溫度的基本概念和測量方法

第十章溫度的測量110.1概述一、溫度的基本概念和測量方法

宏觀概念---是物體冷熱程度的表示.

熱平衡的兩物體，其溫度相等。微觀概念---是大量分子運(yùn)動平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。

2一、溫度的基本概念和測量方法

溫度量的特殊性:1.二溫度不能相加或相減；2.無標(biāo)準(zhǔn)量直接進(jìn)行比較測量；3.溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量。3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)）和測量溫度的基本單位。目前國際上用的較多的溫標(biāo)有經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)(華氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)等)、熱力學(xué)溫標(biāo)。二、溫標(biāo)4二、溫標(biāo)1.經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)以物體熱脹冷縮現(xiàn)象為基礎(chǔ)。認(rèn)為選定的測溫物質(zhì)體積的變化與溫度成線性關(guān)系。把在兩溫度點(diǎn)之間體積的總變化分為若干等分，每個等分定義為1度。按這個原則建立的有攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)。5攝氏溫標(biāo)：標(biāo)準(zhǔn)儀器是水銀玻璃溫度計。規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)為0度，沸點(diǎn)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，按照華氏溫標(biāo)，水的冰點(diǎn)為32oF，沸點(diǎn)是212oF。分成180等份，對應(yīng)每份的溫度為1華氏度，單位為“oF”。攝氏溫度和華氏溫度的關(guān)系為：6

2.熱力學(xué)溫標(biāo)

熱力學(xué)溫標(biāo)又稱開爾文溫標(biāo)，或稱絕對溫標(biāo)。分子運(yùn)動停止時的溫度為絕對零度；熱力學(xué)溫標(biāo)（符號為T）它的單位為開爾文（符號為K），定義為水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1/273.16。相當(dāng)攝氏溫標(biāo)0℃，華氏溫標(biāo)32℉的開氏溫標(biāo)為273.15K。7三、測溫方法與測溫儀器的分類

溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。

1.接觸式測溫測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換達(dá)到熱平衡，這時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。優(yōu)點(diǎn)：直觀可靠。缺點(diǎn):感溫元件影響被測溫度場的分布；接觸不良等帶來測量誤差；高溫和腐蝕性介質(zhì)影響感溫元件的性能和壽命。82、非接觸式測溫

感溫元件不與被測對象相接觸，而通過熱輻射進(jìn)行熱交換；具有較高的測溫上限；熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于測量運(yùn)動物體的溫度和快速變化的溫度。9接觸式與非接觸式測溫特點(diǎn)比較方式

接觸式

非接觸式

測量條件

感溫元件要與被測對象良好接觸；感溫元件的加入幾乎不改變對象的溫度；被測溫度不超過感溫元件能承受的上限溫度;被測對象不對感溫元件產(chǎn)生腐蝕需準(zhǔn)確知道被測對象表面發(fā)射率；被測對象的輻射能充分照射到檢測元件上

測量范圍

特別適合1200℃以下、熱容大、無腐蝕性對象的連續(xù)在線測溫，對高于l300℃以上的溫度測量較困難原理上測量范圍可以從超低溫到極高溫，但1000℃以下，測量誤差大，能測運(yùn)動物體和熱容小的物體溫度

精度

工業(yè)用表通常為1.0、0.5、0.2及0.1級，實(shí)驗(yàn)室用表可達(dá)0.01級通常為1.0、1.5、2.5級

響應(yīng)速度慢，通常為幾十秒到幾分鐘快，通常為2～3秒鐘

其它特點(diǎn)

整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測物體實(shí)際溫度；可方便地組成多路集中測量與控制系統(tǒng)整個測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測物體表現(xiàn)溫度(需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測溫、控溫一體化的溫度控制裝置103、測溫儀器接觸式測溫儀器

膨脹式溫度計（包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫度計）：利用物體熱脹冷縮原理

電阻式溫度計（包括金屬熱電阻溫度計和半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計）：利用電阻隨溫度變化的特性

熱電式溫度計（包括熱電偶和P-N結(jié)溫度計以及其它原理的溫度計）：利用熱電效應(yīng)非接觸式溫度計

可分為輻射溫度計、亮度溫度計和比色溫度計，由于它們都是以熱輻射為基礎(chǔ)，故也統(tǒng)稱為輻射溫度計。11各類溫度檢測方法構(gòu)成的測溫儀表的大體測溫范圍1210.2膨脹式溫度計和壓力式溫度計1.液體膨脹式溫度計由液體儲存器、毛細(xì)管和標(biāo)尺組成。測溫上限取決于所用液體汽化點(diǎn)的溫度，下限受液體凝點(diǎn)溫度的限制。為防止毛細(xì)管中液柱出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，并提高測溫液體的沸點(diǎn)，常在毛細(xì)管中液體上部充以一定壓力的氣體。一、膨脹式溫度計是基于物體受熱時產(chǎn)生膨脹的原理，分為液體膨脹式和固體膨脹式兩類。1314液體玻璃溫度計分全浸式和部分浸入式兩種。全浸：測溫時把液柱部分全部浸入被測介質(zhì)中。部分浸入：把溫度計部分插入被測介質(zhì)中。全浸式測量精度較高，故多用于實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)準(zhǔn)溫度計，部分浸入式用于一般工業(yè)測溫。

修正值計算：15162、固體膨脹式溫度計金屬材料的熱膨脹效應(yīng)也可以作為溫度測量的基礎(chǔ)。以鋁為例，當(dāng)溫度改變ΔT=1℃時，初始長度L0=10cm的鋁條的長度變化為

可見想要直接利用金屬的線膨脹來測溫度，需要測量微米級的長度變化，這樣做不太實(shí)用。17將膨脹系數(shù)不同的兩種材料結(jié)合在一起，對膨脹系數(shù)加以放大。分為桿式和雙金屬式兩大類。范圍：-30~600oC；

精度：級

1819

雙金屬片溫度計是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固結(jié)合在一起而制成，一端固定，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。

雙金屬片溫度計20

設(shè)在零攝氏度時雙金屬片處于沒有彎曲的水平狀態(tài)，當(dāng)溫度變?yōu)門時，自由端的彎曲變形為:式中：K——兩種金屬的熱膨脹系數(shù)的差值；

L——雙金屬片的長度；

T——溫度；

t——雙金屬片的厚度。

設(shè)雙金屬片的長度為L=10cm，厚度為t=0.0005m，鋼和鋅的熱膨脹系數(shù)的差值為K=20×10-6/℃，溫度改變ΔT=1℃時，自由端的變形量為21

為了滿足不同用途的要求，雙金屬元件制成各種不同的形狀。22雙金屬溫度計的感溫雙金屬元件的形狀有平面螺旋型和直線螺旋型兩大類，其測溫范圍大致為-80℃—600℃，精度等級通常為1.5級左右。雙金屬溫度計抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不太高，只能用做一般的工業(yè)用儀表。23二、壓力溫度計壓力溫度計是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體、蒸汽在體積不變的條件下其壓力與溫度呈確定函數(shù)關(guān)系的原理實(shí)現(xiàn)其測溫功能的。壓力溫度計的典型結(jié)構(gòu)示意圖24這類壓力溫度計其毛細(xì)管細(xì)而長(規(guī)格為1—60m)它的作用主要是傳遞壓力，長度愈長，則使溫度計響應(yīng)愈慢，在長度相等條件下，管愈細(xì)，則準(zhǔn)確度愈高。壓力溫度計和玻璃溫度計相比，具有強(qiáng)度大、不易破損、讀數(shù)方便，但準(zhǔn)確度較低、耐腐蝕性較差等特點(diǎn)。電接點(diǎn)壓力式溫度計

252610.4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1C

時電阻將增加0.4％～0.6％。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1C

，電阻約減小2％～6％。目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳。2728(一)鉑電阻溫度計鉑是一種貴金屬。它的特點(diǎn)是精度高，性能穩(wěn)定性，耐氧化性能很強(qiáng)。鉑在1200C以下都能保證上述特性。鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，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，因此普遍認(rèn)為是一種較好的熱電阻材料。缺點(diǎn)：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較小；價格貴29

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)A為3.85×10-3/C

。

按IEC標(biāo)淮，使用溫度已擴(kuò)大到-200～850C，初始電阻有100和10兩種。30目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt100和Pt10，其中Pt100更為常用。當(dāng) ℃時 當(dāng) ℃時

31(二)銅電阻溫度計在測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地使用銅電阻。它可用來測量-50~+150C的溫度，在這溫度范圍內(nèi)，銅電阻和溫度呈線性關(guān)系：32銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率小。

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。銅很容易氧化，所以它的工作上限為150C

。但銅電阻價格便宜，因此仍被廣泛采用。初始電阻有100和50兩種。33材料：特點(diǎn)：分類：（1）溫度系數(shù)大→靈敏度高（為熱電阻10-100倍）（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小→可以測量點(diǎn)溫度（3）電阻率高、熱慣性小→適于動態(tài)測溫（4）易于維護(hù)、使用壽命長→適于現(xiàn)場測溫（5）互換性差，非線性嚴(yán)重，精度低正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)

半導(dǎo)體---半導(dǎo)體熱電阻（6）成本低，應(yīng)用廣泛非線性(三)半導(dǎo)體熱敏電阻34(四)熱電阻測量電路

熱電阻把溫度量轉(zhuǎn)換成電阻量，測量電阻通?？衫脷W姆表或電橋。

w

平衡電橋法如果電阻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L、R0——電位器有效長度和總電阻x——電刷位置35(五)電阻溫度計的測溫誤差

熱電阻測溫系統(tǒng)的誤差包括：

熱電阻的基本誤差引線電阻誤差

36

自熱誤差由流過電阻體的電流引起電流，輸出信號，自熱誤差一般工業(yè)熱電阻工作電流被限制在6mA以內(nèi)，這樣自熱溫差就不會超過0.1C。37引線電阻誤差電路中兩根連線的電阻隨環(huán)境溫度變化時，全部變化量都加在同一橋臂上，帶來連線誤差。為了減小該項(xiàng)誤差，一般采用三線連接法，將熱電阻的兩根連線分別置于相鄰兩橋臂內(nèi)，溫度引起連線電阻的變化對電橋的影響相互抵消。38三線制接法39二線制接法要求引線電阻不超過銅電阻R0的0.2%40

四線制接法電位差計測量電阻電路41(五)P-N結(jié)與集成電路溫度傳感器1、鍺和硅二極管的正向壓降以-2mV/C的斜率隨溫度變化；2、晶體管的基極-發(fā)射極電壓Vbe與溫度基本成線性關(guān)系。

集成電路溫度傳感器將溫敏晶體管與激勵電路、放大電路等輔助電路集成在同一塊芯片上，能直接給出正比于絕對溫度的理想線性輸出，一般用于-55℃~150℃之間的溫度測量，AD590（1μA/C），ICL8073（1mV/C

）….

4210.5光輻射測溫方法及儀表非接觸測溫—利用光輻射來測量物體溫度

1、任何物體溫度高于絕對零度（-273.16C）時，都將有熱輻射，溫度越高，則發(fā)射到周圍空間的能量就越多。

2、輻射能以波動形式表現(xiàn)出來，其波長的范圍極廣，從短波、x光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。

3、溫度測量中主要是可見光和紅外光，因?yàn)榇祟惸芰勘唤邮找院?，多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽刮矬w的溫度升高，所以一般就稱為熱輻射。43

輻射測溫特點(diǎn)：非接觸測量---不影響被測溫度分布響應(yīng)速度快：對高速運(yùn)動物體測溫。靈敏度高，能分辨微小的溫度變化；測量范圍廣(-10～1300C)；抗干擾能力強(qiáng)，無需修正。44一、熱輻射基本定律

(一)基爾霍夫定律

(二)斯忒潘—玻耳茲曼定律（三）普朗克定律（四）維恩位移定律45出射輻射能與吸收輻射能的一致性

輻通量：單位時間內(nèi)通過某一截面的輻射能，又稱輻射功率，SI單位為瓦。

(一)基爾霍夫定律光譜吸收率：

----表示物體對輻射到其上的輻通量可吸收的比例。式中，為被物體吸收的輻通量；為照射到物體單位面積上的輻通量。4647基爾霍夫定律：輻射出射度：從輻射源表面單位面積發(fā)射出的輻通量，某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。

48基爾霍夫定律：在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。49結(jié)論：則：物體的光譜發(fā)射率等于其光譜吸收率。吸收輻射能力強(qiáng)的物體，受熱后向外輻射的能力也強(qiáng)；50(二)斯忒潘—玻耳茲曼定律

物體輻射出射度與溫度間的關(guān)系溫度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。輻射式溫度計測溫的理論根據(jù)。51（三）普朗克定律（單色輻射強(qiáng)度定律）式中，

c―光速；

h―普朗克常數(shù)，6.626176×10-34J·s；

k―波爾茲曼常數(shù)，1.38066244×10-23J/K；

C1―第一輻射常數(shù)，3.7418×10-16W·m2；

C2―第二輻射常數(shù)，1.4388×10-12m·K；

T―絕對溫度。溫度為T的單位面積元的絕對黑體，在半球面方向所輻射的波長為λ的輻射出射度為描述輻射能量在各波長上的分布關(guān)系也可以用輻射亮度來表示：52（四）維恩位移定律

最大輻射波長與溫度的關(guān)系

熱輻射光譜中包含著各種波長，從實(shí)驗(yàn)可知，物體峰值輻射波長與物體自身的絕對溫度T成以下關(guān)系53溫度升高：單色輻射強(qiáng)度隨溫度升高而增加；總輻射能量增加；峰值波長減小。每一條曲線下的面積表示該溫度下物體輻射能量的總和，與溫度的四次方成正比。54二、輻射溫度計（一）全輻射溫度計利用物體的溫度與總輻射出射度的關(guān)系來測量溫度的。根據(jù)斯忒潘一玻耳茲曼定律總輻射出射度為：55采用敏感元件測量出輻射功率的大小，就可以測量出被測對象的溫度；主要由光學(xué)系統(tǒng)、輻射接收器、測量儀表和輔助裝置組成；可用于測量-50～20000C的高溫；對物體黑度系數(shù)的估計偏差會給儀表帶來誤差；環(huán)境溫度的變化也會使儀表產(chǎn)生誤差。56被測物與儀表之間的距離要滿足距離系數(shù)要求：L/D（傳感器前端面到被測對象表面的距離與被測對象的有效直徑之比）進(jìn)行正確瞄準(zhǔn)，使目標(biāo)的像充滿接收器，不能偏離，否則也會產(chǎn)生誤差。57應(yīng)該注意：儀表是以絕對黑體輻射功率與溫度的關(guān)系分度的，而實(shí)際使用時，被測物體并不是黑體，這樣測出的溫度自然要低于被測物體的實(shí)際溫度。這個溫度被稱為“輻射溫度”。T和TF分別為物體的真實(shí)溫度和輻射溫度；T為溫度T時物體全輻射的發(fā)射率。因?yàn)榉呛隗wεT<1，則TF<T58(二)部分輻射溫度計

為提高儀表的靈敏度，熱敏元件不采用熱電堆，而采用光電池、光敏電阻以及其它的一些探測元件，這些元件和熱電堆相比具有光譜選擇性，它們僅能對某一波長范圍的光譜產(chǎn)生效應(yīng)。因此它們對測量的要求是，只能使工作光譜僅限于一定的光譜范圍內(nèi)。我們稱此類輻射溫度計為部分輻射溫度計。59紅外輻射測溫儀HY-30360三、亮度溫度計燈絲隱滅