第五部分温度测量

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1、第五章 温度测量 5 1 概述 5 1 1 温度的概念 温度是表征物体冷 热程度的物理量 反映了 物体内部分于运动平均动能的大小 温度高 表示 分子动能大 运动剧烈 温度低 分子动能小 运 动缓慢 温度概念的建立是以热平衡为基础的 如果两 个冷热程度不同的物体相互接触 必然会发生热交 换现象 也就是热力学第零定律所描述的 系统温 度相等是它们之间热平衡的主要条件 温度是一个内涵量 即强度量 它不具有叠加性 5 1 2 温标 由于测温原理和感温元件的形式很多 即使感 受相同的温度 它们所提供的物理量的形式和变化 量的大小却不相同 因此 为了给温度以定量的描 述 并保证测量结果的精确性和一致性 需

2、要建立 一个科学的 严格的 统一的标尺 称为 温标 作为一个温标 应满足以下基本条件 即温标的三 要素 可实现的固定点温度 表示固定点之间温度的内插仪器 确定相邻固定温度点之间的内插公式 目前使用的温标主要有摄氏温标 华氏温标 热力学温标及国际实用温标 1 经验温标 摄摄氏温标标 所用标标准仪仪器是水银银玻璃温度计计 分度方法是规规定在标标准大气压压力下 水的冰点为为0 摄摄氏度 沸点为为100摄摄氏度 水银银体积积膨胀胀被分为为 100等份 对应对应 每份的温度定义为义为 l摄摄氏度 单单位为为 华华氏温标标 选选取氯氯化铵铵和冰水混合物的温度为为0 华华氏度 水的沸点为为212华华氏度 冰

3、点为为32华华氏度 中间间均分为为180等份 每一等份称为为1华华氏度 单单 位为为 华华氏度tF与摄摄氏度tC的换换算关系如下 2 热力学温标 热热力学温标标是建立在热热力学基础础上的一种理论论 温标标 在国际单际单 位制中 称为热为热 力学温度 根据热热力学中的卡诺诺定理 如果在温度为为T1的 热热源与温度为为T2的冷源之间实现间实现 了卡诺诺循环环 即存 在有下列关系式 Q1 热热源给给予热热机的传热传热 量 Q2 热热机传给传给 冷源的传热传热 量 定义义T2为为水的三相 固 液 气 共存温度 0 01 为为273 16 K 任意点温度为为 热力学温标 热力学温标与实现它的工质性质无关

4、 因此不 会因选用测温物质的不同而引起温标的差异 是理 想的温标 不过 理想的可逆过程是无法实现的 所以基于可逆过程的卡诺循环以及热力学温标也无 法直接实现 然而 热力学中已从理论上证明 热 力学温标与理想气体温标是完全一样的 而根据理 想气体方程 当气体体积恒定时 一定质量气体其 压强与温度成正比 选选定水的三相点温度的压压强p3为为参考点 任意点温度 理想气体的温标方程 利用这种关系进行温度测量的温度计称为定容 式气体温度计 它通过压强的变化可以测出温度的 变化 从而解决了热力学温标难于实现的问题 3 国际温标 ITS 90 为为了克服气体温度计计在实实用上的不便 国际际上 建立了一种能用

5、内插公式表示的与热热力学温标标很接 近 又使用方便的协议协议 温标标 这这就是国际实际实 用温 标标 IPTS 可用它来统统一各国之间间的温度计计量 国际际温标规标规 定仍以开尔文表示热热力学温度 以K为单为单 位 1K等于水三相点热热力学温度的 1 273 16 热热力学温度以符号T90表示 摄摄氏温度符 号为为t90 其单单位以 表示 它们们之间间的关系仍是 t90 T90 273 15 国际际温标标 ITS 90定义义的固定点 国际际温标标 ITS 90定义义的内插仪仪器 0 65 5 0K间为间为 3He和4He蒸汽温度计计 3 0 24 556K间为间为 3He和4He定容气体温度计

6、计 13 8033K 961 78 间为铂电间为铂电 阻温度计计 961 78 以上为为光学或光电电温度计计 5 1 3 温度标准的传递 将温度标准定期逐级地校验比较过程称为温度 标准的传递 简称温标的传递 温度计计量仪仪器按精度等级级可分为为下列3类类 以现现代科学技术术所能达到的最高精度来复现现和保 存国际际温标标数值值的温度计计称为为基准温度计计 用来 进进行温度量值传递值传递 的基准温度计计称为为工作基难难温 度计计 以限定的精度等级级 用来进进行温度量值传递值传递 的 温度计计称为标为标 准温度计计 温度计计一般分为为两等 即一等标标准和二等标标准 在工农业农业 生产产或科研测试测试

7、 工作中使用的各种温 度计计 称为为工业业用温度计计 5 1 4 测温方法与测温仪器的分类 测温 方法 接触测温 非接触测温 接触 测温 仪器 膨胀式温度计 电阻式温度计 热电式温度计等 非接 触测 温仪 器 辐射式温度计 亮度式温度计 比色式温度计 红外热像仪 按照温度测量范围 可分为超低温 低温 中 高温和超高温温度测量 5 2 热电偶测温 5 2 1 热电效应 把两种不同的导导体或半导导体材料A B连连接成闭闭 合回路 将它们们的两个接点分别别置于温度为为T和T0 设设T To 的热热源中 则则在该该回路内就会产产生热电势热电势 这这种现现象称为热电为热电 效应应 热电热电 偶回路中所产

8、产生的热电势热电势 由两种导导体的接 触电势电势 和单单一导导体的温差电势电势 所组组成 热电势热电势 EAB T T0 热电热电 极 A和B T 工作端 热热端 测测量端 T0 自由端 冷端 参比端 1 接触电势 不同的金属材料其自由电电子密度不同 当两种 不同金属导导体接触时时 在接触面上因自由电电子密度 不同而发发生电电子扩扩散 电电子扩扩散速率与两导导体电电子 密度有关 并和接触区的温度成正比 设导设导 体A和B 的自由电电子密度分别为别为 nA和nB 且有nA nB 则则在 接触面上由A扩扩散到B的电电子将必然比由B扩扩散到A 的电电子数多 因此 导导体A失去电电子而带带正电电荷 导

9、导体B因获获得电电子而带负电带负电 荷 在A B接触面上便 形成一个从A到B的静电场电场 这这个电场电场 阻碍了电电子 的继续扩继续扩 散 当到达动态动态 平衡时时 在接触区形成一个稳稳定 的电电位差 即接触电势电势 其大小可表示为为 eAB T 为为A B两种不同材料在温度为为T时时的接触电电 动势动势 V K为为玻耳兹兹曼常数 K 1 38 10 23 J K e为电为电 子电电荷 e 1 6 10 19C nA T nB T 为为A B两种材料在温度T时时的自由电电 子密度 2 温差电势 单单一导导体中 如果两端温 度不同 在两端间间会产产生电势电势 即单单一导导体的温差电势电势 由于导

10、导体内自由电电子在高温端具有较较大的动动能 因而向低温端扩扩散 结结果高温端因失电电子而带带正 电电荷 低温端因得到电电子而带负电带负电 荷 从而形成一 个静电场电场 该电场该电场 阻碍电电子的继续扩继续扩 散 当达到运 态态平衡时时 在导导体的两端便产产生一个相应应的电电位差 被称为为温差电势电势 温差电势电势 的大小可表示为为 eA T T0 导导体A两端温度差为为T和T0时时形成的温 差电势电势 V 汤汤姆逊逊系数 表示单单一导导体两端温度差为为1 时时所产产生的温差电势电势 与材料性质质及两端温度有关 3 热电偶回路热电势 对对于由导导体A B组组成的热电热电 偶闭闭合回路 当 温度T

11、 T0 nA nB时时 回路总总的热电势为热电势为 EAB T To nAT nAT0 导导体A在接点温度为为T 和T0时时的电电子密度 m 3 A B 导导体A和B的汤汤姆逊逊系数 nBT nBT0 导导体B在接点温度为为T 和T0时时的电电子密度 m 3 4 结论 如果热电热电 偶两电电极材料相同 即nA nB A B 虽虽然两端温度不同 但闭闭合回路总热电势总热电势 仍为为零 因此热电热电 偶必须须用两种不同材料做热电热电 极 如果热电热电 偶两电电极材料不同 而热电热电 偶两端的温 度相同 即T0 T 闭闭合回路中也不产产生热电势热电势 5 注意 在金属导导体中自由电电子数目很多 以致

12、温度不 能显显著地改变变它的自由电电子浓浓度 所以 在同一 金属导导体内 温差电势电势 极小 可以忽略 回路总的热电势可以近似表示为 使T0为为常数 当热电热电 偶回路的一个端点保持温度不变变 则则 热电势热电势 EAB T To 只随另一个端点的温度变变化而变变 化 两个端点温差越大 回路总热电势总热电势 EAB T To 也就越大 这样这样 回路总热电势总热电势 就可以看成温度T的 单值单值 函数 给给工程中用热电热电 偶测测量温度带带来了极 大的方便 5 2 2 热电偶基本定律 1 均质导体定律 由一种均质导体 或半导体 组成的闭合回路 不论导体 或半导体 的截面和长度如何以及各处的 温

13、度如何 都不能产生热电势 一种均质导体组成闭合回路 nA nB 两接点接触电势为 由于导体A两端温度不同 故有温 差电势产生 但回路中两支路温差电 势大小相等 方向相反 回路中总温 差电势为零 即 所以 回路中总热电势EAA T To 0 均质导体定律应用 任何热电偶都必须由两种性质不同的导体构成 如果热电偶由两种均质导体组成 则热电偶的热 电势仅与两接点温度有关 而与沿热电极的温度分 布无关 热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要指 标之一 根据这个原理 可以检查热电极的不均匀 性 也可检查两种材料性质是否相同 2 中间导体定律 热电回路中接入第三种导体材料 只要第三种 导体材料两端的温度

14、相同 热电偶产生的热电势保 持不变 不受第三种导体接入的影响 证明 回路总热电势为 设设三个接点温度相等均为为T0 回路中无热电势热电势 3 标准电极定律 当接点温度为为T T0时时 用导导体A B组组成热热 电电偶产产生的热电势热电势 等于A C热电热电 偶和C B热电热电 偶热电势热电势 的代数和 导导体C称为标为标 准电电极 一般由铂铂制成 这一规律称为标准电极定律 证明 只要知道任意两种均匀材料对标准电极的热电势 即可求出由这两种材料构成的热电偶的热电势 4 连接导体定律与中间温度定律 连连接导导体定律 在热电热电 偶回 路中 若导导体A和B分别别与导导 线线A 和B 相接 接点温度分

15、 别为别为 T Tn T0 则则回路总总 电势电势 等于热电热电 偶电势电势 EAB T Tn 与连连接导线电势导线电势 EA B Tn T0 之和 意义 工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础 证明 回路总热电势为 回路总热电势总热电势 等于热电热电 偶电势电势 EAB T Tn 与连连 接导线电势导线电势 EA B Tn T0 的代数和 连连接导导体定律 是工业业上运用补偿导线进补偿导线进 行温度测测量的理论论基础础 中间间温度定律 当A与A B与B 材料分别相同时 则有 意义义 只要得到参考端温度T0 0 时时的热电势热电势 则则通过测量中间温度的热电势 EAB T Tn 将两者 直接

16、求和 即可反映出测量端温度 这为热电势 分度奠定了理论基础 5 2 3 常用热电偶的材料 特点和结构 1 热电偶的材料 两种材料组成的热电偶应输出较大的热电势 以获 得较高的灵敏度 且要求电势和温度之间尽可能的成 线性关系 能应用于较宽的温度范围 物理和化学特性比较稳 定 较好的耐热性 抗氧化 抗还原和抗腐蚀性 具有较高的电导率和较低电阻温度系数 工艺性好 复现性好 利于批量生产 1 贵贵金属热电热电 偶 铂铑铂铑 30 铂铑 铂铑 6 B偶 铂 铂铑 13 铂铂 R偶 铂铑铂铑 10 铂 铂 S偶 测测温范围宽 性能 稳定 精度高 热电势 小 热电特性非线性大 价 格贵 2 廉价金属热电热电 偶 镍铬镍铬 镍镍硅 K偶 镍铬 铜镍铜镍 E偶 灵敏度高 热电势热电势 大 热电特性线 性度好 价格低 测温范围较窄 3 难难熔金属热电热电 偶 钨铼钨铼 合金构成 用于高温 测量 2 特点 3 典型结构 工业用 组成 热电极 绝 缘套管 保护套管 接线盒 1000度 工业 陶瓷或氧化铝 3 典型结构 科研用 铠装式热电偶 热电极 耐高温金属粉末 如氧化 铝 不锈钢套管三者一起拉细而组成一体