1、温度测量,9.1 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。处于热平衡状态的所有热力学系统都具有共同的宏观性质。这一宏观特性用温度表示即一切互为热平衡的系统具有相同的温度。 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。,自然界中几乎所有的物理化学过程都与温度紧密相关，因此温度是工农业生产、科学试验以及日常生活中需要普遍进行测量和控制的一个重要物理量。由于不同物质的不同物理特性与温度有着不同的关系，因此即使用同一物质的不同特性，或不同物质的同一种特性对同一个温度进行测量，也会得
2、出不同的量值，这就需要建立统一的标准温度单位，即温标。,二、 温标,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。认为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。把在两温度之间体积的总变化分为若干等分，并把引起体积变化一份的温度定义为1度。经验温标与测温介质有关，有多少种测温介质就有多少个温标。按照这个原则建立的有摄氏温标、华氏温标和列氏温标。,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，
3、选取氯化铵和冰水混合物的温度为零度，为100度。水银体积膨胀被分为100份，对应每份的温度为1华氏度，单位为“oF”。按照华氏温标，水的冰点为32oF，沸点是212oF。摄氏温度和华氏温度的关系为,2.热力学温标,热力学温标是英国物理学家开尔文(Kelvin)于1848年以热力学第二定律为基础所引出的与测温物质无关的温标。热力学温标是以卡诺循环为基础。卡诺定律指出，一个工作于恒温热源与恒温冷源之间的可逆热机，其效率只与热源和冷源的温度有关。假设热机从温度为T2的热源获得的热量为Q2，放给温度为T1的冷源的热量为Q1，则有,开尔文引出此温标后，于1854年建议用一个固定点来确定此温标。人们发现水
4、的三相点(273.16K)的稳定性能长期维持在0.1mK范围内。因此，1954年第10届国际计量大会决定采用水的三相点作为热力学温际的基本固定点此温标的表达式为： 这种温标的最大特点是与选用的测温介质性质无关，克服了经验温标随测温介质而变的缺陷，故称它为科学的温标或绝对热力学温标。由此而得的温度称为热力学温度。从此所有的温度测量都以热力学温标作为基准。,(三)绝对气体温标,由波义耳定律知，当温度一定时，一定质量气体的体积V和压力p之间相当严格地遵守pVC的关系，而C是只取决于温度的常数，故当压力和体积中之一恒定时，另一个就是温度的单值函数。利用这一原理制造的温度计称为气体温度计，有定容式和定压
5、式两种。这样就把温度测量转化成对气体压力或体积的测量。由查理定律和盖吕萨克定律可知,在体积V0或压力p=0的极限情况下，对应的温度为273.15oC。为了使温标具有连续性，因而把273.15oC定义为绝对温度的零度。绝对温标的分度法与摄氏分度法相同，而绝对温度的单位是K。绝对温度(用T表示)与摄氏温度(用t表示)的关系为式中 T0273.15,三、测温方法与测温仪器的分类,按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。 1. 接触式测温 接触式的特点是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，这是感温元件的某一物理参效的量值就代表了被测对象的温度值。优点
6、：直观可靠。缺点：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。,2、非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限。此外，非接触测温法热惯性小，可达千分之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速度变化的温度。,测温仪器,对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。 接触式仪器又可分为: 膨胀式温度计(包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计)、 电阻式温度计(包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计)、 热电式温度计(包括热
7、电偶和P-N结温度计)以及其它原理的温度计。 非接触式温度计又可分为辐射温度计、亮度温度计和比色温度计，由于它们都是见光辐射为基础，故也按统称为辐射温度计。,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。超低温一般是指010K，低温指10800K，中温指8001900K，高温指19002800K的温度，2800K以上被认为是超高温。,9.2 膨胀式温度计,1. 液体膨胀式温度计 这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计，典型结构如图所示。它由液体储存器、毛细管和标尺组成。 液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制为了防止毛细管中液注出现断续
8、现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。,液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。全浸是指测温时把液柱部分全部浸入被测介质中。部分浸入是把温度计浸入标志以下的部分插入被测介质中。如图 (b)所示。 全浸式和部分浸入式相比较，全浸式测量精度较高，故多用于实验室和标准温度计，部分浸入式用于一般工业测温。,使用时，如果全浸式温度计的液柱部分不能全部浸入，如图 (a)所示，部分浸入式温度计露出部分的环境温度与标定时不一致，就会产生测量误差，故必须进行修正。方法是用一个小的辅助温度计度计测出露出液柱部分的平均温度，如图92所示，并按下式估算温度修正量t，即,2、固体膨胀
9、式温度计 这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为杆式和双金属式两大类。 图93所示为杆式温度计的原理图。由于芯杆材料的膨胀系数比与基座相连的外套大，故当温度变化时芯杆对基座产生相对位移，经简单的机械放大后，就可直接指示温度值。,双金属感温元件是由膨胀系数不同的两种金属片牢固结合在一起而制成，一线固定，另一线为自由端。当温度变化时，由于两种材料的膨胀系数不同而使双金属片的曲率发生变化，自由端产生位移，经传动放大机构带动指针指示温度值。为了满足不同用途的要求，双金属元件制成各种不同的形状，如图94所示。,第三节 热电偶温度计,热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基
10、于热电效应（一）热电效应及基本定律 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。,称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结成工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。,(一)两种导体的接触电动势,两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果NANB电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到
11、动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。,式中EAB(T)为A、B两种材料在温度为T时的接触电动势；K为玻耳兹曼常数；e为电子电荷：NA(T)、NB(T)为A、B两种材料在温度T时的自由电子密度。,回路中总的接触电势为：,(二)单一导体中的温差电动势 对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。,综上所述，在整个闭合回路中产生的总电动势EAB(T,T0)可表示为,由式可知，热电偶总电动
12、势与电子密度NA、NB及两节点温度T、T0有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T，T0)成为温度T和To的函数差，即,二、热电偶基本定律,(一)均质导体定律 由均质材料构成的热电偶、热电动势的大小只与材料及结点温度有关与热电偶的大小尺寸、形状及沿电极温度分布无关。如材料不均匀、由于温度梯度的存在，将会有附加电动势产生。,（二）中间导体定律 如图所示，将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。,（三）中间温度定律,在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在
13、接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和，即,两端点在任意温度时的热电势为：,（四）标准电极定律,如图96所示，两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶如果A、C和B、C热电偶的热电动势已知、那么这两种导体A、B组成的热电偶产生的电动势可由下式求得,四、热电偶的参比端处理,如前所述，为使热电偶的热电动势与被测量间呈单值函数关系，热电偶的参比端可采用以下方法处理。 (一)0C恒温法 这种方法是将热电偶的参比端保持在稳定的0C环境中。,（二）参比端温度修正法,当热电偶参比端为不等于0 C时，需对仪表的示值加以修正，因为热电偶的温度热电动势关系以及分度表是在参比端为0 C得到的。修正公式：
14、,（三）电桥补偿法,（四）补偿导线的应用,所谓补偿导线就是用热电性质与热电偶相近的材料制成导线用它将热电偶的参比端延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测温误差。 随着热电偶的标准化，补偿导线也形成了标准系列。国际电工委员会也制定了国际标准，适合于标准化热电偶使用。,第四节 电阻温度计,利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。大多数金属在温度升高1 C 时电阻将增加0.40.6。但半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高1 C ，电阻约减小26。目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的应用。,一、铂电阻温度计
15、,铂是一种贵金属。它的特点是精度高，稳定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很强。 铂在很宽的温度范围内约1200C以下都能保证上述特性。铂很容易提纯，复现性好，有良好的工艺性，可制成很细的铂丝(0.02mm或更细)或极薄的铂箔。与其它材料相比，铂有较高的电阻率，因此普遍认为是一种较好的热电阻材料。缺点：铂电阻的电阻温度系数比较小； 价格贵,在0C 以上，其电阻与温度的关系接近于直线，其电阻温度系数为3.9103/C 。 我国已采用IEC标准制作工业铂电阻。按IEC标淮，使用温度已扩大到-200850 C ，初始电阻有100 和50 两种。,二、铜电阻温度计,在一般测量精度要求不高、温度较低的场合
16、，普遍地使用铜电阻。它可用来测量50150 C 的温度，在这温度范围内，铜电阻和温度呈线性关系：,铜电阻的缺点是电阻率小 所以制成相同阻值的电阻时，铜电阻丝要细，这样机械强度就不高，或者就要长，使体积增大。此外铜很容易氧化，所以它的工作上限为150 C 。但铜电阻价格便宜，因此仍被广泛采用。,三、热电阻测量电路,热电阻把温度量转换成电阻置，这样就可以通过测量电阻来测量温度。测量电阻通常可利用欧姆表或电桥。 平衡电桥法 平衡电桥法如图所示。在图(a)中，如果电阻R1=R2，当热电阻Rt阻值随温度变化时，调节电位器Rw的电刷位置x，使电桥处于平衡状态，则有,L、R0电位器有效长度和总电阻x电刷位置
17、,四、电阻温度计的测温误差,（一）热电阻的基本误差 热电阻测温系统的误差由热电阻的基本误差、指示仪表的误差、电阻体自热误差和引线电阻误差组成。 自热误差是由流过电阻体的电流引起，电流大可提高输出信号，但带来的自热误差也大。一般工业热电阻工作电流被限制在6mA以内，这样自热温差就不会超过0.1 C。,图926电路中两根连线的电阻随环境温度变化时，全部变化量都加在同一桥臂上，从而带来连线误差。为了减小该项误差，一般采用三线连接法，如图所示。由于热电阻的两根连线分别置于相邻两桥臂内，温度引起连线电阻的变化 对电桥的影响相互抵消。至于电源连线电阻的变化，对供桥电压影响是极其微小的，可忽略不计。,第五节
18、 光辐射测温方法及仪表,非接触测温主要是利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。而在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高，所以一般就称为热辐射。,一、热辐射基本定律,(一)基尔霍夫定律 (二)斯忒潘玻耳兹曼定律（三）普朗克定律（四）维恩位移定律,基尔霍夫定律,式中， 为照射到物体单位面积上的辐通量(包括有不同波长 的辐射)； 为被物体吸收的辐通量。,光谱吸收比,在热平衡时被分析物体
19、向四周的辐射功率等于它吸收的功率，,就是温度T时绝对黑体的光谱辐射出射度,(二)斯忒潘玻耳兹曼定律,斯式潘根据实验得出结论，物体的总的辐射出射度 与温度的四次方成正比。,（三）普朗克定律,也可用亮度表示：,式中，为波长；c1为普朗克第一辐射常数, c2为普朗克第二辐射常数，h为普朗克常数；c为光速；k为玻耳兹曼常数,（四）维恩位移定律,热辐射电磁波中包含着各种波长从实验可知，物体峰值辐射波长 与物体自身的绝对温度T成以下关系,二、辐射温度计,（一）全辐射温度计 全辐射温度计是利用物体的温度与总辐射出射度全光谱范围的积分辐射能量的关系来测量温度的。根据斯忒潘一玻耳兹曼定律总辐射出射度为：,只要采
20、用敏感元件测量出这辐射功率的大小，就可以测量出被测对象的温度。 应该注意的是仪表是以绝对黑体辐射功率与温度的关系分度的，而实际使用时，被测物体并不是黑体，这样测出的温度自然要低于被测物体的实际温度。我们一般把这个温度称为“辐射温度”。它和真实温度的差异自然和这个物体的发射率有关。为此我们将这个温度定义为辐射温度，即黑体的总辐射出射度等于非黑体的总辐射出射度时，此黑体的温度为非黑体的辐射温度，写成如下关系式：,式中，T和TF分别为物体的真实温度和辐射温度；T为温度T时物体全辐射的黑度系数,（二）部分辐射温度计,(二)部分辐射温度计 为了提高仪表的灵敏度，有时热敏元件不是采用热电堆，而是采用光电池
21、、光敏电阻以及其它的一些红外探测元件，这些元件和热电堆相比具有光谱选择性，它们仅能对某一波长范围的光谱产生效应。因此它们对测量的要求是，只能使工作光谱仅限于一定的光谱范围内。我们称此类辐射温度计为部分辐射温度计。,部分辐射温度计的光路系统所示，一般由主镜和次镜一组发射系统来完成焦距的调整，使成像集中在热敏元件表面。 而目镜系统主要用于对目标的瞄准、热敏元件的输出信号通过测量电路来完成信号的放大和整流。测量电路包括测量桥路、前置放大、选频、移相放大以及相敏整流等部分。,三、亮度温度计,四、颜色温度计,根据位移定律和物体辐射曲线可以看出当温度升高时，一方面辐射峰值向波长短的方向移动，另一方面光谱分
22、布曲线斜率也明显增大，斜率的增大使两个波长对应的光谱能量也将发生明显变化。颜色温度计就是通过两个光谱能量比的方法来测量温度的，所以也称为比色温度计。和前面几种温度计类似，用这种方法测量非黑体温度时得到的“颜色温度”和真实温度有差异。我们将颜色温度定义为：绝对黑体辐射的两个波长和 的亮度比等于非黑体的相应亮度变化时，绝对黑体的温度就称为这个非黑体的颜色温度。,颜色温度计和光电亮度温度计相似，也包含有光路系统、调制系统、单色器、光敏元件、放大器、显示仪表等。它一般用一个开孔的旋转调制盘进行调制。在开孔上附有两种颜色的滤光片，多选用红色和蓝色。经调制后的单色红光、蓝光交替照在光敏元件上，使光敏元件输出相应的红光和蓝光的信号、再放大并经过运算后送到显示仪表。如图916所示。,
