温度测量

第三章温度测量第一节温度测量概述一、温度与温标（一）温度温度是表征物体冷热程度的物理量温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们之间必然会发生热交换现象，热量要从温度高的物体传向温度低的物体，直到两物体之间的温度完全一致时，这种热传递现象才能停止。这也就是热力学第零定律所描述的，系统温度相等是建立热平衡的充要条件。温度的微观概念表明：物体温度的高低标志着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程度，即对其分子平均动能大小的一种量度。显然物体的物理化学特性与温度密切相关。温度的测量当两个物体同处于一个系统中而达到热平衡时，则它们就具有相同的温度。因此可以从一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就是测温的依据。如果事先已经知道一个物体的某些性质或状态随温度变化的确定关系，就可以以温度来量度其性质或状态的变化情况，这就是设计与制作温度计的数学物理基础。虽然有不少物体的某些性质或状态（如电阻、体积、电势等）会随温度的变化而变化，但并不是所有的物质都可制作成温度计。选作温度计的物质，其性质必须满足以下条件：物质的某一属性G仅与温度T有关，即G=G(T)，且必须是单调函数，最好是线性的。随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强，以保证仪表的灵敏度和测量精确度。应有较宽的测量范围。有较好的复现性和稳定性。（三）温标温标是温度数值化的标尺。它规定了温度的读数起点和测量温度的基本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。1．经验温标它是借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温标。摄氏温标摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为0度，水沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为℃。华氏温标华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为℉。它与摄氏温标的关系为：5CF329类似的经验温标还有兰氏、列氏等经验温标的缺点在于它的局限性和随意性2．热力学温标热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温标。热力学中卡诺定理指出：一个理想的卡诺机，当它工作于温度为T2的热源与温度为T1的冷源之间，它从热源中吸收的热量Q2与向冷源中放出的热量Q1，应遵循以下关系：这就是建立热力学温标的物理基础。如果指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比求得未知温度值。1122TQTQ热力学温标规定水在标准大气压下的三相点为273.16K，沸点与三相点之间分为100等分，每等分1K，将水的三相点以下273.16K定为绝对零度（0K）。3．国际温标为了使用方便，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。具备的条件：尽可能接近热力学温标复现精度高，各国均能以很高的准确度复现同样的温标，确保温度量值的统一用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能稳定国际实用温标是用来复现热力学温标的，简称IPTS-68，它是由1968年国际权度会议通过的。这个温标经过20多年使用，发现了一些问题，已无法满足现代科学发展对温度测量的要求。国际计量委员会决定用1990年国际温标（ITS-90）代替IPTS-68。在1990年国际温标中指出，热力学温标是基本物理量。单位开尔文，符号为K。它规定水的三相点热力学温度为273.16K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的1/273.16。在ITS-90中同时使用国际开尔文温度（符号为T90）和国际摄氏温度（符号为t90），其关系为t90=T90－273.15T90单位为开尔文（K），t90单位为摄氏度（℃）。这里所说的摄氏度符合国际实用温标（ITS-90）的规定。ITS-90的一些规定如下：由0.65K到4He临界点（~5.2K）温度范围为一温度段，在此温度段内用3He和4He周期压力与温度的关系来确定温度。由4He沸点（~4.2K）到氖三相点（~24.6K）温度范围内，T90的确定采用在三个规定温度点分度过的3He或4He气体温度计内插。这三个点分别是氖三相点（~24.6K）、平衡氢三相点（~13.8K）和4He正常沸点（~4.2K）。由平衡氢三相点（~13.8K）到银凝固点（~962℃），这个温度段内，标准仪器应用铂电阻温度计。银凝固点（~962℃）以上温度区间采用普朗克定律外推。二、温度标准的传递与国际实用温标有关的基准仪器均由国家指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存，并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行校验。三、温度测量方法及测量仪表的分类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。根据温度测量仪表地使用方式，通常可分类为接触法与非接触法两大类。1.接触法当两个物体接触后，经过足够长的时间达到热平衡后，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。特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，使两者达到热平衡。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。特点：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。通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反应迅速的高温物体的温度。按工作原理来划分，也根据温度范围（高温、中温、低温等）或仪表精度（基准、标准等）来划分。3.测量仪表的分类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。膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计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。光学高温计、比色高温计、辐射高温计第二节膨胀式温度计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1.测温原理2.主要特点3.分类4.测温误差分析二、固体膨胀式温度计它是利用两种线膨胀系数不同的材料制成，有杆式和双金属片式两种。三、压力式温度计它是利用密闭容积内工作介质随温度升高而压力升高的性质，通过对工作介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。工作介质是气体、液体或蒸气简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度第三节热电偶温度计热电偶是目前世界上科研和生产中应用最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现温度的测量或温度信号的转换。具有结构简单、制作方便、测量范围宽、准确度高、性能稳定、复现性好、体积小、响应时间短等各种优点。它既可以用于流体温度测量，也可以用于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。并且直接输出直流电压信号，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。铠装热电偶图型WRTK2-434/ⅡΦ8*1000mm铠装固定卡套法兰热电偶WRSK-143/ⅡΦ6*1000mmGh3030铠装防爆热电偶WRNK-332/ⅠΦ4*1000mmGh2520铠装可动卡套螺纹热电偶一、热电偶的测温原理两种不同的导体（或半导体）A和B组成闭合回路，如下图所示。当A和B相接的两个接点温度T和T0不同时，则在回路中就会产生一个电势，这种现象叫做热电效应。由此效应所产生的电势，通常称为热电势，用符号EAB（T，T0）表示。BATT0参考端冷端工作端热端图中的闭合回路称为热电偶，导体A和B称为热电偶的热电极。热电偶的两个接点中，置于被测介质（温度为T）中的接点称为工作端或热端，温度为参考温度T0的一端称为参考端或冷端。热电偶产生的热电势由两部分组成：接触电势和温差电势。1．接触电势接触电势用EAB(T)表示，其数值可用下式表示式中e——单位电荷，4.802X10-10静电单位；K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K；NA(T)、NB(T)——材料A、B在温度为T时的自由电子密度；T——A、B接触点的温度，K。AABBN(T)KTE(T)lneN(T)从理论上可以证明该接触电势的大小和方向主要取决于两种材料的性质（电子密度）和接触面温度的高低。温度越高，接触电势越大；两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。2．温差电势温差电势可表示为式中符号同前式。0TA0ATAK1E(T,T)d(NT)eN3．热电偶闭合回路的总热电势对于由A和B两种导体组成的热电偶闭合回路，设两端温度接点温度分别为T和T0，且TT0，NANB；那么回路中存在两个接触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的总热电势为AB0ABAB0B0A0E(T,T)E(T)E(T)E(T,T)E(T,T)进行推导整理后，可得对于确定的材料A和B，NA和NB与T的关系已知，则上式可简写成下面的形式EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)如果冷端温度T0保持恒定，这个热电势就是热端温度T的单值函数，即EAB(T,T0)=f(T)－C0TAAB0TBN(T)KE(T,T)lndTeN(T)两个热电极热电偶接点从以上式子可以得到如下结论：热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料和材料两端连接点所处的温度有关，与热电偶丝的直径、长度及沿程温度分布无关。只有用两种不同性质的材料才能组成热电偶，相同材料组成的闭合回路不会产生热电势。热电偶的两个热电极材料确定之后，热电势的大小只与热电偶两端接点的温度有关。如果T0已知且恒定，则f（T0）为常数，回路总热电势EAB（T，T0）只是温度T的单值函数。工程上所使用的各种类型的热电偶均把E(t)和t的关系制成易于查找的表格形式，这种表格称为热电偶的分度表。二、热电偶的基本定律1．均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路中，不论其截面和长度如何以及沿长度方向上各处的温度分布如何，都不能产生热电势。反之，如果回路中有热电势存在则材料必为非均质的。这条规律还要求热电偶的两种材料必须各自都是均质的，否则会由于沿热电偶长度方向存在温度梯度而产生附加电势，从而因热电偶材料不均匀性引入误差。2．中间导体定律在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体两端温度相同，该导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响。同理，热电偶回路中接入多种导体后，只要保证接入的每种导体的两端温度相同，则对热电偶的热电势没有影响。该定律表明热电偶回路中可接入各种仪表或连接导线。只要仪表或导线处于稳定的环境温度，原热电偶回路的热电势将不受接入仪表或导线的影响。该定律还表明热电偶的接点不仅可以焊接而成，也可以借助均质等温的导体加以连接。3．中间温度定律热电偶回路中，两接点温度分别为T、T0时的热电势，等于接点温度为T、TN和TN、T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。EAB(T,T0)=EAB(T,TN)+EAB(TN,T0)该定律说明当热电偶参比端温度t0≠0℃时，只要能测得热电势E(t,t0)，且t0已知，仍可以采用热电偶分度表求得被测温度t值。4.连接导体定律在热电偶回路中，如果热电偶的电极材料A和B分别与连接导体A’和B’相连接，各有关接点温度为t，tn和t0，那么回路的总热电势等于热电偶两端处于t和tn温度条件下的热电势EAB(t,tn)与连接导线A’和B’两端处于tn和t0温度条件下的热电势EA’B’(tn,t0)的代数和。EABB’A’(t,tn,t0)=EAB(t,tn)+EA’B’(tn,t