溫度測量實(shí)用準(zhǔn)則

溫度可通過各式各樣的傳感器來測量。 所有傳感器都是通過感知物理特性的某 些變化來判斷溫度。工程師有可能碰到 的6種傳感器類型如下：熱電偶、電阻溫 度探測器（RTD與熱敏電阻）、紅外輻 射器、雙金屬器件、液體膨脹式器件以 及相變器件。首先，我們對每種傳感器 進(jìn)行簡短回顧。

熱電偶主要由兩種不同金屬制成的金屬 條或金屬線組成，它們的一端連接在一 起。如后面所討論的，該連接點(diǎn)處的溫 度變化會引起另外兩端之間電動勢(emf) 的變化。隨著溫度升高，熱電偶的這一輸出電動勢emf也會增大，但不一定呈 線性關(guān)系

電阻溫度探測器利用了材料電阻隨材料 溫度而變化這一事實(shí)。兩種主要類型為 金屬測溫器件（通常稱為RTD）和熱敏 電阻。顧名思義，RTD依靠金屬電阻的 變化，電阻的增加或多或少都與溫度呈 線性關(guān)系。熱敏電阻依據(jù)的是陶瓷半導(dǎo) 體中的電阻變化；電阻下降與溫度升高 之間存在著非線性關(guān)系。

紅外傳感器是非接觸式測溫設(shè)備。如后 面所討論的，它們通過測量材料放射出 的熱輻射來判斷溫度。

雙金屬器件利用了不同金屬之間熱膨脹 率的差異。兩條金屬片聯(lián)結(jié)在一起，受 熱時，一側(cè)金屬片膨脹大于另一側(cè) 金屬片，由此造成的彎曲通過與指針相 連的金屬桿系轉(zhuǎn)變成溫度讀數(shù)。這些器 件便于攜帶并且不需要任何電源，然而 它們通常不如熱電偶或RTD，并且 不太適合溫度記錄。

以家用溫度計為代表的液體膨脹式器件 通常分為兩類：水銀類和液體類。 還有利用氣體而非液體的類型。水銀被 認(rèn)為是一種對環(huán)境有害的物質(zhì)，因而有 一些法規(guī)限制含水銀器件的發(fā)運(yùn)。液體 膨脹式傳感器無需電源，不存在爆炸 隱患，并且即使多次重復(fù)使用也依然可 靠。另一方面，它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通常不 易記錄或傳輸，并且它們不能進(jìn)行單點(diǎn) 測量或點(diǎn)測。

相變溫度傳感器由在達(dá)到一定溫度時 外觀會變化的標(biāo)簽、顆粒、顏料、油漆 或液晶構(gòu)成。例如，它們可與汽阱配合 使用，當(dāng)汽阱超過一定溫度時，附到汽 阱上的傳感器片上的白色圓點(diǎn)將變成 黑色。

響應(yīng)時間一般為幾分鐘，因而這類器件 通常不對溫度瞬變做出響應(yīng)，并且其 精度低于使用其它類型傳感器進(jìn)行的測 量。而且，相變是不可逆的，液晶顯示 器的情況例外。然而即便如此，如果在 產(chǎn)品運(yùn)輸過程中，例如由于技術(shù)或法律 方面的原因，需要確認(rèn)某件設(shè)備或材料 的溫度尚未超過一定數(shù)值，相變傳感器 還是比較方便。

主力設(shè)備

在化工行業(yè)，常用的溫度傳感器是熱 電偶、電阻溫度探測器和紅外器件。對 于這些器件如何工作以及應(yīng)該如何使用 它們，存在著一種普遍的誤解。

熱電偶： 首先看一下熱電偶——也許是 三者中常用但缺乏了解的器件。本 質(zhì)上，熱電偶由兩條一頭連接在一起， 另一頭打開的合金組成。輸出端（開口端；圖1a中的V 1）的電動勢emf是閉合 端溫度 T 1的函數(shù)。在該溫度增加時，電 動勢emf也隨之升高。

通常，熱電偶帶有金屬或陶瓷護(hù)套，它 將熱電偶與各種環(huán)境因素隔開。金屬 護(hù)套熱電偶還帶有多種類型的涂層（例 如，聚四氟乙烯），以便在腐蝕性溶液 中*地使用。

開口端電動勢不但是閉合端溫度（即 測量點(diǎn)處的溫度）的函數(shù)，它也是開 口端溫度（圖1a中的T2 ）的函數(shù)。只 有使T2一直處于標(biāo)準(zhǔn)溫度，測量的電 1變化的正函數(shù)。對 于T2，行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)是0°C；因此 大多數(shù)表和圖表都假定T 2為這一數(shù)值。在工業(yè)儀表中，T2實(shí)際溫度與0°C之間 的差異通常在儀表內(nèi)部以電子方式校 正。這種電動勢emf調(diào)整稱為冷端或CJ 校正。

輸入端與輸出端之間導(dǎo)線的溫度變化不 影響輸出電壓，前提是導(dǎo)線為熱電偶合 金或熱電等效材料（圖1a）。例如，如 果熱電偶正在測量爐中溫度，而且顯示 讀數(shù)的儀表在一段距離以外，兩者之間 的導(dǎo)線可以從另一爐子附近經(jīng)過并且不 受爐子溫度的影響，除非爐子變得足夠 熱而使導(dǎo)線熔化或者會*地改變導(dǎo)線 的電熱行為。

只要溫度T1在整個連接點(diǎn)處保持不變并 且連接點(diǎn)材料導(dǎo)電，連接點(diǎn)自身的成份 不會對熱電偶行為產(chǎn)生任何影響（圖 1b）。同樣，在任一條或者兩條導(dǎo)線中 添加非熱電偶合金也不會影響讀數(shù)，條 件是這種"摻假"金屬兩端的溫度相同 （圖1c）。

熱電偶能夠與傳輸路徑中的"摻假"金 屬一起使用，這種能力讓我們能夠使用 很多設(shè)備，如熱電偶開關(guān)。盡管傳 輸導(dǎo)線本身通常為熱電偶合金的熱電等 效材料，但若使熱電偶開關(guān)正常工作， 它必須由鍍金或鍍銀銅合金制成并且 帶有適當(dāng)?shù)匿搹椈蓙砹己媒佑|。 只要開關(guān)輸入和輸出連接點(diǎn)處的溫度相 同，其成份變化不會造成任何影響。

了解連續(xù)熱電偶定律很重要。在圖1d的 上部分顯示的兩個元件中，一個熱電偶 的熱端溫度為T1，開口端溫度為T2。第 二個熱電偶的熱端溫度為T2，開口端溫 度為T3。測量T1的熱電偶的電動勢emf 大小為VF1；另一個熱電偶的電動勢大小 為V2。兩個電動勢emf之和，即V1+V2等 于電動勢V3，V3是熱電偶在溫度T1與T3 之間工作總共產(chǎn)生的電動勢。根據(jù)此定 律，為一個開口端參考溫度的熱電 偶可用于不同的開口端溫度。

RTD：典型的RTD由纖細(xì)的鉑線纏繞在 芯棒上組成，還包覆有性涂層。通 常，芯棒和涂層采用玻璃或陶瓷。

RTD的電阻與溫度圖的平均斜率通常稱 為α值（圖2），α代表溫度系數(shù)。給定 傳感器的斜率在某些上取決于其中 鉑的純度。

常用的標(biāo)準(zhǔn)斜率與特定純度和成份的 鉑有關(guān)，其值為0.00385（假定電阻測量 單位是歐姆并且溫度單位是攝氏度）。

利用該斜率繪制的電阻與溫度曲線即為 所謂的歐洲曲線，其原因是這種成份的 RTD首先在歐洲大陸廣泛使用。使圖復(fù) 雜化的是還有另一種標(biāo)準(zhǔn)斜率，它與另 一種差別不大的鉑成份有關(guān)。這種斜率 的α值略高，為0.00392，它遵循所謂美 國曲線。

如果沒有規(guī)定一個給定RTD的α值，該 值通常為0.00385。然而，謹(jǐn)慎的做法是 確定這一點(diǎn)，在要測量的溫度比較高時 尤其如此。這一點(diǎn)在圖2中表現(xiàn)出來，圖 2中顯示的是使用（即0°C時電 阻為100歐姆）的RTD的歐洲曲線和美 國曲線。

熱敏電阻：熱敏電阻的電阻與溫度呈反 比關(guān)系，并且這種關(guān)系為高度非線性。 這給必須自行設(shè)計電路的工程師帶來了 一個嚴(yán)重問題。但是，將熱敏電阻成對 使用能使其非線性相互抵消，可以 這種困難。另外，廠商提供的盤裝儀表 和控制器可以在內(nèi)部對熱敏電阻缺乏線 性進(jìn)行補(bǔ)償。

通常，熱敏電阻根據(jù)其在25°C的電阻值 命名。常用的額定電阻為2252歐姆，其它的還有5,000歐姆和10,000歐姆。如 果沒有另行，多數(shù)儀表可使用2252 型熱敏電阻。

圖1.假定已滿足某些條件 （正文中），則熱電偶性 能不受導(dǎo)線溫度變化(a)、 連接點(diǎn)成份(b)的影響，也 不受導(dǎo)線中增加非熱電 偶 合金(c)的影響。正文中還 詳述的一點(diǎn)是，熱電偶的 讀數(shù)可以累加(d)。

圖2.給定RTD兩種標(biāo)準(zhǔn)電阻與溫度關(guān)系中的一種，這種關(guān)系通常稱為a值。尤其是在進(jìn)行 高溫測量時，在不了解RTD的a值之前 ，明 智 的 工程 師 不 會使用該RTD。

紅外傳感器：紅外傳感器測量表面放射 出的輻射量。所有物質(zhì)不考慮其溫度， 都會放射出電磁能量。在許多加工過 程中，能量都屬于紅外區(qū)。隨著溫 度

紅外傳感器：紅外傳感器測量表面放射 出的輻射量。所有物質(zhì)不考慮其溫度， 都會放射出電磁能量。在許多加工過 程中，能量都屬于紅外區(qū)。隨著溫度 升高，紅外輻射量及其平均頻率都在 增加。

不同材料以不同效率放射。這種效率被量 化成放射率，一個介于0和1之間的小數(shù) 或者介于0%與100%之間的數(shù)。包 括皮膚在內(nèi)的大多數(shù)材料效率*， 其放射率經(jīng)常為0.95。另一方面， 大部分拋光金屬在室溫下往往是效率低下 的放射體，其放射率或效率通常為20% 或更低。

要正確發(fā)揮其功能，紅外測量設(shè)備必 須考慮被測量表面的放射率。通?？?以在參考表中查找到這種放射率。然而， 請記住，該表 無 法 說 明 氧 化 和 表 面粗糙度等具體狀況。當(dāng)放射率大小 未知時，一種某些時候?qū)嵱玫臏囟葴y 量方法是"強(qiáng)行"使放射率達(dá)到 已 知 水平，具體做法是在表面貼上遮蔽膠 帶（放射率為95%）或者涂上放射性 很強(qiáng)的油漆。

一些傳感器輸入中可能確實(shí)包括一些并非 由測量面所在的設(shè)備或材料放射的能量， 相反，這些能量是測量表面反射的其它 設(shè)備或材料放射的能量。放射率與表面 放射出的能量有關(guān)，而"反射率"則與 另一源頭反射的的能量有關(guān)。不透明材 料的放射率是其反射率的反指標(biāo)，屬于 優(yōu)良放射體的物質(zhì)不會反射過多入射能 量，因而不會給傳感器確定表面溫度造 成太大問題。相反，當(dāng)測量放射率很低 （例如20%）的目標(biāo)表面時，到達(dá) 傳感器的很多能量可能是反射能量，例 如反射附近另一溫度的爐子放射的能量。 簡言之，是由高溫的、偽反射目標(biāo)放射 的能量。

紅外器件像照相機(jī)，因此具備一定的視 場。例如，紅外器件可以"看到"1度的 視錐或100度的視錐。測量某一表面時， 該表面*占滿視場。如果目標(biāo)表 面起初沒有占滿視場，請向近移動或者 使用視場更窄的儀器?；蛘咴谧x取該儀 器時，將背景 溫度考慮在內(nèi)行了，即根據(jù)背景溫度來調(diào)整。

選型指南

RTD比熱電偶更加穩(wěn)定。但另一方 面，作為一個類別，RTD的溫度范圍較 窄：RTD的工作范圍為-250 ~ 850°C （-418 ~ 1562°F），而熱電偶的范圍大 約是-270 ~ 2,300°C（-457 ~ 4172°F）。 熱敏電阻的工作范圍更小，通常在-40 ~150°C（-40 ~ 302°F）之間，但在該范 圍內(nèi)其精度很高。

熱敏電阻和RTD共同存在著一個非常重 要的限制。它們都是電阻式器件，因此 它們是通過讓電流流過傳感器來工作的。 即使通常使用非常小的電流，但也會 產(chǎn)生一定的熱量，因而可導(dǎo)致溫度讀數(shù) 出錯。在測量靜止液體（即不流動也未 被攪動的液體）時，電阻式傳感器內(nèi)的 這種自熱效應(yīng)很，因?yàn)椴灰咨l(fā)產(chǎn) 生的熱量。熱電偶基本上是零電流器件， 因此不會出現(xiàn)這種問題。

紅外傳感器雖然相對較貴，但很適合測 量*溫度。它們可測量的高溫度達(dá) 到3,000°C (5,400°F)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了熱電 偶或其它接觸型器件的范圍。

當(dāng)不想接觸要測溫的表面時，紅外測量 方式也很有吸引力。因此，易碎表面或 濕表面（例如剛從烘干箱中出來的油漆 表面）都可以用這種方法監(jiān)測?；?學(xué)活性或者可產(chǎn)生電噪聲的物質(zhì)非常適 合紅外測量。在測量需要大量熱電偶或 RTD才能測量的超大表面（如墻壁）的 溫度時，紅外方式也同樣優(yōu)勢。