制冷與低溫測(cè)試技術(shù) 蒸氣壓溫度計(jì)

制冷與低溫測(cè)試技術(shù)教學(xué)內(nèi)容課程介紹（2）第一章 測(cè)量誤差分析（3）

測(cè)量基本概念

測(cè)量誤差及其表示方法隨機(jī)誤差及其計(jì)算

誤差的傳遞誤差的綜合第二章

溫度的測(cè)量（11）

溫度和溫標(biāo)（2）熱電偶溫度計(jì)（3）

熱電阻溫度計(jì)

（3）

膨脹式溫度計(jì)（1）氣體溫度計(jì)（1）蒸汽壓溫度計(jì)及其它（1）

熱電勢(shì)和電阻的測(cè)量第三章

壓力和真空的測(cè)量

液柱式壓力計(jì)彈性式壓力計(jì)壓力變送器

真空測(cè)量第四章

流量測(cè)量

容積式流量計(jì)渦輪流量計(jì)電磁流量計(jì)超聲波流量計(jì)

速度頭流量計(jì)靶式流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)節(jié)流式流量計(jì)

低溫流體質(zhì)量流量的測(cè)量流量?jī)x表的標(biāo)定裝置第五章

低溫流體液面測(cè)量

壓差式液面計(jì)電阻式液面計(jì)超導(dǎo)式液面計(jì)

電容式液面計(jì)熱力學(xué)液面計(jì)其他低溫流體液面測(cè)量方法第六章

氣體組分測(cè)量與分析（補(bǔ)充）（結(jié)合“專業(yè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶的制作與標(biāo)定”進(jìn)行）

溫度不同于其它的物理量，它不能直接進(jìn)行測(cè)量，即不能象質(zhì)量與長(zhǎng)度那樣，把一個(gè)人工制品與其相應(yīng)的單位直接進(jìn)行比較，而只能通過測(cè)量某些與其相關(guān)的物理量來從中導(dǎo)出。因此，溫度是一個(gè)強(qiáng)度量，具有非疊加性。溫度是最重要的物理量之一。它遍及最基本的物理定理和幾乎每一種物理測(cè)量之中。它的單位開爾文(K)是國(guó)際單位制（SI）的七個(gè)基本單位之一。所謂溫度計(jì)量，實(shí)際上是指根據(jù)一些具有物理意義的單位制（目前是國(guó)際單位制）來對(duì)溫度數(shù)值進(jìn)行確定。幾乎沒有什么物理特性不與溫度有關(guān)。因此，存在著大量的以物理量表征的物理特性可以作為溫度計(jì)量的基礎(chǔ)。至少在理論上可以認(rèn)為，具有與溫度有關(guān)的物理特性的物體都可以用來制作溫度傳感器或溫度計(jì)。因此，必然會(huì)出現(xiàn)多種多樣的溫度計(jì)。引言在實(shí)用方面，人們并不是把每一種具有與溫度有關(guān)的參數(shù)的物體都用作溫度計(jì)。能夠作為溫度計(jì)基礎(chǔ)的物理參數(shù)必須滿足以下條件：測(cè)量簡(jiǎn)便、復(fù)現(xiàn)性好、靈敏度高以及隨溫度單調(diào)變化。就物理參數(shù)與溫度之間的關(guān)系而言，大致可以分為兩類溫度計(jì)：熱力學(xué)溫度計(jì)和實(shí)用溫度計(jì)。如這種關(guān)系主要來自于基本物理定律，則相應(yīng)的溫度計(jì)稱為基準(zhǔn)溫度計(jì)或熱力學(xué)溫度計(jì)；如該關(guān)系主要出自于經(jīng)驗(yàn)公式，則相應(yīng)的溫度計(jì)稱為次級(jí)溫度計(jì)或?qū)嵱脺囟扔?jì)。某些溫度計(jì)如氣體溫度計(jì)、輻射溫度計(jì)等既可用作熱力學(xué)溫度計(jì)，也可用作實(shí)用溫度計(jì)。所不同的是，兩種應(yīng)用的內(nèi)插方程不同。引言2.1.2國(guó)際溫標(biāo)（ITS90）（回顧）

2.1.2國(guó)際溫標(biāo)（ITS90）（回顧）GuyK.White,PhilipJ.Meeson,ExperimentalTechniquesinLow-TemperaturePhysics,FourthEdition,OxfordSciencePublications,2002

2.4

蒸汽壓溫度計(jì)

2.4

蒸汽壓溫度計(jì)2.4

蒸汽壓溫度計(jì)缺點(diǎn)是適用溫區(qū)較窄，一般在液體三相點(diǎn)和正常沸點(diǎn)之間，但很多低溫實(shí)驗(yàn)直接在液體溫度以下進(jìn)行，蒸氣壓溫度計(jì)的測(cè)溫范圍大致如下：

氧：

54~90K

氮：

63~77K

氫：

14~20K

氦-4：

1~4.2K

氦-3： 0.5~3.3K

2.4

蒸汽壓溫度計(jì)

2.4

蒸汽壓溫度計(jì)

2.4

蒸汽壓溫度計(jì)只要成分足夠純，許多物質(zhì)都可以作為蒸氣壓溫度計(jì)的測(cè)溫介質(zhì)。某些物質(zhì)的p=f(T)的響應(yīng)曲線示于下圖。2.4

蒸汽壓溫度計(jì)

2.4

蒸汽壓溫度計(jì)蒸氣壓溫度計(jì)具有較高的靈敏度和良好的復(fù)現(xiàn)性。氦蒸氣壓溫度計(jì)的復(fù)現(xiàn)性約為10-3到10-4K。由于它的優(yōu)異的復(fù)現(xiàn)性，故被用來定義溫標(biāo)。蒸氣壓溫度計(jì)面臨著與氣體溫度計(jì)相似的問題。特別是其熱分子壓力的影響較大，它會(huì)引起實(shí)際飽和蒸氣壓與壓力傳感器指示值之間的不一致。此外，工作物質(zhì)的純度必須得到保證，而對(duì)靜壓差也應(yīng)予以修正。蒸氣壓溫度計(jì)作為一種熱力學(xué)溫度的測(cè)量?jī)x器，只能在克勞修斯-克拉珀龍方程的應(yīng)用范圍內(nèi)使用。它也可以作為一種很好的實(shí)用溫度計(jì)。只要壓力與溫度的關(guān)系確定，使用這種溫度計(jì)就可以達(dá)到高測(cè)量準(zhǔn)確度。與氣體溫度計(jì)相比，沒有有害空間的修正。蒸氣壓溫度計(jì)的主要缺點(diǎn)是工作溫區(qū)窄，而且響應(yīng)呈非線性。新型壓力傳感器的發(fā)展，將會(huì)對(duì)蒸氣壓溫度計(jì)技術(shù)產(chǎn)生良好的推動(dòng)作用。2.4

蒸汽壓溫度計(jì)2.4

蒸汽壓溫度計(jì)蒸汽壓溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)

圖2-8(a)是最簡(jiǎn)單的蒸汽壓溫度計(jì)，直接測(cè)量杜瓦容器液面上方的飽和蒸汽壓，注意不要把壓強(qiáng)計(jì)接在減壓抽氣管道上，以免沿管道的壓強(qiáng)差而影響測(cè)溫的結(jié)果，為了避免這種誤差，把測(cè)壓點(diǎn)A降至靠近液面的地方，如(2-8b)所示。2.4

蒸汽壓溫度計(jì)

在一些精密測(cè)量中，常需要決定試樣所處的溫度，可用一完全與液池分開的蒸汽壓溫度計(jì)，如圖(2-8c)，測(cè)溫包用帶有小室D的均溫銅塊制作，待測(cè)樣品安裝在銅塊上，貯氣容器E(初調(diào)）和閥F(精調(diào)）供充氣用，使用蒸汽壓溫度計(jì)時(shí)要保證測(cè)溫包的溫度比其他任何部分都低，為了防止連接管某些部分過冷，連接管外套一真空夾層加以防止。

DE2.4

蒸汽壓溫度計(jì)蒸汽溫度計(jì)內(nèi)充氣量不可過多，否則低溫下所產(chǎn)生的液體過多，對(duì)溫度變化反應(yīng)遲緩，在溫度升高時(shí)大量液體汽化易損壞壓強(qiáng)計(jì)，事先對(duì)充氣量進(jìn)行估算，再在實(shí)驗(yàn)中予以控制，室溫下對(duì)系統(tǒng)充以稍高于1大氣壓。關(guān)閥F，待溫包冷下來后稍打開F閥，注視壓強(qiáng)計(jì)指示，當(dāng)壓強(qiáng)上升停止，即可關(guān)F閥，此時(shí)測(cè)溫包中也開始有液體凝結(jié)，D中只要有少量液體就可以了，液體深度約1mm，如溫包溫度，低于充入氣體正常沸點(diǎn)時(shí)，則充氣更加小心，可以充一點(diǎn)停一下以免吸入過量的氣體，但也不能太少，應(yīng)該保證該溫度計(jì)在使用上限溫度時(shí)包內(nèi)仍有液體存在。DE2.4

蒸汽壓溫度計(jì)

圖2-8(c)的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，它可以使用不純的液化氣體(如液空)作液池，雖然蒸汽壓和溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系不存在，但采用了溫度計(jì)和液池隔離結(jié)構(gòu)，測(cè)溫精度不受影響，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)測(cè)量1K以下溫度時(shí)，此時(shí)4He的蒸汽壓已很小，可用蒸汽壓比4He大100倍的3He充入D中，以提高蒸汽壓，故在3.2K以下常用3He蒸汽壓溫度計(jì)。工程上常用簡(jiǎn)易蒸汽壓溫度計(jì)，它和簡(jiǎn)易氣體溫度計(jì)外形和結(jié)構(gòu)都相似，因?yàn)樗鼫y(cè)量可靠，靈敏度比氣體溫度計(jì)高。簡(jiǎn)易蒸汽壓溫度計(jì)一般用波登管壓力表指示壓強(qiáng)，在室溫下充氣使溫包內(nèi)蒸汽在溫度計(jì)測(cè)量范圍內(nèi)始終有液體存在，然后封死。2.4

蒸汽壓溫度計(jì)

使用蒸氣壓溫度計(jì)應(yīng)注意的問題1.液體的純度

液化氣體的蒸汽壓和溫度關(guān)系隨液體的成分而變化，為了精確測(cè)溫，液體的成分必須是單一的純凈液體。

由空分裝置得到的液氮或液氧，其純度只有98~99%,使用過程中由于空氣的凝入，液氮的純度逐漸減低，沸點(diǎn)將逐漸上升，如液氮中含有5%的液氧，沸點(diǎn)將上升0.27K，因此，精密蒸汽壓溫度計(jì)所用的氣源必須純凈。

2.4

蒸汽壓溫度計(jì)

液氫可分為正氫(兩個(gè)原子核自旋方向相同，室溫下75%）和仲氫（兩個(gè)原子核自旋方向相反，室溫下25%）兩種，