《材料成形測(cè)試技術(shù)》課件-第6章 溫度測(cè)量

目錄紅外測(cè)溫儀光導(dǎo)纖維溫度計(jì)51236軋鋼生產(chǎn)中的溫度測(cè)量24溫度測(cè)量方法輻射式溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)6.1 溫度測(cè)量方法

溫度是用來表示物體冷熱程度的物理量，這是一個(gè)宏觀的概念。而科學(xué)上對(duì)溫度的定義與人們對(duì)冷熱的感覺是有差別的。物體的熱狀態(tài)的概念來自熱力學(xué)，熱力學(xué)的定律指出，任何處于熱平衡的系統(tǒng)都具有相同的溫度。平時(shí)我們用溫度計(jì)去衡量物體的冷熱，就是利用測(cè)溫元件與被測(cè)物體處于熱平衡的特性來決定被測(cè)物體的溫度的。溫度的微觀概念，是用大量的分子運(yùn)動(dòng)平均強(qiáng)度來表示的。物體的冷熱程度不同，是由于物體內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱不同所引起的。分子具有的動(dòng)能與熱能愈大，分子運(yùn)動(dòng)愈激烈，則其溫度愈高。這個(gè)概念對(duì)分子聚集體而言，對(duì)于個(gè)別分子是沒有意義的。6.1.1溫標(biāo)

針對(duì)我國情況，國家技術(shù)監(jiān)督局決定：從1991年7月1日開始在我國采用1990年國際溫標(biāo)。任何一種溫標(biāo)都包括三部分內(nèi)容：若干個(gè)付于一定溫度數(shù)值的純物質(zhì)的相變溫度點(diǎn)（簡(jiǎn)稱固定溫度點(diǎn)）、內(nèi)插測(cè)量儀器和計(jì)算公式。1990年國際溫標(biāo)和1968年國際實(shí)用溫標(biāo)相比較，在上述三個(gè)部分都有較大的變化，目的是使它更科學(xué)合理，所體現(xiàn)的溫度量值更接近熱力學(xué)溫度。熱力學(xué)溫度（符號(hào)為T），其單位為開爾文（符號(hào)為K），定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16。由于以前的溫標(biāo)定義中，使用了與273.16K（冰點(diǎn)）的差值來表示溫度，因此，現(xiàn)在仍保留此方法。用這種方法表示的熱力學(xué)溫度為攝式溫度（符號(hào)為t），單位為攝式度（℃）。其關(guān)系為t/℃=T/K-273.16(6-1)1990年國際溫標(biāo)（IPTS-90）同時(shí)定義國際開爾文溫度（符號(hào)為）和國際攝式溫度（符號(hào)為）。和之間的關(guān)系與T和t一樣，即/℃=/K-273.16(6-2)6.1.1溫標(biāo)對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定有標(biāo)準(zhǔn)值法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩種方法。

標(biāo)準(zhǔn)值法就是用適當(dāng)?shù)姆椒ń⒁幌盗袊H溫標(biāo)定義的固定溫度點(diǎn)作標(biāo)準(zhǔn)值，把被標(biāo)定溫度計(jì)或傳感器依次置于這些標(biāo)準(zhǔn)溫度值之下，記錄下溫度計(jì)的相應(yīng)示值，并根據(jù)國際溫標(biāo)規(guī)定的內(nèi)插公式對(duì)溫度計(jì)或傳感器的分度進(jìn)行對(duì)比記錄，從而完成對(duì)溫度計(jì)的標(biāo)定。更常用的標(biāo)定方法是把被標(biāo)定溫度計(jì)（或傳感器）與已被標(biāo)定的更高一級(jí)精度的溫度計(jì)（或傳感器）緊靠在一起，同置于可調(diào)節(jié)的恒溫槽中，分別把槽溫調(diào)節(jié)到所選定的若干個(gè)溫度點(diǎn)，比較和記錄兩者的讀數(shù)，獲得一系列對(duì)應(yīng)差值，經(jīng)過多次升降溫度的重復(fù)測(cè)試，若這些差值穩(wěn)定，則記錄的差值就可用作被標(biāo)定溫度計(jì)的修正量。

6.1.2溫度的標(biāo)定

根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和測(cè)試目的，可選用不同的測(cè)溫方法。溫度測(cè)量方法可分為接觸式測(cè)溫與非接觸式測(cè)溫兩類。接觸式測(cè)溫是把測(cè)量用的傳感器和被測(cè)對(duì)象直接接觸，兩者進(jìn)行熱交換，最終達(dá)到熱平衡，并示出溫度值。常用的接觸式測(cè)溫儀器有膨脹式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)及熱電偶等。這類測(cè)溫儀器發(fā)展較早，比較成熟，應(yīng)用廣泛，但對(duì)被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)有干擾，影響測(cè)量精度，且在不允許接觸或無法接觸的場(chǎng)合就不能應(yīng)用。非接觸式測(cè)溫是基于物質(zhì)的熱輻射原理，測(cè)溫傳感器與被測(cè)對(duì)象不直接接觸。此法不會(huì)擾亂被測(cè)對(duì)象的溫度分布，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制與測(cè)量。這類測(cè)溫儀器有輻射溫度計(jì)、紅外測(cè)溫儀及光纖溫度計(jì)等。常用的測(cè)溫方法類型及特點(diǎn)見表6-1。

6.1.3溫度測(cè)量方法分類

測(cè)溫方法溫度計(jì)及傳感器類型測(cè)溫范圍（℃）精度（％）特點(diǎn)接觸式熱膨脹式水銀-500～6500.1～1簡(jiǎn)單方便；易損壞（水銀污染）；感溫部大雙金屬

結(jié)構(gòu)緊湊、牢固可靠壓力液-30～600-20～3501耐振、堅(jiān)固、價(jià)廉；感溫部大氣熱電偶鉑銠-鉑其他0～1600-200～11000.2～0.50.4～1.0種類多、適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)，濟(jì)，方便，應(yīng)用研究廣泛。須注意寄生熱電勢(shì)及動(dòng)圈式儀表電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響熱電阻鉑鎳銅-260～600-50～3000～1800.1～0.30.2～0.50.1～0.3精度及靈敏度均較好，感溫部大，須注意環(huán)境溫度的影響熱敏電阻-50～3500.3～1.5體積小，響應(yīng)快，靈敏度高；線性差，須注意環(huán)境溫度的影響非接觸式輻射溫度計(jì)光纖溫度計(jì)800～3500700～300011非接觸式測(cè)溫，不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，輻射率影響小，應(yīng)用簡(jiǎn)便，不能用于低溫?zé)犭娞綔y(cè)器熱敏電阻探測(cè)器光子探測(cè)器200～2000-50～32000～3500111非接觸式測(cè)溫，不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，響應(yīng)快，測(cè)溫范圍大，適于測(cè)量溫度分布，易受外界干擾，定標(biāo)困難其他示溫材料碘化銀，二碘化汞，氯化鐵，液晶等-35～2000<1測(cè)溫范圍大，經(jīng)濟(jì)方便，特別適于大面積連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)零件上的測(cè)溫，精度低，人為誤差大6.2熱電偶溫度計(jì)

熱電偶是基于熱電效應(yīng)而工作的。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體的端點(diǎn)結(jié)合成一封閉回路時(shí)，如兩結(jié)合點(diǎn)的溫度不同，則在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)，此現(xiàn)象學(xué)稱為熱電效應(yīng)。實(shí)際上熱電偶是將熱能轉(zhuǎn)換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。

6.2.1熱電偶測(cè)溫原理

熱電偶與顯示儀表或控制和調(diào)節(jié)儀表等配套，構(gòu)成熱電偶溫度計(jì)，可直接測(cè)量、控制和調(diào)節(jié)各種生產(chǎn)過程中0～1800℃溫度范圍內(nèi)的液體、氣體、蒸汽等介質(zhì)及固體表面的溫度。具有精度高、測(cè)溫范圍廣、便于遠(yuǎn)距離和多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，是接觸式溫度計(jì)中應(yīng)用最普遍的儀器。

圖6-1表示兩根不同導(dǎo)體A和B構(gòu)成的熱電偶，其工作端（熱端，溫度）插入被測(cè)介質(zhì)中，與導(dǎo)線連接的另一端（冷端，溫度）為自由端。當(dāng)≠時(shí)，在回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，熱電勢(shì)與熱電偶材質(zhì)及兩端溫度差有關(guān)，而與導(dǎo)體A和B的長度、直徑無關(guān)。若保持不變，則熱電勢(shì)隨溫度而變化。因此，只要測(cè)出熱電勢(shì)值，便可知被測(cè)介質(zhì)的溫度值。

圖6-1熱電效應(yīng)示意圖

研究表明，熱電勢(shì)的大小是由兩導(dǎo)體的接觸電勢(shì)[稱珀耳帖（Peltier）電勢(shì)]與同一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)[稱湯姆遜（Thomson）電勢(shì)]所組成。6.2.1熱電偶測(cè)溫原理

不同導(dǎo)體中自由電子密度（單位體積內(nèi)自由電子數(shù)）不同。當(dāng)兩種不同導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上將發(fā)生電子的擴(kuò)散。電子的擴(kuò)散率與自由電子的密度和接觸區(qū)的溫度成正比。如果金屬A和B的自由電子密度分別為與,

并且＞，則穿過接觸面電子由A區(qū)向B區(qū)擴(kuò)散。于是，金屬A失去電子而帶正電，金屬B得到電子而帶負(fù)電。這樣，在接觸面上就形成了電場(chǎng)（圖6-2）這個(gè)電場(chǎng)阻礙了擴(kuò)散的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)由于自由電子密度不同引起的擴(kuò)散能力與相應(yīng)的電場(chǎng)造成的阻力達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，在A、B之間形成了穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢(shì)1、接觸電勢(shì)6.2.1熱電偶測(cè)溫原理其大小由下式表示：（6-4）式中，——導(dǎo)體A和B的接點(diǎn)在溫度時(shí)形成的電位差；e——電子電荷，；

——波爾茲曼常數(shù)，。（a）接觸電動(dòng)勢(shì)（b）溫差電動(dòng)勢(shì)圖6-2熱電勢(shì)示意圖6.2.1熱電偶測(cè)溫原理

在同一導(dǎo)體中，如果存在溫度梯度，將形成溫差電勢(shì)。因?yàn)榻饘僦凶杂呻娮拥哪芰侩S溫度提高而增大，如果在導(dǎo)體長度上有溫度差，那么熱端電子要比冷端的電子具有更大的能量和速度，并產(chǎn)生向冷端運(yùn)動(dòng)的電子流，而高溫端因失去電子而帶正電（圖6-2b）。于是在高、低溫端形成電位差，即溫差電勢(shì)值為（6-4）式中——導(dǎo)體Ａ兩端的溫度為，時(shí)形成的電位差；

——湯姆遜系數(shù)，表示單一導(dǎo)體兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電勢(shì)，其值與導(dǎo)體材質(zhì)及兩端溫度差有關(guān)，例如，在0℃時(shí)銅的。需要指出，金屬中的自由電子數(shù)較多，溫差不至于顯著改變其密度，故在同一導(dǎo)體中的溫差電勢(shì)值較小。2、溫差電勢(shì)6.2.1熱電偶測(cè)溫原理

由金屬A、B組成的熱電偶，當(dāng)溫度時(shí)整個(gè)回路的總熱功電勢(shì)可由下式?jīng)Q定：

（6-5）分析式（6-5）可知，如果構(gòu)成熱電偶的材料為相同均質(zhì)導(dǎo)即，，則；如果熱電偶二接點(diǎn)溫度相等，即時(shí)，則。此外，在熱電偶的回路中，當(dāng)插入第三金屬時(shí)，只要第三金屬兩端溫度相同，則對(duì)整個(gè)回路電勢(shì)沒有影響。這一特性表明，用儀表在熱電偶輸出端測(cè)量熱電勢(shì)時(shí)，只要保證引入導(dǎo)線兩端溫度相等，則引入導(dǎo)線與儀表對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。圖（6-3）表示了電位計(jì)接入熱電偶回路的幾種典型情況。a、b圖導(dǎo)線接點(diǎn)為，b圖除導(dǎo)線接點(diǎn)為外，被測(cè)點(diǎn)（例如金屬熔液）跡為均溫。3、總熱電勢(shì)6.2.1熱電偶測(cè)溫原理圖6-3電位計(jì)接入熱電偶回路的情況6.2.1熱電偶測(cè)溫原理利用熱電偶測(cè)溫時(shí)，必須在熱電偶回路中引入連接導(dǎo)線和測(cè)量儀表，它們可能會(huì)對(duì)熱電勢(shì)造成一定的影響，因此有必要進(jìn)一步掌握熱電偶應(yīng)用的基本定律。1、勻質(zhì)導(dǎo)體定律在由相同導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論幾何尺寸如何以及各處溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。應(yīng)用這一定律可以來校驗(yàn)熱電偶，如果由勻質(zhì)材料組成熱電偶回路，則不能進(jìn)行測(cè)溫；若熱電偶的熱電極由非勻質(zhì)材料組成的閉合回路，且存在溫差時(shí)，則有熱電勢(shì)輸出，其值越大，說明熱電極的成分和應(yīng)力分布越不均勻，因此可以檢查熱電極的不均勻性。6.2.2熱電偶測(cè)溫基本定律2、中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，那么接入中間導(dǎo)體后，對(duì)熱電偶總的熱電勢(shì)沒有影響。如圖6-3所示，用中間導(dǎo)體C接入熱電偶回路，其總熱電勢(shì)為：因?yàn)橛谑?.2.2熱電偶測(cè)溫基本定律結(jié)論：若在回路中接入多個(gè)導(dǎo)體，只要每個(gè)導(dǎo)體兩端溫度相同，也可得到同樣的結(jié)論；應(yīng)用這一定律，可在熱電偶回路中串入顯示儀表或連接導(dǎo)體，只要顯示儀表或連接導(dǎo)體兩端溫度相同，那么對(duì)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)沒有影響，也就不會(huì)影響測(cè)試精度。圖6-3有中間導(dǎo)體的熱電偶回路6.2.2熱電偶測(cè)溫基本定律3、連接導(dǎo)體定律和中間溫度定如圖6-5所示，假設(shè)熱電偶兩極線兩端溫度為T1、T2，連接導(dǎo)線兩端溫度為T2、T3。如果測(cè)得端和端的熱電勢(shì)為EABB′A′(T1，T2，T3)，則它必然為熱電偶A、B的熱電勢(shì)EAB(T1,T2)與連接導(dǎo)線A’、B’在溫度T2和T3時(shí)的熱電勢(shì)EA′B′(T2，T3)的代數(shù)和，即：(6-8)該式被稱為連接導(dǎo)體定律是熱電偶測(cè)溫應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際中，和采用補(bǔ)償導(dǎo)線，或在兩結(jié)點(diǎn)同溫度條件下，是熱電偶本身直接和配用儀表相接。圖6-5用導(dǎo)線連接的熱電偶回路6.2.2熱電偶測(cè)溫基本定律如果A與A’，B與B’材料分別相同，則式（6-7）可表示為：（6-9）即熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T1、T3時(shí)的熱電勢(shì)EAB(T1，T3)等于熱電偶在(T1，T2)、(T2，T3)時(shí)相應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(T1，T2)與EAB(T2，T3)的代數(shù)和，該式被稱為中間溫度定律。該定律是制訂熱電偶分度表的理論基礎(chǔ)。6.2.2熱電偶測(cè)溫基本定律4、參考電極定律如圖6-6所示，如果將熱電極C作為參考電極與任意兩熱電極A、B配對(duì)，那么在接點(diǎn)溫度相同的情況下，任意兩電極A、B再行配對(duì)后的熱電勢(shì)為：（6-10）式（6-10）中，EAB(T，T0)為A、B兩熱電極配對(duì)后接點(diǎn)溫度為(T，T0)時(shí)的熱電勢(shì)；EAC(T，T0)為參考電極C與熱電極A配對(duì)后接點(diǎn)溫度為(T，T0）時(shí)的熱電勢(shì)；參考電極C與熱電極B配對(duì)后，EAB(T，T0)為接點(diǎn)溫度為(T，T0）時(shí)的熱電勢(shì)。式（6-10）被稱為參考電極定律，可以用來簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。圖6-6參考電極定律6.2.2熱電偶測(cè)溫基本定律

用熱電偶測(cè)溫時(shí)，熱電勢(shì)大小決定冷、熱端溫度之差，如果冷端溫度固定不變，則決定于熱端溫度。但是，如果熱電偶冷端溫度是變化的，將會(huì)引起測(cè)量誤差。為此，常采取一些措施來消除冷端溫度變化所產(chǎn)生的影響。6.2.3冷端補(bǔ)償方法

一般熱電偶定標(biāo)時(shí)，冷端溫度是以0℃為基準(zhǔn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，常將熱電偶冷端置于0℃的冰、水混合物中（圖6-8）。如在某些情況下不能維持冷端0℃時(shí)，則須保持恒溫，例如置于恒溫室、恒溫容器或埋入地中等。但這時(shí)須對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正計(jì)算。圖6-9表示冷端溫度為0℃的定標(biāo)曲線。設(shè)冷端溫度時(shí)測(cè)得的熱電勢(shì)為，若仍用此定標(biāo)曲線求出實(shí)際溫度時(shí)，可作如下修正計(jì)算：（6-8）式中——冷端0℃，熱端時(shí)的熱電勢(shì)；——冷端0℃，熱端時(shí)的熱電勢(shì)。此式表明，應(yīng)當(dāng)由來查表求得實(shí)測(cè)溫度值。圖6-8熱電偶置于0℃冰、水中圖6-9冷端溫度為T0時(shí)的修正計(jì)算6.2.3.1冷端恒溫

當(dāng)測(cè)溫點(diǎn)與冷端距離較長時(shí)，為了既能保持冷端溫度的穩(wěn)定，又不使用過多貴金屬的熱電偶導(dǎo)線，往往采用價(jià)廉的導(dǎo)線來代替部分熱電偶導(dǎo)線（圖6-10）。這種廉價(jià)的導(dǎo)線稱之為補(bǔ)償導(dǎo)線。在室溫范圍內(nèi)，補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電性質(zhì)應(yīng)與所用熱電偶相同或接近。圖6-10補(bǔ)償導(dǎo)線法6.2.3.2補(bǔ)償導(dǎo)線法

另一種冷端補(bǔ)償法是電橋補(bǔ)償法，如圖6-11所示。將熱電偶冷端與電橋置于同一環(huán)境中，電阻是由溫度系數(shù)較大的鎳絲制成，而其余電阻則由溫度系數(shù)很小的錳絲制成。在某一溫度下，調(diào)整電橋平衡，當(dāng)冷端溫度變化時(shí)，隨溫度改變，破壞了電橋平衡，電橋輸出為，用來補(bǔ)償由于冷端溫度變化而產(chǎn)生的熱電勢(shì)變化量。圖6-11補(bǔ)償電橋法6.2.3.3補(bǔ)償電橋法當(dāng)冷端溫度大于0℃時(shí)，由：

（6-12）可知熱電偶輸出的熱電勢(shì)將比EAB(T，T0)小，這一熱電勢(shì)輸入儀表后，儀表的指示溫度T指將比被測(cè)溫度T低，即T指=T-ΔT此時(shí)，假設(shè)儀表指示值所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)為EAB(T指，T0)，若(T，T0)的平均熱電勢(shì)率為(dE/dT)指，則：即（6-13）而（6-14）如果令

（6-15）則（6-16）6.2.3.4冷端溫度校正法K被稱為補(bǔ)償系數(shù)，常用的熱電偶的近似補(bǔ)償系數(shù)值見表6-3實(shí)際上，為了方便，有時(shí)把熱電偶冷端溫度Tn測(cè)出，將儀表零點(diǎn)指針位置向前移動(dòng)一個(gè)距離，這個(gè)距離的指示指使它正好等于Tn。如冷端位置為20℃，就可將儀表的指針指在20℃的位置。表6-3常用熱電偶的近似K值6.2.3.4冷端溫度校正法

一般而言，任何導(dǎo)體都可以配制成熱電偶，但并非都能作為實(shí)用的測(cè)溫元件。因?yàn)闇y(cè)溫元件對(duì)熱電材料有一定要求，純金屬的熱電偶易于復(fù)制，但熱電勢(shì)太小（平均約為20），無實(shí)用價(jià)值，幫很少用兩種純金屬組成熱電偶。非金屬熱電偶的熱電勢(shì)大（高達(dá)1000），熔點(diǎn)高，但由于復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差，目前尚處于研究階段。合金熱電極的熱電性能和工藝性能均介于純金屬和非金屬之間，故常用的熱電偶大多是純金屬與合金或合金與合金相配。圖6-4表示了常用熱電偶的溫度熱電勢(shì)關(guān)系。圖6-5是一種帶有保護(hù)管的熱電偶結(jié)構(gòu)。6.2.4常用熱電偶圖6-4常用熱電偶的熱電特性圖6-5一般工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)式6.2.5熱電勢(shì)的測(cè)量方法測(cè)量熱電勢(shì)可用動(dòng)圈式儀表、電位差計(jì)以及電子電位差計(jì)等。采用動(dòng)圈式儀表測(cè)量勢(shì)電勢(shì)時(shí)，其線路結(jié)構(gòu)圖如圖6-15所示，其等效電路示意圖如圖6-16所示。由一個(gè)磁電系表頭（動(dòng)圈式測(cè)量機(jī)構(gòu)）和測(cè)量電路組成。表頭中的動(dòng)圈處于永久磁鋼形成的磁場(chǎng)中，當(dāng)動(dòng)圈中有電流I通過時(shí)，將產(chǎn)生一電磁力矩M，同時(shí)使張絲扭轉(zhuǎn)一定角度，當(dāng)張絲的扭矩M0與電磁力矩M相等時(shí)，動(dòng)圈將會(huì)停留在某一偏轉(zhuǎn)角α，α正比于流過動(dòng)圈的電流I，即正比于熱電偶的熱電勢(shì)Et(T,T0)。動(dòng)圈式儀表的總電阻是電路內(nèi)阻Ri和外阻Ro的總和。內(nèi)阻Ri包括動(dòng)圈電阻Rd、溫度補(bǔ)償電阻Rt1、和量程電阻Rm；外阻Ro包括熱電偶電阻Rw和連接導(dǎo)線電阻R2。（6-17）

式中C為儀表靈敏度系數(shù)。

為了保證示值與熱電偶輸出的熱電勢(shì)Et(T，T0)成正比，必須保證內(nèi)阻Ri和外阻Rd均為常數(shù)。而實(shí)際應(yīng)用中，Ro中的動(dòng)圈電阻會(huì)隨環(huán)境溫度的升高而增大，也可能因所選熱電偶尺寸不同及熱電偶與儀表間距離不同（連接導(dǎo)線長短不一樣）而改變。為保證Ri為常數(shù)，量程電阻Rm用溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制。為保證Ro為常數(shù)，一般規(guī)定外電阻為一定值（一般Ro=15Ω），這個(gè)電阻與測(cè)量電阻串聯(lián)。安裝儀表時(shí)，先將熱電阻與連接導(dǎo)線的電阻測(cè)出來，然后再外電阻上減去這一數(shù)值。動(dòng)圈式儀表的標(biāo)尺一般是把熱電勢(shì)換算成溫度值進(jìn)行刻度，因此，可以從標(biāo)尺上直接讀出所測(cè)溫度值。由于不同分度號(hào)的熱電偶的溫度—熱電勢(shì)關(guān)系不同，所以一種規(guī)格的儀表只能配接一種分度號(hào)的熱電偶。每種儀表的標(biāo)尺上都注有配接熱電偶的分度號(hào)（如K、S等）。圖6-15動(dòng)圈式儀表測(cè)量熱電勢(shì)電路圖6-16測(cè)量等效電路示意圖6.2.5熱電勢(shì)的測(cè)量方法

用電位差計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)電壓來平衡熱電勢(shì)。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)電壓與熱電勢(shì)方向相反，回路中沒有電流，線路電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響。圖6-7是用電位差計(jì)測(cè)量熱電偶的工作原理。將開關(guān)接通，調(diào)整電阻，使檢流計(jì)指零，此時(shí)獲得恒定工作電流（即a、c兩點(diǎn)電壓與標(biāo)準(zhǔn)電壓平衡）。斷開接通。調(diào)節(jié)電位器，使檢流計(jì)指零，此時(shí)測(cè)量電路電流為零。當(dāng)溫度變化時(shí)，將有電流通過，指針偏轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)使重新指零，由電位器的刻度讀出所測(cè)熱電勢(shì)。

圖6-7用電位差計(jì)測(cè)量熱電勢(shì)的原理電子電位差計(jì)采用的是與電位差半相同的原理電路，通過自平衡系統(tǒng)使其始終保持平衡狀態(tài)。6.2.5熱電勢(shì)的測(cè)量方法熱電偶的安裝和使用不當(dāng)，不但會(huì)影響測(cè)量精度，還會(huì)降低熱電偶的使用壽命。因此，使用熱電偶時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)。1）根據(jù)所測(cè)點(diǎn)的大致溫度及煙道爐墻厚度，選用熱電偶的型號(hào)及長度。貴重?zé)犭娕既玢K銠-鉑熱電偶除測(cè)高溫或精度要求高外盡量少用。2）熱電偶應(yīng)選擇合適的安裝點(diǎn)，由于熱電偶所測(cè)的溫度只是熱電偶熱端周圍小范圍的溫度，因此，應(yīng)將熱電偶安裝在溫度較均勻且代表工件溫度的地方。熱電偶的接線盒不應(yīng)靠近爐壁，以免冷端溫度過高。3）熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開磁場(chǎng)和電場(chǎng)，如在鹽浴爐中熱電偶不應(yīng)靠近電極。6.2.6熱電偶的安裝使用注意事項(xiàng)4）避免熱電偶外露部分因?qū)釗p失所產(chǎn)生的測(cè)量誤差。如熱電偶插入深度不足時(shí)，且其外露部分置于空氣流通之中，則由于通過熱電偶絲的熱量散失，所測(cè)出的溫度往往比實(shí)際值偏低。5）熱電偶插入爐壁深度一般不小于熱電偶保護(hù)管外徑的8~10倍，熱電偶的熱端盡可能靠近被加熱工件，但須保證裝卸工件時(shí)不損壞熱電偶。6）用熱電偶測(cè)量反射爐、煤氣爐和油爐溫度時(shí)，應(yīng)避開火焰的直接噴射。因?yàn)榛鹧娴臏貭t內(nèi)高而且不穩(wěn)定，導(dǎo)致測(cè)量誤差大。7）在低溫測(cè)量中，為減少熱電偶的熱慣性，保護(hù)管端頭可不封閉或不用保護(hù)管。多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，應(yīng)采用多點(diǎn)切換開關(guān)，注意防止熱電偶接線短路和接地。6.2.6熱電偶的安裝使用注意事項(xiàng)

熱電勢(shì)定標(biāo)的目的是核對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶熱電勢(shì)-溫度關(guān)系是否符合標(biāo)準(zhǔn)，確定非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢(shì)-溫度定標(biāo)曲線，也可以通過定標(biāo)消除測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。標(biāo)定方法有定點(diǎn)法與比較法。前者利用純?cè)氐姆悬c(diǎn)或凝固點(diǎn)作為溫度標(biāo)準(zhǔn)，后者利用高一級(jí)精度的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被定標(biāo)熱電偶放在同一溫度的介質(zhì)中，并以標(biāo)準(zhǔn)熱電偶溫度計(jì)的讀數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)溫度。一般工業(yè)檢測(cè)中多用比較法。6.2.7標(biāo)定6.3輻射溫度計(jì)

任何物體，當(dāng)其溫度高于絕對(duì)溫度（-273.15℃）時(shí)，都將有一部分能量向外輻射，物體溫度越高，則輻射到周圍介質(zhì)去的能量越多。輻射能以波動(dòng)的方式傳遞出去，且波長范圍很寬，可從幾微米到幾千米，包括射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、一直到無線電波，如圖6-12所示。但對(duì)于測(cè)溫來講，主要是研究物體能吸收的，并在吸收以后又能重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿哪切┥渚€。比較明顯地具有這種性質(zhì)的射線是波長從0.8～40范圍內(nèi)的紅外線，其次是0.4～0.8的可見光.通常把這種射線稱作熱輻射。6.3.1熱輻射的基本概念

圖6-12電磁波譜

6.3.1熱輻射的基本概念

一般物體都具有熱輻射的能力，同時(shí)也具有吸收外界輻射熱的能力。在同一時(shí)間內(nèi)，輻射與吸收都存在，如果輻射與吸收的能量相等，則處于平衡狀態(tài)；如果吸收大于輻射，稱為吸熱，所增加的能量是吸收與輻射兩部分能量之差。自然界中所有物體對(duì)輻射能都具有吸收、透射和反射的本領(lǐng)。如圖6-13所示，設(shè)有能量為的熱射線輻射到某物體上，其中被吸收，被反射，透過該物體，因此有

（6-9）或或（6-10）式中，物體對(duì)于輻射能的吸收率；

，物體對(duì)于輻射能的反射率；

，物體對(duì)于輻射能的透射率。圖6-13物體對(duì)于輻射能的吸收、反射與透射現(xiàn)象6.3.1熱輻射的基本概念

雖然絕對(duì)黑體在自然界中不存在，但可以制造一種模型，使其性質(zhì)接近于絕對(duì)黑體。圖6-14所示是一個(gè)內(nèi)表面涂黑的空心球，球殼上開一小孔，從小孔斜射進(jìn)去的輻射能，要在球內(nèi)以過無數(shù)次的反射后才能有機(jī)會(huì)從孔口出來，所以輻射能幾乎被全部吸收，可視為。

圖6-14黑體模型6.3.2熱輻射的基本定律6.3.2.1絕對(duì)黑體模型

普朗克定律（Plancklaw）提示了在各種不同溫度下黑體輻射能量按波長分布的規(guī)律，其關(guān)系式為(6-11)式中——黑體的單色輻射強(qiáng)度，定義為單位時(shí)間內(nèi)，在波長附近每單位面積上輻射出的單位波長的能量；——是黑體絕對(duì)溫度；——是第一輻射常數(shù)，；——是第二輻射常數(shù)，；——波長。6.3.2.2普朗克定律

式（6-11）可用圖6-15所示曲線表示，由曲線可以看出，當(dāng)波長及時(shí)，，并且輻射強(qiáng)度的最高峰是隨著物體溫度的升高而轉(zhuǎn)向波長較短的一邊。圖6-15黑體輻射強(qiáng)度與波長和溫度的關(guān)系6.3.2.2普朗克定律

斯忒藩-波爾茲曼定律（Stefan-Boltzmannlaw）確定了黑體的全輻射能與溫度的關(guān)系。全輻射能是指物體單位時(shí)間內(nèi)從單位面積上輻射出的總能量，即包括從到的全部波長的總能量。因此，將式進(jìn)行積分得：

式中——斯忒藩-波爾茲曼常數(shù)，。上式表明黑體的全輻射能是與其絕對(duì)溫度的四次方成正比，故這一定律又稱為四次方定律。工程上常見的材料一般都遵循這一定律，并稱之為灰體。將灰體全輻射能與同一溫度下黑體全輻射能相比較，就得到表征物體性質(zhì)的另一個(gè)特征量。

稱為黑度，反映物體接近黑體的程度。黑度說明物體輻射能力的大小程度，它的數(shù)值0～1之間。各種物質(zhì)的黑度是不同的，其數(shù)值決定于物質(zhì)的性質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度等因素，通常用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。6.3.2.3斯忒藩-波爾茲曼定律（6-12）（6-13）

常用材料的值如表6-2。表6-2一些物體表面法向全輻射黑度表面t(℃)高度磨光鋁板（98.3％）氧化鋁板高度磨光黃銅（Cu73.2％Zn26.7％）無光澤黃銅板鋼(磨光)生鐵(磨光)鑄鐵(車削)軟鋼(氧化面)水雪、霜光面玻璃涂在鐵板上的油漆225～574148～505246～37050～350100426～102022232～10600～100-5—230.039～0.0570.20～0.310.028～0.0310.220.660.14～0.380.440.20～0.320.95～0.9630.950.940.9046.3.2.3斯忒藩-波爾茲曼定律6.3.2.4阿維恩公式令普朗克定律式子（6-20）中的的波長為常數(shù)λc，則（6-23）上式表明特定波長的輻射能為溫度T的單一函數(shù)。取兩個(gè)不同的特定波長λ1、λ2，滿足，則這兩個(gè)特定波長的輻射能之比為（6-24）上式為維恩公式，表明兩個(gè)特定波長的輻射能之比?（T）也是溫度的單值函數(shù)。由式子（6-21）至（6-24）可知，只要設(shè)法獲得、和，就可求的對(duì)應(yīng)的溫度。因此輻射測(cè)溫主要有全輻射法、亮度法、比色法三種基本方法。

輻射溫度計(jì)是依據(jù)熱輻射原理來檢測(cè)溫度。常用的輻射溫度計(jì)有光學(xué)高溫計(jì)、光電比色高溫計(jì)、紅外溫度計(jì)和光導(dǎo)纖維溫度計(jì)等。電磁輻射的傳播無須任何媒介物。用輻射溫度計(jì)測(cè)溫，感溫元件不明與被測(cè)物體接觸，因而也稱非接觸式溫度計(jì)。正是由于感溫元件不與被測(cè)物體直接接觸，不存在元件被燒毀、侵蝕或磨損等問題，因而測(cè)溫上限高，壽命長；感溫元件不進(jìn)入被測(cè)空間，不會(huì)破壞其溫度分布可能減少的測(cè)量誤差；還適宜于運(yùn)動(dòng)著的物體工作表面溫度的測(cè)量。此外，感溫元件的熱慣性可以做的很小，輸出信號(hào)可以做得足夠大，因而測(cè)溫滯后小，靈敏度高。主要缺點(diǎn)是測(cè)溫的準(zhǔn)確度不夠高。盡管如此，由于非接觸式測(cè)溫的若干特點(diǎn)，此類測(cè)溫儀表在冶金工業(yè)中應(yīng)用也較廣。6.3.3輻射溫度計(jì)的分類及應(yīng)用6.4紅外溫度計(jì)

波長在0.8～400的紅外光,其輻射強(qiáng)度與溫度及波長之間的關(guān)系,仍然可由普朗克定律確定,因此可以通過測(cè)量一定波長下的紅外輻射強(qiáng)度來確定物體的溫度。利用紅外輻射測(cè)定溫度的方法,將非接觸式測(cè)溫向低溫方向延伸,低溫區(qū)已至-10℃,高溫區(qū)達(dá)3000℃?，F(xiàn)以某產(chǎn)品WLD-31型紅外溫度計(jì)為例，其結(jié)構(gòu)原理如圖6-17所示。圖6-17紅外溫度計(jì)結(jié)構(gòu)原理1－物鏡；２－濾光片；３－調(diào)制盤；４－微電機(jī)；5－反光鏡；６－聚光鏡；７－參比燈；８－探測(cè)元件6.5光導(dǎo)纖維溫度計(jì)

如上所述，電阻、熱電、輻射等多種測(cè)溫方法，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但在某些情況下，如高壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、易燃易爆及腐蝕性環(huán)境中，上述測(cè)溫方法則有一定的局限性。近年來發(fā)展的光導(dǎo)纖維檢測(cè)技術(shù)，由于具有信息傳輸量大、抗干擾性強(qiáng)、耐高壓、耐腐蝕、體積小、可彎曲、靈敏度高、能進(jìn)行動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量以及適應(yīng)范圍寬（可測(cè)力、位移、溫度及速度等）等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以在光纖測(cè)溫技術(shù)上得到了相應(yīng)的發(fā)展。光導(dǎo)纖維溫度計(jì)一般可分兩類，即物性型與結(jié)構(gòu)型。

圖6－18是一種利用相位調(diào)制檢測(cè)溫度的儀器原理圖。即馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀。由激光光源射出的光通過分光器分為兩束，一束送入?yún)⒖脊饫w，作為基準(zhǔn)信號(hào)；另一