溫度的測量與控制

溫度的測量與控制第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制一、引言伽利略在1600年前后制成第一支溫度計(jì)。由于維.湯姆森在1849年比較完整的建立了熱力學(xué)。人們認(rèn)識到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。溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的一個基本參量，它是宏觀的統(tǒng)計(jì)概念，反映了大量分子無規(guī)則運(yùn)動的激烈程度。第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制二、溫標(biāo)表示溫度高低的“尺”----溫標(biāo)。

攝氏溫標(biāo)：以水的冰點(diǎn)（0℃）和沸點(diǎn)（100℃）為兩個定點(diǎn),定點(diǎn)間分100等份,每一等份為1℃。

華氏溫標(biāo)：以水的冰點(diǎn)為32℉，沸點(diǎn)為212℉，為兩個定點(diǎn),定點(diǎn)間分180等份,每一等份為1℉。由此可見，溫標(biāo)的確定。要用某一物質(zhì)的某種特性作為溫標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)（或稱參考點(diǎn)）。

熱力學(xué)溫標(biāo)：1848年由Kelvin提出，它是建立在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上，與測溫物質(zhì)特性無關(guān)。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制設(shè)理想熱機(jī)在T1和T2(T1>T2)二溫度間工作，工作物質(zhì)在溫度T1吸熱Q1，在溫度T2放熱Q2，經(jīng)過一個可逆循環(huán)，對外作功

W=|Q1|-|Q2|熱機(jī)效率η為：

η=1-|Q2|/|Q1|=1-T2/T1

在卡諾循環(huán)中，溫度T1和T2僅與熱量Q1和Q2有關(guān)，與工作物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。若規(guī)定一個固定的溫度T1，則另一個溫度T2可由下式求得：

T2=T1×|Q2|/|Q1|開爾文建議用此原理來定義溫標(biāo)，就稱為熱力學(xué)溫標(biāo)。第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制對應(yīng)與熱力學(xué)溫標(biāo)的溫度是熱力學(xué)溫度，亦稱開爾文溫度(K)，通常叫絕對溫度。熱力學(xué)溫標(biāo)是理想溫標(biāo)，國際實(shí)用溫標(biāo)是以熱力學(xué)溫標(biāo)為基礎(chǔ)，用氣體溫度計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。1927年擬定了國際溫標(biāo)，建立了若干可靠而又能高度重現(xiàn)的固定點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫標(biāo)多次被修訂，1975年第十五屆國際計(jì)量大會通過了“1968年國際實(shí)用溫標(biāo)的修訂”，這是對IPTS-68的補(bǔ)充，并非取代。1975年規(guī)定的固定點(diǎn)和參考點(diǎn)見復(fù)旦大學(xué)編《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》下冊。第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

溫度的測量與控制三、測溫儀器測量溫度的方法按使用儀器不同而不同，一般可分為下列5種，前4種必須使溫度計(jì)接觸被測體系，稱為接觸式溫度計(jì)，光學(xué)測溫儀不須接觸被測體系，稱為非接觸式溫度計(jì)。1.玻璃液體溫度計(jì)測溫2.熱電法測溫3.電阻法測溫4.氣體溫度計(jì)測溫5.光學(xué)測溫儀測溫第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日1.玻璃液體溫度計(jì)1.玻璃液體溫度計(jì)測溫根據(jù)液體的體積與溫度的函數(shù)關(guān)系來進(jìn)行溫度測量。①水銀溫度計(jì)a.水銀溫度計(jì)的校正：

△t=k×h×(t觀-t環(huán))

k為水銀對玻璃的相對膨脹系數(shù)k=0.00016

h為露于被測體系之外水銀柱的長度，以溫度差值表示。

t真實(shí)=t觀+△t

b.延遲作用：若溫度計(jì)的起始溫度為t0，浸在溫度為tm的物質(zhì)中，溫度計(jì)的讀數(shù)t與浸入時間x的關(guān)系是：

t=tm+(t0-tm)e-kx

式中k為一常數(shù)。第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日1.玻璃液體溫度計(jì)例如測體溫時，設(shè)室溫20℃，則t0=20℃，人體溫度為37℃，即tm=37℃，假設(shè)k=1/100秒，代入上式得：

t=tm+(t0-tm)e-kx

=37-17e-x/100代入不同時間x，計(jì)算出溫度t如下表：x(分)135

7911131520t(℃)27.6734.1936.1536.7536.9236.9836.9936.99836.9999若用貝克曼溫度計(jì)在攪拌水中測溫，假設(shè)k=1/9秒，設(shè)浸入時間為1分鐘，溫度變化為1度，則讀數(shù)的延遲誤差為：

△t=t-tm=1×e-kx

=e-60/9=0.0013可以忽略。故溫度計(jì)在被測物質(zhì)中浸入1至6分鐘后讀數(shù)，延遲誤差是不大的。第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制

1.玻璃液體溫度計(jì)c.使用注意事項(xiàng)：ⅰ校正ⅱ正確讀數(shù)ⅲ防止水銀在毛細(xì)管上附著ⅳ溫度計(jì)應(yīng)垂直放置ⅴ防止驟冷驟熱

萬一溫度計(jì)損壞，水銀灑出，應(yīng)嚴(yán)格按照“汞的安全使用規(guī)程”處理。第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日1.玻璃液體溫度計(jì)②貝克曼溫度計(jì)a.特點(diǎn):精密測量溫度差值?？潭戎?.01℃，水銀量可調(diào)節(jié)b.構(gòu)造:c.溫度量程的調(diào)節(jié):

I.連接水銀球與儲汞槽。II.在比所測溫度高3度水浴中恒溫放幾分鐘。III.斷開水銀柱。IV.檢查所調(diào)溫度是否合適。d.使用注意事項(xiàng):I.上端墊高放置。II.輕敲、水平讀數(shù)。III.不能隨意放置。IV.調(diào)整溫度不同所引起的校正。第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制

1.玻璃液體溫度計(jì)調(diào)整溫度051015202530讀數(shù)1相當(dāng)于℃0.99360.99530.99690.99851.00001.00151.0029

調(diào)整溫度35404550556065讀數(shù)1相當(dāng)于℃1.00431.00561.00691.00811.00931.01041.0115

調(diào)整溫度707580859095100讀數(shù)1相當(dāng)于℃1.01251.01351.01441.01531.01611.01691.0176露徑校正：△t=k(t1-t2)(t’+t1+t2–t)水銀的線膨脹系數(shù)k=0.00016t’為調(diào)整溫度。

t1、t2為起始、終了溫度。第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制2.熱電偶溫度計(jì)（1）熱電偶溫度計(jì)A特點(diǎn):構(gòu)造簡單,感溫元件熱容量小,測溫范圍廣。B原理:兩種金屬導(dǎo)線構(gòu)成一閉合回路，若兩接點(diǎn)溫度不同，就會產(chǎn)生溫差電勢E。E=f(△T)若一個接點(diǎn)溫度恒定不變，溫差電勢只與另一接點(diǎn)的溫度有關(guān)，即：E=f(T)C種類：根據(jù)組成熱電偶材料不同，可分為：①賤金屬熱電偶②貴金屬熱電偶③難熔金屬熱電偶④非金屬熱電偶第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日金屬相圖實(shí)驗(yàn)裝置第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日裝配熱電偶規(guī)格型號：無固定裝置熱電偶固定螺紋式熱電偶活動法蘭式熱電偶固定法蘭式熱電偶活絡(luò)管接頭式熱電偶固定螺紋錐形熱電偶直形管接頭式熱電偶固定螺紋接頭式熱電偶活動螺紋管接頭式熱電偶第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日我國熱電偶的測量范圍及允差型號分度號允差等級III允差值測溫范圍°C允差值測溫范圍°CWRNK±1.5°C-40~+375±2.5°C-40~+333±0.004ltl375~1000±0.0075ltl333~1200WRMN±1.5°C-40~+375±2.5°C-40~+333±0.004ltl375~1000±0.0075ltl333~1200WREE±1.5°C-40~+375±1.5°C-40~+333±0.004ltl375~800±0.004ltl333~900WRFJ±1.5°C-40~+375±1.5°C-40~+333±0.004ltl375~750±0.004ltl333~750WRCT±1.5°C-40~+125±1°C-40~+133±0.004ltl125~350±0.0075ltl133~350第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日裝配熱電偶型號命名方法第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制

2.熱電偶溫度計(jì)(2)數(shù)字式精密溫差測量儀(數(shù)字式貝克曼溫度計(jì))原理：(SWC-Ⅱ)技術(shù)指標(biāo):溫度測量范圍:-50℃―150℃，分辨率：0.01℃溫差測量范圍：20℃，時間漂移：<0.0005℃/小時使用方法：a.探頭插入待測體系。b.開啟電源預(yù)熱5分鐘。c.選擇測量方式：“溫度-溫差”按鈕在抬起位用于測溫度，在按下位用于測溫差。d.測溫差時按被測溫度調(diào)節(jié)“基溫選擇”。傳感器放大電路數(shù)模轉(zhuǎn)換單片機(jī)顯示輸出儲存第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日數(shù)字貝克曼溫度計(jì)精密數(shù)字溫度溫差儀第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制3.電阻溫度計(jì)原理：所有導(dǎo)電物質(zhì)的電阻隨溫度有某種變化。

最普遍使用的電阻溫度計(jì)：超低溫（1-20K）用鍺、碳電阻溫度計(jì)。儲囊式鉑電阻溫度計(jì)（10K-200℃）。桿式鉑電阻溫度計(jì)（90K-630℃）。熱敏電阻（單個溫度間隔可達(dá)100℃以下）新型低阻鉑電阻溫度計(jì)（400-1100℃）第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制4.氣體溫度計(jì)原理：所有氣體溫度計(jì)都是基于“理想氣體”的基本方程：pV/T=常數(shù)。在低壓力下（0.01-1atm）真實(shí)氣體與理想氣體的偏差相當(dāng)小，而且認(rèn)為是足夠準(zhǔn)確的測溫方法。用氦作為填充氣體。特性：氣體溫度計(jì)一般用于20K以下，只能用于90K以下，精度為0.01-0.1K。類型：有定容、定壓和定溫三種基本類型。第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制5.光學(xué)測溫儀a.原理：通過適當(dāng)分析物體的輻射得到其溫度。物體輻射的能量(E)與波長(λ)溫度(T)之間遵循普郎克公式：

式中ε為：物體的輻射系數(shù)，C1C2均為常數(shù)。測定兩個溫度下輻射的能量比值，從已知溫度可以算出另一溫度。例如測金點(diǎn)溫度TAu和某一溫度TX時，用輻射能量比就可以求出待測溫度來。

第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制

5.光學(xué)測溫儀b.隱絲式光學(xué)高溫計(jì)工作原理按“光亮度”設(shè)計(jì)的光學(xué)高溫計(jì)。選擇一定波長范圍的濾色片，在這個波長范圍內(nèi)，不同的亮度有不同的溫度。通過調(diào)節(jié)可變電阻將燈絲亮度和被測物體亮度比較，當(dāng)一致時，根據(jù)燈絲亮度和電流間及溫度的對應(yīng)關(guān)系，得出被測物體的溫度。隱絲式光學(xué)高溫計(jì)最高精度為2度。第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制

5.光學(xué)測溫儀目鏡濾色片被測物參比燈物鏡電流表可變電阻燈絲是黑的燈絲消失燈絲是白的abc第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日C.紅外測溫儀工作原理當(dāng)物體溫度高于絕對零度（-273℃）時，由于它內(nèi)部分子熱運(yùn)動存在，就會向空間輻射電磁波，其中就包括波長在0.76um以上的紅外線。紅外測溫儀就是利用物體的紅外輻射特性，依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測器，并轉(zhuǎn)換成電信號，再通過放大電路，補(bǔ)償電路及線性處理后，在顯示器上顯示被測物體的溫度,結(jié)構(gòu)圖如下：溫度的測量與控制

5.光學(xué)測溫儀第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制

5.光學(xué)測溫儀被測物體補(bǔ)償電路光學(xué)系統(tǒng)探測器調(diào)制電路信號處理電路顯示器紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)圖第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日便攜式紅外輻射溫度儀第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

溫度的測量與控制

5.光學(xué)測溫儀d.新型光纖點(diǎn)式測溫儀光纖點(diǎn)式測溫儀采用非接觸溫度表面的創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果與發(fā)熱體的輻射系數(shù)無關(guān)的效果。高精度、高可靠性、和高性價比的光纖點(diǎn)式測溫儀完全可以取代傳統(tǒng)的輻射式紅外測溫儀。原理：物質(zhì)的輻射波長隨溫度變化而改變，每一溫度對應(yīng)的波長與傳輸距離及傳輸介質(zhì)無關(guān)。只要測量波長，即可測得物體的相應(yīng)溫度，光纖點(diǎn)式測溫儀實(shí)質(zhì)是光學(xué)點(diǎn)波長的計(jì)量，從而計(jì)算出溫度，結(jié)構(gòu)圖如下：第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制

5.光學(xué)測溫儀測量溫度范圍：400℃~1800℃，響應(yīng)時間：0.1s，溫度分辨率：1℃。被測物體光學(xué)傳輸單元光學(xué)瞄準(zhǔn)光直準(zhǔn)器固定支架光學(xué)處理單元信號處理單元微處理單元顯示輸出二次儀表計(jì)算機(jī)光纖點(diǎn)式溫儀測溫儀的結(jié)構(gòu)圖第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日溫度的測量與控制溫度的控制恒溫控制的原理可分為兩類：1.利用物質(zhì)的相變點(diǎn)溫度來獲得恒溫條件。2.利用電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)對加熱器或制冷器的工作狀態(tài)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日一、相變點(diǎn)恒溫介質(zhì)浴：將需恒溫體系置于處于相變平衡的物質(zhì)構(gòu)成的“介質(zhì)浴”中，可獲得一個高度穩(wěn)定的恒溫條件。介質(zhì)通常有：液氮(77.3K)，干冰-丙酮(-78.5℃)，