轮机工程基础力学部分：温度计

1、仪表与量具 概述 温度是反映物体冷热状态的物理参数。温度是反映物体冷热状态的物理参数。 温度的温度的宏观概念宏观概念是建立在热平衡基础上的。是建立在热平衡基础上的。 任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们 之间必然会发生热交换现象，热量要从温度高之间必然会发生热交换现象，热量要从温度高 的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的 温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。 这也就是热力学第零定律所描述的，系统温度这也就是热力学第零定律所描述的，系统温度 相等是建立热平衡的充要条

2、件相等是建立热平衡的充要条件 温度的温度的微观概念微观概念表明：物体温度的高低表明：物体温度的高低 标志着组成物体的大量分子无规则运动标志着组成物体的大量分子无规则运动 的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的剧烈程度，即对其分子平均动能大小 的一种量度。显然物体的物理化学特性的一种量度。显然物体的物理化学特性 与温度密切相关。与温度密切相关。 u温度的测量温度的测量 当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时，当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时， 则它们就具有相同的温度。因此可以从一个物体的则它们就具有相同的温度。因此可以从一个物体的 温度得知另一个物体的温度，这就是温度得知另一个物体的温度

3、，这就是测温的依据测温的依据。 如果事先已经知道一个物体的某些性质或状态随温如果事先已经知道一个物体的某些性质或状态随温 度变化的确定关系，就可以以温度来量度其性质或度变化的确定关系，就可以以温度来量度其性质或 状态的变化情况，这就是设计与制作温度计的数学状态的变化情况，这就是设计与制作温度计的数学 物理基础。物理基础。 1.常用的温标 温标是温度数值化的标尺。它规定了温度温标是温度数值化的标尺。它规定了温度 的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度 计的刻度数值均由温标确定。计的刻度数值均由温标确定。 1）热力学温标（符号热力学温标（符号T) 热力学温

4、标又称开氏温标（单位热力学温标又称开氏温标（单位K）或绝）或绝 对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对 零度。它建于热力学基础，体现出温度仅与热零度。它建于热力学基础，体现出温度仅与热 量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理 想温标，已由国际权度大会采纳作为国际统一想温标，已由国际权度大会采纳作为国际统一 的基本温标。的基本温标。 2）摄氏温标摄氏温标 摄氏温标规定标准大气压下纯水的摄氏温标规定标准大气压下纯水的 冰融点为冰融点为0度，水沸点为度，水沸点为100度，中间等度，中间等 分为分为100格，每格为摄氏

5、格，每格为摄氏1度，符号为度，符号为。 3）华氏温标华氏温标 华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融 点为点为32度，水沸点为度，水沸点为212度，中间等分度，中间等分180 格，每格为华氏格，每格为华氏1度，符号为度，符号为 。 欧美使用较多。欧美使用较多。 2.常用温标的换算 华氏温标与华氏温标与摄氏温标摄氏温标 或或 热力学温标与热力学温标与摄氏温标摄氏温标 5 CF32 9 F=1.8C+32 T=t+273.15 K 3.计量温标的方法 u温度不能直接测量，而是借助于物质的某温度不能直接测量，而是借助于物质的某 些物理特性是温度的函数，通过对某些物些物理

6、特性是温度的函数，通过对某些物 理特性变化量的测量间接地获得温度值。理特性变化量的测量间接地获得温度值。 u根据温度测量仪表地使用方式，通常可分根据温度测量仪表地使用方式，通常可分 类为类为接触法接触法与与非接触法非接触法两大类。两大类。 1.） 接触法接触法 u当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡 后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度后，则它们的温度必然相等。如果其中之一为温度 计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，计，就可以用它对另一个物体实现温度测量，这种这种 测温方式称为接触法测温方式称为接触法。 u特点：特点：温度计要与被

7、测物体有良好地热接触，使两温度计要与被测物体有良好地热接触，使两 者达到热平衡。者达到热平衡。 u接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被 测介质接触，感受被测物体或被测介质的温度变化。测介质接触，感受被测物体或被测介质的温度变化。 u膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计 接触法测温接触法测温：敏感元件直接与被测对象接触，：敏感元件直接与被测对象接触， 通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的通过传导或对流达到热平衡，反映被测对象的 温度。温度。 优点优点：直观、可靠。：直观、可靠。 缺点缺点：存在负载

8、效应，存在负载效应， 受到测量条件的限制，不能充分接触，使检受到测量条件的限制，不能充分接触，使检 测元件温度与被测对象温度不一致。测元件温度与被测对象温度不一致。 热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。热量传递需要一定时间造成测温滞后现象。 （动态误差）（动态误差） 2）非接触法非接触法 u利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定物体温 度，度，这种测温方式称为非接触法这种测温方式称为非接触法。 u特点：特点：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温不与被测物体接触，也不改变被测物体的温 度分布，热惯性小。度分布，热惯性小。 u通常用来测定通常用来测定

9、10001000以上的移动、旋转或反应迅速以上的移动、旋转或反应迅速 的高温物体的温度。的高温物体的温度。 u在高温范围内，用直接接触测温法非常困难，可采用非在高温范围内，用直接接触测温法非常困难，可采用非 接触式测温法，利用物体的热辐射特性对物体的温度进接触式测温法，利用物体的热辐射特性对物体的温度进 行非接触式测量。行非接触式测量。 u光学高温计光学高温计、比色高温计、辐射高温计、比色高温计、辐射高温计 其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从 被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连

10、续测量不会产生消耗；反应快等。续测量不会产生消耗；反应快等。 一、电阻温度计的种类、原理和应用 WZP2-240/A级级3线线300/150mmE(0-300)隔爆热电阻隔爆热电阻 WZC-111/12*1000mm Cu50铜热电阻铜热电阻 WZPK2-103/B级级6*515mm(0-300)铂热电阻铂热电阻 v金属热电阻（正的温度系数）金属热电阻（正的温度系数） 铂热电阻铂热电阻 铜热电阻铜热电阻 镍热电阻镍热电阻 v半导体热敏电阻（负的温度系数）半导体热敏电阻（负的温度系数） 目前已被采用的电阻温度计具有如下特点：目前已被采用的电阻温度计具有如下特点： （1）在中低温范围内其精确度高于

11、热电偶温度计；）在中低温范围内其精确度高于热电偶温度计； （2）灵敏度高，当温度升高）灵敏度高，当温度升高1时，大多数热电阻的阻值时，大多数热电阻的阻值 增加增加0.4%0.6%，半导体材料的阻值降低，半导体材料的阻值降低3%6%； （3）热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得多，因）热电阻感温部分体积比热电偶的热接点大得多，因 此不宜测量点温度与动态温度，半导体热敏电阻虽然体此不宜测量点温度与动态温度，半导体热敏电阻虽然体 积较小，但其稳定性和复现性却较差。积较小，但其稳定性和复现性却较差。 （4 4）测量范围）测量范围0.1K-1000 0.1K-1000 （5）属于直接测量）属于直接测量

12、 大多数金属和半导体的电阻与温度之间都存在着一定的大多数金属和半导体的电阻与温度之间都存在着一定的 关系，但并不是所有的金属或半导体都能做成电阻温度关系，但并不是所有的金属或半导体都能做成电阻温度 计。用于测温的理想金属应满足以下要求：计。用于测温的理想金属应满足以下要求： （1 1）电阻温度系数要大，）电阻温度系数要大，以得到高敏感度； （2 2）在测温范围内化学与物理性能要稳定； （3 3）金属纯度高；）金属纯度高； （4 4）电阻率要大）电阻率要大，以得到小体积的元件，进而保证热容 量和热惯性小，使得对温度变化的响应比较快； （5 5）电阻温度特性尽可能接近线性，）电阻温度特性尽可能接近

13、线性，以便于分度和读数； （6 6） 易于加工。易于加工。 1、热电阻测温原理、热电阻测温原理 对于一个给定对于一个给定 电阻，其电阻电阻，其电阻 值是温度的单值是温度的单 值函数，因而值函数，因而 可以通过测量可以通过测量 电阻值来推算电阻值来推算 温度。温度。 T Rt 铂电阻 热敏电阻 电阻温度系数：电阻温度系数：在某一温度间隔内，温度变化在某一温度间隔内，温度变化1时的电阻时的电阻 相对变化量，单位为相对变化量，单位为1/ 。 平均电阻温度系数平均电阻温度系数 dt dR Rt 0 1 tR R t 0 v金属导体电阻温度系数一般为正值金属导体电阻温度系数一般为正值 纯金属一般为纯金属

14、一般为0.380.68%，金属纯度越高，其，金属纯度越高，其 电阻温度系数越大电阻温度系数越大 v半导体材料的电阻温度系数一般为负值半导体材料的电阻温度系数一般为负值 2.实例 特点特点：准确度高，稳定性好、性能可靠、：准确度高，稳定性好、性能可靠、 有较高电阻率，广泛应用于基准、标准化有较高电阻率，广泛应用于基准、标准化 仪器中，是目前测温复现性最好的一种。仪器中，是目前测温复现性最好的一种。 使用范围使用范围：-200850，在，在9090年国际温标中年国际温标中 规定 平 衡 氢 三 相 点规定 平 衡 氢 三 相 点 1 3 . 8 k1 3 . 8 k 到 银 凝 固 点到 银 凝

15、固 点 961.78961.78标准仪器应用铂电阻。标准仪器应用铂电阻。 结构结构：电阻丝、：电阻丝、 绝缘管、保护绝缘管、保护 套管、接线盒套管、接线盒 二、热电偶温度计热电偶温度计 1.原理 1）热电效应热电效应：将两种不同材料的导体或将两种不同材料的导体或 半导体组成一个闭和回路，如果两端点的半导体组成一个闭和回路，如果两端点的 温度不同，则回路中将产生一定大小的电温度不同，则回路中将产生一定大小的电 流，这个电流的大小同材料的性质以及节流，这个电流的大小同材料的性质以及节 点温度有关，上述现象称为热电效应。这点温度有关，上述现象称为热电效应。这 个现象是个现象是1821年年Seebec

16、k发现的故又称为发现的故又称为 塞贝克效应。塞贝克效应。 B T A T0 两种不同的导体（或半导体）两种不同的导体（或半导体）A A和和B B组成闭组成闭 合回路，如下图所示。当合回路，如下图所示。当A A和和B B相接的两个接相接的两个接 点温度点温度T T和和T T0 0不同时，则在回路中就会产生一不同时，则在回路中就会产生一 个电势，这种现象叫做个电势，这种现象叫做热电效应热电效应。由此效应。由此效应 所产生的电势，通常称为所产生的电势，通常称为热电势热电势，用符号，用符号EAB （T，T0）表示。表示。 B A TT0 参考端 冷端 工作端 热端 图中的闭合回路称为图中的闭合回路称为

17、热电偶热电偶，导体，导体A 和和B称为热电偶的称为热电偶的热电极热电极。热电偶的两个。热电偶的两个 接点中，置于被测介质（温度为接点中，置于被测介质（温度为T）中的）中的 接点称为接点称为工作端或热端工作端或热端，温度为参考温，温度为参考温 度度T0的一端称为的一端称为参考端或冷端参考端或冷端。热电偶。热电偶 产生的热电势由两部分组成：产生的热电势由两部分组成：接触电势接触电势 和温差电势和温差电势。 接触电势接触电势当两种不同的导体接触时，由于两当两种不同的导体接触时，由于两 者者有不同的电子密度而产生的电势。有不同的电子密度而产生的电势。 接触电势用接触电势用EAB(T)表示，其数值可用下

18、式表示，其数值可用下式 表示表示 式中式中 e 单位电荷，单位电荷，4.802X10-10静电单位；静电单位； K波尔兹曼常数，波尔兹曼常数，K=1.3810-23J/K； NA(T)、NB(T)材料材料A、B在温度为在温度为T 时的自由电子密度；时的自由电子密度； TA、B接触点的温度，接触点的温度，K。 A AB B N (T)KT E(T)ln eN (T) u从理论上可以证明该接触电势的大小和方从理论上可以证明该接触电势的大小和方 向主要取决于向主要取决于两种材料的性质（电子密度）两种材料的性质（电子密度） 和接触面温度的高低和接触面温度的高低。 u温度越高，接触电势越大；两种导体电子

19、温度越高，接触电势越大；两种导体电子 密度比值越大，接触电势也越大。密度比值越大，接触电势也越大。 温差电势温差电势 热电偶闭合回路的总热电势热电偶闭合回路的总热电势 对于由对于由A和和B两种导体组成的热电偶闭合两种导体组成的热电偶闭合 回路，设两端温度接点温度分别为回路，设两端温度接点温度分别为T和和T0，且，且 TT0，NANB；那么回路中存在两个接触电势；那么回路中存在两个接触电势 EAB(T)和和EAB(T0)，两个温差电势，两个温差电势EA(T,T0)和和 EB(T,T0)。因此回路的总热电势为。因此回路的总热电势为 AB0ABAB0B0A0 E(T,T )E(T)E(T )E (T

20、,T )E (T,T ) 0 T A0A T A K1 E (T,T )d(NT) eN 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温 度有关。如果使度有关。如果使E EAB AB( (T T0 0)= )=常数，则回路热电势常数，则回路热电势E EAB AB( (T T， ， T T0 0) )就只与温度就只与温度T T有关，而且是有关，而且是T T的单值函数。的单值函数。 只有当热电偶两端温度不同只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同热电偶的两导体材料不同 时才能有热电势产生。时才能有热电势产生。 结论：结论： 热电偶回路热电势只与

21、组成热电偶的材料及两端温度有 关；与热电偶的长度、粗细无关。 只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶； 相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同 一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。 2.种类 300多，常用7种 （1）廉金属热电偶）廉金属热电偶 1）T型（铜康铜）热电偶型（铜康铜）热电偶 2）K型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶型（镍铬镍铝或镍硅）热电偶 3）E型（镍铬康铜）热电偶型（镍铬康铜）热电偶 4）J型（铁康铜）热电偶型（铁康铜）热电偶 （2）贵金属热电偶）贵金属热电偶 1）S型（铂铑型（铂铑10铂）热电偶铂）热电偶 2）R型（铂铑型（铂铑13铂）热电偶铂）热电偶 3）B型（铂铑型（铂铑30铂铑铂铑6）热电偶）热电偶 热电偶结构热电偶结构 （1）热电极）热电极 （2）绝缘套管）绝缘套管 （3）保护套管）保护套管 （4）接线盒）接线盒 3.船用 (P171） 三、膨胀式温度计 膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的 原理制成的温度计，主要有原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温液体膨胀式温 度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计 三种。三种。 1）工作原理）工作原理 w利用玻璃管内液体的体积随温度利用玻璃管内液体的体积随温度 的升高而膨胀的原理。的升高而膨胀的原理。