工业温度测量与控制技术：范围与方法

温度是表征物体冷热程度的物理量。在工业生产、工业自动化过程和各种机电一体化技术及产品中，温度是测量和控制的重要参数之一。

一、温标及测温方法分类

1. 国际实用温标和国际温标

衡量温度的标准尺度称温标。各种各样温度计的示值都是由温标决定的。

在温度计的发展史上，曾采用过几种温标，如摄氏温标、华氏温标、列氏温标和国际实用温标。随着生产和科学技术的发展，需要进一步完善和统一温标。1968年国际计量委员会在以往国际温标的基础上，提出了1968年国际实用温标，简称IPTS—68。我国自1973年1月1日起正式采用1968年国际实用温标。

1968年国际实用温标有国际实用开尔文温度和国际实用摄氏温度。国际实用开尔文温度用T表示，单位是开尔文（K）；国际实用摄氏温度用t表示，单位是摄氏度（℃）。两种温度的换算公式为

t（℃）＝T（K）－273.15K 　（9-12）

国际实用温标不断地接受评定，第18届国际计量大会和第77届国际计量委员会决定自1990年1月1日开始，国际上正式采用国际温标（ITS—90）。国际温标同时定义国际开尔文温度T（K）和国际摄氏温度t（℃），两者之间的换算关系同式（9-12）。我国将有计划、分阶段、逐步地实施国际温标（ITS—90）。

2. 测温方法分类

工业生产中广泛应用着各种测温方法。各种方法的测温原理、所用的感温元件、测量电路和使用方法都不尽相同，各种方法都有自己的特点和一定的使用范围。

（1）按测温原理和所用的感温元件不同，测温方法分为膨胀式、压力式、电阻式、热电式和辐射式五大类。

膨胀式温度计有玻璃温度计和双金属温度计，见图9-47。玻璃温度计是利用玻璃感温包内的测温物质（水银、酒精、甲苯、煤油等）热胀冷缩的原理来进行温度测量的。温度值用刻度显示，测温范围为﹣200～600℃。双金属温度计是采用膨胀系数不同的两种金属片牢固地粘合在一起作为感温元件，温度变化时，通过金属片的弯曲变形带动指针来指示相应的温度。其测温范围一般为-80～600℃。

图9-47 膨胀式温度计

（a）玻璃液体温度计 （b）双金属温度计

1—膨胀室；2—刻度； 1—指针；2—盘形双金属片；

3—毛细管；4—温包 3—螺旋形双金属片；4—轴承

压力式温度计是由温包、毛细管和弹簧管组成的一个封闭系统，里面充满感温物质，见图9-48。温包放入被测介质中，当温度发生变化时，封闭系统中的压力随之变化，通过弹簧管的变形带动指针指示相应的温度。其测温范围为—80～500℃

图9-48 压力式温度计

（a）结构图；（b）外形图

1—温包；2—毛细管；3—弹簧管；4—表头

电阻式温度计是利用金属或半导体的电阻值随温度的变化情况来显示相应的温度值。其输出信号是电阻值，测温范围一般在—200～600℃

热电式温度计是利用金属导体的热电效应，将温度转换为热电势输出。热电势的大小反映被测温度的高低，其测温范围可达—271～1800℃

以上几类测温方法所用的测温仪器，结构简单、使用方便、性能可靠、价格便宜，在工业生产中广泛应用。特别是电阻式和热电式测温方法，由于输出的是电量，因此可以通过导线从被测场所引出进行遥测和遥控。

辐射式测温方法是通过检测被测物体的热辐射强度来确定其温度的。辐射式测温法的测温范围宽、响应速度快，特别适合于高温测量。

此外，近些年来一些新技术也用到了测温领域，如光纤温度传感器、胶膜热电管温度测量仪等。

（2）按测温元件是否与被测物体接触，测温方法分为接触式测温方法和非接触式测温方法。

接触式测温法是将测温元件与被测物体直接接触，使两者进行热交换，达到热平衡后，测温元件的输出即为被测物体的温度值。使用膨胀式、压力式、电阻式和热电式温度计测温，都属于接触式测温方法。

在某些测温现场条件受到限制的情况下，如高温、腐蚀环境，被测物体处在运动状态，被测物体的热容量小等情况下，不允许测温元件直接接触被测物体，则可采用非接触式测温方法，如采用辐射式测温方法。

二、电阻式温度计

电阻式温度计的感温元件有金属丝制成的热电阻和半导体材料制成的热敏电阻两类。感温元件配上引出导线和显示仪表即组成了电阻式温度计

1. 金属热电阻温度计

图9-49所示为电阻温度计的基本组成，其关键部件是热电阻。按热电阻的构造不同，分普通热电阻和铠装热电阻。

图9-49 电阻阻温度计的组成

1—热电阻；2—连接导线；3—显示仪表

（1）普通热电阻由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件组成，结构如图9-50所示。其中，对电阻体的要求最高。电阻体由电阻丝和专用的骨架组成。

有许多金属材料可以用来制造有实用价值的热电阻丝。一般对热电阻丝的要求是：材料的电阻温度系数和电阻率要大，热容量要小；在测温范围内，物理和化学性质稳定；电阻随温度的变化最好呈线性关系；有良好的复制性，容易加工，价格便宜等。现在工业上广泛应用的有铂电阻和铜电阻，其次有铁、镍等金属丝制成的电阻。低温或超低温测量时还用到铟、锰、碳等材料。

工业用的热电阻是由国家统一按标准生产的标准化热电阻。它们具有规定的0℃电阻值R0和电阻温度系数，有一定的允许误差，有统一的电阻-温度关系表，有统一生产的配套仪表。标准化铂电阻（型号为WZP）一般用0.03～0.07mm的裸体铂丝绕制而成。其R0值有46Ω和100Ω两种，与之相应的电阻-温度关系表也有两种，分别用分度号Pt50和Pt100表示。配套的显示仪表和其他二次仪表也按相应的分度号选用。标准化铜电阻（型号为WZC）是用直径为0.1mm的漆包铜丝绕制而成。其R0值为53Ω，分度号为Cu50。铜电阻仅适合于在150℃以下的低温段使用，温度过高时易氧化。

电阻体的骨架用绝缘性能好、膨胀系数小、耐高温的材料制作，如云母、石英、陶瓷、玻璃、塑料、胶木等。铂电阻的骨架，在500℃以下常用云母或玻璃制成，在500℃以上常用石英制作。铜电阻的骨架则用塑料或胶木制作。铂电阻的骨架一般做成长平板形，铜电阻的骨架则一般做成圆柱形。

（2）铠装热电阻是将金属保护管、绝缘材料和电阻体三者组合在一起经冷拔、旋锻加工而成的新型热电阻，其结构见图9-51。与普通热电阻相比，铠装热电阻的测温时间响应快，时间常数小，抗冲击性能好，使用寿命长，而且测量头可以向任意方向弯曲。

（3）热电阻测量电路一般为电桥，即将热电阻作为一个桥臂接入桥路中，电桥的输出由表头显示。热电阻接桥方式有图9-52所示的两线制和三线制两种。两线制接法简单，但热电阻引线全部接入一个桥臂中，易产生附加电阻，引起测量误差。因此，应使引线电阻值大大低于R0值。三线制接法将两条引线电阻分别加到相邻两桥臂中，测量时可以自行补偿，消除由附加电阻引起的测量误差。

图9-50 热电阻的结构

1—接线盒；2—接线柱；3—接线座；4—保护管；5—绝缘子；6—电阻体

图9-51 铠装热电阻

1—电阻体；2—金属套管；3—引出线；4—绝缘材料

图9-52 热电阻测量线路

（a）两线制接线方式； （b）三线制接线方式

2.半导体电阻温度计

用半导体材料制成的热敏电阻，除了具有抗腐蚀、灵敏度高、响应快等优点外，而且体积小，制造工艺简单，价格便宜，可以制成各种形状，如珠形、杆形、圆形、薄片形等。图9-53所示为用珠形热敏电阻作感温元件的半导体点温计，常用来在现场测量﹣50～350℃范围内的“点”温、表面温度和快速变化的温度。点温计的工作原理如图9-54所示。热敏电阻Rt与R1、R2、R3组成电桥，R4为电桥输出校准电阻，R6为电桥输入电压调节电位器。先置开关K 在位置1上，调节R6使电表G的指针指到满刻度。测量时，转换开关K 到位置2上，由于此时Rt≠R4，电桥偏离初始状态，指针显示值即可表达由Rt检测到的温度值。

图9-53 半导体点温计

1—显示仪表；2—调整旋钮；3—连接导线；4—笔套；5—感温元件；6—测量笔；7—切换开关

图9-54 半导体点温计的工作原理

由于半导体热敏电阻的电阻值随温度变化呈非线性关系，而且温度较高时电阻变化率很小，热稳定性也差，因此测温范围有限，但在日常生活的温度计量方面该温度计得到了广泛应用，如用于家电产品、办公自动化产品、汽车产品等的温度测量和自动控制。

三、热电偶

热电偶是应用很普遍的一种接触式温度传感器，测量精度高，测温范围宽，能进行远距离和多点测量。热电偶传感器的工作原理见3-9节。

1.热电偶的基本类型

工业上通常选用一些热电性能好、物理和化学性能稳定、便于加工的金属材料来制造有实用价值的热电偶。目前已标准化的热电偶有铂铑-铂热电偶（型号WRP，测温范围0～1300℃）、镍铬-镍硅热电偶（型号WRN，测温范围0～900℃）、镍铬-考铜热电偶（型号WRK，测温范围0～600℃）和铂铑30-铂铑6热电偶（型号WRR，测温范围300～1600℃）。

热电偶的外形各式各样，但基本结构都相同，主要由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒等组成。图9-55所示为普通型工业热电偶的结构。同电阻式温度计一样，热电偶也可以做成铠装式。

2.热电偶冷端温度补偿办法(www.xing528.com)

由热电偶测温原理可知，使用热电偶时，为了使热电势与被测温度成单值关系，冷端温度应保持恒定。一般测温仪多是以冷端为0℃时刻度的，因此，使用时应使冷端保持为0℃，否则就要进行补偿和校正。

（1）冷端冰点恒温法，即将冷端放在盛有绝缘油的试管中，试管放入冰水混合的保温容器中，这样，冷端的温度可以恒定为0℃。这种方法精度高，但现场使用不方便，一般用于实验室环境中。近年来已研制出一种能使温度恒定在0℃的半导体致冷器件。

（2）计算校正法，即当冷端的温度不为0℃时，可以用其他温度计测出冷端的温度T0，然后从该热电偶分度表中查出冷端在T0时应该加上的校正值。由此可知，还可以采用非冰点恒温方法，只要使冷端保持一个恒定的温度即可。为了使用方便，对固定的测温场所，还可以根据校正值，将仪表先行调零，但这样会存在一定误差。

（3）补偿导线法，即将冷端用引出导线延长至温度波动很小的地方，再接入测量仪表。引出导线称补偿导线，它可以用廉价的金属制成，但要求在0～100℃范围内与所连热电偶材料具有相同的热电性能，使用时极性不能接错，否则会有测量误差。

图9-55 普通热电偶结构

1—盖；2—接线柱；3—盖的密封圈；4—接线盒；5—接线座；6—保护管；7—绝缘管；8—感温元件；9—出线孔密封圈；10—出线孔螺母；11—链条

（4）补偿电桥法，即在热电偶测温回路中串联一补偿电桥，如图9-56所示。补偿电桥的桥臂电阻为R1、R2、R3（由电阻温度系数小的锰铜丝绕制）和RCu（由电阻温度系数大的铜丝绕制），热电偶冷端和电桥处于相同的温度环境中。若电桥在0℃时已调平衡，则a、b两点的电位相等，电桥对热电偶的测量结果不会有影响；当冷端温度升高时，热电偶会产生附加热电势ΔEt。与此同时，电桥也会由于RCu阻值增大而产生不平衡电位差ΔEab。ΔEt与ΔEab极性相反，设计时，可以使ΔEt＝ΔEab，这样，电桥的电位差正好补偿了由于冷端温度变化所引起的测量误差。

图9-56 补偿电桥法

3.热电偶测量线路

图9-57表达了几种常用的基本测温线路。图（a）用于测量某点温度；图（b）是测两点间温差的线路，两支同型号的热电偶反向串联，则仪表的示值即为T1和T2的差值；图（c）和图（d）则是将几支同型号的热电偶的正、负极依次串联或正、负极分别并联在一起来测几点的平均温度；图（e）所示线路是在测量回路中接入与热电偶电动势极性相反的基准电动势，用以测量温度的偏差值。以上测温线路都采用与热电偶配套的动圈式仪表显示温度值。

图9-57 基本测温线路

图9-58是利用与热电偶配套的电子电位差计组成的自动测温显示系统原理。热电偶产生的热电势与测量桥路输出的已知电位差反向串接相比较，产生一个极性可正、可负的差值电压ΔU，经放大后驱动伺服电机正转或反转。伺服电机一方面驱动记录装置的记录笔运动，另一方面也带动桥路中滑线电阻的触点移动，使电位差逐渐与热电势平衡，直至ΔU＝0，伺服电机停止转动。当热电势又发生变化时，系统则重复上述过程，实现自动测量和记录。这种自动平衡式测量仪表，响应快、精度高、能连续记录，在工业生产和科研工作中应用广泛。

图9-58 自动电子电位差计测温系统

四、热辐射式测温方法

热辐射式测温方法是一种非接触式测温方法，它是以物体的热辐原理为理论依据的。常用类型有用于高温和可见光范围的热辐射温度计、用于低温和红外线范围的红外测温仪。

1.热辐射原理

任何受热物体都有一部分热能转变成辐射能，并以电磁波的形式向四周辐射。不同的物体是由不同的原子组成的，因此能发出不同波长的波。物体辐射波长的范围可以从γ射线一直到无线电波，其中能被其他物体吸收并重新转变为热能的波长范围有0.77～40μm的红外线和0.4～0.77μm的可见光。这部分射线又称作热射线，它们的传递过程称为热辐射。发热物体放出辐射能的多少与其温度有一定的关系，因此，热辐射现象可以被利用来测温。

物体不仅具有热辐射的能力，而且还具有吸收外界辐射热的能力。若物体能吸收落在该物体上的全部辐射能，而无任何透射和反射，则称该物体为绝对黑体，简称黑体。物体的辐射能力与其吸收能力成正比，因此，黑体也具有全波长辐射能力。经研究表明，黑体的全辐射能量与其绝对温度的4次方成正比，这个结论称全辐射定律。工程中的材料都不是黑体，它们只能吸收和辐射部分波长范围的辐射能，但仍遵循全辐射定律。与黑体比较，对工程材料还要考虑一个表明不同辐射能力的折算系数，即黑度ε（ε＜1），通常用实验方法测定。

根据全辐射定律设计的测温仪表有测量高温和可见光范围的全辐射高温计，以及测量低温和红外线范围的红外测温仪。

2. 全辐射式高温计

全辐射式高温计由辐射感温器、辅助装置和显示仪表三部分组成，其中主要部件是辐射感温器。图9-59所示为国产WFT-202型辐射感温器的结构。辐射能通过物镜聚焦在由多对热电偶串联而成的靶形热电堆上，被转换为热电势输出。为了更有效地吸收辐射热能，每对热电偶的热端在靶心位置上都焊在涂有铂黑的瓣形镍箔上，如图9-60所示。热电堆前装有补偿光栏，用来补偿热电偶冷端由于环境温度变化而引起的示值误差。补偿光栏是一组均匀分布的、由双金属片控制的遮光片，如图9-61所示。当环境温度超过设计温度时（一般为20℃），双金属片的弯曲变形会带动遮光片移动，使射入的辐射能增加。辅助装置主要是一些冷却、防护装置。显示仪表一般为动圈式或自动平衡式仪表。

全辐射式高温计通常用来测量100～2000℃范围内的温度，其结构简单，使用方便，性能稳定，输出电信号可以远传，对被测量没有干扰。但由于仪表的分度是以黑体的辐射能与温度之间的关系进行分度的，测量非绝对黑体时，示值温度将低于被测真实温度，因此，还要考虑被测体的黑度ε进行换算。

图9-59 WFT-202型辐射感温器结构

1—对物透镜；2—外壳；3—补偿光栏；4—座架；5—热电堆；6—接线柱；7—穿线套；8—盖；9—目镜

图9-60 热电堆结构

1—热电偶；2—云母环；3—靶心；4—烤铜箔；5—引出导线

图9-61 补偿光栏原理

1—遮光片；2—双金属片；3—热电堆

若用光敏电阻代替热电堆，则可制成光电式辐射高温计。因光敏电阻有一定的敏感光谱区间，所以该温度计又称为部分辐射高温计。

3.红外测温仪与红外热像仪

红外测温仪的原理与辐射高温计相同。其辐射感温器又称红外探测器，能将红外辐射能转化为电能。按转换原理分，探测器有热探测器和光子探测器。热探测器的感温元件有热电堆和热敏电阻；光子探测器的感温元件是光敏电阻。由于红外测温仪具有光谱选择性，因此属于部分辐射温度计。

图9-62是热敏电阻红外测温仪的工作原理框图。被测体的热辐射由光学系统聚焦，通过由两块扇形动、定光栅板组成的光栅盘后，变为一定频率的光能量落在热敏电阻探测器上。热敏电阻接入电桥，将光能量转换为交流电压信号，经放大后由显示或记录装置输出。调制电路控制动光栅板转动，以得到所需的调制光频率。

图9-62 热敏电阻红外测温仪

红外热像仪是在红外测温仪的基础上发展起来的一种新型测温仪器，它能将被测物体的温度分布情况转换成可视的二维热能图像，其工作原理如图9-63所示。与红外测温仪不同，热像仪的红外探测器中增加了一对能进行垂直和水平扫描的光学机械扫描器，扫描器在平面内对被测物体进行逐点扫描和测温。探测器将扫描获取的物体温度分布信息变换为按时序排列的电信号，信号经处理后送到视频显示器中显示出热能图像。红外热像仪可用于物体表面温度场的探测和研究。

图9-63 红外热像仪原理框图

20世纪70年代以来，红外测温技术和红外热像诊断技术在工程中得到愈来愈广泛的应用，取得了很好的效果。

五、机床温升测量

机床在加工过程中，所消耗的能量大部分转变为热能，分布到工件、刀具、切屑及机床的各个部位上。由于热源分布不均匀和机床结构的复杂性，在机床中将形成各部位温升不均匀的温度场，从而引起机床的热变形。统计表明，在现代机床加工工件的制造误差中，由热变形引起的误差比例高达50％以上。因此，对高精度机床、自动机床及数控机床来说，机床的热稳定性显得非常重要。测量机床温升及其分布，可以帮助找出主要热源，以便采取散热措施或提供改进机床设计的依据。

测量机床温升时，应先初步估计机床的主要热源，以主要热源所在部位以及对机床精度影响较大的热变形部件作为实测对象。例如，普通车床的主轴箱是主要热源，主轴箱与床身的热变形对机床几何精度影响较大，因此，测温点主要选在这两个部件上。

对机床箱体、床身等外表面的测温点，可手持半导体点温计进行测量；也可以用热电偶检测，将热电偶的热端用各种焊、粘或加压方法固定到测温点处，使其与表面等温部分紧密接触。对机床内部的测温点，可预先埋置热电偶或其他热敏元件进行测量，测温点应尽量选在静止部件上，并注意连线的保护和绝缘。对有些内部测点，如主轴轴承、摩擦离合器等，还可以采用光纤辐射测温技术，用光导纤维将热辐射信号引出机外送入探测器中进行测量。对回转体温度的测量，则需要采用一些专门的方法将热电势从回转体上引出，如可以采用遥测发射装置、滑环与电刷装置、旋转变压器等。

多点测量时，应在测温点处标注编号并绘制相应的记录草图。测量时，采用多路转换开关依次对各点进行测量。一种多点数字电压表可以巡回检测40路0～60V电压，并以数字输出至打印机打印出结果。40路巡回检测一次，仅需8s的时间。微机测温系统在机床测温中也得到了应用，以微处理器为中心，配以多路转换开关电路、A/D转换电路、数据处理软件和采样控制软件等，就可组成一套微机测温系统。

对机床各部位的温升分布情况，通常可用温度场来描述。机床在升温过程中，各点的温度是随时间而变化的，在此期间内实测的温度场称不稳定温度场。当热源的发热量与散热量达到动态平衡时，各部位便停止升温，这时的温度场称稳定温度场。此时，机床热变形达到某一稳定值，称热平衡状态。机床达到热态稳定所需的时间称热平衡时间。一般认为，机床温升低、温度分布均匀、热平衡时间短，则该机床的热态特性好。

测量从机床的冷态开始，采用空运转方式升温。测量的时间间隔通常为10min至1h，一般在测量开始时间隔短些。可预先估计被测机床的热平衡时间，并作为观测时间，测量工作至无显著温升时结束。根据测量数据，可以绘制出各测点的温升-时间关系曲线和机床热平衡时的等温曲线图。图9-64为某车床在600r/min的转速下，运转4h后各测点的温升及根据插入法画出的等温曲线。从等温曲线图中可以清楚地看到，主轴的前轴承为主要热源，温升达40.3℃；后轴承为次要热源，温升为25.6℃。

图9-64 某车床的温升和等温曲线

车床主轴箱和床身的温度场还可直接用热像仪进行测量和显示。

六、切削温度测量

切削或磨削产生的大量热能除了引起机床和工件的热变形外，还会导致工件表层金相组织发生变化，产生烧伤、裂纹；使刀具温度升高，使用寿命下降，产生加工误差。因此，对切削温度进行测量和监控是必要的。此外，通过切削温度的测量，还可以对切削热的产生机理、切削温度的分布规律进行研究。

1.用热电偶法测量切削温度

用热电偶测量切削温度是一种常用的方法，根据热电偶电极的构成方式，可分为人工热电偶法、半人工热电偶法和自然热电偶法。

人工热电偶法是直接将热电偶热端埋入工件表面层或埋入刀具切削刃附近的刀面进行测量。这种方法可以用来测量工件、刀具的温度分布，但有一定的测量误差。

半人工热电偶法是利用一种金属丝与工件构成热电偶或用金属丝与刀具构成热电偶。将金属丝埋入工件或刀具的测温点处，可以测量工件或刀具的温度分布情况。

自然热电偶法是直接将刀具和工件作为热电偶的两极，用来测量刀具与切屑接触处的平均温度。图9-65表示了用自然热电偶法测量车削温度的一种装置。从旋转的工件上引出热电势需要采用集流环装置。由于用炭刷和铜环组成的固体集流环会产生附加热电势和增加接触电阻，图示装置采用了水银槽集流和带有水银槽的活顶尖。水银槽集流可以减少发热和接触电阻，但水银蒸气有毒，应注意密封。

图9-65 用自然热电偶法测车削温度

2.用红外测温技术测量磨削温度

为了测量磨削温度，以往的做法是在工件表面预埋热电偶来测量。这种方法不但操作困难，而且测量结果只能表达磨削区的平均温度，不能得到磨削交界面的最高温度。现在，用红外测温技术可以很方便地解决磨削测温问题。

图9-66所示为用具有光子探测器的红外测温仪直接测量磨削火花的温度。由于磨削火花的温度与磨削区的温度之间存在着密切的联系，两者随磨削条件改变的变化规律也是一致的，因此，可以用火花温度信号对磨削温度进行在线测量和对工件表面的磨削质量进行在线监控。

图9-66 用红外测温仪测量磨削温度