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。温度计是测温仪器的总称,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。

低温区域


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

利用一定质量的气体作为工作物质的温度计。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或氮气(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: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

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(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,所以也称为贮液泡。感温泡或直接由玻璃毛细管加工制成(称拉泡)或由焊接一段薄壁玻璃管制成(称接泡)。感温液是封装在温度计感温泡内的测温介质.具有体膨胀系数大,粘度小.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待点。常用的有水银.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。

(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。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二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。

电阻温度计

根据导体电阻随温度而变化的规律来测量温度的温度计。最常用的电阻温度计都采用金属丝绕制成的感温元件,主要有铂电阻温度计和铜电阻温度计,在低温下还有碳、锗和铑铁电阻温度计。精密的铂电阻温度计是目前最精确的温度计,温度覆盖范围约为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。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。金属温度计主要有用铂、金、铜、镍等纯金属的及铑铁、磷青铜合金的;半导体温度计主要用碳、锗等。电阻温度计使用方便可靠,已广泛应用。它的测量范围为-260℃至600℃左右。

温差电偶温度计

利用温差电偶来测量温度的温度计。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,导体中会有电流发生。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里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在200~400℃之间;铁和康铜则被使用在200~1000℃之间;由铂和铂铑合金(铑10%)构成的温差电偶测温可达千摄氏度以上;铱和铱铑(铑50%)可用在2300℃;若用钨和钼(钼25%)则可高达2600℃。

高温区域

辐射高温计,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约为0.01~100微米,对应最大能量的峰值波长随物体温度的增长而减小。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0T。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。

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℃。

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约为0.6~3.0微米,时间常数为毫秒量级。如采用硅光电池,则响应波段约为0.4~1.1微米,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。


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