温度测量12-19

1、温温 度度 测测 量量第一节第一节 概述概述一、温度的基本概念和测量方法 温度是一个基本物理量。 温度的宏观概念是冷热程度的表示温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质。这一宏观特性用温度表示即一切互为热平衡的系统具有相同的温度。 温度的微观概念是大量分子运动平均强温度的微观概念是大量分子运动平均强度的表示度的表示。分子运动愈激烈其温度表现越高。 为对温度的高低进行量度，需要建立统一为对温度的高低进行量度，需要建立统一的标准温度单位，即温标。的标准温度单位，即温标。一、一、 温标温标1.经验温标n经验温标的基础是

2、利用物质体膨胀与温度的关系。认为在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。n按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标和列氏温标。摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“oC“华氏温标：标准仪器是水银温度计，选取氯化铵和冰水混合物的温度为零度，人体温度为100度。水银体积膨胀被分为100份，对应每份的温

3、度为1华氏度，单位为“oF”。按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。摄氏温度和华氏温度的关系为2.热力学温标热力学温标 热力学温标是英国物理学家开尔文(Kelvin)于1848年以热力学第二定律为基础所引出的与测以热力学第二定律为基础所引出的与测温物质无关的温标。温物质无关的温标。热力学温标是以卡诺循环为基础。卡诺定律指出，一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，其效率只与热源和冷源的温度有关。假设热机从温度为T2的热源获得的热量为Q2，放给温度为T1的冷源的热量为Q1，则有 1122QTQT开尔文引出此温标后，于1854年建议用一个固定点来确定此温标。人们发现水的三相点(2

4、73.16K)的稳定性能长期维持在0.1mK范围内。因此，1954年第10届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温际的基本固定点此温标的表达式为： 这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基准。2273.161QTKQ在体积在体积V0或压力或压力p=0的极限情况下，对应的温度为的极限情况下，对应的温度为273.15oC。为了使温标具有连续性为了使温标具有连续性，因而把，因而把273.15oC定义为绝对温度的零度。绝对温标的分度法定义为绝对温度的零度

5、。绝对温标的分度法与摄氏分度法相同，而绝对温度的单位是与摄氏分度法相同，而绝对温度的单位是K。热力学热力学绝对温度绝对温度(用用T表示表示)与摄氏温度与摄氏温度(用用t表示表示)的关系为的关系为式中式中 T0273.153、国际实用温标、国际实用温标 给出了给出了17个定义基准点（特定物质及状态），用个定义基准点（特定物质及状态），用以校准和标定仪器。以校准和标定仪器。 0TTt二、测温方法与测温仪器的分类二、测温方法与测温仪器的分类 按照所用方法之不同，按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接温度测量分为接触式和非接触式两大类。触式两大类。 1. 接触式测温接触式测温 接触式的特点是测温

6、元件直接与被测对象相接触，接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这是感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对是感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。象的温度值。优点：直观可靠。优点：直观可靠。缺点：是感温元件影响被测温度场的分布；接触不良缺点：是感温元件影响被测温度场的分布；接触不良等都会带来测量误差；热惯性大，不便于测量快速等都会带来测量误差；热惯性大，不便于测量快速变化的温度；另外温度太高和腐蚀性介质对感温元变化的温度；另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。

7、件的性能和寿命会产生不利影响。 2、非接触式测温、非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。测量运动物体的温度和快速变化的温度。测温仪器测温仪器 对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。非接触式两大类

8、。 接触式仪器接触式仪器又可分为又可分为: 膨胀式温度计膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计度计) 电阻式温度计电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计温度计) 热电式温度计热电式温度计(包括热电偶和包括热电偶和P-N结温度计结温度计)以及其它原理以及其它原理的温度计的温度计 非接触式温度计非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，计和比色温度计，由于它们都是以光辐射为基础，故也按统称为辐射温度计。故也按统称为辐射温度

9、计。 按照温度测量范围，可分为超低温、低按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。温、中高温和超高温温度测量。 超低温一般是指超低温一般是指010K； 低温指低温指10800K； 中温指中温指8001900K； 高温指高温指19002800K的温度；的温度； 2800K以上被认为是超高温。以上被认为是超高温。第二节第二节 膨胀式温度计膨胀式温度计1. 液体膨胀式温度计 这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计，典型结构如图所示。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。 液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制为了防止毛细管中液注出现断续现象，

10、并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。全浸是指测温时把液柱部分全部浸两种。全浸是指测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。部分浸入是把温度计浸入入被测介质中。部分浸入是把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。如图标志以下的部分插入被测介质中。如图 (b)所示。所示。 全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测量精度较高，故多用于实验室和标准温度量精度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。计，部分浸入式用于一般工业测温。 使用时，如果全浸式温度

11、计的液柱部分不能全部使用时，如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入，如图浸入，如图 (a)所示；或部分浸入式温度计露出部分所示；或部分浸入式温度计露出部分的环境温度与标定时不一致，就会产生测量误差，故的环境温度与标定时不一致，就会产生测量误差，故必须进行修正。方法是用一个小的辅助温度计度计测必须进行修正。方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液柱部分的平均温度，如图所示，并按下式估出露出液柱部分的平均温度，如图所示，并按下式估算温度修正量算温度修正量 t，即即2、压力式温度计、压力式温度计基本原理：密闭系统内的液体或气体压力随温度变化基本原理：密闭系统内的液体或气体压力随温度变化。3、固体膨胀

12、式温度计、固体膨胀式温度计 这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为杆式和双金属式两大类。料制成，分为杆式和双金属式两大类。 下图为杆式温度计的原理图。下图为杆式温度计的原理图。由于芯杆由于芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，故材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。简单的机械放大后，就可直接指示温度值。 双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，金属片牢固结合在一起而

13、制成，一端固定，另一端为自由端。当温度变化时，由于两另一端为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。大机构带动指针指示温度值。为了满足不为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状，如下图所示。的形状，如下图所示。第三节第三节 热电偶温度计热电偶温度计 热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应。（一）热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组

14、成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中即产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结成工作两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结成工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。 (一一)两种导体的接触电动势两种导体的接触电动势两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果NANB电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具

15、有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。式中EAB(T)为A、B两种材料在温度为T时的接触电动势；K为玻耳兹曼常数；e为电子电荷：NA(T)、NB(T)为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。回路中总的接触电势为：回路中总的接触电势为： (二)单一导体中的温差电动势 对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。综

16、上所述，在整个闭合回路中产生的总电动势EAB(T,T0)可表示为由式可知，热电偶总电动势与电子密度NA、NB及两节点温度T、T0有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T，T0)成为温度T和T0的函数差，即工业热电偶的结构：工业热电偶的结构：接线盒、保护套管、接线盒、保护套管、绝缘套管、热电偶绝缘套管、热电偶丝、接线柱等组成丝、接线柱等组成 第四节第四节 电阻温度计电阻温度计利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高1 C 时电阻将增加0.40.6。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高

17、1 C ，电阻约减小26。目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的应用。一、铂电阻温度计一、铂电阻温度计铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。 铂在很宽的温度范围内约1200C以下都能保证上述特性。铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或更细)或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此是一种较好的热电阻材料。缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小； 价格贵。 在0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数为3.9103/C 。 我国已采用IEC标准制作工业铂电阻。按IEC标淮，使用温度

18、已扩大到-200850 C ，初始电阻有100 和50 两种。二、铜电阻温度计二、铜电阻温度计 在一般测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。它可用来测量50150 C 的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系： 铜电阻的缺点是电阻率小 所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为150 C 。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。881.7 109.81 10CuPtmm三、热电阻测量电路三、热电阻测量电路 热电阻把温度量转换成电阻值，这样就可以通过测量电阻来测量温度。测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。 平衡电桥法 平衡电桥法如图所示。在图中，如果电阻R1=R2，当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有00txRRnRLL、R0电位器有效长度和总电阻电位器有效长度和总电阻x电刷位置电刷位置第五节第