第三章：基本参量的测量温度、流体压力与流体流量是材料科学与工程学领域中普遍应用的重要过程参量,
3.1 温度量的测量
3.1.1 概述
1.温度温度是度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量，它反映了物体内部微粒无规则运动的平均动能,
温度是国际单位制（ SI）中的 7个基本物理量之一 (位移、速度、
加速度、力、温度、光、时间 )
很多物质的物理属性以及众多的物理效应均与温度有关,人们常利用其随温度变化的规律来检测温度,
因密度变化引起热胀冷缩 液柱式温度计,双金属温度计导体电阻率改变 热电阻热辐射强度变化 辐射温度计相互接触的导体产生热电势 热电偶等等 等等 见 P114表 4-1
3.1 温度量的测量 概述
2,温标要测量就必须有标准量 !
温标给出了,
温度表示方法的通用规则温度的测量标准量 (一系列基准温度点以及单位的分割 )
温度标准的复现和传递方法随着人类对自然日益了解，温标的建立与完善历经漫长的过程。
历史上产生过多种类型的温标,
经验温标,
华氏温标 (1726,标准气压下纯水三相点 32F,沸点 212F,180等分） No.1水银列氏温标 (1730,水的冰点０ R,沸点 80 R,80等分） No.1酒精摄氏温标 (1742,标准气压下纯水三相点０ ℃,沸点 100 ℃,100等分）
热力学温标,
开氏温标 (1848,开尔文利用卡诺循环,绝对零度，标准气压下纯水三相点理论温标，只能作温标研究用 273.15F）
国际温标,
国际温标 ITS—27(1927)
1948,1960,1968,1975数次修订国际温标 ITS—90(1990发布,我国 1991年 7月 1日实施 )
3.1 温度量的测量 概述国际权度局温度咨询委员会制定的现行国际温标 ITS—90：
定点温标定义了 17个固定基准点开尔文温度（单位 K，表示为 T90）与国际摄氏温度（单位 ℃,表示为 t90 ）
并行关系为,t90 = T90 － 273.15 （ 4-1）
温标传递规则与基准仪器
3.1 温度量的测量 概述
３．测温方法分类根据感温元件与被测介质接触与否，温度测量方法分为以下两类：
接触式测温：
传感器与被测介质接触，通过热传导、热对流等传热方式与被测介质达到热平衡非接触式测温：
传感器不与被测物体相接触，直接利用被测对象的辐射能与温度的对应关系来测量其温度。
非接触式测温方法有如下优点：
1）动态响应快，无须与被测对象达到热平衡，不干扰其温度场分布
2）适用于运动对象和有强腐蚀等特殊场合
3）测温范围宽，测温上限理论上不受传感器材料限制，其下限也随技术发展在向中、低温扩展。
但，非接触式测温法必须获得被测对象的热辐射强度，因此存在缺点：
1）受热辐射线通过的中间介质（如粉尘、烟雾和水气）影响很大
2) 结构相对复杂
3）能量转换环节多，输出需要进行修正。
3.1.2 接触法测温常用 接触式测温方法详见 P114表 4-1,
体积变化法电阻变化法
PN结电压变化法热电势变化法其中体积变化法是将温度量变换成另一个非电量来实现检测，因此虽然简便，但多用于人工测温或直接构成非电检测系统通常,把以温度为检测对象的测试系统简称为 温度计本课程以几种常用温度传感器为主线介绍接触式温度检测系统热电偶热电阻晶体管温度传感器
1,热电偶测温热电偶是目前工业生产过程中应用非常广泛的温度传感器,按照其输出电量类型属于电势型传感器,它利用热电效应将被测量温度转换成热电势输出
1)热电偶工作原理
1812年德国物理学家塞贝克 (T.J.Secbeck)在研究电磁感应过程中偶然发现：
在两种不同导体或半导体构成的闭合回路中（如下图），当两个接点温度不等时（ T≠T 0)，回路中有电流流过，即：回路中存在电势．
而且，该电势的大小仅随接点温度 T与 To变化,
这说明,
该电势由热现象造成而非电磁现象造成固称,“热电势,
此物理现象被后人成为,塞贝克,效应又称,热电效应生成的热电势表示为,EAB(T,T0)
因热电效应发生于一对不同导体或半导体组成的闭合回路中,固称之为,
热电偶组成热电偶的 A,B两极称 正热极 与 负热极
1,热电偶测温 工作原理热电效应揭示了热电回路中热电势与两热节点温度之间的关系,
A:正热极 T:工作端温度 (热端温度 )
B:负热极 T0:参考端温度 (冷端温度 )
后人应用电子理论对热电效应进行了进一步研究,揭示了热电势产生机理,获知,
热电势由两部分构成,接触电势 与 温差电势
A.接触电势,
当两种不同的导体 A和紧密接触时，由于拥有不同的自由电子浓度 nA
与,设 nA > nB,则在同一瞬间自由电子从浓度高的 A侧向浓度低的 B侧扩散的数量就比相反方向扩散的多，至使界面附近 A侧失去电子带正电,B侧得到电子带负电，从而在两导体接触的界面处形成自建电场,当电子扩散达到动态平衡时,电场 的电势 eAB为,
T,T0,A,B两材料接两触处的绝对温度
eAB(T),材料 A和 B在温度 T下的接触电势
eAB(T0),材料 A和 B在温度 T0下的接触电势
K,波尔兹曼常数。
e,电子电荷量可见，接触电势的大小只与热电极 A,B的性质和两接触点的温度有关，而 与热电极的几何形状尺寸无关 。
),(),( 00 TTfTTE AB?
B
AAB nneKTTe ln?
B
AAB nneKTTe ln0?
1,热电偶测温 工作原理
B.温差电势在同一均质导体内 (A或 B),当两端温度不同时，导体内自由电子的运动速度不同，高温端自由电子的动能高于低温端。因此，电子从高温端向低温端的扩散速度大于相反方向，结果使高温端失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，当电子运动达到动态平衡时，在导体内形成内建电场,
电场的电势称为导体 A或 B的 温差电势,用 eA(T,T0)或 eB(T,T0 )表示,
式中,
,分别为导体 A,B的 汤姆逊系数上式表明,热电势中的温差电势仅与热电极材料性质和两接点温度
T,T0有关，而与热电极的几何尺寸。沿热电极的温度分布无关。
T
T
AA dTTTe
0
0,?
T
T
BB dTTTe
0
0,?
Aσ Bσ
1,热电偶测温 工作原理综合接触电势与温差电势,当有 T>T0时,由均质材料 A,B作 正,负热电极的 热电回路中有热电势 EAB(T,T0),
上式可归纳如下结论,
当构成热电偶的两热极材料相同时,恒有 EAA(T,T0)=0或 EBB(T,T0)=0
当冷,热端温度相同 (T=T0)时,恒有 EAA=0
热电势的大小只与两热电极的性质和 冷,热端 温度有关，而与热电极与热接点的几何形状尺寸无关,与沿热电极的温度分布无关,
0
0 0
0
0
0
0000
0
0
00
)()(
)(
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TETE
dTσσTedTσσTe
dTσσTeTe
dTσdTσTeTe
TTeTTeTeTeTTE
ABAB
T T
ABABABAB
T
T
ABABAB
T
T
A
T
T
BABAB
ABABABAB
1,热电偶测温 工作原理理论与实践证明,对于电子浓度很大的金属导体热电极,σ A-σ B量值可以忽略不记,因此在其热电势中温差电势所占份额亦可忽略,
即有,
如果固定冷端温度 T0,即有 f(T0)=C.
实现了通过测量回路热电势大小来检测热端温度的目的完成了,
温度量 电量转换 热电偶工作原理一般,热电偶的 T— EAB(T,T0)关系常用三种方式给定,
解析式,多项式
E-T关系曲线分度表 直接给出数值对应表注意,无论哪种方式,均必须固定冷端温度,一般,T0=0℃
)()(,000 TfTfTeTeTTE ABABAB
i
n
i
itaE?
0
2)热电偶基本定则由热电偶工作原理可知,检出热电回路的热电势,变换输出给后续显示记录仪表就可以实现工作端温度的测量,
但现在存在显而易见的问题,
a,后续仪表回路与引线多为金属导体 (Cu),它们介入后势必改变热电回路的状态 ! 能否正常工作?
b,当冷端温度 T0与分度表或解析式给定的不一致,奈何?
下述热电偶应用定律 (热电偶基本定则 )恰恰可以解决,
A.均质导体定则,(教材中为组成定则 )
由相同均质导体组成的闭合回路,无论导体截面,长度如何,都不能产生热电势,
此定则在 热电偶工作原理的推导过程中已经得到证明,
在此强调,相同导体指材料内部 电子浓度 相同 !
因此,即使是同一种金属或合金,其成分,组织、应力分布等都必须一致方可称之为 相同 均质导体此定则常用于检验热极材料的质量。
1,热电偶测温 热电偶基本定则
B.中间导体定则（第三导体定则）：
在 A,B材料组成的热电偶回路中接入第三导体 C，只要引入的第三导体两端的温度相同，则回路电势不变。
证明如下：
第三导体 C的接入方式有如图所示 a,b两种,
a) b)
下面以方式 a为例简单证明
1,热电偶测温 热电偶基本定则在忽略温差电势前提下,回路热电势,
其中,
注,不忽略温差电势结论仍然成立
)()()(),( 00 TETETETTEE CABCABoABC
)(ln
ln
ln
lnln)()(
0
0
0
0
00
00
TE
N
N
e
kT
N
N
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N
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N
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kT
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N
e
kT
TETE
AB
B
A
A
B
A
C
C
B
A
C
C
B
CABC
),()()(),( 0 oABABABoABC TTETETETTEE
0
0
0
dTσ
T
T
C?
1,热电偶测温 热电偶基本定则关于第三导体的另外一种介入方式,类似方法可以证明相同的结论由上述证明过程可知,
a.只要接入仪表的二个接点温度相同，作为第三导体的仪表的接入不会影响原回路的热电势大小,
b.仪表的接线端温度就是热电偶的冷端温度,二个接点温度必须相同,否则将使热电回路中产生一个附加温差项,
c.由第三导体定则可以推广第四,第五 … 导体定则,只要满足接入导体的接点温度相等,都 不会影响原回路的热电势大小,
d.构成热电偶的两热极之间可以通过焊接方法实现紧密接触,甚至当被测温物体是导体时,可以分别焊接第三导体定则解决了前面的 遗留问题 a.
00,TTE AC
1,热电偶测温 热电偶基本定则
C.中间温度定则：
热电偶 A,B在接点温度 (T1,T2 )时的热电势，等于此热电偶在接点温度为 (T1,T2 )与 (T2,T3 )两个不同状态下的热电势之和,
即,相对于 中间温度 T2,热电势符合代数叠加规则,证明如下,
中间温度定则解决了前面的 遗留问题 b.
有了中间温度定则的支持,对于任意冷端温度 (T0≠0 ℃) 的热电回路,均可使用参考端温度为 0℃ 的 E-T关系 (分度表,曲线,解析式 ) 举例
322131,,,TTETTETTE ABABAB
31
31
32213221
,
][
][][,,
TTE
TETE
TETETETETTETTE
AB
ABAB
ABABABABABAB
1,热电偶测温 热电偶基本定则
d.联接导体定则,
作为中间温度定则的推广,
当有另外两种导体 A’,B’,且满足 时,有,
联接导体定则是在热电偶测温中应用,补偿导线,的理论基础,
在有限温度区间内用热电特性接近的其他导体 A’,B’(通常为,廉价金属,)替代热电极 A,B(通常为,稀贵金属,),作为热电势的导出线,
举例注意,
接点 A-A’与 B-B’必须等温,否则将造成误差 !
3232,,'' TTETTE ABBA?
3213221321,,,,,,'''' TTTETTETTETTTE ABBAABAABB
1,热电偶测温 热电偶基本定则
d.标准热电极定则 (参比电极定则 )
作为第三导体定则的推广,有,
由材料 A,B组成的热电偶在温度 (T,T0)下的热电势 EAB(T,T0)等于由材料 A,C组成的热电偶与材料 C,B组成的热电偶在同样温度 (T,T0)下热电势
EAC(T,T0),ECB(T,T0) 之和。即,
证明参见 P75
标准热电极定则的应用,选择热电极开发构造热电偶不同材料构成的热电偶其热电势 E和温度 (T,T0)的关系需通过试验才能确定，利用本定则只要选择某固定材料（如 C），测定其余材料与它构成热电偶后的热电势与 (T,T0)关系，那么这些其余材料彼此间构成热电偶和
(T,T0)关系完全可按本定则算出，不必再一一测定,
例,如有 n种热电极材料参与选配,理论上要 次测定,有了标准热电极定则的支持,仅为 次测定,大大减少了工作量,
称固定材料 C为 标准热电极,目前常选择稳定性好的 金属铂 (Pt)
000,,,TTETTETTE CBACAB
n
nCn?2
3)常用热电偶根据热电偶的工作原理，任何两种不同材料的热电极都可以配成热电偶。但要成为实验室和工业生产过程中检测温度使用的热电偶，必须达到一定的性能要求,
热电性能好 (输出热电势大、测量灵敏度高 )
物理化学性能稳定测温范围宽加工工艺性能好实际生产中很难找到能构造出完全满足上述要求的热电偶，目前常用的热电偶在性能上往往各有千秋,大多数是合金与纯金属相配，或者合金与合金相配。常用的材料有,
稀贵金属 铂、铂佬合金等廉价金属 铜、铁、和镍铬合金等难熔金属 钨铼合金还有,
非金属 石墨、碳、碳化锆、硅化钼等
1,热电偶测温 常用热电偶
(1) 热电偶的类型,
如前所述,热电偶种类繁多应用广泛,根据在全球范围内的使用状况,分为,
标准化热电偶对一些生产工艺成熟，大批量生产，性能稳定，应用广泛，具有统一的分度表的热电偶,国际电工委员会（ IEC）将其定为标准化热电偶,并统一制定了它们的分度表、分度公式和分度表允许偏差,
目前国际上已有 8种标准化热电偶，分别用字母 S,R,B,K,N、
E,J,T作为型号标志，称之为 字母标志热电偶 。
P118表 4-3给出了 8种标准化热电偶的介绍目前在材料领域应用最为广泛的有,S,B,K型,
目前国内外不同厂家生产的标准化热电偶材料配方略有不同,因此 IEC与各国的有关部门制订了热电偶的等级与 E-T关系的允许偏差,见 P118表 4-2
非标准化热电偶为了测量更高的温度，适应特殊环境，或者为了改善稳定性等要求，
人们在不断地研制新型热电偶。这些热电偶尚未标准化，或在国际上尚未列入字母标志热电偶。
P120表 4-4给出了非标准化热电偶的主要性能特点。
1,热电偶测温 常用热电偶
(2) 热电偶的结构形式根据不同的温度测量要求和被测对象,热电偶拥有多种结构形式,
装配式热电偶 (又称普通工业用热电偶 ) 参见 P121图 4-1
由热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等几部分组成,满足热电极间的电气绝缘，使热电极不受环境中有害物质的侵蚀，测量端与被测对象热接触良好，便于安装。
特点,大批量生产的定型产品,型号齐全,选用方便铠装热电偶 参见 P121图 4-3
由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合 后经机械加工拉制成型,外 径 1～ 8mm的整体线材特点：体积小，热容量小，响应速度快；能够较准确地测量小物体的温度可挠曲，机械性能好，在低温、高温、强腐蚀性等条件下均能安全使用寿命长，测量端损坏时可截去损坏部分后重新焊接继续使用消耗型热电偶 (又称微型快速热电偶 ) 参见 P121图 4-4
专用于测定熔融钢水、铁水和其它熔融金属的熔池温度特点,热电偶元件很小,热惯性小，约 3s～ 4s内完成测温一次性测温元件薄膜热电偶采用真空镀膜或化学涂覆等方式制成,厚度仅有 0.01μ～ 0.1μ的薄膜,
特点,响应速度极快，时间常数为微秒级～毫秒级,测温范围为 -200℃ ～ 300℃
4) 热电偶的测量电路根据热电偶的原理和特点，其测量电路要解决的中心问题有：
热电势的放大热电势是直流电势，一般仅有毫伏数量级，且热电极较长，因此对热电势的放大不仅要求放大器高增益、低漂移、而且要具有良好的抗共模、差模干扰的能力，实际应用中有大量为此而设计的专用热电偶放大器。
冷端补偿措施冷端温度对热电势有影响，而在实际使用中不仅冷端温度 T0常不为 0℃,
而且还随环境影响而变化，因此必需一套补偿措施。
线性化措施热电偶的 E-T关系曲线常 呈非线性，为此在测量电路中常利用硬件或软件的线性化措施。
断偶检查一般热电极既细长，又常处于高温等恶劣环境中，一旦折断，热电势就无法输出，若后接的是自动测控系统，热电势为零，系统就会误认为被测温度等于冷端温度，随之可能会发出严重错误的控制指令，为此需在测量电路中安排断偶检查措施。
(1)热电偶常用测温电路,
参见 P125图 4-9,热电偶测温电路由热电偶补偿导线普通导线直流电测仪表等组成,具体有,
基本测温电路双表测量电路 串联测温电路多点温度巡回测量电路温差测量电路 并联测温电路以上内容请参见 P125-P126
(2)热电偶的冷端温度补偿如前所述,
热电势 EAB(T,T0)=f(T,T0)
当保持冷端 T0不变时有,
EAB(T,T0)=f(T)
给出的上述 E-T关系 (分度表或解析式 )一般均在 T0=0℃ 条件下 建立。
但热电偶在实际使用中，其冷端温度常常是,
非 0℃ 的定值随环境温度变化 (绝大多数 )
如果是第一种情况,可以在中间温度定则的支持下采用,二次查表法,
直接应用给定的 E-T关系,而对于第二种情况,则必须采取修正或补偿措施，
即进行 冷端温度补偿,
目前常用的冷端温度补偿方法为,
冷端恒温法冷端温度校正法自动补偿法
1,热电偶测温 冷端温度补偿冷端恒温法,
设法使 T0恒定在 0℃ 或某一定值，依据中间温度定则进行校正,常用有,
0℃ 冷端法非 0℃ 恒温法
a,0℃ 冷端法：
在要求精确测量温度和校验热电偶时，构成如图所示的冰点恒温器，
此时回路热电势即为 EAB（ T,0℃ ），直接由热电偶的 E-T关系求得温度 T
标准大气压下，冰水混合物为 0℃
两热电极的冷端分别臵于两试管中试管中变压器油保证试管内温度均匀此方法多用于,
实验条件下精确测量温度热电偶的校验
1,热电偶测温 冷端温度补偿
b,非 0℃ 恒温法,
将热电偶的冷端臵于热容量较大的容器中 (盛满油的大容器、深埋在地下的容器 ) 保持冷端温度恒定 (T0≠0) ；或将冷端放在自动恒温箱中．
依据中间温度定则,当热电回路的冷端温度 T0恒定不变时有,
EAB（ T,0℃ ） = EAB（ T,T0） + EAB（ T0,0℃ ）
其中,EAB（ T,T0）为实际测得的回路热电势
EAB（ T0,0℃ ）为可以获知的常数利用 E-T关系即可由 EAB（ T,0℃ ） 获得工作端温度 T
1,热电偶测温 冷端温度补偿冷端温度校正法,
当冷端温度为非恒定时,可以用以下方法实现冷端温度补偿,
二次查表法：
检测实际冷端温度 T0值由 E-T关系求得 EAB（ T0,0℃ ） （一次查表）
与测得的回路热电势 EAB（ T,T0）相加得到 EAB（ T,0℃ ）
再由 E-T关系求得测量端温度 T （二次查表）
经验系数法：
利用 E-T关系曲线,近似求出,补偿系数,K,用经验公式 T=T指示 +K T0 来修正指示温度 (K型,0～ 1000℃ K=1;S型,1000～ 1600℃ K=0.5)
补偿导线法,
依据连接导体定则,选用廉价导体,补偿导线,将热电偶的冷端从温度变化大的环境延伸到离热源较远，温度相对恒定的环境,
注意：使用补偿导线并没有进行冷端温度补偿，因此还需配合其他方法,
主要优点,节约贵金属热电偶，降低成本。
相应的问题：引入补偿误差（ A’,B’与 A,B的热电特性不可能完全一致）
因此要求,使用温度 <100℃
必须与热偶类型匹配,
表 4-5 给出常用热电偶补偿导线的型号和性能。
1,热电偶测温 冷端温度补偿自动补偿法,
在热电偶测量回路中串入一个电动势发生装臵，它产生的电势随冷端温度 Tn
变化,且恰好等于 EAB(Tn,0℃),即可实现自动冷端温度补偿。常用方法有,
a.电桥补偿法：
设计直流不平衡电桥,令其输出时时等于 EAB(Tn,0℃) 。将其串接在热电偶回路中,方向电阻 RT是电阻温度系数较大的铜电阻，它与热电偶的冷端感受相同的温度电桥输出与热电偶产生的变化值 EAB(Tn,0℃) 相近似，方向热电势方向相同调压电阻 R用来匹配不同的热电偶由于不平衡电桥的输出电压与桥臂电阻的变化是非线性关系，很难与所需的 EAB(Tn,0℃) 完全一致，
所以补偿有一定误差。且只在很小的温度范围内补偿
1,热电偶测温 冷端温度补偿其他自动补偿方法
b.补偿热电偶法
C.半导体集成温度传感器补偿法请参见 P124-P125
由于计算机系统在测温方面的大量应用,利用其数字化多通道的优势,
用软件计算的方法完成冷端温度补偿简便易行,
(3) 热电偶断偶检查电路要解决的问题,断偶时热电势输出为零而造成误判下图所示为典型的热电偶断偶检查电路,
热电偶正常工作时,
由于电阻 RT 很小 (Ω 级 )，而 RB则很大 (MΩ 级 ),因此辅助电压 UB产生的电流在 RT上产生的压降极小,M-N处反映出的仍然是 E(T,T0),
热电偶断开时,
因 RT变为无限大,M-N处的电压将接近辅助电压 UB (因后续测量电路的阻抗一般很高 ),如果合理设定 UB的大小,使其大大超出满量程时的 E(T,T0)值,就可以作为断偶判据,避免误判,
4) 热电偶的应用热电偶是目前应用非常广泛的温度传感器,以至于在国际国内多年来已经开发出大量配接各类热电偶的专用仪表,集成化测量系统 (测量电路 +
显示记录 )与温度控制系统,
在我国目前已经形成了标准化与系列化,
5)热电偶的测量误差热电偶构成的测温系统主要由热电偶、补偿导线、冷端处理装臵、测量仪表等环节构成,
在正确地安装和使用的条件下测量误差主要有,
静态误差,
分度误差,热电极材料与加工工艺造成的 E-T关系偏差附加误差,接点氧化、粘污,热极挥发、蜕变,绝缘材料性能下降冷端温度补偿误差,补偿导线引入误差、自动补偿热电势偏差测量仪表误差,测量电路性能接线误差,引线压降等动态误差热节点热惯性,传热滞后,接触面积等请参见 P124-P125
2.热电阻测温热电阻是一类精密温度传感器,常用于准确测量 -200～ 500℃ 温度对象,
其特点是准确度高,直接输出直流电信号,常用有,
金属热电阻半导体热敏电阻一般,当温度每升高 1℃ 时,
金属热电阻阻值,增加 0.4% ～ 0.6%
半导体热敏电阻,降低 3% ～ 6%
显然其输出信号变化大于热电偶,固灵敏度较高,
1）金属热电阻金属导体的电阻率?随温度 t而变化，理论上任何金属导体均可用来制作热电阻，但要满足理化性能稳定、易于提纯、复制加工性能好、价格便宜，同时?值大，且随温度变化明显，变化规律单值、线性并相对稳定等条件,目前常用,
铂、铜、镍铑铁合金 (用于 0.1K～ 273K)
R-T关系,
R0,0℃ 时的初始电阻值 )1( 2210 nnT TαTαTαRR
2.热电阻测温 金属热电阻铂热电阻,
物理化学性稳定，耐氧化能力强、易提纯，复制性工艺性好，电阻率较高。
常用于高精度测温,国际温标 ITS－ 90规定可作为 13.8K（平衡氢三相点）～
962℃ （银凝固点）温度段内的温度标准传递仪器。
价格贵、受磁场影响大、温度系数小、在 20K以下灵敏度差,
易产生,氢脆,,使用中需要保护套管保护,(成品多为线绕外覆玻璃保护层 )
现行国家标准给定了铂电阻的分度号,R-T关系、百度电阻比 W100=R100/R0
等等,有标准化 (传递温标用 )与工业标准化两类,
其中工业标准化铂电阻,
在 -200℃ ~650℃ 范围内有,Pt300(R0=300Ω ),Pt100(R0=100Ω )
Pt50(R0=50Ω )
在 >600 ℃ 范围内有,Pt10(R0=10Ω )—电阻丝粗,耐温,价格
W100≥1.428
精度等级,A级,允许测温误差
B级,允许测温误差最大工作电流,< 6mA
)0 0 2.015.0 0 TC
)0 0 5.030.0 0 TC
2.热电阻测温 金属热电阻铜热电阻,
铜电阻的温度系数比铂电阻大而电阻率小,而且 R-T关系的线性度好，同时更容易提纯和加工，固价格低廉,但其在 250℃ 以上易氧化,在腐蚀性介质中的稳定性差,
工业生产中常用于 -50~180℃ 温度范围测温现行国家标准给定了分度号,R-T关系、百度电阻比 W100=R100/R0等等其中工业标准化铜电阻,
在 -50~180℃ 范围内常用,Cu50(R0=50Ω )
Cu100(R0=100Ω )
W100≥1.428
允许测温误差 (-50~180℃ ),
最大工作电流,< 6mA
)1063.0 30 TC
2.热电阻测温 金属热电阻金属热电阻传感器的常用结构类型,
线绕型电阻丝绕在骨架上，再封装到保护管内，按需要接有 2～ 4根引出线；用于精密测温的在其保护管内充有氮气，以改善传热性铠装型与铠装热电偶类似,将绕有电阻丝的骨架封装在细小的不锈钢管中，周围充填良好的绝缘物，引出线和保护管制成一体，有良好的挠性，一般外径只有 3～ 8㎜
薄膜型用物理或化学方法将金属膜附于基材而构成热电阻，响应快、灵敏度高,
便于测量物体表面或狭小区域的温度。
2.热电阻测温 半导体热电阻
2)半导体热电阻半导体材料的电阻率随其温度而变，不同半导体材料可以制造具有负温系数 (NTC)或正温系数 (PTC)的半导体热敏电阻按照半导体热电阻的 R-T关系 (温度特性 )分类有 (:
负温系数热敏电阻缓变型 (NTC)
温度点剧变型 (CTR)
正温系数热敏电阻缓变型 (PTC)
开关型 (正临界型 ):居里点附近发生相变引起电导率突变右图为各类半导体热电阻的 R-T关系曲线 1,NTC型曲线 2,CTR型曲线 3,开关型曲线 4,PTC型具体介绍请参见 P25-P26
011
0 TT
B
TT
neRR
00 TTBpTT eRR
2.热电阻测温 半导体热电阻半导体热电阻的结构形式,
片状（功率大，便于多个串、并联）
杆状（阻值范围广）
线状（适用于缠绕、贴附在被测对象上，便于温控和报警）
珠状（热惯性小，功率小）
薄膜（热容小、时间常数小，适用于红外探测）
半导体热电阻的主要选用参数,
电阻温度系数 Bn,BP,NTC,PTC 热电阻 R-T关系参数标称电阻 R25,25℃ 时的热敏电阻阻值（ Ω ）。
时间常数 τ,反映随被测温度而变化的热惯性耗散系数 H,热敏电阻温度变化 1℃ 所耗散的功率（ Mw/℃ ）。
转变点温度 Tc,开关型,CTR型热电阻 R-T特性曲线上的拐点温度。
2.热电阻测温 半导体热电阻半导体热电阻的应用特点,
优点,
电阻温度系数高,灵敏度高结构简单形体小,热惯性小,功耗低工作温度范围宽抗过载能力强缺点,补救途径,
稳定性差 改进材料加工工艺以及对成品进行老化处理
R-T关系严重非线性 测量电路中强化线性处理参数的分散性大 (互换性差 ) 用固定电阻或其他热敏电阻与其进行串联
3) 热电阻测量电路热电阻传感器输出电阻信号,参照前述其他电阻传感器,常用测量电路有,
伏 -安法电路简单提供精密直流工作电流的要求较高,
半导体热电阻的 R-T关系与伏安特性严重非线性加大应用难度电桥法不平衡电桥应用广泛与热电偶类似,作为应用非常广泛的温度传感器,在国际国内多年来已经开发出大量配接各类热电阻的专用仪表、集成化测量系统 (测量电路
+显示记录 )与温度控制系统,并已经形成了标准化与系列化引线电阻的影响及解决途径,
热电阻的引出导线的电阻同样会受温度影响而变化，从而使环境温度的变化产生测温误差常用的解决办法是在热电阻的引出导线上做文章即,增加引出线的条数
2.热电阻测温 测量电路在原有 2线制 (右图 )基础上,
3线制,适用于电桥法测量电路
4线制,适用于伏安法测量电路核心思想,减弱乃至消除引线误差 !
图中 R11,R12,R13,R14 为引线电阻
3.晶体管温度传感器 测温晶体管温度传感器的工作原理基于 PN结的正向压降 VD和与温度的密切关系
J,通过 PN结的正向电流密度
K,波耳兹曼常数
q,电子电荷
Vgo,T=0 K时，二极管材料的导带底和价带顶间电位差
β,υ,常数由上式可见,在保证通过 PN结的 J一定时,VD∝ T
例如,硅二极管温度每上升 1℃,VD约下降 2mV。
单晶体管温度传感器,
结构简单,成本低,功耗小,响应快,但灵敏度随偏臵电流变化,失调电压也大,互换性和稳定性不理想 。
集成温度传感器 (简称 PTAT)
将两个感温晶体管与后续的放大电路,提供偏臵电流的电源,线性化电路等集成在同一芯片上 。 取两个晶体管的 Vbe之差来反映温度 T
JT
νβ
q
kTVV
goD lnln23ln ）（
3.1.3 非接触式测温 (辐射式测温 )
非接触式测温又称辐射式测温,是接收被测物体的热辐射能量 Q，利用它和被测物体温度 T的关系而得出其温度。
热辐射,温度在绝对零度以上的物体，因其内部基本粒子热运动而向外辐射不同波长的热射线热射线的实质是电磁波,
宇宙射线 ～ γ 射线 ～ X射线 ～ 紫外线 ～ 可见光 ～ 红外线 ～ 无线电波波长 λ,10-8?m (0.4?m～ 40?m) 105mm
(热射线 )
热射线,热效应 (被物体吸收后转化为热量 )明显的那一波段的电磁波,
热射线与可见光本质相同,遵循几何关光学原理自然界中,物体对投射到其表面上的热射线能量均有吸收、透过与反射的能力，设投射到物体表面的总辐射能量为 Q，有 QA被物体吸收,QR被反射，
余下 QD透射过物体，如图有,
其中,,
分别称为该物体对热射线的吸收率、反射率和透过率。
1
Q
Q
Q
Q
Q
Q
QQQQ
DRA
DRA
Q
QA
Q
QR
Q
QD
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律在自然界中,绝大多数物体的透过率为零 !因此有,
当某一物体对热射线的吸收率 =1(反射率 =0)时,称,绝对黑体,,简称 黑体,
黑体是一种将投射到其表面的热射线所携带的能量全部吸收的 理论状态在实验室内可以有近似的模型：
在一个空腔的壁上开一小孔，孔的尺寸比空腔小得多。腔内壁吸收率很高，当入射热射线由小孔进入空腔后，在腔内经多次反射，最后只有极少部分才可能由小孔射出，即此小孔近似吸收了全部投射能量。
工业生产中有工业绝对黑体模型,
当一单端封闭的细长管满足管长 l和管直径 Φ ｄ 之比 Φ ｄ ／ l ≤ 1/10时，
其管口近似黑体。
1 QQQQ RA
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律
1.热辐射基本定律如前所述,物体的温度大于绝对零度,就具备向外界辐射热射线的能力,
与此同时也吸收外界投射到其上的热射线所携带的能量 — 动态平衡,
引深,即使当相互可见的两物体温度相同,仍然存在相互之间热射线的辐射与吸收,
（ 1) 基尔霍夫定律：
描述了物体向外界辐射热射线的能力与吸收热射线能量之间的关系,
任何物体向外辐射能力与其对 热射线的 吸收率之比是波长和温度的函数,与物体性质无关,其数学表达式为：
(4-11)
其中,
M0(λ,T),M1(λ,T),M2(λ,T) …,物体 0,1,2… 的单色辐射力 （ W/㎡ ） ；
α 0(λ,T),α 1(λ,T),α 2(λ,T) …,物体 0,1,2… 的单色吸收率；
注,
单色,某单一波长 λ( 热射线 )
辐射力 (辐出度 ):单位时间、单位面积向外辐射的能量
），（），（ ），（），（ ），（），（ ），（ TλfTλα TλMTλα TλMTλα TλM
2
2
1
1
0
0
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律现假设物体 0为黑体,如前所述,黑体对热射线的吸收率等于 1,
即有,α 0(λ,T)=1 因此有,
即,
这里 i表示任意非黑体上式为基 尔霍夫 定律的另一描述形式：
物体的辐射力与吸收率之比等于绝对黑体在同温度下、同波长时的辐射力。
若在全部波长范围内考察物体,其全色辐射力 (全部辐出度 )为,
(4-14)
这里,A(T) 物体在温度 T下的全色吸收率
M0(T) 黑体 在温度 T下的全色辐射力得到基尔霍夫定律的积分形式,
εT:物体的黑度系数,简称 黑度 (全发射率、比辐射率 )
它完全由 物体表面材料的性质、状态及温度 决定黑度系数 εT给出了物体的辐射能力大小 (0 < εT < 1)
εT=A(T),善于辐射的物体必善于吸收 (热射线 )”
），（），（ ），（ TλMTλα TλM
i
i 0?
)()()()()()( 0000 TMTAλdTλMTλαλdTλMTM,，，
），（），（），（ TλMTλαTλM ii 0?
TεTATM
TM )(
)(
)(
0
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律相对于黑度 εT,有单色辐射黑度 (光谱发射率 ) ελ T,
(4-16)
ελ T为物体 仅对波长 λ的 热射线的 发射率,且有,ελ T=α (λ,T)
表 4-6列出多种材料在不同温度时的黑度值。 (P129)
表 4-7为多种材料在 λ ＝０,65μ ｍ (红色可见光 )下的单色辐射黑度 ε λ Ｔ 。
基尔霍夫定律告诉我们,
任何物体的黑度在数值上等于相同温度下对辐射能量的吸收率在黑度已知时,任何物体的辐射能力可以通过与相同温度的黑体比对得到有了基尔霍夫定律的支持,人们可以仅研究 黑体 这一理想物体,获得它在热辐射方面的表现与规律,进而通过 黑度 εT (或 ελ T)将研究结果推广应用到各种真实物体,
），（
），（
TλM
TλMε
Tλ
0
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律
(2)黑体辐射定律黑体的辐射规律由以下重要定律表明,
普郎克定律斯蒂芬 -玻耳兹曼定律维恩位移定律
A.普郎克定律温度为 T的绝对黑体,在半球面方向所辐射的波长为的单色辐射力为,
(4-17)
式中：
C1:第一辐射常数 C1=3.7418× 10-16W㎡
C2:第二辐射常数 C2=1.4388× 10-2 m·K
一般当 T<3000K,λ< 0.8?m时,由于 C2/λT >> 1,普郎克定律简化为,
(又称,维恩简化公式 ) (4-18)
普郎克定律给出了黑体的辐射能力与波长,温度的关系
1
5
10 1
2
Tλ
CeλCTλM ），（
TλCeλCTλM 2510），（
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律
B.维恩偏移定律右下图为普郎克定律给出的黑体辐射能力与温度、热射线波长的关系曲线,
由图可见,
任何温度下,黑体对不同波长的辐射能力不同，每一温度都存在,最大辐射力波长,
随温度升高,最大辐射力波长向短波方向移动将普郎克定律解析式 (4-17)对波长求极值,得到黑体的最大辐射力波长 λ m
与其温度之间关系,
称维恩偏移定律,
应用,
a.常用测温范围在 3000℃ ～－ 200℃
λm,0.75μm ～ 40μm( 红外区 )
热射线,红外技术
b.太阳表面温度,5800K
)(2879 KmμTλ m
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律
C.斯蒂芬 -玻耳兹曼定律（又称全辐射定律、四次方定律）
将普郎克定律表达式对波长 λ 积分,得,
温度为 T(K)的绝对黑体向半球方向单位时间单位面积发射的全波长辐射力 (简称辐射力 )与其温度的四次方成正比,
(4-20)
式中,
σ,斯蒂芬－玻耳兹曼常数,σ=5.6697 × 10-8 W/㎡ K4
四次方定律给出了黑体辐射力与自身温度之间的关系 辐射测温的基础推广到一般物体 (非黑体 ):
由基尔霍夫定律有,
)/( 240 mWTσTM?）（
)/()( 240 mWTσεTMεTM TT ）（
2,辐射式测温方法与典型的辐射温度计在热辐射基本定律支持下,可以通过测量被测物体的辐射强度来检测其温度下图为辐射测温系统框图,
具体有,
全辐射测温法,
接收检测被测物体在全波长范围内的辐射强度 M(T)
全辐射高温计亮度测温法,
仅接收检测被测物体在某一波长的辐射强度 M(λ,T)
亮度高温计与光电高温计比色测温法,
接收检测被测物体在某两个波长的辐射强度之比。
比色温度计光学系统 检测与变换 信号处理 显示记录被测物体辐射 辐射
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计
1)全辐射高温计工作原理,
对于黑体,依据四次方定律,检测出 M0(T)
即可得到其温度 T.
具体检测方法,
将被测黑体的辐射经光学系统聚焦在热接受器 (常为多支热电偶串联构成的
” 热电堆,)上,使其温度从环境温度 T0升高到 T1,并输出相应的热电势 Et,有,
其中 k1,k2为仪表常数在合理设臵 k1,k2前提下,即可实现被测黑体温度 输出热电势 Et
对于非黑体被测对象,则通过其黑度 εT进行比对,
设被测对象温度为 T时,全辐射高温计的输出热电势与温度为 TF的黑体相等即,
称 TF为被测对象的,辐射温度,,显然有,T > TF
42011 )( TσkTTkE t
44242 1 TFFTt εTTTσkTσεkE
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计全辐射高温计 的结构类型,
用于聚焦辐射能量的光学系统,
透射式反射式将辐射能量转换成电信号的检测探测器,
热电偶（或热电堆）
热敏电阻热释电元件光敏电阻或光电池 (因其对辐射波长有选择性,固称,部分辐射高温计,)
显示仪表,
自动平衡式动圈式数字式全辐射高温计一般适合测量 700℃ ～ 1000℃,若光学系统采用能透过较长波长的石英玻璃。则下限可达 400℃
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计全辐射高温计 的应用特点,
全辐射高温计结构简单、使用方便,输出电信号，常用于生产过程中的在线检测。为减少测量误差，在使用中须注意以下几点：
测量距离,
为了保证把被测物的辐射能聚焦到热电堆的测量端上，高温计有,
距离系数,被测物到检测变换器间 的 距离 L与 被测物 的 有效直径 D之比 L/D
最佳工作距离,使用时应在其范围之内上述仪表参数限制了被测物体的最小直径与最大检测距离,
中间介质的影响,
被测物与高温计之间的中间介质会吸收辐射能，不同中间介质吸收量值不同 (一般空气吸收较少，但水蒸气,C02等则吸收量值较大 ),在测量中应尽量减少中间介质的影响,必要时可进行,烟气校正,(将影响折算在黑度系数中 ).
环境温度的影响,
环境温度变化剧烈 (如长时间近距离检测 ),造成热电堆冷端温度波动而带来误差,当环境温度超出 补偿光栏 等自动补偿范围时,需要加装冷却装臵,
黑度 ε T修正,
被测物的 ε T虽可查表，但影响因素过多而难得确定值,精确测量常加装与被测物等温的 工业黑体模型
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计全辐射高温计 的应用示例请参见 P132～ 133
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计
2) 亮度高温计,
工作原理,
亮度高温计的检测原理是通过检测被测物体的热辐射中某一波长热射线的能量 M(λ,T) 来测量其温度 T。
亮度高温计常用工作波长 λ=0,65μm (据普郎克定律知，黑体在波长 λ=0.65μm 附近时辐射能量随温度升高呈急剧增长 )。
因为该波长为红色可见光,固,温度高低 单色亮度大小选择工作波长的最简单办法是在光学系统中加装滤色片亮度温度 TL:
与全辐射 高温计一样，亮度高温计也是由绝对黑体来标定的，因此在实际测温时，高温计的未修正指示值为亮度温度 TL,而不是被测体的真实温度 T，真实温度 T与亮度温度 TL之间有如下关系式：
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计亮度 高温计 的结构类型,
灯丝隐灭式光学 高温计调整灯丝亮度,由操作者与入射光目视比较,
受生理局限,测温范围为 700℃ ～ 3200℃ 。
误差大、不能实现自动测量恒定亮度式光学 高温计灯丝的亮度恒定不变,通过调整渐变吸收玻璃使入射光与之亮度相等,特点同上光电亮度 高温计使用光敏元件检测光强,不受生理局限,除了可见光谱光电 高温计 外还有红外线亮度高温计,因而能测量较低温度，便于连续、自动测温,准确度、灵敏度和响应速度均高于光学式。
详细内容参见 P134～ 135
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计
3 ) 比色温度计,
工作原理,
由 维恩简化公式 可知,温度为 T的物体向外热辐射的不同波长单色辐射力 M(λ 1,T)与 M(λ 2,T)之比值为,
当 λ 1,λ 2一定时，比值 R显然是物体温度 T的函数,
因此,合理选定 λ 1与 λ 2,设法测得 M(λ 1,T)与 M(λ 2,T)即可实现测温
）（）（）（ ）（ ）（ 244,,21
2
2
1
11
5
2
1
2
1 Re
λ
λ
ε
ε
TλM
TλM λλTC
Tλ
Tλ
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计比色温度 TS:
与全辐射 高温计,亮度高温计一样，比色高温计也是由绝对黑体来标定的，因此在实际测温时，高温计的未修正指示值为比色温度 TS,而不是被测体的真实温度 T,T与 TS之间有如下关系：
值得庆幸的是,
大多数物体 (特别是金属 )在很宽的温度范围内有即,
这意味着比色温度计在大多数情况下 无须进行黑度修正 ----最大优点 !
此外,中间介质的状况对比色温度计几无影响 -----优点 !
)264(
)11(
ln
11
21
2
2
1
λλ
C
ε
ε
TT
Tλ
Tλ
S
TλTλ εε 21?
S
Tλ
Tλ TT
ε
ε 0ln
2
1
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计比色温度计的结构特点,
光路系统,
单光路双光路辐射强度检测,
光电池等光电器件波长 λ 1,λ 2的选定,
常用
0.5um,0.58um (可见光 )
0.85um,1um
4.5um,11um (红外线 )
λ 1,λ 2相差大则灵敏度高,但非线性也大； λ 1,λ 2相差小则 Ts与 T更接近，但灵敏度会下降。具体由仪器生产厂家根据测温范围、灵敏度、线性度、被测物体黑度及环境等因素综合选择确定,
比色温度计的应用特点,
受被测物体黑度系数变化与中间介质状况影响小结构复杂,价格较贵
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计以上概要介绍了非接触式测温的内容回顾,
非接触式测温方法的特点热辐射理论基础基尔霍夫定律的三种表达形式与物体黑度黑体辐射定律三种典型的辐射测温方法与常用辐射温度计自学,
三种辐射测温方法的比较红外辐射测温 P136～ 137
3.2 流体压力测量流体的特征是具有流动性而无固定形状 (其形状随容器的形状而变化 )
流体在外力作用下内部会发生相对运动 —流动在工程上流体多为,
气体或液体 (单相流体 )
气体 -固体,液体 -固体,气体 -液体 (多相流体 )
人类在地球上的日常生活与生产中的任何过程与设备,最终接触的外部环境都是流体 (空气、水等等 ),对流体的主要参数进行检测与控制之意义显而易见,
流体主要参数,流体压力、流体流量、流体流速在材料的开发,制备与大规模生产过程中，经常需要通过检测与控制流体的压力、流速和流量等主要参数来描述和测控流体的流动状态。
特别是流体压力的测量与控制，因直接涉及生产与实验过程中的安全指标而尤显重要。
3.2.1 流体压力与压力测量单位
1,压力的概念在工程技术中,流体压力的概念等同于物理学中的,压强,
即,流体垂直作用在物体单位面积上的力的大小静止流体中,任何一点的压力与取向无关 (静压力 )
与流动方向垂直的面上压力 总压力 (P总 )
运动流体中,与流动方向平行的面上压力 静压力 (P静 )
2,压力的表示方法工程技术中，压力的表示方法以其参考零点压力的不同而分为,
绝对压力：
以绝对零压为参考零点,称为绝对压力，通常用符号 P表示表压力：
以当前大气压力 P0为参考零点,称为表压力，通常用符号 Pe表示材料工程技术领域中,除特别指出（如真空测量）,大多使用表压力 Pe
：流体密度流速静总 ρωρωPP,2 2
）（：受力面积垂直作用力 274, SFSFP
绝对压力与表压力之间的换算关系,
Pe=P－ P0 (4-28)
对某一被测压力 P:
其表压力 Pe>0时，称之为 正压即其绝对压力高于当前大气压力其表压力 Pe<0时，称之为 负压即其绝对压力低于当前大气压力。
一般在工程上称负压为 真空,并用 真空度 pV来表示有,PV = P0－ P
P1
Pe1
Pe2
P2
大气压力绝对真空压力 1
压力 2
2,压力的测量单位,
压力是力和面积的导出量，不同的力与面积单位可以导出诸多压力单位,
帕 斯卡 Pa (N/m2)
巴 Bar
毫巴 10-3Bar
米水柱 mH2O
标准大气压 Atm
工程大气压 Kgf/cm2
托 (毫米汞柱 ) mmHg
PSI 磅 /平方英寸
1971年，国际单位制（ SI）将压力单位规范为帕斯卡，简称 帕 （ Pa）
1984年,我国确定帕（ Pa）为压力的法定计量单位。
帕（ Pa）与旧有常用压力单位之间的换算关系参见表 4-8
3.2.2 常用压力测量方法与压力表的分类测量压力可以转变为测量作用在已知面积上的力，因此方法甚多！
由于压力测量的范围宽,应用场合与准确度要求各异，所以种类繁多可做如下分类：
按测量范围分类按应用场合分类按测压方法和仪表工作原理分类压力测量仪表按测量范围分类：
正压仪表：
超高压（ >6× 108Pa）
高压（ 107～ 6× 108Pa）
低压（ 105～ 107Pa）
微压（ 0～ 105Pa）
负压仪表（真空仪表）：
粗真空（ 103～ 105Pa）
低真空（ 10-1～ 103Pa
高真空（ 10-6～ 10-1Pa）
超高真空（ 10-10～ 10-6Pa）
甚高真空（ <10-10Pa）
压力测量仪表按应用场合分类：
工业用压力计实验室用压力计用于压力标准传递的标准压力计等按测压方法和仪表工作原理分类：
液柱平衡式：
由液柱产生 (或传递 )的压力来平衡被测压力机械力平衡式：
通过膜片、膜盒等弹性元件感受被测压力，与仪表提供的气动力或电磁力等机械力达到平衡而反映被测压力。
弹性力平衡式：
由弹性元件（弹簧管、膜片、膜盒等）在被测压力作用下发生变形而产生弹性力来平衡被测压力，弹性元件的变形量即可反映被测压力。具体有,
机械弹性式压力计：将弹性元件的变形量通过杠杆、齿轮等传动机构放大显示电测式压力计,用电测方法将弹性元件的变形量转换为电量后测量如：电阻式、电感式、电容式、电磁式、霍尔式、压电式等等。
压阻式超高压计,
利用金属或合金的压阻效应，直接将被测高压 (109Pa)变换成相应的电阻值真空测量仪表,
热导式真空计：基于气体压力降低，导热性能变差电离式真空计：基于稀薄气体被电离时产生的离子数量与气体压力有关
3.2.2 常用压力仪表
1,液柱式压力计根据流体静力平衡原理，将被测压力与一定高度的工作液体（水、
酒精、汞等）柱产生的重力相平衡，此时液柱的高度差即可指示被测压力。常用型式有,
U型管压力计单管压力计倾斜管微压计对于要求精密测量的场合应进行环境温度与重力加速度修正结构简单，显示直观测量范围较窄,耐压能力差,易受毛细作用及视差等因素影响液柱式压力计的测量结果是 表压力,一般用于测量较低的压力或真空度
)( 21 hhρgP e
hρgPe
αlρgP e s in
2.活塞式压力计依据帕斯卡定律，将被测压力 (由被校压力计感受到的 )与砝码、砝码盘及活塞在重力作用下产生的压力平衡当重力与活塞有效面积精确已知时,即可实现对被测压力的准确测量活塞式压力计的仪表精度可达 0.02级,稳定可靠，准确度高、重复性好活塞式压力计的的测量结果是 绝对压力,常被用作压力基准器 (或发生器 )
但应注意,
重力加速度修正 (纬度与海拔高度 )
环境温度修正 (活塞有效面积 )
轴向摩擦阻力消除 (轻转 )
被校压力计砝码主活塞驱动活塞手轮
3.弹性式压力计当结构、材料确定的弹性元件在被测压力作用下产生弹性形变时，
产生的位移量与被测压力值存在确定的对应关系,将该位移量检出并放大，即可显示记录被测压力根据位移量的检出放大方式,有,
机械弹性式压力计（简称弹性式压力计）,
利用扇形齿轮,杠杆等机械机构放大位移量电测弹性变形式压力计 (二次变换型的电测式压力计 ):
由位移传感器将位移量检出并转换为电信号弹性式压力计的核心是弹性元件,对其制造材料要求,
弹性储能值高 (吸收变形功而不产生永久变形的能力强 )
温度稳定性好 (弹性模量、线涨系数等物理参数的温度系数小 )
耐腐蚀,耐疲劳 (与被测流体直接接触 )
常用材料,铜合金、镍基合金、不锈钢 (高弹 ); 铌基合金、石英晶体 (恒弹 )
由弹性材料存在弹性极限与弹性滞后、弹性后效等特性,因此使用时要求,
测量稳定静态压力,1/3 P仪表上限 ≤ P ≤ 2/3 P仪表上限测量脉动压力,1/3 P仪表上限 ≤ P ≤ 1/2 P仪表上限 (零位差 与 回差 )
1) 机械弹性式压力计：
下图为常用的弹性元件示意,
弹簧管 螺旋管 膜片 膜盒 波纹管
(1)弹簧管压力计,
弹性元件是弹簧管 (又称,波登管,),即一根弯成 270度圆弧的 非圆截面 （常用椭圆或扁圆形截面）空心金属管。
特点：测量范围大，结构简单测量准确度较高,输出线性较好既有正压表,又有负压表如果使用螺旋管,则可以得到较大的位移量及牵引力弹簧管压力计是目前应用最为广泛的工业压力计 !
(2) 膜片式 压力计,
弹性元件为 膜片,由金属或高分子材料制成,适于检测微小压力平膜片,
结构简单，承压能力高于其他两种膜片刚度大而变形量较小，而且位移量与被测压力间呈非线性关系波纹膜片,
刚度小于平膜片，因此测压灵敏度较高位移量与被测压力间的线性关系优于平膜片应用较平膜片普遍另外有：
膜盒,可获得更高的灵敏度挠性膜片,仅充当隔离元件，由线性好的弹簧充当弹性元件波纹管,位移量很大，线性好。但耐压能力差，常用于压差测量机械弹性式压力表应用特点,
结构简单、价格低廉、坚实牢固测量范围从微小压力到高压,并可用于测量负压仪表精度等级一般为 1～ 2.5级，精密型压力表可达 0.1级可以直接安装在各种设备上或用于露天作业场合特殊型式的压力表还能在高温、低温、振动、冲击、腐蚀、粘稠、易堵和易爆等恶劣的环境条件下工作响应频率较低，不宜用于测量动态压力测量结果不宜远传,多为现场显示型在工业生产现场应用非常广泛
(2) 电测式压力仪表,
电测式压力计采用非电量电测方法,把被测压力转换成电信号输出，然后经测量电路和显示记录装臵输出测量结果。
它解决了其他类型压力计 (液柱式、机械弹性式等 )输出结果无法远传的弊病,可以用来构建控制系统电测式压力计的压力传感器按照其工作原理可分为两类：
将弹性元件在压力作用下产生的变形转换为电路参数变化，如：
电阻式、电感式、霍尔式,利用传感器测量弹性元件的变形 (位移 )
电容式,将膜片作为电容传感器的动极板,
应变式,将应变片粘贴在弹性元件上,
压阻式,直接用压阻器件 (硅膜 )作弹性元件应用某些物理效应，将被测流体压力直接转换成电信号，如,
压电式,用压电晶体感受被测压力,用于 高频 变化 的脉动压力 测量 (几十赫到几十千赫范围 )
谐振式 (振弦式 ),输出频率信号,准确度,稳定性高,常用于深井或地层压力压阻,压磁,压敏半导体等等不一而足,
电测式压力计大多是将各类传感器应用于压力测量,因此其应用特性往往取决于传感器 (线性度,动态响应,抗干扰能力,温度特性 …,)
3.2.3 真空测量仪表,
“真空,,在给定空间内低于一个大气压力的气体状态。不同的真空度表示该空间具有不同的气体分子密度。
真空测量可以视为气体压力的负压测量，以绝对压力来表示真空时，绝对压力越小，真空 (程 )度越高。
真空技术在材料的生产、科研中的应用广泛,目前应用的真空范围很宽,
粗真空 103～ 105Pa
低真空 10-1～ 103Pa
高真空 10-6～ 10-1Pa (不同资料上分段稍有差别 )
超高真空 10-10～ 10-6Pa
甚高真空 <10-10Pa
测量难度较大，往往测量准确度不高,一般为 ± 10% ～ 20%
单一测量手段无法覆盖整个真空范围,一般采用多种方法分段检测真空测量仪表 按其工作原理分为,
绝对真空计,直接测量给定空间内的压力压缩式真空计间接真空计,测量与系统压力有关的物理量，通过相对比较的方法间接测热导式真空计电离式真空计
1.压缩式真空计,
压缩式真空计又称麦氏真空计，为绝对真空计工作过程,
初始态,汞液面在 M-M以下,导管 8联被测终态,液面上升,获得 h,l
结果获得,
对于毛细管 6,始态 P,V;终态 P1,V1
有,
由波义耳定律 (理想气体等温压缩 ):
结构简单准确度较高 (侧量范围 103～ 10-3Pa,准确度 ± 5%左右 )
不能实现连续测量,一般用于稳态低真空的测量或检定常作为基准仪器用以校准其它真空计工业生产中应用的麦氏真空计为简化结构
1
2
11 4 VV
ldπVhpp
K h lhl
V
dπVhVp
VVhVVVhppVppV
4
/
)/(/)(
2
1
11111
有：
2,热导式真空计,
由传热学原理，在绝对压力较低时，气体的导热系数与其压力成正比,
压力越低，气体的热传导能力越差热导式真空计 就是 设法获知被测气体的导热能力 而 间接测量其真空度 的如图,
热平衡时，输入能量与热能损失平衡,
在 10-1Pa～ 104Pa之间 T-p关系显著测量 T的方法常用,
电阻法,发热丝电阻随其温度变化 电阻真空计热电偶法,用热电偶直接测量热丝温度 热偶式真空计热导式真空计应用特性,
构造简单,可实现连续自动测量记录当真空系统发生突然漏气事故时不会损坏仪器对于不同的气体，仪表的分度不同 ;量程范围较小有较大的热掼性，且受环境温度影响工作电流 I
气体导热 Qc
辐射传热 QR
导线传热 QL
发热丝
)(
);( 0
2
pfT
pQQTTpαQ
QQQRI
RLC
RLC
无关与，
p
2,电离 式真空计,
高速粒子碰撞气体分子使之电离,在低 气 压稀薄气体 环境中 (<10-1Pa),离子数与气体的分子密度成正比,温度一定时,气体分子密度与压力成正比电离 式真空计 通过检测离子流 (正比于正离子数 )而获知被测气体压力根据气体电离方法不同，电离真空计可分为：
热阴极电离真空计,用热阴极发射电子使气体分子电离冷阴极电离真空计,用场致发射、光致发射或次级发射电子使气体分子电离放射性电离真空计,用放射性同位素辐射的高能粒子使气体分子电离在高真空 范围 (10-1Pa～ 10-6Pa)，电离真空规是最 常 用的 真空计中心阴极 F的电位为零栅极 G的电位 Vg为正收集极 C的电位 Vc为负。
F上发射的电子在 Vg的作用下飞向 G，越过 G趋向 C
在 G-C之间电子逐渐减速，并返转飞向 G，越过 G趋向 F
又在 G-F之间逐渐减速，并再一次返转飞向 G
就在这样的往返运动中，电子不断地碰撞气体分子在 G-C空间产生的正离子被收集极 C接收形成离子流 圆桶型热阴极电离规一种较常用的 DL-2型电离规管阴极 F
栅极 G
收集极 C
电子轨迹电离真空计的应用特点,
可以测量极低的气体绝对压力 （ 一般可达到 l0-6Pa）
仪表的灵敏度高,线性度好,结构简单但,
测量灵敏度与气体种类有关老型号的仪表在真空系统意外泄漏 (或 >1.34Pa)时,会烧毁阴极放射性电离真空计没有阴极故无烧毁之虞但,
灵敏度较低,适合于绝对压力较高的低真空测量由于它内部存在放射性物质,在使用中必须考虑必要的防护措施
3.2.4 压力测量仪表 的 选用 与安装,
1.选用的一般步骤,
仪表类型的选用,
生产过程要求,信号远传输方式 (现场,远传 ),自动记录,报警被测介质的状况,物化性质及状态 （ 气,液 ）,有无腐蚀性,湿度高低,粘度大小,易燃易爆性,脏污程度,脉动情况例,铜制弹性元件不可测氨气 ;测氧气的压力表严格禁油现场环境条件,震动,高温,电磁场,湿度以及是否需防爆等测量范围的确定,平稳缓变压力,脉动压力有不同的 量程选择原则仪表准确度等级的选取,追求合理的技术经济指标
2.安装注意事项,
取压口 (取压点 )的设臵,
尽量设在直管段,原则上保证与流体流动方向垂直 (动压,
在阻流元件 (阀门,突出物体 )附近测压时,尽量设在其前方 2D前 涡流 )
测量气体时设在管道上部 (灰尘,凝液 );测量液体时设在管道中下部 (气 )
导压管的设臵,
长度尽量短,直径 6～ 10mm
必要时设倾斜角度或吹洗口,集气器,气水分离器对腐蚀性流体应加装隔离罐或加隔离液
3.3 流体流量测量
3.3.1 流体流量和测量单位在工业生产与日常生活中,流体的流量测量非常重要,
能源,资源消耗的核算计量生产过程控制 (化工行业燃烧的空燃比等 )
....
1,流量表示方法,
瞬时流量 (简称流量 ):单位时间内通过管路 （ 或明渠 ） 有效截面的流体量依流体量表示方法不同有,
体积流量 qv,m3/S,m3/h
质量流量 qm,Kg/S,Kg/h
有,qm=?qv
因 为流体密度?与流体温度,压力有关,故有,标准状态体积流量,
累积流量 (总量流量 ),瞬时流量在一段时间内的累积值,
dtqMdtqV t mt V,质量总量流量体积总量流量：
2,流量测量的特点：
由于,
流体性质多样性,
单相流与多相流；粘度差异；可压缩性 ;温度,压力的变化；相变等等管路系统多样性,
管道截面的大小与形状；管道内壁的光滑程度；管路的弯曲程度等等流动状态多样性,
层流或紊流；旋转流或脉动流等等 。
流量测量的特点是：
准确度较低流量计的通用性较差全球范围内标准 (单位量值的传递与仪器检定 )不统一,不健全
3.3.2 流体流量的测量方法和流量仪表分类目前广泛使用的流量计超过百种,其工作原理,结构特性多种多样,严谨分类相当困难,各家观点不尽相同,
常见流量测量方法如下,
容积法：
令被测流体逐次流入已知体积大小的测量空间后逐次排出,记录在一段时间内的排出次数即可求出该时间段内的总流量,记录排放频率,即可得到瞬时流量 。 例如,腰轮流量计 ;椭圆齿轮流量计流速法：
单相连续流体流过某截面 S的体积流量与其平均流速成正比,
因此,在截面 S确定时,直接或间接测量流体的流速即可测出流体流量依此法构成的流量计有：
流速式,电磁流量计 ;超声流量计 ;涡轮流量计 ;热线风速计 ;皮托管式流量计 等差压式,标准节流装臵 (孔板,喷嘴,文丘里管 )
流体阻力式,转子流量计 ;冲击式流量计 ;靶式流量计等流体振动式等,涡街式旋涡流量计 ;旋进式旋涡流量计另外,对于质量流量 qm与 M,有,
质量流量检测法,直接式质量流量计 ;推导式 (补偿式 )质量流量计以上内容部分讲解 其他参见 P147～ 159
VSqv?
3.3.3 常用流量计
1,椭园齿轮流量计,
典型的容积式流量计,经常用于测量流体的总量流量如图,二个互相啮合的椭圆齿轮,在入,出口流体压差 p1-p2作用下,相互反向转动,图 a中轮 I右侧的半月型体积中的流体,经转动成图 b,至图 c时被排出流量计,接下来图 c中轮 Ⅰ 左侧的半月型体积中的流体亦会随齿轮转动而被排出,如此反复,齿轮每转动一周将排出 4个半月型体积中的流体,
若半月型体积为 Vo,一段时间内记录到齿轮转数为 N,那么此段时间内流体流量的总量 QN为：
00 44 nVqnNVQ VN 为转速，则若椭园齿轮流量计的应用特点,
测量准确度高 （ 一般为 0.2～ 0.5级 ）
适合高粘度液体测量 （ 如油,酸,碱等 ）
对管路的布臵要求不高 (如,直管段长度要求等 )
但,
结构复杂,要求加工精度高,成本高运动部件有磨损,且仪表惯性大故动态响应差,测量上限较低泄露误差几乎不可避免,不适用于低黏度 (如气体 )小流量流体测量由结构限制,大口径产品制造困难 (最大 250mm)
针对上述缺陷,有,
腰轮式流量计 (下图示意 )与专门用于气体流量测量的湿式气体流量计
2.电磁流量计典型的流速式流量计在被测流体为导电介质,并以流速 V流过处于均匀磁场中的绝缘管时,由电磁感应原理,导电流体将切割磁力线产生感应电势 (方向依右手定则 ),可通过两个电极引出,如图有,
当 B与 D确定时,有,
由于直流电势下被测流体会产生电解现象而造成测量误差,同时永久磁铁过于笨重,因此实际应用的 电磁流量计均采用交变磁场,
消除交变磁场在电极 -引线 -仪表回路中感生的正交干扰造成测量电路复杂
,成本提高是目前 电磁流量计应用尚不广泛的主要原因,
为避免管路屏蔽磁力线并降低涡流损耗,管路由非导磁高阻材料制造如,
树脂,橡胶或内衬绝缘层的不锈钢等为绝缘管直径为场强,DBB D Ve V?
为仪表常数KKqe VV?
电磁流量计的应用特点,
能测量如矿浆,泥浆,污水等固液两相导电流体,也可测量酸,碱,盐溶液
（ 导电率大于 20～ 50μΩ/cm 即可 ）
对被测流体造成的压力损失极小使用寿命长,无机械惯性,动态响应好,可测脉动流量准确度较高,可达 1-1.5级测量范围宽,量程比达 10,1(上限,下限 )
输出信号与 qv 呈线性关系,且不受温度,压力,密度变化影响但,
不可测气体,蒸汽,石油制品等非导电流体由于信号处理电路复杂,目前价格较为昂贵
3,皮托 (Pitor)管式流量计,
一种常用的流速式流量计,(直接测流速 )
由,
可知,
用液柱式压力计直接检测 即可获知流速 V,
应用特性,
对流体的阻力小,适用于大口径管路中的气体流速 (或流量 )
测量结果为截面上的,点速,(某点处的局部流速 ),可用中心线处的最大流速获得 V平均固体杂质会堵塞测压孔,不适用于气 -固两相流体,
：流体密度流速静总 ρVVρPP,2 2
hρ PPV Δ2)(2 静总静总 PPhΔ V
DπVSq
V 4
2
总P 静P
测压孔
4,涡街式旋涡流量计,
是流速法中的一种流体振动式流量计,它利用流体在流经阻挡元件后发生振荡的物理现象来检测流体流速,根据振荡现象不同,有涡街式旋涡流量计和旋进式旋涡流量计两类涡街式旋涡流量计 工作原理,
如图 (a)所示,流体紊流状态 (雷诺数 Re大于临界值 )下流动时,在阻挡元件下游交替产生两排旋涡列,称,卡门涡街,
卡门发现,在其他条件不变时,单侧旋涡产生频率与流体流速成正比,
圆柱形 0.206
St是仅与 Re有关的常数 (Re=3× 102～ 2× 105范围内,三角柱 0.16 )
因此有,
测量频率 f的方法,
热法检测 (如图 b)
力学法检测 (a) (b) (c)
：阻挡元件直径斯特劳哈尔数,dSdVSf tdt,?
fS dAASfdAVq
t
d
d
t
ddv
涡街式旋涡流量计 应用特性,
准确度 1～ 2.5级输出频率信号,抗干扰能力强无运动部件,不易泄漏,动态响应好对流体阻力小 (压头损失小 ),使用于大管径,大流量气体或液体检测不受被测流体的温度,压力,密度变化影响,量程比宽 （ 30,1）
但,
流体流速,管路直径,流体黏度之间有 Re数限制,层流状态无法工作管内速度分布对测量影响较大,故安装上有前后直管段 (前 15D,后 5D)
是目前发展较快的流量测试手段
5.差压式（又称节流式）流量计,
在管道中设臵节流装臵,使流体流动时流束被迫收缩,随后迅速扩张,
在节流装臵处发生动能 -静压转换,装臵前后出现压差,该压差和流量间有一定关系式,
其中 α是个系统参数,与 下列诸多因素有关,
节流装臵 的结构 类型节流孔径比取压差方式流体 雷诺数 Re
因节流装臵前后流体运动状态复杂,又与装臵型式,流体性质,管道状况,测量压差的办法不同等因素有关,因此至今尚无经过严格理论推导得出的精确公式 。
目前,孔板,喷嘴,文丘利管三种节流装臵已经在全球范围内标准化,称,
标准节流装臵,,ISO 5167-1,GB T2624-93对装臵的结构尺寸,取压方式以及计算方法 (α值 )等都有详细标准,按标实施不需标定 !
：膨胀校正系数流量系数 εα
SmρPdπεαq V
:
)/(/Δ2
4
3
2
三种标准节流装臵的应用特性,
孔板喷嘴文丘利管三种标准节流装臵在,
结构型式与关键尺寸制作材料、加工公差检测差压装臵加工和安装规定适用的管道直径和流体流动状态都必须遵循标准,三者比较,
流体压力损失,孔板最大,喷嘴次之,文丘利管最小加工制造与安装要求,孔板最简单,喷嘴次之,文丘利管最复杂测量精度 (相同条件 ),孔板最差抗腐蚀、磨损、粘污,孔板最差另外,由工作原理决定,
节流式流量计的使用存在,临界雷诺数,,如果实际 Re低于临界值,不宜采用
6.转子流量计,
典型的阻力式流量计,也可以归类为差压式流量计 (恒压变截面式 )
工作原理,
把转子视为节流元件，在流体自下而上作用下,它在锥形管内使其浮停处的通流截面减小成环形阻流截面，在转子上、下侧产生压差 Δ P。使转子受向上浮力 F1,当转子自重的重力 F3相与之平衡时，转子就浮停在 H处。
参照差压式流量计的推导过程,在结构与转子材料确定时有,
应用特点,
准确度较高,1～ 2.5级量程范围,10:1(差压式仅为 3:1)
液体,0.001 ～ 100m3/h
但,气体,0.016 ～ 3000m3/h
工作压力低 (玻管 <2MPa,金属管 <8MPa)
工作温度低 (玻管 <120℃,金属管 < 150℃)
极限口径小 (<200mm)
必须垂直安装 密度空气,水 以外的气体、液体必须进行修正,温度压力
),( fv ρhfq?
7.质量流量计,
如前所述,质量流量计直接测量单位时间流过的流体质量,与被测流体的压力、
温度等状态参数,黏度、密度等物理性质以及流动状态都无关系,从根本上提高了测量准确度,
目前应用的质量流量计有两大类,
量热式直接式质量流量计,惯性式（如：双涡轮式）
动量式差压 -密度法 (差压法测?V2，乘?再开方 )
间接式质量流量计 (推导式 ),速度 -密度法 (流速法测 V,乘?)
差压 -流速法 (差压法测?V2，流速法测 V,相除 )
参见 P157～ 159
VSρqρq Vm
以下为附录
图表、附件
S型标准热电偶字母标志,S (旧标识,LB-3)
俗称,单铂铑热电偶热极材料,10%铑,其余铂 (正热极 )
100%铂 (负热极 )
测温范围,0～ 1300℃ (长期使用 )
1600℃ (短期使用 )
特点,
物理化学性能稳定热电性能稳定,准确度最高 (ITS-90中温标传递的基准器之一 )
抗氧化性能强价格昂贵,常用极细的偶丝,故机械强度低热电势和热电势率相对较小，测温灵敏度低。
应用范围,
宜在氧化性、惰性气氛中连续使用在还原性气氛 (H2)或含金属蒸气的条件下使用时必须加保护套管
B型标准热电偶字母标志,B (旧标识,LL-2)
俗称,双铂铑热电偶热极材料,29.6%± 0.2%铑,其余铂 (正热极 )
6.12%± 0.2%铑,其余铂 (负热极 )
测温范围,600～ 1600℃ (长期使用 )
1800℃ (短期使用 )
特点,
物理化学性能稳定热电性能稳定抗氧化、抗沾污性能强价格更昂贵,但机械强度高于 S型热电势和热电势率甚小，要求后续测量电路灵敏度较高。
室温条件下可省略冷端补偿措施应用范围,
宜在氧化性、惰性气氛中连续使用,真空条件下可以短期使用在还原性气氛 (H2)或含金属蒸气的条件下使用时必须加保护套管
K型标准热电偶字母标志,K (旧标识,EU-2)
俗称,镍铬 -镍硅热电偶热极材料,镍铬合金 (正热极 )
镍硅合金 (负热极 )
测温范围,-270～ 1100℃ (长期使用 )
1300℃ (短期使用 )
特点,
测温范围宽线性度好热电势和热电势率高,测稳灵敏度高物化稳定性与抗氧化性能在廉价金属热电偶中最好价格相对低廉,制备工艺性好使用时必须采取冷端补偿措施应用范围,
应用最为广泛常于 500～ 1100℃ 氧化性、惰性气氛中连续使用热电偶断路检查电路冷端经验修正法
0
)(
)(
0
)(
)(
)(
0
)(
0
0
0
Δ
Δ
Δ
KTTT
dT
dE
dT
dE
K
T
dT
dE
dT
dE
T
dT
dE
T
dT
dE
T
TTT
T
T
T
T
TT
指指有：
令：
指指指
DL-2型电离规管参数,
VG = 225 V
VC = 0 V
VF = 25 V
量程一般为,
1× 10-1 ~ 1× 10-5 Pa
离子流与气压 P之间具有线性关系 。
关于雷诺数 Re:
是流体力学中的流体流动状态判据之一,为无量纲数在一定条件下,由 Re数值可判断,
层流紊流管径：流体运动黏度流体流速,,dνVν dVR e
3.1 温度量的测量
3.1.1 概述
1.温度温度是度量物体热平衡状态下冷热程度的物理量，它反映了物体内部微粒无规则运动的平均动能,
温度是国际单位制（ SI）中的 7个基本物理量之一 (位移、速度、
加速度、力、温度、光、时间 )
很多物质的物理属性以及众多的物理效应均与温度有关,人们常利用其随温度变化的规律来检测温度,
因密度变化引起热胀冷缩 液柱式温度计,双金属温度计导体电阻率改变 热电阻热辐射强度变化 辐射温度计相互接触的导体产生热电势 热电偶等等 等等 见 P114表 4-1
3.1 温度量的测量 概述
2,温标要测量就必须有标准量 !
温标给出了,
温度表示方法的通用规则温度的测量标准量 (一系列基准温度点以及单位的分割 )
温度标准的复现和传递方法随着人类对自然日益了解，温标的建立与完善历经漫长的过程。
历史上产生过多种类型的温标,
经验温标,
华氏温标 (1726,标准气压下纯水三相点 32F,沸点 212F,180等分） No.1水银列氏温标 (1730,水的冰点０ R,沸点 80 R,80等分） No.1酒精摄氏温标 (1742,标准气压下纯水三相点０ ℃,沸点 100 ℃,100等分）
热力学温标,
开氏温标 (1848,开尔文利用卡诺循环,绝对零度，标准气压下纯水三相点理论温标，只能作温标研究用 273.15F）
国际温标,
国际温标 ITS—27(1927)
1948,1960,1968,1975数次修订国际温标 ITS—90(1990发布,我国 1991年 7月 1日实施 )
3.1 温度量的测量 概述国际权度局温度咨询委员会制定的现行国际温标 ITS—90：
定点温标定义了 17个固定基准点开尔文温度（单位 K，表示为 T90）与国际摄氏温度（单位 ℃,表示为 t90 ）
并行关系为,t90 = T90 － 273.15 （ 4-1）
温标传递规则与基准仪器
3.1 温度量的测量 概述
３．测温方法分类根据感温元件与被测介质接触与否，温度测量方法分为以下两类：
接触式测温：
传感器与被测介质接触，通过热传导、热对流等传热方式与被测介质达到热平衡非接触式测温：
传感器不与被测物体相接触，直接利用被测对象的辐射能与温度的对应关系来测量其温度。
非接触式测温方法有如下优点：
1）动态响应快，无须与被测对象达到热平衡，不干扰其温度场分布
2）适用于运动对象和有强腐蚀等特殊场合
3）测温范围宽，测温上限理论上不受传感器材料限制，其下限也随技术发展在向中、低温扩展。
但，非接触式测温法必须获得被测对象的热辐射强度，因此存在缺点：
1）受热辐射线通过的中间介质（如粉尘、烟雾和水气）影响很大
2) 结构相对复杂
3）能量转换环节多，输出需要进行修正。
3.1.2 接触法测温常用 接触式测温方法详见 P114表 4-1,
体积变化法电阻变化法
PN结电压变化法热电势变化法其中体积变化法是将温度量变换成另一个非电量来实现检测，因此虽然简便，但多用于人工测温或直接构成非电检测系统通常,把以温度为检测对象的测试系统简称为 温度计本课程以几种常用温度传感器为主线介绍接触式温度检测系统热电偶热电阻晶体管温度传感器
1,热电偶测温热电偶是目前工业生产过程中应用非常广泛的温度传感器,按照其输出电量类型属于电势型传感器,它利用热电效应将被测量温度转换成热电势输出
1)热电偶工作原理
1812年德国物理学家塞贝克 (T.J.Secbeck)在研究电磁感应过程中偶然发现：
在两种不同导体或半导体构成的闭合回路中（如下图），当两个接点温度不等时（ T≠T 0)，回路中有电流流过，即：回路中存在电势．
而且，该电势的大小仅随接点温度 T与 To变化,
这说明,
该电势由热现象造成而非电磁现象造成固称,“热电势,
此物理现象被后人成为,塞贝克,效应又称,热电效应生成的热电势表示为,EAB(T,T0)
因热电效应发生于一对不同导体或半导体组成的闭合回路中,固称之为,
热电偶组成热电偶的 A,B两极称 正热极 与 负热极
1,热电偶测温 工作原理热电效应揭示了热电回路中热电势与两热节点温度之间的关系,
A:正热极 T:工作端温度 (热端温度 )
B:负热极 T0:参考端温度 (冷端温度 )
后人应用电子理论对热电效应进行了进一步研究,揭示了热电势产生机理,获知,
热电势由两部分构成,接触电势 与 温差电势
A.接触电势,
当两种不同的导体 A和紧密接触时，由于拥有不同的自由电子浓度 nA
与,设 nA > nB,则在同一瞬间自由电子从浓度高的 A侧向浓度低的 B侧扩散的数量就比相反方向扩散的多，至使界面附近 A侧失去电子带正电,B侧得到电子带负电，从而在两导体接触的界面处形成自建电场,当电子扩散达到动态平衡时,电场 的电势 eAB为,
T,T0,A,B两材料接两触处的绝对温度
eAB(T),材料 A和 B在温度 T下的接触电势
eAB(T0),材料 A和 B在温度 T0下的接触电势
K,波尔兹曼常数。
e,电子电荷量可见，接触电势的大小只与热电极 A,B的性质和两接触点的温度有关，而 与热电极的几何形状尺寸无关 。
),(),( 00 TTfTTE AB?
B
AAB nneKTTe ln?
B
AAB nneKTTe ln0?
1,热电偶测温 工作原理
B.温差电势在同一均质导体内 (A或 B),当两端温度不同时，导体内自由电子的运动速度不同，高温端自由电子的动能高于低温端。因此，电子从高温端向低温端的扩散速度大于相反方向，结果使高温端失去电子而带正电，低温端得到电子而带负电，当电子运动达到动态平衡时，在导体内形成内建电场,
电场的电势称为导体 A或 B的 温差电势,用 eA(T,T0)或 eB(T,T0 )表示,
式中,
,分别为导体 A,B的 汤姆逊系数上式表明,热电势中的温差电势仅与热电极材料性质和两接点温度
T,T0有关，而与热电极的几何尺寸。沿热电极的温度分布无关。
T
T
AA dTTTe
0
0,?
T
T
BB dTTTe
0
0,?
Aσ Bσ
1,热电偶测温 工作原理综合接触电势与温差电势,当有 T>T0时,由均质材料 A,B作 正,负热电极的 热电回路中有热电势 EAB(T,T0),
上式可归纳如下结论,
当构成热电偶的两热极材料相同时,恒有 EAA(T,T0)=0或 EBB(T,T0)=0
当冷,热端温度相同 (T=T0)时,恒有 EAA=0
热电势的大小只与两热电极的性质和 冷,热端 温度有关，而与热电极与热接点的几何形状尺寸无关,与沿热电极的温度分布无关,
0
0 0
0
0
0
0000
0
0
00
)()(
)(
,,,
TETE
dTσσTedTσσTe
dTσσTeTe
dTσdTσTeTe
TTeTTeTeTeTTE
ABAB
T T
ABABABAB
T
T
ABABAB
T
T
A
T
T
BABAB
ABABABAB
1,热电偶测温 工作原理理论与实践证明,对于电子浓度很大的金属导体热电极,σ A-σ B量值可以忽略不记,因此在其热电势中温差电势所占份额亦可忽略,
即有,
如果固定冷端温度 T0,即有 f(T0)=C.
实现了通过测量回路热电势大小来检测热端温度的目的完成了,
温度量 电量转换 热电偶工作原理一般,热电偶的 T— EAB(T,T0)关系常用三种方式给定,
解析式,多项式
E-T关系曲线分度表 直接给出数值对应表注意,无论哪种方式,均必须固定冷端温度,一般,T0=0℃
)()(,000 TfTfTeTeTTE ABABAB
i
n
i
itaE?
0
2)热电偶基本定则由热电偶工作原理可知,检出热电回路的热电势,变换输出给后续显示记录仪表就可以实现工作端温度的测量,
但现在存在显而易见的问题,
a,后续仪表回路与引线多为金属导体 (Cu),它们介入后势必改变热电回路的状态 ! 能否正常工作?
b,当冷端温度 T0与分度表或解析式给定的不一致,奈何?
下述热电偶应用定律 (热电偶基本定则 )恰恰可以解决,
A.均质导体定则,(教材中为组成定则 )
由相同均质导体组成的闭合回路,无论导体截面,长度如何,都不能产生热电势,
此定则在 热电偶工作原理的推导过程中已经得到证明,
在此强调,相同导体指材料内部 电子浓度 相同 !
因此,即使是同一种金属或合金,其成分,组织、应力分布等都必须一致方可称之为 相同 均质导体此定则常用于检验热极材料的质量。
1,热电偶测温 热电偶基本定则
B.中间导体定则（第三导体定则）：
在 A,B材料组成的热电偶回路中接入第三导体 C，只要引入的第三导体两端的温度相同，则回路电势不变。
证明如下：
第三导体 C的接入方式有如图所示 a,b两种,
a) b)
下面以方式 a为例简单证明
1,热电偶测温 热电偶基本定则在忽略温差电势前提下,回路热电势,
其中,
注,不忽略温差电势结论仍然成立
)()()(),( 00 TETETETTEE CABCABoABC
)(ln
ln
ln
lnln)()(
0
0
0
0
00
00
TE
N
N
e
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N
N
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kT
N
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N
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e
kT
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N
e
kT
TETE
AB
B
A
A
B
A
C
C
B
A
C
C
B
CABC
),()()(),( 0 oABABABoABC TTETETETTEE
0
0
0
dTσ
T
T
C?
1,热电偶测温 热电偶基本定则关于第三导体的另外一种介入方式,类似方法可以证明相同的结论由上述证明过程可知,
a.只要接入仪表的二个接点温度相同，作为第三导体的仪表的接入不会影响原回路的热电势大小,
b.仪表的接线端温度就是热电偶的冷端温度,二个接点温度必须相同,否则将使热电回路中产生一个附加温差项,
c.由第三导体定则可以推广第四,第五 … 导体定则,只要满足接入导体的接点温度相等,都 不会影响原回路的热电势大小,
d.构成热电偶的两热极之间可以通过焊接方法实现紧密接触,甚至当被测温物体是导体时,可以分别焊接第三导体定则解决了前面的 遗留问题 a.
00,TTE AC
1,热电偶测温 热电偶基本定则
C.中间温度定则：
热电偶 A,B在接点温度 (T1,T2 )时的热电势，等于此热电偶在接点温度为 (T1,T2 )与 (T2,T3 )两个不同状态下的热电势之和,
即,相对于 中间温度 T2,热电势符合代数叠加规则,证明如下,
中间温度定则解决了前面的 遗留问题 b.
有了中间温度定则的支持,对于任意冷端温度 (T0≠0 ℃) 的热电回路,均可使用参考端温度为 0℃ 的 E-T关系 (分度表,曲线,解析式 ) 举例
322131,,,TTETTETTE ABABAB
31
31
32213221
,
][
][][,,
TTE
TETE
TETETETETTETTE
AB
ABAB
ABABABABABAB
1,热电偶测温 热电偶基本定则
d.联接导体定则,
作为中间温度定则的推广,
当有另外两种导体 A’,B’,且满足 时,有,
联接导体定则是在热电偶测温中应用,补偿导线,的理论基础,
在有限温度区间内用热电特性接近的其他导体 A’,B’(通常为,廉价金属,)替代热电极 A,B(通常为,稀贵金属,),作为热电势的导出线,
举例注意,
接点 A-A’与 B-B’必须等温,否则将造成误差 !
3232,,'' TTETTE ABBA?
3213221321,,,,,,'''' TTTETTETTETTTE ABBAABAABB
1,热电偶测温 热电偶基本定则
d.标准热电极定则 (参比电极定则 )
作为第三导体定则的推广,有,
由材料 A,B组成的热电偶在温度 (T,T0)下的热电势 EAB(T,T0)等于由材料 A,C组成的热电偶与材料 C,B组成的热电偶在同样温度 (T,T0)下热电势
EAC(T,T0),ECB(T,T0) 之和。即,
证明参见 P75
标准热电极定则的应用,选择热电极开发构造热电偶不同材料构成的热电偶其热电势 E和温度 (T,T0)的关系需通过试验才能确定，利用本定则只要选择某固定材料（如 C），测定其余材料与它构成热电偶后的热电势与 (T,T0)关系，那么这些其余材料彼此间构成热电偶和
(T,T0)关系完全可按本定则算出，不必再一一测定,
例,如有 n种热电极材料参与选配,理论上要 次测定,有了标准热电极定则的支持,仅为 次测定,大大减少了工作量,
称固定材料 C为 标准热电极,目前常选择稳定性好的 金属铂 (Pt)
000,,,TTETTETTE CBACAB
n
nCn?2
3)常用热电偶根据热电偶的工作原理，任何两种不同材料的热电极都可以配成热电偶。但要成为实验室和工业生产过程中检测温度使用的热电偶，必须达到一定的性能要求,
热电性能好 (输出热电势大、测量灵敏度高 )
物理化学性能稳定测温范围宽加工工艺性能好实际生产中很难找到能构造出完全满足上述要求的热电偶，目前常用的热电偶在性能上往往各有千秋,大多数是合金与纯金属相配，或者合金与合金相配。常用的材料有,
稀贵金属 铂、铂佬合金等廉价金属 铜、铁、和镍铬合金等难熔金属 钨铼合金还有,
非金属 石墨、碳、碳化锆、硅化钼等
1,热电偶测温 常用热电偶
(1) 热电偶的类型,
如前所述,热电偶种类繁多应用广泛,根据在全球范围内的使用状况,分为,
标准化热电偶对一些生产工艺成熟，大批量生产，性能稳定，应用广泛，具有统一的分度表的热电偶,国际电工委员会（ IEC）将其定为标准化热电偶,并统一制定了它们的分度表、分度公式和分度表允许偏差,
目前国际上已有 8种标准化热电偶，分别用字母 S,R,B,K,N、
E,J,T作为型号标志，称之为 字母标志热电偶 。
P118表 4-3给出了 8种标准化热电偶的介绍目前在材料领域应用最为广泛的有,S,B,K型,
目前国内外不同厂家生产的标准化热电偶材料配方略有不同,因此 IEC与各国的有关部门制订了热电偶的等级与 E-T关系的允许偏差,见 P118表 4-2
非标准化热电偶为了测量更高的温度，适应特殊环境，或者为了改善稳定性等要求，
人们在不断地研制新型热电偶。这些热电偶尚未标准化，或在国际上尚未列入字母标志热电偶。
P120表 4-4给出了非标准化热电偶的主要性能特点。
1,热电偶测温 常用热电偶
(2) 热电偶的结构形式根据不同的温度测量要求和被测对象,热电偶拥有多种结构形式,
装配式热电偶 (又称普通工业用热电偶 ) 参见 P121图 4-1
由热电极，绝缘管，保护套管和接线盒等几部分组成,满足热电极间的电气绝缘，使热电极不受环境中有害物质的侵蚀，测量端与被测对象热接触良好，便于安装。
特点,大批量生产的定型产品,型号齐全,选用方便铠装热电偶 参见 P121图 4-3
由热电极、绝缘材料和金属套管三者组合 后经机械加工拉制成型,外 径 1～ 8mm的整体线材特点：体积小，热容量小，响应速度快；能够较准确地测量小物体的温度可挠曲，机械性能好，在低温、高温、强腐蚀性等条件下均能安全使用寿命长，测量端损坏时可截去损坏部分后重新焊接继续使用消耗型热电偶 (又称微型快速热电偶 ) 参见 P121图 4-4
专用于测定熔融钢水、铁水和其它熔融金属的熔池温度特点,热电偶元件很小,热惯性小，约 3s～ 4s内完成测温一次性测温元件薄膜热电偶采用真空镀膜或化学涂覆等方式制成,厚度仅有 0.01μ～ 0.1μ的薄膜,
特点,响应速度极快，时间常数为微秒级～毫秒级,测温范围为 -200℃ ～ 300℃
4) 热电偶的测量电路根据热电偶的原理和特点，其测量电路要解决的中心问题有：
热电势的放大热电势是直流电势，一般仅有毫伏数量级，且热电极较长，因此对热电势的放大不仅要求放大器高增益、低漂移、而且要具有良好的抗共模、差模干扰的能力，实际应用中有大量为此而设计的专用热电偶放大器。
冷端补偿措施冷端温度对热电势有影响，而在实际使用中不仅冷端温度 T0常不为 0℃,
而且还随环境影响而变化，因此必需一套补偿措施。
线性化措施热电偶的 E-T关系曲线常 呈非线性，为此在测量电路中常利用硬件或软件的线性化措施。
断偶检查一般热电极既细长，又常处于高温等恶劣环境中，一旦折断，热电势就无法输出，若后接的是自动测控系统，热电势为零，系统就会误认为被测温度等于冷端温度，随之可能会发出严重错误的控制指令，为此需在测量电路中安排断偶检查措施。
(1)热电偶常用测温电路,
参见 P125图 4-9,热电偶测温电路由热电偶补偿导线普通导线直流电测仪表等组成,具体有,
基本测温电路双表测量电路 串联测温电路多点温度巡回测量电路温差测量电路 并联测温电路以上内容请参见 P125-P126
(2)热电偶的冷端温度补偿如前所述,
热电势 EAB(T,T0)=f(T,T0)
当保持冷端 T0不变时有,
EAB(T,T0)=f(T)
给出的上述 E-T关系 (分度表或解析式 )一般均在 T0=0℃ 条件下 建立。
但热电偶在实际使用中，其冷端温度常常是,
非 0℃ 的定值随环境温度变化 (绝大多数 )
如果是第一种情况,可以在中间温度定则的支持下采用,二次查表法,
直接应用给定的 E-T关系,而对于第二种情况,则必须采取修正或补偿措施，
即进行 冷端温度补偿,
目前常用的冷端温度补偿方法为,
冷端恒温法冷端温度校正法自动补偿法
1,热电偶测温 冷端温度补偿冷端恒温法,
设法使 T0恒定在 0℃ 或某一定值，依据中间温度定则进行校正,常用有,
0℃ 冷端法非 0℃ 恒温法
a,0℃ 冷端法：
在要求精确测量温度和校验热电偶时，构成如图所示的冰点恒温器，
此时回路热电势即为 EAB（ T,0℃ ），直接由热电偶的 E-T关系求得温度 T
标准大气压下，冰水混合物为 0℃
两热电极的冷端分别臵于两试管中试管中变压器油保证试管内温度均匀此方法多用于,
实验条件下精确测量温度热电偶的校验
1,热电偶测温 冷端温度补偿
b,非 0℃ 恒温法,
将热电偶的冷端臵于热容量较大的容器中 (盛满油的大容器、深埋在地下的容器 ) 保持冷端温度恒定 (T0≠0) ；或将冷端放在自动恒温箱中．
依据中间温度定则,当热电回路的冷端温度 T0恒定不变时有,
EAB（ T,0℃ ） = EAB（ T,T0） + EAB（ T0,0℃ ）
其中,EAB（ T,T0）为实际测得的回路热电势
EAB（ T0,0℃ ）为可以获知的常数利用 E-T关系即可由 EAB（ T,0℃ ） 获得工作端温度 T
1,热电偶测温 冷端温度补偿冷端温度校正法,
当冷端温度为非恒定时,可以用以下方法实现冷端温度补偿,
二次查表法：
检测实际冷端温度 T0值由 E-T关系求得 EAB（ T0,0℃ ） （一次查表）
与测得的回路热电势 EAB（ T,T0）相加得到 EAB（ T,0℃ ）
再由 E-T关系求得测量端温度 T （二次查表）
经验系数法：
利用 E-T关系曲线,近似求出,补偿系数,K,用经验公式 T=T指示 +K T0 来修正指示温度 (K型,0～ 1000℃ K=1;S型,1000～ 1600℃ K=0.5)
补偿导线法,
依据连接导体定则,选用廉价导体,补偿导线,将热电偶的冷端从温度变化大的环境延伸到离热源较远，温度相对恒定的环境,
注意：使用补偿导线并没有进行冷端温度补偿，因此还需配合其他方法,
主要优点,节约贵金属热电偶，降低成本。
相应的问题：引入补偿误差（ A’,B’与 A,B的热电特性不可能完全一致）
因此要求,使用温度 <100℃
必须与热偶类型匹配,
表 4-5 给出常用热电偶补偿导线的型号和性能。
1,热电偶测温 冷端温度补偿自动补偿法,
在热电偶测量回路中串入一个电动势发生装臵，它产生的电势随冷端温度 Tn
变化,且恰好等于 EAB(Tn,0℃),即可实现自动冷端温度补偿。常用方法有,
a.电桥补偿法：
设计直流不平衡电桥,令其输出时时等于 EAB(Tn,0℃) 。将其串接在热电偶回路中,方向电阻 RT是电阻温度系数较大的铜电阻，它与热电偶的冷端感受相同的温度电桥输出与热电偶产生的变化值 EAB(Tn,0℃) 相近似，方向热电势方向相同调压电阻 R用来匹配不同的热电偶由于不平衡电桥的输出电压与桥臂电阻的变化是非线性关系，很难与所需的 EAB(Tn,0℃) 完全一致，
所以补偿有一定误差。且只在很小的温度范围内补偿
1,热电偶测温 冷端温度补偿其他自动补偿方法
b.补偿热电偶法
C.半导体集成温度传感器补偿法请参见 P124-P125
由于计算机系统在测温方面的大量应用,利用其数字化多通道的优势,
用软件计算的方法完成冷端温度补偿简便易行,
(3) 热电偶断偶检查电路要解决的问题,断偶时热电势输出为零而造成误判下图所示为典型的热电偶断偶检查电路,
热电偶正常工作时,
由于电阻 RT 很小 (Ω 级 )，而 RB则很大 (MΩ 级 ),因此辅助电压 UB产生的电流在 RT上产生的压降极小,M-N处反映出的仍然是 E(T,T0),
热电偶断开时,
因 RT变为无限大,M-N处的电压将接近辅助电压 UB (因后续测量电路的阻抗一般很高 ),如果合理设定 UB的大小,使其大大超出满量程时的 E(T,T0)值,就可以作为断偶判据,避免误判,
4) 热电偶的应用热电偶是目前应用非常广泛的温度传感器,以至于在国际国内多年来已经开发出大量配接各类热电偶的专用仪表,集成化测量系统 (测量电路 +
显示记录 )与温度控制系统,
在我国目前已经形成了标准化与系列化,
5)热电偶的测量误差热电偶构成的测温系统主要由热电偶、补偿导线、冷端处理装臵、测量仪表等环节构成,
在正确地安装和使用的条件下测量误差主要有,
静态误差,
分度误差,热电极材料与加工工艺造成的 E-T关系偏差附加误差,接点氧化、粘污,热极挥发、蜕变,绝缘材料性能下降冷端温度补偿误差,补偿导线引入误差、自动补偿热电势偏差测量仪表误差,测量电路性能接线误差,引线压降等动态误差热节点热惯性,传热滞后,接触面积等请参见 P124-P125
2.热电阻测温热电阻是一类精密温度传感器,常用于准确测量 -200～ 500℃ 温度对象,
其特点是准确度高,直接输出直流电信号,常用有,
金属热电阻半导体热敏电阻一般,当温度每升高 1℃ 时,
金属热电阻阻值,增加 0.4% ～ 0.6%
半导体热敏电阻,降低 3% ～ 6%
显然其输出信号变化大于热电偶,固灵敏度较高,
1）金属热电阻金属导体的电阻率?随温度 t而变化，理论上任何金属导体均可用来制作热电阻，但要满足理化性能稳定、易于提纯、复制加工性能好、价格便宜，同时?值大，且随温度变化明显，变化规律单值、线性并相对稳定等条件,目前常用,
铂、铜、镍铑铁合金 (用于 0.1K～ 273K)
R-T关系,
R0,0℃ 时的初始电阻值 )1( 2210 nnT TαTαTαRR
2.热电阻测温 金属热电阻铂热电阻,
物理化学性稳定，耐氧化能力强、易提纯，复制性工艺性好，电阻率较高。
常用于高精度测温,国际温标 ITS－ 90规定可作为 13.8K（平衡氢三相点）～
962℃ （银凝固点）温度段内的温度标准传递仪器。
价格贵、受磁场影响大、温度系数小、在 20K以下灵敏度差,
易产生,氢脆,,使用中需要保护套管保护,(成品多为线绕外覆玻璃保护层 )
现行国家标准给定了铂电阻的分度号,R-T关系、百度电阻比 W100=R100/R0
等等,有标准化 (传递温标用 )与工业标准化两类,
其中工业标准化铂电阻,
在 -200℃ ~650℃ 范围内有,Pt300(R0=300Ω ),Pt100(R0=100Ω )
Pt50(R0=50Ω )
在 >600 ℃ 范围内有,Pt10(R0=10Ω )—电阻丝粗,耐温,价格
W100≥1.428
精度等级,A级,允许测温误差
B级,允许测温误差最大工作电流,< 6mA
)0 0 2.015.0 0 TC
)0 0 5.030.0 0 TC
2.热电阻测温 金属热电阻铜热电阻,
铜电阻的温度系数比铂电阻大而电阻率小,而且 R-T关系的线性度好，同时更容易提纯和加工，固价格低廉,但其在 250℃ 以上易氧化,在腐蚀性介质中的稳定性差,
工业生产中常用于 -50~180℃ 温度范围测温现行国家标准给定了分度号,R-T关系、百度电阻比 W100=R100/R0等等其中工业标准化铜电阻,
在 -50~180℃ 范围内常用,Cu50(R0=50Ω )
Cu100(R0=100Ω )
W100≥1.428
允许测温误差 (-50~180℃ ),
最大工作电流,< 6mA
)1063.0 30 TC
2.热电阻测温 金属热电阻金属热电阻传感器的常用结构类型,
线绕型电阻丝绕在骨架上，再封装到保护管内，按需要接有 2～ 4根引出线；用于精密测温的在其保护管内充有氮气，以改善传热性铠装型与铠装热电偶类似,将绕有电阻丝的骨架封装在细小的不锈钢管中，周围充填良好的绝缘物，引出线和保护管制成一体，有良好的挠性，一般外径只有 3～ 8㎜
薄膜型用物理或化学方法将金属膜附于基材而构成热电阻，响应快、灵敏度高,
便于测量物体表面或狭小区域的温度。
2.热电阻测温 半导体热电阻
2)半导体热电阻半导体材料的电阻率随其温度而变，不同半导体材料可以制造具有负温系数 (NTC)或正温系数 (PTC)的半导体热敏电阻按照半导体热电阻的 R-T关系 (温度特性 )分类有 (:
负温系数热敏电阻缓变型 (NTC)
温度点剧变型 (CTR)
正温系数热敏电阻缓变型 (PTC)
开关型 (正临界型 ):居里点附近发生相变引起电导率突变右图为各类半导体热电阻的 R-T关系曲线 1,NTC型曲线 2,CTR型曲线 3,开关型曲线 4,PTC型具体介绍请参见 P25-P26
011
0 TT
B
TT
neRR
00 TTBpTT eRR
2.热电阻测温 半导体热电阻半导体热电阻的结构形式,
片状（功率大，便于多个串、并联）
杆状（阻值范围广）
线状（适用于缠绕、贴附在被测对象上，便于温控和报警）
珠状（热惯性小，功率小）
薄膜（热容小、时间常数小，适用于红外探测）
半导体热电阻的主要选用参数,
电阻温度系数 Bn,BP,NTC,PTC 热电阻 R-T关系参数标称电阻 R25,25℃ 时的热敏电阻阻值（ Ω ）。
时间常数 τ,反映随被测温度而变化的热惯性耗散系数 H,热敏电阻温度变化 1℃ 所耗散的功率（ Mw/℃ ）。
转变点温度 Tc,开关型,CTR型热电阻 R-T特性曲线上的拐点温度。
2.热电阻测温 半导体热电阻半导体热电阻的应用特点,
优点,
电阻温度系数高,灵敏度高结构简单形体小,热惯性小,功耗低工作温度范围宽抗过载能力强缺点,补救途径,
稳定性差 改进材料加工工艺以及对成品进行老化处理
R-T关系严重非线性 测量电路中强化线性处理参数的分散性大 (互换性差 ) 用固定电阻或其他热敏电阻与其进行串联
3) 热电阻测量电路热电阻传感器输出电阻信号,参照前述其他电阻传感器,常用测量电路有,
伏 -安法电路简单提供精密直流工作电流的要求较高,
半导体热电阻的 R-T关系与伏安特性严重非线性加大应用难度电桥法不平衡电桥应用广泛与热电偶类似,作为应用非常广泛的温度传感器,在国际国内多年来已经开发出大量配接各类热电阻的专用仪表、集成化测量系统 (测量电路
+显示记录 )与温度控制系统,并已经形成了标准化与系列化引线电阻的影响及解决途径,
热电阻的引出导线的电阻同样会受温度影响而变化，从而使环境温度的变化产生测温误差常用的解决办法是在热电阻的引出导线上做文章即,增加引出线的条数
2.热电阻测温 测量电路在原有 2线制 (右图 )基础上,
3线制,适用于电桥法测量电路
4线制,适用于伏安法测量电路核心思想,减弱乃至消除引线误差 !
图中 R11,R12,R13,R14 为引线电阻
3.晶体管温度传感器 测温晶体管温度传感器的工作原理基于 PN结的正向压降 VD和与温度的密切关系
J,通过 PN结的正向电流密度
K,波耳兹曼常数
q,电子电荷
Vgo,T=0 K时，二极管材料的导带底和价带顶间电位差
β,υ,常数由上式可见,在保证通过 PN结的 J一定时,VD∝ T
例如,硅二极管温度每上升 1℃,VD约下降 2mV。
单晶体管温度传感器,
结构简单,成本低,功耗小,响应快,但灵敏度随偏臵电流变化,失调电压也大,互换性和稳定性不理想 。
集成温度传感器 (简称 PTAT)
将两个感温晶体管与后续的放大电路,提供偏臵电流的电源,线性化电路等集成在同一芯片上 。 取两个晶体管的 Vbe之差来反映温度 T
JT
νβ
q
kTVV
goD lnln23ln ）（
3.1.3 非接触式测温 (辐射式测温 )
非接触式测温又称辐射式测温,是接收被测物体的热辐射能量 Q，利用它和被测物体温度 T的关系而得出其温度。
热辐射,温度在绝对零度以上的物体，因其内部基本粒子热运动而向外辐射不同波长的热射线热射线的实质是电磁波,
宇宙射线 ～ γ 射线 ～ X射线 ～ 紫外线 ～ 可见光 ～ 红外线 ～ 无线电波波长 λ,10-8?m (0.4?m～ 40?m) 105mm
(热射线 )
热射线,热效应 (被物体吸收后转化为热量 )明显的那一波段的电磁波,
热射线与可见光本质相同,遵循几何关光学原理自然界中,物体对投射到其表面上的热射线能量均有吸收、透过与反射的能力，设投射到物体表面的总辐射能量为 Q，有 QA被物体吸收,QR被反射，
余下 QD透射过物体，如图有,
其中,,
分别称为该物体对热射线的吸收率、反射率和透过率。
1
Q
Q
Q
Q
Q
Q
QQQQ
DRA
DRA
Q
QA
Q
QR
Q
QD
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律在自然界中,绝大多数物体的透过率为零 !因此有,
当某一物体对热射线的吸收率 =1(反射率 =0)时,称,绝对黑体,,简称 黑体,
黑体是一种将投射到其表面的热射线所携带的能量全部吸收的 理论状态在实验室内可以有近似的模型：
在一个空腔的壁上开一小孔，孔的尺寸比空腔小得多。腔内壁吸收率很高，当入射热射线由小孔进入空腔后，在腔内经多次反射，最后只有极少部分才可能由小孔射出，即此小孔近似吸收了全部投射能量。
工业生产中有工业绝对黑体模型,
当一单端封闭的细长管满足管长 l和管直径 Φ ｄ 之比 Φ ｄ ／ l ≤ 1/10时，
其管口近似黑体。
1 QQQQ RA
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律
1.热辐射基本定律如前所述,物体的温度大于绝对零度,就具备向外界辐射热射线的能力,
与此同时也吸收外界投射到其上的热射线所携带的能量 — 动态平衡,
引深,即使当相互可见的两物体温度相同,仍然存在相互之间热射线的辐射与吸收,
（ 1) 基尔霍夫定律：
描述了物体向外界辐射热射线的能力与吸收热射线能量之间的关系,
任何物体向外辐射能力与其对 热射线的 吸收率之比是波长和温度的函数,与物体性质无关,其数学表达式为：
(4-11)
其中,
M0(λ,T),M1(λ,T),M2(λ,T) …,物体 0,1,2… 的单色辐射力 （ W/㎡ ） ；
α 0(λ,T),α 1(λ,T),α 2(λ,T) …,物体 0,1,2… 的单色吸收率；
注,
单色,某单一波长 λ( 热射线 )
辐射力 (辐出度 ):单位时间、单位面积向外辐射的能量
），（），（ ），（），（ ），（），（ ），（ TλfTλα TλMTλα TλMTλα TλM
2
2
1
1
0
0
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律现假设物体 0为黑体,如前所述,黑体对热射线的吸收率等于 1,
即有,α 0(λ,T)=1 因此有,
即,
这里 i表示任意非黑体上式为基 尔霍夫 定律的另一描述形式：
物体的辐射力与吸收率之比等于绝对黑体在同温度下、同波长时的辐射力。
若在全部波长范围内考察物体,其全色辐射力 (全部辐出度 )为,
(4-14)
这里,A(T) 物体在温度 T下的全色吸收率
M0(T) 黑体 在温度 T下的全色辐射力得到基尔霍夫定律的积分形式,
εT:物体的黑度系数,简称 黑度 (全发射率、比辐射率 )
它完全由 物体表面材料的性质、状态及温度 决定黑度系数 εT给出了物体的辐射能力大小 (0 < εT < 1)
εT=A(T),善于辐射的物体必善于吸收 (热射线 )”
），（），（ ），（ TλMTλα TλM
i
i 0?
)()()()()()( 0000 TMTAλdTλMTλαλdTλMTM,，，
），（），（），（ TλMTλαTλM ii 0?
TεTATM
TM )(
)(
)(
0
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律相对于黑度 εT,有单色辐射黑度 (光谱发射率 ) ελ T,
(4-16)
ελ T为物体 仅对波长 λ的 热射线的 发射率,且有,ελ T=α (λ,T)
表 4-6列出多种材料在不同温度时的黑度值。 (P129)
表 4-7为多种材料在 λ ＝０,65μ ｍ (红色可见光 )下的单色辐射黑度 ε λ Ｔ 。
基尔霍夫定律告诉我们,
任何物体的黑度在数值上等于相同温度下对辐射能量的吸收率在黑度已知时,任何物体的辐射能力可以通过与相同温度的黑体比对得到有了基尔霍夫定律的支持,人们可以仅研究 黑体 这一理想物体,获得它在热辐射方面的表现与规律,进而通过 黑度 εT (或 ελ T)将研究结果推广应用到各种真实物体,
），（
），（
TλM
TλMε
Tλ
0
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律
(2)黑体辐射定律黑体的辐射规律由以下重要定律表明,
普郎克定律斯蒂芬 -玻耳兹曼定律维恩位移定律
A.普郎克定律温度为 T的绝对黑体,在半球面方向所辐射的波长为的单色辐射力为,
(4-17)
式中：
C1:第一辐射常数 C1=3.7418× 10-16W㎡
C2:第二辐射常数 C2=1.4388× 10-2 m·K
一般当 T<3000K,λ< 0.8?m时,由于 C2/λT >> 1,普郎克定律简化为,
(又称,维恩简化公式 ) (4-18)
普郎克定律给出了黑体的辐射能力与波长,温度的关系
1
5
10 1
2
Tλ
CeλCTλM ），（
TλCeλCTλM 2510），（
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律
B.维恩偏移定律右下图为普郎克定律给出的黑体辐射能力与温度、热射线波长的关系曲线,
由图可见,
任何温度下,黑体对不同波长的辐射能力不同，每一温度都存在,最大辐射力波长,
随温度升高,最大辐射力波长向短波方向移动将普郎克定律解析式 (4-17)对波长求极值,得到黑体的最大辐射力波长 λ m
与其温度之间关系,
称维恩偏移定律,
应用,
a.常用测温范围在 3000℃ ～－ 200℃
λm,0.75μm ～ 40μm( 红外区 )
热射线,红外技术
b.太阳表面温度,5800K
)(2879 KmμTλ m
3.1.3 非接触式测温 热辐射基本定律
C.斯蒂芬 -玻耳兹曼定律（又称全辐射定律、四次方定律）
将普郎克定律表达式对波长 λ 积分,得,
温度为 T(K)的绝对黑体向半球方向单位时间单位面积发射的全波长辐射力 (简称辐射力 )与其温度的四次方成正比,
(4-20)
式中,
σ,斯蒂芬－玻耳兹曼常数,σ=5.6697 × 10-8 W/㎡ K4
四次方定律给出了黑体辐射力与自身温度之间的关系 辐射测温的基础推广到一般物体 (非黑体 ):
由基尔霍夫定律有,
)/( 240 mWTσTM?）（
)/()( 240 mWTσεTMεTM TT ）（
2,辐射式测温方法与典型的辐射温度计在热辐射基本定律支持下,可以通过测量被测物体的辐射强度来检测其温度下图为辐射测温系统框图,
具体有,
全辐射测温法,
接收检测被测物体在全波长范围内的辐射强度 M(T)
全辐射高温计亮度测温法,
仅接收检测被测物体在某一波长的辐射强度 M(λ,T)
亮度高温计与光电高温计比色测温法,
接收检测被测物体在某两个波长的辐射强度之比。
比色温度计光学系统 检测与变换 信号处理 显示记录被测物体辐射 辐射
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计
1)全辐射高温计工作原理,
对于黑体,依据四次方定律,检测出 M0(T)
即可得到其温度 T.
具体检测方法,
将被测黑体的辐射经光学系统聚焦在热接受器 (常为多支热电偶串联构成的
” 热电堆,)上,使其温度从环境温度 T0升高到 T1,并输出相应的热电势 Et,有,
其中 k1,k2为仪表常数在合理设臵 k1,k2前提下,即可实现被测黑体温度 输出热电势 Et
对于非黑体被测对象,则通过其黑度 εT进行比对,
设被测对象温度为 T时,全辐射高温计的输出热电势与温度为 TF的黑体相等即,
称 TF为被测对象的,辐射温度,,显然有,T > TF
42011 )( TσkTTkE t
44242 1 TFFTt εTTTσkTσεkE
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计全辐射高温计 的结构类型,
用于聚焦辐射能量的光学系统,
透射式反射式将辐射能量转换成电信号的检测探测器,
热电偶（或热电堆）
热敏电阻热释电元件光敏电阻或光电池 (因其对辐射波长有选择性,固称,部分辐射高温计,)
显示仪表,
自动平衡式动圈式数字式全辐射高温计一般适合测量 700℃ ～ 1000℃,若光学系统采用能透过较长波长的石英玻璃。则下限可达 400℃
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计全辐射高温计 的应用特点,
全辐射高温计结构简单、使用方便,输出电信号，常用于生产过程中的在线检测。为减少测量误差，在使用中须注意以下几点：
测量距离,
为了保证把被测物的辐射能聚焦到热电堆的测量端上，高温计有,
距离系数,被测物到检测变换器间 的 距离 L与 被测物 的 有效直径 D之比 L/D
最佳工作距离,使用时应在其范围之内上述仪表参数限制了被测物体的最小直径与最大检测距离,
中间介质的影响,
被测物与高温计之间的中间介质会吸收辐射能，不同中间介质吸收量值不同 (一般空气吸收较少，但水蒸气,C02等则吸收量值较大 ),在测量中应尽量减少中间介质的影响,必要时可进行,烟气校正,(将影响折算在黑度系数中 ).
环境温度的影响,
环境温度变化剧烈 (如长时间近距离检测 ),造成热电堆冷端温度波动而带来误差,当环境温度超出 补偿光栏 等自动补偿范围时,需要加装冷却装臵,
黑度 ε T修正,
被测物的 ε T虽可查表，但影响因素过多而难得确定值,精确测量常加装与被测物等温的 工业黑体模型
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计全辐射高温计 的应用示例请参见 P132～ 133
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计
2) 亮度高温计,
工作原理,
亮度高温计的检测原理是通过检测被测物体的热辐射中某一波长热射线的能量 M(λ,T) 来测量其温度 T。
亮度高温计常用工作波长 λ=0,65μm (据普郎克定律知，黑体在波长 λ=0.65μm 附近时辐射能量随温度升高呈急剧增长 )。
因为该波长为红色可见光,固,温度高低 单色亮度大小选择工作波长的最简单办法是在光学系统中加装滤色片亮度温度 TL:
与全辐射 高温计一样，亮度高温计也是由绝对黑体来标定的，因此在实际测温时，高温计的未修正指示值为亮度温度 TL,而不是被测体的真实温度 T，真实温度 T与亮度温度 TL之间有如下关系式：
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计亮度 高温计 的结构类型,
灯丝隐灭式光学 高温计调整灯丝亮度,由操作者与入射光目视比较,
受生理局限,测温范围为 700℃ ～ 3200℃ 。
误差大、不能实现自动测量恒定亮度式光学 高温计灯丝的亮度恒定不变,通过调整渐变吸收玻璃使入射光与之亮度相等,特点同上光电亮度 高温计使用光敏元件检测光强,不受生理局限,除了可见光谱光电 高温计 外还有红外线亮度高温计,因而能测量较低温度，便于连续、自动测温,准确度、灵敏度和响应速度均高于光学式。
详细内容参见 P134～ 135
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计
3 ) 比色温度计,
工作原理,
由 维恩简化公式 可知,温度为 T的物体向外热辐射的不同波长单色辐射力 M(λ 1,T)与 M(λ 2,T)之比值为,
当 λ 1,λ 2一定时，比值 R显然是物体温度 T的函数,
因此,合理选定 λ 1与 λ 2,设法测得 M(λ 1,T)与 M(λ 2,T)即可实现测温
）（）（）（ ）（ ）（ 244,,21
2
2
1
11
5
2
1
2
1 Re
λ
λ
ε
ε
TλM
TλM λλTC
Tλ
Tλ
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计比色温度 TS:
与全辐射 高温计,亮度高温计一样，比色高温计也是由绝对黑体来标定的，因此在实际测温时，高温计的未修正指示值为比色温度 TS,而不是被测体的真实温度 T,T与 TS之间有如下关系：
值得庆幸的是,
大多数物体 (特别是金属 )在很宽的温度范围内有即,
这意味着比色温度计在大多数情况下 无须进行黑度修正 ----最大优点 !
此外,中间介质的状况对比色温度计几无影响 -----优点 !
)264(
)11(
ln
11
21
2
2
1
λλ
C
ε
ε
TT
Tλ
Tλ
S
TλTλ εε 21?
S
Tλ
Tλ TT
ε
ε 0ln
2
1
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计比色温度计的结构特点,
光路系统,
单光路双光路辐射强度检测,
光电池等光电器件波长 λ 1,λ 2的选定,
常用
0.5um,0.58um (可见光 )
0.85um,1um
4.5um,11um (红外线 )
λ 1,λ 2相差大则灵敏度高,但非线性也大； λ 1,λ 2相差小则 Ts与 T更接近，但灵敏度会下降。具体由仪器生产厂家根据测温范围、灵敏度、线性度、被测物体黑度及环境等因素综合选择确定,
比色温度计的应用特点,
受被测物体黑度系数变化与中间介质状况影响小结构复杂,价格较贵
3.1.3 非接触式测温 辐射温度计以上概要介绍了非接触式测温的内容回顾,
非接触式测温方法的特点热辐射理论基础基尔霍夫定律的三种表达形式与物体黑度黑体辐射定律三种典型的辐射测温方法与常用辐射温度计自学,
三种辐射测温方法的比较红外辐射测温 P136～ 137
3.2 流体压力测量流体的特征是具有流动性而无固定形状 (其形状随容器的形状而变化 )
流体在外力作用下内部会发生相对运动 —流动在工程上流体多为,
气体或液体 (单相流体 )
气体 -固体,液体 -固体,气体 -液体 (多相流体 )
人类在地球上的日常生活与生产中的任何过程与设备,最终接触的外部环境都是流体 (空气、水等等 ),对流体的主要参数进行检测与控制之意义显而易见,
流体主要参数,流体压力、流体流量、流体流速在材料的开发,制备与大规模生产过程中，经常需要通过检测与控制流体的压力、流速和流量等主要参数来描述和测控流体的流动状态。
特别是流体压力的测量与控制，因直接涉及生产与实验过程中的安全指标而尤显重要。
3.2.1 流体压力与压力测量单位
1,压力的概念在工程技术中,流体压力的概念等同于物理学中的,压强,
即,流体垂直作用在物体单位面积上的力的大小静止流体中,任何一点的压力与取向无关 (静压力 )
与流动方向垂直的面上压力 总压力 (P总 )
运动流体中,与流动方向平行的面上压力 静压力 (P静 )
2,压力的表示方法工程技术中，压力的表示方法以其参考零点压力的不同而分为,
绝对压力：
以绝对零压为参考零点,称为绝对压力，通常用符号 P表示表压力：
以当前大气压力 P0为参考零点,称为表压力，通常用符号 Pe表示材料工程技术领域中,除特别指出（如真空测量）,大多使用表压力 Pe
：流体密度流速静总 ρωρωPP,2 2
）（：受力面积垂直作用力 274, SFSFP
绝对压力与表压力之间的换算关系,
Pe=P－ P0 (4-28)
对某一被测压力 P:
其表压力 Pe>0时，称之为 正压即其绝对压力高于当前大气压力其表压力 Pe<0时，称之为 负压即其绝对压力低于当前大气压力。
一般在工程上称负压为 真空,并用 真空度 pV来表示有,PV = P0－ P
P1
Pe1
Pe2
P2
大气压力绝对真空压力 1
压力 2
2,压力的测量单位,
压力是力和面积的导出量，不同的力与面积单位可以导出诸多压力单位,
帕 斯卡 Pa (N/m2)
巴 Bar
毫巴 10-3Bar
米水柱 mH2O
标准大气压 Atm
工程大气压 Kgf/cm2
托 (毫米汞柱 ) mmHg
PSI 磅 /平方英寸
1971年，国际单位制（ SI）将压力单位规范为帕斯卡，简称 帕 （ Pa）
1984年,我国确定帕（ Pa）为压力的法定计量单位。
帕（ Pa）与旧有常用压力单位之间的换算关系参见表 4-8
3.2.2 常用压力测量方法与压力表的分类测量压力可以转变为测量作用在已知面积上的力，因此方法甚多！
由于压力测量的范围宽,应用场合与准确度要求各异，所以种类繁多可做如下分类：
按测量范围分类按应用场合分类按测压方法和仪表工作原理分类压力测量仪表按测量范围分类：
正压仪表：
超高压（ >6× 108Pa）
高压（ 107～ 6× 108Pa）
低压（ 105～ 107Pa）
微压（ 0～ 105Pa）
负压仪表（真空仪表）：
粗真空（ 103～ 105Pa）
低真空（ 10-1～ 103Pa
高真空（ 10-6～ 10-1Pa）
超高真空（ 10-10～ 10-6Pa）
甚高真空（ <10-10Pa）
压力测量仪表按应用场合分类：
工业用压力计实验室用压力计用于压力标准传递的标准压力计等按测压方法和仪表工作原理分类：
液柱平衡式：
由液柱产生 (或传递 )的压力来平衡被测压力机械力平衡式：
通过膜片、膜盒等弹性元件感受被测压力，与仪表提供的气动力或电磁力等机械力达到平衡而反映被测压力。
弹性力平衡式：
由弹性元件（弹簧管、膜片、膜盒等）在被测压力作用下发生变形而产生弹性力来平衡被测压力，弹性元件的变形量即可反映被测压力。具体有,
机械弹性式压力计：将弹性元件的变形量通过杠杆、齿轮等传动机构放大显示电测式压力计,用电测方法将弹性元件的变形量转换为电量后测量如：电阻式、电感式、电容式、电磁式、霍尔式、压电式等等。
压阻式超高压计,
利用金属或合金的压阻效应，直接将被测高压 (109Pa)变换成相应的电阻值真空测量仪表,
热导式真空计：基于气体压力降低，导热性能变差电离式真空计：基于稀薄气体被电离时产生的离子数量与气体压力有关
3.2.2 常用压力仪表
1,液柱式压力计根据流体静力平衡原理，将被测压力与一定高度的工作液体（水、
酒精、汞等）柱产生的重力相平衡，此时液柱的高度差即可指示被测压力。常用型式有,
U型管压力计单管压力计倾斜管微压计对于要求精密测量的场合应进行环境温度与重力加速度修正结构简单，显示直观测量范围较窄,耐压能力差,易受毛细作用及视差等因素影响液柱式压力计的测量结果是 表压力,一般用于测量较低的压力或真空度
)( 21 hhρgP e
hρgPe
αlρgP e s in
2.活塞式压力计依据帕斯卡定律，将被测压力 (由被校压力计感受到的 )与砝码、砝码盘及活塞在重力作用下产生的压力平衡当重力与活塞有效面积精确已知时,即可实现对被测压力的准确测量活塞式压力计的仪表精度可达 0.02级,稳定可靠，准确度高、重复性好活塞式压力计的的测量结果是 绝对压力,常被用作压力基准器 (或发生器 )
但应注意,
重力加速度修正 (纬度与海拔高度 )
环境温度修正 (活塞有效面积 )
轴向摩擦阻力消除 (轻转 )
被校压力计砝码主活塞驱动活塞手轮
3.弹性式压力计当结构、材料确定的弹性元件在被测压力作用下产生弹性形变时，
产生的位移量与被测压力值存在确定的对应关系,将该位移量检出并放大，即可显示记录被测压力根据位移量的检出放大方式,有,
机械弹性式压力计（简称弹性式压力计）,
利用扇形齿轮,杠杆等机械机构放大位移量电测弹性变形式压力计 (二次变换型的电测式压力计 ):
由位移传感器将位移量检出并转换为电信号弹性式压力计的核心是弹性元件,对其制造材料要求,
弹性储能值高 (吸收变形功而不产生永久变形的能力强 )
温度稳定性好 (弹性模量、线涨系数等物理参数的温度系数小 )
耐腐蚀,耐疲劳 (与被测流体直接接触 )
常用材料,铜合金、镍基合金、不锈钢 (高弹 ); 铌基合金、石英晶体 (恒弹 )
由弹性材料存在弹性极限与弹性滞后、弹性后效等特性,因此使用时要求,
测量稳定静态压力,1/3 P仪表上限 ≤ P ≤ 2/3 P仪表上限测量脉动压力,1/3 P仪表上限 ≤ P ≤ 1/2 P仪表上限 (零位差 与 回差 )
1) 机械弹性式压力计：
下图为常用的弹性元件示意,
弹簧管 螺旋管 膜片 膜盒 波纹管
(1)弹簧管压力计,
弹性元件是弹簧管 (又称,波登管,),即一根弯成 270度圆弧的 非圆截面 （常用椭圆或扁圆形截面）空心金属管。
特点：测量范围大，结构简单测量准确度较高,输出线性较好既有正压表,又有负压表如果使用螺旋管,则可以得到较大的位移量及牵引力弹簧管压力计是目前应用最为广泛的工业压力计 !
(2) 膜片式 压力计,
弹性元件为 膜片,由金属或高分子材料制成,适于检测微小压力平膜片,
结构简单，承压能力高于其他两种膜片刚度大而变形量较小，而且位移量与被测压力间呈非线性关系波纹膜片,
刚度小于平膜片，因此测压灵敏度较高位移量与被测压力间的线性关系优于平膜片应用较平膜片普遍另外有：
膜盒,可获得更高的灵敏度挠性膜片,仅充当隔离元件，由线性好的弹簧充当弹性元件波纹管,位移量很大，线性好。但耐压能力差，常用于压差测量机械弹性式压力表应用特点,
结构简单、价格低廉、坚实牢固测量范围从微小压力到高压,并可用于测量负压仪表精度等级一般为 1～ 2.5级，精密型压力表可达 0.1级可以直接安装在各种设备上或用于露天作业场合特殊型式的压力表还能在高温、低温、振动、冲击、腐蚀、粘稠、易堵和易爆等恶劣的环境条件下工作响应频率较低，不宜用于测量动态压力测量结果不宜远传,多为现场显示型在工业生产现场应用非常广泛
(2) 电测式压力仪表,
电测式压力计采用非电量电测方法,把被测压力转换成电信号输出，然后经测量电路和显示记录装臵输出测量结果。
它解决了其他类型压力计 (液柱式、机械弹性式等 )输出结果无法远传的弊病,可以用来构建控制系统电测式压力计的压力传感器按照其工作原理可分为两类：
将弹性元件在压力作用下产生的变形转换为电路参数变化，如：
电阻式、电感式、霍尔式,利用传感器测量弹性元件的变形 (位移 )
电容式,将膜片作为电容传感器的动极板,
应变式,将应变片粘贴在弹性元件上,
压阻式,直接用压阻器件 (硅膜 )作弹性元件应用某些物理效应，将被测流体压力直接转换成电信号，如,
压电式,用压电晶体感受被测压力,用于 高频 变化 的脉动压力 测量 (几十赫到几十千赫范围 )
谐振式 (振弦式 ),输出频率信号,准确度,稳定性高,常用于深井或地层压力压阻,压磁,压敏半导体等等不一而足,
电测式压力计大多是将各类传感器应用于压力测量,因此其应用特性往往取决于传感器 (线性度,动态响应,抗干扰能力,温度特性 …,)
3.2.3 真空测量仪表,
“真空,,在给定空间内低于一个大气压力的气体状态。不同的真空度表示该空间具有不同的气体分子密度。
真空测量可以视为气体压力的负压测量，以绝对压力来表示真空时，绝对压力越小，真空 (程 )度越高。
真空技术在材料的生产、科研中的应用广泛,目前应用的真空范围很宽,
粗真空 103～ 105Pa
低真空 10-1～ 103Pa
高真空 10-6～ 10-1Pa (不同资料上分段稍有差别 )
超高真空 10-10～ 10-6Pa
甚高真空 <10-10Pa
测量难度较大，往往测量准确度不高,一般为 ± 10% ～ 20%
单一测量手段无法覆盖整个真空范围,一般采用多种方法分段检测真空测量仪表 按其工作原理分为,
绝对真空计,直接测量给定空间内的压力压缩式真空计间接真空计,测量与系统压力有关的物理量，通过相对比较的方法间接测热导式真空计电离式真空计
1.压缩式真空计,
压缩式真空计又称麦氏真空计，为绝对真空计工作过程,
初始态,汞液面在 M-M以下,导管 8联被测终态,液面上升,获得 h,l
结果获得,
对于毛细管 6,始态 P,V;终态 P1,V1
有,
由波义耳定律 (理想气体等温压缩 ):
结构简单准确度较高 (侧量范围 103～ 10-3Pa,准确度 ± 5%左右 )
不能实现连续测量,一般用于稳态低真空的测量或检定常作为基准仪器用以校准其它真空计工业生产中应用的麦氏真空计为简化结构
1
2
11 4 VV
ldπVhpp
K h lhl
V
dπVhVp
VVhVVVhppVppV
4
/
)/(/)(
2
1
11111
有：
2,热导式真空计,
由传热学原理，在绝对压力较低时，气体的导热系数与其压力成正比,
压力越低，气体的热传导能力越差热导式真空计 就是 设法获知被测气体的导热能力 而 间接测量其真空度 的如图,
热平衡时，输入能量与热能损失平衡,
在 10-1Pa～ 104Pa之间 T-p关系显著测量 T的方法常用,
电阻法,发热丝电阻随其温度变化 电阻真空计热电偶法,用热电偶直接测量热丝温度 热偶式真空计热导式真空计应用特性,
构造简单,可实现连续自动测量记录当真空系统发生突然漏气事故时不会损坏仪器对于不同的气体，仪表的分度不同 ;量程范围较小有较大的热掼性，且受环境温度影响工作电流 I
气体导热 Qc
辐射传热 QR
导线传热 QL
发热丝
)(
);( 0
2
pfT
pQQTTpαQ
QQQRI
RLC
RLC
无关与，
p
2,电离 式真空计,
高速粒子碰撞气体分子使之电离,在低 气 压稀薄气体 环境中 (<10-1Pa),离子数与气体的分子密度成正比,温度一定时,气体分子密度与压力成正比电离 式真空计 通过检测离子流 (正比于正离子数 )而获知被测气体压力根据气体电离方法不同，电离真空计可分为：
热阴极电离真空计,用热阴极发射电子使气体分子电离冷阴极电离真空计,用场致发射、光致发射或次级发射电子使气体分子电离放射性电离真空计,用放射性同位素辐射的高能粒子使气体分子电离在高真空 范围 (10-1Pa～ 10-6Pa)，电离真空规是最 常 用的 真空计中心阴极 F的电位为零栅极 G的电位 Vg为正收集极 C的电位 Vc为负。
F上发射的电子在 Vg的作用下飞向 G，越过 G趋向 C
在 G-C之间电子逐渐减速，并返转飞向 G，越过 G趋向 F
又在 G-F之间逐渐减速，并再一次返转飞向 G
就在这样的往返运动中，电子不断地碰撞气体分子在 G-C空间产生的正离子被收集极 C接收形成离子流 圆桶型热阴极电离规一种较常用的 DL-2型电离规管阴极 F
栅极 G
收集极 C
电子轨迹电离真空计的应用特点,
可以测量极低的气体绝对压力 （ 一般可达到 l0-6Pa）
仪表的灵敏度高,线性度好,结构简单但,
测量灵敏度与气体种类有关老型号的仪表在真空系统意外泄漏 (或 >1.34Pa)时,会烧毁阴极放射性电离真空计没有阴极故无烧毁之虞但,
灵敏度较低,适合于绝对压力较高的低真空测量由于它内部存在放射性物质,在使用中必须考虑必要的防护措施
3.2.4 压力测量仪表 的 选用 与安装,
1.选用的一般步骤,
仪表类型的选用,
生产过程要求,信号远传输方式 (现场,远传 ),自动记录,报警被测介质的状况,物化性质及状态 （ 气,液 ）,有无腐蚀性,湿度高低,粘度大小,易燃易爆性,脏污程度,脉动情况例,铜制弹性元件不可测氨气 ;测氧气的压力表严格禁油现场环境条件,震动,高温,电磁场,湿度以及是否需防爆等测量范围的确定,平稳缓变压力,脉动压力有不同的 量程选择原则仪表准确度等级的选取,追求合理的技术经济指标
2.安装注意事项,
取压口 (取压点 )的设臵,
尽量设在直管段,原则上保证与流体流动方向垂直 (动压,
在阻流元件 (阀门,突出物体 )附近测压时,尽量设在其前方 2D前 涡流 )
测量气体时设在管道上部 (灰尘,凝液 );测量液体时设在管道中下部 (气 )
导压管的设臵,
长度尽量短,直径 6～ 10mm
必要时设倾斜角度或吹洗口,集气器,气水分离器对腐蚀性流体应加装隔离罐或加隔离液
3.3 流体流量测量
3.3.1 流体流量和测量单位在工业生产与日常生活中,流体的流量测量非常重要,
能源,资源消耗的核算计量生产过程控制 (化工行业燃烧的空燃比等 )
....
1,流量表示方法,
瞬时流量 (简称流量 ):单位时间内通过管路 （ 或明渠 ） 有效截面的流体量依流体量表示方法不同有,
体积流量 qv,m3/S,m3/h
质量流量 qm,Kg/S,Kg/h
有,qm=?qv
因 为流体密度?与流体温度,压力有关,故有,标准状态体积流量,
累积流量 (总量流量 ),瞬时流量在一段时间内的累积值,
dtqMdtqV t mt V,质量总量流量体积总量流量：
2,流量测量的特点：
由于,
流体性质多样性,
单相流与多相流；粘度差异；可压缩性 ;温度,压力的变化；相变等等管路系统多样性,
管道截面的大小与形状；管道内壁的光滑程度；管路的弯曲程度等等流动状态多样性,
层流或紊流；旋转流或脉动流等等 。
流量测量的特点是：
准确度较低流量计的通用性较差全球范围内标准 (单位量值的传递与仪器检定 )不统一,不健全
3.3.2 流体流量的测量方法和流量仪表分类目前广泛使用的流量计超过百种,其工作原理,结构特性多种多样,严谨分类相当困难,各家观点不尽相同,
常见流量测量方法如下,
容积法：
令被测流体逐次流入已知体积大小的测量空间后逐次排出,记录在一段时间内的排出次数即可求出该时间段内的总流量,记录排放频率,即可得到瞬时流量 。 例如,腰轮流量计 ;椭圆齿轮流量计流速法：
单相连续流体流过某截面 S的体积流量与其平均流速成正比,
因此,在截面 S确定时,直接或间接测量流体的流速即可测出流体流量依此法构成的流量计有：
流速式,电磁流量计 ;超声流量计 ;涡轮流量计 ;热线风速计 ;皮托管式流量计 等差压式,标准节流装臵 (孔板,喷嘴,文丘里管 )
流体阻力式,转子流量计 ;冲击式流量计 ;靶式流量计等流体振动式等,涡街式旋涡流量计 ;旋进式旋涡流量计另外,对于质量流量 qm与 M,有,
质量流量检测法,直接式质量流量计 ;推导式 (补偿式 )质量流量计以上内容部分讲解 其他参见 P147～ 159
VSqv?
3.3.3 常用流量计
1,椭园齿轮流量计,
典型的容积式流量计,经常用于测量流体的总量流量如图,二个互相啮合的椭圆齿轮,在入,出口流体压差 p1-p2作用下,相互反向转动,图 a中轮 I右侧的半月型体积中的流体,经转动成图 b,至图 c时被排出流量计,接下来图 c中轮 Ⅰ 左侧的半月型体积中的流体亦会随齿轮转动而被排出,如此反复,齿轮每转动一周将排出 4个半月型体积中的流体,
若半月型体积为 Vo,一段时间内记录到齿轮转数为 N,那么此段时间内流体流量的总量 QN为：
00 44 nVqnNVQ VN 为转速，则若椭园齿轮流量计的应用特点,
测量准确度高 （ 一般为 0.2～ 0.5级 ）
适合高粘度液体测量 （ 如油,酸,碱等 ）
对管路的布臵要求不高 (如,直管段长度要求等 )
但,
结构复杂,要求加工精度高,成本高运动部件有磨损,且仪表惯性大故动态响应差,测量上限较低泄露误差几乎不可避免,不适用于低黏度 (如气体 )小流量流体测量由结构限制,大口径产品制造困难 (最大 250mm)
针对上述缺陷,有,
腰轮式流量计 (下图示意 )与专门用于气体流量测量的湿式气体流量计
2.电磁流量计典型的流速式流量计在被测流体为导电介质,并以流速 V流过处于均匀磁场中的绝缘管时,由电磁感应原理,导电流体将切割磁力线产生感应电势 (方向依右手定则 ),可通过两个电极引出,如图有,
当 B与 D确定时,有,
由于直流电势下被测流体会产生电解现象而造成测量误差,同时永久磁铁过于笨重,因此实际应用的 电磁流量计均采用交变磁场,
消除交变磁场在电极 -引线 -仪表回路中感生的正交干扰造成测量电路复杂
,成本提高是目前 电磁流量计应用尚不广泛的主要原因,
为避免管路屏蔽磁力线并降低涡流损耗,管路由非导磁高阻材料制造如,
树脂,橡胶或内衬绝缘层的不锈钢等为绝缘管直径为场强,DBB D Ve V?
为仪表常数KKqe VV?
电磁流量计的应用特点,
能测量如矿浆,泥浆,污水等固液两相导电流体,也可测量酸,碱,盐溶液
（ 导电率大于 20～ 50μΩ/cm 即可 ）
对被测流体造成的压力损失极小使用寿命长,无机械惯性,动态响应好,可测脉动流量准确度较高,可达 1-1.5级测量范围宽,量程比达 10,1(上限,下限 )
输出信号与 qv 呈线性关系,且不受温度,压力,密度变化影响但,
不可测气体,蒸汽,石油制品等非导电流体由于信号处理电路复杂,目前价格较为昂贵
3,皮托 (Pitor)管式流量计,
一种常用的流速式流量计,(直接测流速 )
由,
可知,
用液柱式压力计直接检测 即可获知流速 V,
应用特性,
对流体的阻力小,适用于大口径管路中的气体流速 (或流量 )
测量结果为截面上的,点速,(某点处的局部流速 ),可用中心线处的最大流速获得 V平均固体杂质会堵塞测压孔,不适用于气 -固两相流体,
：流体密度流速静总 ρVVρPP,2 2
hρ PPV Δ2)(2 静总静总 PPhΔ V
DπVSq
V 4
2
总P 静P
测压孔
4,涡街式旋涡流量计,
是流速法中的一种流体振动式流量计,它利用流体在流经阻挡元件后发生振荡的物理现象来检测流体流速,根据振荡现象不同,有涡街式旋涡流量计和旋进式旋涡流量计两类涡街式旋涡流量计 工作原理,
如图 (a)所示,流体紊流状态 (雷诺数 Re大于临界值 )下流动时,在阻挡元件下游交替产生两排旋涡列,称,卡门涡街,
卡门发现,在其他条件不变时,单侧旋涡产生频率与流体流速成正比,
圆柱形 0.206
St是仅与 Re有关的常数 (Re=3× 102～ 2× 105范围内,三角柱 0.16 )
因此有,
测量频率 f的方法,
热法检测 (如图 b)
力学法检测 (a) (b) (c)
：阻挡元件直径斯特劳哈尔数,dSdVSf tdt,?
fS dAASfdAVq
t
d
d
t
ddv
涡街式旋涡流量计 应用特性,
准确度 1～ 2.5级输出频率信号,抗干扰能力强无运动部件,不易泄漏,动态响应好对流体阻力小 (压头损失小 ),使用于大管径,大流量气体或液体检测不受被测流体的温度,压力,密度变化影响,量程比宽 （ 30,1）
但,
流体流速,管路直径,流体黏度之间有 Re数限制,层流状态无法工作管内速度分布对测量影响较大,故安装上有前后直管段 (前 15D,后 5D)
是目前发展较快的流量测试手段
5.差压式（又称节流式）流量计,
在管道中设臵节流装臵,使流体流动时流束被迫收缩,随后迅速扩张,
在节流装臵处发生动能 -静压转换,装臵前后出现压差,该压差和流量间有一定关系式,
其中 α是个系统参数,与 下列诸多因素有关,
节流装臵 的结构 类型节流孔径比取压差方式流体 雷诺数 Re
因节流装臵前后流体运动状态复杂,又与装臵型式,流体性质,管道状况,测量压差的办法不同等因素有关,因此至今尚无经过严格理论推导得出的精确公式 。
目前,孔板,喷嘴,文丘利管三种节流装臵已经在全球范围内标准化,称,
标准节流装臵,,ISO 5167-1,GB T2624-93对装臵的结构尺寸,取压方式以及计算方法 (α值 )等都有详细标准,按标实施不需标定 !
：膨胀校正系数流量系数 εα
SmρPdπεαq V
:
)/(/Δ2
4
3
2
三种标准节流装臵的应用特性,
孔板喷嘴文丘利管三种标准节流装臵在,
结构型式与关键尺寸制作材料、加工公差检测差压装臵加工和安装规定适用的管道直径和流体流动状态都必须遵循标准,三者比较,
流体压力损失,孔板最大,喷嘴次之,文丘利管最小加工制造与安装要求,孔板最简单,喷嘴次之,文丘利管最复杂测量精度 (相同条件 ),孔板最差抗腐蚀、磨损、粘污,孔板最差另外,由工作原理决定,
节流式流量计的使用存在,临界雷诺数,,如果实际 Re低于临界值,不宜采用
6.转子流量计,
典型的阻力式流量计,也可以归类为差压式流量计 (恒压变截面式 )
工作原理,
把转子视为节流元件，在流体自下而上作用下,它在锥形管内使其浮停处的通流截面减小成环形阻流截面，在转子上、下侧产生压差 Δ P。使转子受向上浮力 F1,当转子自重的重力 F3相与之平衡时，转子就浮停在 H处。
参照差压式流量计的推导过程,在结构与转子材料确定时有,
应用特点,
准确度较高,1～ 2.5级量程范围,10:1(差压式仅为 3:1)
液体,0.001 ～ 100m3/h
但,气体,0.016 ～ 3000m3/h
工作压力低 (玻管 <2MPa,金属管 <8MPa)
工作温度低 (玻管 <120℃,金属管 < 150℃)
极限口径小 (<200mm)
必须垂直安装 密度空气,水 以外的气体、液体必须进行修正,温度压力
),( fv ρhfq?
7.质量流量计,
如前所述,质量流量计直接测量单位时间流过的流体质量,与被测流体的压力、
温度等状态参数,黏度、密度等物理性质以及流动状态都无关系,从根本上提高了测量准确度,
目前应用的质量流量计有两大类,
量热式直接式质量流量计,惯性式（如：双涡轮式）
动量式差压 -密度法 (差压法测?V2，乘?再开方 )
间接式质量流量计 (推导式 ),速度 -密度法 (流速法测 V,乘?)
差压 -流速法 (差压法测?V2，流速法测 V,相除 )
参见 P157～ 159
VSρqρq Vm
以下为附录
图表、附件
S型标准热电偶字母标志,S (旧标识,LB-3)
俗称,单铂铑热电偶热极材料,10%铑,其余铂 (正热极 )
100%铂 (负热极 )
测温范围,0～ 1300℃ (长期使用 )
1600℃ (短期使用 )
特点,
物理化学性能稳定热电性能稳定,准确度最高 (ITS-90中温标传递的基准器之一 )
抗氧化性能强价格昂贵,常用极细的偶丝,故机械强度低热电势和热电势率相对较小，测温灵敏度低。
应用范围,
宜在氧化性、惰性气氛中连续使用在还原性气氛 (H2)或含金属蒸气的条件下使用时必须加保护套管
B型标准热电偶字母标志,B (旧标识,LL-2)
俗称,双铂铑热电偶热极材料,29.6%± 0.2%铑,其余铂 (正热极 )
6.12%± 0.2%铑,其余铂 (负热极 )
测温范围,600～ 1600℃ (长期使用 )
1800℃ (短期使用 )
特点,
物理化学性能稳定热电性能稳定抗氧化、抗沾污性能强价格更昂贵,但机械强度高于 S型热电势和热电势率甚小，要求后续测量电路灵敏度较高。
室温条件下可省略冷端补偿措施应用范围,
宜在氧化性、惰性气氛中连续使用,真空条件下可以短期使用在还原性气氛 (H2)或含金属蒸气的条件下使用时必须加保护套管
K型标准热电偶字母标志,K (旧标识,EU-2)
俗称,镍铬 -镍硅热电偶热极材料,镍铬合金 (正热极 )
镍硅合金 (负热极 )
测温范围,-270～ 1100℃ (长期使用 )
1300℃ (短期使用 )
特点,
测温范围宽线性度好热电势和热电势率高,测稳灵敏度高物化稳定性与抗氧化性能在廉价金属热电偶中最好价格相对低廉,制备工艺性好使用时必须采取冷端补偿措施应用范围,
应用最为广泛常于 500～ 1100℃ 氧化性、惰性气氛中连续使用热电偶断路检查电路冷端经验修正法
0
)(
)(
0
)(
)(
)(
0
)(
0
0
0
Δ
Δ
Δ
KTTT
dT
dE
dT
dE
K
T
dT
dE
dT
dE
T
dT
dE
T
dT
dE
T
TTT
T
T
T
T
TT
指指有：
令：
指指指
DL-2型电离规管参数,
VG = 225 V
VC = 0 V
VF = 25 V
量程一般为,
1× 10-1 ~ 1× 10-5 Pa
离子流与气压 P之间具有线性关系 。
关于雷诺数 Re:
是流体力学中的流体流动状态判据之一,为无量纲数在一定条件下,由 Re数值可判断,
层流紊流管径：流体运动黏度流体流速,,dνVν dVR e
