10第4章温度测量技术0 (2)

例如，从0.65K到5.0K之间采用3He或 4He蒸汽压温度作为内
插仪器；从3.0K到24.5561K之间采用3He或 4He定容气体温度计作
为内插仪器；从13.8033K到1234.93K之间采用铂电阻温度计作为内
插仪器；961.78K以上的温区采用的内插仪器用光电（光学）高温
计。
③建立了基准仪器的示值与国际温标温度之间关系的插补公式和偏
国际实用开尔文温度和摄氏温度的关系为
t=（T90-273.15）℃ （4-5）
（二）国际实用温标ITS-90的主要内容是：
①用17个定义基准点，它包括14个高纯物质的三相点、熔点和凝固点以及3 个用蒸汽温度计或气体温度计测定的温度点。从而保证了基准温度的客观性。
②规定了不同温度区域内复现热力学温标的基准仪器。
热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温标，它是根据卡诺循 环建立起来的，在卡诺循环中：
Q1 Q2 T1 T2
上式表示工质在温度T1时吸收热量Q1，而在温度T2时向低温 热源放出热量Q2，如果指定了一个定点T2的数值，就可以由热量 的比例求得未知量T1，由于上述方程式与工质本身的种类和性质无 关，因而避免了分度的“任意性”。
4.1.2 温标
“温标”---“温度标尺”：为了确定温度的数值，首先要建立
一个衡量温度的标度，温标规定了温度的读数起点（零点）和测量
温度的基本单位。
1、摄氏温标 摄氏温标和华氏温标都市是根据水银受热后体积膨胀的性质建立
起来的。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100格，每格为摄氏1度，符号为℃。
的正确数值传递到实用的测量仪表，需要按某一个传递系统进行， 其传递关系如下：
IPTS 定义基准点
基准 温度计
一等标准 温度计
第二类辅 助平衡 温度计
三等标准 温度计
二等标准 温度计
工
业
实验室 仪表
用 仪 表
温度基准仪器传递系统框
4.1.3 温度测量的机理与方法
温度不能直接加以测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交
差函数，从而使连续测温成为可能。
对国际实用温标ITS-90的进一步了解，可参阅有关的专门资料。 5、温度标准的传递
温标的传递一般说包括两个方面，一是生产中对各测温仪表的 分度，把标准传递到测温仪表；其次是对使用中或修理后的测温仪 表的检定，通过检定才能保证仪表的准确可靠。
国际实用温标有关的基准仪器都是由国家规定的机构（中国计 量科学研究院）保存，并通过省市计量机构传递下去。为了把温度
用于低温2.5~30K的温度测量。目前发展至用于高达1000℃的温度 测量，用于探测海洋温度变化，通过接收跨海洋盆地传播的低频声 音，于100HZ来测量温度。
此外还有其它的测温方法，如超声波技术、激光技术、射流技术、
微波技术、热成象测量技术，液品技术等等用于测量温度。本课程 主要着重介绍以热电偶温度计为代表的接触式温度计和用辐射学方 法测量温度的的温度计，并重点介绍用接触式感温元件测量温度的 技术手段与方法。
成测定热电阻值的电阻温度计等。这种将温度变化的输入量变换成 电学量：热电势、热电阻等电学量输出称之谓温度的电学测量方法 。
（三）温度的光学测量方法 工业测量中将温度信号变为光学量输出。测量气体发射或吸收
辐射能的光谱法；利用黑体辐射定律来测量不透明表面温度的光测 高温法。如红外热象仪在测量物体的表面温度时，就是利用“自然 界中的一切物体，只要其温度高于绝对零度时，就总会用外发射辐 射能”的原理。收集并探测这些辐射能，将输入的温度信号变成输 出的光学量，最后获得被测物体的温度示值。利用光线在通过不均 匀折射率场会发生弯曲的原理，将温度场的信号变为光线在空间变 化的位置来测量及推算温度场变化的折射率法等等。这种将温度变 化的输入量变换成光学量做为输出量的方法称之谓温度的光学测量 方法。
热力学第零定律-热平衡定律：如果两个热力学系统中的每一个都与三个热 力学系统处于热平衡，则它们也必定处于热平衡。从热力学第零定律出发，我们 可以知道，处在相互热平衡状态的物体必然具有某一共同的物理性质。表征这个 物理性质的量就是温度。
温度概念的建立和温度的定量测量都是以热平衡现象为基础的。 温度决定一系统是否与其它系统处于热平衡的宏观性质，其特征在 于一切互为热平衡的系统都具有相同的温度。
将温度信号变为水银玻管温度计或酒精温度计的液柱位移；将
温度信号变成金属片的膨胀位移的双金属片温度计；将温度信号变 成介质膨胀的压力式温度计等。这种将温度变化的输入量变换成力 学量：位移、线位移、角位移等力学量输出称之谓温度和力学测量 方法。 （二）温度的电学测量方法
将温度信号变为热电偶温度计的热电势输出，将温度信号变换
2、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0F，它与摄氏温标的
关系如下式所示：
C 5 (F 32) 9
（4-2）
式中 C 和 F 分别代表摄氏和华氏的温度值。
由于没有一种物质的物理性质与温度呈线性关系，所以测得温 度的数值都与温度计所采用的物质性质有关，如与水银纯度、玻璃 管材料等因素有关，这样就不能保证世界各国所采用的基本测温单 位（度）完全一致。 3、热力学温标
由于理想气体是不存在的，我们可以用某些在性质上接近理想气 体的真实气体（氢、氦和氨）来作温度计，并根据热力学第二定律 得出对这种气体温度计的读数修正值，这就在实践中制定了热力学 温标。
然而，气体温度计本身非常复杂笨重，读数又非常迟缓，同时由 于受到容器本身耐热性和气密性的限制，测量上限只能达到1500℃ 左右，因此用气体温度计来复现热力学温标是不方便的，在工业上 更是不可能的。
（二）非接触式测温：
非接触式测温感温元件与被测对象还有直接接触。用这种方法测温 时，不会破坏被测对象的温度场，进而消除了由接触被测介质带来 的一系列造成温度场畸变的因素，可实现远距离测量。
4、以输出量性质分类的测温方法
在温度测量中，为了达到测量的目的，需要对温度量进行测温
变换，所谓测量变换就是将一个物理量的大小去反映另一个与之有 函数关系的理量的大小。目前常见的温度测量变换分为以下三类： （一）温度的力学测量方法
换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性来加以 间接测量。物质的某些物理量，如体积、密度、硬度、粘度、弹性 模数、破坏强度、导电率、导热率、热容量、热电势、热电阻和辐 射强度等均随温度变化而变化。而且，在一定条件下，这些物理量 的每一个数值都对应着一定的温度。如果事先知道它偏与温度的对 应关系，那么，便可通过测量这些物理量来达到测温的目的。同时， 并且是至关重要的一点是希望用以判断物体温度变化的那一物理性 质能连续地单值地随温度变化而变化，与其它因素无关，并且便于 精确测量。选择这一物理性质的工作是件复杂而困难的工作。 1、较为成熟的测温方法 （一）利用物体热胀冷缩的物理性质测量温度。 利用固体的热胀冷缩现象制成的双金属片温度计和利用液体的热胀 冷缩现象制成的玻璃受水银温度计和酒精温度计。这类温度计结构 简单，价格低廉，温度测量范围常用于-200~700℃之间。利用气 体的热膨胀冷缩现象制成的压力表式温度计，具有结构简单，具有 防爆性，防震性，可运距离传示。但准确度较低，滞后性较大，
4、国际实用温标ITS-90简介 （一）温度及其表示方法
最新的是1990年国际实用温标（ITS-90），它于1990年元旦开始实施。国 际实用温标规定以热力学温度为基本温度，符号为T90，单位为开尔文，符号为K， 它规定水三相点热力学温度为273.16K，定义1K等于水三相点温度的1/273.16。
（三）利用物体的导电率随温度变化而变化来测量温度。 电阻温度计就是利用这一性质达到测温后的目的。
（四）利用物质的辐射强度随温度变化而变化来测量温度。 2、正在研究发展的测温方法 （一）利用某些物质的介电常数在某个范围与温度相关测量温度。 （二）利用载流电子的布朗运动产生的随机电压测量物体的温度。 （三）利用压电石英的自然振动频率与温度有关来测量温度。
热工测试技术
第4章 温度及温度场测试技术
4.1 基本概念
4.1.1 温度的概念
温度是表征物体冷热程度的状态参数，而物体的冷热程度又是 由物体内部分子热运动的激烈程度，即分子的平均能作所决定。
严格地说，温度是物体分子运动平均动能大小的标志。只有从 热力学第零定律出发，才能得到温度和绝对温度的概念以及计量温 度的方法。 。
但是卡诺循环实际上是不存在的，实践中要用这原理建立温标 是不可能的，人们发现理想气体的压力P、体积V和温度T之间有如 下的关系：
PV 恒量 T
理想气体温标与热力学温标是互相一致的（只要选择同样的定 点和原位），可借助于气体温度计来实现热力学温标（对于一定质 量的气体，当体积保持不变时，压力就与温度成正比，这样就可以 按气体压力的变化来测量温度，这种温度计叫做气体定容温度计， 也可制做定压温度计）。
为了克服气体温度计的缺点，便于温度的实际测量，于是就采用了协议性 的国际实用温标。它自1927年开始建立，几经修改，最近一次定名为1990年国际 实用温标（ITS-90），它于1990年元旦开始实施。 1990年国际实用温标,代号为 （ITS-90）。它不仅与热力学温标相接近，而且复现准确度高，使用方便。
什么叫热平衡？假设两个热力学系统，原告各自处在一 定的平衡态，现在让它们互相接触，经过一段时间后两个系 统的状态不再发生变化，达到一个共同的平衡态，这种平衡 态是两个系统发生传热的条件下达到的，所以叫热平衡。
1 kT ~ E E0
f
（4-1）
绝对温度概念作了经典解释。式中，β是体系的绝对温 度的度量，k是玻尔兹曼常数，f为自由度，为体系的平均能 量，E0为基态能。通常体系的绝对温度为正，β>0，或k>0。 由式（4-1）可知，对于绝对温度为T的体系，数值kT大致等 于体系在每个自由度上的平均能量（超过基态能的能量）。T 与体系的平均能量有关，而不是和体系中某个粒子的能量有 关。