3.1　温度检测的基本知识

温度反映物体的冷热程度，是物体分子运动平均动能大小的标志。温度不能直接加以测量，温度的定量测量以热平衡现象为基础，两个受热程度不同的物体相接触后，经过一段时间的热交换，达到共同的平衡态后具有相同的温度。温度测量原理就是选择合适的物体作为温度敏感元件，其某一物理性质随温度而变化的特性为已知，通过温度敏感元件与被测对象的热交换，测量相关的物理量，即可确定被测对象的温度。也可利用热辐射原理和光学原理等来进行非接触测量。

温度测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。采用接触式测温时，温度敏感元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换，二者需要良好的热接触，以获得较高的测量精度。但是它往往会破坏被测对象的热平衡，存在置入误差。由于测量环境特点，对温度敏感元件的结构和性能要求较高。采用非接触式测温方法，温度敏感元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，或者是温度敏感元件接收被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出被测对象的温度。用这种方法测温响应快，对被测对象干扰小，可测量高温、运动的被测对象，可用于有强电磁干扰、强腐蚀的场合。

3.1.1　温标

为了保证温度量值的统一和准确，应该建立一个用来衡量温度的标准尺度，简称温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。目前国际上采用较多的温标有摄氏温标、国际温标，国家法定测量单位也采用这两种温标，同时，在一些国家采用华氏温标、热力学温标。

1.摄氏温标

摄氏温标是瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯（Anders Celsius，1701—1744）提出的。他将标准大气压下水的冰点定为零度，水的沸点定为100度。在0～100之间分100等份，每一等份为1摄氏度（℃），用符号t表示。

2.华氏温标

华氏温标规定，在标准大气压下纯水的冰点为32度，沸点为212度，中间划分180等份，每一等份为华氏度（℉）。摄氏温度值与华氏温度值的关系为

式中，C和F分别代表摄氏温度值和华氏温度值。

3.热力学温标

热力学温标又称开氏温标。它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，或称最低理论温度，它是以1948年威廉·汤姆逊首先提出的热力学第二定律（开尔文所总结）为基础的，与测温物体的任何物理性质无关的一种温标。

根据热力学的卡诺定理，如果在温度为T1的热源与温度为T2的冷源之间实现了卡诺循环，则有下列关系式：

它表示工质在温度T1时吸收热量Q1，而在温度T2时向低温热源放出Q2，如果指定一个定点T2的数值，就可以由热量的比例求得未知量T1。1954年国际权度会议选定了水的三相点为参考点，定义该点的温度为273.16K，相应的换热量为Q参，式（3-2）可改成：

由此，T1可由热量的比值Q/Q参求得。上述表达式与工质本身的种类和性质无关，所以用这个方法建立起来的热力学温标避免了分度的“任意性”。但理想的卡诺循环实际上是不存在的，故热力学温标是一种纯理论性温标，不能付诸实用。可借助于理想气体温度计来实现热力学温标。而气体温度计结构复杂、使用不便，因而必须建立一种能够用计算公式表示的既紧密接近热力学温标，使用上又简便的温标，这就是国际温标。

4.国际温标

根据卡诺循环原理建立的热力学温标是一种理想的、科学的温标，但在实际上难以实现。世界上实际通用的温标是国际温标，由其来统一各国之间的温度计量，这是一种协议温标。

国际温标以下列三个条件为基础：

（1）要求尽可能接近热力学温标；

（2）要求复现准确度高，世界各国均能以很高的准确度加以复现，以确保温度值的统一；

（3）用于复现温标的标准温度计使用方便、性能稳定。

第一个国际温标自1927年开始采用，随着科学技术的发展，对国际温标在不断地进行改进和修订，使之更符合热力学温标，有更好的复现性和能够更方便地使用。

目前推行的是1990年国际温标ITS-90。国际温标中规定，热力学温度用符号T表示，单位为开尔文，符号为K。开尔文的大小定义为水三相点热力学温度的1/273.16。用国际开尔文温度表示的ITS-90温度符号为T90，单位为开尔文，符号为K，同时使用的国际摄氏温度的符号为t90，单位为摄氏度，符号为℃，每一个摄氏度和每一个开尔文的量值相同，T90和t90之间的关系为t90=T90-273.15

ITS-90国际温标由三部分组成，它们是定义固定点、内插标准仪器和内插公式。

（1）定义固定点。固定点是指某些纯物质各相（态）间可以复现的平衡态温度的给定值。物质一般有三相（态）：固相、液相和气相。三相共存时，称为三相点；固相和液相共存时，称为熔点或凝固点；液相和气相共存时，称为沸点。

ITS-90国际温标规定了17个定义固定点，如氧的三相点为54.3584K；水的三相点为273.16K；金的凝固点为1337.33K。

（2）内插标准仪器。ITS-90国际温标分为四个温区，各个温区中使用的内插仪器分别如下：

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。

第四温区为银凝固点（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。

（3）内插公式。每种内插标准仪器在n个固定点温度下分度，以此求得相应温度区内插公式中的常数。

3.1.2　温度测量仪表的分类

温度测量范围很广，种类很多。按工作原理分，有膨胀式、热电阻、热电偶以及辐射式等；按测量方式分，有接触式和非接触式两类。

各种测温仪表的测温原理及基本特性见表3-1。

续表