第四章溫度測量第次

第四章溫度測量第次第一頁，共四十四頁，2022年，8月28日國際單位制是1960年第十一屆國際計量大會通過的。國際單位制中的七個基本單位：米（長度：m）；千克（質(zhì)量：kg）；秒（時間：s；安培（電流：A）；開爾文（熱力學(xué)溫度：K）；摩爾（物質(zhì)的量：mol）；坎德拉（發(fā)光強(qiáng)度：cd）國際單位制第二頁，共四十四頁，2022年，8月28日博士生入學(xué)考試題：在我國，二十四節(jié)氣已有兩千年的歷史。你知道這些節(jié)氣是如何確定的？根據(jù)你所知道的二十四節(jié)氣的名稱及相應(yīng)的含義，說明在中國古代就有比較明確的“溫度”概念。(10分)答：二十四節(jié)氣是古代先人觀測地球圍繞太陽運(yùn)動而定出的，它實(shí)際上是將地球軌道分成了二十四個等分點(diǎn)，并考慮了太陽的傾角和日照時間。例如“春分”和“秋分”是太陽直射赤道，白天和夜間長度相等。而“夏至”與“冬至”則是日照最長和最短的時刻。因日照長短而地球的平衡，氣溫則有高低的變化。其中與感覺溫度直接相關(guān)的有“小暑”、“大暑”、“處暑”、“小寒”、“大寒”，與溫度變化有關(guān)的有“雨水”、“驚蜇”、“谷雨”、“白露”、“寒露”、“霜降”、“小雪”、“大雪”，再加上與“春”、“夏”、“秋”、“冬”有關(guān)的8個節(jié)氣，幾乎囊括了二十四節(jié)氣，這實(shí)際上是先人們對我國中原地區(qū)一年四季溫度變化的既定性、又定量的總結(jié)。這在世界上是最早的溫度定義。

第三頁，共四十四頁，2022年，8月28日一、溫度的概念宏觀概念：溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。文字溫度計：嚴(yán)寒、大寒、小寒、小暑、大暑、酷暑、但憑感覺不可靠，感覺只定性不定量。人們感覺溫度實(shí)際上是散熱量，溫度、濕度、風(fēng)速和人的主觀印象對冷熱感覺都有影響。微觀概念：溫度的微觀概念是大量分子運(yùn)動平均強(qiáng)度的表示。分子運(yùn)動愈激烈其溫度表現(xiàn)越高。第四頁，共四十四頁，2022年，8月28日自然界中幾乎所有的物理化學(xué)過程都與溫度緊密相關(guān).溫度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)試驗以及日常生活中需要普遍進(jìn)行測量和控制的一個重要物理量。第五頁，共四十四頁，2022年，8月28日二、溫度的測量依據(jù)ZerothLawofThermodynamicsTwobodieswhichareeachinthermalequilibriumwithathirdbodyareinthermalequilibriumwitheachother.這是從自然界中長期觀察總結(jié)而來，并在實(shí)踐中沒有發(fā)現(xiàn)例外。Thislawprecedesthefirstlawandiscalledthermalbalancelaw.Thethirdsystemofthezerothlawcanbeathermometer.第六頁，共四十四頁，2022年，8月28日歷史上最早測量溫度的記載戰(zhàn)國末期秦相呂不韋等著《呂氏春秋·察今》所說：“審堂下之陰而知日月之行，陰陽之變；見瓶水之冰而知天下之寒，魚鱉之藏也。”

賈思勰（xie）是我國北魏末期（公元六世紀(jì)）杰出的農(nóng)業(yè)科學(xué)家。在他的《齊民要術(shù)》中談：制酪的溫度要“小暖于人體”，作豉則“令溫如腋下為佳”，即人們自身的體溫是衡量溫度的標(biāo)準(zhǔn)。

人作為溫血動物，體溫一般保持在較恒定的范圍內(nèi)。在公元六世紀(jì)雖沒研究出精確的溫度和測溫方法，制酪和作豉都是食品發(fā)酵過程，需要嚴(yán)格的發(fā)酵溫度，賈思勰能用人體作為測溫的參照物，應(yīng)是世界上最早溫度測量的實(shí)例。其中“令溫如腋下為佳”，體現(xiàn)了熱力學(xué)第零定律。第七頁，共四十四頁，2022年，8月28日三、溫度的測量方法根據(jù)測溫儀器的使用方式，溫度測量方法一般分為接觸法和非接觸法兩大類。1、接觸法：測溫儀器與被測物體直接接觸，在足夠長的時間內(nèi)達(dá)到熱平衡，以實(shí)現(xiàn)溫度測量。2、非接觸法：測溫儀器與被測物體互不接觸，利用物體的熱輻射（或其它特性），通過對輻射能量（或亮度）隨溫度變化的原理測定物體溫度。第八頁，共四十四頁，2022年，8月28日兩種測溫方法特性比較項目接觸法非接觸法特點(diǎn)不宜測量熱容量小的物體，易破壞被測物體溫度場，可測量任何部位溫度，便于多點(diǎn)集中測量和自動控制。不改變被測介質(zhì)溫度場，適宜動態(tài)溫度測量，通常測量表面溫度。測量條件測溫元件要與被測對象接觸好，測溫元件不要使被測對象的溫度發(fā)生變化。被測對象發(fā)出的輻射能充分照射到檢測元件，準(zhǔn)確知道被測對象的有效發(fā)射率測量范圍適宜測量1000℃以下的溫度測量1000℃以上的溫度較準(zhǔn)確，但測量1000℃以下的溫度誤差大。精確度通常為0.5%～1%，依據(jù)測量條件可達(dá)0.01%通常為20℃左右，條件好的可達(dá)5～10℃。響應(yīng)時間通常較大，約1～2min通常較小，約2～3s，遲緩的也在10s內(nèi)第九頁，共四十四頁，2022年，8月28日3、測溫儀器分類分類作用原理測溫范圍℃接觸式測溫儀器膨脹式溫度計液體式利用液體或固體受熱膨脹原理－200～750固體式壓力式溫度計液體式利用封閉在固定體積中的氣體、液體或某種液體的飽和蒸汽受熱后壓力變化原理－40～300氣體式蒸汽式電阻溫度計導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻隨溫度變化－200～500熱電偶溫度計利用熱電勢與溫度關(guān)系

0～1600第十頁，共四十四頁，2022年，8月28日3、測溫儀器分類分類作用原理測溫范圍℃非接觸式測溫儀器輻射式溫度計亮度式利用物體熱輻射與溫度的關(guān)系600～3000輻射式比色式其他接觸式測溫儀器復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫度測溫儀器氣體溫度計利用理想氣體PV＝f(T)的關(guān)系－聲學(xué)溫度計氣體中聲的傳播速度與溫度的關(guān)系－噪聲溫度計電阻體中噪聲電壓平方與溫度成正比－磁溫度計順磁性材料磁化率隨溫度變化－第十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日四、溫標(biāo)及其傳遞1、什么是溫標(biāo)？溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接得到。定義：用來衡量物體溫度高低的標(biāo)尺（基準(zhǔn)量）稱為溫度標(biāo)尺，簡稱溫標(biāo)。溫標(biāo)規(guī)定了溫度的始點(diǎn)和測量溫度的基本單位，各種測溫儀器的分度均有溫標(biāo)確定。只有建立了精確的溫標(biāo)，溫度的數(shù)值才能確定。第十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日舉例：對水銀溫度計來說，測溫物質(zhì)是水銀，試問如何對該溫度計進(jìn)行分度才能用來測量溫度值？分析：根據(jù)水銀的體積變化隨溫度的關(guān)系。這里水銀的體積與溫度呈線性關(guān)系：

如果能知道兩個溫度點(diǎn)時水銀的體積，就能確定系數(shù)K和C，這樣就能通過測量體積的變化來求相應(yīng)的溫度值。第十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日四、溫標(biāo)及其傳遞

2、建立溫標(biāo)的三要素（1）固定點(diǎn)：指某些純物質(zhì)各相間或復(fù)現(xiàn)的平衡態(tài)溫度的給定值。如：水三相點(diǎn)、沸點(diǎn)、冰點(diǎn)，金屬的凝固點(diǎn)。注：定義固定點(diǎn)是在一定條件下，某些高純物質(zhì)在平衡態(tài)所具有的溫度。固定點(diǎn)的溫度除水三相點(diǎn)是定義外，其他都是根據(jù)各國標(biāo)準(zhǔn)氣體溫度計來測定，并以機(jī)率最高的數(shù)值來給定。第十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日（2）內(nèi)插儀器：固定點(diǎn)確定后，選擇某種物質(zhì)某種隨溫度明顯、單調(diào)變化的特性來標(biāo)志溫度，即表示固定點(diǎn)之間溫度的溫度計。（3）內(nèi)插公式：用來確定固定點(diǎn)之間溫度量值的數(shù)學(xué)關(guān)系式。第十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日3、溫標(biāo)的種類（1）經(jīng)驗溫標(biāo)：任選一種測溫物質(zhì)，然后通過任選的固定點(diǎn)，隨意規(guī)定溫度數(shù)值同測溫物質(zhì)的測量參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，并由此構(gòu)成溫標(biāo)。在眾多的經(jīng)驗溫標(biāo)中，以華氏、列氏和攝氏溫標(biāo)最為著稱。名稱符號創(chuàng)造者測溫物質(zhì)固定點(diǎn)1固定點(diǎn)2年代華氏oF華倫海特水銀冰點(diǎn)32水沸點(diǎn)2121724列氏oR列奧米爾4/5酒精加1/5水冰點(diǎn)0水沸點(diǎn)801730攝氏oC攝爾修斯水銀冰點(diǎn)0水沸點(diǎn)1001742第十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日經(jīng)驗溫標(biāo)依賴于測溫物質(zhì)的物理特性，使溫標(biāo)的量值不僅不夠準(zhǔn)確，而且互不一致。中間刻度與物性有關(guān)，如水銀的刻度與酒精的膨脹性質(zhì)不一定相同。

幾種溫度計在0-100℃范圍內(nèi)的實(shí)驗結(jié)果1二氧化碳2水銀3鉑銠-鉑熱電偶4鉑電阻第十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日（2）理想氣體溫標(biāo)當(dāng)氣體的壓強(qiáng)趨于零或比容趨于無窮大時，氣體的特性趨近于理想氣體。利用理想氣體特性而建立的溫標(biāo)完全與測溫介質(zhì)無關(guān)，稱為理想氣體溫標(biāo)。

pV=nRT

在自然界中，理想氣體是不存在的，常用實(shí)際氣體如氫、氬、氦、氮等復(fù)現(xiàn)理想氣體溫標(biāo)。但是不同氣體的膨脹系數(shù)不同，特別是在低溫時；而且在低溫和高溫端，氣體特性偏離理想氣體狀態(tài)方程，氣體的測溫范圍仍然受限制。而且絕對零的概念不明確。第十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日第十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日（3）熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)是以熱力學(xué)第二定律和卡諾定理為基礎(chǔ)制定的。根據(jù)卡諾定理，在兩個固定熱源之間工作的一切可逆熱機(jī)的效率相等，與熱機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作物質(zhì)無關(guān)，而只與兩個熱源的溫度有關(guān)。

第二十頁，共四十四頁，2022年，8月28日熱力學(xué)溫標(biāo)是開爾文于1848年提出來的，故又稱開氏溫標(biāo)，單位為開爾文(K)，也稱為絕對熱力學(xué)溫標(biāo)，簡稱絕對溫標(biāo)。人們發(fā)現(xiàn)水的三相點(diǎn)的穩(wěn)定性能長期維持在0.1mK范圍內(nèi)。1954年國際計量大會決定把水三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度規(guī)定為273.16K。水的三相點(diǎn)即純水、純冰與蒸汽平衡時的狀態(tài)。這一規(guī)定說明，所謂1K就是水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度的1／273.16倍，而溫標(biāo)的零點(diǎn)在水的三相點(diǎn)以下273.16K。第二十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日水三相點(diǎn)圖和水三相點(diǎn)容器第二十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日由于卡諾循環(huán)是一種理想循環(huán)，因而熱力學(xué)溫標(biāo)是與測溫介質(zhì)無關(guān)的理想溫標(biāo)，它不能直接用于實(shí)際的溫度測量。當(dāng)都以水三相點(diǎn)作為固定點(diǎn)時，熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)所得到的溫度數(shù)值完全一致。這樣可以用理想氣體溫標(biāo)來實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)。實(shí)際上通常用氫、氦和氮等近似理想氣體作出定容式氣體溫度計，并根據(jù)熱力學(xué)第二定律定出對該氣體溫度計的修正值，然后用氣體溫度計來實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)。第二十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日（4）國際溫標(biāo)氣體溫度計是復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的一種手段，由于它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用不便。為了克服氣體溫度計的缺點(diǎn)，便于溫度測量，統(tǒng)一當(dāng)時各國存在的各種經(jīng)驗溫標(biāo)，經(jīng)國際協(xié)商，決定采用一種國際上能夠通用的溫標(biāo)，這就是國際溫標(biāo)。這種溫標(biāo)應(yīng)滿足三個條件：(1)應(yīng)盡可能和熱力學(xué)溫標(biāo)一致；(2)復(fù)現(xiàn)精度高，使各國都能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)同樣的溫標(biāo)；(3)使用方便，能滿足生產(chǎn)中的需要。第二十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日（4）國際溫標(biāo)國際溫標(biāo)必須具備三個基本條件，又稱國際溫標(biāo)三要素，即：(1)基準(zhǔn)固定點(diǎn)；(2)基準(zhǔn)內(nèi)插儀器；(3)內(nèi)插公式?！?927年國際溫標(biāo)”是第一個國際性溫標(biāo)，幾乎每隔20年就要進(jìn)行一次較為重大的修訂。至今已經(jīng)歷了1948年，1954年，1960年，1968年，1975年和1990年六次修訂。從1990年起，一切溫度測量都以ITS90為準(zhǔn)。從1991年7月1日起，我國實(shí)行1990國際溫標(biāo)。

第二十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日基準(zhǔn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)是用來分度溫度計的分度點(diǎn)。根據(jù)國際溫標(biāo)要求，選擇一些純物質(zhì)的三相點(diǎn)，凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)作為固定點(diǎn)，這些純物質(zhì)的相平衡溫度都具有很好的復(fù)現(xiàn)性。通常在低溫區(qū)多用氫、氧、氬以及水的三相點(diǎn)，在中高溫區(qū)多用錫、鋅、銀、金、鋁、銅等金屬的凝固點(diǎn)作為固定點(diǎn)。每一次的國際溫標(biāo)都有不同的固定點(diǎn)，比如：1927年國際溫標(biāo)有6個固定點(diǎn)（氧沸點(diǎn)、冰融點(diǎn)、水沸點(diǎn)、硫沸點(diǎn)、銀和金凝固點(diǎn)）；1948年國際溫標(biāo)有11個固定點(diǎn)；1968年國際溫標(biāo)有14個固定點(diǎn)；1990年國際溫標(biāo)有16個固定點(diǎn)。第二十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日基準(zhǔn)內(nèi)插儀器國際溫標(biāo)中規(guī)定了三種內(nèi)插儀器：光學(xué)（光電）高溫計，鉑銠10－鉑熱電偶以及鉑電阻溫度計。不同的溫區(qū)，所用的內(nèi)插儀器也不同。根據(jù)1990國際溫標(biāo)，961.78oC以上用光學(xué)高溫計。在13.8033K－961.78oC溫區(qū)間，用鉑電阻溫度計，它的感溫元件必須是無應(yīng)力的，經(jīng)過仔細(xì)退火的高純鉑絲制成。第二十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日內(nèi)插公式內(nèi)插公式就是內(nèi)插儀器的測溫參量與溫度間的關(guān)系表達(dá)式。在每個溫區(qū)，都有各自的內(nèi)插公式。國際溫標(biāo)中規(guī)定的熱電偶內(nèi)插公式為：將熱電偶在銻、銀和金的凝固點(diǎn)下分度，測得相應(yīng)的熱電勢，求得三個常數(shù)。第二十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日4、溫標(biāo)的傳遞溫度測量必須通過儀表來實(shí)現(xiàn)。溫度測量儀表通常分為：基準(zhǔn)儀器、標(biāo)準(zhǔn)儀器、（包括一、二、三等）、工作儀表。溫標(biāo)的傳遞，應(yīng)包括兩個方面：一是對各種測溫儀表進(jìn)行分度，才能用于測量；另一方面，就是對儀表進(jìn)行檢定，才能保證量值的準(zhǔn)確一致。

溫標(biāo)的傳遞系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是采用準(zhǔn)確度高的測量儀表，對準(zhǔn)確度較低的測溫儀表逐級進(jìn)行檢定。

國際溫標(biāo)由各國計量部門按規(guī)定分別保持和傳遞。在我國，國際溫標(biāo)的復(fù)現(xiàn)和保持，由中國計量科學(xué)院來執(zhí)行，并由各省市計量局逐級傳遞到工業(yè)和實(shí)驗用測溫儀表。第二十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日我國溫標(biāo)傳遞系統(tǒng)圖第三十頁，共四十四頁，2022年，8月28日作業(yè)題1、熱力學(xué)溫標(biāo)的理論基礎(chǔ)是什么？如何近似實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)？2、為什么要建立國際溫標(biāo)？舉例分別闡述國際溫標(biāo)的三要素。3、簡述溫標(biāo)傳遞的內(nèi)容。第三十一頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十二頁，共四十四頁，2022年，8月28日4.1熱電偶測溫?zé)犭娕紲囟扔嫷奶攸c(diǎn)（1）結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，測量范圍寬，準(zhǔn)確度高，熱慣性小。（2）可用于流體溫度測量，以及固體溫度測量。（3）可以測量靜態(tài)溫度，也能測量動態(tài)溫度。（4）能直接輸出直流電壓信號，或方便地轉(zhuǎn)換成線性化的直流電流信號，便于測量、信號傳輸、自動記錄和自動控制等。第三十三頁，共四十四頁，2022年，8月28日一、熱電偶的測溫原理及特點(diǎn)熱電效應(yīng)及熱電勢（1）熱電效應(yīng)：兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料組成閉合回路，如果兩個接合點(diǎn)處的溫度不相同，則回路中就會有電流存在，即有電動勢存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。（2）熱電勢：由該熱電效應(yīng)所產(chǎn)生的電動勢，通常稱為熱電勢。第三十四頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十五頁，共四十四頁，2022年，8月28日一、熱電偶的測溫原理及特點(diǎn)1、接觸電勢當(dāng)兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料相互接觸時，由于內(nèi)部電子密度不同，若NA>NB，則會有一部分電子從A擴(kuò)散到B,使得A失去電子而呈正電位，B獲得電子而呈負(fù)電位，最終形成由A向B的靜電場。靜電場的作用又阻止電子由A向B擴(kuò)散，同時加速電子向相反方向轉(zhuǎn)移。當(dāng)擴(kuò)散力和電場力達(dá)到平衡時，材料A和B之間形成一個電位差，稱為接觸電勢。第三十六頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十七頁，共四十四頁，2022年，8月28日一、熱電偶的測溫原理及特點(diǎn)2、溫差電勢溫差電勢是由于同一種導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料其兩端溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。因材料兩端溫度不同，則兩端的電子所具有的能量不同，溫度較高的一端電子具有較高的能量，其電子將向溫度較低的一端運(yùn)動，于是在材料兩端之間形成一個由高溫端指向低溫端的靜電場。電子遷移力和靜電場力達(dá)到平衡時形成的電位差叫溫差電勢。其方向由低溫端指向高溫端。第三十八頁，共四十四頁，2022年，8月28日第三十九頁，共四十四頁，2022年，8月28日一、