总结温度，热力学温标•温度（temperature）是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。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(°F)、摄氏温标（°C）、热力学温标(K)和国际实用温标。从分子运动论观点看，温度是物体分子平均平动动能的标志。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。经典热力学中的温度没有最高温度的概念•只有理论最低温度“绝对零度”。热力学第三定律指出，“绝对零度”是无法通过有限次步骤达到的。在统计热力学中，温度被赋予了新的物理概念——描述体系内能随体系混乱度（即熵）变化率的强度性质热力学量。•绝对温标的开始，是温度的最低极限，相当于-273.15℃，当达到这一温度时所有的原子和分子热运动都将停止。目前，利用原子核的绝热去磁方法，我们已经得到了距绝对零度只差三千万分之一度的低温，但仍不可能得到绝对零度。•人类所能产生的最高温是510,000,000℃约比太阳的中心热30倍，该温度是美国新泽西的普林斯顿等离子物理实验室中的托卡马克核聚变反应堆利用氘和氚的等离子混合体于1994年5月27日创造出来的。零定律与温度热力学第零定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。这一结论称做“热力学第零定律”。热力学第零定律的重要性在于它给出了温度的定义和温度的测量方法。定律中所说的热力学系统是指由大量分子、原子组成的物体或物体系。它为建立温度概念提供了实验基础。摄氏温标与华氏温标华氏度(Fahrenheit)和摄氏度(Centigrade)都是用来计量温度的单位。包括我国在内的世界上很多国家都使用摄氏度，美国和其他一些英语国家使用华氏度。开尔文单位以绝对零度作为计算起点的温度。即将水三相点的温度准确定义为273.16K后所得到的温度,过去也曾称为绝对温度。开尔文温度常用符号表示;其单位为开尔文，定义为水三相点温度的1/273.16,常用符号K表示。华氏度它是以其发明者GabrielD.Fahrenheir(1681-1736)命名的，其结冰点是32°F,沸点为212°F。1714年德国人法勒海特(Fahrenheit)以水银为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，把水银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份，每一份为1华氏度，记作“1℉”。摄氏度它的发明者是AndersCelsius(1701-1744)，其结冰点是0°C，沸点为100°C。1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出在标准大气压下，把冰水混合物的温度规定为0度，水的沸腾温度规定为100度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度。两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。记作1℃。•摄氏温度和华氏温度的关系：T℉=1.8t℃+32t为摄氏温度数，T为华氏温度数•摄氏温度和开尔文温度的关系：°K=°C+273.15开尔文温度和人们习惯使用的摄氏温度相差一个常数。例如,用摄氏温度表示的水三相点温度为0.01℃，而用开尔文温度表示则为273.16K。开尔文温度与摄氏温度的区别只是计算温度的起点不同，即零点不同,可以相互换算。目录温度计量基础温度量温度测量原理温度测量方法常见的温度测量仪器常见的温度传感器测量装置测控装置常见的温度传感器及检定热电阻热电偶压力、双金属、半导体温度传感器总结接触式温度传感器•接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计•温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。•在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差。温度传感器•常用温度计有双金属、玻璃液体温度计、压力式、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶。•广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。•随着低温技术的发展，低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。非接触式温度传感器它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。温度传感器最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。非接触测温优点测量上限不受感温元件耐温程度的限制，因而对最高可测温度原则上没有限制。对于1800℃以上的高温，主要采用非接触测温方法。随着红外技术的发展，辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展，700℃以下直至常温都已采用，且分辨率很高。比如说常见的医院里用的红外测温仪测量人体的温度。目录温度计量基础温度量温度测量原理温度测量方法常见的温度测量仪器常见的温度传感器测量装置测控装置常见的温度传感器及检定热电阻热电偶压力、双金属、半导体温度传感器总结热电偶工作原理塞贝克效应：当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则回路中就有电流产生，如图所示，即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个：其一，当有电流流过两个不同导体的连接处时此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向)，称为珀尔帖效应；其二，当有电流流过存在温度梯度的导体时，导体吸收或放出热量(取决于电流相对于温度梯度的方向)，称为汤姆逊效应。•两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T，T0)是由接触电势和温差电势合成的。•温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势，热电偶测量的热电势是二者的合成。•当回路断开时，在断开处a，b之间便有一电动势差△V，其极性和大小与回路中的热电势一致，如图2-1(b)所示。并规定在冷端，当电流由A流向B时，称A为正极，B为负极。实验表明，当△V很小时，△V与△T成正比关系。定义△V对△T的微分热电势为热电势率，又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。种类•目前，国际电工委员会（IEC）推荐了8种类型的热电偶作为标准化热电偶，即为T型、E型、J型、K型、N型、B型、R型和S型。热电阻•材料特性•导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器，这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：•①电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。•②电阻率高，热容量小，反应速度快。•③材料的复现性和工艺性好，价格低。热敏电阻温度特性•④在测温范围内化学物理特性稳定。•目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻。•铂电阻与温度之间的关系接近于线性，在0～630.74℃范围内可用下式表示：•Rt＝R0(1+At+Bt2)•在-190～0℃范围内为：•Rt＝R0(1+At+Bt2十Ct3)。式中：RO、Rt为温度0°及t°时铂电阻的电阻值，t为任意温度，A、B、C为温度系数，由实验确定，A＝3.9684×10-3/℃，B＝-5.847×10-7／℃2，C＝-4.22×10-l2/℃3。由公式可看出，•当R0值不同时，在同样温度下，其Rt值也不同。铜电阻•在测温精度要求不高，且测温范围比较小的情况下，可采用铜电阻做成热电阻材料代替铂电阻。在-50～150℃的温度范围内，铜电阻与温度成线性关系，其电阻与温度关系的表达式为Rt＝R0(1+At)(2-3)式中，A＝4.25×10-3～4.28×10-3℃为铜电阻的温度系数。模拟温度传感器•传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。温度自动检定系统•集计算机技术、电子技术、自动测试技术于一体的自动化检定系统。•该系统以计算机为主体，由六位半数字多用表、低热电势扫描开关、高稳定控温仪、通用打印机和专用软件组成。•主要用于自动检定各种工作用热电偶、热电阻，整个检定过程除需要检定员将热电偶/热电阻捆扎、接线外，其余均在计算机控制下由系统自动完成。•因此，实现检测迅速、准确、避免人为误差，提高了测量的准确度，并减轻了检定人员的劳动强度。标准器介绍：二等标准热电偶•二等标准热电偶(铂铑10-铂)是热电偶校验装置的标准热电偶，以及实验用的精密测温热电偶，也是检定工业及热电偶及300-1300℃范围内的精密测量的测温装置。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。具有准确度较高，物理、化学性良好的性质，高温下抗氧化性好，广泛用于电力，火电，冶金工业，化工等行业。标准器介绍：二等标准铂电阻•标准铂电阻温度计是1990年国际温标（ITS-90）温标内插仪器。它是一种在目前的生产技术条件下测量温度时能达到准确度最高、稳定性最好的温度计。•标准铂电阻温度计是用于传递国际温标的计量标准器具。在检定各种标准水银温度计；工业铂、铜热电阻温度计；精密温度计时作为标准使用。也可以直接用于准确度要求较高的温度测量。中温标准铂电阻温度计按使用温度范围分为锌点温度计和铝点温度计。压力式温度计工作原理：基于密闭测温系统内蒸发液体的饱和蒸气压力和温度之间的变化关系而进行温度测量的。1.当温包感受到温度变化时，密闭系统内饱和蒸气产生相应的压力，引起弹性元件曲率的变化，使其自由端产生位移，再由齿轮放大机构把位移变为指示值。2.前期罐车使用的杭州富阳/鹤山仪表厂生产的WTQ-280型2.5级的表合格率仅为15%。双金属温度计•一种测量中低温度的现场检测仪表。可以直接测量各种生产过程中的（-80-+500）℃范围内液体蒸汽和气体介质温度。•工业用双金属温度计主要的元件是一个用两种或多种金属片叠压在一起组成的多层金属片，利用两种不同金属在温度改变时膨胀程度不同的原理工作的。是基于绕制成环性弯曲状的双金属片组成。一端受热膨胀时，带动指针旋转，工作仪表便显示出热电势所应的温度值。玻璃液体温度计•玻璃液体温度计是一种膨胀式温度计．是根据物质的热胀冷缩原理制造的。它利用作为介质的感温液体随温度变化而体积发生变化与玻璃随温度变化而体积变化之差来测量温度。温度计所显示的示值即液体体积与玻璃毛细曾体积变化的差值。标准器介绍：二等标准水银温度计•二等标准水银