1.温标
温度是描述系统不同自由度之间能量分布状况的基本物理量。用来量度物体温度高低的标尺称为温标。温标主要包含两个方面的内容:一是给出温度数值化的一套规则和方法;二是给出温度的测量单位。
国际统一的基本温标是热力学温标,单位为开尔文(K)。摄氏温标是国际(包括中国在内)的一种经验温标,单位为摄氏度(℃)。国际实用温标是一种既能体现热力学温度,又易实现的国际统一的实用温标。国际实用温标选择了一些可复现的平衡态作为温标基准点;规定了不同温度范围内的基准仪器;并建立了基准点之间的内插公式。目前使用的是90国际温标,简介ITS-90。
2.热电偶
由第三章的内容可知,由两种不同材料组成的闭合回路中所产生的热电势可表示为
(2.1)
由国际公认的特定材料构成的热电偶称标准热电偶。目前国际上共有8种标准热电偶,其中常用的有四种。
①铂铑30―铂铑6 分度号(即热电偶的型号)为B,温度测量范围为0~1600℃,热电势最小。
②铂铑10―铂 分度号为S,温度测量范围为0~1300℃,热电势较小。
③镍铬―镍硅 分度号为K,温度测量范围为-270~1000℃,热电势较大。
④镍铬―铜镍 分度号为E,温度测量范围为-270~870℃,热电势最大。
当t0=0℃时,用实验方法测得不同工作温度t下所产生的热电势值与t所制成的表称为分度表。由分度表可知,不同型号的热电偶在相同温度下的电势值有较大的差别,而且热电势与温度之间是一个非线性关系。
在实际使用中要保证=0是比较困难的,为此需要解决随测量条件而变的问题,主要的方法有:
①计算修正法 测出,通过测得的电势值经计算得到t。
②自由端恒温法 保持热电偶自由端温度恒定不变。
③自动补偿法 用对温度敏感的铜电阻作为电桥的一个桥臂,利用不平衡电桥的输出电压补偿热电偶自由端的电势。带补偿电桥的热电偶测温系统如图2.1。图中的补偿导线是用来延伸热电偶自由端从到,补偿导线产生的热电势近似等于实际热电偶在相同温度下的电势。因此,图2.1的总电势为
(2.2)
式中,为热电偶产生的热电势;为补偿导线产生的热电势;
当显示仪表为mV表时,测出电势值查热电偶对应的分度表可得到温度。显示仪表也可以直接以温度刻度,直接读取温度值。
3. 热电阻
常用的热电阻是铂、铜等金属热电阻。工业用的热电阻也是标准化的。铜电阻有和两种分度号,分别表示在t=0℃时铜电阻的阻值分别为20Ω和100Ω。
图2.1一个实际的热电偶测温系统
图2.2 热电阻的三线制接法
在热电阻温度测量系统中,引线电阻大小对测量结果有较大的影响,采用三线制接法可减小其影响,如图2.2所示。
4.非接触式温度检测仪表
非接触式温度检测仪表(也称辐射式温度计)主要是利用物体的辐射能随温度而变化的原理制成。由普朗克定律可知,温度为T的物体对外辐射的能量E为
式中,为物体的辐射率;λ为辐射波长;和分别为第一和第二辐射常数。
辐射式温度计主要由光学系统、检测元件、转换电路和信号处理等部分组成,如图2.3所示。根据检测辐射能中的波长的不一样,辐射温度计分为全辐射高温计、光电温度计和比色温度计等。
①全辐射高温计 接受被测物体全部波长上的辐射能量。
②光电温度计 用滤光片接受被测物体发出的某一波长的光亮度,并用亮度对比法测量。
③比色温度计 利用维恩位移定律,测出两个特定波长上的亮度比,得到被测物体温度。
辐射温度计是假设物体的辐射率为1工作的,对于实际的物体的辐射需进行修正,以得到实际温度。对于全辐射温度计,被测物体的真实温度与辐射温度有如下关系
④红外温度计 接受被测物体产生的红外波长段的辐射能量。
2.其它温度检测仪表
①玻璃管温度计 由玻璃温包、毛细管、工作液体和刻度标尺组成,可直接读数,温度计结构简单、使用方便、价格低廉。测量范围一般在-20~300℃。
②压力式温度计 根据封闭容器中气液或液体受热压力增大原理制作,具有结构简单、指示直观、使用方便等特点。
③双金属温度计 将两种膨胀系数不同的金属薄片叠焊在一起,其中一端固定,另一端随温度的变化而产生位移。这种温度计的测量范围较宽,为-80~600℃。但测量滞后较大。
④集成温度传感器 利用晶体三极管发射结电压正比于所处温度原理,通过集成电路制造工艺制成的可直接使用的温度传感器。在外接电压下,输出电流与温度具有良好的线性关系。