温度测量仪表及其应用场景介绍

温度测量的仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，故需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差比较大。

图2-1 玻璃管液体温度计

1.玻璃管液体温度计

玻璃管液体温度计是膨胀式温度计之一，利用液体受热膨胀的性能制成，如图2-1所示，常用的液体有水银和酒精。广泛用于测量-200～500℃范围内的温度。

（1）玻璃管液体温度计的优点和缺点 玻璃液体温度计是最常用，也是最简单、最便宜的温度计。这种温度计的主要优点是构造简单，使用方便，精度高和价格低廉。缺点是惰性大，能见度低，不能自动记录及远距离传送。

（2）玻璃液体温度计的使用注意事项

1）温度计不宜水平放置和水平安装，保存与安装时都应使玻璃温度计直立，保持测温泡在下部。如果倾斜安装也应使测温泡在下部。

2）使用时应检查液柱是否脱离，测温泡内是否含有气泡；如果液柱脱离，可以缓慢地加热或微振动起来消除。

3）对于全浸式温度计，安装深度应满足要求，对于工业用玻璃管温度计，则应将尾部全部插入被测介质中。

2.双金属温度计

（1）双金属温度计的工作原理 双金属温度计是利用两种不同膨胀系数的金属片A和B将其焊接在一起并将一端固定。当温度发生变化时，膨胀系数较大的金属片B伸长较多，故其未固定端（自由端）必然向膨胀系数较小的金属A一方弯曲变形。利用弯曲变形的大小不同，从而可表示出温度的高低不同。

（2）双金属温度计的结构

双金属温度计按指示部分与保护管连接，方式不同，分为轴向型和径向型。径向安装与轴向安装如图2-2所示。

图2-2 双金属温度计

a）径向安装 b）轴向安装

3.压力式温度计

压力式温度计的工作原理是当温度变化时，工质的体积或压力相应发生变化，以此制成温度计。

一种带温度补偿的液体压力温度计如图2-3所示，充有感温介质的温包与毛细管、弹簧管组成一个封闭系统。当温包内的感温介质受到温度的作用时，封闭系统内的压力将随介质的膨胀（或收缩）而增大（或减小），使弹簧管产生一定的形变，使传动机构带动指针，间接的测量出相应的温度。

这种温度计的主要优点是构造简单、防震，可以远距离测量，并可制成自动记录式。主要缺点是损坏后很难修理，不能测点温和表面温度。

国产WTQ型式气体压力温度计，可用来指示记录工业设备中气体，蒸汽或液体的温度。测量范围有0～120℃，0～160℃，0～200℃，0～300℃；工作压力为6MPa；精度1.5与2.5级。

压力式温度计的使用注意事项：

被测介质具有一定压力时，应在测温处焊上（或用螺钉旋紧）测温套管为减少热阻，测温套管壁不宜太厚（一般为1～2mm）。

测量流体温度时，温度计不能顺向安置，应逆向安装或与流向垂直或有一定倾斜角，而且测温套管的插入深度要超过中心线。使测温泡刚好位于中心线上。

4.热电偶

图2-3 带温度补偿的液体压力温度计

（1）普通型热电偶 普通型热电偶的结构如图2-4所示，它主要由热电极、绝缘材料、保护套管、接线盒等部分组成。

图2-4 普通热电偶

1—接线盒 2—保护套管 3—绝缘套管 4—热电极

1）热电极：热电偶的热电极材料由机械强度、电导率、价格及热电偶的用途和测量范围等决定。用贵金属时，直径为0.35～0.65mm；用廉价金属时，直径为1～2mm，热电偶的长度可根据实际需要来决定。普通插入式热电偶的长度可在300～2150mm之间。

2）保护套管：热电偶的热电极装在保护套管中。使热电极避免遭受有害气体的腐蚀，玷污及机械损伤，防止或减小火焰与气流的冲刷和辐射，保护热电极。

对保护套管材料的要求是耐腐蚀，不渗透气体，不与氧化性和还原性气体发生化学反应，耐酸碱腐蚀，热惯性小，能承受温度剧变，价格低。常用的保护套管材料有不锈钢、铜、20号碳钢、镍铬合金等。保护套管常用材料见表2-1。

表2-1 保护管材料

3）接线盒：主要作用是防止灰尘、水、汽的侵入，便于热电偶与补偿导线或导线连接。接线盒用铝合金材料制成，装在保护套管的尾部，接线盒的上部有垫片或垫圈加以密封。

（2）铠装热电偶 铠装热电偶是由热电极，绝缘材料和金属套管三者组合而成的坚实结合体，如图2-5所示。铠装热电偶的套管材料为铜，不锈钢或镍基高温合金等。在热电偶与套管之间填满氧化粉末绝缘材料，套管中的热电极有单丝、双丝和多丝的（苯酐用热电偶最多为60丝），互不接触。

热电偶的种类有铂铑10-铂、铂铑30-铂铑6、镍铬-镍硅和镍铬-考铜等。目前，生产的铠装热电偶，其外径为1～10mm，长度可达100m以上。

（3）专用热电偶 除了常用的普通型热电偶、铠装热电偶外，还有各种专用热电偶，用于满足不同的测温要求。以下介绍一些常用的专用热电偶。

图2-5 铠装热电偶

1）耐磨热电偶：在工业自控系统的某些特殊场合，如高温加热炉、裂解炉、尾气焚烧炉、焦化炉、催化反应器等，用普通热电偶就极易损坏。因此，在这些场合就必须采用特殊材料及结构的热电偶，叫做耐磨热电偶。这种热电偶保护套管头部焊接有耐磨头，耐磨头头部涂有一层硬质合金，能抵御高温及高流速的颗粒流体冲刷，大大延长热电偶使用寿命，另外，这种热电偶接线盒下部装有快速切断阀，一旦套管磨穿后，能将热电偶切断，防止工艺介质流出而引起火灾或停车，保证安全生产。

2）吹气型热电偶：吹气型热电偶的结构原理是在铠装热电偶感温原件和外保护管之间构成一定的气路，在气路中通入一定压力的惰性气体，以排除或减少热电偶在高温、高压条件下还原气体的渗入。有些热电偶保护套管中因需要加入了微量钽元素，增加了吹气型热电偶的吸气特性，从而延长了铠装热电偶的使用寿命。吹气型热电偶用作合成氨装置的关键温度传感器。

3）隔爆热电偶：所谓隔爆型热电偶是指接线盒做成隔爆型的，接线盒能承受内部爆炸性气体混合物的爆炸压力冲击，并阻止内部的爆炸气浪向外壳周围爆炸性混合物扩散，主要特点是接线盒做得非常牢固，而且密封性好，把爆炸性混合物密封在一个外壳内。隔爆热电偶如图2-6所示。

隔爆热电偶和普通热电偶的结构基本相同，其区别是隔爆型产品的接线盒在设计上采用特殊防爆结构，接线盒用高强度铝合金压铸而成，并具有足够的内部空间、壁厚和机械强度。

4）压簧固定式热电偶：压簧固定式热电偶通过压簧将热电偶端部与被测物的表面紧贴，以提高测量的可靠性和准确性。它与显示仪表等配套使用，可直接测量0～400℃之间的温度。热电偶带有软性延长导线，可以自由弯曲，热响应时间小，使用方便。

（4）热电偶的故障处理 热电偶与显示仪表配套组成测温系统来测量温度。如果出现故障，且被判断是在热电偶回路方面，则可按故障现象来分析原因，对热电偶及连接导线等部分进行检查和修复。

图2-6 WR系列隔爆热电偶

热电偶的常见故障原因及处理方法见表2-2。从外观上鉴别热电偶的损坏程度以及处理方法见表2-3。

表2-2 热电偶常见故障原因及处理方法

（5）热电偶冷端温度补偿 热电偶的热电势是两个接点温度的函数表，只有当冷端温度不变时，热电势才是热端温度的单值函数。在实际应用中，热电偶冷端所处环境温度总有波动，从而使测量得不到正确结果，必须采取补偿措施。

表2-3 热电偶损坏鉴别及处理

冷端温度处理办法有以下几种：

1）计算修正法：若温度显示仪表分度时规定热电偶冷端温度为零摄氏度，而在使用中冷端温度不为零摄氏度时，根据热电偶的中间温度定律，得知在这种情况下产生的热电势为

E_AB（T，T₀）+E_AB（T₀，0）=E_AB（T，0）

式中 E_AB（T，0）——冷端为0，热端为T时的热电势；

E_AB（T，T₀）——冷端为T₀，热端为T时的热电势，即实测值。将T₀摄氏度的仪表实测读数与相应的校正值代数相加得E_AB（T，0），然后从分度表查得被测温度T值。这种方法只适用于实验室。

2）仪表机械零点调整法：仪表的机械零点为仪表输入电动势为零时，指针停留的刻度点，也就是仪表的起始点。若预知热电偶冷端温度为T₀，在此时相当于人为给仪表输入热电势E_AB（T₀，0），在接通测温回路后，输入仪表的热电势为

E_AB（T，T₀）+E_AB（T₀，0）=E_AB（T，0）

使仪表指针指示热端温度T值。

仪表机械零点调整法比较简单，如热电偶冷端温度波动频繁，变化较大，不宜采用此法。

3）恒温法：在精密测温中，一般要求热电偶温度保持为0℃，通常采用冰点槽。用清洁的水制成冰屑与清洁的水相混合盛于冰点槽的保温瓶内，并使其达到平衡而保持恒定的0℃，使用时将热电偶冷端放在插入冰点槽的试管底部，如图2-7所示。

图2-7 恒温法温度补偿原理图

恒温法是准确度很高的冷端处理方法，然而使用比较麻烦，需要保持冰、水两相。0℃恒温法适用于实验室中的精确测量和检定热电偶时使用。

4）补偿电桥法：补偿电桥法是利用不平衡电桥（又称冷端补偿器）产生的电压来补偿热电偶冷端温度变化所引起的热电势的变化。

如图2-8所示，桥臂电阻R₁、R₂和R₃是阻值不随温度变化的铜锰丝绕制的，R_CU是铜电阻，电阻温度系数很大。补偿电桥与热电偶的参比端处在相同的环境温度下，热电偶产生的热电动势因参比端温度上升而减小，补偿电桥输出的直流毫伏信号则因环境温度上升而增加。若适当选择电桥的参数，就能达到自动补偿参比温度变化的目的。

图2-8 具有冷端补偿电桥的热电偶测温线路

采用补偿电桥法时必须注意以下几点：

① 所选冷端补偿器必须和热电偶配套；

② 补偿器接入测量系统时正负极性不可接反；

③ 显示仪表的机械零位应调整到冷端温度补偿器设计时的平衡温度；

④ 因热电偶的热电势和补偿电桥输出电压两者随温度变化的特性不完全一致，故冷端补偿器在补偿温度范围内得不到完全补偿，但误差很小，能满足工业生产的需要。

5）补偿导线法：热电偶接线盒与检测点之间的长度是有限的，使得热电偶的参比端距离被测对象较近，这样参比端将受到被测对象温度及环境温度变化的影响而波动。(www.xing528.com)

补偿导线用来将热电偶的参比端延伸到温度恒定的场所，以便与显示器或其他仪表相连。补偿导线也是由两种不同金属材料制成的，在一定的温度范围内（100℃以下），与所连接的热电偶具有相同或十分相似的热电特性，而且又是廉价金属，电阻率也较低。

根据所用材料，补偿导线可以分为两类：

① 补偿型补偿导线（C）：补偿导线材料与热电极材料不同，常用于贵重金属热电偶。

② 延伸型补偿导线（K）：补偿导线与热电极材料相同，适用于廉价金属热电偶。

标准化的热电偶有8种，但我们常用的热电偶有5种。这5种热电偶在工业上有广泛的应用，见表2-4。表2-5是各种常用型号热电偶所配用的补偿导线材料，型号中第一个字母与配用热电偶的分度号相对应。

（6）热电偶的误差分析

热电偶的误差来源主要有以下一些：

1）分度误差：由于热电极材料成分不符要求和材料均匀性等原因，使热电偶的热电性质与统一的分度表之间产生分度误差。

表2-4 我国常用的一些热电偶

表2-5 常用热电偶补偿导线

2）补偿导线误差：由于补偿导线和热电极材料在100℃以下的热电性质不同将产生误差。

3）参比端温度变化引起的误差：在利用补偿电桥进行参比温度补偿时，由于不能完全补偿而产生误差。

4）由于热电极变质，使热电性质变化而产生误差。

（7）热电偶无指示的原因有和指示不准原因分析 热电偶无指示的原因有：

1）热电偶开路；

2）补偿导线开路；

3）安全栅损坏；

4）DCS卡件损坏；

5）热电偶接反；

6）接线端松动。

热电偶指示不准原因有：

1）热电偶丝变质；

2）补偿导线和热电偶不配；

3）安全栅未校；

4）DCS卡件匹配损坏；

5）接线端腐蚀；

6）安全栅和DCS卡件不匹配。

（8）热电偶的安装

1）安装方向：测量流体温度时，热电偶应与被测介质形成逆流，亦即安装时热电偶应迎着被测介质的流向插入，至少须与被测介质成正交。

2）安装位置：热电偶的测量端应处于能够真正代表被测介质温度的地方。热电偶工作端应处于管道中流速最大的地方，不能安装于死角处。

3）插入深度：热电偶应有足够的插入深度。在实际测温过程中，如热电偶的插入深度不够，将会受到与保护管接触的侧壁或周围环境的影响而引起测量误差。插入深度应使热电偶充分感受介质实际温度，对于管道安装应使保护管的末端应越过中心线约5～10mm处较为合适。

4）细管道内流体温度的测量：在细管道（直径小于80mm）内测温，往往因插入深度不够而引起测量误差，安装时应接扩大管，或选择适宜的地方安装以减小或消除误差。

5）负压管道中流体温度的测量：热电偶安装在负压管道中，必须保证其密封性，以防外界冷空气吸入，使测量值偏低。

6）接线盒安装：热电偶接线盒的盖子应朝上，引出线孔向下，以免雨水或其他液体的侵入，影响测量的准确度。

7）如果被测物体很小，在安装时应注意不要改变原来的热传导及对流条件。

5.热电阻

热电阻温度计是将温度变化转换成电阻的变化来进行温度测量的，如图2-9所示。热电阻的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

图2-9 热电阻外形图

（1）热电阻测温原理 热电阻温度计是基于金属导体或半金属导体的电阻值随温度呈一定函数关系的原理来实现温度测量的。

1）铂热电阻的温度特性：在0～850℃范围内：

R_t=R₀（1+At+Bt²）

在-200～0℃范围内：

R_t=R₀[1+At+Bt²+C（t-100）t³]

式中 A=3.90802×10^-3℃^-1；

B=-5.802×10^-7℃^-2；

C=-4.27350×10^-12℃^-4。

铂电阻阻值与温度的分度关系由上两式决定。

2）铜热电阻的温度特性：在-50～150℃范围内，铜热电阻的电阻值与温度的关系为

R_t=R₀[1+At+Bt²+Ct³]

式中 R_t——温度t℃时的电阻值；

R₀——温度0℃时的电阻值；

A=4.28899×10^-3℃^-1；

B=-2.133×10^-7℃^-2；

C=1.233×10^-9℃^-3。

铜热电阻和温度的分度关系由上式决定。

（2）铂热电阻和铜热电阻的技术性能 工业热电阻的技术性能包括：分度号、R₁₀₀电阻与R₀电阻比值W₁₀₀等参数。

1）分度号：根据IEC规定，铂电阻（WZP）有Pt10、Pt100、Pt1000等分度号。铜热电阻按WZC标准，代号有Cu50和Cu100两种。

2）R₁₀₀电阻与R₀电阻比值W₁₀₀：零摄氏度热电阻值因分度号而异，W₁₀₀=R₁₀₀/R₀，表示100℃电阻值与0°电阻值之比，W₁₀₀越大，灵敏度越高。

3）使用特点：铂热电阻用于-200～+650℃范围内测温，铜热电阻因在高温下易氧化而适用于50～+150℃范围内测温。前者稳定性好，准确度高；后者价格便宜，电阻与温度关系的线性度较好。铂热电阻和铜热电阻的技术性能见表2-6。

表2-6 常用热电阻的技术性能表

（3）热电阻的结构

1）普通型热电阻：工业常用热电阻感温元件的结构都由感温元件、引出线、骨架等组成，如图2-10所示。从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻值的变化来测量的，因此热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响。未消除引出线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。

2）铠装式热电阻

铠装式热电阻是由感温元件、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，如图2_-11所示。与普通型热电阻相比，它具有下列优点：

1）体积小，内部无空气隙，测量滞后小；

2）机械性能好，耐振，抗冲击；

3）能弯曲，便于安装；

4）使用寿命长。

图2-10 普通型热电阻结构

图2-11 铠装式热电阻结构

（4）热电阻故障原因及处理方法 热电阻的常见故障有短路和断路。一般断路故障更多见，这是因为热电阻丝较细所致。断路和短路故障很容易判断，可用万用表的“×1Ω”挡，如测得的阻值小于R₀，则可能有短路的地方；若万用表指示为无穷大，则可断定电阻体已断路。热电阻测温系统在运行中常见故障处理方法见表2-7。

表2-7 热电阻测温系统常见故障处理方法