溫度的測量與控制講座蔡躍鵬課件

溫度的測量與控制

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(xué)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(zhǔn)確測量和控制溫度，在科學(xué)實驗中十分重要。21.溫度測量的基本依據(jù)2.溫標(biāo)3.溫度計4.溫度控制主要內(nèi)容

32.溫標(biāo)定義：溫度的標(biāo)準(zhǔn)量。確立一種溫標(biāo)，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(biāo)的基準(zhǔn)點。溫度值得劃分：確定基準(zhǔn)點之間的分隔，如:攝氏溫標(biāo)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(biāo)之一——攝氏溫標(biāo)使用較早，應(yīng)用方便；用t表示，單位℃；測量物質(zhì)：水固定點的選擇：在標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)之二——熱力學(xué)溫標(biāo)

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(biāo)；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(xué)溫度的1/273.16。T-t之間的對應(yīng)關(guān)系：T/K=t/℃+273.1573.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(zhǔn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)溫度計如下：溫度范圍標(biāo)準(zhǔn)溫度計13.81～273.15K鉑電阻溫度計273.1～903.89K鉑電阻溫度計903.89K～1337.58K鉑銠（10%）-鉑熱電偶1337.58K以上光學(xué)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。*玻璃——水銀溫度計的校準(zhǔn)(1)讀數(shù)校正零點校正——以純物質(zhì)的熔點或沸點作為標(biāo)準(zhǔn)進行校正定點校正——以標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計為標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確。1314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致，所示溫度是正確的。全浸式水銀溫度計使用時應(yīng)當(dāng)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(zhǔn)到0.002℃，測量精度較高；需調(diào)節(jié)才能適合使用。15

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(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，銅制成的為銅電阻溫度計，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。(d)熱電阻溫度計

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兩種不同金屬導(dǎo)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(dǎo)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ε：取決于兩種不同材料的性質(zhì)；溫差電勢E：E=f(ε，?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(zhǔn)確度高；靈敏度高，可達10-4℃

；品種規(guī)格多，測溫范圍廣，在－270～2800℃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熱電偶的使用

電偶的五對互連

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；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(biāo)尺；F:下標(biāo)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(xì)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(dāng)溫度升高時，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，加熱器停止加熱；當(dāng)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)：－60～30℃用乙醇或乙醇水溶液；0～90℃用水；80～160℃用甘油或甘油水溶液；70～300℃用液體石蠟、汽缸潤滑油、硅油。22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(5)控溫靈敏