7温度测量

7温度测量7.1概述一、温度的基本概念和测量方法温度是一个基本物理量。温度的宏观概念是冷热程度的表示，或者说，互为热平衡的两物体，其温度相等。温度的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。温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！二、温标温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。1.经验温标经验温标的基础是利用物质体膨胀与温度的关系。在两个易于实现且稳定的温度点之间所选定的测温物质体积的变化与温度成线性关系。按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标。几种温标的对比正常体温为37C，相当于华氏温度多少度？摄氏温标：所用标准仪器是水银玻璃温度计。分度方法是规定在标准大气压力下，水的冰点为零度，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3259tF2.热力学温标----开尔文温标，或称绝对温标规定分子运动停止时的温度为绝对零度。水的三相点，273.15K水的凝固点，0℃，相当华氏温标32℉的开氏温标为273.15K。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1/273.15。热力学温标（K）热力学温标是建立在热力学第二定律基础上的最科学的温标，是由开尔文（Kelvin）根据热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。它的符号是T，单位是开尔文（K）。威廉·汤姆逊·开尔文勋爵像三、测温方法与测温仪器的分类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，最后达到热平衡，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。2、非接触式测温感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。介绍几种温度测量方法示温涂料（变色涂料）装满热水后图案变得清晰可辨变色涂料在电脑内部温度中的示温作用CPU散热风扇低温时显示蓝色温度升高后变为红色体积热膨胀式不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。气体的体积与热力学温度成正比红外温度计按照温度测量范围，可分为超低温、低温、中高温和超高温温度测量。超低温：0～10K低温：10～800K中温：800～1900K高温：1900～2800K超高温：2800K先看一个实验——热电偶工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）第二节热电偶的工作原理左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB通过以上演示得出结论——有关热电偶热电势的讨论热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt的函数：EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）热电势大致与两个结点的温差Δt成正比从实验到理论：热电效应1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，指针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。结点产生热电势的微观解释及图形符号两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。自由电子＋ABeAB（T）T任意两种不同材料的导体A和B首尾依次相接就构成了一个闭合回路，当两接触点温度不同时，在回路中就会产生热电势，这种现象称为热电效应。由于产生的热电势是以两接点有温度差为先决条件的，因而也称温差电势，这两种不同导体的组合就称为热电偶，A和B称为热电极，形成的回路称为热电回路。)()(teteBAABeAB(t)若使两个电极的另一端闭合，就构成了一个热电回路，则在两接点处形成了两个方向相反的热电势eAB(t)和eAB(t0)回路中总的热电势为)()(),(00tetettEBAABAB)()(),(00tetettEABABAB),(0ttEABt0ttt当热电极材料确定后，热电偶的总的热电势成为温度和的函数之差。的单值函数了。的高低，这就是利用热电现象测温的基本原理。如果使冷端温度固定不变，则热电势就只是温度只要测出热电势的大小，就能判断测温点温度结论：①如果热电偶两电极材料相同，则虽两端温度不同，但总输出电势仍为零，因此，必须由两种不同的材料才能构成热电偶。②如果热电偶两结点温度相同，则回路中的总电势必然等于零。③热电势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸、形状及沿电极温度分布无关。应注意，如果热电极本身性质为非均匀的，由于温度梯度存在将会有附加电势产生。)()(),(00tetettEABABAB选用镍铬-镍硅（K型）热电偶测量某热处理炉的炉温，测量系统如图11-4所示，毫伏表示值为39.58mV，请问炉温为多少？),(0ttEABt根据＝39.58mV已知条件，可直接＝956.5C。查K型热电偶分度表，结果为二、热电回路的基本定律测量端参考端测量端参考端热电势t1t),(1ttEAB1t0t),(01ttEABt0t),(0ttEAB测量端参考端热电势t1t),(1ttEAB1t0t),(01ttEABt0t),(0ttEAB+=中间温度定律),(),(),(0110ttEttEttEABABAB证明如下：)()(),(00tetettEABABAB)()(),(11tetettEABABAB)()(),(0101tetettEABABAB++),(),(),(0110ttEttEttEABABAB中间导体定律，也称第三导体定律)()()(),(000tetetettECABCABABC根据能量守恒原理可知，多种金属导体组成的闭合回路，只要各接点的温度相同，则回路的总热电势为零。当t=t0时，有0)()()(000teteteCABCAB)()()(000teteteCABCAB)()(),(00tetettEABABAB),()()(),(000ttEtetettEABABABABC)()()(),(000tetetettECABCABABC结果表明，在热电回路内接入第三种材料的导线，只要第三种材料的导线的两端温度相同，它的引入不会影响热电偶的热电势。这一性质称为中间导体定律。从实用观点看，这条性质很重要，正是由于这一性质的存在，才可在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会对热电势有影响，且也允许采用任意办法来焊制热电偶。同时应用这一性质还可采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量。),(),(),(000ttEttEttEBCACAB参考电极定律大大简化了热电偶的选配工作。只要我们获得热电极与标准铂电极配对的热电势。那么任何两个热电极配对时的热电势便可上式求得，而不需逐个进行测定。参考电极定律分度号名称测量温度范围1000C热电势/mVB铂铑30－铂铑650～1820C4.834R铂铑13—铂-50～1768C10.506S铂铑10—铂-50～1768C9.587K镍铬－镍铬(铝)-270～1370C41.276E镍铬－铜镍(康铜)－270～800C——?三、常用热电偶数字式温度表温度上限设定值温度上限值设定键普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰普通装配型热电偶的结构放大图接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）BA绝缘材料铠装型热电偶横截面铠装型热电偶铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。隔爆型热电偶外形厚壁保护管压铸的接线盒电缆线隔爆型热电偶结构特点：隔爆热电偶的接线盒在设计时采用防爆的特殊结构，它的接线盒是经过压铸而成的，有一定的厚度、隔爆空间，机构强度较高；采用螺纹隔爆接合面，并采用密封圈进行密封，因此，当接线盒内一旦放弧时，不会与外界环境的危险气体传爆，能达到预期的防爆、隔爆效果。使用场合：工业用的隔爆型热电偶多用于化学工业自控系统中（由于在化工生产厂、生产现场常伴有各种易燃、易爆等化学气体或蒸汽，如果用普通热电偶则非常不安全、很容易引起环境气体爆炸）。其他热电偶外形小形K型热电偶请将右图各有关设备正确地连接起来，组成热电偶测温、控温电路。黄绿红L1L2L3接大地铜排接零热电偶输出端电炉交流接触器三相空气开关380V线圈的交流接触器连接过程当温度控制器测得的温度达到设定值时，5-6两端开路，交流接触器失电，电炉回路被切断。接大地铜排黄绿红L1L2L3电炉接零“3”端接何处热电偶四、热电偶冷端的温度补偿五、电阻温度计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，它由热电阻体（感温元件）、连接导线和显示或纪录仪表构成。热电阻按感温元件的材质分金属与半导体两类。金属导体有铂、铜、镍、铑及铂钴合金等，在工业生产中大量使用的有铂、铜两种热电阻；半导体有锗、碳和热敏电阻等。按准确度等级分为标准电阻温度计和工业热电阻。按结构分为绕线型、薄膜型和厚膜型等。(1)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。(2)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。(3)热敏电阻热敏电阻是一种电阻值随其温度成指数变化的半导体热敏元件。优点如下：(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。缺点是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。7.3接触式测温分为固体表面，固体内部以及流动介质温度测量。静态温度，气体在运动或静止时的实际温度，是分子平均随机平动动能，简称静温，可采用绝热探头相对于气体静止状态下达到热平衡时测定。动态温度，气体连续运动中正向流动动能在理想条件下，全部转化为热效应所相应的温度，简称动温。总温，气流静温与动温之和即为总温。7.4辐射式测温当物体受热后将有一部分热能转变为辐射能，辐射能以电磁波的形式向四周辐射，物体的温度越高，向周围空间辐射的能量就越多。辐射能包括的波长范围极广，从γ射线到电磁波。我们研究的对象主要是物体能吸收又能把它转换为热能的那些射线，其中最显著的是可见光和红外线，即波长为0.4～40m的辐射，对应于这部分波长的能量称为热辐射能。辐射式温度计是利用受热物体的辐射能大小与温度的关