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1、1,第十章 温度的测量,2,10.1 概述,一、温度的基本概念和测量方法 宏观概念-是物体冷热程度的表示. 热平衡的两物体，其温度相等。 微观概念-是大量分子运动平均强度的表示。 分子运动愈激烈其温度表现越高。,3,一、温度的基本概念和测量方法,温度量的特殊性: 1. 二温度不能相加或相减； 2. 无标准量直接进行比较测量； 3. 温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。,5,二、 温标,1.经验温标 以物体热胀冷缩现象为基础。 认为选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。 把在两温度点之间体积的总变化分为若干等分，每个等分定义为1度。 按这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标 。,6,
2、摄氏温标：标准仪器是水银玻璃温度计。规定在标准大气压下，水的冰点为0度，沸点为100度，水银体积膨胀被分为100等份，对应每份的温度定义为1摄氏度，单位为“oC”； 华氏温标：标准仪器是水银温度计，按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。分成180等份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。摄氏温度和华氏温度的关系为：,7,2.热力学温标,热力学温标又称开尔文温标，或称绝对温标。 分子运动停止时的温度为绝对零度； 热力学温标（符号为T）它的单位为开尔文（符号为K），定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。 相当摄氏温标0，华氏温标32的开氏温标为273.15K。,8,三、
3、测温方法与测温仪器的分类,温度测量分为接触式和非接触式两大类。 1. 接触式测温 测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。 优点：直观可靠。 缺点: 感温元件影响被测温度场的分布； 接触不良等带来测量误差； 高温和腐蚀性介质影响感温元件的性能和寿命。,9,2、非接触式测温 感温元件不与被测对象相接触，而通过热辐射进行热交换； 具有较高的测温上限； 热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。,10,接触式与非接触式测温特点比较,11,3、测温仪器,接触式测温仪器 膨胀式温度计（包括液体和
4、固体膨胀式温度计、压力式温度计）：利用物体热胀冷缩原理 电阻式温度计（包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计）：利用电阻随温度变化的特性 热电式温度计（包括热电偶和P-N结温度计以及其它原理的温度计）：利用热电效应 非接触式温度计 可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是以热辐射为基础，故也统称为辐射温度计。,12,各类温度检测方法构成的测温仪表的大体测温范围,13,10.2 膨胀式温度计和压力式温度计,1. 液体膨胀式温度计 由液体储存器、毛细管和标尺组成。 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。 为防止毛细管中液柱出现断续现象，并提高测温液体的沸点
5、，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。,一、膨胀式温度计 是基于物体受热时产生膨胀的原理，分为液体膨胀式和固体膨胀式两类。,14,15,液体玻璃温度计分全浸式和部分浸入式两种。 全浸：测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。 部分浸入：把温度计部分插入被测介质中。 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。,修正值计算：,16,17,2、固体膨胀式温度计,金属材料的热膨胀效应也可以作为温度测量的基础。,以铝为例，当温度改变T=1时，初始长度L0=10cm的铝条的长度变化为,可见想要直接利用金属的线膨胀来测温度，需要测量微米级的长度变化，这样做不太实用。,18,
6、将膨胀系数不同的两种材料结合在一起，对膨胀系数加以放大。分为杆式和双金属式两大类。 范围：-30600oC； 精度：0.5-1.0级,19,20,双金属片温度计是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一端固定，另一端为自由端。 当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。,双金属片温度计,21,设在零摄氏度时双金属片处于没有弯曲的水平状态，当温度变为T时，自由端的弯曲变形为:,式中：K两种金属的热膨胀系数的差值； L双金属片的长度； T温度； t双金属片的厚度。,设双金属片的长度为L=10cm，厚度为t=0.0
7、005m，钢和锌的热膨胀系数的差值为K=2010-6/，温度改变T=1时，自由端的变形量为,22,为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状。,23,双金属温度计的感温双金属元件的形状有平面螺旋型和直线螺旋型两大类，其测温范围大致为-80600，精度等级通常为1.5级左右。 双金属温度计抗振性好，读数方便，但精度不太高，只能用做一般的工业用仪表。,24,二、压力温度计,压力温度计是根据一定质量的液体、气体、蒸汽在体积不变的条件下其压力与温度呈确定函数关系的原理实现其测温功能的。 压力温度计的典型结构示意图,25,这类压力温度计其毛细管细而长(规格为160m)它的作用主要是传递压力，长
8、度愈长，则使温度计响应愈慢，在长度相等条件下，管愈细，则准确度愈高。 压力温度计和玻璃温度计相比，具有强度大、不易破损、读数方便，但准确度较低、耐腐蚀性较差等特点。,电接点压力式温度计,26,27,10.4 电阻温度计,利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。 大多数金属在温度升高1C 时电阻将增加0.40.6。 半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1 C ，电阻约减小26。 目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍。,28,29,(一) 铂电阻温度计,铂是一种贵金属。它的特点是精度高，性能稳定性，耐氧化性能很强。铂在1200C以下都能保证
9、上述特性。 铂很容易提纯，复现性好，可制成很细的铂丝（0.02mm或更细）或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。 缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小； 价格贵,30,在0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数A为3.8510-3/C 。 按IEC标淮，使用温度已扩大到-200850 C，初始电阻有100和10两种。,31,目前工业用铂电阻分度号为Pt100和Pt10，其中Pt100更为常用。 当 时 当时,32,(二) 铜电阻温度计,在测量精度要求不高、温度较低的场合，普遍地使用铜电阻。 它可用来测量-50+150C的温度，在这温度范
10、围内，铜电阻和温度呈线性关系：,33,铜电阻的缺点是电阻率小。 制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。 铜很容易氧化，所以它的工作上限为150 C 。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。 初始电阻有100和50两种。,34,材料：,特点：,分类：,（1）温度系数大 灵敏度高 （为热电阻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 适于动态测温,（4）易于维护、使用寿命长 适于现场测温,（5）互换性差，非线性严重，精度低,正温度系数热敏电阻(PTC),负温度系数热敏电阻(NTC),临界温度系数热敏电阻(CTR),半导
11、体 - 半导体热电阻,（6）成本低，应用广泛,非线性,(三) 半导体热敏电阻,35,(四) 热电阻测量电路,热电阻把温度量转换成电阻量，测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。,w平衡电桥法 如果电阻R1=R2，当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有,L、R0电位器有效长度和总电阻 x电刷位置,36,(五) 电阻温度计的测温误差,热电阻测温系统的误差包括： 热电阻的基本误差 引线电阻误差,37,自热误差 由流过电阻体的电流引起 电流 ，输出信号 ，自热误差 一般工业热电阻工作电流被限制在6mA以内，这样自热温差就不会超过0.1C。,38,引线电阻误差 电路中
12、两根连线的电阻随环境温度变化时，全部变化量都加在同一桥臂上，带来连线误差。 为了减小该项误差，一般采用三线连接法，将热电阻的两根连线分别置于相邻两桥臂内，温度引起连线电阻的变化对电桥的影响相互抵消。,39,三线制接法,40,二线制接法 要求引线电阻不超过铜电阻R0的0.2%,41,四线制接法 电位差计测量电阻电路,42,(五) P-N结与集成电路温度传感器,1、锗和硅二极管的正向压降以-2mV/C的斜率随温度变化； 2、晶体管的基极-发射极电压Vbe与温度基本成线性关系。 集成电路温度传感器将温敏晶体管与激励电路、放大电路等辅助电路集成在同一块芯片上，能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一
13、般用于-55150之间的温度测量，AD590（1A/C），ICL8073（1mV/C ）.,43,10.5 光辐射测温方法及仪表,非接触测温利用光辐射来测量物体温度 1、任何物体温度高于绝对零度（-273.16C）时，都将有热辐射，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。 2、辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。 3、温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。,44,辐射测温特点： 非接触测量 - 不影响被测温度分布 响应速度快：对高速运动物体测温。 灵敏度高，能分辨微
14、小的温度变化； 测量范围广(-101300C)； 抗干扰能力强，无需修正。,45,一、热辐射基本定律,(一) 基尔霍夫定律 (二) 斯忒潘玻耳兹曼定律 （三）普朗克定律 （四）维恩位移定律,46,出射辐射能与吸收辐射能的一致性 辐通量：单位时间内通过某一截面的辐射能，又称辐射功率，SI单位为瓦。,(一) 基尔霍夫定律,光谱吸收率 ： -表示物体对辐射到其上的辐通量可吸收的比例。,式中， 为被物体吸收的辐通量； 为照射到物体单位面积上的辐通量。,47,48,基尔霍夫定律：,辐射出射度：从辐射源表面单位面积发射出的辐通量，某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。,49,基尔霍夫定律：在同样的温
15、度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。,50,结论：,则：物体的光谱发射率等于其光谱吸收率。,吸收辐射能力强的物体，受热后向外辐射的能力也强；,51,(二)斯忒潘玻耳兹曼定律 物体辐射出射度与温度间的关系,温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度 与温度T的四次方成正比。,辐射式温度计测温的理论根据。,52,（三）普朗克定律（单色辐射强度定律）,式中， c光速； h普朗克常数，6.62617610-34Js； k波尔兹曼常数，1.3806624410-23J/K； C1第一辐射常数，3.
16、741810-16Wm2； C2第二辐射常数，1.438810-12mK； T绝对温度。,温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为的辐射出射度为,描述辐射能量在各波长上的分布关系,也可以用辐射亮度来表示：,53,（四）维恩位移定律 最大辐射波长与温度的关系,热辐射光谱中包含着各种波长，从实验可知，物体峰值辐射波长 与物体自身的绝对温度T成以下关系,54,温度升高： 单色辐射强度随温度升高而增加； 总辐射能量增加； 峰值波长减小。,每一条曲线下的面积表示该温度下物体辐射能量的总和，与温度的四次方成正比。,55,二、辐射温度计,（一）全辐射温度计 利用物体的温度与总辐射出射度的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：,56,采用敏感元件测量出辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度； 主要由光学系统、辐射接收器、测量仪表和辅助装置组成； 可用于测量-5020000C的高温； 对物体黑度系数的
