第五节　温度检测及仪表

温度是表征物体冷热程度的物理量。是各种工业生产和科学实验中最普遍而重要的操作参数。除此之外，在现代化的农业和医学中也是不可缺少的。

在化工生产中，温度的测量与控制有着重要的作用。众所周知，任何一种化工生产过程都伴随着物质的物理和化学性质的改变，都必然有能量的交换和转化，其中最普遍的交换形式是热交换形式。因此，化工生产的各种工艺过程都是在一定的温度下进行的。例如精馏塔的精馏过程中，对精馏塔的进料温度、塔顶温度和塔釜温度都必须按照工艺要求分别控制在一定数值上。又如N₂和H₂合成NH₃的反应，在触媒存在的条件下，反应的温度是500℃。否则产品不合格，严重时还会发生事故。因此说，温度的测量与控制是保证化学反应过程正常进行与安全运行的重要环节。

一、温度检测方法

温度不能直接测量，只能借助于冷热不同物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以间接测量。

任意两个冷热程度不同的物体相接触，必然要发生热交换现象，热量将由受热程度高的物体传到受热程度低的物体，直到两物体的冷热程度完全一致，即达到热平衡状态为止。利用这一原理，就可以选择某一物体同被测物体相接触，并进行热交换，当两者达到热平衡状态时，选择物体与被测物体温度相等。于是，可以通过测量选择物体的某一物理量（如液体的体积、导体的电量等），便可以定量地给出被测物体的温度数值。以上就是接触测温法。也可以利用热辐射原理，来进行非接触测温。

温度测量范围甚广，有的处于接近绝对零度的低温，有的要在几千度的高温下进行，这样宽的测量范围，需用各种不同的测温方法和测温仪表。若按使用的测量范围分，常把测量600℃以上的测温仪表称为高温计，把测量600℃以下的测温仪表称为温度计。若按用途分，可分为标准仪表、实用仪表。若按工作原理分，则分为膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计五类。若按测量方式分，则可分为接触式与非接触式两大类。前者测温元件直接与被测介质接触，这样可以使被测介质与测温元件进行充分的热交换，而达到测温目的；后者测温元件与被测介质不相接触，通过辐射或对流实现热交换来达到测温的目的。现按测量方式分类见表3-7。

先简单介绍几种温度计。

1.膨胀式温度计

膨胀式温度计是基于物体受热时体积膨胀的性质而制成的。玻璃管温度计属于液体膨胀式温度计，双金属温度计属于固体膨胀式温度计。

双金属温度计中的感温元件是用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起而制成的。双金属片受热后，由于两金属片的膨胀长度不同而产生弯曲，如图3-51所示。温度越高产生的线膨胀长度差就越大，因而引起弯曲的角度就越大，双金属温度计就是基于这一原理而制成的，它是用双金属片制成螺旋形感温元件，外加金属保护套管，当温度变化时，螺旋的自由端便围绕着中心轴旋转，同时带动指针在刻度盘上指示出相应的温度数值。

图3-52是一种双金属温度信号器的示意图。当温度变化时，双金属片1产生弯曲，且与调节螺钉相接触，使电路接通，信号灯4便发亮。如以继电器代替信号灯便可以用来控制热源（如电热丝）而成为两位式温度控制器。温度的控制范围可通过改变调节螺钉2与双金属片1之间的距离来调整。若以电铃代替信号灯便可以作为另一种双金属温度信号报警器。

2.压力式温度计

应用压力随温度的变化来测温的仪表叫压力式温度计。它是根据在封闭系统中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸汽受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制成的，并用压力表来测量这种变化，从而测得温度。

压力式温度计的构造如图3-53所示。它主要由以下三部分组成。

（1）温包　它是直接与被测介质相接触来感受温度变化的元件，因此要求它具有高的强度，小的膨胀系数，高的热导率以及抗腐蚀等性能。根据所充工作物质和被测介质的不同，温包可用铜合金、钢或不锈钢来制造。

（2）毛细管　它是用铜或钢等材料冷拉成的无缝圆管，用来传递压力的变化。其外径为1.2～5mm，内径为0.15～0.5mm。如果它的直径越细，长度越长，则传递压力的滞后现象就越严重。也就是说，温度计对被测温度的反应越迟钝。然而，在同样的长度下毛细管越细，仪表的精度就越高。毛细管容易被破坏，折断，因此，必须加以保护。对不经常弯曲的毛细管可用金属软管做保护套管。

（3）弹簧管（或盘簧管）　它是一般压力表用的弹性元件。

3.辐射式高温计

辐射式高温计是基于物体热辐射作用来测量温度的仪表。目前，它已被广泛地用来测量高于800℃的温度。

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。

下面就主要介绍热电偶温度计、热电阻温度计和光纤温度传感器。

二、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。它的测量范围很广、结构简单、使用方便、测温准确可靠，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。

热电偶温度计是由三部分组成：热电偶（感温元件）；测量仪表（毫伏计或电位差计）；连接热电偶和测量仪表的导线（补偿导线及铜导线）。图3-54是热电偶温度计最简单测温系统的示意图。

1.热电偶

热电偶是工业上最常用的一种测温元件（感温元件）。它是由两种不同材料的导体A和B焊接而成，如图3-55所示。焊接的一端插入被测介质中，感受到被测温度，称为热电偶的工作端或热端，另一端与导线连接，称为冷端或自由端。导体A、B称为热电极。

（1）热电现象及测温原理　先用一个简单的实验，来建立对热电偶热电现象的感性认识。取两根不同材料的金属导线A和B，将其两端焊在一起，这样就组成了一个闭合回路。如将其一端加热，就是使其接点1处的温度t高于接点2处的温度t₀，那么在此闭合回路中就有热电势产生，如图3-56（a）所示。如果在此回路中串接一只直流毫伏计（将金属B断开接入毫伏计，或者在两金属线的t₀接头处断开接入毫伏计均可），如图3-56（b）、（c）所示，就可见到毫伏计中有电势指示，这种现象就称为热电现象。

下面就分析一下为什么会产生热电势呢？从物理学中知道，两种不同的金属，它们的自由电子密度是不同的。也就是说，两金属中每单位体积内的自由电子数是不同的。假设金属A中的自由电子密度大于金属B中的自由电子密度，按古典电子理论，金属A的电子密度大，其压强也大。正因为这样，当两种金属相接触时，在两种金属的交界处，电子从A扩散到B多于从B扩散到A。而原来自由电子处于金属A这个统一体时，统一体是呈中性不带电的，当自由电子越过接触面迁移后，金属A就因失去电子而带正电，金属B则因得到电子而带负电。但这种扩散迁移是不会无限制地进行的。因为迁移的结果就在两金属的接触面两侧形成了一个偶电层，这一偶电层的电场方向由A指向B，它的作用是阻止自由电子进一步扩散的。这就是说，由于电子密度的不平衡而引起扩散运动，扩散的结果产生了静电场，这静电场的存在又成为扩散运动的阻力，这两者是互相对立的。开始的时候，扩散运动占优势，随着扩散的进行，静电场的作用就加强，反而使电子沿反方向运动。结果当扩散进行到一定程度时，压强差的作用与静电场的作用相互抵消，扩散与反扩散建立了暂时的平衡。图3-57（a）表示两金属接触面上将发生方向相反，大小不等的电子流，使金属B中逐渐地积聚过剩电子，并引起逐渐增大的由A指向B的静电场及电势差e_AB，图3-57（b）表示电子流达到动平衡时的情况。这时的接触电势差，仅和两金属的材料及接触点的温度有关，温度越高，金属中的自由电子就越活跃，由A迁移到B的自由电子就越多，致使接触面处所产生的电场强度也增加，因而接触电动势也增高。由于这个电势大小，在热电偶材料确定后只和温度有关，故称为热电势，记作e_AB（t），注脚A表示正极金属，注脚B表示负极金属，如果下标次序改为BA，则e前面的符号亦应相应的改变，即e_AB（t）=-e_BA（t）。

若把导体的另一端也闭合，形成闭合回路，则在两接点处就形成了两个方向相反的热电势，如图3-58所示。

图3-58（a）表示两金属的接点温度不同，设t>t₀，由于两金属的接点温度不同，就产生了两个大小不等、方向相反的热电势e_AB（t）和e_AB（t₀）。必须注意，对于同一金属A（或B），由于其两端温度不同，自由电子具有的动能不同，也会产生一个相应的电动势，这个电动势称为温差电势。但由于温差电势远小于接触热电势，因此常常把它忽略不计。这样，就可以用图3-58（b）作为图3-58（a）的等效电路，R₁、R₂为热偶丝的等效电阻，在此闭合回路中总的热电势E（t，t₀）应为

E（t，t₀）=e_AB（t）-e_AB（t₀）

或

E（t，t₀）=e_AB（t）+e_BA（t₀）　　（3-64）

也就是说，热电势E（t，t₀）等于热电偶两接点热电势的代数和。当A、B材料固定后，热电势是接点温度t和t₀的函数之差。如果一端温度t₀保持不变，即e_AB（t₀）为常数，则热电势e_AB（t，t₀）就成为温度t的单值函数了，而和热电偶的长短及直径无关。这样，只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度的高低，这就是利用热电现象来测温的原理。

必须注意，如果组成热电偶回路的两种导体材料相同，则无论两接点温度如何，闭合回路的总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，尽管两导体材料不同，闭合回路的总热电势也为零；热电偶产生的热电势除了与两接点处的温度有关外，还与热电极的材料有关。也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的。可以从附录二至附录四中查到。

（2）插入第三种导线的问题　利用热电偶测量温度时，必须要用某些仪表来测量热电势的数值，如图3-59所示。而测量仪表往往要远离测温点，这就要接入连接导线C，这样就在AB所组成的热电偶回路中加入了第三种导线，而第三种导线的接入又构成了新的接点，如图3-59（a）中点3和点4，图3-59（b）中的点2和点3，这样引入第三种导线会不会影响热电偶的热电势呢？

先来分析图3-59（a）所示的电路，3、4接点温度相同（等于t₁），故总的热电势为

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

因为

e_BC（t₁）=-e_CB（t₁）　　（3-66）

e_BA（t₀）=-e_AB（t₀）　　（3-67）

将式（3-66）、式（3-67）代入式（3-64）得

E_t=e_AB（t）-e_AB（t₀）　　（3-68）

这和式（3-64）相同，可见总的热电势与没有接入第三种导线一样。

再来分析图3-59（b）电路，在这电路中的2、3接点温度相同且等于t₀，那么电路的总热电势为

E_t=e_AB（t）+e_BC（t₀）+e_CA（t₀）　　（3-69）

根据能量守恒原理可知，多种金属组成的闭合回路内，尽管它们材料不同，只要各接点温度相等，则此闭合回路内的总电势等于零。若将A、B、C三种金属丝组成一个闭合回路，各接点温度相同（都等于t₀），则回路内的总热电势等于零。即

e_AB（t₀）+e_BC（t₀）+e_CA（t₀）=0

则

-e_AB（t₀）=e_BC（t₀）+e_CA（t₀）　　（3-70）

将式（3-70）代入式（3-69）得

E_t=e_AB（t）-e_AB（t₀）　　（3-71）

结果也和式（3-64）相同，可见也与没有接入第三种导线的热电势一样。

这就说明在热电偶回路中接入第三种金属导线对原热电偶所产生的热电势数值并无影响。不过必须保证引入线两端的温度相同。同理，如果回路中串入更多种导线，只要引入线两端温度相同，也不影响热电偶所产生的热电势数值。

（3）常用热电偶的种类　理论上任意两种金属材料都可以组成热电偶。但实际情况并非如此，对它们还必须进行严格的选择。工业上对热电极材料应满足以下要求：温度每增加1℃时所能产生的热电势要大，而且热电势与温度应尽可能呈线性关系；物理稳定性要高，即在测温范围内其热电性质不随时间而变化，以保证与其配套使用的温度计测量的准确性；化学稳定性要高，即在高温下不被氧化和腐蚀；材料组织要均匀，要有韧性，便于加工成丝；复现性好（用同种成分材料制成的热电偶，其热电特性均相同的性质称复现性），这样便于成批生产，而且在应用上也可保证良好的互换性。但是，要全面满足以上要求是有困难的。目前在国际上被公认的比较好的热电极材料只有几种，这些材料是经过精选而且标准化了的，它们分别被应用在各温度范围内，测量效果良好。

工业上最常用的（已标准化）几种热电偶测量范围及使用特点如表3-8所示。

各种热电偶热电势与温度的一一对应关系都可以从标准数据表中查到，这种表称为热电偶的分度表。附录二～附录四就是几种常用热电偶的分度表，而与某分度表所对应的该热电偶，用它的分度号表示。

此外，用于各种特殊用途的热电偶还很多。如红外线接收热电偶；用于2000℃高温测量的钨铼热电偶；用于超低温测量的镍铬-金铁热电偶；非金属热电偶等。

（4）热电偶的结构　热电偶广泛地应用在各种条件下的温度测量。根据它的用途和安装位置不同，各种热电偶的外形是极不相同的。按结构形式分有普通型、铠装型、表面型和快速型四种。

①普通型热电偶　主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。如图3-60所示。

热电极是组成热电偶的两根热偶丝。热电极的直径由材料的价格、机械强度、电导率以及热电偶的用途和测量范围等决定。贵金属的热电极大多采用直径为0.3～0.65mm的细丝，普通金属电极丝的直径一般为0.5～3.2mm。其长度由安装条件及插入深度而定，一般为350～2000mm。

绝缘管（又称绝缘子）用于防止两根热电极短路。材料的选用由使用温度范围而定，常用绝缘材料如表3-9所示。它的结构形式通常有单孔管、双孔管及四孔管等。

保护套管是套在热电极、绝缘子的外边，其作用是保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。保护套管材料的选择一般根据测温范围、插入深度以及测温的时间常数等因素来决定。对保护套管材料的要求是：耐高温、耐腐蚀、能承受温度的剧变、有良好的气密性和具有高的热导系数。其结构一般有螺纹式和法兰式两种。常用保护套管的材料如表3-10所示。

接线盒是供热电极和补偿导线连接之用的。它通常用铝合金制成，一般分为普通式和密封式两种。为了防止灰尘和有害气体进入热电偶保护套管内，接线盒的出线孔和盖子均用垫片和垫圈加以密封。接线盒内用于连接热电极和补偿导线的螺丝必须固紧。以免产生较大的接触电阻而影响测量的准确度。

②铠装热电偶　由金属套管、绝缘材料（氧化镁粉）、热电偶丝一起经过复合拉伸成型，然后将端部偶丝焊接成光滑球状结构。工作端有露头型、接壳型、绝缘型三种。其外径为1～8mm，还可小到0.2mm，长度可为50m。

铠装热电偶具有反应速度快、使用方便、可弯曲、气密性好、不怕振、耐高压等优点，是目前使用较多并正在推广的一种结构。

③表面型热电偶　常用的结构形式是利用真空镀膜法将两电极材料蒸镀在绝缘基底上的薄膜热电偶，专门用来测量物体表面温度的一种特殊热电偶，其特点：反应速度极快、热惯性极小。

④快速型热电偶　它是测量高温熔融物体一种专用热电偶，整个热偶元件的尺寸很小，称为消耗式热电偶。

热电偶的结构形式可根据它的用途和安装位置来确定。在热电偶选型时，要注意三个方面：热电极的材料；保护套管的结构，材料及耐压强度；保护套管的插入深度。

2.补偿导线的选用

由热电偶测温原理知道，只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。在实际应用时，由于热电偶的工作端（热端）与冷端离得很近，而且冷端又暴露在空间，容易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以保持恒定。为了使热电偶的冷端温度保持恒定，当然可以把热电偶做得很长，使冷端远离工作端，但是，这样做要多消耗许多贵重的金属材料，是不经济的。解决这个问题的方法是采用一种专用导线，将热电偶的冷端延伸出来，如图3-61所示。这种专用导线称为“补偿导线”。它也是由两种不同性质的金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃）与所连接的热电偶具有相同的热电特性，其材料又是廉价金属。不同热电偶所用的补偿导线也不同，对于镍铬-考铜等一类用廉价金属制成的热电偶，则可用其本身材料作补偿导线。

在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，各种型号热电偶所配用的补偿导线的材料列于表3-11；极性不能接错，热电偶的正、负极分别与补偿导线的正、负极相接；热电偶与补偿导线连接端所处的温度不应超过100℃。

3.冷端温度的补偿

采用补偿导线后，把热电偶的冷端从温度较高和不稳定的地方，延伸到温度较低和比较稳定的操作室内，但冷端温度还不是0℃。而工业上常用的各种热电偶的温度-热电势关系曲线是在冷端温度保持为0℃的情况下得到的，与它配套使用的仪表也是根据这一关系曲线进行刻度的。由于操作室的温度往往高于0℃，而且是不恒定的，这时，热电偶所产生的热电势必然偏小。且测量值也随着冷端温度变化而变化，这样测量结果就会产生误差。因此，在应用热电偶测温时，只有将冷端温度保持为0℃，或者是进行一定的修正才能得出准确的测量结果。这样做，就称为热电偶的冷端温度补偿。一般采用下述几种方法。

（1）冷端温度保持为0℃的方法　保持冷端温度为0℃的方法，如图3-62所示。把热电偶的两个冷端分别插入盛有绝缘油的试管中，然后放入装有冰水混合物的容器中，这种方法多数用在实验室中。

（2）冷端温度修正方法　在实际生产中，冷端温度往往不是0℃，而是某一温度t₁，这就引起测量误差。因此，必须对冷端温度进行修正。

例如，某一设备的实际温度为t，其冷端温度为t₁，这时测得的热电势为E（t，t₁）。为求得实际t的温度，可利用下式进行修正，即

E（t，0）=E（t，t₁）+E（t₁，0）

因为

E（t，t₁）=E（t，0）-E（t₁，0）

由此可知，冷端温度的修正方法是把测得的热电势E（t，t₁），加上热端为室温t₁，冷端为0℃时的热电偶的热电势E（t₁，0），才能得到实际温度下的热电势E（t，0）。

例6　用镍铬-铜镍热电偶测量某加热炉的温度。测得的热电势E（t，t₁）=66982μV，而自由端的温度t₁=30℃，求被测的实际温度。

解　由附录三可以查得

E（30，0）=1801μV

则

E（t，0）=E（t，30）+E（30，0）=66982+1801=68783μV

再查附录三可以查得68783μV对应的温度为900℃。

由于热电偶所产生的热电势与温度之间的关系都是非线性的（当然各种热电偶的非线性程度不同），因此在自由端的温度不为零时，将所测得热电势对应的温度值加上自由端的温度，并不等于实际的被测温度。譬如在上例中，测得的热电势为66982μV，由附录三可查得对应温度为876.6℃，如果再加上自由端温度30℃，则为906.6℃，这与实际被测温度有一定误差。其实际热电势与温度之间的非线性程度越严重，则误差就越大。

应当指出，用计算的方法来修正冷端温度，是指冷端温度内恒定值时对测温的影响。该方法只适用于实验室或临时测温，在连续测量中显然是不实用的。

（3）校正仪表零点法　一般仪表未工作时指针应指在零位上（机械零点）。若采用测温元件为热电偶时，要使测温时指示值不偏低，可预先将仪表指针调整到相当于室温的数值上（这是因为将补偿导线一直引入到显示仪表的输入端，这时仪表的输入接线端子所处的室温就是该热电偶的冷端温度）。此法比较简单，故在工业上也经常应用。但必须明确指出，这种方法由于室温也在经常变化，所以只能在测温要求不太高的场合下应用。

（4）补偿电桥法　补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的电势，来补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，如图3-63所示。不平衡电桥（又称补偿电桥或冷端温度补偿器）由R₁、R₂、R₃（锰铜丝绕制）和R_t（铜丝绕制）四个桥臂和稳压电源所组成，串联在热电偶测量回路中。为了使热电偶的冷端与电阻R_t感受相同的温度，所以必须把R_t与热电偶的冷端放在一起。电桥通常在20℃时处于平衡，即，此时，对角线a、b两点电位相等，即U_ab=0，电桥对仪表的读数无影响。当周围环境高于20℃时，热电偶因冷端温度升高而使热电势减弱。而与此同时，电桥中R₁、R₂、R₃的电阻值不随温度而变化，铜电阻R_t却随温度增加而增加，于是电桥不再平衡，这时，使a点电位高于b点电位，在对角线a、b间输出一个不平衡电压U_ab，并与热电偶的热电势相叠加，一起送入测量仪表。如适当选择桥臂电阻和电流的数值，可以使电桥产生的不平衡电压U_ab正好补偿由于冷端温度变化而引起的热电势变化值，仪表即可指示出正确的温度。

应当指出，由于电桥是在20℃时平衡的，所以采用这种补偿电桥时须把仪表的机械零位预先调到20℃处。如果补偿电桥是在0℃时平衡设计的（DDZ-Ⅱ型温度变送器中的补偿电桥），则仪表零位应调在0℃处。

（5）补偿热电偶法　在实际生产中，为了节省补偿导线和投资费用，常用多支热电偶而配用一台测温仪表，其接线如图3-64所示。转换开关（切换开关）用来实现多点间歇测量；CD是补偿热电偶，它的热电极材料可以与测量热电偶相同，也可以是测量热电偶的补偿导线，设置补偿热电偶是为了使多支热电偶的冷端温度保持恒定。为达到此目的，将一支补偿热电偶的工作端插入2～3m的地下或放在其他恒温器中，使其温度恒定为t₀。而它的冷端与多支热电偶的冷端都接在温度为t₁的同一个接线盒中。这时测温仪表的指示值则为E（t，t₀）所对应的温度，而不受接线盒处温度t₁变化的影响。

三、热电阻温度计

上面介绍的热电偶温度计，其感受温度的一次元件是热电偶，这类仪表一般适用于测量500℃以上的较高温度。对于在500℃以下的中、低温，利用热电偶进行测量就不一定恰当。首先，在中、低温区热电偶输出的热电势很小，这样小的热电势，对电位差计的放大器和抗干扰措施要求都很高，否则就测量不准，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进行温度的测量较为适宜。

热电阻温度计是由热电阻（感温元件），显示仪表（不平衡电桥或平衡电桥）以及连接导线所组成。如图3-65所示。值得注意的是连接导线采用三线制接法。

热电阻是热电阻温度计的测温（感温）元件。是这种温度计的最主要部分，是金属体。

1.测温原理

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（电阻温度效应）来进行温度测量的。对于呈线性特性的电阻来说，其电阻值与温度关系如下式

　　（3-72）

　　（3-73）

式中，R_t是温度为t℃时的电阻值；是温度为t₀（通常为0℃）时的电阻值；α是电阻温度系数；Δt是温度的变化值；ΔR_t是电阻值的变化量。

可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。

由此可知，热电阻温度计与热电偶温度计的测量原理是不相同的。热电阻温度计是把温度的变化通过测温元件——热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的；而热电偶温度计则把温度的变化通过测温元件——热电偶转化为热电势的变化来测量温度的。

热电阻温度计适用于测量-200～+500℃范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度。它与热电偶温度计一样，也是有远传、自动记录和实现多点测量等优点。另外热电阻的输出信号大，测量准确。

2.工业常用热电阻

虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们并不都能作为测温用的热电阻。作为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，要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。

（1）铂电阻　金属铂易于提纯，在氧化性介质中，甚至在高温下其物理、化学性质都非常稳定。但在还原性介质中，特别是在高温下很容易被玷污，使铂丝变脆，并改变了其电阻与温度间的关系。因此，要特别注意保护。

在0～650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为

R_t=R₀（1+At+Bt²+Ct³）　　（3-74）

式中，R_t是温度为t℃时的电阻值；R₀是温度为0℃时的电阻值。

A、B、C是常数，由实验求得

A=3.950×10^-3/℃，　B=-5.850×10^-7/（℃）²，　C=-4.22×10^-22/（℃）³

要确定R_t-t的关系时，首先要确定R₀的大小，不同的，则R_t-t的关系也不同。这种R_t-t的关系称为分度表，用分度号来表示。

工业上常用的铂电阻有两种，一种是R₀=10Ω，对应的分度号为Pt10。另一种是R₀=100Ω，对应的分度号为Pt100（见附录五）。

（2）铜电阻　金属铜易加工提纯，价格便宜；它的电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系；在测温范围为-50～+150℃内，具有很好的稳定性。其缺点是温度超过150℃后易被氧化，氧化后失去良好的线性特性；另外，由于铜的电阻率小（一般为0.017Ω·mm²/m），为了要绕得一定的电阻值，铜电阻丝必须较细，长度也要较长，这样铜电阻体就较大，机械强度也降低。

在-50～+150℃的范围内，铜电阻与温度的关系是线性的。即

R_t=R₀［1+α（t-t₀）］　　（3-75）

式中，α为铜的电阻温度系数（4.25×10^-3/℃）。

其他符号同式（3-72）所示。

工业上用的铜电阻有两种，一种是R₀=50Ω，对应的分度号为Cu50（见附录六）。另一种是R₀=100Ω，对应的分度号为Cu100（见附录七）。

3.热电阻的结构

热电阻的结构形式有普通型热电阻、铠装热电阻和薄膜热电阻三种。

（1）普通型热电阻　主要由电阻体、保护套管和接线盒等主要部件所组成。其中保护套管和接线盒与热电偶的基本相同。下面就介绍一下电阻体的结构。

将电阻丝绕制（采用双线无感绕法）在具有一定形状的支架上，这个整体便称为电阻体。电阻体要求做得体积小，而且受热膨胀时，电阻丝应该不产生附加应力。目前，用来绕制电阻丝的支架一般有三种构造形式：平板形、圆柱形和螺旋形，如图3-66所示。一般地说，平板支架作为铂电阻体的支架，圆柱形支架作为铜电阻体的支架，而螺旋形支架是作为标准或实验室用的铂电阻体的支架。

（2）铠装热电阻　将电阻体预先拉制成型并与绝缘材料和保护套管连成一体。这种热电阻体积小、抗震性强、可弯曲、热惯性小、使用寿命长。

（3）薄膜热电阻　它是将热电阻材料通过真空镀膜法，直接蒸镀到绝缘基底上。这种热电阻的体积很小、热惯性也小、灵敏度高。

四、光纤温度传感器

光纤温度传感器是采用光纤作为敏感元件或能量传输介质而构成的，它有接触式和非接触式等多种形式。光纤传感器的特点是灵敏度高；电绝缘性能好，可适用于强烈电磁干扰、强辐射的恶劣环境；体积小、重量轻、可弯曲；可实现不带电的全光型探头等。近几年来光纤温度传感器在许多领域得到应用。

光纤传感器由光发送器、光源、光纤（含敏感元件）、光接收器、信号处理系统和各种连接件等部分构成，如图3-67所示。由光发送器发出的光经过源光纤引导到敏感元件。在这里，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经由接收光纤耦合到光接收器，使光信号转变为电信号，最后经信号处理系统得到所期待的被测量。

从本质上分析，光就是一种电磁波，其波长范围从极远红外的1mm到极远紫外的10mm。电磁波的物理作用和生物化学作用主要是因为其中的电场而引起。因此，必须要考虑光的电矢量振动问题。只要使光的强度、偏振态、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或者说受到被测量的调制，则有可能通过对光强的调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，从而获得所需要的被测量的信息。

光纤传感器可分为功能型和非功能型两种类型，功能型传感器是利用光纤的各种特性，由光纤本身感受被测量的变化，光纤既是传输介质，又是敏感元件；非功能型传感器又称传光型，是由其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光信号的传输介质。

非功能型光纤温度传感器在实际测温中得到较多的应用，并有多种类型，已实用化的温度计有液晶光纤温度传感器、荧光光纤温度传感器、半导体光纤温度传感器和光纤辐射温度计等。

1.液晶光纤测温

液晶光纤温度传感器是利用液晶的“热色”效应而工作的，例如在光纤端面上安装液晶片，在液晶片中按比例混入三种液晶，温度在10～45℃范围变化，液晶颜色由绿变成深红，光的反射率也随之变化，测量光强变化可知相应的温度，其精度约为0.1℃。不同类型的液晶光纤温度传感器的测温范围可在-50～250℃之间。

2.荧光光纤测温

荧光光纤温度传感器的工作原理是利用荧光材料的荧光强度随温度而变化，或荧光强度的衰变速度随温度而变化的特性，前者称荧光强度型，后者称荧光余辉型。其结构是在光纤头部粘接荧光材料，用紫外线进行激励，荧光材料将会发出荧光，检测荧光强度就可以检测温度。荧光强度型传感器的测温范围为-50～200℃；荧光余辉型温度传感器的测温范围为-50～250℃。

3.半导体光纤测温

半导体光纤温度传感器是利用半导体的光吸收响应随温度而变化的特性，根据透过半导体的光强变化检测温度。温度变化时，半导体的透光率曲线也随之变化，当温度升高时，特性曲线将向长波方向移动，在光源的光谱处于λ_g附近的特定入射波长的波段内，其透过光强将减弱，测出光强变化就可知对应的温度变化。半导体光纤温度传感器构成的温度计的测温范围为-30～300℃。

4.光纤辐射测温

光纤辐射温度计的工作原理和分类与普通的辐射测温仪表类似，它可以接近或接触目标进行测温。目前，因受光纤传输能力的限制，其工作波长一般为短波，采用亮度法或比色法测量。

光纤辐射温度计的光纤可以直接延伸为敏感探头，也可以经过耦合器，用刚性光导棒延伸。光纤敏感探头有多种类型，如直型、楔型、带透镜型和黑体型等。 

典型光纤辐射温度计的测温范围为200～4000℃，分辨力可达0.01℃，在高温时精确度可优于±0.2%读数值，其探头耐温一般可达300℃，加冷却后可达500℃。

五、电动温度变送器

DBW型温度（温差）变送器是DDZ-Ⅲ系列电动单元组合式检测调节仪表中的一个主要单元。它与各种类型的热电偶、热电阻配套使用，将温度或两点间的温差转换成4～20mA和1～5V的统一标准信号；又可与具有毫伏输出的各种变送器配合，使其转换成4～20mA和1～5V的统一输出信号。然后，它和显示单元、控制单元配合，实现对温度或温差及其他各种参数进行显示、控制。

DDZ-Ⅲ型的温度变送器与DDZ-Ⅱ型的温度变送器进行比较，它具有以下几个主要特点。

（1）线路上采用了安全火花型防爆措施，因而可以实现对危险场合中的温度或毫伏信号测量。

（2）在热电偶和热电阻的温度变送器中采用了线性化机构，从而使变送器的输出信号和被测温度间呈线性关系。

（3）在线路中，由于使用了集成电路，这样使该变送器具有良好的可靠性、稳定性等各种技术性能。

温度变送器是安装在控制室内的一种架装式仪表，它有三种类型，即热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏变送器。在化工生产中，使用最多的是热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。

1.热电偶温度变送器

热电偶温度变送器与热电偶配套使用，将温度转换成4～20mA和1～5V的统一标准信号。然后与显示仪表或控制仪表配合，实现对温度的显示或控制。

热电偶温度变送器的结构大体上可分为三大部分：输入桥路、放大电路及反馈电路。如图3-68所示。

（1）输入电桥　图3-69是热电偶温度变送器的输入回路，在形式上很像电桥，故常称为输入电桥，它的作用是：冷端温度补偿、调整零点。

电桥中的R_Cu电阻是用铜线绕制的，它与热电偶的冷端安装在一起。当冷端温度变化时，R_Cu的电阻随温度的变化也变化，使电桥的两端产生一个附加电压。此电压与热电势E_t串联相加，只要R_Cu值选择适当，便可补偿冷端温度变化引起热电势E_t减少的值。应当注意的是，由于热电偶的温度特性是非线性的，而铜电阻的特性却接近线性，这样就不可能取得完全补偿。但在实际应用中，由于冷端温度变化不大，这样的补偿也是可以的。

电桥的电源是稳压电源，R₁和R₂都是高值电阻，这样就可以使电桥的电流I₁和I₂为恒定值。电阻R₄是可调电阻，电流I₂流过可调电阻R₄产生电压，它与热电势E_t及R_Cu产生的电势串联，这样不仅可以抵消R_Cu电阻上的起始电压，还可自由地改变电桥输出的零点。在DDZ-Ⅲ型温度变送器中，输出标准信号范围是4～20mA。因此，在热电势为0时，应由输入桥路提供满幅输入电压的20%，建立输出的起点。

综上所述，输入电桥主要起两个作用：热电偶冷端温度补偿、零点调整。

（2）反馈电路　在DDZ-Ⅲ型的温度变送器中，为了使变送器的输出信号直接与被测温度呈线性关系，以便显示及控制，特别是便于和计算机配合，所以在温度变送器中的反馈回路加入线性化电路，对热电偶的非线性给予修正。因为热电偶产生的热电势太小，这样就不宜于在输入电路中修正，而采取非线性反馈电路进行修正。如图3-70所示。当温度较高时，热电偶灵敏度偏高的区域，使负反馈作用强一些，这样以反馈电路的非线性补偿热电偶的非线性，故可获得输出电流I_o与温度t呈线性关系。值得注意的是，这种具有线性化机构的温度变送器在进行量程变换时，其反馈的非线性特性必须作相应的调整。

（3）放大电路　由于热电偶产生的热电势数值很小，一般只有几十或十几毫伏，因此将它经过多级放大后才能变换为高电平输出。近年来由于集成运算放大器的出现，温度变送器采用了特殊的低漂移、高增益集成运算放大器。又因为测量元件和传输线上经常会受到各种干扰，故温度变送器中的放大器还必须具有较强的抗干扰措施。集成运算放大器输出是电压信号，而放大电路中功率放大器的作用是把运算放大器输出的电压信号，转换成具有一定负载能力的电流输出信号。同时，通过电流互感器实现输入回路和输出回路的隔离。

2.热电阻温度变送器

热电阻温度变送器它与热电阻配套使用，将温度转换成4～20mA和1～5V的统一标准信号。然后与显示仪表或控制仪表配合，实现对温度的显示或控制。

热电阻温度变送器的结构大体上也可分为三大部分：输入电桥、放大电路及反馈电路。如图3-71所示。和热电偶温度变送器比较，放大电路是通用的，只是输入电桥和反馈电路不同。

热电阻温度变送器的输入电桥实质上是一个不平衡电桥。热电阻被接入其中一个桥臂，当受温度变化引起热电阻阻值发生改变后，电桥就输出一个不平衡电压信号，此电压信号通过放大电路和反馈电路，便可以得到一个与输入信号呈线性函数关系的输出电流I_o。

六、一体化温度变送器

所谓一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温元件接线盒或专用接线盒内的一种温度变送器。其变送器模块和测温元件形成一个整体，可以直接安装在被测工艺设备上，输出为统一标准信号。这种变送器具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。

一体化温度变送器，由测温元件和变送器模块两部分构成，其结构框图如图3-72所示。变送器模块把测温元件的输出信号E_t或R_t转换成为统一标准信号，主要是4～20mA的直流电流信号。

由于一体化温度变送器直接安装在现场，在一般情况下变送器模块内部集成电路的正常工作温度为-20～+80℃，超过这一范围，电子器件的性能会发生变化，变送器将不能正常工作，因此在使用中应特别注意变送器模块所处的环境温度。

一体化温度变送器品种较多，其变送器模块大多数以一片专用变送器芯片为主，外接少量元器件构成，常用的变送器芯片有AD693、XTR101、XTR103、IXR100等。下面以AD693构成的一体化热电偶温度变送器为例进行介绍。

AD693构成的热电偶温度变送器的电路原理如图3-73所示，它由热电偶、输入电路和AD693等组成。

图3-73中输入电路是一个冷端温度补偿电桥，B、D是电桥的输出端，与AD693的输入端相连。R_Cu为铜补偿电阻，通过改变电位器W₁的阻值则可以调整变送器的零点。W₂和R₃起调整放大器转换系数的作用，即起到了量程调整的作用。

AD693的输入信号U_i为热电偶所产生的热电势E_t与电桥的输出信号U_BD的代数和，如果设AD693的转换系数为K，可得变送器输出与输入之间的关系为

I_o=KU_i=KE_t+KI₁（R_Cu-R_W1）　　（3-76）

从式（3-76）可以看出：①变送器的输出电流I_o与热电偶的热电势E_t成正比关系；②R_Cu阻值随温度而变，合理选择R_Cu的数值可使R_Cu随温度变化而引起的I₁R_Cu变化量近似等于热电偶因冷端温度变化所引起的热电势E_t的变化值，两者互相抵消。

七、智能式温度变送器

智能式温度变送器有采用HART协议通信方式，也有采用现场总线通信方式，前者技术比较成熟，产品的种类也比较多；后者的产品近几年才问世，国内尚处于研究开发阶段。下面以SMART公司的TT302温度变送器为例加以介绍。

TT302温度变送器是一种符合FF通信协议的现场总线智能仪表，它可以与各种热电偶或热电阻配合使用测量温度，具有量程范围宽、精度高、环境温度和振动影响小、抗干扰能力强、质量轻以及安装维护方便等优点。

TT302温度变送器主要由硬件部分和软件部分两部分构成。

1. TT302温度变送器的硬件构成

TT302温度变送器的硬件构成原理框图如图3-74所示，在结构上它由输入板、主电路板和液晶显示器组成。

（1）输入板　输入板包括多路转换器、信号调理电路、A/D转换器和隔离部分，其作用是将输入信号转换为二进制的数字信号，传送给CPU，并实现输入板与主电路板的隔离。

输入板上的环境温度传感器用于热电偶的冷端温度补偿。

（2）主电路板　主电路板包括微处理器系统、通信控制器、信号整形电路、本机调整部分和电源部分，它是变送器的核心部件。

（3）液晶显示器　液晶显示器是一个微功耗的显示器，可以显示四位半数字和五位字母，用于接收CPU的数据并加以显示。

2. TT302温度变送器的软件构成

TT302温度变送器的软件分为系统程序和功能模块两大部分。系统程序使变送器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。功能模块提供了各种功能，用户可以选择所需要的功能模块以实现用户所要求的功能。

TT302等一类智能式温度变送器还有很多其他功能，用户可以通过上位管理计算机或挂接在现场总线通信电缆上的手持式组态器，对变送器进行远程组态，调用或删除功能模块；对于带有液晶显示的变送器，也可以使用磁性编程工具对变送器进行本地调整。

TT302温度变送器还具有控制功能，其软件中提供了多种与控制功能有关的功能模块，用户通过组态，可以实现所要求的控制策略。

八、测温仪表的选用及安装

1.温度测量仪表的选用

（1）就地温度仪表的选用

①精确度等级。

a.一般工业用温度计：选用1.5级或1级。

b.精密测量用温度计：选用0.5级或0.25级。

②测量范围。

a.最高测量值不大于仪表测量范围上限值90%，正常测量值在仪表测量范围上限值的1/2左右。

b.压力式温度计测量值应在仪表测量范围上限值的1/2～3/4之间。

③双金属温度计。在满足测量范围、工作压力和精确度的要求时，应被优先选用于就地显示。

④压力式温度计。适用于-80℃以下低温、无法近距离观察、有振动及精确度要求不高的就地或就地盘显示。

⑤玻璃温度计。仅用于测量精确度较高、振动较小、无机械损伤、观察方便的特殊场合。不得使用玻璃水银温度计。

（2）温度检测元件的选用

①根据温度测量范围，参照表3-12选用相应分度号的热电偶、热电阻或热敏热电阻。

②铠装式热电偶适用于一般场合；铠装式热电阻适用于无振动场合；热敏热电阻适用于测量反应速度快的场合。

（3）特殊场合适用的热电偶、热电阻

①温度高于870℃、氢含量大于5%的还原性气体、惰性气体及真空场合，选用钨铼热电偶或吹气热电偶。

②设备、管道外壁和转体表面温度，选用端（表面）式、压簧固定式或铠装热电偶、热电阻。

③含坚硬固体颗粒介质，选用耐磨热电偶。

④在同一检出（测）元件保护管中，要求多点测量时，选用多点（支）热电偶。

⑤为了节省特殊保护管材料（如钽），提高响应速度或要求检出（测）元件弯曲安装时可选用铠装热电偶、热电阻。

⑥高炉、热风炉温度测量，可选用高炉、热风炉专用热电偶。

2.测温元件的安装

接触式测温仪表所测得的温度都是由测温（感温）元件来决定的。在正确选择测温元件和二次仪表之后，如不注意测温元件的正确安装，那么，测量精度仍得不到保证。工业上，一般是按下列要求进行安装的。

（1）测温元件的安装要求

①在测量管道温度时，应保证测温元件与流体充分接触，以减少测量误差。因此，要求安装时测温元件应迎着被测介质流向插入，至少须与被测介质正交（成90°），切勿与被测介质形成顺流。如图3-75所示。

②测温元件的感温点应处于管道中流速最大处。一般来说，热电偶、铂电阻、铜电阻保护套管的末端应分别越过流束中心线5～10mm、50～70mm、25～30mm。

③测温元件应有足够的插入深度，以减小测量误差。为此，测温元件应斜插安装或在弯头处安装，如图3-76所示。

④若工艺管道过小（直径小于80mm），安装测温元件处应接装扩大管，如图3-77所示。

⑤热电偶、热电阻的接线盒面盖应向上，以避免雨水或其他液体、脏物进入接线盒中影响测量，如图3-78所示。

⑥为了防止热量散失，测温元件应插在有保温层的管道或设备处。

⑦测温元件安装在负压管道中时，必须保证其密封性，以防外界冷空气进入，使读数降低。

（2）布线要求

①按照规定的型号配用热电偶的补偿导线，注意热电偶的正、负极与补偿导线的正、负极相连接，不要接错。

②热电阻的线路电阻一定要符合所配二次仪表的要求。

③为了保护连接导线与补偿导线不受外来的机械损伤，应把连接导线或补偿导线穿入钢管内或走槽板。

④导线应尽量避免有接头。应有良好的绝缘。禁止与交流输电线合用一根穿线管，以免引起感应。

⑤导线应尽量避开交流动力电线。

⑥补偿导线不应有中间接头，否则应加装接线盒。另外，最好与其他导线分开敷设。