第4章 温度测量

4.1、温度和温标
国际温标
第一个国际温标是1927年第七届国际计量大会决定采用 的温标，称为“1927年国际温标”，记为ITS-27。此 后大约每隔20年进行一次大修改。 目前，国际上通用的国际温标是1989年7月第77届国际 计量委员会（CIPM）批准的新温标ITS-90，我国从 1994年1月1日起实行新温标。 ITS-90的热力学温度仍记作T，为了区别以前的温标， 用“T90”代表新温标的热力学温度，其单位仍然是K。 与此同时的摄氏温度记为t90，其单位是“℃”。 t90=T90 - 273.15
4.4 常用的测温方法
接触式测温法
测温传感器敏感元件直接与被测物体接触，在 足够长的时间内，使传感器与被测点达到热平 衡，以实现温度测量。 其特点是：
由于传感器与被测物体接触，所以测量比较直观、 可靠，测温准确度较高，但它直接影响被测物体温 度场的分布。 使用该种方法需要使测温元件与被测物体达到热平 衡，所以测温时产生较大的时间滞后，并由此带来 测量误差。 测温范围在1600℃以下，通常1000℃以下的温度 容易测量，1200℃以上的温度不易测量。
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。
玻璃管液体温度计
全浸入式温度计不能全部浸入时的修正：
4.5 接触式温度传感器
压力式温度计
压力表式温度计是根据在封闭容器中的气体受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制作的，并 用压力来测量这种变化，从而测得温度。 压力表式温度计主要由以下三部分组成： 1.温包——温包是直接与被测介质相接触来感受温度变化的元件，因此要求它具有高的强度， 小的膨胀系数，高的导热率以及抗腐蚀等性质，根据所充工作介质和被测介质的不同， 温包可用铜合金，钢或不锈钢来制造。 2.毛细管——它是用铜或钢等材料冷拉成的无缝圆管，用来传递压力的变化。 3.弹簧管——它就是一般压力表用的弹性元件。 特点如下： 1）适于测量0~300℃的温度，允许基本误差不超过1.5℅或2.5℅。 2）可以做成指示型、记录型，并且很容易做成温度信号器和温度调节器。 3）可以远距离测量温度。 4）构造简单，价格便宜。 5）不怕振，可以不用电源。 6）距离较远时，仪表的滞后性较大
使用温度范围宽（-50~1300℃），高温下性能较稳定， 热电动势和温度的关系近似线性，价格便宜， 适用于在氧化性和惰性气氛中连续使用，短期使用温度为 1200℃，长期使用温度为1000℃。 目前用量最大的一种热电偶
热电温度计(பைடு நூலகம்电偶)
镍铬—康铜热电偶
镍铬为正极，康铜为负极，分度号为E。 特点: 在常用热电偶中热电动势最大，即灵敏度最高， 适宜在－250 ~ 870℃ 范围内的氧化性或惰性气氛中 使用,尤其适宜在0℃以下使用。 在湿度大的情况下，较其它热电偶耐腐蚀。
热电温度计(热电偶)
参考电极定律
两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果 他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后 的热电动势：
EAB (T , T0 ) EAC (T , T0 ) ECB (T , T0 )
A
T T0 = T A T0 — T C T0
B
C
B
热电温度计(热电偶)
4.4 常用的测温方法
型 式 原 理 膨 胀 压 力 接 触 式 电 阻 种类 水银温度计 有机液体温度计 双金属温度计 液体压力温度计 蒸气压力温度计 铂电阻温度计 热敏电阻温度计 B S．R 热 电 偶 N K E J T 光学高温计 热 辐 射 光电高温计 辐射高温计 比色高温计 使用温度范围 °C -50～650 -200～200 -50～500 -30～600 -20～350 -260～1000 -50～350 0～1800 0～1600 0～1300 -200～1200 -200～800 -200～800 -200～350 700～3000 200～3000 100～3000 180～3500 准确度 /°C 0.1～2 1～4 0.5～5 0.5～5 0.5～5 0.01～5 0.3～5 4～8 1.5～5 2～10 2～10 3～5 3～10 2～5 3～10 1～10 5～20 5～20 中 快 良 适合 线性度 响应 速度 中 中 慢 中 中 快 记录与 控制 不适合 价格
标准热电偶
国际电工委员会向世界各国推荐8种热电偶作为 标准化热电偶，我国标准化热电偶也有8种。分 别是：铂铑10-铂(分度号为S)、铂铑13-铂(R)、 铂铑30-铂铑6(B)、镍铬-镍硅(K)、镍铬-康铜 (E)、铁-康铜(J)、铜-康铜(T)和镍铬硅-镍硅 (N)。
非标准化热电偶，
有钨铼系列（属难融金属），铂铑系列，铱铑 系列，铂钼系列及非金属热电偶等。
4.2、温度测量的重要性
4.4 常用的测温方法
温度这一参数是不能直接测量的，一般根据物质的某些 特性参数与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数 的测量而间接获取。

热胀冷缩：温度改变体积； 温度改变导体电阻； 温度改变热电偶电动势 高温物体产生热辐射
测温方法大体分为接触式和非接触式两种
第四章
温度测量
要求
1.掌握常用的温度测量方法 2.了解热电和辐射测温的原理和应用
4.1、温度和温标
温度是表征物体冷热程度的物理量。
温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热 运动的剧烈程度。 温度是物体内分子间平均动能的一种表现形式。分子运动愈快， 物体愈热，即温度愈高；分子运动愈慢，物体愈冷，即温度愈 低。这种现象被描述为一个物体的热势，或能量效应。当以数 值表示温度时，即称之为温度度数。 绝对零度，即绝对温标的开始，是温度的最低极限，相当于— 273.15℃，当达到这一温度时所有的原子和分子热运动都将 停止。热力学第三定律指出，绝对零度不可能通过有限的降温 过程达到，所以说绝对零度是一个只能逼近而不能达到的最低 温度。
对于已选定的热电偶，当 参考温度恒定时，总热电 动势就变成测量端温度T 的单值函数，即 EAB(Ｔ,T0)=f(T)
热电温度计(热电偶)
热电偶测温基本定律
均质导体定律
T
T0
由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截 面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势
中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两 端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回 路的总热电动势。
4.1 温度和温标
摄氏温标(℃)
摄氏度的发明者是Anders Celsius(1701-1744)，其结冰点 是0°C，沸点为100°C。 1740年瑞典人摄氏(Celsius)提 出在标准大气压下，把水的冰点规定为0度，水的沸点规定为 100度。根据水这两个固定温度点来对玻璃水银温度计进行分 度。两点间作100等分，每一份称为1摄氏度。记作1℃。
可 可 非 良 非 可
贱
适合 适合
贱 贱 中 贵
非 接 触 式
非 非 快 中 快
不适合 适合
中 贵
4.4 常用的测温方法
接触式温度计容易破坏被测对象的温度分布？
接触式温度计响应速度慢？ 接触式温度计测量高温时受局限 非接触式温度计不适合测量低温？ 接触式温度计测量精度高
4.5 接触式温度传感器
玻璃管液体温度计
液体玻璃温度计分为全浸式和部分浸入式两种。 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。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。
4.4 常用的测温方法
非接触式测温法
测温传感器不接触被测物体，利用物体的热辐射随温度 变化的原理测定物体温度，故又称辐射测温。
其特点是：
测温传感器不与被测物体接触，也不改变被测物体的温 度分布，热惯性小，动态测量反应快，适于测量高温； 但是受环境条件影响较大，测量精度较低。 从理论上讲，其测温上限是无限的，实际上一般只用到 3000℃。 在高温领域中，使用较多的有辐射高温计、光学高温计 和光电高温计，以及红外辐射高温计、比色温度计的应 用也在逐渐扩大。
4.5 接触式温度传感器
热电偶测温原理
热电效应 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点 电1 和2的温度不同时，如果T＞T0 （如图8.2-3 热电效应）， 在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流， 此种现象称为热电效应。 热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。
华氏度(F)
1714年德国人Gabriel D. Fahrenheir(1681-1736) 以水银 为测温介质，制成玻璃水银温度计，选取氯化铵和冰水的混合 物的温度为温度计的零度，人体温度为温度计的100度，把水 银温度计从0度到l00度按水银的体积膨胀距离分成100份，每 一份为1华氏度，记作“1℉”。
玻璃管液体温度计 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。
摄氏温度和华氏温度的关系 ： T ℉ = 1.8t℃ + 32
4.1 温度和温标
热力学温标
开尔文(即W· 汤姆逊)——这位热力学第二定律的创始人， 最受尊敬的物理学家，创立了一种不依赖任何测温质(当 然也就不依赖任何测温质的任何物理性质)的绝对真实的 绝对温标，也叫开氏温标或热力学温标。 开氏温标（Kelvin）：以绝对零度为基点的温度标尺。 绝对零度即460℉/-273.15℃，在此温度下分子停止运 动（0℃＝273.15K）。 开氏温标，用符号K表示。是建立在卡诺循环基础上的热 力学温标。规定摄氏零度以下273.15℃为零点，称为绝 对零点。其分度法与摄氏温标相同（即绝对温标上相差 1K时，摄氏温标上也相差1℃）；所不同的只是绝对温 标上水的冰点定为273.15K，沸点定为373.15K。目前 中国已规定采用这种热力学温标。