温度测量仪表发展历史

最早的温度测量仪表，是意大利人伽利略于1592年创造的。它是一个带细长颈的大玻璃泡，倒置在一个盛有葡萄酒的容器中，从其中抽出一部分空气，酒面就上升到细颈内。当外界温度改变时，细颈内的酒面因玻璃泡内的空气热胀冷缩而随之升降，因而酒面的高低就可以表示温度的高低，实际上这是一个没有刻度的指示器。

1709年，德国的华伦海特于荷兰首次创立温标，随后他又经过多年的分度研究，到1714年制成了以水的冰点为32度、沸点为212度、中间分为180度的水银温度计，即至今仍沿用的华氏温 度计。

1742年，瑞典的摄尔西乌斯制成另一种水银温度计，它以水的冰点为0度、沸点作为 100度。到1745年，瑞典的林奈将这两个固定点颠倒过来，这种温度计就是至今仍沿用的摄氏温度计。

早在1735年，就有人尝试利用金属棒受热膨胀的原理，制造温度计，到18世纪末，出现了双金属温度计；1802年，查理斯定律确立之后，气体温度计也随之得到改进和发展，其精确度和测温范围都超过了水银温度计。

1821年，德国的塞贝克发现热电效应；同年，英国的戴维发现金属电阻随温度变化的规律，这以后就出现了热电偶温度计和热电阻温度计。1876年，德国的西门子制造出第一支铂电阻温度计。

很早以前，人们在烧窑和冶锻时，通常是凭借火焰和被加热物体的颜色来判断温度的高低。据记载，1780年韦奇伍德根据瓷珠在高温下颜色的变化，来识别烧制陶瓷的温度，后来又有人根据陶土制的熔锥在高温下弯曲变形的程度，来识别温度。

辐射温度计和光学高温计是20世纪初，维思定律和普朗克定律出现以后，才真正得到实用。从60年代开始，由于红外技术和电子技术的发展，出现了利用各种新型光敏或热敏检测元件的辐射温度计(包括红外辐射温度计)，从而扩大了它的应用领域。

温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。

华氏温标（oF）规定：在标准大气压下，冰的熔点为32度，水的沸点为212度，中间划分180等分，每第分为报氏1度，符号为oF。

摄氏温度（℃）规定：在标准大气压下，冰的熔点为0度，水的沸点为100度，中间划分100等分，每第分为报氏1度，符号为℃。

热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，记符号为K。

国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。目前国际通用的温标是国际温标ITS-90。

各种温度计产生的同时就规定了各自的分度方法，也就出现了各种温标，如原始的摄氏温标、华氏温标、气体温度计温标和铂电阻温标等 。为了统一温度的量值，以达到国际通用的目

的，国际权度局最早规定以玻璃水银温度计为基准仪表，统一用摄氏温标。后经数次改革，到1927年改用以热力学温度为基础、以纯物质的相变点为定义固定点的国际温标 ，以后又经多次修改完善。

国际现代通用的温标是1967年第13次国际权度大会通过的 ，1968年国际实用温标。它以13个纯物质的相变点，如氢三相点，即氢的固、液、气三态共存点(-259．34℃)；水三相点(0.01℃)和金凝固点(1064.43℃)等，作为定义固定点来复现热力学温度的。

中间插值在-259.34～630.74℃之间 ，用基准铂电阻；在630.74～1064.43℃之间，用基准铂铑-铂热电偶；在1064.43℃以上用普朗克公式复现。

热力学温度（符号为T）是基本功手物理量，它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。由于以前的温标定义中，使用了与273.15K（冰点）的差值来表示温度，因此现在仍保留这各方法。

根据定义，摄氏度的大小等于开尔文，温差亦可以用摄氏度或开尔文来表示。

国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90）。

国际温标ITS-90的通则：ITS-90由0.65K向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。ITS-90是这样制订的，即在全量程中，任何温度的T90值非常接近于温标采纳时T的最佳估计值，与直接测量热力学温度相比，T90的测量要方便得多，而且更为精密，并具有很高的复现性。

ITS-90的定义：第一温区为0.65K到5.00K之间, T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。第二温区为3.0K到氖三相点（24.5661K）之间T90是用氦气体温度计来定义.。第三温区为平衡氢三相点（13.8033K）到银的凝固点（961.78℃）之间,T90是由铂电阻温度计来定义.它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度.。

银凝固点（961.78℃）以上的温区,T90是按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温计.

一般的温度测量仪表都有检测和显示两个部分。在简单的温度测量仪表中，这两部分是连成一体的，如水银温度计；在较复杂的仪表中则分成两个独立的部分，中间 用导线联接，如热电偶或热电阻是检测部分，而与之相配的指示和记录仪表是显示部分。

按测量方式，温度测量仪表可分为接触式和非接触式两大类。接触式温度测量仪表测量时，其检测部分直接与被测介质相接触的为接触式温度测量仪表；非接触温度测量仪表在测量时，温度测量仪表的检测部分不必与被测介质直接接触，因此可测运动物体的温度。例如常用的光学高温计、辐射温度计和比色温度计，都是利用物体发射的热辐射能随温度变化的原理制成的辐射式温度计。

热电阻温度计的原理是利用导体或半导体的电阻随温度变化这一特性。热电阻温度计的主要优点有：测量精度高，复现性好；有较大的测量范围，尤其是在低温方面；易于使用在自动测量中，也便于远距离测量。同样，热电阻也有缺陷，在高温（大于850℃）测量中准确性不好；易于氧化和不耐腐蚀。

热电阻与温度的关系，可以用一个二次方程描述：电阻率（Ω·㎝），温度（℃ ），常量a、b、c（由试验确定，单位分别为Ω·㎝，Ω·㎝·℃－1，Ω·㎝·℃－2 ）。

目前，用于热电阻的材料主要有铂、铜、镍等，采用这些材料主要是它们在常用温度段的温度与电阻的比值是线性关系，我们这里主要介绍铂电阻温度计。

铂是一种贵金属，它的物理化学性能很稳定，尤其是耐氧化能力很强，它易于提纯，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝，与铜，镍等金属相比，有较高的电阻率，复现性高，是一种比较理想的热电阻材料，缺点是电阻温度系数较小，在还原介质中工作易变脆，价格也较贵。铂的纯度通常用百度电阻比来表示： W(100)=R100/R0

其中：R100 ：100℃时的电阻值 R0 ：0℃时的电阻值

根据IEC标准，采用W(100)=1.3850 初始电阻值为R0=100Ω（R0=10Ω）的铂电阻为工业用标准铂电阻，R0=10Ω的铂电阻温度计的阻丝较粗，主要应用于测量600℃以上的温度。铂电阻的电阻与温度方程为一分段方程：Rt=R0[1+At+Bt2＋C(t－100℃)t3] t 在－200～0℃ ，Rt=R0(1+At+Bt2) t 在0～850℃ ，解此方程，则可根据电阻值知道温度值，但实际工作中，我们可以查热电阻分度表来根据电阻值确定温度值。

根据标准规定，铂热电阻分为A级和B级，A级测温允许误差±（0.15℃＋0.002|t|）, B级测温允许误差±（0.3℃＋0.005|t|）

现场使用的热电阻一般都是铠装热电阻，它是由热电阻体、绝缘材料、保护管组成，热电阻体和保护管焊接一起，中间填充绝缘材料，这样能够很好的保护热电阻体，耐冲击，耐震，耐腐蚀。

铂热电阻有两线制，三线制，四线制几种，两线制在测量中误差较大，已不使用，现在工业用一般是三线制的，实验室用一般为四线制。这里主要介绍下三线制铂热电阻的接线。三线制铂热电阻是在电阻的a端并联一个c端，从而实现电阻引出a，b，c三个接线端子，这样，由b导线引入的测量导线本身的电阻，可以由c导线来补偿，使引线电阻不随温度变化而引入的引线电阻误差的影响减小很多。在秦山二期使用的三线制铂热电阻，在二次仪表中，均有可变阻值的电桥，根据所配合的铂热电阻的量程不同，可以对二次仪表的电桥中的铂热电阻进行微调，能进行更精确的测量。

热电偶温度计是利用热电效应来测量温度的，热电效应：两种不同材料的导体组成一个回路时，如果两端结点温度不同，则回路中就将产生一定大小的电流，这个电流的大小与导体材料以及结点温度有关。两个结点一个为T端，测量端，一个为T0端，参比端。在实际测量中，热电偶产生的毫伏信号要用较精密的毫伏表或I/O卡件测量。

根据IEC标准，目前使用的热电偶主要有铂铑10－铂 ，镍铬－镍硅，镍铬－铜镍，铂铑30－铂铑6，等几种热电偶，他们都具有热电性能稳定，物理化学性能稳定，不易被氧化和腐蚀，电阻温度系数小，电导率高，材料的热电动势随温度为线性变化，材料工艺性好，易加工等特点。目前秦山二期使用的是铂铑10－铂，镍铬－镍硅两种热电偶，现在热电偶均为铠装热电偶，结构与铠装热电阻雷同，也是由热电偶体，绝缘材料，保护管构成。

热电偶在应用中，主要有两个基本定律：中间导体定律和中间温度定律。

中间导体定律：将A,B材料构成的热电偶的T0端拆开，引入第三种导体C，那么回路种的总电动势为EABC(T,T0)=EAB(T)－EAB(T0),即第三种导体两端温度相同时，不对原先的热电偶的电动势造成影响。

中间温度定律：在热电偶回路种，两结点温度为T,T0时的热电动势，等于该热电偶在结点温度为T,Ta和Ta,T0时热电动势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T, Ta)－EAB(Ta,T0) 。

利用热电偶的中间导体定律和中间温度定律，我们可以将热电偶T0端拆开，接入测量用毫伏表，并可在远处测量。为了将热电偶的参比端引到恒定温度T0处或者补偿器中，需要延长热电偶，为了节约贵重金属或临时延长，我们常用补偿导线进行延长。补偿导线就是用热电性质与工作热电偶相近的材料制成导线，用它将热电偶的参比端延长到所需要的地方，而且不会对工作热电偶回路引入超出允许的误差。

热电偶的参比端处理：热电偶输出的电动势是热电偶两结点温度的函数差，为了保持温度与电动势的线性，必须使一个结点温度保持恒定，标准分度表就是根据参比端为0℃时电动势与温度的对应值，在实际应用中，参比端不会保持0℃，所以我们采用一些方法来补偿，我们会尽量将参比端保持在一个恒定温度Ta，查标准分度表后再经过计算可以得到温度值, E (T,T0)=E (T, Ta)+E(Ta,T0)，现在二次仪表有可以对参比端温度进行自动补偿的，有电位自动补偿法和电桥自动补偿法。

膨胀式温度计是利用物体受热膨胀这一原理进行测量的。最常见的就是酒精温度计，水银温度计，这种液体膨胀式的温度计的测量上下限受液体汽化和凝固温度的限制，最小分度可以到0.1℃。还有利用固体膨胀来测量温度的温度计，常见的是双金属温度计，由两种膨胀系数不同的金属作成螺旋型，一端固定，在受热膨胀时，由于膨胀系数的不同，自由端会有一定的角位移，这个角位移经过传动放大机构，带动指针把相应温度指示出来。还有一种时利用密封容器中液体受热膨胀或汽化引起的压力变化来测量相应温度。

任何物体受热后都将有一部分热能转变为辐射能，物体的温度越高，则辐射到周围空间的能量就越多，辐射能以波动形式表现出来，其波长范围极广，由短波开始，有X光，紫外线，可见光，红外线一直到电磁波。一般工程测温用主要时可见光和红外线。辐射测温属于非接触式测温，能应用到许多不好测温的场合，但辐射测温一般应用在900℃以上的高温，不过科技在发展，目前应用红外测温原理的温度计已能测量低温如人体温度。