第五節　溫度檢測及儀表

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。是各種工業生產和科學實驗中最普遍而重要的操作參數。除此之外，在現代化的農業和醫學中也是不可缺少的。

在化工生產中，溫度的測量與控制有著重要的作用。眾所周知，任何一種化工生產過程都伴隨著物質的物理和化學性質的改變，都必然有能量的交換和轉化，其中最普遍的交換形式是熱交換形式。因此，化工生產的各種工藝過程都是在一定的溫度下進行的。例如精餾塔的精餾過程中，對精餾塔的進料溫度、塔頂溫度和塔釜溫度都必須按照工藝要求分別控制在一定數值上。又如N₂和H₂合成NH₃的反應，在觸媒存在的條件下，反應的溫度是500℃。否則產品不合格，嚴重時還會發生事故。因此說，溫度的測量與控制是保證化學反應過程正常進行與安全運行的重要環節。

一、溫度檢測方法

溫度不能直接測量，只能借助于冷熱不同物體之間的熱交換，以及物體的某些物理性質隨冷熱程度不同而變化的特性來加以間接測量。

任意兩個冷熱程度不同的物體相接觸，必然要發生熱交換現象，熱量將由受熱程度高的物體傳到受熱程度低的物體，直到兩物體的冷熱程度完全一致，即達到熱平衡狀態為止。利用這一原理，就可以選擇某一物體同被測物體相接觸，并進行熱交換，當兩者達到熱平衡狀態時，選擇物體與被測物體溫度相等。于是，可以通過測量選擇物體的某一物理量（如液體的體積、導體的電量等），便可以定量地給出被測物體的溫度數值。以上就是接觸測溫法。也可以利用熱輻射原理，來進行非接觸測溫。

溫度測量范圍甚廣，有的處于接近絕對零度的低溫，有的要在幾千度的高溫下進行，這樣寬的測量范圍，需用各種不同的測溫方法和測溫儀表。若按使用的測量范圍分，常把測量600℃以上的測溫儀表稱為高溫計，把測量600℃以下的測溫儀表稱為溫度計。若按用途分，可分為標準儀表、實用儀表。若按工作原理分，則分為膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計五類。若按測量方式分，則可分為接觸式與非接觸式兩大類。前者測溫元件直接與被測介質接觸，這樣可以使被測介質與測溫元件進行充分的熱交換，而達到測溫目的；后者測溫元件與被測介質不相接觸，通過輻射或對流實現熱交換來達到測溫的目的。現按測量方式分類見表3-7。

先簡單介紹幾種溫度計。

1.膨脹式溫度計

膨脹式溫度計是基于物體受熱時體積膨脹的性質而制成的。玻璃管溫度計屬于液體膨脹式溫度計，雙金屬溫度計屬于固體膨脹式溫度計。

雙金屬溫度計中的感溫元件是用兩片線膨脹系數不同的金屬片疊焊在一起而制成的。雙金屬片受熱后，由于兩金屬片的膨脹長度不同而產生彎曲，如圖3-51所示。溫度越高產生的線膨脹長度差就越大，因而引起彎曲的角度就越大，雙金屬溫度計就是基于這一原理而制成的，它是用雙金屬片制成螺旋形感溫元件，外加金屬保護套管，當溫度變化時，螺旋的自由端便圍繞著中心軸旋轉，同時帶動指針在刻度盤上指示出相應的溫度數值。

圖3-52是一種雙金屬溫度信號器的示意圖。當溫度變化時，雙金屬片1產生彎曲，且與調節螺釘相接觸，使電路接通，信號燈4便發亮。如以繼電器代替信號燈便可以用來控制熱源（如電熱絲）而成為兩位式溫度控制器。溫度的控制范圍可通過改變調節螺釘2與雙金屬片1之間的距離來調整。若以電鈴代替信號燈便可以作為另一種雙金屬溫度信號報警器。

2.壓力式溫度計

應用壓力隨溫度的變化來測溫的儀表叫壓力式溫度計。它是根據在封閉系統中的液體、氣體或低沸點液體的飽和蒸汽受熱后體積膨脹或壓力變化這一原理而制成的，并用壓力表來測量這種變化，從而測得溫度。

壓力式溫度計的構造如圖3-53所示。它主要由以下三部分組成。

（1）溫包　它是直接與被測介質相接觸來感受溫度變化的元件，因此要求它具有高的強度，小的膨脹系數，高的熱導率以及抗腐蝕等性能。根據所充工作物質和被測介質的不同，溫包可用銅合金、鋼或不銹鋼來制造。

（2）毛細管　它是用銅或鋼等材料冷拉成的無縫圓管，用來傳遞壓力的變化。其外徑為1.2～5mm，內徑為0.15～0.5mm。如果它的直徑越細，長度越長，則傳遞壓力的滯后現象就越嚴重。也就是說，溫度計對被測溫度的反應越遲鈍。然而，在同樣的長度下毛細管越細，儀表的精度就越高。毛細管容易被破壞，折斷，因此，必須加以保護。對不經常彎曲的毛細管可用金屬軟管做保護套管。

（3）彈簧管（或盤簧管）　它是一般壓力表用的彈性元件。

3.輻射式高溫計

輻射式高溫計是基于物體熱輻射作用來測量溫度的儀表。目前，它已被廣泛地用來測量高于800℃的溫度。

在化工生產中，使用最多的是利用熱電偶和熱電阻這兩種感溫元件來測量溫度。

下面就主要介紹熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和光纖溫度傳感器。

二、熱電偶溫度計

熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎的測溫儀表。它的測量范圍很廣、結構簡單、使用方便、測溫準確可靠，便于信號的遠傳、自動記錄和集中控制，因而在化工生產中應用極為普遍。

熱電偶溫度計是由三部分組成：熱電偶（感溫元件）；測量儀表（毫伏計或電位差計）；連接熱電偶和測量儀表的導線（補償導線及銅導線）。圖3-54是熱電偶溫度計最簡單測溫系統的示意圖。

1.熱電偶

熱電偶是工業上最常用的一種測溫元件（感溫元件）。它是由兩種不同材料的導體A和B焊接而成，如圖3-55所示。焊接的一端插入被測介質中，感受到被測溫度，稱為熱電偶的工作端或熱端，另一端與導線連接，稱為冷端或自由端。導體A、B稱為熱電極。

（1）熱電現象及測溫原理　先用一個簡單的實驗，來建立對熱電偶熱電現象的感性認識。取兩根不同材料的金屬導線A和B，將其兩端焊在一起，這樣就組成了一個閉合回路。如將其一端加熱，就是使其接點1處的溫度t高于接點2處的溫度t₀，那么在此閉合回路中就有熱電勢產生，如圖3-56（a）所示。如果在此回路中串接一只直流毫伏計（將金屬B斷開接入毫伏計，或者在兩金屬線的t₀接頭處斷開接入毫伏計均可），如圖3-56（b）、（c）所示，就可見到毫伏計中有電勢指示，這種現象就稱為熱電現象。

下面就分析一下為什么會產生熱電勢呢？從物理學中知道，兩種不同的金屬，它們的自由電子密度是不同的。也就是說，兩金屬中每單位體積內的自由電子數是不同的。假設金屬A中的自由電子密度大于金屬B中的自由電子密度，按古典電子理論，金屬A的電子密度大，其壓強也大。正因為這樣，當兩種金屬相接觸時，在兩種金屬的交界處，電子從A擴散到B多于從B擴散到A。而原來自由電子處于金屬A這個統一體時，統一體是呈中性不帶電的，當自由電子越過接觸面遷移后，金屬A就因失去電子而帶正電，金屬B則因得到電子而帶負電。但這種擴散遷移是不會無限制地進行的。因為遷移的結果就在兩金屬的接觸面兩側形成了一個偶電層，這一偶電層的電場方向由A指向B，它的作用是阻止自由電子進一步擴散的。這就是說，由于電子密度的不平衡而引起擴散運動，擴散的結果產生了靜電場，這靜電場的存在又成為擴散運動的阻力，這兩者是互相對立的。開始的時候，擴散運動占優勢，隨著擴散的進行，靜電場的作用就加強，反而使電子沿反方向運動。結果當擴散進行到一定程度時，壓強差的作用與靜電場的作用相互抵消，擴散與反擴散建立了暫時的平衡。圖3-57（a）表示兩金屬接觸面上將發生方向相反，大小不等的電子流，使金屬B中逐漸地積聚過剩電子，并引起逐漸增大的由A指向B的靜電場及電勢差e_AB，圖3-57（b）表示電子流達到動平衡時的情況。這時的接觸電勢差，僅和兩金屬的材料及接觸點的溫度有關，溫度越高，金屬中的自由電子就越活躍，由A遷移到B的自由電子就越多，致使接觸面處所產生的電場強度也增加，因而接觸電動勢也增高。由于這個電勢大小，在熱電偶材料確定后只和溫度有關，故稱為熱電勢，記作e_AB（t），注腳A表示正極金屬，注腳B表示負極金屬，如果下標次序改為BA，則e前面的符號亦應相應的改變，即e_AB（t）=-e_BA（t）。

若把導體的另一端也閉合，形成閉合回路，則在兩接點處就形成了兩個方向相反的熱電勢，如圖3-58所示。

圖3-58（a）表示兩金屬的接點溫度不同，設t>t₀，由于兩金屬的接點溫度不同，就產生了兩個大小不等、方向相反的熱電勢e_AB（t）和e_AB（t₀）。必須注意，對于同一金屬A（或B），由于其兩端溫度不同，自由電子具有的動能不同，也會產生一個相應的電動勢，這個電動勢稱為溫差電勢。但由于溫差電勢遠小于接觸熱電勢，因此常常把它忽略不計。這樣，就可以用圖3-58（b）作為圖3-58（a）的等效電路，R₁、R₂為熱偶絲的等效電阻，在此閉合回路中總的熱電勢E（t，t₀）應為

E（t，t₀）=e_AB（t）-e_AB（t₀）

或

E（t，t₀）=e_AB（t）+e_BA（t₀）　　（3-64）

也就是說，熱電勢E（t，t₀）等于熱電偶兩接點熱電勢的代數和。當A、B材料固定后，熱電勢是接點溫度t和t₀的函數之差。如果一端溫度t₀保持不變，即e_AB（t₀）為常數，則熱電勢e_AB（t，t₀）就成為溫度t的單值函數了，而和熱電偶的長短及直徑無關。這樣，只要測出熱電勢的大小，就能判斷測溫點溫度的高低，這就是利用熱電現象來測溫的原理。

必須注意，如果組成熱電偶回路的兩種導體材料相同，則無論兩接點溫度如何，閉合回路的總熱電勢為零；如果熱電偶兩接點溫度相同，盡管兩導體材料不同，閉合回路的總熱電勢也為零；熱電偶產生的熱電勢除了與兩接點處的溫度有關外，還與熱電極的材料有關。也就是說不同熱電極材料制成的熱電偶在相同溫度下產生的熱電勢是不同的。可以從附錄二至附錄四中查到。

（2）插入第三種導線的問題　利用熱電偶測量溫度時，必須要用某些儀表來測量熱電勢的數值，如圖3-59所示。而測量儀表往往要遠離測溫點，這就要接入連接導線C，這樣就在AB所組成的熱電偶回路中加入了第三種導線，而第三種導線的接入又構成了新的接點，如圖3-59（a）中點3和點4，圖3-59（b）中的點2和點3，這樣引入第三種導線會不會影響熱電偶的熱電勢呢？

先來分析圖3-59（a）所示的電路，3、4接點溫度相同（等于t₁），故總的熱電勢為

E_t=e_AB（t）+e_BC（t₁）+e_CB（t₁）+e_BA（t₀）　　（3-65）

因為

e_BC（t₁）=-e_CB（t₁）　　（3-66）

e_BA（t₀）=-e_AB（t₀）　　（3-67）

將式（3-66）、式（3-67）代入式（3-64）得

E_t=e_AB（t）-e_AB（t₀）　　（3-68）

這和式（3-64）相同，可見總的熱電勢與沒有接入第三種導線一樣。

再來分析圖3-59（b）電路，在這電路中的2、3接點溫度相同且等于t₀，那么電路的總熱電勢為

E_t=e_AB（t）+e_BC（t₀）+e_CA（t₀）　　（3-69）

根據能量守恒原理可知，多種金屬組成的閉合回路內，盡管它們材料不同，只要各接點溫度相等，則此閉合回路內的總電勢等于零。若將A、B、C三種金屬絲組成一個閉合回路，各接點溫度相同（都等于t₀），則回路內的總熱電勢等于零。即

e_AB（t₀）+e_BC（t₀）+e_CA（t₀）=0

則

-e_AB（t₀）=e_BC（t₀）+e_CA（t₀）　　（3-70）

將式（3-70）代入式（3-69）得

E_t=e_AB（t）-e_AB（t₀）　　（3-71）

結果也和式（3-64）相同，可見也與沒有接入第三種導線的熱電勢一樣。

這就說明在熱電偶回路中接入第三種金屬導線對原熱電偶所產生的熱電勢數值并無影響。不過必須保證引入線兩端的溫度相同。同理，如果回路中串入更多種導線，只要引入線兩端溫度相同，也不影響熱電偶所產生的熱電勢數值。

（3）常用熱電偶的種類　理論上任意兩種金屬材料都可以組成熱電偶。但實際情況并非如此，對它們還必須進行嚴格的選擇。工業上對熱電極材料應滿足以下要求：溫度每增加1℃時所能產生的熱電勢要大，而且熱電勢與溫度應盡可能呈線性關系；物理穩定性要高，即在測溫范圍內其熱電性質不隨時間而變化，以保證與其配套使用的溫度計測量的準確性；化學穩定性要高，即在高溫下不被氧化和腐蝕；材料組織要均勻，要有韌性，便于加工成絲；復現性好（用同種成分材料制成的熱電偶，其熱電特性均相同的性質稱復現性），這樣便于成批生產，而且在應用上也可保證良好的互換性。但是，要全面滿足以上要求是有困難的。目前在國際上被公認的比較好的熱電極材料只有幾種，這些材料是經過精選而且標準化了的，它們分別被應用在各溫度范圍內，測量效果良好。

工業上最常用的（已標準化）幾種熱電偶測量范圍及使用特點如表3-8所示。

各種熱電偶熱電勢與溫度的一一對應關系都可以從標準數據表中查到，這種表稱為熱電偶的分度表。附錄二～附錄四就是幾種常用熱電偶的分度表，而與某分度表所對應的該熱電偶，用它的分度號表示。

此外，用于各種特殊用途的熱電偶還很多。如紅外線接收熱電偶；用于2000℃高溫測量的鎢錸熱電偶；用于超低溫測量的鎳鉻-金鐵熱電偶；非金屬熱電偶等。

（4）熱電偶的結構　熱電偶廣泛地應用在各種條件下的溫度測量。根據它的用途和安裝位置不同，各種熱電偶的外形是極不相同的。按結構形式分有普通型、鎧裝型、表面型和快速型四種。

①普通型熱電偶　主要由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等主要部分組成。如圖3-60所示。

熱電極是組成熱電偶的兩根熱偶絲。熱電極的直徑由材料的價格、機械強度、電導率以及熱電偶的用途和測量范圍等決定。貴金屬的熱電極大多采用直徑為0.3～0.65mm的細絲，普通金屬電極絲的直徑一般為0.5～3.2mm。其長度由安裝條件及插入深度而定，一般為350～2000mm。

絕緣管（又稱絕緣子）用于防止兩根熱電極短路。材料的選用由使用溫度范圍而定，常用絕緣材料如表3-9所示。它的結構形式通常有單孔管、雙孔管及四孔管等。

保護套管是套在熱電極、絕緣子的外邊，其作用是保護熱電極不受化學腐蝕和機械損傷。保護套管材料的選擇一般根據測溫范圍、插入深度以及測溫的時間常數等因素來決定。對保護套管材料的要求是：耐高溫、耐腐蝕、能承受溫度的劇變、有良好的氣密性和具有高的熱導系數。其結構一般有螺紋式和法蘭式兩種。常用保護套管的材料如表3-10所示。

接線盒是供熱電極和補償導線連接之用的。它通常用鋁合金制成，一般分為普通式和密封式兩種。為了防止灰塵和有害氣體進入熱電偶保護套管內，接線盒的出線孔和蓋子均用墊片和墊圈加以密封。接線盒內用于連接熱電極和補償導線的螺絲必須固緊。以免產生較大的接觸電阻而影響測量的準確度。

②鎧裝熱電偶　由金屬套管、絕緣材料（氧化鎂粉）、熱電偶絲一起經過復合拉伸成型，然后將端部偶絲焊接成光滑球狀結構。工作端有露頭型、接殼型、絕緣型三種。其外徑為1～8mm，還可小到0.2mm，長度可為50m。

鎧裝熱電偶具有反應速度快、使用方便、可彎曲、氣密性好、不怕振、耐高壓等優點，是目前使用較多并正在推廣的一種結構。

③表面型熱電偶　常用的結構形式是利用真空鍍膜法將兩電極材料蒸鍍在絕緣基底上的薄膜熱電偶，專門用來測量物體表面溫度的一種特殊熱電偶，其特點：反應速度極快、熱慣性極小。

④快速型熱電偶　它是測量高溫熔融物體一種專用熱電偶，整個熱偶元件的尺寸很小，稱為消耗式熱電偶。

熱電偶的結構形式可根據它的用途和安裝位置來確定。在熱電偶選型時，要注意三個方面：熱電極的材料；保護套管的結構，材料及耐壓強度；保護套管的插入深度。

2.補償導線的選用

由熱電偶測溫原理知道，只有當熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電勢才是被測溫度的單值函數。在實際應用時，由于熱電偶的工作端（熱端）與冷端離得很近，而且冷端又暴露在空間，容易受到周圍環境溫度波動的影響，因而冷端溫度難以保持恒定。為了使熱電偶的冷端溫度保持恒定，當然可以把熱電偶做得很長，使冷端遠離工作端，但是，這樣做要多消耗許多貴重的金屬材料，是不經濟的。解決這個問題的方法是采用一種專用導線，將熱電偶的冷端延伸出來，如圖3-61所示。這種專用導線稱為“補償導線”。它也是由兩種不同性質的金屬材料制成，在一定溫度范圍內（0～100℃）與所連接的熱電偶具有相同的熱電特性，其材料又是廉價金屬。不同熱電偶所用的補償導線也不同，對于鎳鉻-考銅等一類用廉價金屬制成的熱電偶，則可用其本身材料作補償導線。

在使用熱電偶補償導線時，要注意型號相配，各種型號熱電偶所配用的補償導線的材料列于表3-11；極性不能接錯，熱電偶的正、負極分別與補償導線的正、負極相接；熱電偶與補償導線連接端所處的溫度不應超過100℃。

3.冷端溫度的補償

采用補償導線后，把熱電偶的冷端從溫度較高和不穩定的地方，延伸到溫度較低和比較穩定的操作室內，但冷端溫度還不是0℃。而工業上常用的各種熱電偶的溫度-熱電勢關系曲線是在冷端溫度保持為0℃的情況下得到的，與它配套使用的儀表也是根據這一關系曲線進行刻度的。由于操作室的溫度往往高于0℃，而且是不恒定的，這時，熱電偶所產生的熱電勢必然偏小。且測量值也隨著冷端溫度變化而變化，這樣測量結果就會產生誤差。因此，在應用熱電偶測溫時，只有將冷端溫度保持為0℃，或者是進行一定的修正才能得出準確的測量結果。這樣做，就稱為熱電偶的冷端溫度補償。一般采用下述幾種方法。

（1）冷端溫度保持為0℃的方法　保持冷端溫度為0℃的方法，如圖3-62所示。把熱電偶的兩個冷端分別插入盛有絕緣油的試管中，然后放入裝有冰水混合物的容器中，這種方法多數用在實驗室中。

（2）冷端溫度修正方法　在實際生產中，冷端溫度往往不是0℃，而是某一溫度t₁，這就引起測量誤差。因此，必須對冷端溫度進行修正。

例如，某一設備的實際溫度為t，其冷端溫度為t₁，這時測得的熱電勢為E（t，t₁）。為求得實際t的溫度，可利用下式進行修正，即

E（t，0）=E（t，t₁）+E（t₁，0）

因為

E（t，t₁）=E（t，0）-E（t₁，0）

由此可知，冷端溫度的修正方法是把測得的熱電勢E（t，t₁），加上熱端為室溫t₁，冷端為0℃時的熱電偶的熱電勢E（t₁，0），才能得到實際溫度下的熱電勢E（t，0）。

例6　用鎳鉻-銅鎳熱電偶測量某加熱爐的溫度。測得的熱電勢E（t，t₁）=66982μV，而自由端的溫度t₁=30℃，求被測的實際溫度。

解　由附錄三可以查得

E（30，0）=1801μV

則

E（t，0）=E（t，30）+E（30，0）=66982+1801=68783μV

再查附錄三可以查得68783μV對應的溫度為900℃。

由于熱電偶所產生的熱電勢與溫度之間的關系都是非線性的（當然各種熱電偶的非線性程度不同），因此在自由端的溫度不為零時，將所測得熱電勢對應的溫度值加上自由端的溫度，并不等于實際的被測溫度。譬如在上例中，測得的熱電勢為66982μV，由附錄三可查得對應溫度為876.6℃，如果再加上自由端溫度30℃，則為906.6℃，這與實際被測溫度有一定誤差。其實際熱電勢與溫度之間的非線性程度越嚴重，則誤差就越大。

應當指出，用計算的方法來修正冷端溫度，是指冷端溫度內恒定值時對測溫的影響。該方法只適用于實驗室或臨時測溫，在連續測量中顯然是不實用的。

（3）校正儀表零點法　一般儀表未工作時指針應指在零位上（機械零點）。若采用測溫元件為熱電偶時，要使測溫時指示值不偏低，可預先將儀表指針調整到相當于室溫的數值上（這是因為將補償導線一直引入到顯示儀表的輸入端，這時儀表的輸入接線端子所處的室溫就是該熱電偶的冷端溫度）。此法比較簡單，故在工業上也經常應用。但必須明確指出，這種方法由于室溫也在經常變化，所以只能在測溫要求不太高的場合下應用。

（4）補償電橋法　補償電橋法是利用不平衡電橋產生的電勢，來補償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，如圖3-63所示。不平衡電橋（又稱補償電橋或冷端溫度補償器）由R₁、R₂、R₃（錳銅絲繞制）和R_t（銅絲繞制）四個橋臂和穩壓電源所組成，串聯在熱電偶測量回路中。為了使熱電偶的冷端與電阻R_t感受相同的溫度，所以必須把R_t與熱電偶的冷端放在一起。電橋通常在20℃時處于平衡，即，此時，對角線a、b兩點電位相等，即U_ab=0，電橋對儀表的讀數無影響。當周圍環境高于20℃時，熱電偶因冷端溫度升高而使熱電勢減弱。而與此同時，電橋中R₁、R₂、R₃的電阻值不隨溫度而變化，銅電阻R_t卻隨溫度增加而增加，于是電橋不再平衡，這時，使a點電位高于b點電位，在對角線a、b間輸出一個不平衡電壓U_ab，并與熱電偶的熱電勢相疊加，一起送入測量儀表。如適當選擇橋臂電阻和電流的數值，可以使電橋產生的不平衡電壓U_ab正好補償由于冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值，儀表即可指示出正確的溫度。

應當指出，由于電橋是在20℃時平衡的，所以采用這種補償電橋時須把儀表的機械零位預先調到20℃處。如果補償電橋是在0℃時平衡設計的（DDZ-Ⅱ型溫度變送器中的補償電橋），則儀表零位應調在0℃處。

（5）補償熱電偶法　在實際生產中，為了節省補償導線和投資費用，常用多支熱電偶而配用一臺測溫儀表，其接線如圖3-64所示。轉換開關（切換開關）用來實現多點間歇測量；CD是補償熱電偶，它的熱電極材料可以與測量熱電偶相同，也可以是測量熱電偶的補償導線，設置補償熱電偶是為了使多支熱電偶的冷端溫度保持恒定。為達到此目的，將一支補償熱電偶的工作端插入2～3m的地下或放在其他恒溫器中，使其溫度恒定為t₀。而它的冷端與多支熱電偶的冷端都接在溫度為t₁的同一個接線盒中。這時測溫儀表的指示值則為E（t，t₀）所對應的溫度，而不受接線盒處溫度t₁變化的影響。

三、熱電阻溫度計

上面介紹的熱電偶溫度計，其感受溫度的一次元件是熱電偶，這類儀表一般適用于測量500℃以上的較高溫度。對于在500℃以下的中、低溫，利用熱電偶進行測量就不一定恰當。首先，在中、低溫區熱電偶輸出的熱電勢很小，這樣小的熱電勢，對電位差計的放大器和抗干擾措施要求都很高，否則就測量不準，儀表維修也困難；其次，在較低的溫度區域，冷端溫度的變化和環境溫度的變化所引起的相對誤差就顯得很突出，而不易得到全補償。所以在中、低溫區，一般是使用熱電阻溫度計來進行溫度的測量較為適宜。

熱電阻溫度計是由熱電阻（感溫元件），顯示儀表（不平衡電橋或平衡電橋）以及連接導線所組成。如圖3-65所示。值得注意的是連接導線采用三線制接法。

熱電阻是熱電阻溫度計的測溫（感溫）元件。是這種溫度計的最主要部分，是金屬體。

1.測溫原理

熱電阻溫度計是利用金屬導體的電阻值隨溫度變化而變化的特性（電阻溫度效應）來進行溫度測量的。對于呈線性特性的電阻來說，其電阻值與溫度關系如下式

　　（3-72）

　　（3-73）

式中，R_t是溫度為t℃時的電阻值；是溫度為t₀（通常為0℃）時的電阻值；α是電阻溫度系數；Δt是溫度的變化值；ΔR_t是電阻值的變化量。

可見，由于溫度的變化，導致了金屬導體電阻的變化。這樣只要設法測出電阻值的變化，就可達到溫度測量的目的。

由此可知，熱電阻溫度計與熱電偶溫度計的測量原理是不相同的。熱電阻溫度計是把溫度的變化通過測溫元件——熱電阻轉換為電阻值的變化來測量溫度的；而熱電偶溫度計則把溫度的變化通過測溫元件——熱電偶轉化為熱電勢的變化來測量溫度的。

熱電阻溫度計適用于測量-200～+500℃范圍內液體、氣體、蒸汽及固體表面的溫度。它與熱電偶溫度計一樣，也是有遠傳、自動記錄和實現多點測量等優點。另外熱電阻的輸出信號大，測量準確。

2.工業常用熱電阻

雖然大多數金屬導體的電阻值隨溫度的變化而變化，但是它們并不都能作為測溫用的熱電阻。作為熱電阻的材料一般要求是：電阻溫度系數、電阻率要大；熱容量要小；在整個測溫范圍內，應具有穩定的物理、化學性質和良好的復制性；電阻值隨溫度的變化關系，最好呈線性。

但是，要完全符合上述要求的熱電阻材料實際上是有困難的。根據具體情況，目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。

（1）鉑電阻　金屬鉑易于提純，在氧化性介質中，甚至在高溫下其物理、化學性質都非常穩定。但在還原性介質中，特別是在高溫下很容易被玷污，使鉑絲變脆，并改變了其電阻與溫度間的關系。因此，要特別注意保護。

在0～650℃的溫度范圍內，鉑電阻與溫度的關系為

R_t=R₀（1+At+Bt²+Ct³）　　（3-74）

式中，R_t是溫度為t℃時的電阻值；R₀是溫度為0℃時的電阻值。

A、B、C是常數，由實驗求得

A=3.950×10^-3/℃，　B=-5.850×10^-7/（℃）²，　C=-4.22×10^-22/（℃）³

要確定R_t-t的關系時，首先要確定R₀的大小，不同的，則R_t-t的關系也不同。這種R_t-t的關系稱為分度表，用分度號來表示。

工業上常用的鉑電阻有兩種，一種是R₀=10Ω，對應的分度號為Pt10。另一種是R₀=100Ω，對應的分度號為Pt100（見附錄五）。

（2）銅電阻　金屬銅易加工提純，價格便宜；它的電阻溫度系數很大，且電阻與溫度呈線性關系；在測溫范圍為-50～+150℃內，具有很好的穩定性。其缺點是溫度超過150℃后易被氧化，氧化后失去良好的線性特性；另外，由于銅的電阻率小（一般為0.017Ω·mm²/m），為了要繞得一定的電阻值，銅電阻絲必須較細，長度也要較長，這樣銅電阻體就較大，機械強度也降低。

在-50～+150℃的范圍內，銅電阻與溫度的關系是線性的。即

R_t=R₀［1+α（t-t₀）］　　（3-75）

式中，α為銅的電阻溫度系數（4.25×10^-3/℃）。

其他符號同式（3-72）所示。

工業上用的銅電阻有兩種，一種是R₀=50Ω，對應的分度號為Cu50（見附錄六）。另一種是R₀=100Ω，對應的分度號為Cu100（見附錄七）。

3.熱電阻的結構

熱電阻的結構形式有普通型熱電阻、鎧裝熱電阻和薄膜熱電阻三種。

（1）普通型熱電阻　主要由電阻體、保護套管和接線盒等主要部件所組成。其中保護套管和接線盒與熱電偶的基本相同。下面就介紹一下電阻體的結構。

將電阻絲繞制（采用雙線無感繞法）在具有一定形狀的支架上，這個整體便稱為電阻體。電阻體要求做得體積小，而且受熱膨脹時，電阻絲應該不產生附加應力。目前，用來繞制電阻絲的支架一般有三種構造形式：平板形、圓柱形和螺旋形，如圖3-66所示。一般地說，平板支架作為鉑電阻體的支架，圓柱形支架作為銅電阻體的支架，而螺旋形支架是作為標準或實驗室用的鉑電阻體的支架。

（2）鎧裝熱電阻　將電阻體預先拉制成型并與絕緣材料和保護套管連成一體。這種熱電阻體積小、抗震性強、可彎曲、熱慣性小、使用壽命長。

（3）薄膜熱電阻　它是將熱電阻材料通過真空鍍膜法，直接蒸鍍到絕緣基底上。這種熱電阻的體積很小、熱慣性也小、靈敏度高。

四、光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器是采用光纖作為敏感元件或能量傳輸介質而構成的，它有接觸式和非接觸式等多種形式。光纖傳感器的特點是靈敏度高；電絕緣性能好，可適用于強烈電磁干擾、強輻射的惡劣環境；體積小、重量輕、可彎曲；可實現不帶電的全光型探頭等。近幾年來光纖溫度傳感器在許多領域得到應用。

光纖傳感器由光發送器、光源、光纖（含敏感元件）、光接收器、信號處理系統和各種連接件等部分構成，如圖3-67所示。由光發送器發出的光經過源光纖引導到敏感元件。在這里，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經由接收光纖耦合到光接收器，使光信號轉變為電信號，最后經信號處理系統得到所期待的被測量。

從本質上分析，光就是一種電磁波，其波長范圍從極遠紅外的1mm到極遠紫外的10mm。電磁波的物理作用和生物化學作用主要是因為其中的電場而引起。因此，必須要考慮光的電矢量振動問題。只要使光的強度、偏振態、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態的變化而變化，或者說受到被測量的調制，則有可能通過對光強的調制、偏振調制、頻率調制或相位調制等進行解調，從而獲得所需要的被測量的信息。

光纖傳感器可分為功能型和非功能型兩種類型，功能型傳感器是利用光纖的各種特性，由光纖本身感受被測量的變化，光纖既是傳輸介質，又是敏感元件；非功能型傳感器又稱傳光型，是由其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光信號的傳輸介質。

非功能型光纖溫度傳感器在實際測溫中得到較多的應用，并有多種類型，已實用化的溫度計有液晶光纖溫度傳感器、熒光光纖溫度傳感器、半導體光纖溫度傳感器和光纖輻射溫度計等。

1.液晶光纖測溫

液晶光纖溫度傳感器是利用液晶的“熱色”效應而工作的，例如在光纖端面上安裝液晶片，在液晶片中按比例混入三種液晶，溫度在10～45℃范圍變化，液晶顏色由綠變成深紅，光的反射率也隨之變化，測量光強變化可知相應的溫度，其精度約為0.1℃。不同類型的液晶光纖溫度傳感器的測溫范圍可在-50～250℃之間。

2.熒光光纖測溫

熒光光纖溫度傳感器的工作原理是利用熒光材料的熒光強度隨溫度而變化，或熒光強度的衰變速度隨溫度而變化的特性，前者稱熒光強度型，后者稱熒光余輝型。其結構是在光纖頭部粘接熒光材料，用紫外線進行激勵，熒光材料將會發出熒光，檢測熒光強度就可以檢測溫度。熒光強度型傳感器的測溫范圍為-50～200℃；熒光余輝型溫度傳感器的測溫范圍為-50～250℃。

3.半導體光纖測溫

半導體光纖溫度傳感器是利用半導體的光吸收響應隨溫度而變化的特性，根據透過半導體的光強變化檢測溫度。溫度變化時，半導體的透光率曲線也隨之變化，當溫度升高時，特性曲線將向長波方向移動，在光源的光譜處于λ_g附近的特定入射波長的波段內，其透過光強將減弱，測出光強變化就可知對應的溫度變化。半導體光纖溫度傳感器構成的溫度計的測溫范圍為-30～300℃。

4.光纖輻射測溫

光纖輻射溫度計的工作原理和分類與普通的輻射測溫儀表類似，它可以接近或接觸目標進行測溫。目前，因受光纖傳輸能力的限制，其工作波長一般為短波，采用亮度法或比色法測量。

光纖輻射溫度計的光纖可以直接延伸為敏感探頭，也可以經過耦合器，用剛性光導棒延伸。光纖敏感探頭有多種類型，如直型、楔型、帶透鏡型和黑體型等。 

典型光纖輻射溫度計的測溫范圍為200～4000℃，分辨力可達0.01℃，在高溫時精確度可優于±0.2%讀數值，其探頭耐溫一般可達300℃，加冷卻后可達500℃。

五、電動溫度變送器

DBW型溫度（溫差）變送器是DDZ-Ⅲ系列電動單元組合式檢測調節儀表中的一個主要單元。它與各種類型的熱電偶、熱電阻配套使用，將溫度或兩點間的溫差轉換成4～20mA和1～5V的統一標準信號；又可與具有毫伏輸出的各種變送器配合，使其轉換成4～20mA和1～5V的統一輸出信號。然后，它和顯示單元、控制單元配合，實現對溫度或溫差及其他各種參數進行顯示、控制。

DDZ-Ⅲ型的溫度變送器與DDZ-Ⅱ型的溫度變送器進行比較，它具有以下幾個主要特點。

（1）線路上采用了安全火花型防爆措施，因而可以實現對危險場合中的溫度或毫伏信號測量。

（2）在熱電偶和熱電阻的溫度變送器中采用了線性化機構，從而使變送器的輸出信號和被測溫度間呈線性關系。

（3）在線路中，由于使用了集成電路，這樣使該變送器具有良好的可靠性、穩定性等各種技術性能。

溫度變送器是安裝在控制室內的一種架裝式儀表，它有三種類型，即熱電偶溫度變送器、熱電阻溫度變送器和直流毫伏變送器。在化工生產中，使用最多的是熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。

1.熱電偶溫度變送器

熱電偶溫度變送器與熱電偶配套使用，將溫度轉換成4～20mA和1～5V的統一標準信號。然后與顯示儀表或控制儀表配合，實現對溫度的顯示或控制。

熱電偶溫度變送器的結構大體上可分為三大部分：輸入橋路、放大電路及反饋電路。如圖3-68所示。

（1）輸入電橋　圖3-69是熱電偶溫度變送器的輸入回路，在形式上很像電橋，故常稱為輸入電橋，它的作用是：冷端溫度補償、調整零點。

電橋中的R_Cu電阻是用銅線繞制的，它與熱電偶的冷端安裝在一起。當冷端溫度變化時，R_Cu的電阻隨溫度的變化也變化，使電橋的兩端產生一個附加電壓。此電壓與熱電勢E_t串聯相加，只要R_Cu值選擇適當，便可補償冷端溫度變化引起熱電勢E_t減少的值。應當注意的是，由于熱電偶的溫度特性是非線性的，而銅電阻的特性卻接近線性，這樣就不可能取得完全補償。但在實際應用中，由于冷端溫度變化不大，這樣的補償也是可以的。

電橋的電源是穩壓電源，R₁和R₂都是高值電阻，這樣就可以使電橋的電流I₁和I₂為恒定值。電阻R₄是可調電阻，電流I₂流過可調電阻R₄產生電壓，它與熱電勢E_t及R_Cu產生的電勢串聯，這樣不僅可以抵消R_Cu電阻上的起始電壓，還可自由地改變電橋輸出的零點。在DDZ-Ⅲ型溫度變送器中，輸出標準信號范圍是4～20mA。因此，在熱電勢為0時，應由輸入橋路提供滿幅輸入電壓的20%，建立輸出的起點。

綜上所述，輸入電橋主要起兩個作用：熱電偶冷端溫度補償、零點調整。

（2）反饋電路　在DDZ-Ⅲ型的溫度變送器中，為了使變送器的輸出信號直接與被測溫度呈線性關系，以便顯示及控制，特別是便于和計算機配合，所以在溫度變送器中的反饋回路加入線性化電路，對熱電偶的非線性給予修正。因為熱電偶產生的熱電勢太小，這樣就不宜于在輸入電路中修正，而采取非線性反饋電路進行修正。如圖3-70所示。當溫度較高時，熱電偶靈敏度偏高的區域，使負反饋作用強一些，這樣以反饋電路的非線性補償熱電偶的非線性，故可獲得輸出電流I_o與溫度t呈線性關系。值得注意的是，這種具有線性化機構的溫度變送器在進行量程變換時，其反饋的非線性特性必須作相應的調整。

（3）放大電路　由于熱電偶產生的熱電勢數值很小，一般只有幾十或十幾毫伏，因此將它經過多級放大后才能變換為高電平輸出。近年來由于集成運算放大器的出現，溫度變送器采用了特殊的低漂移、高增益集成運算放大器。又因為測量元件和傳輸線上經常會受到各種干擾，故溫度變送器中的放大器還必須具有較強的抗干擾措施。集成運算放大器輸出是電壓信號，而放大電路中功率放大器的作用是把運算放大器輸出的電壓信號，轉換成具有一定負載能力的電流輸出信號。同時，通過電流互感器實現輸入回路和輸出回路的隔離。

2.熱電阻溫度變送器

熱電阻溫度變送器它與熱電阻配套使用，將溫度轉換成4～20mA和1～5V的統一標準信號。然后與顯示儀表或控制儀表配合，實現對溫度的顯示或控制。

熱電阻溫度變送器的結構大體上也可分為三大部分：輸入電橋、放大電路及反饋電路。如圖3-71所示。和熱電偶溫度變送器比較，放大電路是通用的，只是輸入電橋和反饋電路不同。

熱電阻溫度變送器的輸入電橋實質上是一個不平衡電橋。熱電阻被接入其中一個橋臂，當受溫度變化引起熱電阻阻值發生改變后，電橋就輸出一個不平衡電壓信號，此電壓信號通過放大電路和反饋電路，便可以得到一個與輸入信號呈線性函數關系的輸出電流I_o。

六、一體化溫度變送器

所謂一體化溫度變送器，是指將變送器模塊安裝在測溫元件接線盒或專用接線盒內的一種溫度變送器。其變送器模塊和測溫元件形成一個整體，可以直接安裝在被測工藝設備上，輸出為統一標準信號。這種變送器具有體積小、質量輕、現場安裝方便等優點，因而在工業生產中得到廣泛應用。

一體化溫度變送器，由測溫元件和變送器模塊兩部分構成，其結構框圖如圖3-72所示。變送器模塊把測溫元件的輸出信號E_t或R_t轉換成為統一標準信號，主要是4～20mA的直流電流信號。

由于一體化溫度變送器直接安裝在現場，在一般情況下變送器模塊內部集成電路的正常工作溫度為-20～+80℃，超過這一范圍，電子器件的性能會發生變化，變送器將不能正常工作，因此在使用中應特別注意變送器模塊所處的環境溫度。

一體化溫度變送器品種較多，其變送器模塊大多數以一片專用變送器芯片為主，外接少量元器件構成，常用的變送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。下面以AD693構成的一體化熱電偶溫度變送器為例進行介紹。

AD693構成的熱電偶溫度變送器的電路原理如圖3-73所示，它由熱電偶、輸入電路和AD693等組成。

圖3-73中輸入電路是一個冷端溫度補償電橋，B、D是電橋的輸出端，與AD693的輸入端相連。R_Cu為銅補償電阻，通過改變電位器W₁的阻值則可以調整變送器的零點。W₂和R₃起調整放大器轉換系數的作用，即起到了量程調整的作用。

AD693的輸入信號U_i為熱電偶所產生的熱電勢E_t與電橋的輸出信號U_BD的代數和，如果設AD693的轉換系數為K，可得變送器輸出與輸入之間的關系為

I_o=KU_i=KE_t+KI₁（R_Cu-R_W1）　　（3-76）

從式（3-76）可以看出：①變送器的輸出電流I_o與熱電偶的熱電勢E_t成正比關系；②R_Cu阻值隨溫度而變，合理選擇R_Cu的數值可使R_Cu隨溫度變化而引起的I₁R_Cu變化量近似等于熱電偶因冷端溫度變化所引起的熱電勢E_t的變化值，兩者互相抵消。

七、智能式溫度變送器

智能式溫度變送器有采用HART協議通信方式，也有采用現場總線通信方式，前者技術比較成熟，產品的種類也比較多；后者的產品近幾年才問世，國內尚處于研究開發階段。下面以SMART公司的TT302溫度變送器為例加以介紹。

TT302溫度變送器是一種符合FF通信協議的現場總線智能儀表，它可以與各種熱電偶或熱電阻配合使用測量溫度，具有量程范圍寬、精度高、環境溫度和振動影響小、抗干擾能力強、質量輕以及安裝維護方便等優點。

TT302溫度變送器主要由硬件部分和軟件部分兩部分構成。

1. TT302溫度變送器的硬件構成

TT302溫度變送器的硬件構成原理框圖如圖3-74所示，在結構上它由輸入板、主電路板和液晶顯示器組成。

（1）輸入板　輸入板包括多路轉換器、信號調理電路、A/D轉換器和隔離部分，其作用是將輸入信號轉換為二進制的數字信號，傳送給CPU，并實現輸入板與主電路板的隔離。

輸入板上的環境溫度傳感器用于熱電偶的冷端溫度補償。

（2）主電路板　主電路板包括微處理器系統、通信控制器、信號整形電路、本機調整部分和電源部分，它是變送器的核心部件。

（3）液晶顯示器　液晶顯示器是一個微功耗的顯示器，可以顯示四位半數字和五位字母，用于接收CPU的數據并加以顯示。

2. TT302溫度變送器的軟件構成

TT302溫度變送器的軟件分為系統程序和功能模塊兩大部分。系統程序使變送器各硬件電路能正常工作并實現所規定的功能，同時完成各組成部分之間的管理。功能模塊提供了各種功能，用戶可以選擇所需要的功能模塊以實現用戶所要求的功能。

TT302等一類智能式溫度變送器還有很多其他功能，用戶可以通過上位管理計算機或掛接在現場總線通信電纜上的手持式組態器，對變送器進行遠程組態，調用或刪除功能模塊；對于帶有液晶顯示的變送器，也可以使用磁性編程工具對變送器進行本地調整。

TT302溫度變送器還具有控制功能，其軟件中提供了多種與控制功能有關的功能模塊，用戶通過組態，可以實現所要求的控制策略。

八、測溫儀表的選用及安裝

1.溫度測量儀表的選用

（1）就地溫度儀表的選用

①精確度等級。

a.一般工業用溫度計：選用1.5級或1級。

b.精密測量用溫度計：選用0.5級或0.25級。

②測量范圍。

a.最高測量值不大于儀表測量范圍上限值90%，正常測量值在儀表測量范圍上限值的1/2左右。

b.壓力式溫度計測量值應在儀表測量范圍上限值的1/2～3/4之間。

③雙金屬溫度計。在滿足測量范圍、工作壓力和精確度的要求時，應被優先選用于就地顯示。

④壓力式溫度計。適用于-80℃以下低溫、無法近距離觀察、有振動及精確度要求不高的就地或就地盤顯示。

⑤玻璃溫度計。僅用于測量精確度較高、振動較小、無機械損傷、觀察方便的特殊場合。不得使用玻璃水銀溫度計。

（2）溫度檢測元件的選用

①根據溫度測量范圍，參照表3-12選用相應分度號的熱電偶、熱電阻或熱敏熱電阻。

②鎧裝式熱電偶適用于一般場合；鎧裝式熱電阻適用于無振動場合；熱敏熱電阻適用于測量反應速度快的場合。

（3）特殊場合適用的熱電偶、熱電阻

①溫度高于870℃、氫含量大于5%的還原性氣體、惰性氣體及真空場合，選用鎢錸熱電偶或吹氣熱電偶。

②設備、管道外壁和轉體表面溫度，選用端（表面）式、壓簧固定式或鎧裝熱電偶、熱電阻。

③含堅硬固體顆粒介質，選用耐磨熱電偶。

④在同一檢出（測）元件保護管中，要求多點測量時，選用多點（支）熱電偶。

⑤為了節省特殊保護管材料（如鉭），提高響應速度或要求檢出（測）元件彎曲安裝時可選用鎧裝熱電偶、熱電阻。

⑥高爐、熱風爐溫度測量，可選用高爐、熱風爐專用熱電偶。

2.測溫元件的安裝

接觸式測溫儀表所測得的溫度都是由測溫（感溫）元件來決定的。在正確選擇測溫元件和二次儀表之后，如不注意測溫元件的正確安裝，那么，測量精度仍得不到保證。工業上，一般是按下列要求進行安裝的。

（1）測溫元件的安裝要求

①在測量管道溫度時，應保證測溫元件與流體充分接觸，以減少測量誤差。因此，要求安裝時測溫元件應迎著被測介質流向插入，至少須與被測介質正交（成90°），切勿與被測介質形成順流。如圖3-75所示。

②測溫元件的感溫點應處于管道中流速最大處。一般來說，熱電偶、鉑電阻、銅電阻保護套管的末端應分別越過流束中心線5～10mm、50～70mm、25～30mm。

③測溫元件應有足夠的插入深度，以減小測量誤差。為此，測溫元件應斜插安裝或在彎頭處安裝，如圖3-76所示。

④若工藝管道過小（直徑小于80mm），安裝測溫元件處應接裝擴大管，如圖3-77所示。

⑤熱電偶、熱電阻的接線盒面蓋應向上，以避免雨水或其他液體、臟物進入接線盒中影響測量，如圖3-78所示。

⑥為了防止熱量散失，測溫元件應插在有保溫層的管道或設備處。

⑦測溫元件安裝在負壓管道中時，必須保證其密封性，以防外界冷空氣進入，使讀數降低。

（2）布線要求

①按照規定的型號配用熱電偶的補償導線，注意熱電偶的正、負極與補償導線的正、負極相連接，不要接錯。

②熱電阻的線路電阻一定要符合所配二次儀表的要求。

③為了保護連接導線與補償導線不受外來的機械損傷，應把連接導線或補償導線穿入鋼管內或走槽板。

④導線應盡量避免有接頭。應有良好的絕緣。禁止與交流輸電線合用一根穿線管，以免引起感應。

⑤導線應盡量避開交流動力電線。

⑥補償導線不應有中間接頭，否則應加裝接線盒。另外，最好與其他導線分開敷設。