流体温度的测量方法优化

温度是表征物体冷热程度的物理量。温度借助于冷、热物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性进行间接测量。任意选择某一物体与被测物体相接触，物体之间将发生热交换，即热量由受热程度高的物体向受热程度低的物体传递。当接触时间充分长，两物体达到热平衡状态时，选择物的温度和被测物的温度相等。通过对选择物的物理量（如液体的体积、导体的电阻等）的测量，便可以定量地给出被测物体的温度值，从而实现被测物体的温度测量。

流体温度的测量方法一般分为接触式测温与非接触式测温两类。

（1）接触式测温方法 将感温元件与被测介质直接接触，需要一定的时间才能达到热平衡。因此会产生测温的滞后现象，同时感温元件也容易破坏被测对象的温度场并有可能与被测介质产生化学反应。另外，由于受耐高温材料的限制，接触式测温方法不能应用于很高的温度测量。但接触式测温具有简单、可靠、测量精确的优点。

（2）非接触式测温方法 感温元件与被测介质不直接接触，而是通过热辐射来测量温度，反应速度一般比较快，且不会破坏被测对象的温度场。在原理上，它没有温度上限的限制。但非接触式测温由于受物体的发射率、对象到仪表之间的距离、烟尘和水蒸气等的影响，其测量误差较大。

4.4.1 接触式测温

常用的接触式测温仪有热膨胀式、电阻式、热电效应式温度计。

1.热膨胀式温度计

热膨胀式温度计分为液体膨胀式和固体膨胀式两类，都是应用物质热胀冷缩的特性制成的。

生产上和实验中最常见的热膨胀式温度计是玻璃液体温度计。有水银温度计和酒精温度计两种。这种温度计测温范围比较狭窄，在﹣80～400℃，精度也不太高，但比较简便，价格低廉，因而得到广泛的使用。若按用途划分，又可分为工业用、实验室用和标准水银温度计三种。

固体膨胀式温度计常见的有杆式温度计和双金属温度计。它们是将两种具有不同热膨胀系数的金属片（或杆、管等）安装在一起，利用其受热后的形变差不同而产生相对位移，经机械放大或电气放大，将温度变化检测出来。固体膨胀式温度计结构简单，机械强度大但精度不高。

2.电阻温度计

电阻温度计由热电阻感温元件和显示仪表组成。它利用导体或半导体的电阻值随温度变化的性质进行温度测量。常用的电阻感温元件有三种。

（1）铂电阻

铂电阻的特点是精度高，稳定性好，性能可靠。它在氧化性介质中，甚至在高温下的物理、化学性质都非常稳定；但在还原介质中，特别是在高温下，很容易被从氧化物中还原出来的蒸气所沾污，使铂条变脆，进而改变其电阻与温度间的关系。铂电阻的使用温度范围为﹣259～630℃。它的价格较贵。常用的铂电阻型号是WZB，分度号为Pt50和Pt100。

铂电阻感温元件按其用途分为工业型、标准或实验室型、微型三种。分度号Pt50是指0℃时电阻值R0＝50Ω，Pt100指0℃时电阻值R0＝100Ω。标准或实验室型的R0为10Ω或30Ω左右。

（2）铜电阻

铜电阻感温元件的测温范围比较狭窄，物理、化学的稳定性不及铂电阻，但价廉，并且在﹣50～150℃内，其电阻值与温度的线性关系好，因此铜电阻的应用比较普遍。

常用的铜电阻感温元件的型号为ZWG，分度号为Cu50和Cu100。

（3）半导体热敏电阻

半导体热敏电阻为半导体温度计的感温元件。它具有良好的抗腐蚀性能，灵敏度高，热惯性小、寿命长等优点。

电阻温度计通常将热电阻感温元件作为不平衡电桥的一个桥臂，如图4-16所示。电桥中流过电流计的电流大小与四个桥臂的电阻以及电流计的内阻、桥路的端电压有关。在电流计内阻、桥路的端电压以及其他三个桥臂电阻不随温度变化的情况下，对应于一个温度（即对应于一个确定的热敏电阻值），便有一个确定的电流输出。若电流计表盘上刻着对应的温度分度值，即可直接读到相应的温度。

图4-16 不平衡电桥

3.热电偶

最简单的热电偶测温系统如图4-17所示。它由热电偶（感温元件）1、毫伏检测仪2以及连接热电偶和测量电路的导线（铜线及补偿导线）3所组成。

图4-17 热电偶测温系统

热电偶是由两根不同的导体或半导体材料（图4-17中的A与B）焊接或铰接而成的。焊接的一端称作热电偶的热端（或工作端），与导线连接的一端称作冷端。把热电偶的热端插入需要测温的生产设备中，冷端置于生产设备的外面，如果两端所处的温度不同，则在热电偶的回路中便会产生热电势E。该热电势E的大小与热电偶两端的温度T和T0有关。在T0恒定不变时，热电势E只是热电偶热端温度T的函数。

为了保持冷端温度恒定不变或消除冷端温度变化对热电势的影响，常用以下两种方法。

（1）冰浴法 它是将冷端保存在水和冰共存的保温瓶中。为了保证能达到共相点，冰要敲成细冰屑，水可以用一般的自来水。通常把冷端放在盛有绝缘油（如变压器油）的试管中，并将其插入置有试管孔的保温瓶木塞盖的孔中，以维持冷端温度为0℃。

（2）补偿电桥法 它是将冷端接入一个平衡电桥补偿器中，自动补偿因冷端温度变化而引起的热电势变化。

常用的热电偶有：铂铑10％-铂热电偶，分度号为LB；镍铬-镍硅（或镍铬-镍铝）热电偶，分度号为EU；镍铬-考铜热电偶，分度号为EA；铂铑30％-铂铑6％热电偶，分度号为LL；铜-康铜热电偶，分度号为T。读者可查阅有关手册选用。(www.xing528.com)

4.4.2 非接触式测温

在高温测量或不允许因测温而破坏被测对象温度场的情况下，就必须采用非接触式测温方法如热辐射式高温计来测量。这种高温计在工业生产中被广泛地应用于冶金、机械、化工、硅酸盐等工业部门，用于测量炼钢、各种高温窑、盐浴池的温度。

热辐射式高温计用来测量高于700℃的温度（特殊情况下其下限可从400℃开始）。这种温度计不必和被测对象直接接触（它是靠热辐射来传热的），所以从原理上来说，这种温度计的测温上限是无限的。由于这种温度计是通过热辐射传热，它不必与被测对象达到热平衡，因而传热速度快，热惯性小。热辐射式高温计的信号大，灵敏度高，本身精度也高，因此世界各国已把单色热辐射高温计（光学高温计）作为在1063℃以上温标复制的标准仪表。

4.4.3 测温仪表的比较和选用

在选用温度计时，必须考虑以下几点：

（1）被测物体的温度是否需要指示、记录和自动控制；

（2）能便于读数和记录；

（3）测温范围的大小和精度要求；

（4）感温元件的大小是否适当；

（5）在被测物体温度随时间变化的场合，感温元件的滞后能否适应测温要求；

（6）被测物体和环境条件对感温元件是否有损害；

（7）仪表使用是否方便；

（8）仪表寿命。

测温仪表的具体选用可参照表4-4。

表4-4 测温仪表的比较和选用

续表

4.4.4 接触式测温仪表的安装

感温元件的安装应确保测量的准确性。为此，感温元件的安装通常应按下列要求进行。

（1）由于接触式温度计的感温元件是与被测介质进行热交换而测温的，因此，必须使感温元件与被测介质能进行充分的热交换，感温元件的工作端应处于管道中流速最大之处以有利于热交换的进行，不应把感温元件插至被测介质的死角区域。

（2）感温元件应与被测介质形成逆流，即安装时，感温元件应迎着介质流向插入，至少须与被测介质流向成90°角。切勿与被测介质形成顺流，否则容易产生测温误差。

（3）避免热辐射所产生的测温误差。在温度较高的场合，应尽量减小被测介质与设备壁面之间的温度差。在安装感温元件的地方，如器壁暴露于空气中，应在其表面包一层绝热层（如石棉等），以减少热量损失。

（4）避免感温元件外露部分的热损失所产生的测温误差。为此，①要有足够的插入深度，实践证明，随着感温元件插入深度的增加，测温误差随之减小；②必要时，为减少感温元件外露部分的热损失，应对感温元件外露部分加装保温层进行适当的保温。

（5）用热电偶测量炉膛温度时，应避免热电偶与火焰直接接触。

（6）感温元件安装于负压管道（设备）中（如烟道中），必须保证其密闭性，以免外界冷空气袭入而降低测量值。

（7）热电偶、热电阻的接线盒出线孔应向下，以防因密封不良而使水汽、灰尘与脏物等落入接线盒中，影响测量。

（8）在具有强的电磁场干扰源的场合安装感温元件时，应注意防止电磁干扰。

（9）水银温度计只能垂直或倾斜安装，同时需观察方便，不得水平安装（直角形水银温度计除外），更不得倒装（包括倾斜倒装）。

此外，感温元件的安装还应确保安全、可靠。为避免感温元件损坏，应保证其具有足够的机械强度。可根据被测介质的工作压力、温度及特性，合理地选择感温元件保护套管的壁厚与材质。同时，还应考虑日后维修、校验的方便。