溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制

1、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)講座第五部分溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制一、引言二、三、測(cè)溫儀器四、溫度的控制1溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制一、引言 伽利略在1600年前后制成第一支溫度計(jì)。由于維.湯姆森在1849年比較完整的建立了熱力學(xué)。人們認(rèn)識(shí)到溫度是表征體系中物質(zhì)內(nèi)部大量分子、原子平均動(dòng)能的一個(gè)宏觀物理量。溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的一個(gè)基本參量，它是宏觀的統(tǒng)計(jì)概念，反映了大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的激烈程度。2溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 二、溫標(biāo) 表示溫度高低的“尺”-溫標(biāo)。 攝氏溫標(biāo)：以水的冰點(diǎn)（0）和沸點(diǎn)（100 ）為兩個(gè)定點(diǎn),定點(diǎn)間分100等份,每一等份為1 。 華氏溫標(biāo)：以水的冰點(diǎn)為32，沸點(diǎn)為212，為

2、兩個(gè)定點(diǎn),定點(diǎn)間分180等份,每一等份為1 。 由此可見，溫標(biāo)的確定。要用某一物質(zhì)的某種特性作為溫標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)（或稱參考點(diǎn)）。 熱力學(xué)溫標(biāo)：1848年由Kelvin提出，它是建立在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上，與測(cè)溫物質(zhì)特性無(wú)關(guān)。3溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 設(shè)理想熱機(jī)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(guò)一個(gè)可逆循環(huán)，對(duì)外作功 W=| Q1|-| Q2| 熱機(jī)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)無(wú)關(guān)。若規(guī)定一個(gè)固定的溫度T1 ，則另一個(gè)溫度T2可由下

3、式求得： T2= T1 | Q2 |/| Q1 |開爾文建議用此原理來(lái)定義溫標(biāo)，就稱為熱力學(xué)溫標(biāo)。4溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 對(duì)應(yīng)與熱力學(xué)溫標(biāo)的溫度是熱力學(xué)溫度，亦稱開爾文溫度(K)，通常叫絕對(duì)溫度。 熱力學(xué)溫標(biāo)是理想溫標(biāo)，國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)是以熱力學(xué)溫標(biāo)為基礎(chǔ)，用氣體溫度計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 1927年擬定了國(guó)際溫標(biāo)，建立了若干可靠而又能高度重現(xiàn)的固定點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫標(biāo)多次被修訂，1975年第十五屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了“1968年國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)的修訂”，這是對(duì)IPTS-68的補(bǔ)充，并非取代。 1975年規(guī)定的固定點(diǎn)和參考點(diǎn)見復(fù)旦大學(xué)編物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)下冊(cè)。5 溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制三、測(cè)溫

4、儀器 測(cè)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(jì)接觸被測(cè)體系，稱為接觸式溫度計(jì)，光學(xué)測(cè)溫儀不須接觸被測(cè)體系，稱為非接觸式溫度計(jì)。 1.玻璃液體溫度計(jì)測(cè)溫2.熱電法測(cè)溫3.電阻法測(cè)溫4.氣體溫度計(jì)測(cè)溫5.光學(xué)測(cè)溫儀測(cè)溫61.玻璃液體溫度計(jì)1.玻璃液體溫度計(jì)測(cè)溫 根據(jù)液體的體積與溫度的函數(shù)關(guān)系來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量。水銀溫度計(jì)a.水銀溫度計(jì)的校正： t = kh (t觀-t環(huán)) k為水銀對(duì)玻璃的相對(duì)膨脹系數(shù) k=0.00016 h為露于被測(cè)體系之外水銀柱的長(zhǎng)度，以溫度差值表示。 t真實(shí)= t觀+ t b.延遲作用：若溫度計(jì)的起始溫度為t0，浸在溫度為tm的物質(zhì)中，溫度計(jì)的讀

5、數(shù)t與浸入時(shí)間x的關(guān)系是： t = tm+ (t0-tm) e-kx 式中k為一常數(shù)。781.玻璃液體溫度計(jì)例如測(cè)體溫時(shí)，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(shí)間x，計(jì)算出溫度t如下表： x(分) 1 3 5 7 9 11 13 15 20 t () 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(jì)在攪拌水中測(cè)溫，假設(shè)k=1/9秒，設(shè)浸入時(shí)間為1分鐘，溫度變化為1度，則讀數(shù)的

6、延遲誤差為： t = t - tm = 1 e-kx = e-60/9 = 0.0013 可以忽略。故溫度計(jì)在被測(cè)物質(zhì)中浸入1至6分鐘后讀數(shù)，延遲誤差是不大的。9溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計(jì)c.使用注意事項(xiàng)： 校正 正確讀數(shù) 防止水銀在毛細(xì)管上附著 溫度計(jì)應(yīng)垂直放置 防止驟冷驟熱 萬(wàn)一溫度計(jì)損壞，水銀灑出，應(yīng)嚴(yán)格按照“汞的安全使用規(guī)程”處理。 101.玻璃液體溫度計(jì)貝克曼溫度計(jì)a.特點(diǎn): 精密測(cè)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(chǔ)汞槽。 II.在比所測(cè)溫度高3度水浴中恒溫放幾分鐘。 III.斷開水銀柱。 IV.檢查所

7、調(diào)溫度是否合適。d.使用注意事項(xiàng): 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。1112溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計(jì)調(diào)整溫度 0 5 10 15 20 25 30讀數(shù)1相當(dāng)于 0.9936 0.9953 0.9969 0.9985 1.0000 1.0015 1.0029 調(diào)整溫度 35 40 45 50 55 60 65讀數(shù)1相當(dāng)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(dāng)于 1.0125 1.0

8、135 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=0.00016 t為調(diào)整溫度。 t1 、 t2為起始、終了溫度。13溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制2.熱電偶溫度計(jì)（1）熱電偶溫度計(jì)A 特點(diǎn):構(gòu)造簡(jiǎn)單,感溫元件熱容量小,測(cè)溫范圍廣。B 原理:兩種金屬導(dǎo)線構(gòu)成一閉合回路，若兩接點(diǎn)溫度不同，就會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)E。 E=f (T )若一個(gè)接點(diǎn)溫度恒定不變，溫差電勢(shì)只與另一接點(diǎn)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

9、難熔金屬熱電偶 非金屬熱電偶14金屬相圖實(shí)驗(yàn)裝置15裝配熱電偶規(guī)格型號(hào)：無(wú)固定裝置熱電偶 固定螺紋式熱電偶活動(dòng)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(dòng)螺紋管接頭式熱電偶16我國(guó)熱電偶的測(cè)量范圍及允差型 號(hào)分 度 號(hào)允 差 等 級(jí)III允差值測(cè)溫范圍C允差值測(cè)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

10、.5C-40+3330.004 ltl3758000.004 ltl333900WRFJ1.5C-40+3751.5C-40+3330.004 ltl3757500.004 ltl333750WRCT1.5C-40+1251C-40+1330.004 ltl1253500.0075 ltl13335017裝配熱電偶型號(hào)命名方法18溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 2.熱電偶溫度計(jì)(2)數(shù)字式精密溫差測(cè)量?jī)x(數(shù)字式貝克曼溫度計(jì))原理： (SWC-)技術(shù)指標(biāo):溫度測(cè)量范圍:-50150，分辨率：0.01 溫差測(cè)量范圍：20 ，時(shí)間漂移： 0.0005 /小時(shí) 使用方法：a.探頭插入待測(cè)體系。b.開啟

11、電源預(yù)熱5分鐘。c.選擇測(cè)量方式：“溫度-溫差”按鈕在抬起位用于測(cè)溫度，在按下位用于測(cè)溫差。d.測(cè)溫差時(shí)按被測(cè)溫度調(diào)節(jié)“基溫選擇”。傳感器放大電路數(shù)模轉(zhuǎn)換單片機(jī)顯示輸出儲(chǔ)存19數(shù)字貝克曼溫度計(jì)精密數(shù)字溫度溫差儀20溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制3.電阻溫度計(jì)原理：所有導(dǎo)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(jì)： 超低溫（1-20 K ）用鍺、碳電阻溫度計(jì)。 儲(chǔ)囊式鉑電阻溫度計(jì)（10 K -200 ）。 桿式鉑電阻溫度計(jì)（90 K -630 ）。 熱敏電阻（單個(gè)溫度間隔可達(dá)100 以下） 新型低阻鉑電阻溫度計(jì)（400 -1100 ）2122溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制4.氣體溫度

12、計(jì)原理： 所有氣體溫度計(jì)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(shí)氣體與理想氣體的偏差相當(dāng)小，而且認(rèn)為是足夠準(zhǔn)確的測(cè)溫方法。用氦作為填充氣體。特性： 氣體溫度計(jì)一般用于20K以下，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。2324溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制5.光學(xué)測(cè)溫儀a.原理：通過(guò)適當(dāng)分析物體的輻射得到其溫度。 物體輻射的能量(E)與波長(zhǎng)()溫度(T)之間遵循普郎克公式： 式中為：物體的輻射系數(shù)， C1 C2均為常數(shù)。 測(cè)定兩個(gè)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(cè)金點(diǎn)溫度T

13、Au和某一溫度TX時(shí)，用輻射能量比就可以求出待測(cè)溫度來(lái)。 2526溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 5.光學(xué)測(cè)溫儀b.隱絲式光學(xué)高溫計(jì)工作原理 按“光亮度”設(shè)計(jì)的光學(xué)高溫計(jì)。選擇一定波長(zhǎng)范圍的濾色片，在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，不同的亮度有不同的溫度。通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻將燈絲亮度和被測(cè)物體亮度比較，當(dāng)一致時(shí)，根據(jù)燈絲亮度和電流間及溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出被測(cè)物體的溫度。隱絲式光學(xué)高溫計(jì)最高精度為2度。27溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 5.光學(xué)測(cè)溫儀目鏡濾色片被測(cè)物參比燈物鏡電流表可變電阻燈絲是黑的燈絲消失燈絲是白的abc28C.紅外測(cè)溫儀工作原理 當(dāng)物體溫度高于絕對(duì)零度（-273）時(shí)，由于它內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)存在

14、，就會(huì)向空間輻射電磁波，其中就包括波長(zhǎng)在0.76um以上的紅外線。紅外測(cè)溫儀就是利用物體的紅外輻射特性，依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測(cè)器，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再通過(guò)放大電路，補(bǔ)償電路及線性處理后，在顯示器上顯示被測(cè)物體的溫度, 結(jié)構(gòu)圖如下：溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 5.光學(xué)測(cè)溫儀29 溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 5.光學(xué)測(cè)溫儀被測(cè)物體補(bǔ)償電路光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器調(diào)制電路信號(hào)處理電路顯示器紅外測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)圖30便攜式紅外輻射溫度儀 31 溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 5.光學(xué)測(cè)溫儀d.新型光纖點(diǎn)式測(cè)溫儀 光纖點(diǎn)式測(cè)溫儀采用非接觸溫度表面的創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與發(fā)熱體的輻射系

15、數(shù)無(wú)關(guān)的效果。高精度、高可靠性、和高性價(jià)比的光纖點(diǎn)式測(cè)溫儀完全可以取代傳統(tǒng)的輻射式紅外測(cè)溫儀。原理：物質(zhì)的輻射波長(zhǎng)隨溫度變化而改變，每一溫度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與傳輸距離及傳輸介質(zhì)無(wú)關(guān)。只要測(cè)量波長(zhǎng)，即可測(cè)得物體的相應(yīng)溫度，光纖點(diǎn)式測(cè)溫儀實(shí)質(zhì)是光學(xué)點(diǎn)波長(zhǎng)的計(jì)量，從而計(jì)算出溫度，結(jié)構(gòu)圖如下：32 溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 5.光學(xué)測(cè)溫儀 測(cè)量溫度范圍：400 1800 ，響應(yīng)時(shí)間：0.1s ，溫度分辨率：1 。被測(cè)物體光學(xué)傳輸單元光學(xué)瞄準(zhǔn)光直準(zhǔn)器固定支架光學(xué)處理單元信號(hào)處理單元微處理單元顯示輸出二次儀表計(jì)算機(jī)光纖點(diǎn)式溫儀測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)圖3334溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制溫度的控制恒溫控制的原理可分

16、為兩類：1.利用物質(zhì)的相變點(diǎn)溫度來(lái)獲得恒溫條件。2.利用電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)加熱器或制冷器的工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。35一、相變點(diǎn)恒溫介質(zhì)?。簩⑿韬銣伢w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(gè)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(diǎn)丙酮(56.5 )， 沸點(diǎn)水(100 )， 沸點(diǎn)萘(218.0 )， 沸點(diǎn)硫(444.6 )。 優(yōu)點(diǎn)：價(jià)廉,操作簡(jiǎn)便,高穩(wěn)定度。 缺點(diǎn)：恒溫溫度不能隨意調(diào)節(jié)。恒溫對(duì)象必須浸沒(méi)于恒溫介質(zhì)中。這就對(duì)實(shí)驗(yàn)條件造成限制。溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 溫度的控制36溫 度 的 測(cè) 量 與 控 制 溫度的控制二、電子調(diào)節(jié)控溫 它是實(shí)驗(yàn)中普遍采用的控溫方式。其優(yōu)點(diǎn)是控溫范圍寬，設(shè)定溫度可隨意調(diào)節(jié)，控溫精度高。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)較少受到限制。 電子調(diào)節(jié)