温度的测量与控制讲座蔡跃鹏课件

温度的测量与控制

2011年10月8日

温度是表征体系中物质内部大量分子、原子平均动能的一个宏观物理量。物体内部分子、原子平均动能的增加或减少，表现为物体温度的升高或降低。物质的物理化学特性，都与温度有密切的关系，温度是确定物体状态的一个基本参量，因此准确测量和控制温度，在科学实验中十分重要。21.温度测量的基本依据2.温标3.温度计4.温度控制主要内容

32.温标定义：温度的标准量。确立一种温标，需要确定以下三点：测量物质的选择:测温物质的某种物理性质如:体积、电阻、温差电势以及辐射电磁波的波长等与温度有依赖关系而又有良好的重现性。固定点得选择：物质的物理特性，只能显示。通常是以某些高纯物质的相变温度，作为温标的基准点。温度值得划分：确定基准点之间的分隔，如:摄氏温标是以1atm下水的冰点（0度）和沸点（100度）为两个定点，分为100等份，每一份为1度。用外推法或内插法求得其它温度。5常见温标之一——摄氏温标使用较早，应用方便；用t表示，单位℃；测量物质：水固定点的选择：在标准压力下，水的凝固点（0℃）和沸点（100℃）温度值的划分：在以上两点之间一百等分。6常见温标之二——热力学温标

1848年，由开尔文提出，建立在卡诺循环基础上，与测温物质无关，是一种理想温标；用T表示，单位K；测温物质：水；固定点：使用单一固定点—水的三相点（273.16K）温度值的划分：1K是水的三相点热力学温度的1/273.16。T-t之间的对应关系：T/K=t/℃+273.1573.温度计

（1）原理：对温度计来讲，选择作为测量的物质必须是（1）它的某一物理量容易而能准确地测量；（2）测量值与温度成单调变化关系（一般为线性关系）；（3）这种变化的数量关系能重复得到，这样就可以用这些物质的物理量相对应地表示温度值。根据这些特性设计并制作成各类温度计。如体积，长度，压力，电阻，温差电势，频率和辐射波长等。9(2)温度计的分类按测量方式分类：接触式和非接触式按用途分类：温度测量和温差测量10国际温标规定从低温到高温划分为四个温区，分别选用一个高度稳定的标准温度计来度量各固定点之间的温度值。这四个温区及相应的标准温度计如下：温度范围标准温度计13.81～273.15K铂电阻温度计273.1～903.89K铂电阻温度计903.89K～1337.58K铂铑（10%）-铂热电偶1337.58K以上光学高温计(a)玻璃-水银温度计11水银温度计是实验室常用的温度计。它的结构简单，价格低廉，具有较高的精确度，直接读数，使用方便;但是易损坏，损坏后无法修理。水银温度计适用范围为235.15K到633.15K（水银的熔点为234.45K，沸点为629.85K），如果用石英玻璃作管壁，充入氮气或氩气，最高使用温度可达到1073.15K。常用的水银温度计刻度间隔有:2K、1K、0.5K、0.2K、0.1K等，与温度计的量程范围有关，可根据测定精度选用。*玻璃——水银温度计的校准(1)读数校正零点校正——以纯物质的熔点或沸点作为标准进行校正定点校正——以标准水银温度计为标准，与待校正的温度计同时测定某一体系的温度，将对应值一一记录，做出校正曲线标准水银温度计由多支温度计组成，各支温度计的测量范围不同，交叉组成-10度到360度范围，每支都经过计量部门的鉴定，读数准确。1314水银温度计有“全浸”和“非全浸”两种。非全浸式水银温度计常刻有校正时浸入量的刻度，在使用时若室温和浸入量均与校正时一致，所示温度是正确的。全浸式水银温度计使用时应当全部浸入被测体系中，如不能全部浸没，露出部分与体系温度不同，必须进行校正。称为露茎校正。校正公式为:(2)露茎校正t

kn(t测-t环)(b)温差温度计——贝克曼温度计测量体系温度范围在－20～150℃内的微小温差变化；一般只有5℃量程；它的最小刻度为0.01℃，用放大镜可以读准到0.002℃，测量精度较高；需调节才能适合使用。15

电阻温度计是利用感温元件的电阻随温度变化的特性制成的测温器件。任何物体的电阻都与温度有关，因此都可以用来测量温度。但是，能满足实际要求的并不多。在实际应用中，不仅要求有较高的灵敏度，而且要求有较高的稳定性和重现性。目前，按感温元件的材料来分有金属导体和半导体两大类。金属导体有铂、铜、镍、铁和铑铁合金。目前大量使用的材料为铂、铜和镍。铂制成的为铂电阻温度计，铜制成的为铜电阻温度计，都属于定型产品。半导体有锗、碳和热敏电阻（氧化物）等。

电阻温度计的应用范围已经由中、低温度(-200-850C)范围扩展到1-5C的超低温领域和高温(1000-1200C)范围。(d)热电阻温度计

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两种不同金属导体构成一个闭合线路，如果连接点温度不同，回路中将会产生一个与温差有关的电势，称为温差电势。这样的一对金属导体称为热电偶，可以利用其温差电势测定温度。热电偶根据材质可分为廉价金属、贵金属、难熔金属和非金属四种。(e)热电偶温度计接触电势ε：取决于两种不同材料的性质；温差电势E：E=f(ε，∆T）=f(∆T）=f(T1）18热电偶的两根材质不同的偶丝，需要在氧焰或电弧中熔接。为了避免短路，需将电偶丝穿在绝缘套管中。使用时一般是将热电偶的一个接点放在待测物体中(热端)，而将另一端放在储有冰水的保温瓶中(冷端)，这样可以保持冷端的温度恒定。为了提高测量精度，可将几支热电偶串联，称为热电堆。热电堆的温差电势等于各个热电偶温差电势之和。热电偶是目前工业测温中最常用的传感器，这是由于它具有以下优点：

测温点小，准确度高；灵敏度高，可达10-4℃

；品种规格多，测温范围广，在－270～2800℃范围内有相应产品可供选用；

结构简单，使用维修方便，可作为自动控温检测器等。18热电偶的使用

电偶的五对互连

20(1)恒温槽

恒温槽是常用的一种以液体为介质的恒温装置，根据温度控制范围，可用以下液体介质:-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度用液体石蜡、汽缸润滑油、硅油。1.浴槽；2.加热器；3.搅拌器；4.温度计；5.电接点温度计；6.继电器；7.贝克曼温度计

A:磁性螺旋调节器；B:电极引出线；C:指示螺母；D:可调电极；E:上标尺；F:下标尺。接触式温度计工作原理：

它有两个电极，一个固定与底部水银球相连，另一个可调电极是金属丝，由上部伸入毛细管内。顶端有一个磁铁，可以旋转螺旋丝杆，用以调节金属丝的高低位置，从而调节设定温度。当温度升高时，毛细管仲水银柱上升与金属丝接触，两电极被接通，使继电器线圈中电流断开，加热器停止加热；当温度降低时，水银柱与金属丝断开，继电器线圈通过电流，使加热器线路接通，温度又回升。如此，不断反复，使恒温槽控制在一个微小的温度区间内波动，被测体系的温度也就限制在一个相应的微小区间内，从而达到恒温的目的。21（2）恒温槽——恒温介质的选择根据恒温范围，可以选用不同的恒温介质：－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℃用液体石蜡、汽缸润滑油、硅油。22曲线:(a)表示恒温槽灵敏度较高;(b)表示恒温槽灵敏度较差;(c)表示加热器功率太大;(d)表示加热器功率太小或散热太快控温灵敏度曲线影响恒温槽灵敏度的因素很多，大体有:1.恒温介质流动性好，传热性能好，控温灵敏度就高;2.加热器功率要适宜，热容量要小，控温灵敏度就高;3.搅拌器搅拌速度要足够大，才能保证恒温槽内温度均匀;4.继电器电磁吸引电键，后者发生机械作用的时间愈短，断电时线圈

中的铁芯剩磁愈小，控温灵敏度就高;5.电接点温度计热容小，对温度的变化敏感，则灵敏度高;6.环境温度与设定温度的差值越小，控温效果越好。24实验室内都有自动控温设备，如电冰箱、恒温水浴、高温电炉等。现在多数采用电子调节系统进行温度控制，具有控温范围广、可任意设定温度、控温精度高等优点。电子调节系统种类很多，但从原理上讲，它必须包括三个基本部件，即变换器、电子调节器和执行机构。变换器的功能是将被控对象的温度信号变换成电信号;电子调节器的功能是对来自变换器的信号进行测量、比较、放大和运算，最后发出某种形式的指令，使执行机构进行加热或致冷。电子调节系统按其自动调节规律可以分为断续式二位置控制和比例-积分-微分控制两种:(4)自动控温简介电子调节系统的控温原理25(5)控温灵敏