溫度的測量與控制講座蔡躍鵬-PPT課件

1、溫度的測量與控制,蔡躍鵬,華南師范大學物理化學研究所,2011年10月8日,溫度是表征體系中物質(zhì)內(nèi)部大量分子、原子平均動能的一個宏觀物理量。物體內(nèi)部分子、原子平均動能的增加或減少，表現(xiàn)為物體溫度的升高或降低。物質(zhì)的物理化學特性，都與溫度有密切的關(guān)系，溫度是確定物體狀態(tài)的一個基本參量，因此準確測量和控制溫度，在科學實驗中十分重要,2,1. 溫度測量的基本依據(jù) 2. 溫標 3. 溫度計 4. 溫度控制,主要內(nèi)容,3,1.溫度測量的基本依據(jù),測溫的基本依據(jù)：熱力學第零定律，它是個經(jīng)驗定律,熱力學第零定律使溫度的概念建立在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上,1）可以判斷兩個體系是否已經(jīng)達到熱平衡,2）體系內(nèi)部的溫度均勻分布

2、、具有確定的溫度值,3）一個體系的溫度可以用與之達到熱平衡的體系的溫度來表達,4,2.溫標,定義：溫度的標準量。確立一種溫標，需要確定以下 三點： 測量物質(zhì)的選擇:測溫物質(zhì)的某種物理性質(zhì)如:體積、電阻、溫差電勢以及輻射電磁波的波長等與溫度有依賴關(guān)系而又有良好的重現(xiàn)性。 固定點得選擇：物質(zhì)的物理特性，只能顯示。通常是以某些高純物質(zhì)的相變溫度，作為溫標的基準點。 溫度值得劃分：確定基準點之間的分隔，如:攝氏溫標是以1atm下水的冰點（0度）和沸點（100度）為兩個定點，分為100等份，每一份為1度。用外推法或內(nèi)插法求得其它溫度,5,常見溫標之一攝氏溫標,使用較早，應(yīng)用方便； 用t表示，單位； 測量

3、物質(zhì)：水 固定點的選擇：在標準壓力下，水的凝固點（0 ）和沸點（100） 溫度值的劃分：在以上兩點之間一百等分,6,常見溫標之二熱力學溫標,1848年，由開爾文提出，建立在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上，與測溫物質(zhì)無關(guān)，是一種理想溫標； 用T表示，單位K； 測溫物質(zhì)：水； 固定點：使用單一固定點水的三相點（273.16K） 溫度值的劃分：1K是水的三相點熱力學溫度的 1/273.16。 T - t 之間的對應(yīng)關(guān)系：T /K= t/+273.15,7,常見溫標之三華氏溫標,1712年，德國物理學家華倫凱特提出； 用tF表示，單位 F； 測溫物質(zhì)：水； 固定點：標準大氣壓下，水的冰點為32F，水的沸點為212F；

4、 溫度值的劃分：在以上兩點間180等分； tF - t 之間的對應(yīng)關(guān)系： tF/F= （9/5)t/+32,8,3. 溫度計,1）原理：對溫度計來講，選擇作為測量的物質(zhì)必須是（1）它的某一物理量容易而能準確地測量；（2）測量值與溫度成單調(diào)變化關(guān)系（一般為線性關(guān)系）；（3）這種變化的數(shù)量關(guān)系能重復(fù)得到，這樣就可以用這些物質(zhì)的物理量相對應(yīng)地表示溫度值。根據(jù)這些特性設(shè)計并制作成各類溫度計。如體積，長度，壓力，電阻，溫差電勢，頻率和輻射波長等,9,2) 溫度計的分類,按測量方式分類：接觸式和非接觸式 按用途分類：溫度測量和溫差測量,10,國際溫標規(guī)定從低溫到高溫劃分為四個溫區(qū)，分別選用一個高度穩(wěn)定的標

5、準溫度計來度量各固定點之間的溫度值。這四個溫區(qū)及相應(yīng)的標準溫度計如下： 溫度范圍 標準溫度計 13.81273.15K 鉑電阻溫度計 273.1903.89K 鉑電阻溫度計 903.89K1337.58K 鉑銠（10%）-鉑熱電偶 1337.58K以上 光學高溫計,a) 玻璃-水銀溫度計,11,水銀溫度計是實驗室常用的溫度計。它的結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，具有較高的精確度，直接讀數(shù)，使用方便;但是易損壞，損壞后無法修理。水銀溫度計適用范圍為235.15K到633.15K（水銀的熔點為234.45K，沸點為629.85K），如果用石英玻璃作管壁，充入氮氣或氬氣，最高使用溫度可達到1073.15K。常用

6、的水銀溫度計刻度間隔有:2K、1K、0.5K、0.2K、0.1K等，與溫度計的量程范圍有關(guān)，可根據(jù)測定精度選用,1.普通水銀溫度計：一般使用-5度105度、150度、250度、360度等等，每分度1度或0.5度。 2.精密溫度計：供量熱學使用有9度15度、12度18度、15度21度、18度24度、20度30度等，每分度0.01度。 3.測溫差的貝克曼(Beckmann)溫度計，是一種移液式的內(nèi)標溫度計，測量范圍-20度+150度，專用于測量溫差。 4.電接點溫度計(導電表，電接觸溫度計），可以在某一溫度點上接通或斷開，與電子繼電器等裝置配套，可以用來控制溫度。 5.分段溫度計（成套溫度計 ），

7、從-10度220度，共有23只。每支溫度范圍10度，每分度0.1度，另外有-40度400度，每隔50度1只，每分度0.1度,水銀溫度計的種類和使用范圍,12,玻璃水銀溫度計的校準,1) 讀數(shù)校正 零點校正以純物質(zhì)的熔點或沸點作為標準進行校正 定點校正以標準水銀溫度計為標準，與待校正的溫度計同時測定某一體系的溫度，將對應(yīng)值一一記錄，做出校正曲線 標準水銀溫度計由多支溫度計組成，各支溫度計的測量范圍不同，交叉組成-10度到360度范圍，每支都經(jīng)過計量部門的鑒定，讀數(shù)準確,13,14,水銀溫度計有“全浸”和“非全浸”兩種。非全浸式水銀溫度計?？逃行Ｕ龝r浸入量的刻度，在使用時若室溫和浸入量均與校正時一

8、致，所示溫度是正確的。 全浸式水銀溫度計使用時應(yīng)當全部浸入被測體系中，如不能全部浸沒，露出部分與體系溫度不同，必須進行校正。稱為露莖校正。校正公式為,2) 露莖校正,t kn(t測-t環(huán),b) 溫差溫度計貝克曼溫度計,測量體系溫度范圍在20 150 內(nèi)的微小溫差變化； 一般只有5量程； 它的最小刻度為0.01，用放大鏡可以讀準到0.002，測量精度較高 ； 需調(diào)節(jié)才能適合使用,15,c) 溫差溫度計精密溫差測量儀,代替貝克曼溫度計用來測量微小溫度差的儀器是精密溫差測量儀。 測量原理為：溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過多極放大器后傳至顯示器； 常見型號的主要技術(shù)指標：準確度 0.020.

9、001，測量溫差的范圍 2080,16,電阻溫度計是利用感溫元件的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫器件。任何物體的電阻都與溫度有關(guān)，因此都可以用來測量溫度。但是，能滿足實際要求的并不多。在實際應(yīng)用中，不僅要求有較高的靈敏度，而且要求有較高的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。目前，按感溫元件的材料來分有金屬導體和半導體兩大類。金屬導體有鉑、銅、鎳、鐵和銠鐵合金。目前大量使用的材料為鉑、銅和鎳。鉑制成的為鉑電阻溫度計，銅制成的為銅電阻溫度計，都屬于定型產(chǎn)品。半導體有鍺、碳和熱敏電阻（氧化物）等。 電阻溫度計的應(yīng)用范圍已經(jīng)由中、低溫度(-200-850C)范圍擴展到1-5C的超低溫領(lǐng)域和高溫(1000-1200C)范圍

10、,d) 熱電阻溫度計,17,兩種不同金屬導體構(gòu)成一個閉合線路，如果連接點溫度不同，回路中將會產(chǎn)生一個與溫差有關(guān)的電勢，稱為溫差電勢。這樣的一對金屬導體稱為熱電偶，可以利用其溫差電勢測定溫度。熱電偶根據(jù)材質(zhì)可分為廉價金屬、貴金屬、難熔金屬和非金屬四種,e) 熱電偶溫度計,接觸電勢： 取決于兩種不同材料的性質(zhì)； 溫差電勢E： E=f(，T）= f(T）= f(T1,18,熱電偶的兩根材質(zhì)不同的偶絲，需要在氧焰或電弧中熔接。為了避免短路，需將電偶絲穿在絕緣套管中。 使用時一般是將熱電偶的一個接點放在待測物體中(熱端)，而 將另一端放在儲有冰水的保溫瓶中(冷端)，這樣可以保持冷端的溫度恒定。 為了提高

11、測量精度，可將幾支熱電偶串聯(lián)，稱為熱電堆。熱電堆的溫差電勢等于各個熱電偶溫差電勢之和,熱電偶是目前工業(yè)測溫中最常用的傳感器，這是由于它具有以下優(yōu)點： 測溫點小，準確度高； 靈敏度高，可達10-4 ； 品種規(guī)格多，測溫范圍廣，在2702800范圍內(nèi)有相 應(yīng)產(chǎn)品可供選用； 結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，可作為自動控溫檢測器等,18,4. 溫度的控制,許多化學實驗都必須控制在一定的溫度下進行，如化學反應(yīng)平衡常數(shù)的測量、速率常數(shù)的測定等，有的實驗還需要控制程序升溫和程序降溫，例如差熱分析技術(shù)。另外，物質(zhì)的物理化學性質(zhì)，如粘度、密度、蒸氣壓、表面張力、折光率等都隨溫度而改變，要測定這些性質(zhì)必須在恒溫條件下進行

12、。一些物理化學常數(shù)如平衡常數(shù)、化學反應(yīng)速率常數(shù)等也與溫度有關(guān)，這些常數(shù)的測定也需恒溫，因此，掌握恒溫技術(shù)非常必要。 恒溫控制可分為兩類，一類是利用物質(zhì)的相變點溫度來獲得恒溫，但溫度的選擇受到很大限制;另外一類是利用電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行溫度控制，此方法控溫范圍寬、可以任意調(diào)節(jié)設(shè)定溫度,19,20,1)恒溫槽,恒溫槽是常用的一種以液體為介質(zhì)的恒溫裝置，根據(jù)溫度控制范圍，可用以下液體介質(zhì):-60度30度用乙醇或乙醇水溶液; 0度90度用水; 80度160度用甘油或甘油水溶液;70度300度用液體石蠟、汽缸潤滑油、硅油,1.浴槽； 2.加熱器； 3.攪拌器； 4.溫度計； 5.電接點溫度計； 6.繼電器；

13、 7.貝克曼溫度計,A:磁性螺旋調(diào)節(jié)器；B:電極引出線；C:指示螺母； D:可調(diào)電極；E:上標尺；F:下標尺,接觸式溫度計,工作原理： 它有兩個電極，一個固定與底部水銀球相連，另一個可調(diào)電極是金屬絲，由上部伸入毛細管內(nèi)。頂端有一個磁鐵，可以旋轉(zhuǎn)螺旋絲桿，用以調(diào)節(jié)金屬絲的高低位置，從而調(diào)節(jié)設(shè)定溫度。當溫度升高時，毛細管仲水銀柱上升與金屬絲接觸，兩電極被接通，使繼電器線圈中電流斷開，加熱器停止加熱；當溫度降低時，水銀柱與金屬絲斷開，繼電器線圈通過電流，使加熱器線路接通，溫度又回升。如此，不斷,反復(fù)，使恒溫槽控制在一個微小的溫度區(qū)間內(nèi)波動，被測體系的溫度也就限制在一個相應(yīng)的微小區(qū)間內(nèi)，從而達到恒溫的

14、目的,21,2）恒溫槽恒溫介質(zhì)的選擇,根據(jù)恒溫范圍，可以選用不同的恒溫介質(zhì)： 6030用乙醇或乙醇水溶液； 090用水； 80160用甘油或甘油水溶液； 70300用液體石蠟、汽缸潤滑油、硅油,22,3）恒溫槽恒溫效果的評價方法,恒溫槽的溫度控制裝置屬于“通”“斷”類型，當加熱器接通后，恒溫介質(zhì)溫度上升，熱量的傳遞使水銀溫度計中的水銀柱上升。但熱量的傳遞需要時間，因此常出現(xiàn)溫度傳遞的滯后，往往是加熱器附近介質(zhì)的溫度超過設(shè)定溫度，所以恒溫槽的溫度超過設(shè)定溫度。同理，降溫時也會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。由此可知，恒溫槽控制的溫度有一個波動范圍，并不是控制在某一固定不變的溫度。控溫效果可以用靈敏度t表示: t

15、= (t1 t2)/2 式中t1為恒溫過程中水浴的最高溫度；t2為恒溫過程中水浴的最低溫度,23,曲線: (a)表示恒溫槽靈敏度較高; (b)表示恒溫槽靈敏度較差; (c)表示加熱器功率太大; (d)表示加熱器功率太小或散熱太快,控溫靈敏度曲線,影響恒溫槽靈敏度的因素很多，大體有: 1. 恒溫介質(zhì)流動性好，傳熱性能好，控溫靈敏度就高; 2. 加熱器功率要適宜，熱容量要小，控溫靈敏度就高; 3. 攪拌器攪拌速度要足夠大，才能保證恒溫槽內(nèi)溫度均勻; 4. 繼電器電磁吸引電鍵，后者發(fā)生機械作用的時間愈短，斷電時線圈 中的鐵芯剩磁愈小，控溫靈敏度就高; 5.電接點溫度計熱容小，對溫度的變化敏感，則靈敏

16、度高; 6. 環(huán)境溫度與設(shè)定溫度的差值越小，控溫效果越好,24,實驗室內(nèi)都有自動控溫設(shè)備，如電冰箱、恒溫水浴、高溫電爐等?，F(xiàn)在多數(shù)采用電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行溫度控制，具有控溫范圍廣、可任意設(shè)定溫度、控溫精度高等優(yōu)點。 電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)種類很多，但從原理上講，它必須包括三個基本部件，即變換器、電子調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機構(gòu)。變換器的功能是將被控對象的溫度信號變換成電信號;電子調(diào)節(jié)器的功能是對來自變換器的信號進行測量、比較、放大和運算，最后發(fā)出某種形式的指令，使執(zhí)行機構(gòu)進行加熱或致冷。電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)按其自動調(diào)節(jié)規(guī)律可以分為斷續(xù)式二位置控制和比例-積分-微分控制兩種,4) 自動控溫簡介,電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控溫原理,25,斷續(xù)

17、式二位置控制 實驗室常用的電烘箱、電冰箱、高溫電爐和恒溫水浴等，大多采用這種控制方法。變換器的形式分為: (1)雙金屬膨脹式,利用不同金屬的線膨脹系數(shù)不同，選擇線膨脹系數(shù)差別較大的兩種金屬，線膨脹系數(shù)大的金屬棒在中心，另外一個套在外面，兩種金屬內(nèi)端焊接在一起，外套管的另一端固定，在溫度升高時，中心金屬棒便向外伸長，伸長長度與溫度成正比。通過調(diào)節(jié)觸點開關(guān)的位置，可使其在不同溫度區(qū)間內(nèi)接通或斷開，達到控制溫度的目的。其缺點是控溫精度差，一般有幾K范圍。若控溫精度要求在1K以內(nèi)，實驗室多用導電表（電接點溫度計）作變換器,26,繼電器多采用以下幾種: i. 電子管繼電器 一般與電接點溫度計配合使用 ii. 晶體管繼電器 一般與熱敏電阻溫度計配合使用