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溫度測量儀表的工作原理

1.1 溫度測量儀表

溫度是表征物體冷熱程度的參數(shù)，它不能象質(zhì)量，長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：測量精度高，復(fù)現(xiàn)性好；有較大的測量范圍，尤其是在低溫方面；易于使用在自動測量中，也便于遠(yuǎn)距離測量。同樣，熱電阻也有缺陷，在高溫（大于850℃）測量中準(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：

：電阻率，Ω·㎝ 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在常用溫度段的溫度與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*和B級，*測溫允許誤差±（0.15℃＋0.002|t|）, B級測溫允許誤差±（0.3℃＋0.005|t|）

現(xiàn)場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)行更的測量。

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，測量端，一個(gè)為T0端，參比端，如右圖3所示。在實(shí)際測量中，熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號要用較精密的毫伏表或I/O卡件測量。

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，材料的熱電動勢隨溫度為線性變化，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。

圖5：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勢為EABC（T,T0）=EAB（T）－EAB（T0）,即第三種導(dǎo)體兩端溫度相同時(shí)，不對原先的熱電偶的電動勢造成影響

圖6：熱電偶測量

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

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，接入測量用毫伏表，并可在遠(yuǎn)處測量。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，需要延長熱電偶，為了節(jié)約貴重金屬或臨時(shí)延長，我們常用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行延長。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到所需要的地方，而且不會對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：熱電偶輸出的電動勢是熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度的函數(shù)差，為了保持溫度與電動勢的線性，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)電動勢與溫度的對應(yīng)值，在實(shí)際應(yīng)用中，參比端不會保持0℃，所以我們采用一些方法來補(bǔ)償，我們會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參比端溫度進(jìn)行自動補(bǔ)償?shù)?，有電位自動補(bǔ)償法和電橋自動補(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)行測量的。zui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)的測量上下限受液體汽化和凝固溫度的限制，zui小分度可以到0.1℃。還有利用固體膨脹來測量溫度的溫度計(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，自由端會有一定的角位移，這個(gè)角位移經(jīng)過傳動放大機(jī)構(gòu)，帶動指針把相應(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?，物體的溫度越高，則輻射到周圍空間的能量就越多，輻射能以波動形式表現(xiàn)出來，其波長范圍極廣，由短波開始，有X光，紫外線，可見光，紅外線一直到電磁波。一般工程測溫用主要時(shí)可見光和紅外線。輻射測溫屬于非接觸式測溫，能應(yīng)用到許多不好測溫的場合，但輻射測溫一般應(yīng)用在900℃以上的高溫，不過科技在發(fā)展，目前應(yīng)用紅外測溫原理的溫度計(jì)已能測量低溫如人體溫度。