機(jī)械制圖：儀表與量具-溫度計

1、儀表與量具 概述 溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。溫度是反映物體冷熱狀態(tài)的物理參數(shù)。 溫度的溫度的宏觀概念宏觀概念是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。 任意兩個冷熱程度不同的物體相互接觸，它們?nèi)我鈨蓚€冷熱程度不同的物體相互接觸，它們 之間必然會發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量要從溫度高之間必然會發(fā)生熱交換現(xiàn)象，熱量要從溫度高 的物體傳向溫度低的物體，直到兩物體之間的的物體傳向溫度低的物體，直到兩物體之間的 溫度完全一致時，這種熱傳遞現(xiàn)象才能停止。溫度完全一致時，這種熱傳遞現(xiàn)象才能停止。 這也就是熱力學(xué)第零定律所描述的，系統(tǒng)溫度這也就是熱力學(xué)第零定律所描述的，系統(tǒng)溫度 相等是建立熱平衡的充要條

2、件相等是建立熱平衡的充要條件 溫度的溫度的微觀概念微觀概念表明：物體溫度的高低表明：物體溫度的高低 標(biāo)志著組成物體的大量分子無規(guī)則運動標(biāo)志著組成物體的大量分子無規(guī)則運動 的劇烈程度，即對其分子平均動能大小的劇烈程度，即對其分子平均動能大小 的一種量度。顯然物體的物理化學(xué)特性的一種量度。顯然物體的物理化學(xué)特性 與溫度密切相關(guān)。與溫度密切相關(guān)。 u溫度的測量溫度的測量 當(dāng)兩個物體同處于一個系統(tǒng)中而達(dá)到熱平衡時，當(dāng)兩個物體同處于一個系統(tǒng)中而達(dá)到熱平衡時， 則它們就具有相同的溫度。因此可以從一個物體的則它們就具有相同的溫度。因此可以從一個物體的 溫度得知另一個物體的溫度，這就是溫度得知另一個物體的溫度

3、，這就是測溫的依據(jù)測溫的依據(jù)。 如果事先已經(jīng)知道一個物體的某些性質(zhì)或狀態(tài)隨溫如果事先已經(jīng)知道一個物體的某些性質(zhì)或狀態(tài)隨溫 度變化的確定關(guān)系，就可以以溫度來量度其性質(zhì)或度變化的確定關(guān)系，就可以以溫度來量度其性質(zhì)或 狀態(tài)的變化情況，這就是設(shè)計與制作溫度計的數(shù)學(xué)狀態(tài)的變化情況，這就是設(shè)計與制作溫度計的數(shù)學(xué) 物理基礎(chǔ)。物理基礎(chǔ)。 1.常用的溫標(biāo) 溫標(biāo)是溫度數(shù)值化的標(biāo)尺。它規(guī)定了溫度溫標(biāo)是溫度數(shù)值化的標(biāo)尺。它規(guī)定了溫度 的讀數(shù)起點和測量溫度的基本單位。各種溫度的讀數(shù)起點和測量溫度的基本單位。各種溫度 計的刻度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。計的刻度數(shù)值均由溫標(biāo)確定。 1）熱力學(xué)溫標(biāo)（符號熱力學(xué)溫標(biāo)（符號T) 熱力學(xué)溫

4、標(biāo)又稱開氏溫標(biāo)（單位熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開氏溫標(biāo)（單位K）或絕）或絕 對溫標(biāo)，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對對溫標(biāo)，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對 零度。它建于熱力學(xué)基礎(chǔ)，體現(xiàn)出溫度僅與熱零度。它建于熱力學(xué)基礎(chǔ)，體現(xiàn)出溫度僅與熱 量有關(guān)而與測溫物質(zhì)的任何物理性質(zhì)無關(guān)的理量有關(guān)而與測溫物質(zhì)的任何物理性質(zhì)無關(guān)的理 想溫標(biāo)，已由國際權(quán)度大會采納作為國際統(tǒng)一想溫標(biāo)，已由國際權(quán)度大會采納作為國際統(tǒng)一 的基本溫標(biāo)。的基本溫標(biāo)。 2）攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) 攝氏溫標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的攝氏溫標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的 冰融點為冰融點為0度，水沸點為度，水沸點為100度，中間等度，中間等 分為分為100格，每格為攝氏

5、格，每格為攝氏1度，符號為度，符號為。 3）華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo) 華氏溫標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融華氏溫標(biāo)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純水的冰融 點為點為32度，水沸點為度，水沸點為212度，中間等分度，中間等分180 格，每格為華氏格，每格為華氏1度，符號為度，符號為 。 歐美使用較多。歐美使用較多。 2.常用溫標(biāo)的換算 華氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) 或或 熱力學(xué)溫標(biāo)與熱力學(xué)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)攝氏溫標(biāo) 5 CF32 9 F=1.8C+32 T=t+273.15 K 3.計量溫標(biāo)的方法 u溫度不能直接測量，而是借助于物質(zhì)的某溫度不能直接測量，而是借助于物質(zhì)的某 些物理特性是溫度的函數(shù)，通過對某些物些物理

6、特性是溫度的函數(shù)，通過對某些物 理特性變化量的測量間接地獲得溫度值。理特性變化量的測量間接地獲得溫度值。 u根據(jù)溫度測量儀表地使用方式，通常可分根據(jù)溫度測量儀表地使用方式，通?？煞?類為類為接觸法接觸法與與非接觸法非接觸法兩大類。兩大類。 1.） 接觸法接觸法 u當(dāng)兩個物體接觸后，經(jīng)過足夠長的時間達(dá)到熱平衡當(dāng)兩個物體接觸后，經(jīng)過足夠長的時間達(dá)到熱平衡 后，則它們的溫度必然相等。如果其中之一為溫度后，則它們的溫度必然相等。如果其中之一為溫度 計，就可以用它對另一個物體實現(xiàn)溫度測量，計，就可以用它對另一個物體實現(xiàn)溫度測量，這種這種 測溫方式稱為接觸法測溫方式稱為接觸法。 u特點：特點：溫度計要與被

7、測物體有良好地?zé)峤佑|，使兩溫度計要與被測物體有良好地?zé)峤佑|，使兩 者達(dá)到熱平衡。者達(dá)到熱平衡。 u接觸式測溫法是使感溫元件直接與被測物體或直接與被接觸式測溫法是使感溫元件直接與被測物體或直接與被 測介質(zhì)接觸，感受被測物體或被測介質(zhì)的溫度變化。測介質(zhì)接觸，感受被測物體或被測介質(zhì)的溫度變化。 u膨脹式、壓力式、熱電阻與熱電偶溫度計膨脹式、壓力式、熱電阻與熱電偶溫度計 接觸法測溫接觸法測溫：敏感元件直接與被測對象接觸，：敏感元件直接與被測對象接觸， 通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，反映被測對象的通過傳導(dǎo)或?qū)α鬟_(dá)到熱平衡，反映被測對象的 溫度。溫度。 優(yōu)點優(yōu)點：直觀、可靠。：直觀、可靠。 缺點缺點：存在負(fù)載

8、效應(yīng)，存在負(fù)載效應(yīng)， 受到測量條件的限制，不能充分接觸，使檢受到測量條件的限制，不能充分接觸，使檢 測元件溫度與被測對象溫度不一致。測元件溫度與被測對象溫度不一致。 熱量傳遞需要一定時間造成測溫滯后現(xiàn)象。熱量傳遞需要一定時間造成測溫滯后現(xiàn)象。 （動態(tài)誤差）（動態(tài)誤差） 2）非接觸法非接觸法 u利用物體的熱輻射能隨溫度變化的原理測定物體溫利用物體的熱輻射能隨溫度變化的原理測定物體溫 度，度，這種測溫方式稱為非接觸法這種測溫方式稱為非接觸法。 u特點：特點：不與被測物體接觸，也不改變被測物體的溫不與被測物體接觸，也不改變被測物體的溫 度分布，熱慣性小。度分布，熱慣性小。 u通常用來測定通常用來測定

9、10001000以上的移動、旋轉(zhuǎn)或反應(yīng)迅速以上的移動、旋轉(zhuǎn)或反應(yīng)迅速 的高溫物體的溫度。的高溫物體的溫度。 u在高溫范圍內(nèi)，用直接接觸測溫法非常困難，可采用非在高溫范圍內(nèi)，用直接接觸測溫法非常困難，可采用非 接觸式測溫法，利用物體的熱輻射特性對物體的溫度進(jìn)接觸式測溫法，利用物體的熱輻射特性對物體的溫度進(jìn) 行非接觸式測量。行非接觸式測量。 u光學(xué)高溫計光學(xué)高溫計、比色高溫計、輻射高溫計、比色高溫計、輻射高溫計 其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從其制造成本較高，測量精度卻較低。優(yōu)點是：不從 被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連被測物體上吸收熱量；不會干擾被測對象的溫度場；連

10、續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗；反應(yīng)快等。 一、電阻溫度計的種類、原理和應(yīng)用 WZP2-240/A級級3線線300/150mmE(0-300)隔爆熱電阻隔爆熱電阻 WZC-111/12*1000mm Cu50銅熱電阻銅熱電阻 WZPK2-103/B級級6*515mm(0-300)鉑熱電阻鉑熱電阻 v金屬熱電阻（正的溫度系數(shù)）金屬熱電阻（正的溫度系數(shù)） 鉑熱電阻鉑熱電阻 銅熱電阻銅熱電阻 鎳熱電阻鎳熱電阻 v半導(dǎo)體熱敏電阻（負(fù)的溫度系數(shù)）半導(dǎo)體熱敏電阻（負(fù)的溫度系數(shù)） 目前已被采用的電阻溫度計具有如下特點：目前已被采用的電阻溫度計具有如下特點： （1）在中低溫范圍內(nèi)其精確度高于

11、熱電偶溫度計；）在中低溫范圍內(nèi)其精確度高于熱電偶溫度計； （2）靈敏度高，當(dāng)溫度升高）靈敏度高，當(dāng)溫度升高1時，大多數(shù)熱電阻的阻值時，大多數(shù)熱電阻的阻值 增加增加0.4%0.6%，半導(dǎo)體材料的阻值降低，半導(dǎo)體材料的阻值降低3%6%； （3）熱電阻感溫部分體積比熱電偶的熱接點大得多，因）熱電阻感溫部分體積比熱電偶的熱接點大得多，因 此不宜測量點溫度與動態(tài)溫度，半導(dǎo)體熱敏電阻雖然體此不宜測量點溫度與動態(tài)溫度，半導(dǎo)體熱敏電阻雖然體 積較小，但其穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性卻較差。積較小，但其穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性卻較差。 （4 4）測量范圍）測量范圍0.1K-1000 0.1K-1000 （5）屬于直接測量）屬于直接測量

12、 大多數(shù)金屬和半導(dǎo)體的電阻與溫度之間都存在著一定的大多數(shù)金屬和半導(dǎo)體的電阻與溫度之間都存在著一定的 關(guān)系，但并不是所有的金屬或半導(dǎo)體都能做成電阻溫度關(guān)系，但并不是所有的金屬或半導(dǎo)體都能做成電阻溫度 計。用于測溫的理想金屬應(yīng)滿足以下要求：計。用于測溫的理想金屬應(yīng)滿足以下要求： （1 1）電阻溫度系數(shù)要大，）電阻溫度系數(shù)要大，以得到高敏感度； （2 2）在測溫范圍內(nèi)化學(xué)與物理性能要穩(wěn)定； （3 3）金屬純度高；）金屬純度高； （4 4）電阻率要大）電阻率要大，以得到小體積的元件，進(jìn)而保證熱容 量和熱慣性小，使得對溫度變化的響應(yīng)比較快； （5 5）電阻溫度特性盡可能接近線性，）電阻溫度特性盡可能接近

13、線性，以便于分度和讀數(shù)； （6 6） 易于加工。易于加工。 1、熱電阻測溫原理、熱電阻測溫原理 對于一個給定對于一個給定 電阻，其電阻電阻，其電阻 值是溫度的單值是溫度的單 值函數(shù)，因而值函數(shù)，因而 可以通過測量可以通過測量 電阻值來推算電阻值來推算 溫度。溫度。 T Rt 鉑電阻 熱敏電阻 電阻溫度系數(shù)：電阻溫度系數(shù)：在某一溫度間隔內(nèi)，溫度變化在某一溫度間隔內(nèi)，溫度變化1時的電阻時的電阻 相對變化量，單位為相對變化量，單位為1/ 。 平均電阻溫度系數(shù)平均電阻溫度系數(shù) dt dR Rt 0 1 tR R t 0 v金屬導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般為正值金屬導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)一般為正值 純金屬一般為純金屬

14、一般為0.380.68%，金屬純度越高，其，金屬純度越高，其 電阻溫度系數(shù)越大電阻溫度系數(shù)越大 v半導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)一般為負(fù)值半導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)一般為負(fù)值 2.實例 特點特點：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好、性能可靠、：準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好、性能可靠、 有較高電阻率，廣泛應(yīng)用于基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化有較高電阻率，廣泛應(yīng)用于基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)化 儀器中，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。儀器中，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種。 使用范圍使用范圍：-200850，在，在9090年國際溫標(biāo)中年國際溫標(biāo)中 規(guī)定 平 衡 氫 三 相 點規(guī)定 平 衡 氫 三 相 點 1 3 . 8 k1 3 . 8 k 到 銀 凝 固 點到 銀 凝

15、固 點 961.78961.78標(biāo)準(zhǔn)儀器應(yīng)用鉑電阻。標(biāo)準(zhǔn)儀器應(yīng)用鉑電阻。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：電阻絲、：電阻絲、 絕緣管、保護(hù)絕緣管、保護(hù) 套管、接線盒套管、接線盒 二、熱電偶溫度計熱電偶溫度計 1.原理 1）熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)：將兩種不同材料的導(dǎo)體或?qū)煞N不同材料的導(dǎo)體或 半導(dǎo)體組成一個閉和回路，如果兩端點的半導(dǎo)體組成一個閉和回路，如果兩端點的 溫度不同，則回路中將產(chǎn)生一定大小的電溫度不同，則回路中將產(chǎn)生一定大小的電 流，這個電流的大小同材料的性質(zhì)以及節(jié)流，這個電流的大小同材料的性質(zhì)以及節(jié) 點溫度有關(guān)，上述現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這點溫度有關(guān)，上述現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這 個現(xiàn)象是個現(xiàn)象是1821年年Seebec

16、k發(fā)現(xiàn)的故又稱為發(fā)現(xiàn)的故又稱為 塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)。 B T A T0 兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A A和和B B組成閉組成閉 合回路，如下圖所示。當(dāng)合回路，如下圖所示。當(dāng)A A和和B B相接的兩個接相接的兩個接 點溫度點溫度T T和和T T0 0不同時，則在回路中就會產(chǎn)生一不同時，則在回路中就會產(chǎn)生一 個電勢，這種現(xiàn)象叫做個電勢，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)。由此效應(yīng)。由此效應(yīng) 所產(chǎn)生的電勢，通常稱為所產(chǎn)生的電勢，通常稱為熱電勢熱電勢，用符號，用符號EAB （T，T0）表示。表示。 B A TT0 參考端 冷端 工作端 熱端 圖中的閉合回路稱為圖中的閉合回路稱為

17、熱電偶熱電偶，導(dǎo)體，導(dǎo)體A 和和B稱為熱電偶的稱為熱電偶的熱電極熱電極。熱電偶的兩個。熱電偶的兩個 接點中，置于被測介質(zhì)（溫度為接點中，置于被測介質(zhì)（溫度為T）中的）中的 接點稱為接點稱為工作端或熱端工作端或熱端，溫度為參考溫，溫度為參考溫 度度T0的一端稱為的一端稱為參考端或冷端參考端或冷端。熱電偶。熱電偶 產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：產(chǎn)生的熱電勢由兩部分組成：接觸電勢接觸電勢 和溫差電勢和溫差電勢。 接觸電勢接觸電勢當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體接觸時，由于兩當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體接觸時，由于兩 者者有不同的電子密度而產(chǎn)生的電勢。有不同的電子密度而產(chǎn)生的電勢。 接觸電勢用接觸電勢用EAB(T)表示，其數(shù)值可用下

18、式表示，其數(shù)值可用下式 表示表示 式中式中 e 單位電荷，單位電荷，4.802X10-10靜電單位；靜電單位； K波爾茲曼常數(shù)，波爾茲曼常數(shù)，K=1.3810-23J/K； NA(T)、NB(T)材料材料A、B在溫度為在溫度為T 時的自由電子密度；時的自由電子密度； TA、B接觸點的溫度，接觸點的溫度，K。 A AB B N (T)KT E(T)ln eN (T) u從理論上可以證明該接觸電勢的大小和方從理論上可以證明該接觸電勢的大小和方 向主要取決于向主要取決于兩種材料的性質(zhì)（電子密度）兩種材料的性質(zhì)（電子密度） 和接觸面溫度的高低和接觸面溫度的高低。 u溫度越高，接觸電勢越大；兩種導(dǎo)體電子

19、溫度越高，接觸電勢越大；兩種導(dǎo)體電子 密度比值越大，接觸電勢也越大。密度比值越大，接觸電勢也越大。 溫差電勢溫差電勢 熱電偶閉合回路的總熱電勢熱電偶閉合回路的總熱電勢 對于由對于由A和和B兩種導(dǎo)體組成的熱電偶閉合兩種導(dǎo)體組成的熱電偶閉合 回路，設(shè)兩端溫度接點溫度分別為回路，設(shè)兩端溫度接點溫度分別為T和和T0，且，且 TT0，NANB；那么回路中存在兩個接觸電勢；那么回路中存在兩個接觸電勢 EAB(T)和和EAB(T0)，兩個溫差電勢，兩個溫差電勢EA(T,T0)和和 EB(T,T0)。因此回路的總熱電勢為。因此回路的總熱電勢為 AB0ABAB0B0A0 E(T,T )E(T)E(T )E (T

20、,T )E (T,T ) 0 T A0A T A K1 E (T,T )d(NT) eN 導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫導(dǎo)體材料確定后，熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫 度有關(guān)。如果使度有關(guān)。如果使E EAB AB( (T T0 0)= )=常數(shù)，則回路熱電勢常數(shù)，則回路熱電勢E EAB AB( (T T， ， T T0 0) )就只與溫度就只與溫度T T有關(guān)，而且是有關(guān)，而且是T T的單值函數(shù)。的單值函數(shù)。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同 時才能有熱電勢產(chǎn)生。時才能有熱電勢產(chǎn)生。 結(jié)論：結(jié)論： 熱電偶回路熱電勢只與

21、組成熱電偶的材料及兩端溫度有 關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)無關(guān)。 只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶； 相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當(dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同 一種材料時，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。 2.種類 300多，常用7種 （1）廉金屬熱電偶）廉金屬熱電偶 1）T型（銅康銅）熱電偶型（銅康銅）熱電偶 2）K型（鎳鉻鎳鋁或鎳硅）熱電偶型（鎳鉻鎳鋁或鎳硅）熱電偶 3）E型（鎳鉻康銅）熱電偶型（鎳鉻康銅）熱電偶 4）J型（鐵康銅）熱電偶型（鐵康銅）熱電偶 （2）貴金屬熱電偶）貴金屬熱電偶 1）S型（鉑銠型（鉑銠10鉑）熱電偶鉑）熱電偶 2）R型（鉑銠型（鉑銠13鉑）熱電偶鉑）熱電偶 3）B型（鉑銠型（鉑銠30鉑銠鉑銠6）熱電偶）熱電偶 熱電偶結(jié)構(gòu)熱電偶結(jié)構(gòu) （1）熱電極）熱電極 （2）絕緣套管）絕緣套管 （3）保護(hù)套管）保護(hù)套管 （4）接線盒）接線盒 3.船用 (P171） 三、膨脹式溫度計 膨脹式溫度計是利用物體受熱膨脹的膨脹式溫度計是利用物體受熱膨脹的 原理制成的溫度計，主要有原理制成的溫度計，主要有液體膨脹式溫液體膨脹式溫 度計、固體膨脹式溫度計和壓力式溫度計度計、固體膨脹式溫度計和壓力式溫度計 三種。三種。 1）工作原理）工作原理 w利用玻璃管內(nèi)液體的體積隨溫度利用玻璃管內(nèi)液體的體積隨溫度 的升高而膨脹的原理。的升高而膨脹的原理。