第五節(jié)　溫度檢測(cè)及儀表

溫度是表征物體冷熱程度的物理量。是各種工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中最普遍而重要的操作參數(shù)。除此之外，在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)中也是不可缺少的。

在化工生產(chǎn)中，溫度的測(cè)量與控制有著重要的作用。眾所周知，任何一種化工生產(chǎn)過程都伴隨著物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)的改變，都必然有能量的交換和轉(zhuǎn)化，其中最普遍的交換形式是熱交換形式。因此，化工生產(chǎn)的各種工藝過程都是在一定的溫度下進(jìn)行的。例如精餾塔的精餾過程中，對(duì)精餾塔的進(jìn)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(shù)值上。又如N₂和H₂合成NH₃的反應(yīng)，在觸媒存在的條件下，反應(yīng)的溫度是500℃。否則產(chǎn)品不合格，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生事故。因此說，溫度的測(cè)量與控制是保證化學(xué)反應(yīng)過程正常進(jìn)行與安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

一、溫度檢測(cè)方法

溫度不能直接測(cè)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(zhì)隨冷熱程度不同而變化的特性來加以間接測(cè)量。

任意兩個(gè)冷熱程度不同的物體相接觸，必然要發(fā)生熱交換現(xiàn)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(dá)到熱平衡狀態(tài)為止。利用這一原理，就可以選擇某一物體同被測(cè)物體相接觸，并進(jìn)行熱交換，當(dāng)兩者達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，選擇物體與被測(cè)物體溫度相等。于是，可以通過測(cè)量選擇物體的某一物理量（如液體的體積、導(dǎo)體的電量等），便可以定量地給出被測(cè)物體的溫度數(shù)值。以上就是接觸測(cè)溫法。也可以利用熱輻射原理，來進(jìn)行非接觸測(cè)溫。

溫度測(cè)量范圍甚廣，有的處于接近絕對(duì)零度的低溫，有的要在幾千度的高溫下進(jìn)行，這樣寬的測(cè)量范圍，需用各種不同的測(cè)溫方法和測(cè)溫儀表。若按使用的測(cè)量范圍分，常把測(cè)量600℃以上的測(cè)溫儀表稱為高溫計(jì)，把測(cè)量600℃以下的測(cè)溫儀表稱為溫度計(jì)。若按用途分，可分為標(biāo)準(zhǔn)儀表、實(shí)用儀表。若按工作原理分，則分為膨脹式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)和輻射高溫計(jì)五類。若按測(cè)量方式分，則可分為接觸式與非接觸式兩大類。前者測(cè)溫元件直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，這樣可以使被測(cè)介質(zhì)與測(cè)溫元件進(jìn)行充分的熱交換，而達(dá)到測(cè)溫目的；后者測(cè)溫元件與被測(cè)介質(zhì)不相接觸，通過輻射或?qū)α鲗?shí)現(xiàn)熱交換來達(dá)到測(cè)溫的目的。現(xiàn)按測(cè)量方式分類見表3-7。

先簡(jiǎn)單介紹幾種溫度計(jì)。

1.膨脹式溫度計(jì)

膨脹式溫度計(jì)是基于物體受熱時(shí)體積膨脹的性質(zhì)而制成的。玻璃管溫度計(jì)屬于液體膨脹式溫度計(jì)，雙金屬溫度計(jì)屬于固體膨脹式溫度計(jì)。

雙金屬溫度計(jì)中的感溫元件是用兩片線膨脹系數(shù)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(zhǎng)度不同而產(chǎn)生彎曲，如圖3-51所示。溫度越高產(chǎn)生的線膨脹長(zhǎng)度差就越大，因而引起彎曲的角度就越大，雙金屬溫度計(jì)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(hù)套管，當(dāng)溫度變化時(shí)，螺旋的自由端便圍繞著中心軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)指針在刻度盤上指示出相應(yīng)的溫度數(shù)值。

圖3-52是一種雙金屬溫度信號(hào)器的示意圖。當(dāng)溫度變化時(shí)，雙金屬片1產(chǎn)生彎曲，且與調(diào)節(jié)螺釘相接觸，使電路接通，信號(hào)燈4便發(fā)亮。如以繼電器代替信號(hào)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(diào)節(jié)螺釘2與雙金屬片1之間的距離來調(diào)整。若以電鈴代替信號(hào)燈便可以作為另一種雙金屬溫度信號(hào)報(bào)警器。

2.壓力式溫度計(jì)

應(yīng)用壓力隨溫度的變化來測(cè)溫的儀表叫壓力式溫度計(jì)。它是根據(jù)在封閉系統(tǒng)中的液體、氣體或低沸點(diǎn)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(cè)量這種變化，從而測(cè)得溫度。

壓力式溫度計(jì)的構(gòu)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(cè)介質(zhì)相接觸來感受溫度變化的元件，因此要求它具有高的強(qiáng)度，小的膨脹系數(shù)，高的熱導(dǎo)率以及抗腐蝕等性能。根據(jù)所充工作物質(zhì)和被測(cè)介質(zhì)的不同，溫包可用銅合金、鋼或不銹鋼來制造。

（2）毛細(xì)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(nèi)徑為0.15～0.5mm。如果它的直徑越細(xì)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則傳遞壓力的滯后現(xiàn)象就越嚴(yán)重。也就是說，溫度計(jì)對(duì)被測(cè)溫度的反應(yīng)越遲鈍。然而，在同樣的長(zhǎng)度下毛細(xì)管越細(xì)，儀表的精度就越高。毛細(xì)管容易被破壞，折斷，因此，必須加以保護(hù)。對(duì)不經(jīng)常彎曲的毛細(xì)管可用金屬軟管做保護(hù)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(jì)

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

在化工生產(chǎn)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(cè)量溫度。

下面就主要介紹熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)和光纖溫度傳感器。

二、熱電偶溫度計(jì)

熱電偶溫度計(jì)是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的測(cè)溫儀表。它的測(cè)量范圍很廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫準(zhǔn)確可靠，便于信號(hào)的遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄和集中控制，因而在化工生產(chǎn)中應(yīng)用極為普遍。

熱電偶溫度計(jì)是由三部分組成：熱電偶（感溫元件）；測(cè)量?jī)x表（毫伏計(jì)或電位差計(jì)）；連接熱電偶和測(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線（補(bǔ)償導(dǎo)線及銅導(dǎo)線）。圖3-54是熱電偶溫度計(jì)最簡(jiǎn)單測(cè)溫系統(tǒng)的示意圖。

1.熱電偶

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

（1）熱電現(xiàn)象及測(cè)溫原理　先用一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，來建立對(duì)熱電偶熱電現(xiàn)象的感性認(rèn)識(shí)。取兩根不同材料的金屬導(dǎo)線A和B，將其兩端焊在一起，這樣就組成了一個(gè)閉合回路。如將其一端加熱，就是使其接點(diǎn)1處的溫度t高于接點(diǎn)2處的溫度t₀，那么在此閉合回路中就有熱電勢(shì)產(chǎn)生，如圖3-56（a）所示。如果在此回路中串接一只直流毫伏計(jì)（將金屬B斷開接入毫伏計(jì)，或者在兩金屬線的t₀接頭處斷開接入毫伏計(jì)均可），如圖3-56（b）、（c）所示，就可見到毫伏計(jì)中有電勢(shì)指示，這種現(xiàn)象就稱為熱電現(xiàn)象。

下面就分析一下為什么會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)呢？從物理學(xué)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(nèi)的自由電子數(shù)是不同的。假設(shè)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(qiáng)也大。正因?yàn)檫@樣，當(dāng)兩種金屬相接觸時(shí)，在兩種金屬的交界處，電子從A擴(kuò)散到B多于從B擴(kuò)散到A。而原來自由電子處于金屬A這個(gè)統(tǒng)一體時(shí)，統(tǒng)一體是呈中性不帶電的，當(dāng)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(fù)電。但這種擴(kuò)散遷移是不會(huì)無限制地進(jìn)行的。因?yàn)檫w移的結(jié)果就在兩金屬的接觸面兩側(cè)形成了一個(gè)偶電層，這一偶電層的電場(chǎng)方向由A指向B，它的作用是阻止自由電子進(jìn)一步擴(kuò)散的。這就是說，由于電子密度的不平衡而引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散的結(jié)果產(chǎn)生了靜電場(chǎng)，這靜電場(chǎng)的存在又成為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻力，這兩者是互相對(duì)立的。開始的時(shí)候，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，靜電場(chǎng)的作用就加強(qiáng)，反而使電子沿反方向運(yùn)動(dòng)。結(jié)果當(dāng)擴(kuò)散進(jìn)行到一定程度時(shí)，壓強(qiáng)差的作用與靜電場(chǎng)的作用相互抵消，擴(kuò)散與反擴(kuò)散建立了暫時(shí)的平衡。圖3-57（a）表示兩金屬接觸面上將發(fā)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(chǎng)及電勢(shì)差e_AB，圖3-57（b）表示電子流達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)的情況。這時(shí)的接觸電勢(shì)差，僅和兩金屬的材料及接觸點(diǎn)的溫度有關(guān)，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(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度也增加，因而接觸電動(dòng)勢(shì)也增高。由于這個(gè)電勢(shì)大小，在熱電偶材料確定后只和溫度有關(guān)，故稱為熱電勢(shì)，記作e_AB（t），注腳A表示正極金屬，注腳B表示負(fù)極金屬，如果下標(biāo)次序改為BA，則e前面的符號(hào)亦應(yīng)相應(yīng)的改變，即e_AB（t）=-e_BA（t）。

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

圖3-58（a）表示兩金屬的接點(diǎn)溫度不同，設(shè)t>t₀，由于兩金屬的接點(diǎn)溫度不同，就產(chǎn)生了兩個(gè)大小不等、方向相反的熱電勢(shì)e_AB（t）和e_AB（t₀）。必須注意，對(duì)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(dòng)能不同，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電勢(shì)。但由于溫差電勢(shì)遠(yuǎn)小于接觸熱電勢(shì)，因此常常把它忽略不計(jì)。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(shì)E（t，t₀）應(yīng)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(shì)E（t，t₀）等于熱電偶兩接點(diǎn)熱電勢(shì)的代數(shù)和。當(dāng)A、B材料固定后，熱電勢(shì)是接點(diǎn)溫度t和t₀的函數(shù)之差。如果一端溫度t₀保持不變，即e_AB（t₀）為常數(shù)，則熱電勢(shì)e_AB（t，t₀）就成為溫度t的單值函數(shù)了，而和熱電偶的長(zhǎng)短及直徑無關(guān)。這樣，只要測(cè)出熱電勢(shì)的大小，就能判斷測(cè)溫點(diǎn)溫度的高低，這就是利用熱電現(xiàn)象來測(cè)溫的原理。

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

（2）插入第三種導(dǎo)線的問題　利用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，必須要用某些儀表來測(cè)量熱電勢(shì)的數(shù)值，如圖3-59所示。而測(cè)量?jī)x表往往要遠(yuǎn)離測(cè)溫點(diǎn)，這就要接入連接導(dǎo)線C，這樣就在AB所組成的熱電偶回路中加入了第三種導(dǎo)線，而第三種導(dǎo)線的接入又構(gòu)成了新的接點(diǎn)，如圖3-59（a）中點(diǎn)3和點(diǎn)4，圖3-59（b）中的點(diǎn)2和點(diǎn)3，這樣引入第三種導(dǎo)線會(huì)不會(huì)影響熱電偶的熱電勢(shì)呢？

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

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

因?yàn)?/p>

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(shì)與沒有接入第三種導(dǎo)線一樣。

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

E_t=e_AB（t）+e_BC（t₀）+e_CA（t₀）　　（3-69）

根據(jù)能量守恒原理可知，多種金屬組成的閉合回路內(nèi)，盡管它們材料不同，只要各接點(diǎn)溫度相等，則此閉合回路內(nèi)的總電勢(shì)等于零。若將A、B、C三種金屬絲組成一個(gè)閉合回路，各接點(diǎn)溫度相同（都等于t₀），則回路內(nèi)的總熱電勢(shì)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(jié)果也和式（3-64）相同，可見也與沒有接入第三種導(dǎo)線的熱電勢(shì)一樣。

這就說明在熱電偶回路中接入第三種金屬導(dǎo)線對(duì)原熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)數(shù)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(dǎo)線，只要引入線兩端溫度相同，也不影響熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)數(shù)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(shí)際情況并非如此，對(duì)它們還必須進(jìn)行嚴(yán)格的選擇。工業(yè)上對(duì)熱電極材料應(yīng)滿足以下要求：溫度每增加1℃時(shí)所能產(chǎn)生的熱電勢(shì)要大，而且熱電勢(shì)與溫度應(yīng)盡可能呈線性關(guān)系；物理穩(wěn)定性要高，即在測(cè)溫范圍內(nèi)其熱電性質(zhì)不隨時(shí)間而變化，以保證與其配套使用的溫度計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性；化學(xué)穩(wěn)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(fù)現(xiàn)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(zhì)稱復(fù)現(xiàn)性），這樣便于成批生產(chǎn)，而且在應(yīng)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(guó)際上被公認(rèn)的比較好的熱電極材料只有幾種，這些材料是經(jīng)過精選而且標(biāo)準(zhǔn)化了的，它們分別被應(yīng)用在各溫度范圍內(nèi)，測(cè)量效果良好。

工業(yè)上最常用的（已標(biāo)準(zhǔn)化）幾種熱電偶測(cè)量范圍及使用特點(diǎn)如表3-8所示。

各種熱電偶熱電勢(shì)與溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系都可以從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)的該熱電偶，用它的分度號(hào)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(cè)量的鎢錸熱電偶；用于超低溫測(cè)量的鎳鉻-金鐵熱電偶；非金屬熱電偶等。

（4）熱電偶的結(jié)構(gòu)　熱電偶廣泛地應(yīng)用在各種條件下的溫度測(cè)量。根據(jù)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(jié)構(gòu)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(hù)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(jià)格、機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率以及熱電偶的用途和測(cè)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(xì)絲，普通金屬電極絲的直徑一般為0.5～3.2mm。其長(zhǎng)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(jié)構(gòu)形式通常有單孔管、雙孔管及四孔管等。

保護(hù)套管是套在熱電極、絕緣子的外邊，其作用是保護(hù)熱電極不受化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷。保護(hù)套管材料的選擇一般根據(jù)測(cè)溫范圍、插入深度以及測(cè)溫的時(shí)間常數(shù)等因素來決定。對(duì)保護(hù)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(dǎo)系數(shù)。其結(jié)構(gòu)一般有螺紋式和法蘭式兩種。常用保護(hù)套管的材料如表3-10所示。

接線盒是供熱電極和補(bǔ)償導(dǎo)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(jìn)入熱電偶保護(hù)套管內(nèi)，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(nèi)用于連接熱電極和補(bǔ)償導(dǎo)線的螺絲必須固緊。以免產(chǎn)生較大的接觸電阻而影響測(cè)量的準(zhǔn)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(jīng)過復(fù)合拉伸成型，然后將端部偶絲焊接成光滑球狀結(jié)構(gòu)。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(zhǎng)度可為50m。

鎧裝熱電偶具有反應(yīng)速度快、使用方便、可彎曲、氣密性好、不怕振、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用較多并正在推廣的一種結(jié)構(gòu)。

③表面型熱電偶　常用的結(jié)構(gòu)形式是利用真空鍍膜法將兩電極材料蒸鍍?cè)诮^緣基底上的薄膜熱電偶，專門用來測(cè)量物體表面溫度的一種特殊熱電偶，其特點(diǎn)：反應(yīng)速度極快、熱慣性極小。

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

熱電偶的結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)它的用途和安裝位置來確定。在熱電偶選型時(shí)，要注意三個(gè)方面：熱電極的材料；保護(hù)套管的結(jié)構(gòu)，材料及耐壓強(qiáng)度；保護(hù)套管的插入深度。

2.補(bǔ)償導(dǎo)線的選用

由熱電偶測(cè)溫原理知道，只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(huán)境溫度波動(dòng)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(dāng)然可以把熱電偶做得很長(zhǎng)，使冷端遠(yuǎn)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(jīng)濟(jì)的。解決這個(gè)問題的方法是采用一種專用導(dǎo)線，將熱電偶的冷端延伸出來，如圖3-61所示。這種專用導(dǎo)線稱為“補(bǔ)償導(dǎo)線”。它也是由兩種不同性質(zhì)的金屬材料制成，在一定溫度范圍內(nèi)（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(jià)金屬。不同熱電偶所用的補(bǔ)償導(dǎo)線也不同，對(duì)于鎳鉻-考銅等一類用廉價(jià)金屬制成的熱電偶，則可用其本身材料作補(bǔ)償導(dǎo)線。

在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，要注意型號(hào)相配，各種型號(hào)熱電偶所配用的補(bǔ)償導(dǎo)線的材料列于表3-11；極性不能接錯(cuò)，熱電偶的正、負(fù)極分別與補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極相接；熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接端所處的溫度不應(yīng)超過100℃。

3.冷端溫度的補(bǔ)償

采用補(bǔ)償導(dǎo)線后，把熱電偶的冷端從溫度較高和不穩(wěn)定的地方，延伸到溫度較低和比較穩(wěn)定的操作室內(nèi)，但冷端溫度還不是0℃。而工業(yè)上常用的各種熱電偶的溫度-熱電勢(shì)關(guān)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(jù)這一關(guān)系曲線進(jìn)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(shí)，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)必然偏小。且測(cè)量值也隨著冷端溫度變化而變化，這樣測(cè)量結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，在應(yīng)用熱電偶測(cè)溫時(shí)，只有將冷端溫度保持為0℃，或者是進(jìn)行一定的修正才能得出準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。這樣做，就稱為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)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(gè)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(shù)用在實(shí)驗(yàn)室中。

（2）冷端溫度修正方法　在實(shí)際生產(chǎn)中，冷端溫度往往不是0℃，而是某一溫度t₁，這就引起測(cè)量誤差。因此，必須對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正。

例如，某一設(shè)備的實(shí)際溫度為t，其冷端溫度為t₁，這時(shí)測(cè)得的熱電勢(shì)為E（t，t₁）。為求得實(shí)際t的溫度，可利用下式進(jìn)行修正，即

E（t，0）=E（t，t₁）+E（t₁，0）

因?yàn)?/p>

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(cè)得的熱電勢(shì)E（t，t₁），加上熱端為室溫t₁，冷端為0℃時(shí)的熱電偶的熱電勢(shì)E（t₁，0），才能得到實(shí)際溫度下的熱電勢(shì)E（t，0）。

例6　用鎳鉻-銅鎳熱電偶測(cè)量某加熱爐的溫度。測(cè)得的熱電勢(shì)E（t，t₁）=66982μV，而自由端的溫度t₁=30℃，求被測(cè)的實(shí)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(duì)應(yīng)的溫度為900℃。

由于熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系都是非線性的（當(dāng)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(shí)，將所測(cè)得熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度值加上自由端的溫度，并不等于實(shí)際的被測(cè)溫度。譬如在上例中，測(cè)得的熱電勢(shì)為66982μV，由附錄三可查得對(duì)應(yīng)溫度為876.6℃，如果再加上自由端溫度30℃，則為906.6℃，這與實(shí)際被測(cè)溫度有一定誤差。其實(shí)際熱電勢(shì)與溫度之間的非線性程度越嚴(yán)重，則誤差就越大。

應(yīng)當(dāng)指出，用計(jì)算的方法來修正冷端溫度，是指冷端溫度內(nèi)恒定值時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。該方法只適用于實(shí)驗(yàn)室或臨時(shí)測(cè)溫，在連續(xù)測(cè)量中顯然是不實(shí)用的。

（3）校正儀表零點(diǎn)法　一般儀表未工作時(shí)指針應(yīng)指在零位上（機(jī)械零點(diǎn)）。若采用測(cè)溫元件為熱電偶時(shí)，要使測(cè)溫時(shí)指示值不偏低，可預(yù)先將儀表指針調(diào)整到相當(dāng)于室溫的數(shù)值上（這是因?yàn)閷⒀a(bǔ)償導(dǎo)線一直引入到顯示儀表的輸入端，這時(shí)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(jiǎn)單，故在工業(yè)上也經(jīng)常應(yīng)用。但必須明確指出，這種方法由于室溫也在經(jīng)常變化，所以只能在測(cè)溫要求不太高的場(chǎng)合下應(yīng)用。

（4）補(bǔ)償電橋法　補(bǔ)償電橋法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的電勢(shì)，來補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，如圖3-63所示。不平衡電橋（又稱補(bǔ)償電橋或冷端溫度補(bǔ)償器）由R₁、R₂、R₃（錳銅絲繞制）和R_t（銅絲繞制）四個(gè)橋臂和穩(wěn)壓電源所組成，串聯(lián)在熱電偶測(cè)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(shí)處于平衡，即，此時(shí)，對(duì)角線a、b兩點(diǎn)電位相等，即U_ab=0，電橋?qū)x表的讀數(shù)無影響。當(dāng)周圍環(huán)境高于20℃時(shí)，熱電偶因冷端溫度升高而使熱電勢(shì)減弱。而與此同時(shí)，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(shí)，使a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，在對(duì)角線a、b間輸出一個(gè)不平衡電壓U_ab，并與熱電偶的熱電勢(shì)相疊加，一起送入測(cè)量?jī)x表。如適當(dāng)選擇橋臂電阻和電流的數(shù)值，可以使電橋產(chǎn)生的不平衡電壓U_ab正好補(bǔ)償由于冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，儀表即可指示出正確的溫度。

應(yīng)當(dāng)指出，由于電橋是在20℃時(shí)平衡的，所以采用這種補(bǔ)償電橋時(shí)須把儀表的機(jī)械零位預(yù)先調(diào)到20℃處。如果補(bǔ)償電橋是在0℃時(shí)平衡設(shè)計(jì)的（DDZ-Ⅱ型溫度變送器中的補(bǔ)償電橋），則儀表零位應(yīng)調(diào)在0℃處。

（5）補(bǔ)償熱電偶法　在實(shí)際生產(chǎn)中，為了節(jié)省補(bǔ)償導(dǎo)線和投資費(fèi)用，常用多支熱電偶而配用一臺(tái)測(cè)溫儀表，其接線如圖3-64所示。轉(zhuǎn)換開關(guān)（切換開關(guān)）用來實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間歇測(cè)量；CD是補(bǔ)償熱電偶，它的熱電極材料可以與測(cè)量熱電偶相同，也可以是測(cè)量熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，設(shè)置補(bǔ)償熱電偶是為了使多支熱電偶的冷端溫度保持恒定。為達(dá)到此目的，將一支補(bǔ)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(gè)接線盒中。這時(shí)測(cè)溫儀表的指示值則為E（t，t₀）所對(duì)應(yīng)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(jì)

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

熱電阻溫度計(jì)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(dǎo)線所組成。如圖3-65所示。值得注意的是連接導(dǎo)線采用三線制接法。

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

1.測(cè)溫原理

熱電阻溫度計(jì)是利用金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性（電阻溫度效應(yīng)）來進(jìn)行溫度測(cè)量的。對(duì)于呈線性特性的電阻來說，其電阻值與溫度關(guān)系如下式

　　（3-72）

　　（3-73）

式中，R_t是溫度為t℃時(shí)的電阻值；是溫度為t₀（通常為0℃）時(shí)的電阻值；α是電阻溫度系數(shù)；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(dǎo)致了金屬導(dǎo)體電阻的變化。這樣只要設(shè)法測(cè)出電阻值的變化，就可達(dá)到溫度測(cè)量的目的。

由此可知，熱電阻溫度計(jì)與熱電偶溫度計(jì)的測(cè)量原理是不相同的。熱電阻溫度計(jì)是把溫度的變化通過測(cè)溫元件——熱電阻轉(zhuǎn)換為電阻值的變化來測(cè)量溫度的；而熱電偶溫度計(jì)則把溫度的變化通過測(cè)溫元件——熱電偶轉(zhuǎn)化為熱電勢(shì)的變化來測(cè)量溫度的。

熱電阻溫度計(jì)適用于測(cè)量-200～+500℃范圍內(nèi)液體、氣體、蒸汽及固體表面的溫度。它與熱電偶溫度計(jì)一樣，也是有遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。另外熱電阻的輸出信號(hào)大，測(cè)量準(zhǔn)確。

2.工業(yè)常用熱電阻

雖然大多數(shù)金屬導(dǎo)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(cè)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(shù)、電阻率要大；熱容量要小；在整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)和良好的復(fù)制性；電阻值隨溫度的變化關(guān)系，最好呈線性。

但是，要完全符合上述要求的熱電阻材料實(shí)際上是有困難的。根據(jù)具體情況，目前應(yīng)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(zhì)中，甚至在高溫下其物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。但在還原性介質(zhì)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(guān)系。因此，要特別注意保護(hù)。

在0～650℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻與溫度的關(guān)系為

R_t=R₀（1+At+Bt²+Ct³）　　（3-74）

式中，R_t是溫度為t℃時(shí)的電阻值；R₀是溫度為0℃時(shí)的電阻值。

A、B、C是常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)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(guān)系時(shí)，首先要確定R₀的大小，不同的，則R_t-t的關(guān)系也不同。這種R_t-t的關(guān)系稱為分度表，用分度號(hào)來表示。

工業(yè)上常用的鉑電阻有兩種，一種是R₀=10Ω，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Pt10。另一種是R₀=100Ω，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Pt100（見附錄五）。

（2）銅電阻　金屬銅易加工提純，價(jià)格便宜；它的電阻溫度系數(shù)很大，且電阻與溫度呈線性關(guān)系；在測(cè)溫范圍為-50～+150℃內(nèi)，具有很好的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)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(xì)，長(zhǎng)度也要較長(zhǎng)，這樣銅電阻體就較大，機(jī)械強(qiáng)度也降低。

在-50～+150℃的范圍內(nèi)，銅電阻與溫度的關(guān)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(shù)（4.25×10^-3/℃）。

其他符號(hào)同式（3-72）所示。

工業(yè)上用的銅電阻有兩種，一種是R₀=50Ω，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Cu50（見附錄六）。另一種是R₀=100Ω，對(duì)應(yīng)的分度號(hào)為Cu100（見附錄七）。

3.熱電阻的結(jié)構(gòu)

熱電阻的結(jié)構(gòu)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(hù)套管和接線盒等主要部件所組成。其中保護(hù)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(jié)構(gòu)。

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(gè)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(shí)，電阻絲應(yīng)該不產(chǎn)生附加應(yīng)力。目前，用來繞制電阻絲的支架一般有三種構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶒?yàn)室用的鉑電阻體的支架。

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

（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(zhì)而構(gòu)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(diǎn)是靈敏度高；電絕緣性能好，可適用于強(qiáng)烈電磁干擾、強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境；體積小、重量輕、可彎曲；可實(shí)現(xiàn)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(lǐng)域得到應(yīng)用。

光纖傳感器由光發(fā)送器、光源、光纖（含敏感元件）、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)和各種連接件等部分構(gòu)成，如圖3-67所示。由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)過源光纖引導(dǎo)到敏感元件。在這里，光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)由接收光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到所期待的被測(cè)量。

從本質(zhì)上分析，光就是一種電磁波，其波長(zhǎng)范圍從極遠(yuǎn)紅外的1mm到極遠(yuǎn)紫外的10mm。電磁波的物理作用和生物化學(xué)作用主要是因?yàn)槠渲械碾妶?chǎng)而引起。因此，必須要考慮光的電矢量振動(dòng)問題。只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或者說受到被測(cè)量的調(diào)制，則有可能通過對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，從而獲得所需要的被測(cè)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(cè)量的變化，光纖既是傳輸介質(zhì)，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(cè)量的變化，光纖僅作為光信號(hào)的傳輸介質(zhì)。

非功能型光纖溫度傳感器在實(shí)際測(cè)溫中得到較多的應(yīng)用，并有多種類型，已實(shí)用化的溫度計(jì)有液晶光纖溫度傳感器、熒光光纖溫度傳感器、半導(dǎo)體光纖溫度傳感器和光纖輻射溫度計(jì)等。

1.液晶光纖測(cè)溫

液晶光纖溫度傳感器是利用液晶的“熱色”效應(yīng)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(cè)量光強(qiáng)變化可知相應(yīng)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(cè)溫范圍可在-50～250℃之間。

2.熒光光纖測(cè)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(qiáng)度隨溫度而變化，或熒光強(qiáng)度的衰變速度隨溫度而變化的特性，前者稱熒光強(qiáng)度型，后者稱熒光余輝型。其結(jié)構(gòu)是在光纖頭部粘接熒光材料，用紫外線進(jìn)行激勵(lì)，熒光材料將會(huì)發(fā)出熒光，檢測(cè)熒光強(qiáng)度就可以檢測(cè)溫度。熒光強(qiáng)度型傳感器的測(cè)溫范圍為-50～200℃；熒光余輝型溫度傳感器的測(cè)溫范圍為-50～250℃。

3.半導(dǎo)體光纖測(cè)溫

半導(dǎo)體光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體的光吸收響應(yīng)隨溫度而變化的特性，根據(jù)透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)變化檢測(cè)溫度。溫度變化時(shí)，半導(dǎo)體的透光率曲線也隨之變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，特性曲線將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，在光源的光譜處于λ_g附近的特定入射波長(zhǎng)的波段內(nèi)，其透過光強(qiáng)將減弱，測(cè)出光強(qiáng)變化就可知對(duì)應(yīng)的溫度變化。半導(dǎo)體光纖溫度傳感器構(gòu)成的溫度計(jì)的測(cè)溫范圍為-30～300℃。

4.光纖輻射測(cè)溫

光纖輻射溫度計(jì)的工作原理和分類與普通的輻射測(cè)溫儀表類似，它可以接近或接觸目標(biāo)進(jìn)行測(cè)溫。目前，因受光纖傳輸能力的限制，其工作波長(zhǎng)一般為短波，采用亮度法或比色法測(cè)量。

光纖輻射溫度計(jì)的光纖可以直接延伸為敏感探頭，也可以經(jīng)過耦合器，用剛性光導(dǎo)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(jì)的測(cè)溫范圍為200～4000℃，分辨力可達(dá)0.01℃，在高溫時(shí)精確度可優(yōu)于±0.2%讀數(shù)值，其探頭耐溫一般可達(dá)300℃，加冷卻后可達(dá)500℃。

五、電動(dòng)溫度變送器

DBW型溫度（溫差）變送器是DDZ-Ⅲ系列電動(dòng)單元組合式檢測(cè)調(diào)節(jié)儀表中的一個(gè)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(diǎn)間的溫差轉(zhuǎn)換成4～20mA和1～5V的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；又可與具有毫伏輸出的各種變送器配合，使其轉(zhuǎn)換成4～20mA和1～5V的統(tǒng)一輸出信號(hào)。然后，它和顯示單元、控制單元配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度或溫差及其他各種參數(shù)進(jìn)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(jìn)行比較，它具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)。

（1）線路上采用了安全火花型防爆措施，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)合中的溫度或毫伏信號(hào)測(cè)量。

（2）在熱電偶和熱電阻的溫度變送器中采用了線性化機(jī)構(gòu)，從而使變送器的輸出信號(hào)和被測(cè)溫度間呈線性關(guān)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(wěn)定性等各種技術(shù)性能。

溫度變送器是安裝在控制室內(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)換成4～20mA和1～5V的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。然后與顯示儀表或控制儀表配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示或控制。

熱電偶溫度變送器的結(jié)構(gòu)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(bǔ)償、調(diào)整零點(diǎn)。

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(dāng)冷端溫度變化時(shí)，R_Cu的電阻隨溫度的變化也變化，使電橋的兩端產(chǎn)生一個(gè)附加電壓。此電壓與熱電勢(shì)E_t串聯(lián)相加，只要R_Cu值選擇適當(dāng)，便可補(bǔ)償冷端溫度變化引起熱電勢(shì)E_t減少的值。應(yīng)當(dāng)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(bǔ)償。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于冷端溫度變化不大，這樣的補(bǔ)償也是可以的。

電橋的電源是穩(wěn)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(diào)電阻，電流I₂流過可調(diào)電阻R₄產(chǎn)生電壓，它與熱電勢(shì)E_t及R_Cu產(chǎn)生的電勢(shì)串聯(lián)，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(diǎn)。在DDZ-Ⅲ型溫度變送器中，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍是4～20mA。因此，在熱電勢(shì)為0時(shí)，應(yīng)由輸入橋路提供滿幅輸入電壓的20%，建立輸出的起點(diǎn)。

綜上所述，輸入電橋主要起兩個(gè)作用：熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)調(diào)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(hào)直接與被測(cè)溫度呈線性關(guān)系，以便顯示及控制，特別是便于和計(jì)算機(jī)配合，所以在溫度變送器中的反饋回路加入線性化電路，對(duì)熱電偶的非線性給予修正。因?yàn)闊犭娕籍a(chǎn)生的熱電勢(shì)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(jìn)行修正。如圖3-70所示。當(dāng)溫度較高時(shí)，熱電偶靈敏度偏高的區(qū)域，使負(fù)反饋?zhàn)饔脧?qiáng)一些，這樣以反饋電路的非線性補(bǔ)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(guān)系。值得注意的是，這種具有線性化機(jī)構(gòu)的溫度變送器在進(jìn)行量程變換時(shí)，其反饋的非線性特性必須作相應(yīng)的調(diào)整。

（3）放大電路　由于熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)數(shù)值很小，一般只有幾十或十幾毫伏，因此將它經(jīng)過多級(jí)放大后才能變換為高電平輸出。近年來由于集成運(yùn)算放大器的出現(xiàn)，溫度變送器采用了特殊的低漂移、高增益集成運(yùn)算放大器。又因?yàn)闇y(cè)量元件和傳輸線上經(jīng)常會(huì)受到各種干擾，故溫度變送器中的放大器還必須具有較強(qiáng)的抗干擾措施。集成運(yùn)算放大器輸出是電壓信號(hào)，而放大電路中功率放大器的作用是把運(yùn)算放大器輸出的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換成具有一定負(fù)載能力的電流輸出信號(hào)。同時(shí)，通過電流互感器實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換成4～20mA和1～5V的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。然后與顯示儀表或控制儀表配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的顯示或控制。

熱電阻溫度變送器的結(jié)構(gòu)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?qū)嵸|(zhì)上是一個(gè)不平衡電橋。熱電阻被接入其中一個(gè)橋臂，當(dāng)受溫度變化引起熱電阻阻值發(fā)生改變后，電橋就輸出一個(gè)不平衡電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)通過放大電路和反饋電路，便可以得到一個(gè)與輸入信號(hào)呈線性函數(shù)關(guān)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(cè)溫元件接線盒或?qū)Ｓ媒泳€盒內(nèi)的一種溫度變送器。其變送器模塊和測(cè)溫元件形成一個(gè)整體，可以直接安裝在被測(cè)工藝設(shè)備上，輸出為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。這種變送器具有體積小、質(zhì)量輕、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

一體化溫度變送器，由測(cè)溫元件和變送器模塊兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-72所示。變送器模塊把測(cè)溫元件的輸出信號(hào)E_t或R_t轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，主要是4～20mA的直流電流信號(hào)。

由于一體化溫度變送器直接安裝在現(xiàn)場(chǎng)，在一般情況下變送器模塊內(nèi)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(huì)發(fā)生變化，變送器將不能正常工作，因此在使用中應(yīng)特別注意變送器模塊所處的環(huán)境溫度。

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

AD693構(gòu)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(gè)冷端溫度補(bǔ)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(bǔ)償電阻，通過改變電位器W₁的阻值則可以調(diào)整變送器的零點(diǎn)。W₂和R₃起調(diào)整放大器轉(zhuǎn)換系數(shù)的作用，即起到了量程調(diào)整的作用。

AD693的輸入信號(hào)U_i為熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)E_t與電橋的輸出信號(hào)U_BD的代數(shù)和，如果設(shè)AD693的轉(zhuǎn)換系數(shù)為K，可得變送器輸出與輸入之間的關(guān)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(shì)E_t成正比關(guān)系；②R_Cu阻值隨溫度而變，合理選擇R_Cu的數(shù)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(shì)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(xié)議通信方式，也有采用現(xiàn)場(chǎng)總線通信方式，前者技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品的種類也比較多；后者的產(chǎn)品近幾年才問世，國(guó)內(nèi)尚處于研究開發(fā)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(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表，它可以與各種熱電偶或熱電阻配合使用測(cè)量溫度，具有量程范圍寬、精度高、環(huán)境溫度和振動(dòng)影響小、抗干擾能力強(qiáng)、質(zhì)量輕以及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

TT302溫度變送器主要由硬件部分和軟件部分兩部分構(gòu)成。

1. TT302溫度變送器的硬件構(gòu)成

TT302溫度變送器的硬件構(gòu)成原理框圖如圖3-74所示，在結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器和隔離部分，其作用是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，傳送給CPU，并實(shí)現(xiàn)輸入板與主電路板的隔離。

輸入板上的環(huán)境溫度傳感器用于熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。

（2）主電路板　主電路板包括微處理器系統(tǒng)、通信控制器、信號(hào)整形電路、本機(jī)調(diào)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(gè)微功耗的顯示器，可以顯示四位半數(shù)字和五位字母，用于接收CPU的數(shù)據(jù)并加以顯示。

2. TT302溫度變送器的軟件構(gòu)成

TT302溫度變送器的軟件分為系統(tǒng)程序和功能模塊兩大部分。系統(tǒng)程序使變送器各硬件電路能正常工作并實(shí)現(xiàn)所規(guī)定的功能，同時(shí)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(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)或掛接在現(xiàn)場(chǎng)總線通信電纜上的手持式組態(tài)器，對(duì)變送器進(jìn)行遠(yuǎn)程組態(tài)，調(diào)用或刪除功能模塊；對(duì)于帶有液晶顯示的變送器，也可以使用磁性編程工具對(duì)變送器進(jìn)行本地調(diào)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(guān)的功能模塊，用戶通過組態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)所要求的控制策略。

八、測(cè)溫儀表的選用及安裝

1.溫度測(cè)量?jī)x表的選用

（1）就地溫度儀表的選用

①精確度等級(jí)。

a.一般工業(yè)用溫度計(jì)：選用1.5級(jí)或1級(jí)。

b.精密測(cè)量用溫度計(jì)：選用0.5級(jí)或0.25級(jí)。

②測(cè)量范圍。

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

b.壓力式溫度計(jì)測(cè)量值應(yīng)在儀表測(cè)量范圍上限值的1/2～3/4之間。

③雙金屬溫度計(jì)。在滿足測(cè)量范圍、工作壓力和精確度的要求時(shí)，應(yīng)被優(yōu)先選用于就地顯示。

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

⑤玻璃溫度計(jì)。僅用于測(cè)量精確度較高、振動(dòng)較小、無機(jī)械損傷、觀察方便的特殊場(chǎng)合。不得使用玻璃水銀溫度計(jì)。

（2）溫度檢測(cè)元件的選用

①根據(jù)溫度測(cè)量范圍，參照表3-12選用相應(yīng)分度號(hào)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(chǎng)合；鎧裝式熱電阻適用于無振動(dòng)場(chǎng)合；熱敏熱電阻適用于測(cè)量反應(yīng)速度快的場(chǎng)合。

（3）特殊場(chǎng)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?qǐng)龊希x用鎢錸熱電偶或吹氣熱電偶。

②設(shè)備、管道外壁和轉(zhuǎn)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(jiān)硬固體顆粒介質(zhì)，選用耐磨熱電偶。

④在同一檢出（測(cè)）元件保護(hù)管中，要求多點(diǎn)測(cè)量時(shí)，選用多點(diǎn)（支）熱電偶。

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

⑥高爐、熱風(fēng)爐溫度測(cè)量，可選用高爐、熱風(fēng)爐專用熱電偶。

2.測(cè)溫元件的安裝

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

（1）測(cè)溫元件的安裝要求

①在測(cè)量管道溫度時(shí)，應(yīng)保證測(cè)溫元件與流體充分接觸，以減少測(cè)量誤差。因此，要求安裝時(shí)測(cè)溫元件應(yīng)迎著被測(cè)介質(zhì)流向插入，至少須與被測(cè)介質(zhì)正交（成90°），切勿與被測(cè)介質(zhì)形成順流。如圖3-75所示。

②測(cè)溫元件的感溫點(diǎn)應(yīng)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(hù)套管的末端應(yīng)分別越過流束中心線5～10mm、50～70mm、25～30mm。

③測(cè)溫元件應(yīng)有足夠的插入深度，以減小測(cè)量誤差。為此，測(cè)溫元件應(yīng)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(cè)溫元件處應(yīng)接裝擴(kuò)大管，如圖3-77所示。

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

⑥為了防止熱量散失，測(cè)溫元件應(yīng)插在有保溫層的管道或設(shè)備處。

⑦測(cè)溫元件安裝在負(fù)壓管道中時(shí)，必須保證其密封性，以防外界冷空氣進(jìn)入，使讀數(shù)降低。

（2）布線要求

①按照規(guī)定的型號(hào)配用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，注意熱電偶的正、負(fù)極與補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極相連接，不要接錯(cuò)。

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(hù)連接導(dǎo)線與補(bǔ)償導(dǎo)線不受外來的機(jī)械損傷，應(yīng)把連接導(dǎo)線或補(bǔ)償導(dǎo)線穿入鋼管內(nèi)或走槽板。

④導(dǎo)線應(yīng)盡量避免有接頭。應(yīng)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(yīng)。

⑤導(dǎo)線應(yīng)盡量避開交流動(dòng)力電線。

⑥補(bǔ)償導(dǎo)線不應(yīng)有中間接頭，否則應(yīng)加裝接線盒。另外，最好與其他導(dǎo)線分開敷設(shè)。