溫度測量儀錶

溫度是表徵物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。

目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標和國際實用溫標。華氏溫標（oF）規定：在標準大氣壓下，冰的熔點為32度，水的沸點為212度，中間劃分180等分，每第分為報氏1度，符號為oF。攝氏溫度（℃）規定：在標準大氣壓下，冰的熔點為0度，水的沸點為100度，中間劃分100等分，每第分為報氏1度，符號為℃。熱力學溫標又稱開爾文溫標，或稱絕對溫標，它規定分子運動停止時的溫度為絕對零度，記符號為K。

國際實用溫標是一個國際協議性溫標，它與熱力學溫標相接近，而且復現精度高，使用方便。目前國際通用的溫標是國際溫標ITS-90。歷史最早的溫度測量儀錶，是義大利人伽利略於1592年創造的。它是一個帶細長頸的大玻璃泡，倒置在一個盛有葡萄酒的容器中，從其中抽出一部分空氣，酒面就上升到細頸內。當外界溫度改變時，細頸內的酒面因玻璃泡內的空氣熱脹冷縮而隨之升降，因而酒面的高低就可以表示溫度的高低，實際上這是一個沒有刻度的指示器。

1709年，德國的華倫海特於荷蘭首次創立溫標，隨後他又經過多年的分度研究，到1714年製成了以水的冰點為32度、沸點為212度、中間分為180度的水銀溫度計，即至今仍沿用的華氏溫度計。

1742年，瑞典的攝爾西烏斯製成另一種水銀溫度計，它以水的冰點為100度、沸點作為 0度。到1745年，瑞典的林奈將這兩個固定點顛倒過來，這種溫度計就是至今仍沿用的攝氏溫度計。

早在1735年，就有人嘗試利用金屬棒受熱膨脹的原理，製造溫度計，到18世紀末，出現了雙金屬溫度計；1802年，查理斯定律確立之後，氣體溫度計也隨之得到改進和發展，其精確度和測溫範圍都超過了水銀溫度計。

1821年，德國的塞貝克發現熱電效應；同年，英國的戴維發現金屬電阻隨溫度變化的規律，這以後就出現了熱電偶溫度計和熱電阻溫度計。1876年，德國的西門子製造出第一支鉑電阻溫度計。

很早以前，人們在燒窯和冶鍛時，通常是憑藉火焰和被加熱物體的顏色來判斷溫度的高低。據記載，1780年韋奇伍德根據瓷珠在高溫下顏色的變化，來識別燒制陶瓷的溫度，後來又有人根據陶土製的熔錐在高溫下彎曲變形的程度，來識別溫度。輻射溫度計和光學高溫計是20世紀初，維思定律和普朗克定律出現以後，才真正得到實用。

從60年代開始，由於紅外技術和電子技術的發展，出現了利用各種新型光敏或熱敏檢測元件的輻射溫度計(包括紅外輻射溫度計)，從而擴大了它的應用領域。溫標各種溫度計產生的同時就規定了各自的分度方法，也就出現了各種溫標，如原始的攝氏溫標、華氏溫標、氣體溫度計溫標和鉑電阻溫標等。

為了統一溫度的量值，以達到國際通用的目的，國際權度局最早規定以玻璃水銀溫度計為基準儀錶，統一用攝氏溫標。后經數次改革，到1927年改用以熱力學溫度為基礎、以純物質的相變點為定義固定點的國際溫標，以後又經多次修改完善。國際現代通用的溫標是1967年第13次國際權度大會通過的，1968年國際實用溫標。它以13個純物質的相變點，如氫三相點，即氫的固、液、氣三態共存點(-259．34℃)；水三相點(0.01℃)和金凝固點(1064.43℃)等，作為定義固定點來複現熱力學溫度的。中間插值在-259.34～630.74℃之間，用基準鉑電阻；在630.74～1064.43℃之間，用基準鉑銠-鉑熱電偶；在1064.43℃以上用普朗克公式復現。溫度單位熱力學溫度（符號為T）是基本功手物理量，它的單位為開爾文（符號為K），定義為水三相點的熱力學溫度的1/273.16。由於以前的溫標定義中，使用了與273.15K（冰點）的差值來表示溫度，因此現在仍保留這各方法。

根據定義，攝氏度的大小等於開爾文，溫差亦可以用攝氏度或開爾文來表示。國際溫標ITS-90同時定義國際開爾文溫度（符號為T90）和國際攝氏溫度（符號為t90）。國際溫標ITS-90的通則：ITS-90由0.65K向上到普朗克輻射定律使用單色輻射實際可測量的最高溫度。ITS-90是這樣制訂的，即在全量程中，任何溫度的T90值非常接近於溫標採納時T的最佳估計值，與直接測量熱力學溫度相比，T90的測量要方便得多，而且更為精密，並具有很高的復現性。

ITS-90的定義：第一溫區為0.65K到5.00K之間, T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關係式來定義。第二溫區為3.0K到氖三相點（24.5661K）之間T90是用氦氣體溫度計來定義.。第三溫區為平衡氫三相點（13.8033K）到銀的凝固點（961.78℃）之間,T90是由鉑電阻溫度計來定義。它使用一組規定的定義固定點及利用規定的內插法來分度.。銀凝固點（961.78℃）以上的溫區,T90是按普朗克輻射定律來定義的，復現儀器為光學高溫計. 分類一般的溫度測量儀錶都有檢測和顯示兩個部分。

在簡單的溫度測量儀錶中，這兩部分是連成一體的，如水銀溫度計；在較複雜的儀錶中則分成兩個獨立的部分，中間用導線聯接，如熱電偶或熱電阻是檢測部分，而與之相配的指示和記錄儀錶是顯示部分。按測量方式，溫度測量儀錶可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式溫度測量儀錶測量時，其檢測部分直接與被測介質相接觸的為接觸式溫度測量儀錶；非接觸溫度測量儀錶在測量時，溫度測量儀錶的檢測部分不必與被測介質直接接觸，因此可測運動物體的溫度。例如常用的光學高溫計、輻射溫度計和比色溫度計，都是利用物體發射的熱輻射能隨溫度變化的原理製成的輻射式溫度計。

基本原理

1.1.1 熱電阻溫度儀錶

熱電阻溫度計的原理是利用導體或半導體的電阻隨溫度變化這一特性。熱電阻溫度計的主要優點有：測量精度高，復現性好；有較大的測量範圍，尤其是在低溫方面；易於使用在自動測量中，也便於遠距離測量。同樣，熱電阻也有缺陷，在高溫（大於850℃）測量中準確性不好；易於氧化和不耐腐蝕。熱電阻與溫度的關係，可以用一個二次方程描述：電阻率（Ω·㎝），溫度（℃ ），常量a、b、c（由試驗確定，單位分別為Ω·㎝，Ω·㎝·℃－1，Ω·㎝·℃－2 ）。

目前，用於熱電阻的材料主要有鉑、銅、鎳等，採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係，我們這裡主要介紹鉑電阻溫度計。

鉑是一種貴金屬，它的物理化學性能很穩定，尤其是耐氧化能力很強，它易於提純，有良好的工藝性，可以製成極細的鉑絲，與銅，鎳等金屬相比，有較高的電阻率，復現性高，是一種比較理想的熱電阻材料，缺點是電阻溫度係數較小，在還原介質中工作易變脆，價格也較貴。

鉑的純度通常用百度電阻比來表示： W(100)=R100/R0 其中：R100 ：100℃時的電阻值 R0 ：0℃時的電阻值根據IEC標準，採用W(100)=1.3850 初始電阻值為R0=100Ω（R0=10Ω）的鉑電阻為工業用標準鉑電阻，R0=10Ω的鉑電阻溫度計的阻絲較粗，主要應用於測量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，則可根據電阻值知道溫度值，但實際工作中，我們可以查熱電阻分度表來根據電阻值確定溫度值。根據標準規定，鉑熱電阻分為A級和B級，A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、保護管組成，熱電阻體和保護管焊接一起，中間填充絕緣材料，這樣能夠很好的保護熱電阻體，耐衝擊，耐震，耐腐蝕。

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，現在工業用一般是三線制的，實驗室用一般為四線制。這裡主要介紹下三線制鉑熱電阻的接線。三線制鉑熱電阻是在電阻的a端並聯一個c端，從而實現電阻引出a，b，c三個接線端子，這樣，由b導線引入的測量導線本身的電阻，可以由c導線來補償，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，在二次儀錶中，均有可變阻值的電橋，根據所配合的鉑熱電阻的量程不同，可以對二次儀錶的電橋中的鉑熱電阻進行微調，能進行更精確的測量。

1.1.2 熱電偶溫度儀錶

熱電偶溫度計是利用熱電效應來測量溫度的，熱電效應：兩種不同材料的導體組成一個迴路時，如果兩端結點溫度不同，則迴路中就將產生一定大小的電流，這個電流的大小與導體材料以及結點溫度有關。兩個結點一個為T端，測量端，一個為T0端，參比端。在實際測量中，熱電偶產生的毫伏信號要用較精密的毫伏表或I/O卡件測量。根據IEC標準，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定，物理化學性能穩定，不易被氧化和腐蝕，電阻溫度係數小，電導率高，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。目前秦山二期使用的是鉑銠10－鉑，鎳鉻－鎳硅兩種熱電偶，現在熱電偶均為鎧裝熱電偶，結構與鎧裝熱電阻雷同，也是由熱電偶體，絕緣材料，保護管構成。

熱電偶在應用中，主要有兩個基本定律：中間導體定律和中間溫度定律。中間導體定律：將A,B材料構成的熱電偶的T0端拆開，引入第三種導體C，那麼迴路種的總電動勢為EABC(T,T0)=EAB(T)－EAB(T0),即第三種導體兩端溫度相同時，不對原先的熱電偶的電動勢造成影響。中間溫度定律：在熱電偶迴路種，兩結點溫度為T,T0時的熱電動勢，等於該熱電偶在結點溫度為T,Ta和Ta,T0時熱電動勢的代數和。EAB(T,T0)=EAB(T, Ta)－EAB(Ta,T0) 。利用熱電偶的中間導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，並可在遠處測量。

為了將熱電偶的參比端引到恆定溫度T0處或者補償器中，需要延長熱電偶，為了節約貴重金屬或臨時延長，我們常用補償導線進行延長。補償導線就是用熱電性質與工作熱電偶相近的材料製成導線，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迴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點溫度的函數差，為了保持溫度與電動勢的線性，必須使一個結點溫度保持恆定，標準分度表就是根據參比端為0℃時電動勢與溫度的對應值，在實際應用中，參比端不會保持0℃，所以我們採用一些方法來補償，我們會盡量將參比端保持在一個恆定溫度Ta，查標準分度表后再經過計算可以得到溫度值, E (T,T0)=E (T, Ta)+E(Ta,T0)，現在二次儀錶有可以對參比端溫度進行自動補償的，有電位自動補償法和電橋自動補償法。

1.1.3 膨脹式溫度儀錶

膨脹式溫度計是利用物體受熱膨脹這一原理進行測量的。最常見的就是酒精溫度計，水銀溫度計，這種液體膨脹式的溫度計的測量上下限受液體汽化和凝固溫度的限制，最小分度可以到0.1℃。還有利用固體膨脹來測量溫度的溫度計，常見的是雙金屬溫度計，由兩種膨脹係數不同的金屬作成螺旋型，一端固定，在受熱膨脹時，由於膨脹係數的不同，自由端會有一定的角位移，這個角位移經過傳動放大機構，帶動指針把相應溫度指示出來。還有一種時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溫度。

1.1.4 輻射式溫度儀錶

任何物體受熱后都將有一部分熱能轉變為輻射能，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出來，其波長範圍極廣，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可見光和紅外線。輻射測溫屬於非接觸式測溫，能應用到許多不好測溫的場合，但輻射測溫一般應用在900℃以上的高溫，不過科技在發展，目前應用紅外測溫原理的溫度計已能測量低溫如人體溫度。發展由於電子器件的發展，攜帶型數字溫度計已逐漸得到應用。它配有各種樣式的熱電偶和熱電阻探頭，使用比較方便靈活。攜帶型紅外輻射溫度計的發展也很迅速，裝有微處理器的攜帶型紅外輻射溫度計具有存貯計算功能，能顯示一個被測表面的多處溫度，或一個點溫度的多次測量的平均溫度、最高溫度和最低溫度等。此外，現代還研製出多種其他類型的溫度測量儀錶，如用晶體管 P-N結測溫元件和光導纖維測溫元件構成的儀錶。採用熱象掃描方式的熱象儀，可直接顯示和拍攝被測物體的溫度場的熱象圖，用以檢查大型爐體、發動機等的表面溫度分佈，對於節能非常有益。利用激光測量物體的溫度分佈的溫度測量儀器尚處於研製過程。