溫度測(cè)量概述

1、熱工測(cè)量?jī)x表溫度測(cè)量概述1一、溫度測(cè)量的意義溫度：衡量物體冷熱程度的物理量、分子無序運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的體現(xiàn)對(duì)于平衡系統(tǒng),它標(biāo)志物體內(nèi)部分子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度 借助某種物質(zhì)的某種特性(如體積,長(zhǎng)度和電阻)隨溫度變化規(guī)律測(cè)量,從而形成各種不同溫度計(jì)溫度為內(nèi)涵量，不像其它基本物理量（廣延量）可以疊加2二、溫標(biāo)溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測(cè)量，而用來量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。溫標(biāo)三要素（基本條件）：溫度計(jì)、固定點(diǎn)、內(nèi)插函數(shù)目前國(guó)際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。31 華氏溫標(biāo)和攝氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)（oF）

2、規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為32度，水的沸點(diǎn)為212度，中間劃分180等分，每等分為華氏1度，符號(hào)為oF。攝氏溫標(biāo)（）規(guī)定：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的熔點(diǎn)為0度，水的沸點(diǎn)為100度，中間劃分100等分，每等分為攝氏1度，符號(hào)為。42 熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)）熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開爾文溫標(biāo)，或稱絕對(duì)溫標(biāo)，它規(guī)定分子運(yùn)動(dòng)停止時(shí)的溫度為絕對(duì)零度，記符號(hào)為K。1848年湯姆遜首先依據(jù)卡諾循環(huán)為基礎(chǔ)提出。在卡諾循環(huán)中有以下方程式：表示工質(zhì)在溫度為T1的熱源吸收熱量Q1，而在溫度為T2的能源釋放熱量Q2。如果指定定點(diǎn)溫度T2，就可以根據(jù)上式求得未知溫度T1。顯然上式與工質(zhì)本身的種類和性質(zhì)無關(guān)，所以這個(gè)方法建立起來的

3、熱力學(xué)溫標(biāo)就避免了分度的“任意性”。（針對(duì)華氏和攝氏溫標(biāo)）但卡諾循環(huán)是理想循環(huán)，不是真實(shí)存在的。實(shí)際上使用氫、氦和氮等近似理想氣體作出定容式溫度計(jì)，并根據(jù)熱力學(xué)第二定律定出這種氣體溫度計(jì)的修正值，然后用氣體溫度計(jì)來制定熱力學(xué)溫標(biāo)。53 國(guó)際溫標(biāo)由于氣體溫度計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便，除了在低溫測(cè)量中使用外，還必須建立一種能夠用計(jì)算公式傳遞的、既能高精度復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)，又在使用上簡(jiǎn)便的溫標(biāo)，用它來統(tǒng)一各國(guó)之間的溫度計(jì)量，這就是國(guó)際溫標(biāo)。經(jīng)國(guó)際上協(xié)商建立的國(guó)際溫標(biāo)，它通常具備的條件：盡可能接近熱力學(xué)溫度復(fù)現(xiàn)精度高，各國(guó)均能以很高的準(zhǔn)確度復(fù)現(xiàn)同樣的溫標(biāo)用于復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)使用方便、性能穩(wěn)定61927年國(guó)際溫

4、標(biāo)(ITS-27)1948年國(guó)際溫標(biāo)(ITS-48)1968年國(guó)際溫標(biāo)(ITS-68)1990年國(guó)際溫標(biāo)(ITS-90)國(guó)際溫標(biāo)做重大修改的原因：固定點(diǎn)的改變內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)儀器（溫度計(jì)）的改變內(nèi)插公式的改變1990.1.1，各國(guó)開始使用ITS-90溫標(biāo)國(guó)際溫標(biāo)同時(shí)使用國(guó)際開爾文溫度T90和國(guó)際攝氏溫度t90： t90=T90-273.157國(guó)際溫標(biāo)（1）溫度的單位熱力學(xué)溫度（符號(hào)T或T90）：K（開爾文）它規(guī)定水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度為273.16K，定義開爾文一度等于水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。由于習(xí)慣，溫度也可以使用攝氏溫度來表示，其符號(hào)為t，單位為 。它定義為： t=T-273.15因此

5、水的三相點(diǎn)為0.018（2）國(guó)際溫標(biāo)ITS-90的溫度范圍 ITS-90由0.65K向上到基于普朗克輻射定律使用單色輻射實(shí)際可測(cè)量的最高溫度。 與直接測(cè)量熱力學(xué)溫度相比，T90的測(cè)量要方便得多，而且更為精密，并具有很高的復(fù)現(xiàn)性。9（3）ITS-90的定義第一溫區(qū)為0.65K到5.00K之間, T90由3He和4He的蒸氣壓與溫度的關(guān)系式來定義。第二溫區(qū)為3.0K到氖三相點(diǎn)(24.5661K)之間T90是用氦氣體溫度計(jì)來定義.第三溫區(qū)為平衡氫三相點(diǎn)(13.8033K)到銀的凝固點(diǎn)(961.78)之間,T90是由鉑電阻溫度計(jì)來定義.它使用一組規(guī)定的定義固定點(diǎn)及利用規(guī)定的內(nèi)插法來分度.第四溫區(qū):銀凝

6、固點(diǎn)(961.78)以上的溫區(qū),T90是按普朗克輻射定律來定義的,復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì)10ITS-90的定義固定點(diǎn)共17個(gè)11ITS-90溫度范圍內(nèi)插儀器1234.93K24.5561K3K 5K 13.8033K0.65K氦蒸汽壓氣體溫度計(jì)鉑電阻溫度計(jì)輻射溫度計(jì)12（4） 溫標(biāo)的傳遞國(guó)際溫標(biāo)由各國(guó)計(jì)量部門按規(guī)定分別保持和傳遞。在我國(guó)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院用國(guó)際溫標(biāo)規(guī)定的各定義固定點(diǎn)和一整套基準(zhǔn)儀器來復(fù)現(xiàn)，并由各省級(jí)計(jì)量局逐級(jí)傳遞到測(cè)溫儀表和實(shí)驗(yàn)用精密測(cè)溫儀表。13我國(guó)溫標(biāo)傳遞系統(tǒng)示意圖14三、測(cè)溫原理1、接觸式測(cè)溫原理2、熱輻射測(cè)溫原理151. 接觸法 原理：當(dāng)溫度計(jì)與物體接觸并經(jīng)足夠長(zhǎng)時(shí)間達(dá)

7、到熱平衡后，二者溫度必然相等 特點(diǎn)：溫度計(jì)與被測(cè)物體需良好熱接觸二者達(dá)到熱平衡易測(cè)量1000以下溫度，精度通常為0.5%1%，據(jù)測(cè)量條件可達(dá)0.01%響應(yīng)速度較慢(12min)，可能會(huì)破壞溫度場(chǎng)，不適于運(yùn)動(dòng)物體易受被測(cè)介質(zhì)腐蝕，對(duì)感溫元件結(jié)構(gòu)、性能要求苛刻 常用接觸式測(cè)溫儀表：膨脹式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、熱電阻、熱電偶等162. 非接觸法 原理：凡高于絕對(duì)零度的物體都具有發(fā)出輻射的能力, 利用物體的熱輻射隨溫度變化原理 特點(diǎn)：測(cè)量1000以上移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或反應(yīng)迅速的高溫物體溫度測(cè)量；不與被測(cè)物體接觸，不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小響應(yīng)速度較快，約23s 常用非接觸式測(cè)溫儀表：光學(xué)高溫計(jì)、比色

8、高溫計(jì)和輻射高溫計(jì)17普朗克輻射定律18黑體輻射亮度與波長(zhǎng)及溫度的關(guān)系19四、測(cè)溫方法的分類按測(cè)溫原理及所用的感溫元器件的不同可分為：膨脹式、電阻式、熱電式和輻射式以及比較特殊的半導(dǎo)體溫度傳感器、光纖溫度傳感器等按測(cè)溫元件是否與被測(cè)物體接觸，可分為接觸式和非接觸式20常見的幾種測(cè)溫方法序號(hào)溫度計(jì)分類溫度計(jì)作用原理1膨脹式溫度計(jì)（液、固）液體、固體受熱膨脹2壓力式溫度計(jì)（液體式、氣體式、蒸汽式）封閉在固定容積中的液體、氣體或液體的飽和蒸汽受熱體積膨脹或壓力變化3電阻溫度計(jì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體受熱電阻變化4熱電偶溫度計(jì)熱電偶的熱電勢(shì)和溫度有關(guān)5輻射式溫度計(jì)（光學(xué)式、輻射式、比色式）物體熱輻射與溫度有關(guān)6氣

9、體溫度計(jì)利用理想氣體PVf(T)的關(guān)系7聲學(xué)溫度計(jì)氣體中聲的傳播速度與溫度有關(guān)8噪聲溫度計(jì)電阻體中噪聲電壓平方與溫度成正比9磁溫度計(jì)順磁體材料的磁化率隨溫度變化21五、利用熱脹冷縮原理的溫度計(jì)1 膨脹式溫度計(jì)：液體膨脹式溫度計(jì)固體膨脹式溫度計(jì)2 壓力式溫度計(jì)：液體壓力式溫度計(jì)氣體壓力式溫度計(jì)蒸氣壓力式溫度計(jì)225.1 膨脹式溫度計(jì)1 液體膨脹式溫度計(jì)液體膨脹式溫度計(jì)中使用最廣泛的就是水銀玻璃溫度計(jì)，簡(jiǎn)稱玻璃溫度計(jì)。構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便、準(zhǔn)確度高和價(jià)格低廉。多為棒式。測(cè)溫范圍一般為：39356攝氏度。如在玻璃管內(nèi)充8MPa的氮?dú)?，采用石英玻璃管，上限可?50攝氏度。如用其它低凝固點(diǎn)的液體，下限可

10、到200攝氏度。按用途：1工業(yè)用：尾部多樣，帶保護(hù)罩。2標(biāo)準(zhǔn)用：分為一等和二等，校驗(yàn)用。按測(cè)溫范圍制成多只成套用。3實(shí)驗(yàn)室用：結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)相仿，準(zhǔn)確度較高。使用方法：液柱全部浸入，才能得到準(zhǔn)確值。23原理工作液的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于玻璃液體：玻璃：V1=V2=Vo相對(duì)膨脹系數(shù)安裝：方便讀數(shù)，安全可靠垂直安裝為宜測(cè)量管道內(nèi)流體溫度時(shí)，應(yīng)使溫度計(jì)的溫包置于管道中心線位置，插入方向須與流體流動(dòng)方向相反24測(cè)溫誤差分析玻璃材料較大熱滯后效應(yīng)，當(dāng)測(cè)高溫后立即測(cè)低溫，溫包不能立即恢復(fù)至起始體積，使溫度計(jì)零點(diǎn)漂移，引起誤差溫度計(jì)浸沒深度不夠引起誤差溫度計(jì)標(biāo)定時(shí)，全部液柱均浸沒于被測(cè)介質(zhì)中，實(shí)際使用時(shí)只有部分液柱浸沒

11、其中，引起指示值偏離被測(cè)介質(zhì)的真實(shí)值部分浸沒時(shí)，需修正： t=n(t-ta)n露出部分所占刻度數(shù)工作液對(duì)玻璃的相對(duì)體膨脹系數(shù)（汞0.00016，酒精0.000103）t 溫度計(jì)的示值ta 環(huán)境溫度25練習(xí)題 某測(cè)量蒸氣管道中蒸汽溫度的水銀溫度計(jì)指示值為280，溫度計(jì)浸沒深度處的刻度為60，液柱露出部分的環(huán)境平均溫度為30，試求蒸汽的真實(shí)溫度？262 固體膨脹式溫度計(jì)利用固體受熱膨脹原理制成的溫度計(jì)，分為：桿式溫度計(jì)和雙金屬溫度計(jì)。其中雙金屬溫度計(jì)使用最多。雙金屬溫度計(jì)原理：兩種線膨脹系數(shù)不同的雙金屬片疊焊在一起制成。金屬片一段固定，另一端可自由移動(dòng)。如果下方金屬的線膨脹系數(shù)較大，則溫度升高時(shí)會(huì)

12、向上彎曲變形。溫度越高，彎曲的角度越大。27為了使雙金屬材料長(zhǎng)而結(jié)構(gòu)緊湊，占據(jù)的空間小而變形顯著，常將金屬片繞制成螺旋形，將一段固定，另一端和指針相連接，受熱后金屬片自由端的偏轉(zhuǎn)角度可用下式計(jì)算式中：K-比彎曲， t-被測(cè)溫度， t0-儀表起始溫度， h-雙金屬片厚度， L-雙金屬片展開長(zhǎng)度28雙金屬溫度計(jì)又可分為桿型和盒型兩種，通常以桿型雙金屬溫度計(jì)使用最多，桿型中按其表盤位置的不同可分為軸向型和徑向型，也有設(shè)計(jì)成表盤位置可以任意轉(zhuǎn)動(dòng)的。雙金屬溫度計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)自1.0級(jí)至2.5級(jí)都有。29雙金屬溫度計(jì)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗震性能好，比水銀溫度計(jì)堅(jiān)固，且可避免水銀污染，因此工業(yè)上逐步用它取代水銀溫

13、度計(jì)。雙金屬溫度計(jì)結(jié)構(gòu)（a）軸向型（b）徑向型1-表殼 2-刻度盤 3-活動(dòng)螺母 4-保護(hù)套管 5-指針軸 6-感溫元件 7-固定端305.2 壓力式溫度計(jì)原理：根據(jù)在封閉容器中的液體、氣體或低沸點(diǎn)液體的飽和蒸汽受熱后體積膨脹或壓力變化制作，并用壓力表測(cè)量這種壓力變化來測(cè)得溫度。結(jié)構(gòu)：溫包、毛細(xì)管和彈性壓力表受毛細(xì)管長(zhǎng)度限制，工作距離60mm，工作溫度： -50550動(dòng)態(tài)性能差，滯后性大，不能測(cè)量快速變化的溫度311 液體壓力式溫度計(jì)原理：金屬溫包和金屬毛細(xì)管一端相連，毛細(xì)管另一端和彈簧壓力計(jì)連接。溫包、毛細(xì)管和彈簧管內(nèi)充滿液體。液體受熱后壓力升高，壓力經(jīng)毛細(xì)管傳遞給彈簧管，使彈簧管變形，從而

14、使彈簧管壓力表工作，并在其溫度標(biāo)尺上給出被測(cè)溫度值。測(cè)量上限壓力可達(dá)17.5MPa。32332 氣體壓力式溫度計(jì)原理：根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式PV=mRT可知：如果體積一定，壓力和溫度成正比。在溫度不太低而壓力不太高時(shí)，一般氣體都能較準(zhǔn)確地遵守氣體狀態(tài)方程式。溫度測(cè)量范圍：氮?dú)猓瑴y(cè)量最高溫度可達(dá)500到550攝氏度，低溫下充氫氣，測(cè)溫下限可達(dá)120攝氏度。壓力范圍：初始充氣壓力為13MPa，上限壓力受系統(tǒng)承受的限制，一般為6MPa。343 蒸汽壓力式溫度計(jì)原理：道爾頓飽和蒸汽壓定律液體的飽和蒸汽壓只和氣液分界面的溫度有關(guān)。注意：壓力和溫度的關(guān)系非線性，需要采用補(bǔ)償措施（變剛度彈簧管或壓力表的連桿

15、機(jī)構(gòu)補(bǔ)償）使溫度刻度線性化。液體沸點(diǎn)(。 C)臨界溫度(。C)臨界壓力(MPa)典型量程（ 。 C）氯甲烷24.2143.16.45050溴甲烷4.62580丁烷-0.5153.03.532080氯乙烷12.37187.25.1030100乙醚34.51193.860160丙酮56.2232.05.10100120乙醇78.5243.16.18100180水100.0374.021.3120220甲苯110.6320.64.08150250氬-187.5-122.04.71354 壓力式溫度計(jì)的附加誤差（1）溫包浸入深度的影響；（2）環(huán)境溫度的影響；（3）大氣壓力的影響；（4）液柱高度的影響。36壓力溫度計(jì)基本參數(shù)表特性及參數(shù)液體