溫度測量和各類溫度計第一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日9.1概述一、溫度的基本概念和測量方法溫度是一個基本物理量。溫度的宏觀概念是冷熱程度的表示，或者說，互為熱平衡的兩物體，其溫度相等。溫度的微觀概念是大量分子運動平均強度的表示。分子運動愈激烈其溫度表現越高。第二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日自然界中幾乎所有的物理化學過程都與溫度緊密相關，因此溫度是工農業(yè)生產、科學試驗以及日常生活中需要普遍進行測量和控制的一個重要物理量。溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性來間接測量，而用來量度物體溫度數值的標尺叫溫標。它規(guī)定了溫度的讀數起點（零點）和測量溫度的基本單位。目前國際上用得較多的溫標有華氏溫標、攝氏溫標、熱力學溫標.第三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日二、溫標1.經驗溫標經驗溫標的基礎是利用物質體膨脹與溫度的關系。認為在兩個易于實現且穩(wěn)定的溫度點之間所選定的測溫物質體積的變化與溫度成線性關系。把在兩溫度之間體積的總變化分為若干等分，并把引起體積變化一份的溫度定義為1度。經驗溫標與測溫介質有關，有多少種測溫介質就有多少個溫標。按照這個原則建立的有攝氏溫標、華氏溫標。第四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日攝氏溫標：所用標準儀器是水銀玻璃溫度計。分度方法是規(guī)定在標準大氣壓力下，水的冰點為零度，沸點為100度，水銀體積膨脹被分為100等份，對應每份的溫度定義為1攝氏度，單位為“oC“華氏溫標：標準儀器是水銀溫度計，按照華氏溫標，水的冰點為32oF，沸點是212oF。分成180份，對應每份的溫度為1華氏度，單位為“oF”。攝氏溫度和華氏溫度的關系為第五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日

2.熱力學溫標熱力學溫標又稱開爾文溫標，或稱絕對溫標，它規(guī)定分子運動停止時的溫度為絕對零度，水的三相點，即液體、固體、氣體狀態(tài)的水同時存在的溫度，為273.16K，水的凝固點，即相當攝氏溫標0℃，相當華氏溫標32℉的開氏溫標為273.15K。熱力學溫標（符號為T）它的單位為開爾文（符號為K），定義為水三相點的熱力學溫度的1/273.16。第六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日三、測溫方法與測溫儀器的分類按照所用方法之不同，溫度測量分為接觸式和非接觸式兩大類。

1.接觸式測溫接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換，最后達到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數的量值就代表了被測對象的溫度值。優(yōu)點：直觀可靠。缺點：是感溫元件影響被測溫度場的分布，接觸不良等都會帶來測量誤差，另外溫度太高和腐蝕性介質對感溫元件的性能和壽命會產生不利影響。第八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日

2、非接觸式測溫

非接觸測溫的特點是感溫元件不與被測對象相接觸，而是通過輻射進行熱交換，故可避免接觸測溫法的缺點，具有較高的測溫上限。此外，非接觸測溫法熱慣性小，可達千分之一秒，故便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。第九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日測溫儀器對應于兩種測溫方法，測溫儀器亦分為接觸式和非接觸式兩大類。

接觸式儀器又可分為:

膨脹式溫度計(包括液體和固體膨脹式溫度計、壓力式溫度計)、

電阻式溫度計(包括金屬熱電阻溫度計和半導體熱敏電阻溫度計)、

熱電式溫度計(包括熱電偶和P-N結溫度計)以及其它原理的溫度計。

非接觸式溫度計又可分為輻射溫度計、亮度溫度計和比色溫度計，由于它們都是以光輻射為基礎，故也統(tǒng)稱為輻射溫度計。第十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日按照溫度測量范圍，可分為超低溫、低溫、中高溫和超高溫溫度測量。超低溫一般是指0～10K，低溫指10～800K，中溫指800～1900K，高溫指1900～2800K的溫度，2800K以上被認為是超高溫。第十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日9.2膨脹式溫度計1.液體膨脹式溫度計這是應用最早而且當前使用最廣泛的一種溫度計，典型結構如圖所示。它由液體儲存器、毛細管和標尺組成。液體玻璃溫度計的測溫上限取決于所用液體汽化點的溫度，下限受液體凝點溫度的限制．為了防止毛細管中液注出現斷續(xù)現象，并提高測溫液體的沸點溫度，常在毛細管中液體上部充以一定壓力的氣體。第十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日液體玻璃溫度計分為全浸式和部分浸入式兩種。全浸是指測溫時把液柱部分全部浸入被測介質中。部分浸入是把溫度計浸入標志以下的部分插入被測介質中。如圖(b)所示。全浸式和部分浸入式相比較，全浸式測量精度較高，故多用于實驗室和標準溫度計，部分浸入式用于一般工業(yè)測溫。第十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日使用時，如果全浸式溫度計的液柱部分不能全部浸入，如圖(a)所示，部分浸入式溫度計露出部分的環(huán)境溫度與標定時不一致，就會產生測量誤差，故必須進行修正。方法是用一個小的輔助溫度計度計測出露出液柱部分的平均溫度，如圖9—2所示，并按下式估算溫度修正量t，即第十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日2、固體膨脹式溫度計這種溫度計是利用兩種不同膨脹系數的材料制成，分為桿式和雙金屬式兩大類。圖9—3所示為桿式溫度計的原理圖。由于芯桿材料的膨脹系數比與基座相連的外套大，故當溫度變化時芯桿對基座產生相對位移，經簡單的機械放大后，就可直接指示溫度值。

第十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日雙金屬感溫元件是由膨脹系數不同的兩種金屬片牢固結合在一起而制成，一端固定，另一端為自由端。當溫度變化時，由于兩種材料的膨脹系數不同而使雙金屬片的曲率發(fā)生變化，自由端產生位移，經傳動放大機構帶動指針指示溫度值。為了滿足不同用途的要求，雙金屬元件制成各種不同的形狀，如圖9—4所示。第二十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第二十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)熱電偶溫度計熱電偶是當前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應．（一）熱電效應及基本定律

兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組成圖所示的閉合回路，當兩個接觸點(稱為結點)溫度t和t0不相同時，回路中既產生電勢，并有電流流通，這種把熱能轉換成電能的現象稱為熱電效應。第二十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日稱回路電勢為熱電勢。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個結點中與被測介質接觸的一個稱為測量端或工作端、熱端，另一個稱為參考端或自由端、冷端。第二十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日

(一)兩種導體的接觸電動勢兩種導體接觸的時候，由于導體內的自由電子密度不同，如果NA>NB．電子密度大的導體A中的電子就向電子密度小的導體B擴散，從而由于導體A失去了電子而具有正電位。相反導體B由于接收到了擴散來的電子而具有負電位。這樣在擴散達到動態(tài)平衡時A、B之間就形成了一個電位差。這個電位差稱為接觸電動勢。第二十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日式中EAB(T)為A、B兩種材料在溫度為T時的接觸電動勢；K為玻耳茲曼常數(1.38×10-6)；e為電子電荷(1.6021892×10-19);NA(T)、NB(T)為A、B兩種材料在溫度T時的自由電子密度。第二十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日回路中總的接觸電勢為：第二十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日(二)單一導體中的溫差電動勢對單一金屬導體，如果兩端的溫度不同，則兩端的自由電子就具有不同的動能。溫度高則動能大，動能大的自由電子就會向溫度低的一段擴散。失去了電子的這一端就處于正電位，而低溫端由于得到電子處于負電位。這樣兩端就形成了電位差，稱為溫差電動勢。第二十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日綜上所述，在整個閉合回路中產生的總電動勢EAB(T,T0)可表示為由式可知，熱電偶總電動勢與電子密度NA、NB及兩節(jié)點溫度T、T0有關，電子密度取決于熱電偶材料的特性。當熱電偶材料一定時，熱電偶的總電動勢EAB(T，T0)成為溫度T和To的函數差，即第二十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日二、熱電偶基本定律(一)均質導體定律由均質材料構成的熱電偶、熱電動勢的大小只與材料及結點溫度有關。與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極溫度分布無關。如材料不均勻、由于溫度梯度的存在，將會有附加電動勢產生。第二十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（二）中間導體定律如圖所示，將A、B構成的熱電偶的T0端斷開，接入第三種導體C，只要保持第三導體兩端溫度相同，接入導體C后對回路總電動勢無影響。第三十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（三）中間溫度定律在熱電偶回路中，兩接點溫度為T、T0時的熱電動勢，等于該熱電偶在接點溫度為T、Ta和Ta、T0時熱電動勢的代數和，即兩端點在任意溫度時的熱電勢為：第三十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（四）標準電極定律

如圖9．6所示，兩種導體A、B分別與第三種導體C組成熱電偶．如果A、C和B、C熱電偶的熱電動勢已知、那么這兩種導體A、B組成的熱電偶產生的電動勢可由下式求得第三十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日四、熱電偶的參比端處理如前所述，為使熱電偶的熱電動勢與被測量間呈單值函數關系，熱電偶的參比端可采用以下方法處理。

(一)0C恒溫法這種方法是將熱電偶的參比端保持在穩(wěn)定的0C環(huán)境中。第三十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（二）參比端溫度修正法當熱電偶參比端為不等于0C時，需對儀表的示值加以修正，因為熱電偶的溫度－熱電動勢關系以及分度表是在參比端為0C得到的。修正公式：第三十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（三）電橋補償法第三十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（四）補償導線的應用所謂補償導線就是用熱電性質與熱電偶相近的材料制成導線．用它將熱電偶的參比端延長到需要的地方，而且不會對熱電偶回路引入超出允許的附加測溫誤差。隨著熱電偶的標準化，補償導線也形成了標準系列。國際電工委員會也制定了國際標準，適合于標準化熱電偶使用。第三十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第三十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第四節(jié)電阻溫度計利用導體和半導體的電阻隨溫度變化這一性質做成的溫度計稱為電阻溫度計。大多數金屬在溫度升高1C

時電阻將增加0.4％～0.6％。但半導體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高1C

，電阻約減小2％～6％。目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳，它們已得到廣泛的應用。第三十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日一、鉑電阻溫度計鉑是一種貴金屬。它的特點是精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很強。鉑在很寬的溫度范圍內約1200C以下都能保證上述特性。鉑很容易提純，復現性好，有良好的工藝性，可制成很細的鉑絲(0.02mm或更細)或極薄的鉑箔。與其它材料相比，鉑有較高的電阻率，因此普遍認為是一種較好的熱電阻材料。缺點：鉑電阻的電阻溫度系數比較??；價格貴第三十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日在0C

以上，其電阻與溫度的關系接近于直線，其電阻溫度系數A為3.9×10－3/C

。我國已采用IEC標準制作工業(yè)鉑電阻。按IEC標淮，使用溫度已擴大到-200～850C

，初始電阻有100和50兩種。第四十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第四十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日二、銅電阻溫度計在一般測量精度要求不高、溫度較低的場合，普遍地使用銅電阻。它可用來測量－50～＋150C

的溫度，在這溫度范圍內，銅電阻和溫度呈線性關系：第四十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日銅電阻的缺點是電阻率?。?/p>

所以制成相同阻值的電阻時，銅電阻絲要細，這樣機械強度就不高，或者就要長，使體積增大。此外銅很容易氧化，所以它的工作上限為150C

。但銅電阻價格便宜，因此仍被廣泛采用。第四十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日三、熱電阻測量電路熱電阻把溫度量轉換成電阻置，這樣就可以通過測量電阻來測量溫度。測量電阻通?？衫脷W姆表或電橋。平衡電橋法平衡電橋法如圖所示。在圖(a)中，如果電阻R1=R2，當熱電阻Rt阻值隨溫度變化時，調節(jié)電位器Rw的電刷位置x，使電橋處于平衡狀態(tài)，則有第四十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日L、R0——電位器有效長度和總電阻x——電刷位置第四十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第四十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日四、電阻溫度計的測溫誤差（一）熱電阻的基本誤差熱電阻測溫系統(tǒng)的誤差由熱電阻的基本誤差、指示儀表的誤差、電阻體自熱誤差和引線電阻誤差組成。自熱誤差是由流過電阻體的電流引起，電流大可提高輸出信號，但帶來的自熱誤差也大。一般工業(yè)熱電阻工作電流被限制在6mA以內，這樣自熱溫差就不會超過0.1C。第四十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日圖9—26電路中兩根連線的電阻隨環(huán)境溫度變化時，全部變化量都加在同一橋臂上，從而帶來連線誤差。為了減小該項誤差，一般采用三線連接法，如圖所示。由于熱電阻的兩根連線分別置于相鄰兩橋臂內，溫度引起連線電阻的變化對電橋的影響相互抵消。至于電源連線電阻的變化，對供橋電壓影響是極其微小的，可忽略不計。第四十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第四十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第五十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第五十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日電位差計測量電阻電路第五十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第五節(jié)光輻射測溫方法及儀表非接觸測溫主要是利用光輻射來測量物體溫度。任何物體受熱后都特有一部分的熱能轉變?yōu)檩椛淠埽瑴囟仍礁?，則發(fā)射到周圍空間的能量就越多。輻射能以波動形式表現出來，其波長的范圍極廣，從短波、x光、紫外光、可見光、紅外光一直到電磁波。而在溫度測量中主要是可見光和紅外光，因為此類能量被接收以后，多轉變?yōu)闊崮?，使物體的溫度升高，所以一般就稱為熱輻射。第五十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日一、熱輻射基本定律

(一)基爾霍夫定律

(二)斯忒潘—玻耳茲曼定律（三）普朗克定律（四）維恩位移定律第五十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日基爾霍夫定律式中，為照射到物體單位面積上的輻通量(包括有不同波長的輻射)；為被物體吸收的輻通量。光譜吸收比第五十五頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日在熱平衡時被分析物體向四周的輻射功率等于它吸收的功率，就是溫度T時絕對黑體的光譜輻射出射度第五十六頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日光譜發(fā)射率等于它的光譜吸收率。第五十七頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日(二)斯忒潘—玻耳茲曼定律斯式潘根據實驗得出結論，物體的總的輻射出射度與溫度的四次方成正比。第五十八頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（三）普朗克定律也可用亮度表示：式中，為波長；c1為普朗克第一輻射常數,c2為普朗克第二輻射常數，h為普朗克常數；c為光速；k為玻耳茲曼常數第五十九頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（四）維恩位移定律熱輻射電磁波中包含著各種波長，從實驗可知，物體峰值輻射波長與物體自身的絕對溫度T成以下關系第六十頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第六十一頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日二、輻射溫度計（一）全輻射溫度計全輻射溫度計是利用物體的溫度與總輻射出射度全光譜范圍的積分輻射能量的關系來測量溫度的。根據斯忒潘一玻耳茲曼定律總輻射出射度為：第六十二頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日只要采用敏感元件測量出這輻射功率的大小，就可以測量出被測對象的溫度。應該注意的是儀表是以絕對黑體輻射功率與溫度的關系分度的，而實際使用時，被測物體并不是黑體，這樣測出的溫度自然要低于被測物體的實際溫度。我們一般把這個溫度稱為“輻射溫度”。式中，T和TF分別為物體的真實溫度和輻射溫度；T為溫度T時物體全輻射的黑度系數第六十三頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日第六十四頁，共七十二頁，編輯于2023年，星期日（二）部