基本介紹
- 中文名：溫度測量儀表
- 外文名：temperature measuring meters
- 拼音：wen du ce liang yi biao
- 作用：測量物體冷熱程度
- 發明時間：1582年
- 發明者：伽利略
發展過程,度量標準,分類,按作用原理分類,按測量方法分類,按測量溫度範圍分類,常用溫度測量儀表的結構組成,水銀溫度計,熱電偶溫度計,輻射式高溫計,溫度測量儀表的選用,儀表功能的選擇,儀表精度的選擇,儀表量程的選擇,其它注意事項,
發展過程
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。
1742年，瑞典的攝爾西烏斯製成另一種水銀溫度計，它以水的沸點為100度、冰點作為 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。
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)，從而擴大了它的套用領域。
度量標準
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表，統一用攝氏溫標。後經數次改革，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，作為定義固定點來復現熱力學溫度的。
分類
溫度測量儀表的種類繁多，但可按作用原理，測量方法，測量範圍作如下分類：
按作用原理分類
溫度的測量是藉助於物體在溫度變化時，它的某些性質隨之變化的原理來實現的。但是，並不是任意選擇某種物理性質的變化就可做成溫度計。用於測溫的物體的物理性質要求連續、單值的隨溫度變化，不與其它因素有關，而且復現性好，便於精確測量。
目前按作用原理製作的溫度計主要有膨脹式溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計，熱電偶高慍計和輻射高溫計等幾種。它們是分別利用物體的膨脹，壓力、電阻、熱電勢和輻射性質隨溫度變化的原理製成的。
按測量方法分類
溫度測量時按感溫元件是否直接接觸被測溫度場（或介質）而分成接觸式溫度測量儀表（膨脹式溫度計，壓力式溫度計、電阻溫度計和熱電偶高溫計屬此類）和非接觸式溫度測量儀表（如輻射式高溫計）兩類。
接觸式測溫法的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最後達到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數的量值就代表了被測對象的溫度值。這種測溫方法優點是直觀可靠，缺點是感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質對感溫元件的性能和壽命會產生不利影響。
非接觸測溫法的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行熱交換，故可避免接觸測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸測溫法熱慣性小，可達千分之一秒，便於測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。由於受物體的發射率、被測對象到儀表之間的距離以及煙塵、水汽等其他介質的影響，這種測溫方法一般測溫誤差較大。
按測量溫度範圍分類
通常將測量溫度在600℃以下的溫度測量儀表叫溫度計，如膨脹式溫度計，壓力式溫度計和電阻溫度計等。測量溫度在600℃以上的溫度測量儀表通常叫高溫計，如熱電高溫計和輻射高溫計。
常用溫度測量儀表的結構組成
水銀溫度計
水銀溫度計具有諸多優點：構造簡單，使用方便，精確度較高，價格便宜，而且水銀不沾玻璃，容易得到純度很高的水銀，保持液態的溫度範圍比較大（-38 ~ +356.66℃）。此外，在200℃以下水銀的體膨脹和溫度幾乎成直線關係。水銀溫度計的測溫範圍一般是-30~ +600℃。因為水銀在常壓下的沸點為356.966℃，故不加壓的水銀溫度計的測量上限只能到300℃，若充以加壓的氮氣，並採用熱變形較小的石英玻璃管，測量上限可達600℃或更高。近來，國內已試製成功可測1200℃的高溫水銀溫度計。其缺點是測量溫度不夠高、測量結果不能遠傳、不能記錄。
水銀溫度計通常由裝有液體的玻璃溫包、毛細管、刻度標尺和玻璃外殼等部分組成，如下圖所示。
圖1 水銀溫度計
圖1 水銀溫度計熱電偶溫度計
用熱電偶的熱電性質製成的溫度計稱為熱電偶緯度計。下圖所示為最簡單的熱電偶溫度計組成圖。圖中熱電偶是感溫元件，它是由兩根不同材料的導體A和B焊連（或絞連）一端而成。導體未焊的兩端通過連線導線接顯示儀表而構成測溫系統。測溫時，將熱電偶的焊接端與被測對象接觸，利用熱電偶的熱電性質把被測對象的溫度轉換成相應的電信號，傳送給顯示儀表。
圖2 熱電偶溫度計原理
圖2 熱電偶溫度計原理熱電偶溫度計是目前工業上套用最廣的測溫儀表，在熱處理生產上套用的測溫儀表中，它也是為數最多的。用熱電偶測溫具有以下特點：
l 測溫精確度較高。由於熱電偶和被測對象之間容易實現良好的熱接觸，因而能較真實地反映被測對象的溫度。
l 結構簡單。將兩個不同的導體連線一端後，予以絕緣和機械保護，就是一支可用的熱電偶。可見熱電偶結構簡單，因而裝配維修比較方便。
l 測溫範圍較寬。常用熱電偶的測溫範圍是100 ~1600℃。一般金屬材料的熱處理溫度都在此範圍內，故能滿足熱處理的測溫要求。用特殊材料製成的熱電偶還可測量低至2K（-271℃）或高至2800℃的溫度。
l 動態回響速度較快。熱電偶可以製成體積很小的接點，因而熱容量小，動態回響速度快。
l 信號可遠傳，便於集中檢測和自動控制。
熱電偶的品種和類型是很多的，其中以普通型熱電偶套用最普遍。
在實際測溫中，僅有兩個熱電極的熱電偶是少見的。一支普通的熱電偶通常是由熱電極，絕緣管、保護套管和接線盒四部分組成。如下圖所示。
圖3 熱電偶溫度計
圖3 熱電偶溫度計（1）熱電極
熱電極是熱電偶的核心部分。普通型熱電偶的熱電極，通常都加工成絲狀，焊其一端而成。絲狀熱電極的直徑主要由材料的價格、機械強度以及熱電偶的用途和測溫範圍等因素決定。熱電偶熱端常採用焊接方法連線。焊點的形式有點焊，對焊、絞狀點焊等，為了減小傳熱誤差，焊點的尺寸應儘量小，通常不超過熱電極直徑的兩倍。
（2）絕緣管
絕緣管又稱絕緣子，開有通孔套在熱電極上，作隔離兩根電極和隔離電極與金屬保護套管之用，否則會因短路使熱電勢損耗而引起測量誤差。絕緣管通常用耐高溫的絕緣材料如陶瓷、石英、氧化鋁、氧化鎂等材料製成，截面有圓形或橢圓形，開有單孔，雙孔、四孔等形式。
（3）保護管
套有絕緣管的熱電極裝在一端封閉的保護管內。保護管的作用是防止或減小各種有害氣體、有害物質對熱電極的直接浸蝕和高溫火焰或氣流的直接沖刷；防止導電介質與熱電極的直接接觸：此外，還有固定和支撐熱電極的作用。因此，熱電偶的保護管對延長熱電極的使用壽命以及保證測量精度起重要的作用。
（4）接線盒
接線盒是熱電偶冷端和連線導線（補償導線）相連線的地方。它用鋁合金鑄造而成。在接線盒內，熱電偶冷端預先均分別用螺釘緊固在接線柱上，接線時，連線導線由出線孔引入接線盒內，打開接線盒，用螺釘將導線緊固在兩個注有正負標記的接線柱上，然後蓋上接線盒。為防止有害氣體進入熱電偶保護管內部，普通式接線盒的出線孔和蓋子均閒墊片和墊圈予以密封。接線盒按密封程度不同，有普通式，密封式（或防濺式），防水式、防爆式和隔爆式等類型。
熱電偶溫度計有不同的類型，在不同的場合可以選用不同的類型，以滿足使用要求。
輻射式高溫計
輻射式高溫計是利用物體的熱輻射現象來測量物體溫度的儀表。這種溫度計和熱電阻，熱電偶及膨脹式溫度計最顯著的區別在於輻射式高溫計在測溫時，不和測量對象直接接觸，屬於非接觸式測溫儀表。輻射式高溫計的主要特點為：
（1）測溫時不會破壞被測介質的溫度場，這一點對於測量小溫度場的溫度尤具特殊意義。
（2）從理論上講，儀表的測溫上限是不受限制的。而接觸式測溫儀表，因受感溫元件或保護管材料的限制，不能測量高溫。
（3）由於是熱輻射傳熱，不存在感溫元件和被測對象達到熱平衡的問題，因而傳熱速度快，熱慣性小。
（4）輸出信號可以很大，故儀表的靈敏度高。
（5）因為不和被測物體接觸，輻射式高溫計適用於測量有強烈腐蝕性介質的溫度和運動物體的溫度。
（6）由於是非接觸儀表，影響測量結果的因素比較複雜。因此，一般工業上用的輻射式高溫計，測量誤差比較接觸式溫度計要大。
輻射式高溫計在熱處理生產中常用來測量高溫鹽爐，離子氮化爐和感應加熱工件的溫度。目前，這類儀表有四種常見類型，即全輻射高溫計，光學高溫計，光電高溫計和光電比色高溫計。
輻射高溫計是根據物體在整個波長範圍內的輻射能量與其溫度之間的函式關係設計製造的，用輻射感溫器作為一次儀表，電子電位差計作為二次儀表，它屬於透鏡聚焦式感溫器，具有鋁合金外殼，前部是物鏡，殼體內裝有熱電堆補償光欄，在靠緊熱電堆的視場光欄上有一塊調檔板，檔板的作用是調節照射到熱電堆上的輻射能量，使產品具有統一的分度值，在可拆卸的後蓋板上裝有目鏡，藉以觀察被測物體的影像。
輻射感溫器把被測物體的輻射能，經過透鏡聚焦在熱敏元件上，熱敏元件把輻射能轉變為電參數，由已知的熱電勢與物體溫度之間的關係通過二次儀表測出熱電勢，顯示出溫度值，這個溫度值須用物體的全輻射黑體系數予以校正或用鉑銠10—鉑熱電偶直接插入高溫鹽浴爐中配以直流電位差計測量溫度，然後與儀表顯示溫度對比，用以校準高溫計測量溫度的準確程度。
下圖是一個輻射高溫計實物圖。
圖4 輻射式高溫計
圖4 輻射式高溫計溫度測量儀表的選用
正確選擇和使用溫度測量儀表是實現對溫度參數進行正確、有效測控的首要前提。下面是一些研究人員根據自己以往在計量第一線的設計、安裝、調試經驗。
儀表功能的選擇
如果我們需要隨時了解溫度的變化趨勢，就應該選擇具有記錄功能的儀表；如果溫度變化對安全生產、產品質量有重大影響的話，我們一定要選擇具有報警功能的儀表；對於一般只需要監視溫度的情況下，我們用指示類測溫儀觀察溫度值就行了；在需要對溫度參數進行隨時調節時，設計溫度測控系統來對溫度進行控制。
儀表精度的選擇
精度的選擇，一般要考慮生產工藝過程對溫度儀表的要求以及溫度參數對生產的重要程度；在需要對溫度參數進行控制的情況下，我們還要考慮儀表的精度與整個測控系統的匹配問題。
儀表量程的選擇
量程選擇既要考慮到正常的生產情況，又要考慮在故障情況下溫度的變化範圍。
其它注意事項
進行現場中低溫測量時，宜選擇雙金屬溫度計，同時要注意其刻度盤直徑和徑向；有振動的地方，不宜選用工業玻璃棒式溫度計；測溫點較高或現場環境不好時，宜選擇壓力式溫度計，但與溫包相連的毛細管的長度不能超過20m；熱電阻、熱電偶的選擇要考慮它們的測量範圍、回響速度、分度號、使用安全等方面；對於需要對溫度參數進行控制時，需要設計一個測控系統，同時要考慮敏感元件、變送器、執行器、顯示儀表等之間的匹配、安全等問題。
