溫度測量12-19

1、溫溫 度度 測測 量量第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、溫度的基本概念和測量方法 溫度是一個基本物理量。 溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。處于熱平衡狀態(tài)的所有熱力學(xué)系統(tǒng)都具有共同的宏觀性質(zhì)。這一宏觀特性用溫度表示即一切互為熱平衡的系統(tǒng)具有相同的溫度。 溫度的微觀概念是大量分子運動平均強(qiáng)溫度的微觀概念是大量分子運動平均強(qiáng)度的表示度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。 為對溫度的高低進(jìn)行量度，需要建立統(tǒng)一為對溫度的高低進(jìn)行量度，需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)溫度單位，即溫標(biāo)。的標(biāo)準(zhǔn)溫度單位，即溫標(biāo)。一、一、 溫標(biāo)溫標(biāo)1.經(jīng)驗溫標(biāo)n經(jīng)驗溫標(biāo)的基礎(chǔ)是

2、利用物質(zhì)體膨脹與溫度的關(guān)系。認(rèn)為在兩個易于實現(xiàn)且穩(wěn)定的溫度點之間所選定的測溫物質(zhì)體積的變化與溫度成線性關(guān)系。把在兩溫度之間體積的總變化分為若干等分，并把引起體積變化一份的溫度定義為1度。經(jīng)驗溫標(biāo)與測溫介質(zhì)有關(guān)，有多少種測溫介質(zhì)就有多少個溫標(biāo)。n按照這個原則建立的有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)和列氏溫標(biāo)。攝氏溫標(biāo)：所用標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計。分度方法是規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，水的冰點為零度，沸點為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對應(yīng)每份的溫度定義為1攝氏度，單位為“oC“華氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀溫度計，選取氯化銨和冰水混合物的溫度為零度，人體溫度為100度。水銀體積膨脹被分為100份，對應(yīng)每份的溫

3、度為1華氏度，單位為“oF”。按照華氏溫標(biāo)，水的冰點為32oF，沸點是212oF。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為2.熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo) 熱力學(xué)溫標(biāo)是英國物理學(xué)家開爾文(Kelvin)于1848年以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)所引出的與測以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)所引出的與測溫物質(zhì)無關(guān)的溫標(biāo)。溫物質(zhì)無關(guān)的溫標(biāo)。熱力學(xué)溫標(biāo)是以卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)?？ㄖZ定律指出，一個工作于恒溫?zé)嵩磁c恒溫冷源之間的可逆熱機(jī)，其效率只與熱源和冷源的溫度有關(guān)。假設(shè)熱機(jī)從溫度為T2的熱源獲得的熱量為Q2，放給溫度為T1的冷源的熱量為Q1，則有 1122QTQT開爾文引出此溫標(biāo)后，于1854年建議用一個固定點來確定此溫標(biāo)。人們發(fā)現(xiàn)水的三相點(2

4、73.16K)的穩(wěn)定性能長期維持在0.1mK范圍內(nèi)。因此，1954年第10屆國際計量大會決定采用水的三相點作為熱力學(xué)溫際的基本固定點此溫標(biāo)的表達(dá)式為： 這種溫標(biāo)的最大特點是與選用的測溫介質(zhì)性質(zhì)無關(guān)，克服了經(jīng)驗溫標(biāo)隨測溫介質(zhì)而變的缺陷，故稱它為科學(xué)的溫標(biāo)或絕對熱力學(xué)溫標(biāo)。由此而得的溫度稱為熱力學(xué)溫度。從此所有的溫度測量都以熱力學(xué)溫標(biāo)作為基準(zhǔn)。2273.161QTKQ在體積在體積V0或壓力或壓力p=0的極限情況下，對應(yīng)的溫度為的極限情況下，對應(yīng)的溫度為273.15oC。為了使溫標(biāo)具有連續(xù)性為了使溫標(biāo)具有連續(xù)性，因而把，因而把273.15oC定義為絕對溫度的零度。絕對溫標(biāo)的分度法定義為絕對溫度的零度

5、。絕對溫標(biāo)的分度法與攝氏分度法相同，而絕對溫度的單位是與攝氏分度法相同，而絕對溫度的單位是K。熱力學(xué)熱力學(xué)絕對溫度絕對溫度(用用T表示表示)與攝氏溫度與攝氏溫度(用用t表示表示)的關(guān)系為的關(guān)系為式中式中 T0273.153、國際實用溫標(biāo)、國際實用溫標(biāo) 給出了給出了17個定義基準(zhǔn)點（特定物質(zhì)及狀態(tài)），用個定義基準(zhǔn)點（特定物質(zhì)及狀態(tài)），用以校準(zhǔn)和標(biāo)定儀器。以校準(zhǔn)和標(biāo)定儀器。 0TTt二、測溫方法與測溫儀器的分類二、測溫方法與測溫儀器的分類 按照所用方法之不同，按照所用方法之不同，溫度測量分為接觸式和非接溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。觸式兩大類。 1. 接觸式測溫接觸式測溫 接觸式的特點是測溫

6、元件直接與被測對象相接觸，接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，這兩者之間進(jìn)行充分的熱交換，最后達(dá)到熱平衡，這是感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對是感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。象的溫度值。優(yōu)點：直觀可靠。優(yōu)點：直觀可靠。缺點：是感溫元件影響被測溫度場的分布；接觸不良缺點：是感溫元件影響被測溫度場的分布；接觸不良等都會帶來測量誤差；熱慣性大，不便于測量快速等都會帶來測量誤差；熱慣性大，不便于測量快速變化的溫度；另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元變化的溫度；另外溫度太高和腐蝕性介質(zhì)對感溫元件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。

7、件的性能和壽命會產(chǎn)生不利影響。 2、非接觸式測溫、非接觸式測溫 非接觸測溫的特點是感溫元件不與非接觸測溫的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進(jìn)行熱被測對象相接觸，而是通過輻射進(jìn)行熱交換，故可避免接觸測溫法的缺點，具交換，故可避免接觸測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸測溫有較高的測溫上限。此外，非接觸測溫法熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于法熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。測溫儀器測溫儀器 對應(yīng)于兩種測溫方法，測溫儀器亦分為接觸式和對應(yīng)于兩種測溫方法，測溫儀器亦分為接觸式和非接觸式兩大類。非接觸式兩大類

8、。 接觸式儀器接觸式儀器又可分為又可分為: 膨脹式溫度計膨脹式溫度計(包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫度計度計) 電阻式溫度計電阻式溫度計(包括金屬熱電阻溫度計和半導(dǎo)體熱敏電阻包括金屬熱電阻溫度計和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計溫度計) 熱電式溫度計熱電式溫度計(包括熱電偶和包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計結(jié)溫度計)以及其它原理以及其它原理的溫度計的溫度計 非接觸式溫度計非接觸式溫度計又可分為輻射溫度計、亮度溫度又可分為輻射溫度計、亮度溫度計和比色溫度計，由于它們都是以光輻射為基礎(chǔ)，計和比色溫度計，由于它們都是以光輻射為基礎(chǔ)，故也按統(tǒng)稱為輻射溫度計。故也按統(tǒng)稱為輻射溫度

9、計。 按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測量。溫、中高溫和超高溫溫度測量。 超低溫一般是指超低溫一般是指010K； 低溫指低溫指10800K； 中溫指中溫指8001900K； 高溫指高溫指19002800K的溫度；的溫度； 2800K以上被認(rèn)為是超高溫。以上被認(rèn)為是超高溫。第二節(jié)第二節(jié) 膨脹式溫度計膨脹式溫度計1. 液體膨脹式溫度計 這是應(yīng)用最早而且當(dāng)前使用最廣泛的一種溫度計，典型結(jié)構(gòu)如圖所示。它由液體儲存器、毛細(xì)管和標(biāo)尺組成。 液體玻璃溫度計的測溫上限取決于所用液體汽化點的溫度，下限受液體凝點溫度的限制為了防止毛細(xì)管中液注出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，

10、并提高測溫液體的沸點溫度，常在毛細(xì)管中液體上部充以一定壓力的氣體。液體玻璃溫度計分為全浸式和部分浸入式液體玻璃溫度計分為全浸式和部分浸入式兩種。全浸是指測溫時把液柱部分全部浸兩種。全浸是指測溫時把液柱部分全部浸入被測介質(zhì)中。部分浸入是把溫度計浸入入被測介質(zhì)中。部分浸入是把溫度計浸入標(biāo)志以下的部分插入被測介質(zhì)中。如圖標(biāo)志以下的部分插入被測介質(zhì)中。如圖 (b)所示。所示。 全浸式和部分浸入式相比較，全浸式測全浸式和部分浸入式相比較，全浸式測量精度較高，故多用于實驗室和標(biāo)準(zhǔn)溫度量精度較高，故多用于實驗室和標(biāo)準(zhǔn)溫度計，部分浸入式用于一般工業(yè)測溫。計，部分浸入式用于一般工業(yè)測溫。 使用時，如果全浸式溫度

11、計的液柱部分不能全部使用時，如果全浸式溫度計的液柱部分不能全部浸入，如圖浸入，如圖 (a)所示；或部分浸入式溫度計露出部分所示；或部分浸入式溫度計露出部分的環(huán)境溫度與標(biāo)定時不一致，就會產(chǎn)生測量誤差，故的環(huán)境溫度與標(biāo)定時不一致，就會產(chǎn)生測量誤差，故必須進(jìn)行修正。方法是用一個小的輔助溫度計度計測必須進(jìn)行修正。方法是用一個小的輔助溫度計度計測出露出液柱部分的平均溫度，如圖所示，并按下式估出露出液柱部分的平均溫度，如圖所示，并按下式估算溫度修正量算溫度修正量 t，即即2、壓力式溫度計、壓力式溫度計基本原理：密閉系統(tǒng)內(nèi)的液體或氣體壓力隨溫度變化基本原理：密閉系統(tǒng)內(nèi)的液體或氣體壓力隨溫度變化。3、固體膨脹

12、式溫度計、固體膨脹式溫度計 這種溫度計是利用兩種不同膨脹系數(shù)的材這種溫度計是利用兩種不同膨脹系數(shù)的材料制成，分為桿式和雙金屬式兩大類。料制成，分為桿式和雙金屬式兩大類。 下圖為桿式溫度計的原理圖。下圖為桿式溫度計的原理圖。由于芯桿由于芯桿材料的膨脹系數(shù)比與基座相連的外套大，故材料的膨脹系數(shù)比與基座相連的外套大，故當(dāng)溫度變化時芯桿對基座產(chǎn)生相對位移，經(jīng)當(dāng)溫度變化時芯桿對基座產(chǎn)生相對位移，經(jīng)簡單的機(jī)械放大后，就可直接指示溫度值。簡單的機(jī)械放大后，就可直接指示溫度值。 雙金屬感溫元件是由膨脹系數(shù)不同的兩種雙金屬感溫元件是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固結(jié)合在一起而制成，一端固定，金屬片牢固結(jié)合在一起而

13、制成，一端固定，另一端為自由端。當(dāng)溫度變化時，由于兩另一端為自由端。當(dāng)溫度變化時，由于兩種材料的膨脹系數(shù)不同而使雙金屬片的曲種材料的膨脹系數(shù)不同而使雙金屬片的曲率發(fā)生變化，自由端產(chǎn)生位移，經(jīng)傳動放率發(fā)生變化，自由端產(chǎn)生位移，經(jīng)傳動放大機(jī)構(gòu)帶動指針指示溫度值。大機(jī)構(gòu)帶動指針指示溫度值。為了滿足不為了滿足不同用途的要求，雙金屬元件制成各種不同同用途的要求，雙金屬元件制成各種不同的形狀，如下圖所示。的形狀，如下圖所示。第三節(jié)第三節(jié) 熱電偶溫度計熱電偶溫度計 熱電偶是當(dāng)前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應(yīng)。（一）熱電效應(yīng)及基本定律 兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組

14、成圖所示的閉合回路，當(dāng)兩個接觸點(稱為結(jié)點)溫度t和t0不相同時，回路中即產(chǎn)生電勢，并有電流流通，這種把熱能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。稱回路電勢為熱電勢。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。稱回路電勢為熱電勢。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個結(jié)點中與被測介質(zhì)接觸的一個稱為測量結(jié)成工作兩個結(jié)點中與被測介質(zhì)接觸的一個稱為測量結(jié)成工作端、熱端，另一個稱為參考端或自由端、冷端。端、熱端，另一個稱為參考端或自由端、冷端。 (一一)兩種導(dǎo)體的接觸電動勢兩種導(dǎo)體的接觸電動勢兩種導(dǎo)體接觸的時候，由于導(dǎo)體內(nèi)的自由電子密度不同，如果NANB電子密度大的導(dǎo)體A中的電子就向電子密度小的導(dǎo)體B擴(kuò)散，從而由于導(dǎo)體A失去了電子而具

15、有正電位。相反導(dǎo)體B由于接收到了擴(kuò)散來的電子而具有負(fù)電位。這樣在擴(kuò)散達(dá)到動態(tài)平衡時A、B之間就形成了一個電位差。這個電位差稱為接觸電動勢。式中EAB(T)為A、B兩種材料在溫度為T時的接觸電動勢；K為玻耳茲曼常數(shù)；e為電子電荷：NA(T)、NB(T)為A、B兩種材料在溫度T時的自由電子密度。回路中總的接觸電勢為：回路中總的接觸電勢為： (二)單一導(dǎo)體中的溫差電動勢 對單一金屬導(dǎo)體，如果兩端的溫度不同，則兩端的自由電子就具有不同的動能。溫度高則動能大，動能大的自由電子就會向溫度低的一段擴(kuò)散。失去了電子的這一端就處于正電位，而低溫端由于得到電子處于負(fù)電位。這樣兩端就形成了電位差，稱為溫差電動勢。綜

16、上所述，在整個閉合回路中產(chǎn)生的總電動勢EAB(T,T0)可表示為由式可知，熱電偶總電動勢與電子密度NA、NB及兩節(jié)點溫度T、T0有關(guān)，電子密度取決于熱電偶材料的特性。當(dāng)熱電偶材料一定時，熱電偶的總電動勢EAB(T，T0)成為溫度T和T0的函數(shù)差，即工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)：工業(yè)熱電偶的結(jié)構(gòu)：接線盒、保護(hù)套管、接線盒、保護(hù)套管、絕緣套管、熱電偶絕緣套管、熱電偶絲、接線柱等組成絲、接線柱等組成 第四節(jié)第四節(jié) 電阻溫度計電阻溫度計利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化這一性質(zhì)做成的溫度計稱為電阻溫度計。大多數(shù)金屬在溫度升高1 C 時電阻將增加0.40.6。但半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高

17、1 C ，電阻約減小26。目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳，它們已得到廣泛的應(yīng)用。一、鉑電阻溫度計一、鉑電阻溫度計鉑是一種貴金屬。它的特點是精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。 鉑在很寬的溫度范圍內(nèi)約1200C以下都能保證上述特性。鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，有良好的工藝性，可制成很細(xì)的鉑絲(0.02mm或更細(xì))或極薄的鉑箔。與其它材料相比，鉑有較高的電阻率，因此是一種較好的熱電阻材料。缺點：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較小； 價格貴。 在0C 以上，其電阻與溫度的關(guān)系接近于直線，其電阻溫度系數(shù)為3.9103/C 。 我國已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)制作工業(yè)鉑電阻。按IEC標(biāo)淮，使用溫度

18、已擴(kuò)大到-200850 C ，初始電阻有100 和50 兩種。二、銅電阻溫度計二、銅電阻溫度計 在一般測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地使用銅電阻。它可用來測量50150 C 的溫度，在這溫度范圍內(nèi)，銅電阻和溫度呈線性關(guān)系： 銅電阻的缺點是電阻率小 所以制成相同阻值的電阻時，銅電阻絲要細(xì)，這樣機(jī)械強(qiáng)度就不高，或者就要長，使體積增大。此外銅很容易氧化，所以它的工作上限為150 C 。但銅電阻價格便宜，因此仍被廣泛采用。881.7 109.81 10CuPtmm三、熱電阻測量電路三、熱電阻測量電路 熱電阻把溫度量轉(zhuǎn)換成電阻值，這樣就可以通過測量電阻來測量溫度。測量電阻通?？衫脷W姆表或電橋。 平衡電橋法 平衡電橋法如圖所示。在圖中，如果電阻R1=R2，當(dāng)熱電阻Rt阻值隨溫度變化時，調(diào)節(jié)電位器Rw的電刷位置x，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有00txRRnRLL、R0電位器有效長度和總電阻電位器有效長度和總電阻x電刷位置電刷位置第五節(jié)第