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1、第三章 温度测量第一节 温度测量概述 温度是一个重要的物理量。它是国际单位制(sI)中7个基本物理量之一，也是工业生产中主要的工艺参数。但是，要准确地1g6量温度是很困难的，无论采用准确度多么高的温度计，如果温度计选择不当，或者测试方法不适宜，均不能得到满意结果。由此可以看出测温技术的重要性与复杂性。 一、温度与温标 (一)温度 物体的冷热程度常用“温度”这个物理量来表示。从能量角度来看，温度是描述系统不同自由度间能量分布状况的物理量，从热平衡的观点来看，温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量，它标志着系统内部分子无规则运动的剧烈程度，温度高的物体，分子平均动能大；温度低的物体，分子平均动能小。
2、 温度的高低，也可由人的器官感觉出来，但这很不可靠，也不准确。为了判断温度的高低，只能借助于某种物质的某种特性(例如体积、长度和电阻等)随温度变化的一定规律来测量，自然就会有形形色色的温度计。但是，迄今为止，还没有适应整个温度范围用的温度计(或物质)。比较理想的物质及相应的物理性能有：液体、气体的体积或压力，金局(或合金)的电阻，热电偶的热电动势和物体的热辐射等，这些性能随温度变化都可作为温度测量的依据。 (二)温标 。 为了保证温度量值的统一和准确，应该建立一个用来衡量温度的标准尺度，简称为温标。温度的高低必须用数字来说明，温标就是温度的数值表示方法。各种温度计的数值都是由温标决定的。即温度
3、计必须先进行分度，或称标定。好比一把测量长度的尺子，预先要在尺于上刻线后，才能用来衡量长度。由于温度这个量比较特殊，只能借助于某个物理量来间接表示，因此温度的尺子不能像长度的尺子那样明显，它是利用一些物质的“相平衡温度”作为固定点刻在“标尺”上，而固定点中间的温度值则是利用一种函数关系来描述，称为内插函数(或称内插方程)。通常把温度计、固定点和内插方程叫做温标的三要素，或称为三个基本条件。 1经验温标 借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系标，称为经验温标。用实验方法或经验公式所确定的温标，称为经验温标。 例如，1714年德国人法伦海脱(Fahrenheit)，以水银为测温介质，以水银的体积
4、随温度的变化为依据，制成玻璃水银温度计。他规定水的沸腾温度为212度，氯化氨和冰的混合物为0度，这两个固定点中间等分为212份，每一份为1度记作。这种标定温度的方法称为华氏温标。 1740年瑞典人摄氏(Celsius)把冰点定为0度，把水的沸点定为100度，用这两个固定点来分度玻璃水银温度计，将两个固定点之间的距离等分为100份，每一份为1度，记作。这种标定温度的方法称为摄氏温标。 还有一些类似的经验温标，如兰氏、列氏等，都有各自相应的内容。由上述可知，经验温标的缺点在于它的局限性和随意性。例如，若选用水想温度计作为温标规定的温度计，那么别的物质(例如酒精)就不能用了，而且使用温度范围也不能超
5、过上下限(如0，l00)，超过了就不能标定温度了。2热力学温标 由于经验温标具有局限性和随意性两个缺点，不能适用于任意地区或任何场合，因而是不科学的。只有用苦渲规律所确定的温标，才是员科学的。物理学家开尔文(Kelvin)提出，在可逆条件下，工作于两个热源之间的卡语热机与两个热源之间交换热量之比等于两个热源热力学温度数值之比：，或 (31)式中 卡诺热机从高温热源吸收的热量；卡诺热祝向低温热源放出的热量；高温热源的温度；低温热源的温度。 由式(31)看出温度T是热量Q的函数，而与工质无关。1848年开尔文建议，利用卡诺定理及其推论，可以建立一个与工质无关的温标，即热力学温标，热力学温标所确定的
6、温度数值称为热力学温度(单位为K)。假设待测热源的热力学温度为T，一个标准热源的热力学温度已知为273.16K(水三相点)，利用卡诺热机测温，令，则由式(31)有： ，或 (32)式中 卡诺热机向标准热源放出的热量。 如果能用卡诺热机测出比值，则可由式(32)求得待测热源的热力学温度。式(31)可称为热力学温标的内插方程。实际上，卡诺热机是不存在的，只好从与卡诺定理等效的理想气体状态方程人手，即根据玻意耳-马略特定律复现热力学温标： (33)式中 P定质量气体的压强； V气体的体积； R普适常数； T热力学温度。由式(33)可知，当气体的体积恒定(定容)时，一定质量的气体(例如n摩尔气体)，其
7、温度与压强成正比，于是当选定水三相点的压强为参考点时， 恒量，或 (34)可以看出，式(34)与式(32)是类似的，当用定客气体温度计测出压力比时，即可求得相应的热力学温度T。式(34)称为理想气体的温标方程。由式(34)还可以看出只要确定一个基准点(水三相点)温度，则整个温标就确定了。由于实际气体与理想气体有些差异，所以当用气体温度计测旦温度时，总要进行一些修正(如真实气体非理想性修正，容积膨胀效应修正、毛纫管等有害容积的修正和气体分子被器壁吸附的修正，等等)。另外，气体温标的建立是相当繁杂的，而且使用很不方便。进而，气体温标一旦建立起来，再用气体温度计测量热力学温度，同样繁杂。3国际温标为
8、了实用方便，国际上经协商，决定建立一种既使用方便，又具有一定科学技术水平的温标，这就是国际温标的由来。国际沮标通常具备以下条件：(1)尽可能接近热力学温度；(2)复现精度高，各国均能以很高的准确度复现同样的温标(3)用于复现温标的标准温度计，使用方便性能稳定。第一个国际温标是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ITS27。此后大约每隔20年进行一次重大修改，相继有1948年国际温标(ITS48)、1968年国际实用温标(IPTS68)和1990年国际温标(ITS90)。国际温标做重大修改的原因，主要是由于温标的基本内容(即所谓温标“三要素”)发生变化，即
9、温度计(或称内插仪器)、固定点和内插公式(方程)的改变。从1990年1月1日开始，各国开始采用1990年国际温标(简称ITS90)。我国是从1994年1月1日起全面实行国际新温标的。二、1990年国际温标(ITS90)简介ITS90的热力学温度仍记作T，为了区别于以前的温标，用“”代表新温标的热力学温度，其单位仍是K。与此并用的摄氏温度记为，单位是“”。与的关系仍是 273.15 (35)1990年国际温标，是以定义固定点温度指定值以及在这些固定点、分度点的标准仪器来实现热力学温标的，各固定点问的温度是依据内插公式使标准仪器的示值与国际温标的温度值相联系。(一)定义固定点ITS90的定义固定点
10、共有17个，如表3-1所示。从表31可看出以下特点：1)固定点总数比IPTS68增加了4个；2)取消了氖(Ne)沸点、水沸点和氧()沸点；3)增加了5个新的固定点，它们是氖(Ne)三相点、汞（Hg）三相点、镓（Ga）熔点、铝(Al)凝固点和铜(Cu)凝固点；4)固定点的数值几乎全改了，而且变得更准确(到mK级)；5)低温方面的沸点全被取消了，代之以三相点或熔点，例如镓熔点；6)低温下限延伸了，按蒸气压方程，下限定到0.65K。(二) 标准仪器ITS90的内插用标淮仪器变化较大，特别是低温方面，数量多且复杂，由不同温度范围(或区间)而定。整个温标分4个温区，其相应标准仪器分别如下：(1)0.65
11、5.0K，和蒸气压温度计；(2)3.024.5561K，和定容气体温度计；(3)13.8033K961.78，铂电阻温度计；(4)961.78以上，光学或光电高温计。可以看出，在低温部分将气体温度计正式定为标准仪器，虽然比较复杂，但目前还找不出一种比较“实用”的标准仪器。以前曾热门一时的铑铁电阻温度计没被采用。另一方面，高温范围的铂铑10铂热电偶作为温标的标准仪器已被取消，代之以铂电阻温度计(961.78以下)和光学高温计(961.78以上)。(三)内插公式ITS90各温度范围的内插公式分得比较细，而且可以跨范围或交迭使用。三、温度标准的传递各国都要根据国际实用温标的规定，相应地建立起自己国家
12、的温度温标，为了保证这个标准的淮确可靠，还要推行国际比对。通过这些方法建立起的温标就作为本国温度测量的最高依据国家标准。我国的国家基淮保存在中国计量科学研究院，而各地区、省、市计量局(技术监督局)的标准要定期与国家基准比对，以保证本地区测温标准的统一。图3-1为我国温标传递系统的示意图，图中表明各种基准和标准以及工作用的测温仪表的传递关系。四、温度潮量方法及圈量仪表的分类温度不能直接测量，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和非接触法两类。1接触法由热平衡原理可知，当两个物体接触后，经过足够长的
13、时间达到热平衡后，则它们的温度必然相等。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。其特点是，温度计要与被测物体有良好的热接触，使两者达到热平衡。因此，测温准确度较高。用接触法测温时，感温元件要与被测物体接触，往往要破坏被测物体的热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用，因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻。2非接触法利用物体的热辐射能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。它的特点是；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。从原理上看，用这种方法测温无上限。通常用来测定1000以上的移功、旋转或反应迅速的高温物体的温度。两种测温
14、方法的特点如表3-2所示。按工作原理来划分，有时也根据温度范围(高温、中温、低温等)或仪表的精度（基准、标准等)来划分。3测量仪表的分类根据感温元件与被测物体的接触测量关系，温度测量仪表可划分为接触式测温仪表和非接触式铡沮仪表两大类。详见表3-3，3-4。接触式测温法是使感温元件直接与被测物体或直接与被测介质接触，感受被测物体或被测介质的温度变化。因此这种测量方法比较直观可靠。 常用的接触式测温仪表有膨胀式温度计、压力式温度计、热电阻与热电偶温度计等。非接触式测温仪表是采用感温元件与被测物体不直接接触的方法来测量温度。在高温范围内，用直接接触测温法非常困难，可采用非接触式测温法，利用物体的热辐射特性对物体的温度进行非接触式测量。主要有光学高温计、比色高温计和辐射高温计等。第二节 膨胀式温度计液体膨胀式温度计是利用物体受热膨胀的原理制成的温度计，主要有液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计三种。一、液体膨胀式温度计最常见的是玻璃管式温度计，如图32所示。它主要由液体储存器1，毛细管2和标尺3组成。根据所充填的液体介质不同能够测量200 750范围的温度。1测温原理玻璃管液体温度计是利用液体体积随温度升高而膨胀的原理制作而成。由于液体膨胀系数e远比玻璃的膨胀系数。大，因此当温度变化时，就引起工作液体在
