一、溫度測(cè)量的基本概念

1 .溫度定義:

溫度是表示物體冷熱程度的物理量。 溫度只能通過(guò)隨溫度變化的物體特性間接測(cè)量，測(cè)量物體溫度值的比例稱為溫度比例。 規(guī)定溫度讀取開(kāi)始點(diǎn)(零點(diǎn))和測(cè)量溫度的基本單位。 現(xiàn)在國(guó)際上常用的溫度標(biāo)準(zhǔn)是華氏、攝氏、熱力學(xué)溫度標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際實(shí)用溫度標(biāo)準(zhǔn)。

攝氏溫度坐標(biāo)(℃)規(guī)定為，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間為100等分，等分?jǐn)z氏1度，符號(hào)為℃。

華氏溫度標(biāo)記(?)表示在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，中間為180等分時(shí)華氏1度的符號(hào)為⊙222222222222222222226

熱力學(xué)溫度坐標(biāo)(符號(hào)t )也稱為開(kāi)爾文溫度坐標(biāo)(符號(hào)k )或溫度坐標(biāo)，將分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度規(guī)定為零度。

國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn):國(guó)際實(shí)用溫度標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際協(xié)議性溫度標(biāo)準(zhǔn)，接近熱力學(xué)溫度標(biāo)準(zhǔn)，再現(xiàn)精度高，使用方便。 現(xiàn)在國(guó)際通用的溫度標(biāo)準(zhǔn)是1975年第15屆國(guó)際權(quán)力大會(huì)上通過(guò)的“1968年國(guó)際實(shí)用溫度標(biāo)準(zhǔn)-1975年修訂版”，記載為IPTS-68(REV-75 )。 但是，由于IPTS-68的溫度存在一定的不安，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)在18次國(guó)際計(jì)量大會(huì)第7號(hào)決議中批準(zhǔn)1989年會(huì)議采用1990年國(guó)際ITS-90、ITS-90的溫度標(biāo)準(zhǔn)代替IPS-68。 我國(guó)自1994年1月1日起全面實(shí)施ITS-90國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn)。

1990年國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn):

a、溫度單位:熱力學(xué)溫度是基本功手的物理量，其單位為開(kāi)爾文，水的三相點(diǎn)與定義的熱力學(xué)溫度的1/273.16以273.15K (冰點(diǎn)以下)之差表示溫度，因此至今仍保留該方法。 根據(jù)定義，攝氏的大小和開(kāi)爾文一樣，溫度差也可以用攝氏和開(kāi)爾文來(lái)表現(xiàn)。 國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90同時(shí)定義國(guó)際開(kāi)爾文溫度(符號(hào)T90 )和國(guó)際攝氏溫度(符號(hào)T90 )。

b、國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90的通則: ITS-90從0.65K向普朗克輻射法則用單色輻射可實(shí)際測(cè)量的zui高溫。 ITS-90是全范圍，溫度采用時(shí)t的zui較佳推定值被規(guī)定為，與直接測(cè)定熱力學(xué)溫度相比，T90的測(cè)定更方便，而且精密，再現(xiàn)性高。

c、ITS-90的定義:

*溫帶在0.65K到5.00K之間，T90由3He和4hh的蒸汽壓力和溫度的關(guān)系式定義。

第二溫區(qū)在3.0K到氖三相點(diǎn)( 24.5661K )之間的T90由氦氣溫度計(jì)定義。

第三溫區(qū)從平樟氫三相點(diǎn)( 13.8033K )到銀的凝固點(diǎn)( 961.78℃)之間，T90由鉑電阻溫度計(jì)定義，其采用規(guī)定的定義插值法算出。 在銀凝固點(diǎn)( 961.78℃)以上的溫度范圍內(nèi)，T90由普朗克輻射定律定義，再現(xiàn)裝置是光學(xué)高溫計(jì)。

二、溫度測(cè)量?jī)x器的分類

溫度測(cè)量?jī)x器根據(jù)測(cè)溫方式大致分為接觸式和非接觸式。 通常，接觸式測(cè)溫計(jì)比較簡(jiǎn)單，可靠性高，測(cè)量精度高，但測(cè)溫元件和被測(cè)介質(zhì)需要進(jìn)行充分的熱交換金剛，達(dá)到熱平衡需要一定的時(shí)間，因此在存在測(cè)溫延遲現(xiàn)象的同時(shí)，被高溫材料所限制，不能應(yīng)用于高溫測(cè)量。 非接觸式儀表的測(cè)溫是根據(jù)熱輻射的原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)量元件不需要與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，不破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般較快，但受物體發(fā)射率、測(cè)量距離、煙塵、水分等外在因素的影響，測(cè)量誤差較大。

三、傳感器的選擇

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87的傳感器下定義如下。 &ldquo； 可以感受能夠根據(jù)規(guī)定的測(cè)量、一定規(guī)則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的設(shè)備和裝置，通常由靈敏元件和轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成&rdquo； 的雙曲馀弦值。 傳感器是檢測(cè)測(cè)定的信息，將檢測(cè)出的信息以一定規(guī)則轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或其他必要形式的信息輸出，滿足信息傳送、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求的檢測(cè)裝置。 這是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的主要環(huán)節(jié)。

(一)現(xiàn)代傳感器的原理和結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，如何根據(jù)具體的測(cè)量目標(biāo)、測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境合理選擇傳感器，是進(jìn)行某些量測(cè)時(shí)首先要解決的問(wèn)題。 傳感器確定后，也可確定相應(yīng)的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備。 測(cè)量結(jié)果的成功與否很大程度上取決于傳感器的選擇是否合理。

1 .根據(jù)測(cè)量對(duì)象和測(cè)量環(huán)境決定傳感器的類型:進(jìn)行具體的測(cè)量工作，首先必須考慮采用哪種原理的傳感器，分析多方面的要素后再確定。 這是因?yàn)椋词箿y(cè)量相同的物理量，也能夠選擇各種原理的傳感器，因此若該原理的傳感器更適當(dāng)，則根據(jù)所測(cè)量的特征和傳感器的使用條件，對(duì)于需要考慮范圍的大小的被測(cè)量位置的傳感器的體積要求測(cè)量方式為接觸式或非接觸式的信號(hào)的讀出方法、有線或者非接觸式測(cè)量傳感器

2、靈敏度的選擇:通常在傳感器的線性范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好。 僅在靈敏度高的情況下，對(duì)應(yīng)于測(cè)定出的變化量的輸出信號(hào)對(duì)于信號(hào)處理有利。 但是應(yīng)該注意的是，傳感器的靈敏度高，還容易混入沒(méi)有被測(cè)定的外部的噪聲，被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)定精度，因此對(duì)傳感器自身要求高的可靠性，盡可能減少?gòu)耐獠繉?dǎo)入的工廠的擔(dān)心信號(hào)。 傳感器的靈敏度有方向性。 如果所測(cè)量的傳感器是單向量并且其方向性要求較高，則需要選擇其他方向上的靈敏度較小的傳感器，以及如果通過(guò)多維向量進(jìn)行測(cè)量，則需要傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3、頻率響應(yīng)特性:傳感器的頻率響應(yīng)特性必須確定所測(cè)量的頻率范圍，并保持在所允許的頻率范圍內(nèi)無(wú)失真的測(cè)量條件。 實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總是有一定的延遲。 延遲越短越好。 如果傳感器的頻率響應(yīng)較高，則可測(cè)量信號(hào)的頻率范圍變寬，受結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，而且頻率較低的傳感器可以測(cè)量信號(hào)的頻率較低。 動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，請(qǐng)勿根據(jù)信號(hào)的特性(穩(wěn)態(tài)、隨機(jī)等)產(chǎn)生過(guò)度誤差。

4、線性范圍:傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。 理論上，在該范圍內(nèi)靈敏度一定，傳感器的線性范圍越寬，其范圍越大，能夠保證一定的測(cè)量精度。 選擇傳感器時(shí)，確定傳感器的種類后，首先看其范圍是否滿足要求。 但是，實(shí)際上，任何傳感器都不能保證的直線性，其直線性也是相對(duì)的。 在所要求的測(cè)定精度低的情況下，可以將在一定范圍內(nèi)非線性誤差小的傳感器看作近似線性，在測(cè)定上非常方便。

5、穩(wěn)定性:傳感器使用一定時(shí)間后，其性能不變的能力稱為穩(wěn)定性。 影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素主要是傳感器的使用環(huán)境，除了傳感器本身的結(jié)構(gòu)以外。 因此，為了使傳感器具有穩(wěn)定性，傳感器需要較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 在選擇傳感器之前，調(diào)查其使用環(huán)境，根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，或采取適當(dāng)?shù)拇胧p少環(huán)境影響。 如果要求傳感器的長(zhǎng)期使用，且易于更換或定位，那么對(duì)選定傳感器的穩(wěn)定性要求更苛刻，并且應(yīng)經(jīng)受長(zhǎng)期考驗(yàn)。

6、精度:精度是傳感器的重要性能指標(biāo)，它是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的重要環(huán)節(jié)。 傳感器的精度越高，其價(jià)格越高，因此傳感器的精度只要滿足測(cè)量系統(tǒng)整體的精度要求即可，即使不太高地選擇，也能夠從滿足相同測(cè)量的多個(gè)傳感器中選擇比較廉價(jià)且簡(jiǎn)單的傳感器。 如果測(cè)定目的是定性分析，則選擇反復(fù)精度高的傳感器即可，如果是不應(yīng)該選擇測(cè)定值的精度高的傳感器的定量分析所需要的測(cè)定值，則選定精度等級(jí)滿足要求的傳感器。 在特殊使用情況下，如果無(wú)法選擇合適的傳感器，需要自己設(shè)計(jì)和制造傳感器，自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。

(2)溫度計(jì):

1、熱阻:熱阻是中低溫區(qū)zui常用的溫度檢測(cè)器。 其主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定。 其中鉑電阻測(cè)量精度zui高，未廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，已成為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)儀器。

①測(cè)溫電阻體的原理和材料:測(cè)溫電阻體基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加的特性進(jìn)行溫度測(cè)量。 熱阻幾乎都是由金屬材料制成的，現(xiàn)在大多使用zui的是鉑和銅，另外，現(xiàn)在也開(kāi)始用銠、鎳、錳等材料制造熱阻。

②測(cè)溫電阻體系統(tǒng)的構(gòu)成:測(cè)溫電阻體系統(tǒng)一般由測(cè)溫電阻體、連接線、數(shù)字溫度控制顯示表等構(gòu)成。 需要注意的兩點(diǎn): &ldquo； 測(cè)溫電阻體和數(shù)字溫度控制顯示表的分度代號(hào)為消除必須一致的連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制連接法。 &rdquo；

2、熱敏電阻: NTC熱敏電阻具有體積小、測(cè)試精度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠、抗老化、兼容性好、一致性好等特點(diǎn)。 廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣設(shè)備、電子體溫計(jì)、液位傳感器、汽車電子、電子日歷等領(lǐng)域。

3、熱電偶:熱電偶是工業(yè)上zui常用的溫度檢測(cè)元件之一。 優(yōu)勢(shì)包括:

①測(cè)量精度高。 由于熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，因此不受中間介質(zhì)的影響。

②測(cè)量范圍廣。 通常的熱電偶可以從-50~+1600℃連續(xù)測(cè)量，特定的特殊熱電偶zui可以達(dá)到-269℃(例如，金鐵鎳鈷合金)，zui可以達(dá)到+2800℃(例如，鎢-錸)。

③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。 熱電偶通常由兩種不同的電線組成，且不受大小和開(kāi)頭限制，外面有保護(hù)套，使用方便。

(1) .熱電偶測(cè)溫的基本原理

焊接兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體a和b，構(gòu)成一個(gè)閉合電路。 當(dāng)導(dǎo)體a和b的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫度差時(shí)，在兩者之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，在電路中產(chǎn)生大電流的現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。 熱電偶利用這個(gè)效果發(fā)揮作用。

(2) .熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩類。

標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)尺度的熱電偶，有與其配套的顯示器。

未標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶不及使用范圍或數(shù)量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)度表，主要用于特殊情況下的測(cè)量。

我國(guó)自1988年1月1日起，熱電偶和熱阻均按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，將s、b、e、k、r、j、t 7種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶指定為中國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

(3) .熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

熱電偶的材料一般是貴重的(特別是采用貴金屬時(shí))，從測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離較遠(yuǎn)，為了節(jié)約熱電偶的材料，降低成本，通常使用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端(自由端)延長(zhǎng)到溫度比較穩(wěn)定的控制室，并與儀表端子連接。 必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是將熱電偶的冷端子移動(dòng)到控制室的儀表端子，不能消除冷端子的溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不能進(jìn)行補(bǔ)償。 因此，為了補(bǔ)償冷卻溫度t0&ne，還需要其他修正方法，對(duì)0℃下的測(cè)溫產(chǎn)生影響。 使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，要注意形式一致，不能搞錯(cuò)極性，補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶連接端的溫度不得超過(guò)100℃。

四、我國(guó)溫控領(lǐng)域的八大進(jìn)展

我國(guó)儀器在微細(xì)化、數(shù)字化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化等方面追隨著國(guó)際發(fā)展的步伐，加大了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)部分的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化力度，取得了顯著進(jìn)展。 其中，需要提出的重大科學(xué)技術(shù)進(jìn)展主要包括以下八個(gè)方面

1、先進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化和全數(shù)字整合，達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化要求，在鋼、電、煤、化、油、交通、建筑、防衛(wèi)、食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，向擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方向邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

2、智能系列測(cè)試儀器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究與產(chǎn)業(yè)化水平大大提高，建立了航天測(cè)試、機(jī)電產(chǎn)品測(cè)試、家電產(chǎn)品測(cè)試、地震監(jiān)測(cè)、氣象探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等各行業(yè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 整體水平達(dá)到國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品水平，售價(jià)明顯低于國(guó)外產(chǎn)品。

3 .微波毫米波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的研制成功，成功批量生產(chǎn)標(biāo)志著中國(guó)成為僅次于美國(guó)的世界第二大高科技產(chǎn)品國(guó)家。

4 .研制出具有獨(dú)特特色的納米計(jì)量和微機(jī)械，碳納米管的定向制備、結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)探測(cè)處于世界ling之上。

5 .完成完整的電量子標(biāo)準(zhǔn)和1.5×的10-5級(jí)國(guó)家電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，使我國(guó)的電量標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

六是開(kāi)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)科學(xué)儀器難關(guān)，提高了我國(guó)科學(xué)儀器的總體水平。

7、建立產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、國(guó)內(nèi)外結(jié)合的發(fā)展機(jī)制，拓展科學(xué)儀器應(yīng)用領(lǐng)域，如開(kāi)發(fā)海關(guān)防偽門票頻譜儀器，在全國(guó)海關(guān)普及后，累計(jì)征收假門票價(jià)值540億元，為國(guó)家恢復(fù)巨大經(jīng)濟(jì)損失。 國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器的市場(chǎng)占有率為&ldquo； 八五&rdquo； 期間的13%為&ldquo； 九五&rdquo； 是晚期的25%。

8 .成功研制出高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療系統(tǒng)，超聲醫(yī)療器械在腫瘤無(wú)創(chuàng)治療方面具有國(guó)際ling的優(yōu)勢(shì)

本文熱電偶高頻詞： 傳感器  測(cè)量 

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