溫的測(cè)量與控制講座蔡躍鵬學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1溫的測(cè)量與控制溫的測(cè)量與控制(kngzh)講座蔡躍鵬講座蔡躍鵬第一頁(yè)，共29頁(yè)。1. 溫度測(cè)量的基本(jbn)依據(jù)2. 溫標(biāo)3. 溫度計(jì)4. 溫度控制主要主要(zhyo)(zhyo)內(nèi)容內(nèi)容 3第2頁(yè)/共29頁(yè)第二頁(yè)，共29頁(yè)。測(cè)溫的基本依據(jù)測(cè)溫的基本依據(jù)(yj)(yj)：熱力學(xué)第零定律，它是個(gè)經(jīng)驗(yàn)：熱力學(xué)第零定律，它是個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律定律. .熱力學(xué)第零定律使溫度的概念建立(jinl)在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上：（1）可以判斷兩個(gè)體系是否已經(jīng)達(dá)到熱平衡（2）體系內(nèi)部的溫度均勻分布、具有確定的溫度值（3）一個(gè)體系的溫度可以用與之達(dá)到熱平衡的體系的溫度來(lái)表達(dá)4第3頁(yè)/共29頁(yè)第三頁(yè)，共29頁(yè)。1001法求

2、得其它溫度。法求得其它溫度。5第4頁(yè)/共29頁(yè)第四頁(yè)，共29頁(yè)。6第5頁(yè)/共29頁(yè)第五頁(yè)，共29頁(yè)。7第6頁(yè)/共29頁(yè)第六頁(yè)，共29頁(yè)。8第7頁(yè)/共29頁(yè)第七頁(yè)，共29頁(yè)。9第8頁(yè)/共29頁(yè)第八頁(yè)，共29頁(yè)。10國(guó)際(guj)溫標(biāo)規(guī)定從低溫到高溫劃分為四個(gè)溫區(qū)，分別選用一個(gè)高度穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)來(lái)度量各固定點(diǎn)之間的溫度值。這四個(gè)溫區(qū)及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)如下：溫度范圍 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)13.81273.15K 鉑電阻溫度計(jì)273.1903.89K 鉑電阻溫度計(jì)903.89K1337.58K 鉑銠（10%）-鉑熱電偶1337.58K以上 光學(xué)高溫計(jì)第9頁(yè)/共29頁(yè)第九頁(yè)，共29頁(yè)。11 水銀溫度計(jì)是實(shí)驗(yàn)室常

3、用的溫度計(jì)。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)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(snhui)，損壞(snhui)后無(wú)法修理。水銀溫度計(jì)適用范圍為235.15K到633.15K（水銀的熔點(diǎn)為234.45K，沸點(diǎn)為629.85K），如果用石英玻璃作管壁，充入氮?dú)饣驓鍤?，最高使用溫度可達(dá)到1073.15K。常用的水銀溫度計(jì)刻度間隔有:2K、1K、0.5K、0.2K、0.1K等，與溫度計(jì)的量程范圍有關(guān)，可根據(jù)測(cè)定精度選用。第10頁(yè)/共29頁(yè)第十頁(yè)，共29頁(yè)。1.普通水銀溫度計(jì)：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(jì)：供量熱學(xué)使用有9度15度

4、、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(cè)溫差的貝克曼(Beckmann)溫度計(jì)，是一種移液式的內(nèi)標(biāo)溫度計(jì)，測(cè)量范圍-20度+150度，專用于測(cè)量溫差。4.電接點(diǎn)溫度計(jì)(導(dǎo)電表，電接觸溫度計(jì)），可以在某一溫度點(diǎn)上接通或斷開(kāi)，與電子繼電器等裝置配套，可以用來(lái)控制溫度。5.分段溫度計(jì)（成套溫度計(jì) ），從-10度220度，共有(n yu)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(jì)的種類水銀溫度計(jì)的種類(zhngli)和使用范圍和使用范圍:12第11頁(yè)/共29頁(yè)第十一頁(yè)，共29頁(yè)。13第12

5、頁(yè)/共29頁(yè)第十二頁(yè)，共29頁(yè)。14 水銀溫度計(jì)有“全浸”和“非全浸”兩種。非全浸式水銀溫度計(jì)常刻有校正時(shí)浸入量的刻度，在使用(shyng)時(shí)若室溫和浸入量均與校正時(shí)一致，所示溫度是正確的。 全浸式水銀溫度計(jì)使用(shyng)時(shí)應(yīng)當(dāng)全部浸入被測(cè)體系中，如不能全部浸沒(méi)，露出部分與體系溫度不同，必須進(jìn)行校正。稱為露莖校正。校正公式為: (2) 露莖校正(jiozhng) t kn(t測(cè)測(cè)-t環(huán)環(huán))第13頁(yè)/共29頁(yè)第十三頁(yè)，共29頁(yè)。15第14頁(yè)/共29頁(yè)第十四頁(yè)，共29頁(yè)。16第15頁(yè)/共29頁(yè)第十五頁(yè)，共29頁(yè)。 電阻溫度計(jì)是利用感溫元件的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫器件。任何物體的電阻都與

6、溫度有關(guān)，因此都可以(ky)用來(lái)測(cè)量溫度。但是，能滿足實(shí)際要求的并不多。在實(shí)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(lái)分有金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體兩大類。金屬導(dǎo)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(jì)，銅制成的為銅電阻溫度計(jì)，都屬于定型產(chǎn)品。半導(dǎo)體有鍺、碳和熱敏電阻（氧化物）等。 電阻溫度計(jì)的應(yīng)用范圍已經(jīng)由中、低溫度(-200-850C)范圍擴(kuò)展到1-5C的超低溫領(lǐng)域和高溫(1000-1200C)范圍。(d) 熱電阻溫度計(jì)熱電阻溫度計(jì) 17第16頁(yè)/共29頁(yè)第十六頁(yè)，共29頁(yè)。 兩種不同金屬導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)閉合線路

7、，如果連接點(diǎn)溫度不同，回路中將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與溫差(wnch)有關(guān)的電勢(shì)，稱為溫差(wnch)電勢(shì)。這樣的一對(duì)金屬導(dǎo)體稱為熱電偶，可以利用其溫差(wnch)電勢(shì)測(cè)定溫度。熱電偶根據(jù)材質(zhì)可分為廉價(jià)金屬、貴金屬、難熔金屬和非金屬四種。(e) 熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)接觸電勢(shì)： 取決于兩種不同材料(cilio)的性質(zhì)；溫差電勢(shì)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(shí)一般是將熱電偶的一個(gè)接點(diǎn)放在待測(cè)物體中(熱端)，而 將另一端放在儲(chǔ)有冰水的保溫瓶中(冷端)，這樣可以(ky)保持冷端的溫度恒定。

8、為了提高測(cè)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(shì)等于各個(gè)熱電偶溫差電勢(shì)之和。第17頁(yè)/共29頁(yè)第十七頁(yè)，共29頁(yè)。18熱電偶的使用熱電偶的使用 電偶的五對(duì)互連電偶的五對(duì)互連 第18頁(yè)/共29頁(yè)第十八頁(yè)，共29頁(yè)。 許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)都必須(bx)控制在一定的溫度下進(jìn)行，如化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的測(cè)量、速率常數(shù)的測(cè)定等，有的實(shí)驗(yàn)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(xué)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(cè)定這些性質(zhì)必須(bx)在恒溫條件下進(jìn)行。一些物理化學(xué)常數(shù)如平衡常數(shù)、化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)等也與溫度有關(guān)，這些常數(shù)的測(cè)定也需恒溫，因此，掌

9、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(diǎn)溫度來(lái)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(jìn)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第19頁(yè)/共29頁(yè)第十九頁(yè)，共29頁(yè)。20(1)(1)恒溫槽恒溫槽 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(yxi)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(rùn)滑油、硅油。1.浴槽；浴槽；2.加熱器；加熱器；3.攪拌器；攪拌器；4.溫度計(jì)；溫度計(jì)；5.電接點(diǎn)電接點(diǎn)(ji din)溫度計(jì)；溫度計(jì)

10、；6.繼電器；繼電器；7.貝克曼溫度計(jì)貝克曼溫度計(jì) 第20頁(yè)/共29頁(yè)第二十頁(yè)，共29頁(yè)。A:磁性(cxng)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(biāo)尺；F:下標(biāo)尺。 接觸式溫度計(jì)接觸式溫度計(jì) 工作原理：工作原理： 它有兩個(gè)電極，一個(gè)固定與底部水銀球相連，另它有兩個(gè)電極，一個(gè)固定與底部水銀球相連，另一個(gè)可調(diào)電極是金屬絲，由上部伸入毛細(xì)管內(nèi)。頂一個(gè)可調(diào)電極是金屬絲，由上部伸入毛細(xì)管內(nèi)。頂端有一個(gè)磁鐵端有一個(gè)磁鐵(cti)(cti)，可以旋轉(zhuǎn)螺旋絲桿，用以，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(dāng)溫調(diào)節(jié)金屬絲的高低位置，從而調(diào)節(jié)設(shè)定溫度。當(dāng)溫度升高時(shí)

11、，毛細(xì)管仲水銀柱上升與金屬絲接觸，兩度升高時(shí)，毛細(xì)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(kāi)，加熱器停電極被接通，使繼電器線圈中電流斷開(kāi)，加熱器停止加熱；當(dāng)溫度降低時(shí)，水銀柱與金屬絲斷開(kāi)，繼止加熱；當(dāng)溫度降低時(shí)，水銀柱與金屬絲斷開(kāi)，繼電器線圈通過(guò)電流，使加熱器線路接通，溫度又回電器線圈通過(guò)電流，使加熱器線路接通，溫度又回升。如此，不斷升。如此，不斷反復(fù)，使恒溫槽控制在一個(gè)微小的溫度區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，被測(cè)體系(tx)的溫度也就限制在一個(gè)相應(yīng)的微小區(qū)間內(nèi)，從而達(dá)到恒溫的目的。21第21頁(yè)/共29頁(yè)第二十一頁(yè)，共29頁(yè)。22第22頁(yè)/共29頁(yè)第二十二頁(yè)，共29頁(yè)。23第23頁(yè)/共29

12、頁(yè)第二十三頁(yè)，共29頁(yè)。曲線曲線(qxin):(a)表示恒溫槽靈敏度較高表示恒溫槽靈敏度較高;(b)表示恒溫槽靈敏度較差表示恒溫槽靈敏度較差;(c)表示加熱器功率太大表示加熱器功率太大;(d)表示加熱器功率太小或散熱太快表示加熱器功率太小或散熱太快控溫靈敏度曲線(qxin) 影響恒溫槽靈敏度的因素很多，大體有影響恒溫槽靈敏度的因素很多，大體有:1. 恒溫介質(zhì)流動(dòng)性好，傳熱性能好，控溫靈敏度就高恒溫介質(zhì)流動(dòng)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)溫度均勻攪拌器攪

13、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(jī)械作用繼電器電磁吸引電鍵，后者發(fā)生機(jī)械作用(zuyng)的時(shí)間愈短，斷電時(shí)線圈的時(shí)間愈短，斷電時(shí)線圈 中的鐵芯剩磁愈小，控溫靈敏度就高中的鐵芯剩磁愈小，控溫靈敏度就高;5.電接點(diǎn)溫度計(jì)熱容小，對(duì)溫度的變化敏感，則靈敏度高電接點(diǎn)溫度計(jì)熱容小，對(duì)溫度的變化敏感，則靈敏度高;6. 環(huán)境溫度與設(shè)定溫度的差值越小，控溫效果越好。環(huán)境溫度與設(shè)定溫度的差值越小，控溫效果越好。24第24頁(yè)/共29頁(yè)第二十四頁(yè)，共29頁(yè)。 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)都有自動(dòng)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(jìn)行溫度控制，具有控溫范圍廣、

14、可任意設(shè)定溫度、控溫精度高等優(yōu)點(diǎn)。 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(gè)基本部件，即變換器、電子調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。變換器的功能(gngnng)是將被控對(duì)象的溫度信號(hào)變換成電信號(hào);電子調(diào)節(jié)器的功能(gngnng)是對(duì)來(lái)自變換器的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、比較、放大和運(yùn)算，最后發(fā)出某種形式的指令，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱或致冷。電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)按其自動(dòng)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(dòng)自動(dòng)(zdng)控溫簡(jiǎn)介控溫簡(jiǎn)介 電子調(diào)節(jié)(tioji)系統(tǒng)的控溫原理 25第25頁(yè)/共29頁(yè)第二十五頁(yè)，共29頁(yè)。(a) 斷續(xù)式二位置控制斷續(xù)式二位置控制 (b) 實(shí)驗(yàn)室常用的電烘箱、

15、電冰箱、高溫電爐和恒實(shí)驗(yàn)室常用的電烘箱、電冰箱、高溫電爐和恒溫溫(hngwn)水浴等，大多采用這種控制方法。水浴等，大多采用這種控制方法。變換器的形式分為變換器的形式分為:(c) (1) 雙金屬膨脹式雙金屬膨脹式 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(gè)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(shí)，中心金屬棒便向外伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與溫度成正比。通過(guò)調(diào)節(jié)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的位置，可使其在不同溫度區(qū)間內(nèi)接通或斷開(kāi)，達(dá)到控制溫度的目的。其缺點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室多用導(dǎo)電(dodin)表（電接點(diǎn)溫度計(jì)）作變換器。26第26頁(yè)/共29頁(yè)第二十六頁(yè)，共29頁(yè)。繼電器多采用以下幾種:i. 電子管繼電器 一般與電接點(diǎn)(ji din)溫度計(jì)配合使用ii. 晶體管繼電器 一般與熱敏電阻溫度計(jì)配合使用. iii.動(dòng)圈式溫度控制器 由于溫度控制表、雙金屬 膨脹類 變換器不能用于高溫，因而產(chǎn)生了可用于高溫控制的動(dòng) 圈式溫度控制器。采用能工作于高溫的熱電偶作為變換 器。(b) 繼電器繼電器27第27頁(yè)/共29頁(yè)第二十七頁(yè)，共29頁(yè)。(5) 控溫靈敏度的測(cè)試步驟控溫靈敏度的測(cè)試步