第4章生產(chǎn)工藝參數(shù)檢測(cè)儀表4.1溫度測(cè)量與儀表

4.2壓力測(cè)量與儀表

4.3流量檢測(cè)與儀表

4.4物位檢測(cè)與儀表

4.1溫度檢測(cè)與儀表4.1.1溫標(biāo)及測(cè)溫方法分類

1.溫標(biāo)為了保證溫度量值的統(tǒng)一，必須建立一個(gè)用來衡量溫度高低的標(biāo)準(zhǔn)尺度，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺度稱為溫標(biāo)。溫度的高低必須用數(shù)字來說明，溫標(biāo)就是溫度的一種數(shù)值表示方法，并給出了溫度數(shù)值化的一套規(guī)則和方法，同時(shí)明確了溫度的測(cè)量單位。人們一般是借助于隨溫度變化而變化的物理量（如體積、壓力、電阻、熱電勢(shì)等）來定義溫度數(shù)值，建立溫標(biāo)和制造各種各樣的溫度檢測(cè)儀表。

各種溫度計(jì)和溫度傳感器的溫度數(shù)值均由溫標(biāo)確定，溫標(biāo)三要素為：①可實(shí)現(xiàn)的固定點(diǎn)溫度；②表示固定點(diǎn)之間溫度的內(nèi)插儀器；③確定相鄰固定溫度點(diǎn)之間的內(nèi)插公式。下面對(duì)常用溫標(biāo)作一簡(jiǎn)介。

1）經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)借助于某一種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)的方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)稱為經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)。常用的有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和列氏溫標(biāo)。

(1)攝氏溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)是把在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下水的冰點(diǎn)定為零攝氏度，把水的沸點(diǎn)定為100攝氏度的一種溫標(biāo)。在零攝氏度到100攝氏度之間進(jìn)行100等分，每一等分為1攝氏度，單位符號(hào)為℃，如圖4-1所示。圖4-1攝氏溫標(biāo)(2)華氏溫標(biāo)。人們規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的純水的冰點(diǎn)溫度為32華氏度，水的沸點(diǎn)定為212華氏度，中間劃分180等分。每一等分稱為1華氏度。單位符號(hào)為℉。

(3)列氏溫標(biāo)。列氏溫標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融點(diǎn)為0列氏度，水沸點(diǎn)為80列氏度，中間等分為80等分，每一等分為1列氏度。單位符號(hào)為°R。攝氏、華氏、列氏溫度之間的換算關(guān)系為

（4-1）

式中:C——攝氏溫度值；

F——華氏溫度值；

R——列氏溫度值。攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)都是用水銀作為溫度計(jì)的測(cè)溫介質(zhì)，而列氏溫標(biāo)則是用水和酒精的混合物來作為測(cè)溫物質(zhì)的。但它們均是依據(jù)液體受熱膨脹的原理建立溫標(biāo)和制造溫度計(jì)的。

2）熱力學(xué)溫標(biāo)

1848年英國(guó)科學(xué)家開爾文（Kelvin）提出以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)建立熱力學(xué)溫標(biāo)。他根據(jù)熱力學(xué)理論，認(rèn)為物質(zhì)有一個(gè)最低溫度點(diǎn)存在，定為0K，把水的三相點(diǎn)溫度273.15K選作唯一的參考點(diǎn),在該溫標(biāo)中不會(huì)出現(xiàn)負(fù)溫度值。從理想氣體狀態(tài)方程入手可以復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)，稱做絕對(duì)氣體溫標(biāo)。這兩種溫標(biāo)在數(shù)值上完全相同，而且與測(cè)溫物質(zhì)無關(guān)。由于不存在理想氣體和理想卡諾熱機(jī)，故這類溫標(biāo)是無法實(shí)現(xiàn)的。在使用氣體溫度計(jì)測(cè)量溫度時(shí)，要對(duì)其讀數(shù)進(jìn)行許多修正，修正過程又依賴于許多精確的測(cè)量，于是就導(dǎo)致了國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)的問世。

3）國(guó)際溫標(biāo)國(guó)際溫標(biāo)是用來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的，其指導(dǎo)思想是采用氣體溫度計(jì)測(cè)出一系列標(biāo)準(zhǔn)固定溫度（相平衡點(diǎn)），以它們?yōu)橐罁?jù)在固定點(diǎn)中間規(guī)定傳遞的儀器及溫度值的內(nèi)插公式。第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)制定于1927年，此后隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，溫標(biāo)的探索也在不斷地進(jìn)展，1989年7月國(guó)際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)了新的國(guó)際溫標(biāo)，簡(jiǎn)稱ITS－90。我國(guó)于1994年起全面推行ITS－90新溫標(biāo)。

ITS－90同時(shí)定義國(guó)際開爾文溫度（變量符號(hào)為T90）和國(guó)際攝氏溫度（變量符號(hào)為t90）。水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度為273.15K，攝氏度與開爾文度保留原有簡(jiǎn)單的關(guān)系式

t90=(T90-273.15)℃

（4-2）

ITS-90對(duì)某些純物質(zhì)各相（固、液體）間可復(fù)現(xiàn)的平衡態(tài)之溫度賦予給定值，即給予了定義，定義的固定點(diǎn)共17個(gè)。ITS-90規(guī)定把整個(gè)溫標(biāo)分成四個(gè)溫區(qū)，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀器如下：0.65～5.0K之間，T90用

He和4He蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義；3.0～24.5561K（氖三相點(diǎn)）之間，用氦氣體溫度計(jì)來定義；13.8033K（平衡氫三相點(diǎn)）～961.78℃（銀凝固點(diǎn)）之間，用基準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)來定義；961.78℃以上，用單色輻射溫度計(jì)或光電高溫計(jì)來復(fù)現(xiàn)。

2.溫度檢測(cè)的主要方法及分類

1）接觸式測(cè)溫方法接觸式測(cè)溫方法是使溫度敏感元件和被測(cè)溫度對(duì)象相接觸，當(dāng)被測(cè)溫度與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度敏感元件與被測(cè)溫度對(duì)象的溫度相等。這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，精度高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。這類測(cè)溫方法的溫度傳感器主要有：基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度傳感器；基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的電阻式溫度傳感器；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度傳感器。

2）非接觸式測(cè)溫方法非接觸式測(cè)溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān)，并且以電磁波形式向四周輻射，當(dāng)選擇合適的接收檢測(cè)裝置時(shí)，便可測(cè)得被測(cè)對(duì)象發(fā)出的熱輻射能量，并且轉(zhuǎn)換成可測(cè)量和顯示的各種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。這類測(cè)溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。非接觸式溫度傳感器理論上不存在熱接觸式溫度傳感器的測(cè)量滯后和在溫度范圍上的限制，可測(cè)高溫、腐蝕、有毒、運(yùn)動(dòng)物體及固體、液體表面的溫度，不干擾被測(cè)溫度場(chǎng)，但精度較低，使用不太方便。表4-2溫度檢測(cè)方法的分類

表4-2溫度檢測(cè)方法的分類

4.1.2接觸式溫度檢測(cè)

1.熱膨脹式溫度計(jì)熱膨脹式溫度計(jì)是利用液體、氣體或固體熱脹冷縮的性質(zhì)，即測(cè)溫敏感元件在受熱后尺寸或體積會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)尺寸或體積的變化值得到溫度的變化值。熱膨脹式溫度計(jì)分為液體膨脹式溫度計(jì)和固體膨脹式溫度計(jì)兩大類。這里以固體膨脹式溫度計(jì)中的雙金屬溫度計(jì)和壓力式溫度計(jì)為例進(jìn)行介紹。

1）雙金屬溫度計(jì)固體膨脹式溫度計(jì)中最常見的是雙金屬溫度計(jì)，其典型的敏感元件為兩種粘在一起且膨脹系數(shù)有差異的金屬。雙金屬片組合成溫度檢測(cè)元件，也可以直接制成溫度測(cè)量的儀表。通常的制造材料是高錳合金與殷鋼。殷鋼的膨脹系數(shù)僅為高錳合金的1/20，兩種材料制成疊合在一起的簿片，其中膨脹系數(shù)大的材料為主動(dòng)層，小的為被動(dòng)層。將復(fù)合材料的一端固定，另一端自由。在溫度升高時(shí)，自由端將向被動(dòng)層一側(cè)彎曲，彎曲程度與溫度相關(guān)。自由端焊上指針和轉(zhuǎn)軸則隨溫度可以自由旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成了室溫計(jì)和工業(yè)用的雙金屬溫度計(jì)。它也可用來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的溫度控制。雙金屬溫度計(jì)敏感元件如圖4-2所示。它們由兩種熱膨脹系數(shù)a不同的金屬片組合而成，例如一片用黃銅，a=22.8×10-6℃-1，另一片用鎳鋼a=1×10-6℃-1～2×10-6℃-1，將兩片粘貼在一起，并將其一端固定，另一端設(shè)為自由端，自由端與指示系統(tǒng)相連接。當(dāng)溫度由t0變化到t1時(shí)，由于A,B兩者熱膨脹不一致而發(fā)生彎曲，即雙金屬片由t0時(shí)初始位置AB變化到t1時(shí)的相應(yīng)位置A'B'，最后導(dǎo)致自由端產(chǎn)生一定的角位移，角位移的大小與溫度成一定的函數(shù)關(guān)系，通過標(biāo)定刻度，即可測(cè)量溫度。雙金屬溫度計(jì)一般應(yīng)用在-80℃～600℃范圍內(nèi)，最好情況下，精度可達(dá)0.5～1.0級(jí)，常被用作恒定溫度的控制元件，如一般用途的恒溫箱、加熱爐等就是采用雙金屬片來控制和調(diào)節(jié)”恒溫”的，如圖4-3所示。圖4-1雙金屬溫度計(jì)敏感元件

圖4-2雙金屬溫度計(jì)敏感元件

2）壓力式溫度計(jì)壓力式溫度計(jì)是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體在定容條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理制成的。主要由感溫包、傳遞壓力元件（毛細(xì)管）、壓力敏感元件（彈簧管、膜盒、波紋管等）、齒輪或杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、指針和讀數(shù)盤組成。溫包、毛細(xì)管和彈簧管的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個(gè)封閉容器，其中充滿了感溫介質(zhì)。當(dāng)溫包受熱后，內(nèi)部介質(zhì)因溫度升高而壓力增大，壓力的變化經(jīng)毛細(xì)管傳遞給彈簧管使其變形，并通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，指示出相應(yīng)的溫度數(shù)值。因此，這種溫度計(jì)的指示儀表實(shí)際上就是普通的壓力表。壓力式溫度計(jì)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度較高，抗振性較好。

為了利于傳熱，溫包的表面面積與其體積的比值應(yīng)盡量大，所以通常采用細(xì)而長(zhǎng)的圓筒型溫包。雖然扁平斷面要比圓斷面更利于傳熱，但耐壓能力遠(yuǎn)不如圓斷面好。壓力式溫度計(jì)的毛細(xì)管細(xì)而長(zhǎng)，其作用是傳遞壓力，常用銅或不銹鋼冷軋無縫管制作，內(nèi)徑為0.4mm。為了減小周圍環(huán)境溫度變化引起的附加誤差，毛細(xì)管的容積應(yīng)遠(yuǎn)小于溫包的容積，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳遞，這就要求其內(nèi)徑小。當(dāng)然，長(zhǎng)度加長(zhǎng)內(nèi)徑減小會(huì)使傳遞阻力增大、溫度計(jì)的響應(yīng)變慢，在長(zhǎng)度相等的條件下，管越細(xì)則準(zhǔn)確度越高。一般檢測(cè)溫度點(diǎn)的位置與顯示溫度的地方可相距20米（特殊需要場(chǎng)合可制作到60米），故它又被稱為隔離溫度計(jì)。

圖4-3雙金屬控制恒溫箱示意圖

2）壓力式溫度計(jì)壓力式溫度計(jì)是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體在定容條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理制成的。主要由感溫包、傳遞壓力元件（毛細(xì)管）、壓力敏感元件（彈簧管、膜盒、波紋管等）、齒輪或杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、指針和讀數(shù)盤組成。溫包、毛細(xì)管和彈簧管的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個(gè)封閉容器，其中充滿了感溫介質(zhì)。當(dāng)溫包受熱后，內(nèi)部介質(zhì)因溫度升高而壓力增大，壓力的變化經(jīng)毛細(xì)管傳遞給彈簧管使其變形，并通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，指示出相應(yīng)的溫度數(shù)值。因此，這種溫度計(jì)的指示儀表實(shí)際上就是普通的壓力表。壓力式溫度計(jì)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度較高，抗振性較好。為了利于傳熱，溫包的表面面積與其體積的比值應(yīng)盡量大，所以通常采用細(xì)而長(zhǎng)的圓筒型溫包。雖然扁平斷面要比圓斷面更利于傳熱，但耐壓能力遠(yuǎn)不如圓斷面好。壓力式溫度計(jì)的毛細(xì)管細(xì)而長(zhǎng)，其作用是傳遞壓力，常用銅或不銹鋼冷軋無縫管制作，內(nèi)徑為0.4mm。為了減小周圍環(huán)境溫度變化引起的附加誤差，毛細(xì)管的容積應(yīng)遠(yuǎn)小于溫包的容積，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳遞，這就要求其內(nèi)徑小。當(dāng)然，長(zhǎng)度加長(zhǎng)內(nèi)徑減小會(huì)使傳遞阻力增大、溫度計(jì)的響應(yīng)變慢，在長(zhǎng)度相等的條件下，管越細(xì)則準(zhǔn)確度越高。一般檢測(cè)溫度點(diǎn)的位置與顯示溫度的地方可相距20米（特殊需要場(chǎng)合可制作到60米），故它又被稱為隔離溫度計(jì)。圖4-4壓力式溫度計(jì)壓力式溫度計(jì)主要由溫包、毛細(xì)管和壓力敏感元件（如彈簧管、膜盒、波紋管等）組成，如圖4-4所示。溫包、毛細(xì)管和彈簧管三者的內(nèi)腔共同構(gòu)成一個(gè)封閉容器。其中充滿工作物質(zhì)。溫包直接與被測(cè)介質(zhì)接觸，把溫度變化充分地傳遞給內(nèi)部的工作物質(zhì)。所以，其材料應(yīng)具有防腐能力，并有良好的熱導(dǎo)率。為了提高靈敏度，溫包本身的受熱膨脹應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其內(nèi)部工作物質(zhì)的膨脹，故材料的體膨脹系數(shù)要小。此外，還應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以便在較薄的容器壁上承受較大的內(nèi)外壓力差。通常用不銹鋼或黃銅制造溫包，黃銅只能用在非腐蝕性介質(zhì)里。當(dāng)溫包受熱后，將使內(nèi)部工作物質(zhì)溫度升高而壓力增大，此壓力經(jīng)毛細(xì)管傳到彈簧管內(nèi)，使彈簧管產(chǎn)生變形，并由傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)指針，指示相應(yīng)的溫度值。目前生產(chǎn)的壓力式溫度計(jì)，根據(jù)充入密閉系統(tǒng)內(nèi)工作物質(zhì)的不同可分為充氣體的壓力式溫度計(jì)和充蒸氣的壓力式溫度計(jì)。

(1)充氣體的壓力式溫度計(jì)。氣體狀態(tài)方程式pV=mRT表明，對(duì)一定質(zhì)量m的氣體，如果它的體積V一定，則它的溫度T與壓力p成正比。因此，在密封容器內(nèi)充以氣體，就構(gòu)成充氣體的壓力溫度計(jì)。工業(yè)上用的充氣體的壓力式溫度計(jì)通常充氮?dú)?，它能測(cè)量的最高溫度為500～550℃；在低溫下則充氫氣，它的測(cè)溫下限可達(dá)-120℃。在過高的溫度下，溫包中充填的氣體會(huì)較多地透過金屬壁而擴(kuò)散，這樣會(huì)使儀表讀數(shù)偏低。

(2)充蒸氣的壓力式溫度計(jì)充蒸氣的壓力式溫度計(jì)是根據(jù)低沸點(diǎn)液體的飽和蒸氣壓只和氣液分界面的溫度有關(guān)這一原理制成的。其感溫包中充入約占2/3容積的低沸點(diǎn)液體，其余容積則充滿液體的飽和蒸氣。當(dāng)感溫包溫度變化時(shí)，蒸氣的飽和蒸氣壓發(fā)生相應(yīng)變化，這一壓力變化通過一插入到感溫包底部的毛細(xì)管進(jìn)行傳遞。在毛細(xì)管和彈簧管中充滿上述液體，或充滿不溶于感溫包中液體的、在常溫下不蒸發(fā)的高沸點(diǎn)液體，稱為輔助液體，以傳遞壓力。感溫包中充入的低沸點(diǎn)液體常用的有氯甲烷、氯乙烷和丙酮等。

2.熱電偶熱電偶是目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展比較完善的溫度傳感器，它在很多方面都具備了一種理想溫度傳感器的條件。

1）熱電偶的特點(diǎn)（1）溫度測(cè)量范圍寬。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前熱電偶的品種較多，它可以測(cè)量自-271～2800℃乃至更高的溫度。（2）性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠。在正確使用的情況下，熱電偶的性能是很穩(wěn)定的，其精度高，測(cè)量準(zhǔn)確可靠。

（3）信號(hào)可以遠(yuǎn)傳和記錄。由于熱電偶能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，因此可以遠(yuǎn)距離傳遞，也可以集中檢測(cè)和控制。此外，熱電偶的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，其測(cè)量端能做得很小。因此，可以用它來測(cè)量“點(diǎn)”的溫度。又由于它的熱容量小，因此反應(yīng)速度很快。

2）熱電偶的測(cè)溫原理

(1)熱電效應(yīng)。熱電偶測(cè)溫是基于熱電效應(yīng)。在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果它們兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，通常我們稱這種電動(dòng)勢(shì)為熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象就是熱電效應(yīng)，如圖4-5所示。圖4-5熱電偶的測(cè)溫原理

熱電偶的基本工作原理是基于熱電效應(yīng)。所謂熱電效應(yīng)，即將兩種不同的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路，只要兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，則回路中就有電流產(chǎn)生，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。如圖4-5所示，導(dǎo)體A、B稱為熱電極。在熱電偶的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中，位于被測(cè)溫度（T）中的結(jié)點(diǎn)1稱為工作端（熱端），而處于恒定溫度（T0）中的結(jié)點(diǎn)2稱為參考端（冷端）。由于熱電效應(yīng)，回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)E。當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的溫差越大，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)就越大。通過測(cè)量熱電偶輸出的電動(dòng)勢(shì)的大小，就可以得到被測(cè)溫度的大小。熱電偶的熱電勢(shì)是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(shì)組成的。

(2)接觸電勢(shì)

兩種材料不同的導(dǎo)體A和B接觸在一起時(shí)，由于自由濃度不同，便在接觸處發(fā)生電子擴(kuò)散，若導(dǎo)體A、B的電子濃度分別為NA、NB，且NA>NB，則在單位時(shí)間內(nèi)，由A擴(kuò)散到B的電子數(shù)要多于由B擴(kuò)散到A的電子數(shù)。所以，導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B因得到電子而帶負(fù)電，在A、B的接觸面處便形成一個(gè)從A到B的靜電場(chǎng),如圖4-6所示。這個(gè)電場(chǎng)又阻止電子繼續(xù)由A向B擴(kuò)散。當(dāng)電子擴(kuò)散能力與此電場(chǎng)阻力相平衡時(shí)，自由電子的擴(kuò)散達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，這樣在接觸處形成一個(gè)穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)，稱為接觸電勢(shì)，如圖4-7所示。圖4-6熱電偶的接觸電勢(shì)示意圖圖4-7兩端接觸電勢(shì)形成示意圖在圖4-5回路中，T0點(diǎn)的接觸電勢(shì)其大小為

（4-3）

上式中:EAB（T）為導(dǎo)體A、B在溫度T的接觸電勢(shì)；K為接觸處絕對(duì)溫度，K為波耳茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；e為電子電荷，e=1.60×10-19C?？梢钥闯?，如果熱電偶的兩個(gè)電極材料相同(NA=NB)，則不會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)。因此，熱電偶的兩個(gè)電極材料必須不同。在圖4-5回路中，T0點(diǎn)的接觸電勢(shì)為

（4-5）

（4-4）

如果以順時(shí)針方向?yàn)榻佑|電勢(shì)正方向，則回路中EAB(T0)與EAB(T)的方向相反，熱電偶回路中的總接觸電勢(shì)應(yīng)為

(3)溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)（也稱湯姆遜電勢(shì)）是指在同一根導(dǎo)體中，由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。導(dǎo)體A兩端的溫度分別為T0和T時(shí)的溫差電勢(shì)表示為EA（T，T0）。設(shè)導(dǎo)體A(或B)兩端溫度分別為T0和T，且T>T0。此時(shí)導(dǎo)體A(或B)內(nèi)形成溫度梯度，使高溫端的電子能量大于低溫端的電子能量，因此從高溫端擴(kuò)散到低溫端的電子數(shù)比從低溫端擴(kuò)散到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電荷，低溫端因獲得電子而帶負(fù)電荷。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，最后使電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)平衡，此時(shí)形成溫差電勢(shì)。在圖4-5回路中，A導(dǎo)體上的溫差電勢(shì)EA(T,T0)為

（4-6）

B導(dǎo)體上的溫差電勢(shì)EB(T,T0)為

（4-7）

則在導(dǎo)體A、B組成的熱電偶回路中，兩導(dǎo)體上產(chǎn)生的溫差電勢(shì)之和為

（4-8）

(4)熱電偶閉合回路的總電勢(shì)在圖4-5回路中，接觸點(diǎn)1處將產(chǎn)生接觸電勢(shì)EAB(T)，接觸點(diǎn)2處將產(chǎn)生接觸電勢(shì)EAB(T0)，導(dǎo)體A上將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，導(dǎo)體B上將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，所以熱電偶回路中的熱電勢(shì)為接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)之和，取EAB（T）的方向?yàn)檎?，則整個(gè)回路總熱電勢(shì)可表示為：EAB（T，T0）=［EAB（T）-EAB（T0）］

+［EA（T，T0）-EB（T，T0）］

（4-9）

通常情況下，溫差電勢(shì)比較小，因此

EAB（T，T0）≈EAB（T）-EAB（T0）

（4-10）

如果能使冷端溫度T0固定，即EAB（T0）=C(常數(shù))，則對(duì)確定的熱電偶材料，其總電勢(shì)EAB（T，T0）就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即EAB（T，T0）≈EAB（T）-C

(4-11)由上式可見，熱電偶回路總接觸電勢(shì)的大小只與熱電極材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)，當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度相等時(shí)，總接觸電勢(shì)為零。根據(jù)國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定：在T0=0℃時(shí)，用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢(shì)值，并將其列成一張表格，這就是常說的分度表。溫度與熱電勢(shì)之間的關(guān)系也可以用函數(shù)關(guān)系表示，稱為參考函數(shù)。同時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：

(1)兩種相同材料的導(dǎo)體構(gòu)成熱電偶時(shí)，其熱電勢(shì)為零；

(2)當(dāng)兩種導(dǎo)體材料不同，但兩端溫度相同時(shí)，其熱電偶的熱電勢(shì)為零；

(3)熱電勢(shì)的大小只與電極的材料和結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，與熱電偶的尺寸、形狀無關(guān)。

3)熱電偶基本定律

(1)中間導(dǎo)體定律。熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體，只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，則對(duì)熱電偶回路總的熱電勢(shì)沒有影響，如圖4-8所示。熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體C后的熱電勢(shì)為EABC（T，T0）=EAB（T）+EBC（T0）+ECA（T0）（4-12）

（4-13）

若回路各接觸溫度為T0，則回路的總電動(dòng)勢(shì)為零，即EAB（T0）+EBC（T0）+EAB（T0）

所以

EABC（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）=EAB（T，T0）（4-15）

即

EBC（T0）+ECA（T0）=-EAB（T0）

（4-14）

圖4-8中間導(dǎo)體定律

(2)中間溫度定律熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為（T，T0）時(shí)的熱電勢(shì)，等于在結(jié)點(diǎn)溫度為（T，Tn）及（Tn，T0）時(shí)的熱電勢(shì)之和，其中，Tn

稱為中間溫度，如圖4-9所示。其熱電勢(shì)可用下式表示：（4-16）

EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn，T0）

圖4-9中間溫度定律

中間溫度定律的實(shí)用價(jià)值在于：

(1)當(dāng)熱電偶冷端不為0℃時(shí)，可用中間溫度定律加以修正；

(2)由于熱電偶電極不能做得很長(zhǎng)，可根據(jù)中間溫度定律選用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償導(dǎo)線。

(3)標(biāo)準(zhǔn)電極定律如圖4-10所示，如果A、B兩種導(dǎo)體分別與第3種導(dǎo)體C組成熱電偶，當(dāng)兩結(jié)點(diǎn)溫度為（T，T0）時(shí)熱電勢(shì)分別為EAC（T，T0）和EBC（T，T0），那么在相同溫度下，由A、B兩種熱電偶配對(duì)后的熱電勢(shì)為EAB（T，T0）=EAC（T，T0）-EBC（T，T0）

（4-17）

圖4-10標(biāo)準(zhǔn)電極定律

(4)均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路中，不論導(dǎo)體的截面和長(zhǎng)度如何，以及各處的溫度分布如何，都不能產(chǎn)生熱電勢(shì)。這條定理說明，熱電偶必須由兩種不同性質(zhì)的均質(zhì)材料構(gòu)成。

4）熱電偶的材料根據(jù)上述熱電偶的測(cè)溫原則，理論上任何兩種導(dǎo)體均可配成熱電偶，但因?qū)嶋H測(cè)溫時(shí)對(duì)測(cè)量精度及使用等有一定要求，故對(duì)制造熱電偶的熱電極材料也有一定要求。除滿足上述對(duì)溫度傳感器的一般要求外，還應(yīng)注意如下要求:（1）在測(cè)溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間和被測(cè)介質(zhì)而變化，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不易氧化或腐蝕；（2）電導(dǎo)率要高，并且電阻溫度系數(shù)要??；

（3）它們組成的熱電偶的熱電勢(shì)隨溫度的變化率要大，并且希望該變化率在測(cè)溫范圍內(nèi)接近常數(shù)；（4）材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好，復(fù)制工藝要簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。完全滿足上述條件要求的材料很難找到，故一般只根據(jù)被測(cè)溫度的高低選擇適當(dāng)?shù)臒犭姌O材料。下面分別介紹國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的幾種常用熱電偶。它們又分為標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶與非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系和允許誤差，并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表。

5）熱電偶的分類

(1)按熱電偶材料分類按熱電偶材料分類有廉金屬、貴金屬、難熔金屬和非金屬四大類。廉金屬中有鐵—康銅、銅—康銅、鎳鉻—考銅、鎳鉻—康銅、鎳鉻—鎳硅（鎳鋁）等；貴金屬中有鉑鍺10—鉑、鉑鍺30—鉑鍺、鉑鍺系、銥鍺系、銥釕系和鉑銥系等；難熔金屬中有鎢錸系、鎢鉑系、銥鎢系和鈮鈦系等；非金屬中有二碳化鎢—二碳化鉬、石墨—碳化物等。如表4-2所示。表4-3熱電偶的分類

①鉑鍺10—鉑熱電偶（S型）。這是一種貴金屬熱電偶，由直徑為0.5mm以下的鉑銠合金絲（鉑90%，銠10%）或純鉑絲制成。由于容易得到高純度的鉑和鉑銠，故這種熱電偶的復(fù)制精度和測(cè)量準(zhǔn)確度較高，可用于精密溫度測(cè)量。在氧化性或中性介質(zhì)中具有較好的物理化學(xué)穩(wěn)定性，在1300℃以下范圍內(nèi)可長(zhǎng)時(shí)間使用。其主要缺點(diǎn)是金屬材料的價(jià)格昂貴；熱電勢(shì)小，而且熱電特性曲線非線性較大；在高溫時(shí)易受還原性氣體所發(fā)出的蒸汽和金屬蒸汽的侵害而變質(zhì)，失去測(cè)量準(zhǔn)確度。

②鉑鍺30—鉑鍺熱電偶（B型）。它也是貴金屬熱電偶，長(zhǎng)期使用的最高溫度可達(dá)600℃,短期使用可達(dá)1800℃，它宜在氧化性和中性介質(zhì)中使用，在真空中可短期使用。它不能在還原性介質(zhì)及含有金屬或非金屬蒸汽的介質(zhì)中使用，除非外面套有合適的非金屬保護(hù)管才能使用。它具有鉑鍺10—鉑的各種優(yōu)點(diǎn)，抗污染能力強(qiáng)；主要缺點(diǎn)是靈敏度低、熱電勢(shì)小，因此，冷端在40℃以上使用時(shí)，可不必進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。

③鎳鉻—鎳硅（鎳鉻—鎳鋁）熱電偶（K型）。由鎳鉻與鎳硅制成，熱電偶絲直徑一般為1.2～2.5mm。鎳鉻為正極，鎳硅為負(fù)極。該熱電偶化學(xué)穩(wěn)定性較高，可在氧化性介質(zhì)或中性介質(zhì)中長(zhǎng)時(shí)間地測(cè)量900℃以下的溫度，短期測(cè)量可達(dá)1200℃；如果用于還原性介質(zhì)中，就會(huì)很快地受到腐蝕，在此情況下只能用于測(cè)量500℃以下溫度。這種熱電偶具有復(fù)制性好，產(chǎn)生熱電勢(shì)大，線性好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。雖然測(cè)量精度偏低，但完全能滿足工業(yè)測(cè)量要求，是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的一種熱電偶。表4-4為其分度表。

表4-4K型熱電偶分度表

例：用鎳鉻一鎳硅（K型）熱電偶測(cè)量某一物體溫度，已知熱電偶參考端溫度為30℃，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)為33.686mV，求被測(cè)物體溫度為多少？

解：查K型熱電偶分度表可知，En（30，0）=1.203mV，Ek（T，40）=33.686mV，Ek（T，0）=Ek（T，40）+En（30，0）=33.686+1.203=34.889mV。再查表可知：被測(cè)物體溫度大約為840℃。圖4-11熱電偶的溫度與電勢(shì)特性曲線

④鎳鉻一康銅熱電偶（E型）。其正極為鎳鉻合金，9%～10%鉻,0.4%硅，其余為鎳；負(fù)極為康銅,56%銅，44%硅。鎳鉻一康銅熱電偶的熱電勢(shì)是所有熱電偶中最大的，如EA（100.0）=6.95mV，比鉑鍺一鉑熱電偶高了十倍左右，其熱電特性的線性也好，價(jià)格又便宜。它的缺點(diǎn)是不能用于高溫，長(zhǎng)期使用溫度上限為600℃,短期使用可達(dá)800℃；另外，康銅易氧化而變質(zhì)，使用時(shí)應(yīng)加保護(hù)套管。以上幾種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的溫度與電勢(shì)特性曲線如圖4-11所示。

非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶無論在使用范圍或數(shù)量上均不及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，但在某些特殊場(chǎng)合，譬如在高溫、低溫、超低溫、高真空等被測(cè)對(duì)象中，這些熱電偶則具有某些特別良好的特性。隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們正在不斷地研究和探索新的熱電極材料，以滿足特殊測(cè)溫的需要。下面三種熱電偶為非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。

⑤鎢錸系熱電偶。該熱電偶屬廉價(jià)熱電偶，可用來測(cè)量高達(dá)2760℃的溫度，通常用于測(cè)量低于2316℃的溫度，短時(shí)間測(cè)量可達(dá)3000℃。這種系列熱電偶可用于干燥的氫氣、中性介質(zhì)和真空中，不宜用在還原性介質(zhì)、潮濕的氫氣及氧化性介質(zhì)中。常用的鎢錸系熱電偶有鎢—鎢錸26，鎢錸—鎢錸25，鎢錸5—鎢錸20和鎢鋅5—鎢錸26，這些熱電偶的常用溫度為300～2000℃，分度誤差為±1%。

⑥銥鍺系熱電偶。該熱電偶屬貴金屬熱電偶。銥銠—銥熱電偶可用在中性介質(zhì)和真空中，但不宜在還原性介質(zhì)中，在氧化性介質(zhì)中使用將縮短壽命。它們?cè)谥行越橘|(zhì)和真空中測(cè)溫可長(zhǎng)期使用到2000℃左右。它們熱電勢(shì)雖較小，但線性好。

⑦鎳鈷—鎳鋁熱電偶。測(cè)溫范圍為300～1000℃。其特點(diǎn)是在300℃以下熱電勢(shì)很小，因此不需要冷端溫度補(bǔ)償。

(2)按用途和結(jié)構(gòu)分類熱電偶按照用途和結(jié)構(gòu)分為普通工業(yè)用和專用兩類。普通工業(yè)用的熱電偶分為直形、角形和錐形（其中包括無固定裝置、螺紋固定裝置和法蘭固定裝置等品種）。專用的熱電偶分為鋼水測(cè)溫的消耗式熱電偶、多點(diǎn)式熱電偶和表面測(cè)溫?zé)犭娕嫉取?/p>

6）熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電偶的基本組成包括熱電極、絕緣套管、保護(hù)套管和接線盒等部分，其結(jié)構(gòu)如圖4-12所示,其實(shí)物如圖4-13所示。

熱電偶的結(jié)構(gòu)形式各種各樣，按其結(jié)構(gòu)形式，熱電偶可分為以下4種形式:

(1)普通型熱電偶這類熱電偶主要用來測(cè)量氣體、蒸氣和液體介質(zhì)的溫度，目前已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。

圖4-12熱電偶的結(jié)構(gòu)圖4-13熱電偶外形

(2)鎧裝熱電偶

鎧裝熱電偶又稱纜式熱電偶，它是將熱電極、絕緣材料和金屬保護(hù)套三者結(jié)合成一體的特殊結(jié)構(gòu)形式，其斷面結(jié)構(gòu)如圖4-14所示。它具有體積小、熱慣性小、精度高、響應(yīng)快、柔性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛用于航空、原子能、冶金、電力、化工等行業(yè)中。

圖4-14鎧裝熱電偶斷面結(jié)構(gòu)

(3)薄膜熱電偶

薄膜熱電偶是采用真空蒸鍍的方法，將熱電偶材料蒸鍍?cè)诮^緣基板上而成的熱電偶。它可以做得很薄，具有熱容量小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，適于測(cè)量微小面積上的瞬變溫度。

(4)快速消耗型熱電偶這種熱電偶是一種專用熱電偶，主要用于測(cè)量高溫熔融物質(zhì)的溫度，如鋼水溫度，通常是一次性使用。這種熱電偶可直接用補(bǔ)償導(dǎo)線接到專用的快速電子電位差計(jì)上，直接讀取溫度。

7）熱電偶的參考端的處理從熱電偶測(cè)溫基本公式可以看到，對(duì)某一種熱電偶來說熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)只與工作端溫度t和自由端溫度t0有關(guān)，即熱電偶的分度表是以t0=0℃作為基準(zhǔn)進(jìn)行分度的。而在實(shí)際使用過程中，參考端溫度往往不為0℃，因此需要對(duì)熱電偶參考端溫度進(jìn)行處理。熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償有下面幾種方法：（1）溫度修正法。采用補(bǔ)償導(dǎo)線可使熱電偶的參考端延伸到溫度比較穩(wěn)定的地方，但只要參考端溫度不等于0℃，需要對(duì)熱電偶回路的電勢(shì)值加以修正，修正值為EAB（t0,0）。經(jīng)修正后的實(shí)際熱電勢(shì)可由分度表中查出被測(cè)實(shí)際溫度值。溫度修正法分硬件法和軟件法，硬件法如圖4-15所示，軟件法如圖4-16所示。圖4-15硬件溫度修正法圖4-16軟件溫度修正法（2）冰浴法。在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把參考端放入裝滿冰水混合物的容器中，以便參考端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。冰點(diǎn)槽如圖4-17所示。圖4-17冰點(diǎn)槽（3）補(bǔ)償電橋法。補(bǔ)償電橋法是在熱電偶與顯示儀表之間接入一個(gè)直流不平衡電橋，也稱冷端溫度補(bǔ)償器，如圖4-18所示。圖中經(jīng)穩(wěn)壓后的直流電壓Ｅ經(jīng)過電阻Ｒ對(duì)電橋供電，電橋的４個(gè)橋臂由電阻Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3（均由錳銅絲繞成）及ＲCu（銅線繞制）組成，ＲCu與熱電偶冷端感受同樣的溫度。設(shè)計(jì)時(shí)使電橋在20℃處于平衡狀態(tài)，此時(shí)電橋的a、ｂ兩端無電壓輸出，電橋?qū)x表無影響。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，熱電偶冷端溫度也變化，則熱電動(dòng)勢(shì)將隨其冷端溫度的變化而改變。但此時(shí)ＲCu阻值也隨溫度而變化，電橋平衡被破壞，電橋輸出不平衡電壓，此時(shí)不平衡電壓與熱電偶電動(dòng)勢(shì)疊加在一起送到儀表，以此起到補(bǔ)償作用。應(yīng)該設(shè)計(jì)出這樣的電橋，使它產(chǎn)生的不平衡電壓正好補(bǔ)償由于冷端溫度變化而引起的熱電動(dòng)勢(shì)變化值，儀表便可以指示正確的測(cè)溫值。圖4-18具有補(bǔ)償電橋的熱電偶測(cè)量線路（4）補(bǔ)償導(dǎo)線法。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣參考端溫度t0也比較穩(wěn)定。熱電偶一般做得較短，需要用導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸出來，如圖4-19所示。圖4-19補(bǔ)償導(dǎo)線法表4-5常用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線規(guī)格

3.熱電阻

1）工作原理大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻具有隨溫度變化的特性，其特性方程如下：

Rt=R0［1+a(t-t0)］

（4-18）

式中：Ｒt表示任意絕對(duì)溫度ｔ時(shí)金屬的電阻值；Ｒ0表示基準(zhǔn)狀態(tài)t0時(shí)的電阻值；ａ是熱電阻的溫度系數(shù)（1/℃）。對(duì)于絕大多數(shù)金屬導(dǎo)體，ａ并不是一個(gè)常數(shù)，而是有關(guān)溫度的函數(shù)，但在一定的溫度范圍內(nèi)，可近似地看成一個(gè)常數(shù)。不同的金屬導(dǎo)體，ａ保持常數(shù)所對(duì)應(yīng)的溫度范圍也不同。一般選作感溫電阻的材料必須滿足如下要求：①電阻溫度系數(shù)ａ要高，這樣在同樣條件下可加快熱響應(yīng)速度，提高靈敏度。通常純金屬的溫度系數(shù)比合金大，一般均采用純金屬材料；②在測(cè)溫范圍內(nèi)，化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，以保證熱電阻的測(cè)溫準(zhǔn)確性；③具有良好的輸出特性，即在測(cè)溫范圍內(nèi)電阻與溫度之間必須有線性或接近線性的關(guān)系；④具有比較高的電阻率，以減小熱電阻的體積和重量；⑤具有良好的可加工性，且價(jià)格便宜。比較適合的材料有鉑、銅、鐵和鎳等。它們的阻值隨溫度的升高而增大，具有正溫度系數(shù)。

2）熱電阻類型

Ⅰ.鉑熱電阻（WZP型號(hào)）鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。它是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計(jì)。鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系在0～850℃范圍內(nèi)為

（4-19）

在-190～０℃范圍內(nèi)為

（4－20）

式中Rt為溫度為t℃時(shí)的電阻值；R0為溫度為0℃時(shí)的電阻值；t為任意溫度值；Ａ為分度系數(shù)，A=3.90802×10-3℃-1；B為分度系數(shù)，B=5.802×10-7℃-2；C為分度系數(shù)，C=4.27350×10-12℃-4。鉑熱電阻中的鉑絲純度用電阻比W（100）表示，即

（4-21）

式中R100為鉑熱電阻在100℃時(shí)的電阻值；R0為鉑熱電阻在0℃時(shí)的電阻值。電阻比W（100）越大，其純度越高。按IEC標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)使用的鉑熱電阻的W（100）≧1.3850。目前技術(shù)水平可達(dá)到W（100）=1.3930其對(duì)應(yīng)鉑的純度為99.9995%。

表4-6

鉑熱電阻Pt100的分度表

(2)銅熱電阻（WZC型號(hào)）鉑電阻雖然優(yōu)點(diǎn)多，但價(jià)格昂貴。銅易于提純，價(jià)格低廉，電阻-溫度特性線性較好。在測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，銅電阻得到廣泛應(yīng)用。銅的電阻溫度系數(shù)大，易加工提純，其電阻值與溫度呈線性關(guān)系，價(jià)格便宜，在-50～150℃內(nèi)有很好的穩(wěn)定性。但溫度超過150℃后易被氧化而失去線性特性，因此，它的工作溫度一般不超過150℃。銅的電阻率小，要具有一定的電阻值，銅電阻絲必須較細(xì)且長(zhǎng)，則熱電阻體積較大，機(jī)械強(qiáng)度低。

在-50～150℃的溫度范圍內(nèi)，銅電阻與溫度近似呈現(xiàn)性關(guān)系，可用下式表示，即

（4-22）

由于B、C比A小得多，所以可以簡(jiǎn)化為

（4-23）上式中:Rt是溫度為t℃時(shí)銅電阻值；R0是溫度為0℃時(shí)銅電阻值；A是常數(shù)，A=4.28×10-3℃-1。銅電阻的R0分度表號(hào)Cu50為50Ω；Cu100為100Ω。銅的電阻率僅為鉑的幾分之一。因此，銅電阻所用阻絲細(xì)而且長(zhǎng)，機(jī)械強(qiáng)度較差，熱慣性較大，在溫度高于100℃以上或侵蝕性介質(zhì)中使用時(shí)，易氧化，穩(wěn)定性較差。因此，只能用于低溫及無侵蝕性的介質(zhì)中。熱電阻新、舊分度號(hào)如表4-7所示。

表4-7熱電阻新、舊分度號(hào)

(3)其他熱電阻近年來，對(duì)低溫和超低溫測(cè)量方面，采用了新型熱電阻。銦電阻是用99.999％高純度的銦繞成電阻?？稍谑覝氐?2Ｋ溫度范圍內(nèi)使用，42～15Ｋ溫度范圍內(nèi)，靈敏度比鉑高10倍。缺點(diǎn)是材料軟，復(fù)制性差。

3）熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻傳感器是由電阻體、絕緣管、保護(hù)套管、引線和接線盒等組成，如圖4-20所示。

圖4-20熱電阻傳感器結(jié)構(gòu)（a）熱電阻傳感器結(jié)構(gòu);

（b）電阻體結(jié)構(gòu)

圖4-21熱電阻傳感器外形

熱電阻傳感器外接引線如果較長(zhǎng)時(shí)，引線電阻的變化會(huì)使測(cè)量結(jié)果有較大誤差，為減小誤差，可采用三線式電橋連接法測(cè)量電路或四線電阻測(cè)量電路，具體可參考有關(guān)資料。

例用分度號(hào)為Cu50（R0=50Ω）的銅熱電阻測(cè)溫，測(cè)得某介質(zhì)溫度為100℃，若α=4.28×10-3/℃,求:（1）此時(shí)的熱電阻值是多少？（2）檢定時(shí)發(fā)現(xiàn)該電阻的R0=51Ω，求由此引起的熱電阻值絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。

解

(1）根據(jù)Rt=R0［1+at］，代入數(shù)值，可求得120℃時(shí)的熱電阻值Rt=50×［1+4.28×10-3×100］=71.4Ω（2）當(dāng)R0=51Ω時(shí)，計(jì)算得Rt’=51×［1+4.28×10-3×100］=72.82Ω則絕對(duì)誤差:ΔR=Rt′-Rt=72.82-71.4=1.42Ω相對(duì)誤差:

4.溫度變送器溫度變送器與測(cè)溫元件配合使用將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20mA

DC或1～5VDC，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的自動(dòng)檢測(cè)或自動(dòng)控制。溫度變送器還可以作為直流毫伏變送器或電阻變送器使用，配接能夠輸出直流毫伏信號(hào)或電阻信號(hào)的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他工藝參數(shù)的測(cè)量。溫度變送器可分為以DDZ—Ⅲ溫度變送器為主流的模擬溫度變送器和智能化溫度變送器兩大類。在結(jié)構(gòu)上，溫度變送器有測(cè)溫元件和變送器連成一個(gè)整體的一體化結(jié)構(gòu)及測(cè)溫元件另配的分體式結(jié)構(gòu)。

DDZ—Ⅲ溫度變送器主要有三種：直流毫伏變送器、熱電偶溫度變送器和熱電阻溫度變送器。其原理和結(jié)構(gòu)形式大致相同。直流毫伏變送器是將直流毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA

DC電流信號(hào)，而熱電偶、熱電阻溫度變送器是將溫度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成4～20mADC電流信號(hào)。這三種變送器均屬安全火花防爆儀表，采用四線制連接方式，都分為量程單元和放大單元兩部分，它們分別設(shè)置在兩塊印刷電路板上，用接插件相連接，其中，放大單元是通用的，而量程單元隨品種、測(cè)量范圍的不同而不同。

1）直流毫伏變送器直流毫伏變送器作用是把直流毫伏信號(hào)Ei轉(zhuǎn)換成4～20mADC電流信號(hào)。直流毫伏變送器的構(gòu)成框圖如圖4-13所示。它把由檢測(cè)元件送來的直流毫伏信號(hào)Ei和橋路產(chǎn)生的調(diào)零信號(hào)VZ以及同反饋電路產(chǎn)生的反饋信號(hào)Vf進(jìn)行比較，其差值送人前置運(yùn)放進(jìn)行電壓放大，再經(jīng)功率放大器轉(zhuǎn)換成具有一定帶負(fù)載能力的電流信號(hào)，同時(shí)把該電流調(diào)制成交流信號(hào)，通過1：1的隔離變壓器實(shí)現(xiàn)隔離輸出。

圖4-22直流毫伏變送器構(gòu)成框圖

2）熱電偶溫度變送器熱電偶溫度變送器與熱電偶配合使用，要求將溫度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換為4～20mADC電流信號(hào)或1～5VDC電壓信號(hào)。由于熱電偶測(cè)量溫度的兩個(gè)特點(diǎn)，一是需冷端溫度恒定，二是熱電偶的熱電勢(shì)與熱端溫度成非線性的關(guān)系，故熱電偶溫度變送器線路需在直流毫伏線路的基礎(chǔ)上做兩點(diǎn)修改：

(1)在量程單元的橋路中，用銅電阻代替原橋路中的恒電阻，并組成正確的冷端補(bǔ)償回路；

(2)在原來的反饋回路中，構(gòu)造與熱電偶溫度特性相似的非線性反饋電路，利用深度負(fù)反饋電路來實(shí)現(xiàn)溫度與熱電偶溫度變送器輸出電流成線性關(guān)系。熱電偶溫度變送器的構(gòu)成框圖如圖4-23所示。

圖4-23熱電偶溫度變送器的構(gòu)成框圖

需要注意的是，由于不同分度號(hào)熱電偶的熱電特性不相同，故與熱電偶配套的溫度變送器中的非線性反饋電路也是隨熱電偶的分度號(hào)和測(cè)溫范圍的不同而變化的，這也正是熱電偶溫度變送器量程單元不能通用的原因。

熱電偶溫度變送器接線端子如圖4-24所示?！癆”、“B”分別代表熱電偶正、負(fù)極連接端；“+”、“-”為24VDC電源的正、負(fù)極接線端；“4”、“5”為熱電偶溫度變送器的1～5V

DC電壓輸出端；“7”、“8”為熱電偶溫度變送器的4～20mADC電流輸出端；有零點(diǎn)和量程調(diào)節(jié)螺釘。圖4-24熱電偶溫度變送器接線端子

3）熱電阻溫度變送器熱電阻溫度變送器與熱電阻配合使用，要求將溫度信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換為4～20mADC電流信號(hào)或1～5VDC電壓信號(hào)。由于熱電阻傳感器的輸出量是電阻的變化，故需引入橋路，將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。又由于熱電阻溫度特性具有非線性，故在直流毫伏線路的基礎(chǔ)上需引入線性化環(huán)節(jié)。熱電阻溫度變送器的構(gòu)成框圖如圖4-25所示。圖4-25熱電阻溫度變送器構(gòu)成框圖需要注意的是，熱電阻溫度變送器的線性化電路不同于熱電偶溫度變送器。它采用的是熱電阻兩端電壓信號(hào)正反饋的方法，使流過熱電阻的電流隨電壓增大而增大，即電流隨溫度的增高而增大，從而補(bǔ)償熱電阻引線電阻由于環(huán)境溫度增加而導(dǎo)致輸出變化量減小的趨勢(shì)，最終使熱電阻兩端的電壓信號(hào)與被測(cè)溫度成線性關(guān)系。由于熱電阻溫度變送器本質(zhì)上測(cè)量的是電阻的變化，故它引線電阻的要求較高，一般采用三線制接法。熱電阻溫度變送器接線端子如圖4-26所示?！癆”、“B”、“H”分別代表熱電阻連接端；“+”、“-”為24

VDC電源的正、負(fù)極接線端；“4”、“5”為熱電阻溫度變送器的1～5

V

DC電壓輸出端；“7”、“8”為熱電阻溫度變送器的4～20

mADC電流輸出端；有零點(diǎn)和量程調(diào)節(jié)螺釘。圖4-26熱電阻溫度變送器接線端子

4）DDZ—Ⅲ溫度變送器防爆措施

DDZ—Ⅲ溫度變送器安全火花防爆措施有三條：在輸入、輸出及電源回路之間通過變壓器而相互隔離；在輸入端設(shè)有限壓和限流元件；在輸出端及電源端裝有大功率二極管及熔斷絲。以上三條措施使DDZ—Ⅲ溫度變送器能適用于防爆等級(jí)為HⅢe的場(chǎng)所。4.1.3非接觸式測(cè)溫

1.黑體輻射定律輻射測(cè)溫的理論基礎(chǔ)是黑體輻射定律，黑體是指能對(duì)落在它上面的輻射能量全部吸收的物體。自然界中任何物體只要其溫度在絕對(duì)零點(diǎn)以上，就會(huì)不斷地向周圍空間輻射能量。溫度愈高，輻射能量就愈多。黑體輻射滿足下述各定律。

1）普朗克定律當(dāng)黑體的溫度為T(K)時(shí)，它的每單位面積向半球面方向發(fā)射的對(duì)應(yīng)于某個(gè)波長(zhǎng)的單位波長(zhǎng)間隔、單位時(shí)間內(nèi)的輻射能量與波長(zhǎng)、溫度的函數(shù)關(guān)系為（4-24）

式中Eb(λ，T)為黑體在溫度T、波長(zhǎng)λ、單位時(shí)間、單位波長(zhǎng)間隔輻射的能量，W／(cm2·μm)；C1為普朗克第一輻射常數(shù)，

C1=3.7413×10-12W·μm/cm2；C2為普朗克第二輻射常數(shù)，

C2=1.4388cm·K；λ為輻射波長(zhǎng)，μm；T為黑體表面的絕對(duì)溫度，K。

2）維恩位移定律黑體對(duì)應(yīng)最大輻射能量的波長(zhǎng)隨溫度的升高，

而向短波方向移動(dòng)，

其關(guān)系為

（4-25）

式中:λm為對(duì)應(yīng)黑體輻射能量最大值的波長(zhǎng)，μm；T為黑體表面的絕對(duì)溫度，K。式(4-25)稱為維恩位移定律。可見，對(duì)于溫度較低的黑體，其輻射能量主要在長(zhǎng)波段。當(dāng)它的溫度升高時(shí)，輻射能量增加。對(duì)應(yīng)最大輻射能量的波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。

3）斯忒藩—玻耳茲曼定律在一定的溫度下，

黑體在單位時(shí)間內(nèi)單位面積輻射的總能量為

（4-26）

式中，α為斯忒藩一玻耳茲曼常數(shù)，α=5.67×10-12W／(cm2·K4)。

上述各定律只適用于黑體。實(shí)際物體都是非黑體，它們的輻射能力均低于黑體。實(shí)際物體的輻射能量與黑體在相同溫度下的輻射能量之比稱為該物體的比輻射率或黑度，記為ε，則

（4-27）

2.輻射測(cè)溫方法

1）亮度測(cè)溫法亮度溫度的定義是：某一被測(cè)體在溫度為T、波長(zhǎng)為λ時(shí)的光譜輻射能量，等于黑體在同一波長(zhǎng)下的光譜輻射能量。此時(shí)，黑體的溫度稱為該物體在該波長(zhǎng)下的亮度溫度(簡(jiǎn)稱亮溫)。由普朗克定律可以得到（4-28）

式中:λe為有效波長(zhǎng)；ελ為有效波長(zhǎng)λe的比輻射率；T為被測(cè)體的真溫；TL為被測(cè)體的亮溫。

2）比色測(cè)溫法比色溫度的定義是：黑體在波長(zhǎng)λ1和λ2下的光譜輻射能量之比等于被測(cè)體在這兩個(gè)波長(zhǎng)下的光譜輻射能量之比，此時(shí)黑體的溫度稱為被測(cè)體的比色溫度(簡(jiǎn)稱色溫)。由普朗克定律可求得被測(cè)體的溫度與其色溫的關(guān)系為

（4-29）式中:Tc為被測(cè)體的色溫；T為被測(cè)體溫度；ε1、ε2分別為被測(cè)體對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)λ1和λ2的比輻射率。當(dāng)比輻射率ε1、ε2為已知時(shí)，根據(jù)式(4－29)可由測(cè)得的色溫求出被測(cè)體的真溫。

3）全輻射測(cè)溫法全輻射測(cè)溫的理論依據(jù)是斯忒藩—玻耳茲曼定律。全輻射溫度的定義是：當(dāng)某一被測(cè)體的全波長(zhǎng)范圍的輻射總能量與黑體的全波長(zhǎng)范圍的輻射總能量相等時(shí)，黑體的溫度瓦就稱為該被測(cè)體的全輻射溫度。此時(shí)有（4-30）

當(dāng)被測(cè)體的全波比輻射率ε為已知時(shí)，

可由式(4-30)校正后，

求得真溫T。

由上述三種測(cè)溫原理可知，比色測(cè)溫與亮度測(cè)溫都具有較高的精度。比色測(cè)溫的抗干擾能力強(qiáng)，在一定程度上可以消除電源電壓的影響和背景雜散光的影響等。全輻射測(cè)溫容易受背景干擾。從三種輻射測(cè)溫原理可見，輻射法測(cè)溫并非直接測(cè)得物體的真溫，每種方法都需要由已知的比輻射率校正后求出真溫。這樣，由于比輻射率的測(cè)量誤差將會(huì)影響輻射測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性，這是輻射測(cè)溫法的缺點(diǎn)。因此，盡管輻射測(cè)溫具有很多優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)溫精度還不夠高，這在一定程度上影響了它的使用。加之，輻射測(cè)溫儀器復(fù)雜，價(jià)格較貴，因此它的使用范圍遠(yuǎn)不及接觸式測(cè)溫儀表廣泛。

3.輻射測(cè)溫儀表

1）光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)按其結(jié)構(gòu)可分為燈絲隱滅式和燈絲恒亮式兩類。燈絲隱滅式是光學(xué)高溫計(jì)中最完善的一類，這里只介紹燈絲隱滅式光學(xué)高溫計(jì)的工作原理。當(dāng)被測(cè)物體輻射的單色亮度與光學(xué)高溫計(jì)內(nèi)燈絲的單色亮度相等時(shí)，兩者的溫度便是一致的，而燈絲的溫度可由流過它的電流的大小來確定。測(cè)量時(shí)，將光學(xué)高溫計(jì)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)體。調(diào)節(jié)燈絲電流、改變燈絲的亮度，使之與被測(cè)物體亮度相等。這時(shí)被測(cè)體輻射強(qiáng)度就等于標(biāo)準(zhǔn)燈泡燈絲的輻射強(qiáng)度，燈絲便消失在被測(cè)物的背景之中。燈絲的電流與它的溫度有著確定的關(guān)系，

因此可把電流值直接刻度成溫度值。

光電高溫計(jì)的工作原理如圖4-18所示。被測(cè)體的輻射光由物鏡、聚焦后經(jīng)光欄、調(diào)制遮光板的上方孔、濾光片，投射到光敏元件上。另一路光是由參比光源燈泡發(fā)出的一束光經(jīng)透鏡、調(diào)制遮光板的下方孔、濾光片后投射到光敏元件的同一位置。調(diào)制遮光板將來自被測(cè)體和參比光源的兩束光變成脈沖光束，并交替地投射到光敏元件上。如果兩束光存在亮度差，則差值將被放大推動(dòng)可逆電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑線電阻的觸點(diǎn)，調(diào)節(jié)燈泡的電源，直至兩束光的亮度平衡為止。

同時(shí)可逆電動(dòng)機(jī)也帶動(dòng)顯示記錄儀表記錄出相應(yīng)的溫度值。

圖4-27光電高溫計(jì)原理圖

2）光電比色高溫計(jì)光電比色高溫計(jì)在光路結(jié)構(gòu)上與光電亮度高溫計(jì)有很多相似之處，但它是利用被測(cè)對(duì)象兩個(gè)不同波長(zhǎng)的輻射能量之比與其溫度之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)輻射測(cè)量的。比色高溫計(jì)有兩種基本結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)瓮ǖ朗胶碗p通道式。圖4-28是雙通道式光電比色高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4-28雙通道式光電比色高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖

它的原理是：來自被測(cè)體的光穿過透鏡經(jīng)棱鏡分成兩束平行光。兩束光同時(shí)通過(或同時(shí)不通過)調(diào)制盤，然后再分別經(jīng)過濾光片后投射到兩個(gè)光敏元件上。由于兩個(gè)濾光片的波長(zhǎng)不同，因此投射到兩個(gè)光敏元件上的是經(jīng)過調(diào)制了的兩束不同波長(zhǎng)的光。它們?cè)诠饷粼袭a(chǎn)生的電信號(hào)送入放大電路，經(jīng)計(jì)算后即顯示出被測(cè)體的溫度。

3）全輻射溫度計(jì)全輻射溫度計(jì)的工作原理如圖4-29所示。與前面幾種輻射溫度計(jì)相比，它是把被測(cè)體的所有波長(zhǎng)的能量全部接收下來，而不需要變?yōu)閱紊狻Ｒ虼?，全輻射式溫度?jì)要求光敏元件對(duì)整個(gè)光譜的光都能較好的響應(yīng)。一般選用熱電堆或熱釋電器件。熱釋電器件近年來應(yīng)用較多。它的響應(yīng)速度快，并且有很寬的動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)光譜輻射的響應(yīng)幾乎與波長(zhǎng)無關(guān)，直到遠(yuǎn)紅外波段靈敏度都相當(dāng)均勻。圖4-29全輻射溫度計(jì)的工作原理

4.1.4溫度檢測(cè)儀表的選用溫度檢測(cè)儀表的選用應(yīng)根據(jù)工藝要求，正確選擇儀表的量程和精度。正常使用溫度范圍，一般為儀表量程的30％～90％。現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量的儀表可按工藝要求選用。玻璃液體溫度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但強(qiáng)度差、容易損壞，通常用于指示精度較高，現(xiàn)場(chǎng)沒有震動(dòng)的場(chǎng)合，還可作溫度報(bào)警和位式控制。雙金屬溫度計(jì)具有體積小、使用方便、刻度清晰、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量誤差較大，適用于指示清晰，有震動(dòng)的場(chǎng)合，也可作報(bào)警和位式控制。壓力式溫度計(jì)有充氣式、充液體式和充蒸汽式三種?？梢詫?shí)現(xiàn)溫度指示、記錄、調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)傳和報(bào)警，刻度清晰，但毛細(xì)管的機(jī)械強(qiáng)度較差，測(cè)量誤差較大，一般用于就地集中測(cè)量或要求記錄的場(chǎng)合。熱敏電阻溫度計(jì)具有體積小、靈敏度高、慣性小、結(jié)實(shí)耐用等優(yōu)點(diǎn)，但是熱敏電阻的特性差異很大，可用于間斷測(cè)量固體表面溫度的場(chǎng)合。測(cè)量微小物體和運(yùn)動(dòng)物體的溫度或測(cè)量因高溫、振動(dòng)、沖擊等原因而不能安裝測(cè)溫元件的物體的溫度，應(yīng)采用光學(xué)高溫計(jì)、輻射感溫器等輻射型溫度計(jì)。輻射型溫度計(jì)測(cè)溫度必須考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，如受水蒸氣、煙霧、一氧化碳、二氧化碳等影響，應(yīng)采取相應(yīng)措施，克服干擾。光學(xué)高溫計(jì)具有測(cè)溫范圍廣、使用攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，但是只能目測(cè)，不能記錄或控制溫度。輻射感溫器具有性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，與顯示儀表配套使用能連續(xù)指示記錄和控制溫度，但測(cè)出的物體溫度和真實(shí)溫度相差較大，使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行修正。當(dāng)與瞄準(zhǔn)管配套測(cè)量時(shí)，可測(cè)得真實(shí)溫度。4.2壓力檢測(cè)與儀表

1.壓力的描述與單位（1）絕對(duì)壓力。指作用于物體表面上的全部壓力，其零點(diǎn)以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)，又稱總壓力或全壓力，一般用大寫字母P表示。（2）大氣壓力。指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力，以P0表示。（3）相對(duì)壓力。指絕對(duì)壓力與大氣壓力之差，一般用P表示。當(dāng)絕對(duì)壓力大于大氣壓力時(shí)，稱為正壓力，簡(jiǎn)稱壓力，又稱表壓力；當(dāng)絕對(duì)壓力小于大氣壓力時(shí)，稱為負(fù)壓，負(fù)壓又可用真空度表示，負(fù)壓的絕對(duì)值稱為真空度。測(cè)壓儀表指示的壓力一般都是表壓力。

（4）差壓任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓。壓力在國(guó)際單位制中的單位是牛頓／米2（N／m2），通常稱為帕斯卡或簡(jiǎn)稱帕（Pa）。由于帕的單位很小，工業(yè)上一般采用千帕（kPa）或兆帕（MPa）作為壓力的單位。在工程上還有一些習(xí)慣使用的壓力單位，如我國(guó)在實(shí)行法定計(jì)量單位前使用的工程大氣壓（kgf／cm2），它是指每平方厘米的面積上垂直作用1千克力的壓力；標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mmHg）是指0℃時(shí)水銀密度為13.5951g／cm3，在標(biāo)準(zhǔn)重力加速度9.80665m／s2下高760mm水銀柱對(duì)底面的壓力；毫米水柱（mrnH2O）是指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下高lmm的水柱對(duì)底面的壓力；毫米汞柱（mmHg）指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下高lmm的水銀柱對(duì)底面的壓力等。一些西方國(guó)家尚有使用bar（或mbar）和bf／in2等舊時(shí)壓力單位的，這些壓力單位的相互換算見表4-8。

表4-8壓力單位的相互換算

2.壓力儀表的分類由于在各個(gè)領(lǐng)域中都廣泛地應(yīng)用著不同的壓力測(cè)量?jī)x表，所以致使壓力表的種類繁多，對(duì)壓力表的分類也常采用不同的方法。如表4－9所示。為了測(cè)量方便，根據(jù)所測(cè)壓力高低不同，習(xí)慣上把壓力劃分成不同的區(qū)間。在各個(gè)區(qū)間內(nèi)，壓力的發(fā)生和測(cè)量都有很大差別，壓力范圍的劃分對(duì)儀表分類也很有影響。下面首先介紹常用的壓力范圍的劃分方法。

表4-9壓力儀表的分類

1）壓力范圍的劃分（1）微壓壓力在0～0.1MPa以內(nèi)；（2）低壓壓力在0.1～10MPa以內(nèi)；（3）高壓壓力在10～600MPa以內(nèi)；（4）超高壓壓力高于600MPa；

（5）真空（以絕對(duì)壓力表示）：①粗真空：1.3332×103～1.0133×105Pa；②低真空：0.13332～1.3332×103Pa；③高真空：1.3332×10-6～0.13332Pa；④超高真空：1.3332×10-10～1.3332×10-6Pa；⑤極高真空：<1.3332×10-10Pa。

2）壓力儀表的分類（1）按敏感元件和轉(zhuǎn)換原理的特性不同分類。①液柱式壓力計(jì)。根據(jù)液體靜力學(xué)原理，把被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱的高度來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。如U形管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)和斜管壓力計(jì)等；②彈性式壓力計(jì)。根據(jù)彈性元件受力變形的原理，把被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為位移來實(shí)現(xiàn)測(cè)量。如彈簧管壓力計(jì)、膜片壓力計(jì)和波紋管壓力計(jì)等；③負(fù)荷式壓力計(jì)。基于靜力平衡原理測(cè)量。如活塞式壓力計(jì)、浮球式壓力計(jì)等；

④電測(cè)式壓力儀表。利用敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為各種電量，根據(jù)電量的大小間接進(jìn)行檢測(cè)。電阻、電感、感應(yīng)式壓力計(jì)是把彈性元件的變形轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感或者感應(yīng)電勢(shì)的變化，再通過對(duì)電阻、電感或電勢(shì)的測(cè)量來測(cè)量壓力；霍爾式壓力計(jì)是彈性元件的變形經(jīng)霍爾元件的變換，變成霍爾電勢(shì)輸出，再根據(jù)電勢(shì)大小測(cè)量壓力；應(yīng)變式壓力計(jì)是應(yīng)用應(yīng)變片（絲）直接測(cè)量彈性元件的應(yīng)變來測(cè)量壓力；電容式壓力計(jì)是把彈性膜片作為測(cè)量電容的一個(gè)極，當(dāng)壓力變化時(shí)使極向電容發(fā)生變化，根據(jù)電容變化測(cè)量壓力；振弦式壓力計(jì)是用測(cè)量彈性元件位移的方法通過測(cè)量一端固定在膜片（彈性元件）中心的鋼弦頻率，從而測(cè)量出壓力；壓電式壓力計(jì)是利用壓電晶體的壓電效應(yīng)測(cè)量壓力。

（2）按測(cè)量壓力的種類分類?？煞譃閴毫Ρ?、真空表、絕對(duì)壓力表和差壓壓力表。（3）按儀表的精確度等級(jí)分類。①一般壓力表精確度等級(jí)有1級(jí)、1.5級(jí)、2.5級(jí)和4級(jí)；②精密壓力表精確度等級(jí)有0.4級(jí)、0.25級(jí)、0.16級(jí)、0.1級(jí)和0.05級(jí)數(shù)字壓力表；③活塞式壓力計(jì)0.2級(jí)（三等）、0.05級(jí)（二等）、0.02級(jí)（一等)。除上述一些分類方法外，還有根據(jù)使用用途劃分的，如標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)、實(shí)驗(yàn)室壓力計(jì)、工業(yè)用壓力計(jì)等。4.2.2液柱式壓力計(jì)液柱式壓力計(jì)是利用液柱高度和被測(cè)介質(zhì)壓力相平衡的原理所制成的測(cè)壓儀表。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，測(cè)量準(zhǔn)確度比較高、價(jià)格便宜，并能測(cè)量微小壓力，還能自行自造等優(yōu)點(diǎn)，因此在生產(chǎn)上和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用較多。液柱式壓力計(jì)外形如圖4-30所示。圖4-30液柱式壓力計(jì)外形4.2.2液柱式壓力計(jì)

1.Ｕ形管壓力計(jì)

U形管壓力計(jì)可以測(cè)量表壓、真空以及壓力差，其測(cè)量上限可達(dá)1500mm液柱高度。U形管壓力計(jì)的示意圖如圖4-21所示，它由U形玻璃管、刻度盤和固定板三部分組成。根據(jù)液體靜力平衡原理可知，在U形管的右端接入待測(cè)壓力，作用在其液面上的力為左邊一段高度為ｈ的液柱，和大氣壓力P0作用在液面上的力所平衡，即P絕Ａ＝（hρg＋P0）Ａ

（4-31）

如將上式左右部分的Ａ消去，得

或

P表＝hρg（4-32）

式中:Ａ為U形管截面積；ρ為U形管內(nèi)所充入的工作液體密度；P絕、P0分別為絕對(duì)壓力和大氣壓力；P表為被測(cè)壓力的表壓力，P=P絕-P0；h為左右兩邊液面高度差。圖4-31U形管壓力計(jì)

2.單管壓力計(jì)

U形管壓力計(jì)在讀數(shù)時(shí)，需讀取兩邊液位高度，將其相減，使用起來比較麻煩。為了能夠直接從一邊讀出壓力值，人們將U形壓力計(jì)改成單管壓力計(jì)形式，其結(jié)構(gòu)如圖4-32所示。即把U形管壓力計(jì)的一個(gè)管改換成杯形容器，就成為單管壓力計(jì)。杯內(nèi)充有水銀或水，當(dāng)杯內(nèi)通入待測(cè)壓力時(shí)，杯內(nèi)液柱下降的體積與玻璃管內(nèi)液柱上升的體積是相等的。這樣，就可以用杯形容器液面作為零點(diǎn)，液柱差可直接從玻璃管刻度上讀出。

圖4-32單管壓力計(jì)

由于左邊杯的內(nèi)徑Ｄ遠(yuǎn)大于右邊管子的內(nèi)徑ｄ，當(dāng)壓力P絕加于杯上，杯內(nèi)液面由0—0截面下降到2—2截面處，其高度為h2，玻璃管內(nèi)液柱由0—0截面上升到1—1截面處，其高度為h1，而杯內(nèi)減少的工作液的體積等于玻璃管內(nèi)增加的工作液的體積，即

（4-33）

或

（4-34）

因?yàn)?/p>

（4－35）

故

（4-36）

由于D>>d,所以

項(xiàng)可以忽略

（4-37）

被測(cè)壓力P表可寫成

P表＝ρgh1

（4-38）

單管壓力計(jì)的“零”位刻度在刻度標(biāo)尺的下端，也可以在上端。液柱高度只需一次讀數(shù)。使用前需調(diào)好零點(diǎn)，使用時(shí)要檢查是否垂直安裝。單管壓力計(jì)的玻璃管直徑，一般選用3～5mm。

3.斜管壓力計(jì)一般當(dāng)測(cè)量的壓力較低，并要求有較高的測(cè)量精確度時(shí)，不應(yīng)采用Ｕ形或單管壓力計(jì)。這時(shí)，通常改用斜管壓力計(jì)。

斜管壓力計(jì)就是將單管壓力計(jì)的玻璃管傾斜放置，如圖4-23所示。由于h1讀數(shù)標(biāo)尺連同單管一起被傾斜放置，使刻度標(biāo)尺的分度間距離得以放大，這樣就可以測(cè)量到1/10mm水柱的微壓，所以有時(shí)又把斜管壓力計(jì)叫做微壓力計(jì)。

圖4-33傾斜管壓力計(jì)

斜管壓力計(jì)有傾斜角固定的和變動(dòng)的兩種。使用時(shí)注入容器內(nèi)的液體密度一定要和刻度時(shí)所用的液體密度一致，否則要加以校正。為了使用方便，通常把標(biāo)尺直接制成毫米水柱的刻度。傾斜管壓力計(jì)的“零”位刻度在刻度標(biāo)尺的下端。傾斜管角度是可以根據(jù)生產(chǎn)需要改變的，固定的斜管壓力計(jì)的液面變化范圍比單管壓力計(jì)放大 倍。使用前需放置水平調(diào)好零位。更換工作液時(shí)，其密度與原刻度標(biāo)尺時(shí)的密度要一致。

若將被測(cè)壓力P通入容器，則玻璃管中液面的位置將移動(dòng)為l。如忽視容器中波面的降低，則測(cè)得的壓力可用下式表示（4-39）

式中：l為液體自標(biāo)尺零位向上移動(dòng)的毫米數(shù)；α為玻璃管的傾斜角；ρ為液體密度?？梢姡惫軌毫τ?jì)所測(cè)量的壓力等于傾斜管中液面移動(dòng)的距離，與該液體密度和玻璃管傾斜角α的正弦之乘積。4.2.3彈性式壓力計(jì)彈性式壓力表是以彈性元件受壓產(chǎn)生彈性變形作為測(cè)量基礎(chǔ)的，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便、測(cè)量范圍寬、易于維修，在工程中得到應(yīng)用的廣泛。

1.彈性元件

不同材料、不同形狀的彈性元件適配于不同場(chǎng)合、不同范圍的壓力測(cè)量。常用的彈性元件有彈簧管、波紋管和膜片等，圖4-34為一些彈性元件的示意圖。

圖4-34彈簧管與波紋管

1）彈簧管它是一端封閉并且彎成圓弧形的管子，管子的截面為扁圓形或橢圓形。當(dāng)被測(cè)壓力從固定端輸入后，它的自由端會(huì)產(chǎn)生彈性位移，通過位移大小進(jìn)行測(cè)壓。彈簧管式壓力計(jì)測(cè)量范圍最高可達(dá)109Pa，在工業(yè)上應(yīng)用普遍。這一類壓力計(jì)的彈簧管又有單圈管和多圈管之分，多圈彈簧管自由端的位移量較大，測(cè)量靈敏度也較單圈彈簧管高。彈簧管壓力計(jì)如圖4-35所示。圖4-35彈簧管壓力計(jì)

2）波紋管這是一種表面上有多個(gè)同心環(huán)形狀波紋的薄壁筒體，用金屬薄管制成。當(dāng)輸入壓力時(shí)，其自由端產(chǎn)生伸縮變形，籍此測(cè)取壓力大小。波紋管對(duì)壓力靈敏度較高，可以用來測(cè)量較低的壓力或壓差。

3）波紋膜片和膜盒波紋膜片由金屬薄片或橡皮膜做成，在外力作用下膜片中心產(chǎn)生一定的位移，反映外力的大小。薄膜式壓力計(jì)中膜片又分為平膜片、波紋膜片和撓性膜片。其中，平膜片可以承受較大被測(cè)壓力，平膜片變形量較小，靈敏度不高，一般在測(cè)量較大的壓力而且要求變形不很大的場(chǎng)合使用。波紋膜片測(cè)壓靈敏度較高，常用在小量程的壓力測(cè)量中。平膜片在壓力或力作用下位移量小，因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜，這就是波紋膜片。其波紋形狀有正弦形、梯形和鋸齒形，如圖4-25（a）所示。膜片的厚度在0.05～0.3mm之間，波紋的高度在0.7～1mm之間。波紋膜片中心部分留有一個(gè)平面，可焊上一塊金屬片，便于同其他部件連接。當(dāng)膜片兩面受到不同的壓力作用時(shí)，膜片將彎向壓力低的一面，其中心部分產(chǎn)生位移。

圖4-36波紋膜片與薄壁圓筒（a）波紋膜片；（b）薄壁圓筒

4）薄壁圓筒薄壁圓筒彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖4-36（b）所示。圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的1/20，當(dāng)筒內(nèi)腔受流體壓力時(shí)，筒壁均勻受力，并均勻地向外擴(kuò)張，所以在筒壁的軸線方向產(chǎn)生拉伸力和應(yīng)變。薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取絕于圓筒的半徑和壁厚，與圓筒長(zhǎng)度無關(guān)。

2.彈簧管壓力表彈簧管壓力表的應(yīng)用歷史悠久，其敏感元件是彈簧管，彈簧管的橫截面呈非圓形（橢圓形或扁形），彎成圓弧形的空心管子，其中一端封閉為自由端、另一端開口為輸入被測(cè)壓力的固定端，如圖4-37所示。當(dāng)開口端通入被測(cè)壓力P后，非圓橫截面在壓力作用下將趨向圓形，并使彈簧管有伸直的趨勢(shì)而產(chǎn)生力矩，其結(jié)果使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，同時(shí)改變中心角。中心角的相對(duì)變化量與被測(cè)壓力有如下的函數(shù)關(guān)系：

（4-40）式中:μ、E為彈簧管材料的泊松系數(shù)和彈性模數(shù)；h為彈簧管的壁厚；a、b為扁形或橢圓形彈簧管截面的長(zhǎng)半軸、短半軸；k為彈簧管的幾何參數(shù)，k=Rh/a2;α、β為與a/b比值有關(guān)的系數(shù)。由式（4-40）可知，要使彈簧管在被測(cè)壓力P作用下其自由端的相對(duì)角位移Δy/y與P成正比，必須保持由彈簧材料和結(jié)構(gòu)尺寸決定的其余參數(shù)不變，而且扁圓管截面的長(zhǎng)、短軸差距愈大，相對(duì)角位移愈大，測(cè)量的靈敏度愈高。當(dāng)b=a時(shí)，由于，相對(duì)角位移量Δy/y=0，說明具有均勻壁厚的完全圓形彈簧管不能作為測(cè)壓元件。圖4-37單圈彈簧管結(jié)構(gòu)

圖4-38彈簧管壓力計(jì)

彈簧管壓力計(jì)測(cè)量范圍寬，包括負(fù)壓、微壓、低壓、中壓和高壓的測(cè)量。彈簧管的材料因被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)、被測(cè)壓力的大小而不同。一般在p＜20MPa時(shí)采用磷銅；p＞20MPa時(shí)，則采用不銹鋼或合金鋼。使用壓力表時(shí)，必須注意被測(cè)介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。例如，測(cè)量氨氣壓力時(shí)必須采用不銹鋼彈簧管，而不能采用銅質(zhì)材料；測(cè)量氧氣壓力時(shí)，嚴(yán)禁沾有油脂，以免著火甚至爆炸。彈性式壓力表價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)實(shí)牢固，因此得到廣泛應(yīng)用。其測(cè)量范圍從微壓或負(fù)壓到高壓，精確度等級(jí)一般為1～2.5級(jí)，精密型壓力表可達(dá)0.1級(jí)。它可直接安裝在各種設(shè)備上或用于露天作業(yè)場(chǎng)合，制成特殊形式的壓力表還能在惡劣的環(huán)境（如高溫、低溫、振動(dòng)、沖擊、腐蝕、黏稠、易堵和易爆）條件下工作。但因其頻率響應(yīng)低，所以不宜用于測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力。

4.2.4負(fù)荷式壓力計(jì)

1.活塞式壓力計(jì)活塞式壓力計(jì)也稱為壓力天平，主要用于計(jì)量室、實(shí)驗(yàn)室以及生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)作為壓力基準(zhǔn)器使用，也有將活塞式壓力計(jì)直接應(yīng)用于高可靠性監(jiān)測(cè)的環(huán)節(jié)，對(duì)其他壓力儀表進(jìn)行校驗(yàn)?；钊綁毫τ?jì)是基于帕斯卡定律及流體靜力學(xué)平衡原理產(chǎn)生的一種高準(zhǔn)確度、高復(fù)現(xiàn)性和高可信度的標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)量?jī)x器?；钊綁毫τ?jì)是通過將專用砝碼加載在已知有效面積的活塞上所產(chǎn)生的壓強(qiáng)來表達(dá)精確壓力量值的，由于活塞式壓