溫 度 的 測 量 與 控 制

1、 化學實驗講座第三部分溫 度 的 測 量 與 控 制一、引言二、溫標三、測溫儀器四、溫度的控制化學化工學院閆龍成 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。由于維.湯姆森在1849年比較完整的建立了熱力學。人們認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)計概念，反映了大量分子無規(guī)則運動的激烈程度?；瘜W化工學院閆龍成 溫 度 的 測 量 與 控 制二、溫標 表示溫度高低的“尺”-溫標。 攝氏溫標：以水的冰點（0）和沸點（100 ）為兩個定點,定點間分100等份,每一等份為1 。 華氏溫標

2、：以水的冰點為32 ，沸點為212 ，為兩個定點,定點間分180等份,每一等份為1 。 由此可見，溫標的確定。要用某一物質(zhì)的某種特性作為溫標的基準點（或稱參考點）。 熱力學溫標：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)?；瘜W化工學院閆龍成 溫 度 的 測 量 與 控 制 設(shè)理想熱機在T1和T2 (T1T2) 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| 熱機效率為： =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)

3、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，就稱為熱力學溫標熱力學溫標。化學化工學院閆龍成 溫 度 的 測 量 與 控 制 對應(yīng)與熱力學溫標的溫度是熱力學溫度，亦稱開爾文溫度(K)，通常叫絕對溫度。 熱力學溫標是理想溫標，國際實用溫標是以熱力學溫標為基礎(chǔ)，用氣體溫度計來實現(xiàn)的。1927年擬定了國際溫標，建立了若干可靠而又能高度重現(xiàn)的固定點。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，溫標多次被修訂，1975年第十五屆國際計量大會通過了“1968年國際實用溫標的修訂”，這是對IPTS-68的補充，并非取代。 1975年規(guī)定的固定

4、點和參考點見復旦大學編物理化學實驗下冊。化學化工學院閆龍成 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種必須使溫度計接觸被測體系,稱為接觸式溫度計, 光學測溫儀不須接觸被測體系,稱為非接觸式溫度計。 1.玻璃液體溫度計測溫2.熱電法測溫3.電阻法測溫4. 氣體溫度計測溫5.光學測溫儀測溫化學化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計1.玻璃液體溫度計測溫 ( -40 400 ) 玻璃液體溫度計是膨脹式溫度計的一種。根據(jù)液體的體積與溫度的函數(shù)關(guān)系來進行溫度測量。水銀溫度計a.水銀溫度計的校正： t = kn (t

5、觀-t環(huán)) k為水銀對玻璃的相對膨脹系數(shù) k=0.00016 n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= t觀+ t b.延遲作用：若溫度計的起始溫度為t0，浸在溫度為tm的物質(zhì)中，溫度計的讀數(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)。化學化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計例如測體溫時，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，計算出溫度t如下表：x(分) 1 3 5 7

6、 9 11 13 15 20T() 27.67 34.19 36.15 36.75 36.92 36.98 36.99 36.998 36.9999 若用貝克曼溫度計在攪拌水中測溫，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。化學化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計c.使用注意事項： 校正 正確讀數(shù) 防止水銀在毛細管上附著 溫度計應(yīng)垂直放置 防止驟冷驟熱 萬一溫度計損壞，水銀灑出，應(yīng)嚴格按照“汞的安

7、全使用規(guī)程”處理。 化學化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計貝克曼溫度計a.特點: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: 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。化學化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計調(diào)整溫度 0 5 10 15 20 25 30讀數(shù)1相當于 0.9936 0.9953 0.9969 0

8、.9985 1.0000 1.0015 1.0029 調(diào)整溫度 35 40 45 50 55 60 65讀數(shù)1相當于 1.0043 1.0056 1.0069 1.0081 1.0093 1.0104 1.0115 調(diào)整溫度 70 75 80 85 90 95 100讀數(shù)1相當于 1.0125 1.0135 1.0144 1.0153 1.0161 1.0169 1.0176露徑校正：t = k(t1 - t2 ) (t + t1 + t2 t)水銀的線膨脹系數(shù)K=000016 t為調(diào)整溫度。t1 、 t2為起始、終了溫度?；瘜W化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 2.熱電偶溫度計（1

9、）.熱電偶溫度計 ( 4 k3000 k )a特點:構(gòu)造簡單,感溫元件熱容量小,測溫范圍廣。b原理:兩種金屬導線構(gòu)成一閉合回路，若兩接點溫度不同，就會產(chǎn)生溫差電勢E。 E=f(T )若一個接點溫度恒定不變，溫差電勢只與一個接點的溫度有關(guān)，即： E=f(T )c種類：根據(jù)組成熱電偶材料不同，可分為： 賤金屬熱電偶 貴金屬熱電偶 難熔金屬熱電偶 非金屬熱電偶化學化工學院閆龍成裝配熱電偶規(guī)格型號：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 我國熱電偶的測量范圍及

10、允差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CWRNK1.5C-40+3752.5 C-40+3330.004ltl37510000.0075 ltl3331200WRMN1.5C-40+3752.5C-40+3330.004 ltl37510000.0075 ltl3331200WREE1.5C-40+3751.5C-40+3330.004 ltl3758000.004 ltl333900WRFJ1.5C-40+3751.5C-40+3330.004 ltl3757500.004 ltl333750WRCT1.5C-40+1251C-40+

11、1330.004 ltl1253500.0075 ltl133350化學化工學院閆龍成裝配熱電偶型號命名方法裝配熱電偶型號命名方法溫 度 的 測 量 與 控 制 2.熱電偶溫度計(2)數(shù)字式精密溫差測量儀(數(shù)字式貝克曼溫度計)原理：(SWC-)技術(shù)指標:溫度測量范圍:-50150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”?；瘜W化工學院閆龍成傳感器放大電路數(shù)模轉(zhuǎn)換單片機顯示輸出儲存溫 度 的 測 量

12、 與 控 制 3.電阻溫度計原理：所有導電物質(zhì)的電阻隨溫度有某種 變化。最普遍使用的電阻溫度計：超低溫（1-20 K ）用鍺、碳電阻溫度計。儲囊式鉑電阻溫度計（10 K -200 ）。桿式鉑電阻溫度計（90 K -630 ）。熱敏電阻（單個溫度間隔可達100 以下。）新型低阻鉑電阻溫度計（400 -1100 ）化學化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 4.氣體溫度計原理：所有氣體溫度計都是基于“理想氣體”的基本方程：PV/T = 常數(shù)。在低壓力下（0.01 - 1 atm）真實氣體與理想氣體的偏差相當小，而且認為是足夠準確的測溫方法。用氦作為填充氣體。特性：氣體溫度計一般用于20K以下

13、，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。化學化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學測溫儀a.原理：通過適當分析物體的輻射得到其溫度。物體輻射的能量(E)與波長()溫度(T)之間遵循普郎克公式： 式中：為物體的輻射系數(shù)， C C1 1 C C2 2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。例如測金點溫度T TAuAu和某一溫度T TX X時， 用輻射能量比就可 以求出待測溫度來。 化學化工學院閆龍成25( )1/11TCTECe22/()/()11AuXXAuCTTCTTEeEe溫 度 的 測 量 與 控 制

14、 5.光學測溫儀b.隱絲式光學高溫計工作原理按“光亮度”設(shè)計的光學高溫計。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。隱絲式光學高溫計最高精度為2度?；瘜W化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學測溫儀化學化工學院閆龍成目鏡濾濾色色片片被測物參比燈物鏡物鏡電流表可變電阻燈絲是黑的燈絲是黑的燈絲消失燈絲消失燈絲是白的燈絲是白的abcC.紅外測溫儀的工作原理 當物體溫度高于絕對零度（-273）時，由于它內(nèi)部分子熱運動存在，就會向空間輻射電磁波，其中就

15、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：化學化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學測溫儀 溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學測溫儀化學化工學院閆龍成被測物體補償電路光學系統(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 溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學測溫儀d.新型光纖點式測溫儀光纖點式測溫儀采用非接觸溫度表面的創(chuàng)新技術(shù)，實現(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

16、、和高性價比的光纖點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，光纖點式測溫儀實質(zhì)是光學點波長的計量，從而計算出溫度，結(jié)構(gòu)圖如下：化學化工學院閆龍成 溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學測溫儀測量溫度范圍：400 1800 ，響應(yīng)時間：0.1s ，溫度分辨率：1 ?；瘜W化工學院閆龍成被測物體光學傳輸單元光學瞄準光直準器固定支架光學處理單元信號處理單元微處理單元顯示輸出二次儀表計算機光纖點式溫儀測溫儀的結(jié)構(gòu)圖溫 度 的 測 量 與 控 制 溫度的控制恒溫控制的原理可分為兩類

17、：1.利用物質(zhì)的相變點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)進行自動調(diào)節(jié)。一、相變點恒溫介質(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 )， 冰-水(0 )， 十水硫酸鈉(32.38 )， 沸點丙酮(56.5 )， 沸點水(100 )， 沸點萘(218.0 )， 沸點硫(444.6 )?；瘜W化工學院閆龍成溫 度 的 測 量 與 控 制 溫度的控制恒溫介質(zhì)浴優(yōu)點：價廉,操作簡便,高穩(wěn)定度。缺點：恒溫溫度不能隨意調(diào)節(jié)。恒溫對象必須浸沒于恒溫介質(zhì)中。這就對實驗條件造成限制。二、電子調(diào)節(jié)控溫 它是實驗中普遍采用的控溫方式。其優(yōu)點是控溫范圍寬，設(shè)定溫度可隨意調(diào)節(jié)，控溫精度高。實驗設(shè)計較少受到限制。 電子調(diào)