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1、 第四章温度测量 要求 1 掌握常用的温度测量方法2 了解热电和辐射测温的原理和应用 4 1 温度和温标 温度是表征物体冷热程度的物理量 温度是表示物体冷热程度的物理量 微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度 温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式 分子运动愈快 物体愈热 即温度愈高 分子运动愈慢 物体愈冷 即温度愈低 这种现象被描述为一个物体的热势 或能量效应 当以数值表示温度时 即称之为温度度数 绝对零度 即绝对温标的开始 是温度的最低极限 相当于 273 15 当达到这一温度时所有的原子和分子热运动都将停止 热力学第三定律指出 绝对零度不可能通过有限的降温过程达到 所以说绝对零度是一个只
2、能逼近而不能达到的最低温度 4 1温度和温标 温标是温度的数值表示方法 是用来衡量物体温度的尺度 它规定了温度读数的起点 零点 和测量温度的单位 各种温度计的刻度值均由温标确定 常用的有摄氏温标 华氏温标和热力学温标等 为了判断温度的高低 只能借助于某种物质的某种特性 如体积 长度和电阻等 随温度变化的规律来测量 于是就会有形形色色的温度计 比较理想的物质及相应的物理性质有 固体 液体 气体的热膨胀性质 导体或半导体受热后电阻值变化的性质 热电偶的热电势和物体的热辐射 4 1温度和温标 摄氏温标 摄氏度的发明者是AndersCelsius 1701 1744 其结冰点是0 C 沸点为100 C
3、 1740年瑞典人摄氏 Celsius 提出在标准大气压下 把水的冰点规定为0度 水的沸点规定为100度 根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分度 两点间作100等分 每一份称为1摄氏度 记作1 华氏度 F 1714年德国人GabrielD Fahrenheir 1681 1736 以水银为测温介质 制成玻璃水银温度计 选取氯化铵和冰水的混合物的温度为温度计的零度 人体温度为温度计的100度 把水银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份 每一份为1华氏度 记作 1 摄氏温度和华氏温度的关系 T 1 8t 32 4 1温度和温标 热力学温标开尔文 即W 汤姆逊 这位热力学
4、第二定律的创始人 最受尊敬的物理学家 创立了一种不依赖任何测温质 当然也就不依赖任何测温质的任何物理性质 的绝对真实的绝对温标 也叫开氏温标或热力学温标 开氏温标 Kelvin 以绝对零度为基点的温度标尺 绝对零度即460 273 15 在此温度下分子停止运动 0 273 15K 开氏温标 用符号K表示 是建立在卡诺循环基础上的热力学温标 规定摄氏零度以下273 15 为零点 称为绝对零点 其分度法与摄氏温标相同 即绝对温标上相差1K时 摄氏温标上也相差1 所不同的只是绝对温标上水的冰点定为273 15K 沸点定为373 15K 目前中国已规定采用这种热力学温标 4 1 温度和温标 国际温标第
5、一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用的温标 称为 1927年国际温标 记为ITS 27 此后大约每隔20年进行一次大修改 目前 国际上通用的国际温标是1989年7月第77届国际计量委员会 CIPM 批准的新温标ITS 90 我国从1994年1月1日起实行新温标 ITS 90的热力学温度仍记作T 为了区别以前的温标 用 T90 代表新温标的热力学温度 其单位仍然是K 与此同时的摄氏温度记为t90 其单位是 t90 T90 273 15 4 2 温度测量的重要性 4 4常用的测温方法 温度这一参数是不能直接测量的 一般根据物质的某些特性参数与温度之间的函数关系 通过对这些特性参数的测
6、量而间接获取 热胀冷缩 温度改变体积 温度改变导体电阻 温度改变热电偶电动势高温物体产生热辐射测温方法大体分为接触式和非接触式两种 4 4常用的测温方法 接触式测温法测温传感器敏感元件直接与被测物体接触 在足够长的时间内 使传感器与被测点达到热平衡 以实现温度测量 其特点是 由于传感器与被测物体接触 所以测量比较直观 可靠 测温准确度较高 但它直接影响被测物体温度场的分布 使用该种方法需要使测温元件与被测物体达到热平衡 所以测温时产生较大的时间滞后 并由此带来测量误差 测温范围在1600 以下 通常1000 以下的温度容易测量 1200 以上的温度不易测量 4 4常用的测温方法 非接触式测温法
7、测温传感器不接触被测物体 利用物体的热辐射随温度变化的原理测定物体温度 故又称辐射测温 其特点是 测温传感器不与被测物体接触 也不改变被测物体的温度分布 热惯性小 动态测量反应快 适于测量高温 但是受环境条件影响较大 测量精度较低 从理论上讲 其测温上限是无限的 实际上一般只用到3000 在高温领域中 使用较多的有辐射高温计 光学高温计和光电高温计 以及红外辐射高温计 比色温度计的应用也在逐渐扩大 4 4常用的测温方法 4 4常用的测温方法 接触式温度计容易破坏被测对象的温度分布 接触式温度计响应速度慢 接触式温度计测量高温时受局限非接触式温度计不适合测量低温 接触式温度计测量精度高 4 5接
8、触式温度传感器 玻璃管液体温度计这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计 典型结构如图所示 它由液体储存器 毛细管和标尺组成 液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度 下限受液体凝点温度的限制 为了防止毛细管中液注出现断续现象 并提高测温液体的沸点温度 常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体 玻璃管液体温度计液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种 使用时 如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入 如图 a 所示 部分浸入式温度计露出部分的环境温度与标定时不一致 就会产生测量误差 故必须进行修正 全浸是指测温时把液柱部分全部浸入被测介质中 部分浸入是把温度计浸入标志以下的部分插入被测
9、介质中 如图 b 所示 全浸式和部分浸入式相比较 全浸式测量精度较高 故多用于实验室和标准温度计 部分浸入式用于一般工业测温 玻璃管液体温度计全浸入式温度计不能全部浸入时的修正 4 5接触式温度传感器 压力式温度计压力表式温度计是根据在封闭容器中的气体受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制作的 并用压力来测量这种变化 从而测得温度 压力表式温度计主要由以下三部分组成 1 温包 温包是直接与被测介质相接触来感受温度变化的元件 因此要求它具有高的强度 小的膨胀系数 高的导热率以及抗腐蚀等性质 根据所充工作介质和被测介质的不同 温包可用铜合金 钢或不锈钢来制造 2 毛细管 它是用铜或钢等材料冷拉成的无
10、缝圆管 用来传递压力的变化 3 弹簧管 它就是一般压力表用的弹性元件 特点如下 1 适于测量0 300 的温度 允许基本误差不超过1 5 或2 5 2 可以做成指示型 记录型 并且很容易做成温度信号器和温度调节器 3 可以远距离测量温度 4 构造简单 价格便宜 5 不怕振 可以不用电源 6 距离较远时 仪表的滞后性较大 4 5接触式温度传感器 热电偶测温原理热电效应将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路 当两个接点电1和2的温度不同时 如果T T0 如图8 2 3热电效应 在回路中就会产生热电动势 并在回路中有一定大小的电流 此种现象称为热电效应 热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点
11、温度有关 对于已选定的热电偶 当参考温度恒定时 总热电动势就变成测量端温度T的单值函数 即EAB T0 f T 热电温度计 热电偶 热电偶测温基本定律均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路 不论导体的横截面积 长度以及温度分布如何均不产生热电动势中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体 只要其两端的温度相等 该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势 热电温度计 热电偶 参考电极定律两种导体A B分别与参考电极C组成热电偶 如果他们所产生的热电动势为已知 A和B两极配对后的热电动势 热电温度计 热电偶 标准热电偶国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为标准化热电偶 我国标准化热电偶
12、也有8种 分别是 铂铑10 铂 分度号为S 铂铑13 铂 R 铂铑30 铂铑6 B 镍铬 镍硅 K 镍铬 康铜 E 铁 康铜 J 铜 康铜 T 和镍铬硅 镍硅 N 非标准化热电偶 有钨铼系列 属难融金属 铂铑系列 铱铑系列 铂钼系列及非金属热电偶等 热电温度计 热电偶 铂铑10 铂热电偶纯铂丝和铂铑丝制成 分度号为S 特点 热电性能好 抗氧化性强 宜在氧化性 惰性气氛中连续使用它的准确度等级高 通常用作测量高温的标准均质性及互换性好其缺点是价格昂贵 热电势较小 需配高灵敏度的显示仪表 镍铬 镍硅 镍铝 热电偶镍铬为正极 镍硅为负极 分度号为K 特点 使用温度范围宽 50 1300 高温下性能较
13、稳定 热电动势和温度的关系近似线性 价格便宜 适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用 短期使用温度为1200 长期使用温度为1000 目前用量最大的一种热电偶 热电温度计 热电偶 镍铬 康铜热电偶镍铬为正极 康铜为负极 分度号为E 特点 在常用热电偶中热电动势最大 即灵敏度最高 适宜在 250 870 范围内的氧化性或惰性气氛中使用 尤其适宜在0 以下使用 在湿度大的情况下 较其它热电偶耐腐蚀 铜 康铜热电偶纯铜为正极 康铜为负极 分度号为T 特点 在贱金属热电偶中准确度最高 热电丝均匀性好 使用温度范围为 200 350 热电温度计 热电偶 热电偶的冷端温度补偿根据热电偶测温原理 只有当热电偶的
14、参考端的温度保持不变时 热电动势才是被测温度的单值函数 常用的分度表及显示仪表 都是以热电偶参考端的温度为0 为先决条件的 但是在实际使用中 因热电偶长度受到一定限制 参考端温度直接受到被测介质与环境温度的影响 不仅难于保持0 而且往往是波动的 无法进行参考端温度修正 因此 要使变化很大的参考端温度恒定下来 通常采用补偿导线法和参考端温度恒定法 热电偶温度计 热电偶 补偿导线法采用某两种导线组成的热电偶补偿导线 在一定温度范围内 0 100 具有与所连接的热电偶相同的热电性能 用补偿导线将热电偶的参考端引至显示仪表 而显示仪表放在恒温或温度波动较小的地方 不同的热电偶要配不同的导线 热电温度计
15、 热电偶 参考端温度恒定法 铠装热电偶 通常和显示仪表 记录仪表等配套使用 直接测量各种生产过程中的0 1300 范围内液体 蒸汽和气体介质以及固体表面温度 特点 热响应时间少 减小动态误差 可弯曲安装使用 测量范围大 机械强度高 耐压性能好 工作原理铠装热电偶的两根电极由不同导体材质组成 当测量端与参比端存在温差时 就会产生热电动势 工作仪表便显示出热电动势所对应的温度值 电阻温度计 测温原理电阻温度计是利用导体或半导体的电阻值随温度的变化来测量温度的元件由热电阻 感温元件 变送器 连接导线 和显示或纪录仪表构成广泛用于测量 200 850 范围内的温度 标准铂电阻温度计的准确度最高 并作为
16、国际温标中961 78 以下内插用标准温度计 优缺点同热电偶相比 具有准确度高 输出信号大 灵敏度高 测温范围广 稳定性好 输出线性好等特性 但结构复杂 尺寸较大 因此热响应时间长 不适于测量体积狭小和温度瞬变区域 电阻温度计 铂热电阻铂的物理化学性能极为稳定 并有良好的工艺性 以铂作为感温元件具有示值稳定 测量准确度高等优点 其使用范围是 200 850 除作为温度标准外 还广泛用于高精度的工业测量 铜热电阻铜热电阻的使用范围是 50 150 具有电阻温度系数大 价格便宜 互换性好等优点 但它固有电阻太小 另外铜在250 以上易氧化 铜热电阻在工业中的应有逐渐减少 电阻温度计 热敏电阻优点 1 电阻温度系数大 灵敏度高 比一般金属电阻大10 100倍 2 结构简单 体积小 可以测量 点 温度 3 电阻率高 热惯性小 适宜动态测量 4 功耗小 不需要参考端补偿 适于远距离的测量与控制 缺点 阻值与温度的关系呈非线性 元件的稳定性和互换性较差 除高温热敏电阻外 不能用于350 以上的高温 接触式温度测量误差 感温元件正确反映被测对象温度的条件热力学平衡条件快速跟踪被测对象温度变化测温误差
