2023年温度测量（教学课件）.ppt

第二章第二章 温度测量温度测量 第一节第一节 温度测量概述温度测量概述 一、温度与温标一、温度与温标 一一温度温度 温度是表征物体冷热程度的物理量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温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物理量物理量 温度是描述热平衡系统冷热程度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根底上的。任温度的宏观概念是建立在热平衡根底上的。任意两个冷热程度不同的物体相互接触，它们之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。度完全一致时，这种热传递现象才能停止。-热力学第零定律热力学第零定律 温度的微观概念说明：物体温度的上下标志着温度的微观概念说明：物体温度的上下标志着组成物体的大量分子无规那么运动的剧烈程度，组成物体的大量分子无规那么运动的剧烈程度，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。体的物理化学特性与温度密切相关。温度的测量温度的测量 当两个物体同处于一个系统中而到达热当两个物体同处于一个系统中而到达热平衡时，那么它们就具有相同的温度。因此可平衡时，那么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，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确实定关系，体的某些性质或状态随温度变化确实定关系，就可以以温度来量度其性质或状态的变化情况，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根底。这就是设计与制作温度计的数学物理根底。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。三三温标温标 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根本单位。各种温度计的刻度数值均由温标确定。1 1经验温标经验温标 它是借助于某一种物质的物理量与温度变它是借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系化的关系，用实验方法或经验公式所确定的温用实验方法或经验公式所确定的温标标。摄氏温标摄氏温标 摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为融点为0度，水沸点为度，水沸点为100度，中间等分为度，中间等分为100格，每格为摄氏格，每格为摄氏1度，符号为度，符号为。华氏温标华氏温标 华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为为32度，水沸点为度，水沸点为212度，中间等分度，中间等分180格，每格，每格为华氏格为华氏1度，符号为度，符号为。它与摄氏温标的关系为：它与摄氏温标的关系为：5CF 329类似的经验温标还有兰氏、列氏等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经验温标的缺点在于它的局限性和随意性性 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。它建于热力学根底，表达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根本温标。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根底。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 3国际温标国际温标 为了使用方便为了使用方便，国际上经协商国际上经协商，决定建立一决定建立一种既使用方便种既使用方便，又具有一定科学技术水平的又具有一定科学技术水平的温标温标，这就是国际温标的由来这就是国际温标的由来。具备的条件：具备的条件：尽可能接近热力学温标尽可能接近热力学温标 复现精度高复现精度高，各国均能以很高的准确度复现各国均能以很高的准确度复现同样的温标同样的温标，确保温度量值的统一确保温度量值的统一 用于复现温标的标准温度计用于复现温标的标准温度计，使用方便使用方便，性性能稳定能稳定 国际实用温标是用来复现热力学温标的国际实用温标是用来复现热力学温标的，简简称称IPTS-68，它是由它是由1968年国际权度会议通过年国际权度会议通过的的。这个温标经过这个温标经过20多年使用多年使用，发现了一些问发现了一些问题题，已无法满足现代科学开展对温度测量的要求已无法满足现代科学开展对温度测量的要求。国际计量委员会决定用国际计量委员会决定用1990年国际温标年国际温标ITS-90代替代替IPTS-68。在在1990年国际温标中指出年国际温标中指出，热力学温标是根热力学温标是根本物理量本物理量。单位开尔文单位开尔文，符号为符号为K。它规定水的它规定水的三相点热力学温度为三相点热力学温度为273.16K，定义开尔文一定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的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 273.15 T90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确实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 点由 平 衡 氢 三 相 点 13.8K 到 银 凝 固 点到 银 凝 固 点962，这个温度段内这个温度段内，标准仪器应用铂标准仪器应用铂电阻温度计电阻温度计。银凝固点银凝固点962以上温度区间采用普朗克以上温度区间采用普朗克定律外推定律外推。二、温度标准的传递二、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三、温度测量方法及测量仪表的分类 温度不能直接测量温度不能直接测量，而是借助于物质的某些物而是借助于物质的某些物理特性是温度的函数理特性是温度的函数，通过对某些物理特性变通过对某些物理特性变化量的测量间接地获得温度值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根据温度测量仪表地使用方式，通常可分类为通常可分类为接触法接触法与与非接触法非接触法两大类两大类。1.接触法接触法 当两个物体接触后，经过足够长的时间到当两个物体接触后，经过足够长的时间到达热平衡后，那么它们的温度必然相等。达热平衡后，那么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，这种测温方另一个物体实现温度测量，这种测温方式称为接触法。式称为接触法。特点：温度计要与被测物体有良好地热接特点：温度计要与被测物体有良好地热接触，使两者到达热平衡。触，使两者到达热平衡。2.非接触法非接触法 利用物体的热辐射能随温度变化的原理测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定物体温度，这种测温方式称为非接触法。法。特点：不与被测物体接触，也不改变被测特点：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。物体的温度分布，热惯性小。通常用来测定通常用来测定1000以上的移动、旋转或以上的移动、旋转或反响迅速的高温物体的温度。反响迅速的高温物体的温度。按工作原理来划分，也根据温度范围按工作原理来划分，也根据温度范围高温、中温、低温等高温、中温、低温等或仪表精度或仪表精度基准、标准等基准、标准等来划分。来划分。3.测量仪表的分类测量仪表的分类 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。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。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热辐射特性对物体的温度进行非接触式测量。量。光学高温计、比色高温计、辐射高温计光学高温计、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，主要有的原理制成的温度计，主要有液体膨胀液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计和压力式式温度计、固体膨胀式温度计和压力式温度计温度计三种。三种。一、液体膨胀式温度计一、液体膨胀式温度计 1.测温原理测温原理 2.主要特点主要特点 3.分类分类 4.测温误差分析测温误差分析 二、固体膨胀式温度计二、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。制成，有杆式和双金属片式两种。三、压力式温度计三、压力式温度计 它是利用密闭容积内工作介质随温度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介质的压力测量来判断温度值的一种机械式仪表。机械式仪表。工作介质是气体、液体或蒸气工作介质是气体、液体或蒸气 简单可靠、抗振性能好，具有良好的简单可靠、抗振性能好，具有良好的防爆性防爆性 动态性能差，示值的滞后较大，不能动态性能差，示值的滞后较大，不能测量迅速变化的温度测量迅速变化的温度 第三节第三节 热电偶温度计热电偶温度计 热电偶是目前世界上科研和生产中应用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。最普遍、最广泛的温度测量元件。它将温度信号转换成电势它将温度信号转换成电势mVmV信号，信号，配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现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。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、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。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，于固体温度测量。既可以测量静态温度，也能测量动态温度。也能测量动态温度。并且直接输出直流电压信号，便于测量、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。信号传输、自动记录和控制等。铠装热电偶图型铠装热电偶图型 WRTK2-434/8x1000mm 铠装固定卡套法兰热电偶 WRSK-143/6x1000mm Gh3030 铠装防爆热电偶 WRNK-332/4x