双金属温度计工作原理一

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1、第二章 生化过程参数检测第一节 温度的检测温度对生化过程的影响1温度检测的基础知识2温度检测仪表3温度变送器4第一节 温度的检测2-1 温度检测的基础知识温度：从宏观上看，温度是表示物体冷热程度的物理量 从微观上看，温度标志着物质分子热运动的剧烈程度温度是与人类生活息息相关的物理量温标：温标衡量温度的标准尺度,是温度数值化的标尺。各种温度计的刻度数值均由温标确定。 华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。摄氏温标：1740年瑞典人摄氏(Celsius)提出的，在标准大气压下，把纯水的冰点规定为0度，水的沸点规定为100度。而将汞柱在这两点间等分为100格，每等分格为摄氏1度，标记为。华氏

2、温标:1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)提出的，在标准大气压下，把冰、水、氯化铵和氯化钠的混合物的熔点定为零度，冰的熔点定为32度，水的沸点定为212度，中间划分180等分，每等分为华氏1度，符号为。 热力学温标又称开尔文温标，是由开尔文(Ketvin)在1848年提出的 ，符号为T，单位记为K，其规定分子运动停止时的温度为绝对零度，因此又称绝对温标。 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，以卡诺循环(Carnot cycle)的热量作为测定温度的工具，即热量起着测温质的作用。 热力学温标是国际单位制中七个基本物理单位之一。 热力学

3、温标为了在分度上和摄氏温标相一致，把理想气体压力为 零时对应的温度绝对零度与水的三相点温度分为273.16份，每 份为1 K (Kelvin) 。热力学温标： 国际实用温标是一个国际协议性温标，它与热力学温标 相接近，而且复现精度高，使用方便。 1975年第15届国际权度大会通过：IPTS-68 1989年第18届国际计量大会通过： ITS-90 国际温标 ITS-90 同时定义国际开尔文温度（符号为 T90 ）和国际摄氏温度（符号为 t90）国际实用温标：ITS-90基本内容为： 重申国际实用温标单位仍为K； 国际摄氏温度和国际开尔文温度关系为： 把整个温标分成4个温区，其相应的标准仪器 如

4、下：第一温区为0.655.0K，用3He和4He蒸汽温度计；第二温区为3.024.5561K，用3He和4He定容气体温度计；第三温区为13.803K961.78，用铂电阻温度计；第四温区961.78以上，用光学或光电高温计；表 1 各温标间的换算关系 2-2 温度检测方法 温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物理特性 是温度的函数，通过对某些物理特性变化量的测量间 接地获得温度值。 根据温度测量仪表的使用方式，通常可分类为接触法 与非接触法两大类。1.接触法u接触式测温方法是使温度敏感元件和被测温度对象相接触, 当被 测温度与感温元件达到热平衡时, 温度敏感元件与被测温度对象 的温度相等。

5、如果其中之一为温度计，就可以用它对另一个物体 实现温度测量，这种测温方式称为接触法。u优点：简单、可靠、测量精度高u缺点：要良好的热接触，滞后，破坏对象温度场，不适高温测量2.非接触法u测温元件不与被测物体直接接触，而是利用物体的热辐射能(或亮 度)随温度变化的原理测定物体温度，这种测温方式称为非接触法 。u优点：不改变对象温度场，测温范围广，没有上限，反应快u缺点：误差大，易受发射率、距离、烟尘和水气等外界因素影响接触式与非接触式测温特点比较方 式 接 触 式 非 接 触 式 测量条件感温元件要与被测对象良好接触；感温 元件的加入几乎不改变对象的温度；被 测温度不超过感温元件能承受的上限温

6、度;被测对象不对感温元件产生腐蚀 需准确知道被测对象表面发射率；被 测对象的辐射能充分照射到检测元件 上 测量范围特别适合1200以下、热容大、无腐蚀 性对象的连续在线测温，对高于l300 以上的温度测量较困难 范围可以从超低温到极高温，但 1000以下，测量误差大，能测运动 物 体和热容小的物体温度 精度 工业用表通常为1.0、0.5、0.2及0.1级， 实验室用表可达0.01级 通常为1.0、1.5、2.5级 响应速度慢，通常为几十秒到几分钟 快，通常为23秒钟 其它特点整个测温系统结构简单、体积小、可靠 、维护方便、价格低廉，仪表读数直接 反映被测物体实际温度；可方便地组成 多路集中测量

7、与控制系统 结构复杂、体积大、调整麻烦、价格 昂贵；仪表读数通常只反映被测物体 表观温度(需进一步修正)；不易组成 测温、控温一体化的温度控制装置 应用热膨胀原理测温 应用压力随温度变化的原理测温 应用热阻效应测温 应用热电效应测温 应用热辐射原理测温2-3 温度检测原理 膨胀式测温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。 膨胀式温度计种类很多，按膨胀基体可分成液体膨 胀式玻璃温度计、固体膨胀式双金属温度计。应用热膨胀原理测温 玻璃液体温度计简称玻璃温度计，是一种直读式仪表 。水银是玻璃温度计最常用的液体，其凝固点为- 38.9、测温上限为538。 玻璃温度计特点：结

8、构简单，制作容易，价格低廉， 测温范围较广，安装使用方便，现场直接读数，一般 无需能源，易破损，测温值难自动远传记录。玻璃温度计玻璃温度计的分类： 全浸式：测温准确度高，但读 刻度困难，使用操作不便。 局浸式：读数容易，但测量误 差较大，即使采取修正措施其 误差比全浸式仍要大好几倍或 更多。V形工业玻璃温度计玻璃温度计 固体长度随温度变化的情况可用下式表示： 基于固体受热膨胀原理，测量温度通常是把两片线膨 胀系数差异相对很大的金属片叠焊在一起，构成双金 属片感温元件当温度变化时，因双金属片的两种不同 材料线膨胀系数差异相对很大而产生不同的膨胀和收 缩，导致双金属片产生弯曲变形。下图是双金属温度

9、 计原理图：双金属温度计 双金属温度计原理图 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。双金属温度计 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压力温度计 这类压力温度计其毛细管细而长(规格为1-60m)它的作用主要是传递压力，长度愈长，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，

10、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。压力温度计 任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向 周围辐射能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在分子 和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传播热能 的那部分辐射，称为热辐射。 辐射温度计是根据全辐射定律，基于被测物体的辐射热效 应进行工作的。辐射温度计的敏感元件，分光电型与热敏 型两大类 辐射温度计由辐射敏感元件、光学系统、显示仪表及辅助 装置等几大部分组成。 辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和红外光 的波长区域。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为 0.3-40m。辐射温度计红外辐射测温仪HY

11、-303光学高温计检测方式仪表名称测温原理测量范围/精度/%特点接触式 双金属温度计金属热膨胀、变形量 随温度变化-100600 一般-8060012.5结构简单可靠，读数方便，精度较 低，不能远传压力式温度计气（汽）体、液体在 定容条件下，压力随 温度变化0600 一般030012.5结构简单可靠，可较远距离传送（ 50m），精度较低，受环境温度 影响大玻璃管液体温度计液体热膨胀、体积随 温度变化-200600 一般-1006000.12.5结构简单，精度高，读数不便，不 能传送热电阻金属或半导体的电阻 值随温度变化-2581200 一般-2006500.53.0精度高，便于传送；需外加电源

12、热电偶热电效应-2692800 一般- 20018000.51.0测温范围大，精度高，便于远传， 低温精度差非接触式光学高温计物体单色辐射强度及 亮度随温度变化2003200 一般 60024001.01.5结构简单，携带方便，不破坏对 象温度场；易产生目测误差，外界 反射、辐射会引起检测误差辐射高温计物体辐射随温度变化1003200 一般 70020001.5结构简单，稳定性好，光路上环境 介质吸收辐射，易产生检测误差表2 常用测温仪表的分类及性能温度对生化过程的影响1温度检测的基础知识2温度检测仪表3温度变送器4第一节 温度的检测两种不同的导体或半导体A和B组合成如图所示闭合回路 ，若导体

13、A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此 闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存 在，这种现象叫做热电效应。回路中所产生的电动势， 叫热电势。这种现象早在1821年首先由西拜克（See back）发现,所以又称西拜克效应。3-1热电偶温度计接触电势 温差电势热电偶原理图TT0AB热端冷端1. 接触电势接触电势原理图+ABTeAB(T)-eAB(T)导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e单位电荷， e =1.610-19C； k波尔兹曼常数， k =1.3810-23 J/K ； NA、NB 导体A、B在温度为T 时的电子密度。接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关

14、。eA(T，T0)导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0高低端的绝对温度； A汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1时所产生的温差电动势， 例如在0时，铜的 =2V/。2. 温差电势AeA(T,To )ToT温差电势原理图3. 回路总电势T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB由于NA、NB是温度的单值函数，如果T0=const. 则：EAB(T,T0)=EAB(T )-EAB(T0 )=f(T )-C=g(T ) 热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热 电偶的长度、粗细无关。（均质回路定律或均质导体定律） 只有用不同性质的导体(或

15、半导体)才能组合成热电偶；相同材料不 会产生热电势，因为当A、B两种导体是同一种材料时， ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。 只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同时才能有热电势产生。 导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如 果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关， 而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。 不同电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的从上述公式得出结论：均质回路定律或均质导体定律中间导体定律中间温度定律热电偶的基本定律 ：将第三种材料C接入由A、B组成的热电偶回路，如图，则图a中 的A、C接点2与C、A的接点3，均处于相同温度T0之中，此回路 的总电势不变，即同理，图b中C、A接点2与C、B的接点3，同处于温度T0之中，此回路的电势也为： EAB（T1, T2）=EAB（T1）-EAB（T2）EAB(T1,T2)=EAB(T1)-EAB（T2 ）T2T1A aBC23EAB aAT0 2 3ABEABT1T2CT0(a)(b)T0T