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温度测量实用准则

2014/12/26 10:03:22

温度测量实用准则
温度可通过各式各样的传感器来测量。所有传感器都是通过感知物理特性的某些变化来判断温度。工程师有可能碰到的6种传感器类型如下：热电偶、电阻温度探测器（RTD与热敏电阻）、红外辐射器、双金属器件、液体膨胀式器件以及相变器件。首先，我们对每种传感器进行简短回顾。
热电偶主要由两种不同金属制成的金属条或金属线组成，它们的一端连接在一起。如后面所讨论的，该连接点处的温度变化会引起另外两端之间电动势(emf) 的变化。随着温度升高，热电偶的这一输出电动势emf也会增大，但不一定呈线性关系
电阻温度探测器利用了材料电阻随材料温度而变化这一事实。两种主要类型为金属测温器件（通常称为RTD）和热敏电阻。顾名思义，RTD依靠金属电阻的变化，电阻的增加或多或少都与温度呈线性关系。热敏电阻依据的是陶瓷半导体中的电阻变化；电阻下降与温度升高之间存在着非线性关系。
红外传感器是非接触式测温设备。如后面所讨论的，它们通过测量材料放射出的热辐射来判断温度。
双金属器件利用了不同金属之间热膨胀率的差异。两条金属片联结在一起，受热时，一侧金属片膨胀程度大于另一侧金属片，由此造成的弯曲通过与指针相连的金属杆系转变成温度读数。这些器件便于携带并且不需要任何电源，然而它们通常不如热电偶或RTD精确，并且不太适合温度记录。
以家用温度计为代表的液体膨胀式器件通常分为两类：水银类和有机液体类。还有利用气体而非液体的类型。水银被认为是一种对环境有害的物质，因而有一些法规限制含水银器件的发运。液体膨胀式传感器无需电源，不存在爆炸隐患，并且即使多次重复使用也依然可靠。另一方面，它们产生的数据通常不易记录或传输，并且它们不能进行单点测量或点测。
相变温度传感器由在达到一定温度时外观会变化的标签、颗粒、颜料、油漆或液晶构成。例如，它们可与汽阱配合使用，当汽阱超过一定温度时，附到汽阱上的传感器片上的白色圆点将变成黑色。
响应时间一般为几分钟，因而这类器件通常不对温度瞬变做出响应，并且其精度低于使用其它类型传感器进行的测量。而且，相变是不可逆的，液晶显示器的情况例外。然而即便如此，如果在产品运输过程中，例如由于技术或法律方面的原因，需要确认某件设备或材料的温度尚未超过一定数值，相变传感器还是比较方便。
主力设备
在化工行业，最常用的温度传感器是热电偶、电阻温度探测器和红外器件。对于这些器件如何工作以及应该如何使用它们，存在着一种普遍的误解。
热电偶：首先看一下热电偶——也许是三者中最常用但最缺乏了解的器件。本质上，热电偶由两条一头连接在一起，另一头打开的合金组成。输出端（开口端；图1a中的V 1）的电动势emf是闭合端温度 T 1的函数。在该温度增加时，电动势emf也随之升高。
通常，热电偶带有金属或陶瓷护套，它将热电偶与各种环境因素隔开。金属护套热电偶还带有多种类型的涂层（例如，聚四氟乙烯），以便在腐蚀性溶液中无故障地使用。
开口端电动势不但是闭合端温度（即测量点处的温度）的函数，它也是开口端温度（图1a中的T2 ）的函数。只有使T2一直处于标准温度，测量的电 1变化的正函数。对于T2，行业认可的标准是0°C；因此大多数表和图表都假定T 2为这一数值。在工业仪表中，T2实际温度与0°C之间的差异通常在仪表内部以电子方式校正。这种电动势emf调整称为冷端或CJ 校正。
输入端与输出端之间导线的温度变化不影响输出电压，前提是导线为热电偶合金或热电等效材料（图1a）。例如，如果热电偶正在测量炉中温度，而且显示读数的仪表在一段距离以外，两者之间的导线可以从另一炉子附近经过并且不受炉子温度的影响，除非炉子变得足够热而使导线熔化或者会永久地改变导线的电热行为。
只要温度T1在整个连接点处保持不变并且连接点材料导电，连接点自身的成份就不会对热电偶行为产生任何影响（图 1b）。同样，在任一条或者两条导线中添加非热电偶合金也不会影响读数，条件是这种"掺假"金属两端的温度相同。