温度测量仪表的原理

温度测量仪表的原理
1.1 温度测量仪表
温度是表征物体冷热程度的参数，它不能象质量，长度那样用直接比较的方法来获得量值，我们只能用物质的与温度有关的其它物理性质来测量它，如物体的体积，密度，粘度，硬度，电导率等。
 
1.1.1 热电阻温度仪表
热电阻温度计的原理是利用导体或半导体的电阻随温度变化这一特性。热电阻温度计的主要优点有：测量精度高，复现性好；有较大的测量范围，尤其是在低温方面；易于使用在自动测量中，也便于远距离测量。同样，热电阻也有缺陷，在高温（大于850℃）测量中准确性不好；易于氧化和不耐腐蚀。
 
热电阻与温度的关系，可以用一个二次方程描述：
 

：电阻率，Ω·㎝         t：温度，℃
 
a，b，c：常量（由试验确定），单位分别为Ω·㎝，Ω·㎝·℃－1，Ω·㎝·℃－2
 
目前，用于热电阻的材料主要有铂、铜、镍等，采用这些材料主要是它们在常用温度段的温度与电阻的比值是线性关系，我们这里主要介绍铂电阻温度计。
 
铂是一种贵金属，它的物理化学性能很稳定，尤其是耐氧化能力很强，它易于提纯，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝，与铜，镍等金属相比，有较高的电阻率，复现性高，是一种比较理想的热电阻材料，缺点是电阻温度系数较小，在还原介质中工作易变脆，价格也较贵。铂的纯度通常用百度电阻比来表示：
 
W(100)=R100/R0
 
R100 ：100℃时的电阻值    R0 ：0℃时的电阻值
 
根据IEC标准，采用W(100)=1.3850初始电阻值为R0=100Ω（R0=10Ω）的铂电阻为工业用标准铂电阻，R0=10Ω的铂电阻温度计的阻丝较粗，主要应用于测量600℃以上的温度。铂电阻的电阻与温度方程为一分段方程：
 
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，则可根据电阻值知道温度值，但实际工作中，我们可以查热电阻分度表来根据电阻值确定温度值。
 
根据标准规定，铂热电阻分为A级和B级，A级测温允许误差±（0.15℃＋0.002|t|）,B级测温允许误差±（0.3℃＋0.005|t|）
 
现场使用的热电阻一般都是铠装热电阻，它是由热电阻体、绝缘材料、保护管组成，热电阻体和保护管焊接一起，中间填充绝缘材料，这样能够很好的保护热电阻体，耐冲击，耐震，耐腐蚀。如右图1所示。
铂热电阻有两线制，三线制，四线制几种，两线制在测量中误差较大，已不使用，现在工业用一般是三线制的，实验室用一般为四线制。这里主要介绍下三线制铂热电阻的接线。如下图2所示，三线制铂热电阻是在电阻的a端并联一个c端，从而实现电阻引出a，b，c三个接线端子，这样，由b导线引入的测量导线本身的电阻，可以由c导线来补偿，使引线电阻不随温度变化而引入的引线电阻误差的影响减小很多。在秦山二期使用的三线制铂热电阻，在二次仪表中，均有可变阻值的电桥，根据所配合的铂热电阻的量程不同，可以对二次仪表的电桥中的铂热电阻进行微调，能进行更精确的测量。
 
a
 
b
 
c
 
MV
 1.2 热电偶温度仪表
热电偶温度计是利用热电效应来测量温度的，热电效应：两种不同材料的导体组成一个回路时，如果两端结点温度不同，则回路中就将产生一定大小的电流，这个电流的大小与导体材料以及结点温度有关。两个结点一个为T端，测量端，一个为T0端，参比端，如右图3所示。在实际测量中，热电偶产生的毫伏信号要用较精密的毫伏表或I/O卡件测量。
 
T
 
T0
 
B材料
 
A材料
 
T0
 
C材料
 
T
 
T0
 
B材料
 
A材料

根据IEC标准，目前使用的热电偶主要有铂铑10－铂，镍铬－镍硅，镍铬－铜镍，铂铑30－铂铑6，等几种热电偶，他们都具有热电性能稳定，物理化学性能稳定，不易被氧化和腐蚀，电阻温度系数小，电导率高，材料的热电动势随温度为线性变化，材料工艺性好，易加工等特点。目前秦山二期使用的是铂铑10－铂，镍铬－镍硅两种热电偶，现在热电偶均为铠装热电偶，结构与铠装热电阻雷同，也是由热电偶体，绝缘材料，保护管构成。
 
T
 
T0
 
B材料
 
A材料
 
Ta
 
图5：中间温度定律
 
热电偶在应用中，主要有两个基本定律：中间导体定律和中间温度定律。
 
中间导体定律：如右图4所示，将A,B材料构成的热电偶的T0端拆开，引入第三种导体C，那么回路种的总电动势为EABC(T,T0)=EAB(T)－EAB(T0),即第三种导体两端温度相同时，不对原先的热电偶的电动势造成影响
 
图6：热电偶测量
 
中间温度定律：在热电偶回路种，两结点温度为T,T0时的热电动势，等于该热电偶在结点温度为T,Ta和Ta,T0时热电动势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T,Ta)－EAB(Ta,T0)

T
 
T0
 
T0
 
C材料
 
MV
 
利用热电偶的中间导体定律和中间温度定律，我们可以将热电偶T0端拆开，接入测量用毫伏表，并可在远处测量。如图6。为了将热电偶的参比端引到恒定温度T0处或者补偿器中，需要延长热电偶，为了节约贵重金属或临时延长，我们常用补偿导线进行延长。补偿导线就是用热电性质与工作热电偶相近的材料制成导线，用它将热电偶的参比端延长到所需要的地方，而且不会对工作热电偶回路引入超出允许的误差。
 
热电偶的参比端处理：热电偶输出的电动势是热电偶两结点温度的函数差，为了保持温度与电动势的线性，必须使一个结点温度保持恒定，标准分度表就是根据参比端为0℃时电动势与温度的对应值，在实际应用中，参比端不会保持0℃，所以我们采用一些方法来补偿，我们会尽量将参比端保持在一个恒定温度Ta，查标准分度表后再经过计算可以得到温度值,E (T,T0)=E (T,Ta)+E(Ta,T0)，现在二次仪表有可以对参比端温度进行自动补偿的，有电位自动补偿法和电桥自动补偿法。
 
1.1.3 膨胀式温度仪表
膨胀式温度计是利用物体受热膨胀这一原理进行测量的。*常见的就是酒精温度计，水银温度计，这种液体膨胀式的温度计的测量上下限受液体汽化和凝固温度的限制，*小分度可以到0.1℃。还有利用固体膨胀来测量温度的温度计，常见的是双金属温度计，由两种膨胀系数不同的金属作成螺旋型，一端固定，在受热膨胀时，由于膨胀系数的不同，自由端会有一定的角位移，这个角位移经过传动放大机构，带动指针把相应温度指示出来。还有一种时利用密封容器中液体受热膨胀或汽化引起的压力变化来测量相应温度。
 
1.1.4 辐射式温度仪表
任何物体受热后都将有一部分热能转变为辐射能，物体的温度越高，则辐射到周围空间的能量就越多，辐射能以波动形式表现出来，其波长范围极广，由短波开始，有X光，紫外线，可见光，红外线一直到电磁波。一般工程测温用主要时可见光和红外线。辐射测温属于非接触式测温，能应用到许多不好测温的场合，但辐射测温一般应用在900℃以上的高温，不过科技在发展，目前应用红外测温原理的温度计已能测量低温如人体温度。