掌握常见温度计及使用方法

任务目标

知识目标

1.了解温度计的分类。

2.掌握温度计的使用方法。

技能目标

1.掌握液体温度计的读取方法。

2.掌握双金属温度计的读取方法。

3.掌握热电偶的读取方法。

任务描述

本任务通过对温度计种类的介绍，掌握常见温度计如液体温度计、双金属温度计及热电偶温度计等的使用方法。

知识学习

温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。而温度计是判断和测量温度的仪器。从测温范围来看，在低温区域（<550℃）通常采用膨胀式、电阻式、热电式等接触式温度计；而在高温区域（>550℃）通常采用辐射式非接触温度计。在化工生产中，使用最多的是利用热电偶和热电阻这两种感温元件来测量温度。

下面介绍各种温度计种类和原理。

1.低温区域

（1）膨胀式温度计 利用气体、液体、固体热胀冷缩的性质测量温度。

1）气体温度计。它是利用一定质量的气体作为工作物质的温度计。气体压力式温度计如图2-28所示。用气体温度计来体现理想气体温标为标准温标。用气体温度计所测得的温度和热力学温度相吻合。气体温度计是在容器里装有氢气或氦气（多用氢气或氦气作测温物质，因为氢气和氦气的液化温度很低，接近于绝对零度，故它的测温范围很广），它们的性质可外推到理想气体。这种温度计有两种类型，即定容气体温度计和定压气体温度计。定容气体温度计是气体的体积保持不变，压强随温度改变。定压气体温度计是气体的压强保持不变，体积随温度改变。

2）液体温度计。它是利用作为介质的感温液体随温度变化而体积发生变化与玻璃随温度变化而体积变化之差来测量温度。温度计所显示的示值即液体体积与玻璃毛细管体积变化的差值。玻璃液体温度计的结构基本上是由装有感温液体（或称测温介质）的感温泡、玻璃毛细管和刻度标尺三部分组成。感温泡位于温度计的下端，是玻璃液体温度计感温的部分，可容纳绝大部分的感温液体，所以也称为贮液泡。感温泡或直接由玻璃毛细管加工制成（称为拉泡）或由焊接一段薄壁玻璃管制成（称为接泡）。感温液体是封装在温度计感温泡内的测温介质，具有体膨胀系数大，黏度小，在高温下蒸气压低，化学性能稳定，不变质以及在较宽的温度范围内能保持液态等特点。常用的感温液体有水银，以及甲苯、乙醇和煤油等有机液体。玻璃毛细管是连接在感温泡上的中心细玻璃管，感温液体随温度的变化在里面移动。标尺是将分度线直接刻在毛细管表面，同时标尺上标有数字和温度单位符号，用来表明所测温度的高低。常用的液体温度计有酒精温度计和水银温度计，如图2-29所示。

图2-28 气体压力式温度计

图2-29 液体温度计

a）酒精温度计 b）水银温度计

3）双金属温度计。双金属温度计是一种测量中低温度的现场检测仪表，如图2-30所示。可以直接测量各种生产过程中的-80～500℃范围内液体蒸汽和气体介质温度。双金属温度计的工作原理是利用两种不同温度膨胀系数的金属，为提高测温灵敏度，通常将金属片制成螺旋卷形状，当多层金属片的温度改变时，各层金属膨胀或收缩量不等，使得螺旋卷卷起或松开。由于螺旋卷的一端固定而另一端和一个可以自由转动的指针相连，因此，当双金属片感受到温度变化时，指针即可在一圆形分度标尺上指示出温度来。

图2-30 双金属温度计

图2-31 常用热电阻温度计

（2）热电阻温度计 热电阻温度计是由热电阻（感温元件采用金属丝绕而成）、显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）及连接导线所组成。值得注意的是连接导线采用三线制接法。常用热电阻温度计如图2-31所示。热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的，如图2-32所示。热电阻的材料一般要求是：电阻温度系数、电阻率要大；热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的复制性；电阻值随温度的变化关系最好呈线性。但是，完全符合上述要求的热电阻材料实际上是很少的，根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜，在低温下还有碳、锗和铑铁。

精密的铂电阻温度计是目前最精确的温度计，温度覆盖范围为14～903K，其误差可低到万分之一摄氏度，它是能复现国际实用温标的基准温度计。我国还用一等和二等标准铂电阻温度计来传递温标，用它作标准来检定水银温度计和其他类型的温度计。

热电阻温度计分为金属电阻温度计和半导体电阻温度计，都是根据电阻值随温度的变化这一特性制成的。金属电阻温度计主要有用铂、金、铜、镍等纯金属制成的，也有用铑铁、磷青铜等合金制成的；半导体电阻温度计主要用碳、锗等制成。热电阻温度计使用方便可靠，已广泛应用，它的测量范围为-260～600℃。

（3）热电偶温度计 热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。它具有测量范围广、结构简单、使用方便、测温准确可靠的特点，便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在化工生产中应用极为普遍。热电偶温度计由热电偶（感温元件）、测量仪表（动圈仪表或电位差计）、连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）组成，如图2-33所示。热电偶温度计中感受温度的元件是热电偶，一般适用于测量500℃以上的较高温度。对于500℃以下的中、低温，利用热电偶进行测量就不一定恰当。首先，由于在中、低温区热电偶输出的热电势很小，对电位差计的放大器和抗干扰措施要求都很高，仪表维修也困难；其次，在较低的温度区域，冷端温度的变化和环境温度的变化所引起的相对误差就显得很突出，而不易得到全补偿。所以在中、低温区，一般是使用热电阻温度计来测量温度。热电偶温度计的测温方式如图2-34所示。

(www.xing528.com)

图2-32 热电阻温度计原理图

图2-33 热电偶温度计原理图

a）热电偶温度计测温系统示意图 b）热电偶示意图

1—热电偶 2—导线 3—测量仪表

热电偶是将两种不同金属导体的两端分别连接起来，构成一个闭合回路，一端加热，另一端冷却，则两个接触点之间由于温度不同，将产生电动势，导体中会有电流产生。因为这种温差电动势是两个接触点温度差的函数，所以利用这一特性制成温度计。若在温差电偶的回路中再接入一种或几种不同金属的导线，所接入的导线与接触点的温度都是均匀的，对原电动势并无影响，通过测量温差电动势来求被测的温度，这样就构成了温差电偶温度计，这种温度计测温范围很大。例如，铜和康铜构成的温差电偶的测温范围为200～400℃；铁和康铜构成的温差电偶测温范围为200～1000℃；由铂和铂铑合金（铑质量分数为10%）构成的温差电偶测温可达上千摄氏度以上；铱和铱铑（铑质量分数为50%）构成的温差电偶测温达2300℃；钨和钼（钼质量分数为25%）构成的温差电偶测温则可高达2600℃。

图2-34 热电偶温度计的测温方式

2.高温区域

高温区域常用辐射式高温计进行测量。它是根据物体的辐射能与温度之间的关系来测量温度的仪表。所有的物体当其温度高于绝对零度时都发射出辐射能量，其辐射能量的波长范围为0.01～100μm，对应最大能量的峰值波长随物体温度的增长而减小。辐射式高温计如图2-35所示。

探测元件从被测对象接收到的能量W可用斯特藩-波耳兹曼方程确定。通过测量能量W就可确定物体的温度T₀。由于实际物体的真实温度大于辐射温度，而许多工业生产过程温度测量中的发射率相对保持恒定，可采用修正方法改善被测对象的黑体辐射条件或测定发射率ε来求出真实温度。辐射高温计分为全辐射高温计和部分辐射高温计。

图2-35 辐射式高温计

（1）全辐射高温计 根据物体的全波长辐射能与温度之间的关系来测量温度，由光学系统、探测器、测量仪表和用于冷却及烟尘防护的辅助装置组成。被测物体向传感器方向发射的辐射经过透镜聚焦到探测元件上，所产生的相应信号可由测量仪表显示或记录。探测器通常采用响应波段较宽的热电堆。为提高灵敏度，热电堆往往需要由十几支、几十支的温差电偶串联组成，因而热惯性较大，时间常数一般为秒级以上。此外热电堆的基准端温度应保持恒定或采取自动温度补偿措施。光学系统和探测元件对光谱辐射的响应有选择性，不可能完全接收全波长的辐射，因此这种辐射温度计也可称为宽带辐射温度计。全辐射高温计的优点是结构简单、使用方便、性能稳定、可以自动记录和远距离传送信号等，测温范围为100～2000℃，测温误差绝对值为8～12℃。

（2）部分辐射高温计 利用被测物体的部分波段辐射能与温度之间的关系来测量物体温度，又称窄带辐射温度计。部分辐射高温计由某一较窄响应波段的光学系统和探测元件组成。被测物体的部分热辐射经调制盘和滤色片后照到探测元件上，再经过放大由仪表显示或记录。探测元件通常采用光导型或光生伏打型，它们决定传感器的响应波段。例如，采用硫化铅时响应波长范围为0.6～3.0μm，时间常数为毫秒量级。如采用硅光电池，则响应波段约为0.4～1.1μm，时间常数可至微秒量级。采用红外辐射探测技术还可使辐射测温范围向低温扩展。部分辐射高温计有多种形式，如远程红外测温仪、红外线光源探测仪、红外线亮度测温仪、光电温度计等。这类传感器的优点是响应速度快、测量精度高、稳定性好、测量下限低，可测量微小目标，而且比较窄的敏感谱带可以减少或消除在瞄准光路中由于气体的吸收和发射率所造成的不良影响。部分辐射高温计常用于测量静止或运动的灼热体表面温度，如测量生产中的钢板、镀锡铁皮、快速加工件、电动机或电缆接头温度等。一般测温范围为100～1500℃，采用红外探测元件时可扩展至常温范围。

（3）其他类型高温计 其他类型的高温计有双比色红外测温仪和光学高温计，如图2-36、图2-37所示。

图2-36 双比色红外测温仪

图2-37 光学高温计原理图

1—物镜及物镜内筒 2—吸收玻璃旋钮 3—滑线电阻盘 4—目镜定位螺母 5—滤光片旋钮 6—目镜 7——M/R镜 8—S键 9—手柄 10—电源开关

任务实施

1）老师介绍各种温度计及其原理、特点。

2）学生采用“拼图教学法”分组讨论不同温度计及其读数方法。

3）学生采用“拼图教学法”展示讨论结果。

4）对学习结果进行评价。

任务评价

任务评价见表2-5。

表2-5 任务评价