溫 度 的 測 量 與 控 制

1、物理化學(xué)實驗講座第五部分溫 度 的 測 量 與 控 制一、引言二、三、測溫儀器四、溫度的控制1溫 度 的 測 量 與 控 制一、引言 伽利略在1600年前后制成第一支溫度計。由于維.湯姆森在1849年比較完整的建立了熱力學(xué)。人們認識到溫度是表征體系中物質(zhì)內(nèi)部大量分子、原子平均動能的一個宏觀物理量。溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的一個基本參量，它是宏觀的統(tǒng)計概念，反映了大量分子無規(guī)則運動的激烈程度。2溫 度 的 測 量 與 控 制 二、溫標(biāo) 表示溫度高低的“尺”-溫標(biāo)。 攝氏溫標(biāo)：以水的冰點（0）和沸點（100 ）為兩個定點,定點間分100等份,每一等份為1 。 華氏溫標(biāo)：以水的冰點為32，沸點為212，為

2、兩個定點,定點間分180等份,每一等份為1 。 由此可見，溫標(biāo)的確定。要用某一物質(zhì)的某種特性作為溫標(biāo)的基準(zhǔn)點（或稱參考點）。 熱力學(xué)溫標(biāo)：1848年由Kelvin提出，它是建立在卡諾循環(huán)基礎(chǔ)上，與測溫物質(zhì)特性無關(guān)。3溫 度 的 測 量 與 控 制 設(shè)理想熱機在T1和T2 (T1T2) 二溫度間工作，工作物質(zhì)在溫度T1 吸熱Q1，在溫度T2 放熱Q2，經(jīng)過一個可逆循環(huán)，對外作功 W=| Q1|-| Q2| 熱機效率為： =1-| Q2 |/| Q1 |=1- T2/ T1 在卡諾循環(huán)中，溫度T1和T2僅與熱量Q1和Q2有關(guān)，與工作物質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。若規(guī)定一個固定的溫度T1 ，則另一個溫度T2可由下

3、式求得： T2= T1 | Q2 |/| Q1 |開爾文建議用此原理來定義溫標(biāo)，就稱為熱力學(xué)溫標(biāo)。4溫 度 的 測 量 與 控 制 對應(yīng)與熱力學(xué)溫標(biāo)的溫度是熱力學(xué)溫度，亦稱開爾文溫度(K)，通常叫絕對溫度。 熱力學(xué)溫標(biāo)是理想溫標(biāo)，國際實用溫標(biāo)是以熱力學(xué)溫標(biāo)為基礎(chǔ)，用氣體溫度計來實現(xiàn)的。 1927年擬定了國際溫標(biāo)，建立了若干可靠而又能高度重現(xiàn)的固定點。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫標(biāo)多次被修訂，1975年第十五屆國際計量大會通過了“1968年國際實用溫標(biāo)的修訂”，這是對IPTS-68的補充，并非取代。 1975年規(guī)定的固定點和參考點見復(fù)旦大學(xué)編物理化學(xué)實驗下冊。5 溫 度 的 測 量 與 控 制三、測溫

4、儀器 測量溫度的方法按使用儀器不同而不同，一般可分為下列5種，前4種必須使溫度計接觸被測體系，稱為接觸式溫度計，光學(xué)測溫儀不須接觸被測體系，稱為非接觸式溫度計。 1.玻璃液體溫度計測溫2.熱電法測溫3.電阻法測溫4.氣體溫度計測溫5.光學(xué)測溫儀測溫61.玻璃液體溫度計1.玻璃液體溫度計測溫 根據(jù)液體的體積與溫度的函數(shù)關(guān)系來進行溫度測量。水銀溫度計a.水銀溫度計的校正： t = kh (t觀-t環(huán)) k為水銀對玻璃的相對膨脹系數(shù) k=0.00016 h為露于被測體系之外水銀柱的長度，以溫度差值表示。 t真實= t觀+ t b.延遲作用：若溫度計的起始溫度為t0，浸在溫度為tm的物質(zhì)中，溫度計的讀

5、數(shù)t與浸入時間x的關(guān)系是： t = tm+ (t0-tm) e-kx 式中k為一常數(shù)。781.玻璃液體溫度計例如測體溫時，設(shè)室溫20，則t0=20 ，人體溫度為37 ，即tm =37，假設(shè)k=1/100秒，代入上式得： t = tm + (t0-tm) e-kx =37-17e-x/100代入不同時間x，計算出溫度t如下表： x(分) 1 3 5 7 9 11 13 15 20 t () 27.67 34.19 36.15 36.75 36.92 36.98 36.99 36.998 36.9999 若用貝克曼溫度計在攪拌水中測溫，假設(shè)k=1/9秒，設(shè)浸入時間為1分鐘，溫度變化為1度，則讀數(shù)的

6、延遲誤差為： t = t - tm = 1 e-kx = e-60/9 = 0.0013 可以忽略。故溫度計在被測物質(zhì)中浸入1至6分鐘后讀數(shù)，延遲誤差是不大的。9溫 度 的 測 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計c.使用注意事項： 校正 正確讀數(shù) 防止水銀在毛細管上附著 溫度計應(yīng)垂直放置 防止驟冷驟熱 萬一溫度計損壞，水銀灑出，應(yīng)嚴(yán)格按照“汞的安全使用規(guī)程”處理。 101.玻璃液體溫度計貝克曼溫度計a.特點: 精密測量溫度差值。刻度值0.01 ，水銀量可調(diào)節(jié)b.構(gòu)造:c.溫度量程的調(diào)節(jié): I.連接水銀球與儲汞槽。 II.在比所測溫度高3度水浴中恒溫放幾分鐘。 III.斷開水銀柱。 IV.檢查所

7、調(diào)溫度是否合適。d.使用注意事項: I.上端墊高放置。 II.輕敲、水平讀數(shù)。 III.不能隨意放置。 IV.調(diào)整溫度不同所引起的校正。1112溫 度 的 測 量 與 控 制 1.玻璃液體溫度計調(diào)整溫度 0 5 10 15 20 25 30讀數(shù)1相當(dāng)于 0.9936 0.9953 0.9969 0.9985 1.0000 1.0015 1.0029 調(diào)整溫度 35 40 45 50 55 60 65讀數(shù)1相當(dāng)于 1.0043 1.0056 1.0069 1.0081 1.0093 1.0104 1.0115 調(diào)整溫度 70 75 80 85 90 95 100讀數(shù)1相當(dāng)于 1.0125 1.0

8、135 1.0144 1.0153 1.0161 1.0169 1.0176 露徑校正：t = k(t1 - t2 ) (t + t1 + t2 t) 水銀的線膨脹系數(shù) k=0.00016 t為調(diào)整溫度。 t1 、 t2為起始、終了溫度。13溫 度 的 測 量 與 控 制2.熱電偶溫度計（1）熱電偶溫度計A 特點:構(gòu)造簡單,感溫元件熱容量小,測溫范圍廣。B 原理:兩種金屬導(dǎo)線構(gòu)成一閉合回路，若兩接點溫度不同，就會產(chǎn)生溫差電勢E。 E=f (T )若一個接點溫度恒定不變，溫差電勢只與另一接點的溫度有關(guān)，即： E=f (T )C 種類：根據(jù)組成熱電偶材料不同，可分為： 賤金屬熱電偶 貴金屬熱電偶

9、難熔金屬熱電偶 非金屬熱電偶14金屬相圖實驗裝置15裝配熱電偶規(guī)格型號：無固定裝置熱電偶 固定螺紋式熱電偶活動法蘭式熱電偶固定法蘭式熱電偶活絡(luò)管接頭式熱電偶固定螺紋錐形熱電偶直形管接頭式熱電偶固定螺紋接頭式熱電偶活動螺紋管接頭式熱電偶16我國熱電偶的測量范圍及允差型 號分 度 號允 差 等 級III允差值測溫范圍C允差值測溫范圍CWRNK1.5C-40+3752.5 C-40+3330.004ltl37510000.0075 ltl3331200WRMN1.5C-40+3752.5C-40+3330.004 ltl37510000.0075 ltl3331200WREE1.5C-40+3751

10、.5C-40+3330.004 ltl3758000.004 ltl333900WRFJ1.5C-40+3751.5C-40+3330.004 ltl3757500.004 ltl333750WRCT1.5C-40+1251C-40+1330.004 ltl1253500.0075 ltl13335017裝配熱電偶型號命名方法18溫 度 的 測 量 與 控 制 2.熱電偶溫度計(2)數(shù)字式精密溫差測量儀(數(shù)字式貝克曼溫度計)原理： (SWC-)技術(shù)指標(biāo):溫度測量范圍:-50150，分辨率：0.01 溫差測量范圍：20 ，時間漂移： 0.0005 /小時 使用方法：a.探頭插入待測體系。b.開啟

11、電源預(yù)熱5分鐘。c.選擇測量方式：“溫度-溫差”按鈕在抬起位用于測溫度，在按下位用于測溫差。d.測溫差時按被測溫度調(diào)節(jié)“基溫選擇”。傳感器放大電路數(shù)模轉(zhuǎn)換單片機顯示輸出儲存19數(shù)字貝克曼溫度計精密數(shù)字溫度溫差儀20溫 度 的 測 量 與 控 制3.電阻溫度計原理：所有導(dǎo)電物質(zhì)的電阻隨溫度有某種變化。 最普遍使用的電阻溫度計： 超低溫（1-20 K ）用鍺、碳電阻溫度計。 儲囊式鉑電阻溫度計（10 K -200 ）。 桿式鉑電阻溫度計（90 K -630 ）。 熱敏電阻（單個溫度間隔可達100 以下） 新型低阻鉑電阻溫度計（400 -1100 ）2122溫 度 的 測 量 與 控 制4.氣體溫度

12、計原理： 所有氣體溫度計都是基于“理想氣體”的基本方程：pV/T = 常數(shù)。在低壓力下（0.01 - 1 atm）真實氣體與理想氣體的偏差相當(dāng)小，而且認為是足夠準(zhǔn)確的測溫方法。用氦作為填充氣體。特性： 氣體溫度計一般用于20K以下，只能用于90K以下，精度為0.01-0.1K。類型： 有定容、定壓和定溫三種基本類型。2324溫 度 的 測 量 與 控 制5.光學(xué)測溫儀a.原理：通過適當(dāng)分析物體的輻射得到其溫度。 物體輻射的能量(E)與波長()溫度(T)之間遵循普郎克公式： 式中為：物體的輻射系數(shù)， C1 C2均為常數(shù)。 測定兩個溫度下輻射的能量比值，從已知溫度可以算出另一溫度。例如測金點溫度T

13、Au和某一溫度TX時，用輻射能量比就可以求出待測溫度來。 2526溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學(xué)測溫儀b.隱絲式光學(xué)高溫計工作原理 按“光亮度”設(shè)計的光學(xué)高溫計。選擇一定波長范圍的濾色片，在這個波長范圍內(nèi)，不同的亮度有不同的溫度。通過調(diào)節(jié)可變電阻將燈絲亮度和被測物體亮度比較，當(dāng)一致時，根據(jù)燈絲亮度和電流間及溫度的對應(yīng)關(guān)系，得出被測物體的溫度。隱絲式光學(xué)高溫計最高精度為2度。27溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學(xué)測溫儀目鏡濾色片被測物參比燈物鏡電流表可變電阻燈絲是黑的燈絲消失燈絲是白的abc28C.紅外測溫儀工作原理 當(dāng)物體溫度高于絕對零度（-273）時，由于它內(nèi)部分子熱運動存在

14、，就會向空間輻射電磁波，其中就包括波長在0.76um以上的紅外線。紅外測溫儀就是利用物體的紅外輻射特性，依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測器，并轉(zhuǎn)換成電信號，再通過放大電路，補償電路及線性處理后，在顯示器上顯示被測物體的溫度, 結(jié)構(gòu)圖如下：溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學(xué)測溫儀29 溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學(xué)測溫儀被測物體補償電路光學(xué)系統(tǒng)探測器調(diào)制電路信號處理電路顯示器紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)圖30便攜式紅外輻射溫度儀 31 溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學(xué)測溫儀d.新型光纖點式測溫儀 光纖點式測溫儀采用非接觸溫度表面的創(chuàng)新技術(shù)，實現(xiàn)測量結(jié)果與發(fā)熱體的輻射系

15、數(shù)無關(guān)的效果。高精度、高可靠性、和高性價比的光纖點式測溫儀完全可以取代傳統(tǒng)的輻射式紅外測溫儀。原理：物質(zhì)的輻射波長隨溫度變化而改變，每一溫度對應(yīng)的波長與傳輸距離及傳輸介質(zhì)無關(guān)。只要測量波長，即可測得物體的相應(yīng)溫度，光纖點式測溫儀實質(zhì)是光學(xué)點波長的計量，從而計算出溫度，結(jié)構(gòu)圖如下：32 溫 度 的 測 量 與 控 制 5.光學(xué)測溫儀 測量溫度范圍：400 1800 ，響應(yīng)時間：0.1s ，溫度分辨率：1 。被測物體光學(xué)傳輸單元光學(xué)瞄準(zhǔn)光直準(zhǔn)器固定支架光學(xué)處理單元信號處理單元微處理單元顯示輸出二次儀表計算機光纖點式溫儀測溫儀的結(jié)構(gòu)圖3334溫 度 的 測 量 與 控 制溫度的控制恒溫控制的原理可分

16、為兩類：1.利用物質(zhì)的相變點溫度來獲得恒溫條件。2.利用電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)對加熱器或制冷器的工作狀態(tài)進行自動調(diào)節(jié)。35一、相變點恒溫介質(zhì)浴：將需恒溫體系置于處于相變平衡的物質(zhì)構(gòu)成的“介質(zhì)浴”中，可獲得一個高度穩(wěn)定的恒溫條件。介質(zhì)通常有： 液氮(77.3K)， 干冰-丙酮(-78.5 )， 冰-水(0 )， 十水硫酸鈉(32.38 )， 沸點丙酮(56.5 )， 沸點水(100 )， 沸點萘(218.0 )， 沸點硫(444.6 )。 優(yōu)點：價廉,操作簡便,高穩(wěn)定度。 缺點：恒溫溫度不能隨意調(diào)節(jié)。恒溫對象必須浸沒于恒溫介質(zhì)中。這就對實驗條件造成限制。溫 度 的 測 量 與 控 制 溫度的控制36溫 度 的 測 量 與 控 制 溫度的控制二、電子調(diào)節(jié)控溫 它是實驗中普遍采用的控溫方式。其優(yōu)點是控溫范圍寬，設(shè)定溫度可隨意調(diào)節(jié)，控溫精度高。實驗設(shè)計較少受到限制。 電子調(diào)節(jié)