溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制課件

溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制1一、溫標(biāo)溫度數(shù)值的表示方法稱為溫標(biāo)。即：為度量物體溫度高低而對(duì)溫度零點(diǎn)和分度方法所做的一種規(guī)定，是溫度的單位制。一、溫標(biāo)2測(cè)量任一物理量須滿足以下條件：(1)定義物理量的單位。例如長(zhǎng)度單位為米。(2)規(guī)定物理量單位的大小。(3)可復(fù)現(xiàn)的測(cè)量工具。例如尺子。測(cè)量任一物理量須滿足以下條件：3溫標(biāo)三要素：(1)選擇測(cè)溫儀器(復(fù)現(xiàn)溫度計(jì))溫度參數(shù)是不能直接測(cè)量的，一般只能利用某些物質(zhì)的某種與溫度有依賴關(guān)系而又有良好重現(xiàn)性的物理性質(zhì)，通過(guò)對(duì)這些特性參數(shù)的測(cè)量間接地獲得。溫標(biāo)三要素：4

(2)確定固定點(diǎn)測(cè)溫物質(zhì)的某種物理特性，只能顯示溫度變化的相對(duì)值，必須確定其相應(yīng)的溫度值，才能實(shí)際使用。通常采用某些高純物質(zhì)的相變溫度確定。例如冰水和沸水。(3)劃分溫度值在固定點(diǎn)之間的分度都采用內(nèi)插法或外推法求得。(2)確定固定點(diǎn)51、攝氏溫標(biāo)1750年由瑞典人攝休斯提出，定義冰水溫度為0℃，沸水溫度為100℃。之間分為100份，每份為1℃。即為著名的攝氏百度溫標(biāo)。1、攝氏溫標(biāo)6華氏溫標(biāo)：1744年由德國(guó)人華倫海特提出，定義冰水溫度為320F，沸水溫度為2120F，之間分為180份，每份為10F。二者換算式：華氏溫標(biāo)：1744年由德國(guó)人華倫海特提出，定義冰水溫7該類經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)因與某些工作物質(zhì)的物理特性有關(guān)，具有以下缺陷：

(1)測(cè)溫范圍短。(2)因工作物質(zhì)的物理特性與溫度間的關(guān)系為非線性變化，所以定點(diǎn)間和定點(diǎn)外的溫度存在較大誤差。甚至1度的溫差也不相同。例如：該類經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)因與某些工作物質(zhì)的物理特性有關(guān)，具有以下8溫度計(jì)種類氫氣恒容空氣恒容鉑電阻鉑、銠熱電偶水銀溫度計(jì)溫度值

020406080100

020.00840.00159.99079.987100

020.24040.36060.36080.240100

020.15040.29760.29380.147100

020.09140.11160.28680.041100溫度計(jì)種類氫氣恒容空氣恒容鉑電阻鉑、銠熱電偶水銀溫度計(jì)溫9溫度計(jì)種類乙醇甲苯戊烷槽溫溫度值0-20.8-50.7-78.50-21.0-51.1-78.50-22.4-52.6-78.5-20.0-50.0溫度計(jì)種類乙醇甲苯戊烷槽溫溫10

2、熱力學(xué)溫標(biāo)1848年由開(kāi)爾文根據(jù)理想熱機(jī)的卡諾循環(huán)提出。設(shè)理想熱機(jī)在兩個(gè)熱源Q1和Q2間工作，兩個(gè)熱源的溫度分別為T1和T2。則理想熱機(jī)循環(huán)一周后的熱機(jī)效率為：2、熱力學(xué)溫標(biāo)11

即溫度只與熱量有關(guān)，與測(cè)溫(工作)物質(zhì)無(wú)關(guān)。上式可寫為：

T1為定點(diǎn)，選水的三相點(diǎn)為定點(diǎn)，為和人們過(guò)去的習(xí)慣相符合，定義為273.16K，使得水沸點(diǎn)和冰點(diǎn)之間的溫度仍保持100度。即溫度只與熱量有關(guān)，與測(cè)溫(工作)12攝氏溫標(biāo)可視為熱力學(xué)溫標(biāo)的導(dǎo)出單位：T＝273.15＋t即：熱力學(xué)溫度單位開(kāi)爾文(K)是水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1/273.16。原則上，測(cè)量熱力學(xué)方程式中的某一個(gè)參量，就可以建立熱力學(xué)溫標(biāo)，例如PV=nRT。常用的實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的方法有：攝氏溫標(biāo)可視為熱力學(xué)溫標(biāo)的導(dǎo)出單位：13(1)氣體溫度計(jì)：復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的一種重要方法，普遍采用定容氣體溫度計(jì)。理論上，任意溫度的溫度值可用下式計(jì)算：(1)氣體溫度計(jì)：復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)的一種重要方法，普遍14

實(shí)際上，由于實(shí)際氣體不符合理想氣體，(PV)值須采用外推至P→0時(shí)的（PV）值，即：實(shí)際上，由于實(shí)際氣體不符合理想氣體，(PV)值須采用15(2)聲學(xué)溫度計(jì)：在低溫端，測(cè)量熱力學(xué)溫度的重要方法是測(cè)量聲波在氣體(氦氣)中的傳播速度，該測(cè)溫儀也稱超聲干涉儀。(3)噪聲溫度計(jì)：是很有發(fā)展前途的測(cè)量熱力學(xué)溫度的絕對(duì)儀器，正研究的有測(cè)溫到1400K的高溫噪聲溫度計(jì)和十幾mK到十幾K的低溫噪聲溫度計(jì)。(2)聲學(xué)溫度計(jì)：在低溫端，測(cè)量熱力學(xué)溫度的重要方法16(4)光學(xué)高溫計(jì)和輻射高溫計(jì)：對(duì)高溫測(cè)量,不僅要求測(cè)溫元件難熔，而且要求有良好的穩(wěn)定性和足夠的靈敏度，須用非接觸法。利用物體的輻射特性測(cè)量物體的溫度。對(duì)4000K以上的高溫氣體，常用譜線強(qiáng)度方法測(cè)量溫度。(4)光學(xué)高溫計(jì)和輻射高溫計(jì)：對(duì)高溫測(cè)量,不僅要求測(cè)173、國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)由于氣體溫度計(jì)的裝置十分復(fù)雜，使用不方便，為了更好地統(tǒng)一國(guó)際間的溫度量值，1927年召開(kāi)的國(guó)際權(quán)度大會(huì)上決定采用“國(guó)際溫標(biāo)”。3、國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)18國(guó)際溫標(biāo)是熱力學(xué)溫標(biāo)的具體體現(xiàn)，是根據(jù)熱力學(xué)溫標(biāo)而制定的。國(guó)際溫標(biāo)應(yīng)盡可能接近熱力學(xué)溫標(biāo)。隨著科技的發(fā)展，測(cè)量精確度日益提高，溫標(biāo)需常進(jìn)行修訂，現(xiàn)在采用的是1990年制定的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)稱攝氏度為國(guó)際實(shí)用攝氏度。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)要求：易于使用、高精度的復(fù)現(xiàn)、接近熱力學(xué)溫標(biāo)。國(guó)際溫標(biāo)是熱力學(xué)溫標(biāo)的具體體現(xiàn)，是根據(jù)熱力學(xué)溫標(biāo)而制19

(1)測(cè)溫溫度計(jì)：

13.81K～273.15K(0℃)鉑電阻溫度計(jì)273.15K(0℃)～630.74℃(銻熔點(diǎn))鉑電阻溫度計(jì)630.74℃～1064.43℃(金熔點(diǎn))鉑銠(10％)～鉑熱電偶1064.43℃以上光學(xué)高溫計(jì)(1)測(cè)溫溫度計(jì)：20

(2)選擇固定點(diǎn)：17個(gè)固定點(diǎn)（高純物質(zhì)的相變溫度）及第二類固定點(diǎn)(參考點(diǎn))。

(3)劃分溫度值：采用內(nèi)插公式計(jì)算分度值。(2)選擇固定點(diǎn)：17個(gè)固定點(diǎn)（高純物質(zhì)的相變溫度）及第21二、常用溫度計(jì)按工作方式分類：膨脹式、壓力式、電阻式、電偶式、光學(xué)式。按熱傳遞方式分類：接觸式、非接觸式。二、常用溫度計(jì)221、水銀溫度計(jì)適用范圍：－35～360℃，750℃(用石英或硬質(zhì)玻璃管并充入惰性氣體)。分度值：2℃、1℃、0.5℃、0.2℃、0.1℃（精密溫度計(jì)）貝克曼溫度計(jì)的分度值為0.01℃。1、水銀溫度計(jì)23

使用水銀溫度計(jì)時(shí)須做以下校正：

(1)讀數(shù)校正：①以高純物質(zhì)的相變溫度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正。②以標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)作圖進(jìn)行校正。使用水銀溫度計(jì)時(shí)須做以下校正：24式中：K－水銀對(duì)玻璃的相對(duì)膨脹系數(shù)。n－露出長(zhǎng)度，以溫差表示。t’－溫度計(jì)在體系與環(huán)境間的刻度值。(2)露出(莖)校正：使用全浸式溫度計(jì)時(shí)須進(jìn)行該項(xiàng)校正(半浸式水銀溫度計(jì)不需校正)。校正公式為：式中：K－水銀對(duì)玻璃的相對(duì)膨脹系數(shù)。(2)露出(莖)25溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制課件26

2、熱電偶溫度計(jì)一對(duì)不同金屬導(dǎo)線的組合。測(cè)溫原理

：2、熱電偶溫度計(jì)27

εA(t,t0):溫差電勢(shì)。與材料的特性及溫度有關(guān)。εA(t,t0):溫差電勢(shì)。與材料的特性及溫度有關(guān)。28

εAB(t):接觸電勢(shì)。與兩材料的特性及溫度有關(guān)。εAB(t):接觸電勢(shì)。與兩材料的特性及溫度有關(guān)。29溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制課件30

為建立回路電勢(shì)EAB(t)與溫度t間的關(guān)系，須確定C值，稱為自由端的溫度補(bǔ)償，常用以下兩種方法：為建立回路電勢(shì)EAB(t)與溫度t間的關(guān)系，須確定C31

(1)自由端恒溫法定義：εAB(0)＝0，這時(shí)：EAB(t)＝εAB(t)，即EAB(t)隨溫度的變化呈現(xiàn)線性變化，作出EAB(t)與t的關(guān)系圖即工作曲線。將工作端放入熱源中，測(cè)出回路電勢(shì)值，查工作曲線即可得到熱源的溫度值。

32

工作曲線：線路連接圖為：工作曲線：線路連接圖為：33(2)自由端溫度校正法將自由端置于室溫下，工作端放入熱源中，測(cè)出回路電勢(shì)值，查工作曲線即可得到熱源與室溫的溫度差值。即：t查＝t熱源－t室溫

t熱源＝t查＋t室溫(2)自由端溫度校正法34

線路連接圖為：線路連接圖為：35

由于通常室溫變化較大，因此，在精密測(cè)溫時(shí)，通常采用自由端恒溫法，在溫度測(cè)量精度要求不高的測(cè)量中，可采用自由端溫度校正法。由于通常室溫變化較大，因此，在精密測(cè)溫時(shí)，通常36在與電勢(shì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行連接時(shí)，須引入第三種導(dǎo)體，第三種導(dǎo)體對(duì)回路電勢(shì)的影響稱為中間導(dǎo)體定律：在與電勢(shì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行連接時(shí)，須引入第三種導(dǎo)體，第37溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制課件38溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制課件39

即：引入第三種導(dǎo)體C時(shí)，只要第三種導(dǎo)體C兩端溫度相同，對(duì)回路總電勢(shì)無(wú)影響。該定律稱為中間導(dǎo)體定律。即：引入第三種導(dǎo)體C時(shí)，只要第三種導(dǎo)體40對(duì)熱電偶溫度計(jì)的要求：物理、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱電性能好、電阻溫度系數(shù)小、導(dǎo)熱率高、熱容小、有良好的機(jī)械加工性能、價(jià)廉。對(duì)熱電偶溫度計(jì)的要求：物理、化學(xué)性能穩(wěn)定、熱電41熱電偶溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度較高：±0.01℃，若將熱電偶組成熱電偶堆，靈敏度可達(dá)±0.0001℃；②復(fù)現(xiàn)性好；③量程寬；④非電量變換。熱電偶溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度較高：±0.01℃，若將42常用的熱電偶溫度計(jì)：

(1)鎳鉻～鎳硅(鋁)測(cè)量溫度：0～1100℃，短時(shí)間使用，最高可到1300℃。電勢(shì)變化為：0～45.108mV(0～1100℃)。分度號(hào)為EU－2。常用的熱電偶溫度計(jì)：43

(2)鉑銠(10％)～鉑測(cè)量溫度：0～1300℃，短時(shí)間使用，最高可到1600℃。電勢(shì)變化為：0～16.771mV(0～1600℃)。分度號(hào)為L(zhǎng)B－3。(2)鉑銠(10％)～鉑44溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制課件453、電阻溫度計(jì)利用金屬或半導(dǎo)體本身的電阻和溫度的關(guān)系制成的溫度計(jì)。金屬：具有正的溫度系數(shù)。常用的有：鉑、銅、鎳。特別是鉑具有良好的低溫特性。在低溫區(qū)用作標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。3、電阻溫度計(jì)46

半導(dǎo)體：具有負(fù)的溫度系數(shù)。半導(dǎo)體本身的電阻與溫度間是非線性關(guān)系，但當(dāng)溫度變化很小時(shí)，可以看作是線性關(guān)系，常用做溫差溫度計(jì)。電阻溫度計(jì)的標(biāo)定同熱電偶溫度計(jì)。半導(dǎo)體：具有負(fù)的溫度系數(shù)。半導(dǎo)體本身的電阻與溫度間是47

4、精密數(shù)字溫差計(jì)利用鉑電阻測(cè)量溫度差的電子儀器，只能測(cè)量溫度差，不能測(cè)量溫度絕對(duì)值。精度：0.001℃；測(cè)量范圍±19.999。4、精密數(shù)字溫差計(jì)48

5、光學(xué)高溫計(jì)對(duì)高溫測(cè)量，接觸式溫度計(jì)的應(yīng)用受到很大的限制，在金點(diǎn)以上，一般均利用黑體輻射時(shí)輻射能量或輻射波長(zhǎng)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)出各種光學(xué)溫度計(jì)。5、光學(xué)高溫計(jì)49式中，ε是物體的輻射系數(shù)，它因物體的材料表面性狀而異，絕對(duì)黑體的ε絕對(duì)＝1，C1、C2均為常數(shù)。物體輻射的能量E與波長(zhǎng)λ、溫度T之間遵循普朗克公式：式中，ε是物體的輻射系數(shù)，它因物體的材料物體輻射的能量E與波50對(duì)應(yīng)于不同的溫度，可以得到一條條能量～波長(zhǎng)分布曲線，如圖所示：對(duì)應(yīng)于不同的溫度，可以得到一條條能量～波長(zhǎng)分布曲線，51但要測(cè)量輻射能量的絕對(duì)值是比較困難的，如能測(cè)定兩個(gè)溫度下輻射能量的比值，從某一已知溫度也可以求算出另一溫度來(lái)。例如，測(cè)定金點(diǎn)溫度TAu和某一溫度T時(shí)，黑體輻射波長(zhǎng)λ的輻射能量ETAu和ET，就可求出待測(cè)溫度T來(lái)。但要測(cè)量輻射能量的絕對(duì)值是比較困難的，如能測(cè)定兩個(gè)溫52

式中，C2＝0.014388m.K。式中，C2＝0.014388m.K。53三、溫度的控制

1、相變點(diǎn)恒溫介質(zhì)浴當(dāng)物質(zhì)處于相變平衡時(shí)，如與環(huán)境之間存在溫度差，則它僅以吸收或釋放潛熱的形式與環(huán)境進(jìn)行熱交換，而其相平衡溫度維持不變，不受環(huán)境的影響。如將這種處于相平衡的物質(zhì)構(gòu)成一個(gè)“介質(zhì)浴”，并將需恒溫的研究對(duì)象置于這個(gè)介質(zhì)浴中，就可獲得一個(gè)高度穩(wěn)定的恒溫條件。三、溫度的控制54溫標(biāo)、溫度測(cè)量及控制課件55構(gòu)成這種恒溫介質(zhì)浴的介質(zhì)通常有：液氮(77.3K)、干冰－丙酮(-78.5℃)(不能單獨(dú)使用干冰，因干冰附近的CO2蒸氣易被空氣稀釋，不能建立起穩(wěn)定的氣－固相平衡，另外干冰是固相，熱導(dǎo)率很小，不能與被冷卻對(duì)象良好接觸，進(jìn)行有效的熱交換。加入丙酮或其它液體，可解決以上問(wèn)題。使用時(shí)應(yīng)將干冰加入丙酮中，不能相反，并嚴(yán)禁明火)、構(gòu)成這種恒溫介質(zhì)浴的介質(zhì)通常有：液氮(77.3K)、56冰-水(0℃)、

Na2SO4?10H2O(32.38℃)(在水浴中加熱至32.38℃時(shí)，分解為Na2SO4?H2O(固)和飽和的Na2SO4、水溶液，并處于三相平衡)、沸點(diǎn)丙酮(56.5℃)、沸點(diǎn)水(100℃)、沸點(diǎn)萘(218.0℃)、沸點(diǎn)硫(444.6℃)等。冰-水(0℃)、Na2SO4?10H2O(32.38℃)(57優(yōu)點(diǎn)：價(jià)廉、操作簡(jiǎn)便、高穩(wěn)定度(如介質(zhì)為高純度的，其相變溫度不必另行精確測(cè)定)。缺點(diǎn)：恒溫溫度不能隨意調(diào)節(jié)、不能長(zhǎng)時(shí)間使用、恒溫對(duì)象必須浸沒(méi)于恒溫介質(zhì)中。優(yōu)點(diǎn)：價(jià)廉、操作簡(jiǎn)便、高穩(wěn)定度(如介質(zhì)為高純度的，其58

2、恒溫槽組成：槽體、加熱器(冷凍機(jī))、繼電器、感溫元件、攪拌器、溫度計(jì)。2、恒溫槽59工作原理示意圖：工作原理示意圖：60

感溫元件之一：導(dǎo)電表結(jié)構(gòu)示意圖：

感溫元件之一：導(dǎo)電表結(jié)構(gòu)示意圖：61

繼電器的工作過(guò)程，是按所謂斷續(xù)式、二位置控制的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行的。電加熱器在繼電器的驅(qū)動(dòng)下，只有斷、續(xù)兩個(gè)工作狀態(tài)，只要繼電器的觸電處于閉合位置，加熱器在單位時(shí)間內(nèi)總是輸出相同的熱量。但體系卻隨著溫度的回升與設(shè)定值之間的偏差而不斷地縮小，這樣就會(huì)產(chǎn)生下述兩種極為矛盾的情況。繼電器的工作過(guò)程，是按所謂斷續(xù)式、二位置控制的62一是因?qū)嶒?yàn)需要將設(shè)定溫度值提高時(shí)，開(kāi)始會(huì)出現(xiàn)很大的溫度偏差。按控溫要求，加熱器應(yīng)立即輸出較大功率的熱量，使被控對(duì)象的溫度迅速回升至設(shè)定值(通常把溫度回升的這段時(shí)間稱為“過(guò)渡過(guò)程時(shí)間”)。但加熱器固有輸出功率不可能設(shè)計(jì)得太大，致使過(guò)渡