第三章 1-2 溫度測量.ppt

1、1.第3章溫度測量3.1溫標(biāo)及其傳輸3.2普通溫度傳感器3.3晶體管和集成溫度傳感器3.4輻射溫度計3.5其他溫度傳感器3.6一些溫度測量方法2。溫度是國際單位制給出的基本物理量之一，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中經(jīng)常需要測量和控制的主要參數(shù)，也是與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的重要物理量。長度、時間和質(zhì)量等基本物理量通常被稱為“延伸量”，它們可以疊加。例如，兩個長度相同的對象連接在一起，總長度是原始單個對象長度的兩倍；溫度不是這樣，它是一種“內(nèi)涵量”，而疊加原理不再適用，例如，把兩瓶90瓶的水倒在一起。它的溫度永遠(yuǎn)不會升高，更不用說達(dá)到180。從熱平衡的角度來看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子不規(guī)則熱運(yùn)動強(qiáng)度的

2、標(biāo)志，高溫物體內(nèi)部分子的平均動能較大；低溫物體中分子的平均動能也很小。熱力學(xué)第零定律指出，兩個溫度相同的物體必須處于熱平衡。當(dāng)兩個物體與第三個物體處于熱平衡時，它們也處于熱平衡，因此三個物體將處于相同的溫度。因此，如果我們能夠通過可再現(xiàn)的方式建立一系列參考溫度值，我們就可以將其他待測物體的溫度與這些參考溫度進(jìn)行比較，從而得到待測物體的溫度。3.1溫標(biāo)及其傳輸，3.1溫標(biāo)，是溫度的標(biāo)準(zhǔn)測量，規(guī)定了溫度的起點(diǎn)和溫度測量的基本單位。經(jīng)驗溫度標(biāo)度根據(jù)某些物質(zhì)的體積膨脹與溫度的關(guān)系，用實驗方法或經(jīng)驗公式確定的溫度標(biāo)度稱為經(jīng)驗溫度標(biāo)度。(1)華氏溫標(biāo)1714年，德國人華氏制作了一種以水銀為測溫介質(zhì)的玻璃水

3、銀溫度計。氯化銨和冰水混合物的溫度被選為溫度計的零度，人體溫度為100度。水銀溫度計根據(jù)水銀從0度到100度的膨脹距離分為100個部分，每個部分為1華氏度，標(biāo)為“1”。根據(jù)華氏溫標(biāo)，水的冰點(diǎn)是32，沸點(diǎn)是212。3.1溫標(biāo)及其傳輸4。(2)在1740年的攝氏溫標(biāo)中，瑞典的攝氏溫標(biāo)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)應(yīng)該定在0，水的沸點(diǎn)應(yīng)該定在100。玻璃水銀溫度計是根據(jù)水的兩個固定溫度點(diǎn)來刻度的。兩個點(diǎn)被分成100個相等的部分，每個部分被稱為1攝氏度。寫為1。攝氏溫度和華氏溫度之間的關(guān)系是T ()=1.8t 32 (3-1)，其中T為華氏溫度值；t溫度值，單位為攝氏度。3.1溫度刻度及其傳輸，和5。經(jīng)

4、驗溫度標(biāo)度取決于其規(guī)定的測量物質(zhì)，溫度測量范圍不能超過其上限和下限(如0，l00)。另外，經(jīng)驗溫度標(biāo)度是主觀的，有很大的局限性，很快不能滿足工業(yè)、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域的溫度測量需要。2.基于卡諾循環(huán)的熱力學(xué)溫標(biāo)是1848年由凱文提出的理想理論溫標(biāo)，是國際單位制中的七個基本物理單位之一。根據(jù)溫度標(biāo)度，對應(yīng)于零理想氣體壓力的溫度(這是實驗中不能達(dá)到的理論溫度，低于0 K的溫度不存在)和水的三相點(diǎn)溫度被分成27，316個部分，每個部分為1 K(開爾文)。熱力學(xué)溫度的單位是“k”。絕對氣體溫度標(biāo)度從理想氣體狀態(tài)方程開始，以再現(xiàn)熱力學(xué)溫度標(biāo)度，稱為絕對氣體溫度標(biāo)度。根據(jù)波義耳定律：壓強(qiáng)=一定質(zhì)量的氣體在室溫下

5、的壓強(qiáng)；氣體的體積；r通用常數(shù)；t熱力學(xué)溫度。當(dāng)氣體體積不變時，它的壓力是一個常數(shù)因為用氣體溫度計測量溫度時，需要對其讀數(shù)進(jìn)行多次修正(如實際氣體與理想氣體的偏差修正、容器的膨脹系數(shù)修正等)。)，7.3。由國際協(xié)議產(chǎn)生的國際實用溫標(biāo)和國際實用溫標(biāo)，其指導(dǎo)思想是盡可能接近熱力學(xué)溫標(biāo)，重現(xiàn)精度高，用于重現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計制作簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。第一個國際溫標(biāo)是1927年第七屆國際計量會議通過的國際實用溫標(biāo)。經(jīng)過1948年、1960年和1968年的多次修訂，形成了近20年來廣泛使用的國際實用溫度標(biāo)度(ITS-68)。1989年7月，第77屆國際計量委員會批準(zhǔn)建立新的國際溫標(biāo)，簡稱ITS-90。

6、為了將其與IPTS-68溫度標(biāo)度區(qū)分開來，ITS-90溫度標(biāo)度由下式表示。8，(1)重申國際實用溫標(biāo)單位仍然是K，1 K等于水的三相點(diǎn)溫度值的1/273.16；(2)水的三相點(diǎn)溫度定義為0.01(攝氏度)，絕對零度相應(yīng)修正為-273.15；這樣，國際攝氏溫度()和國際實際溫度(k)之間的關(guān)系如下：(3-1)在實際應(yīng)用中，為了書寫方便，通常直接用來表示和分別；(3)規(guī)定整個溫標(biāo)分為四個溫區(qū)，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀表如下：0.655.0K，帶3He和4He蒸汽溫度計；3.024.5561K，帶3He和4He定容氣體溫度計；13.803K961.78，使用鉑電阻溫度計；961.78以上，使用光學(xué)或光電高溫計；

7、(4)重新確定和規(guī)定17個固定點(diǎn)的溫度值，并根據(jù)這些固定點(diǎn)和規(guī)定的插值公式，用標(biāo)準(zhǔn)儀表刻度實現(xiàn)整個熱力學(xué)溫度標(biāo)度。ITS-90的基本內(nèi)容是：9，10。自1991年7月1日起，中國改變了各級標(biāo)準(zhǔn)溫度計的數(shù)值，并從1994年元旦起全面實施了新的ITS-90溫度計。二、溫度計校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值法標(biāo)準(zhǔn)表法，世界各國根據(jù)國際溫標(biāo)法規(guī)建立自己的國家標(biāo)準(zhǔn)，并定期與國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，以保證其準(zhǔn)確性和可靠性。中國的國家溫度標(biāo)準(zhǔn)保存在中國計量科學(xué)研究院。各省(直轄市、自治區(qū))市縣計量部門的溫度標(biāo)準(zhǔn)定期進(jìn)行上下兩級的比對(修訂)和校準(zhǔn)，并相應(yīng)傳遞溫度標(biāo)準(zhǔn)，確保溫度標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性。3.1溫標(biāo)及其傳輸，11.3溫度傳感器

8、1的分類。根據(jù)傳感器的測溫方式，可分為接觸式測溫的基本形式。主要通過熱傳導(dǎo)。非接觸式測量依靠輻射能來測量部件子類型和熱模式。條件：被測物體的熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度傳感器的熱容量，3.1溫標(biāo)及其傳輸，12。接觸和非接觸溫度測量特性的比較，13。P35表31由各種溫度檢測方法組成的溫度測量儀的一般溫度測量范圍，14。1.熱膨脹式溫度傳感器根據(jù)溫度測量轉(zhuǎn)換的原理，接觸式溫度測量可分為膨脹式(包括液體和固體膨脹)和熱阻式(包括金屬熱阻和半導(dǎo)體)膨脹式溫度測量是基于物體受熱膨脹的原理，可分為液體膨脹式和固體膨脹式。一般來說，膨脹溫度測量大多在-5550范圍內(nèi)，用于溫度測量或控制精度較低且不需要自動記錄的場合

9、。膨脹溫度計有很多種，根據(jù)用途可分為液體膨脹玻璃溫度計、液體或氣體膨脹壓力溫度計和固體膨脹雙金屬溫度計液體膨脹玻璃液體溫度計是一種直讀儀器。水銀是玻璃溫度計中最常用的液體，冰點(diǎn)為-38.9，上限為538。對于低溫測量，可以使用其他有機(jī)液體(例如，酒精的下限為-62，甲苯的下限為-90，戊烷可以達(dá)到-20升)。玻璃溫度計具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉、測溫范圍廣、安裝使用方便、現(xiàn)場讀數(shù)直接、不需要能源、易破損、測溫值難以自動遠(yuǎn)程傳輸和記錄的特點(diǎn)。16，2。固體膨脹雙金屬溫度計：根據(jù)加熱時固體膨脹的原理，通常將兩塊線膨脹系數(shù)較大的金屬片焊接在一起，形成雙金屬感溫元件(俗稱雙金屬溫度計)。當(dāng)溫度變

10、化時，由于兩種不同雙金屬材料的線膨脹系數(shù)相差較大，會產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，從而導(dǎo)致雙金屬的彎曲變形。3.2普通溫度傳感器，17。雙金屬溫度計示意圖一端固定后，如果溫度升高，下部金屬乙(如黃銅)會因熱膨脹而拉伸，而上部金屬甲(如因瓦合金)幾乎不會變化。結(jié)果，雙金屬向上傾斜，溫度越高，線性膨脹的差異越大，彎曲角度越大。3.2普通溫度傳感器，18，公式(6-5)中X雙金屬自由端位移，毫米；雙金屬片的長度，毫米；雙金屬片的厚度，毫米；雙金屬片的溫度變化；g彎曲率(固定長度為100毫米、厚度為1毫米的線性雙金屬片的一端，當(dāng)溫度變化1(1K)時，另一端的位移稱為彎曲率)，它取決于頭部金屬件的材料，通常為(

11、514)10-6K。目前，實用的雙金屬材料和測溫范圍都在100以下，通常是黃銅和34號鎳鋼；低于150時，通常使用黃銅和因瓦合金；250或更高，通常使用蒙乃爾高強(qiáng)度耐腐蝕鎳合金和3442鎳鋼。雙金屬溫度計不僅可以用來測量溫度，還可以用作簡單的溫度控制裝置(尤其是開關(guān)的“通-斷”控制)。19、雙金屬溫度計感溫元件的形狀可分為兩種類型：平面螺旋型和直螺旋型，其測溫范圍約為-80 600，其精度等級通常約為1.5。由于其溫度測量范圍與前兩個溫度計大致相同，且可控制在恒溫狀態(tài)，完全可以解決水銀玻璃溫度計和水銀壓力溫度計容易破損而導(dǎo)致的水銀泄漏危險問題。因此，在溫度測控精度不高的情況下，雙金屬溫度計的應(yīng)

12、用范圍不斷擴(kuò)大。雙金屬片通常被制成螺旋管以提高靈敏度。雙金屬溫度計抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不高，只能作為通用工業(yè)儀器使用。壓力溫度計壓力溫度計是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體和蒸汽在體積不變的情況下壓力和溫度有一定的函數(shù)關(guān)系的原理來實現(xiàn)其測溫功能的。壓力溫度計的典型結(jié)構(gòu)圖如圖所示。壓力溫度計結(jié)構(gòu)示意圖，3.2常用溫度傳感器，21，由裝有溫度傳感介質(zhì)的溫度傳感袋、壓力傳輸元件(毛細(xì)管)和壓力敏感元件齒輪或杠桿傳動機(jī)構(gòu)、指針和讀數(shù)板組成。測量溫度時，將溫度球放入被測介質(zhì)中。感溫包中的感溫介質(zhì)(氣體、液體或蒸發(fā)液體)會導(dǎo)致其體積膨脹或收縮，從而導(dǎo)致壓力升高或降低。壓力變化通過毛細(xì)管傳遞到彈簧管，使其變形

13、，然后由傳動機(jī)構(gòu)帶動指針偏轉(zhuǎn)，指示相應(yīng)的溫度。這種壓力溫度計的毛細(xì)管細(xì)長(規(guī)格為160米)，其功能主要是傳遞壓力。長度越長，溫度計的反應(yīng)越慢。在等長條件下，管越細(xì)，精度越高。與玻璃相比，22，熱電偶溫度傳感器，23，3.2熱電偶溫度傳感器，本節(jié)的主要內(nèi)容是： 1。了解熱電偶的測溫原理；2.了解熱電偶的基本定律；3.了解熱電偶的規(guī)模；4.了解熱電偶的包裝形式和特性。24，首先，看一個實驗熱電偶溫度測量原理演示。結(jié)論：當(dāng)兩個端點(diǎn)的溫度不同時，電路中會產(chǎn)生電勢。熱電勢的方向與兩個端點(diǎn)的溫度有關(guān)。1.熱電偶的測溫原理，熱電勢，A，B，25，熱電極A，低溫端稱為：自由端(參考端，冷端)，1。熱電偶的一些

14、術(shù)語，高溫端被稱為：測量端(工作端，熱端)，熱電極b，t，t0，26熱電效應(yīng)兩種不同性質(zhì)的金屬在兩端連接形成一個閉環(huán)。當(dāng)兩端有溫差時，閉環(huán)會產(chǎn)生熱電勢，這就是所謂的熱電效應(yīng)。熱電勢由熱電勢和接觸勢組成，接觸勢占主導(dǎo)地位。27，3。熱電勢、接觸勢的微觀解釋：當(dāng)兩種不同的金屬相互接觸時，自由電子的擴(kuò)散將發(fā)生在兩種金屬A和b的界面上。由于不同金屬中自由電子的密度不同，它們的擴(kuò)散也不同。假設(shè)甲的電子密度和乙的電子密度，甲失去帶正電的電子，乙得到帶負(fù)電的電子，產(chǎn)生接觸電勢。，自由電子，a，b，eab (t)，t，28，溫差電勢：由于同一金屬兩端的溫差，高溫端的電子能量很大。所以從高溫端擴(kuò)散到低溫端的自由

15、電子數(shù)就是從低溫端擴(kuò)散到高溫端的自由電子數(shù)。假設(shè)TT0，高溫端的電子失去正電荷，低溫端的電子獲得負(fù)電荷，從而產(chǎn)生熱電勢。熱電勢產(chǎn)生的微觀解釋，eA(T，T0)，29。通過以上分析，得出熱電偶產(chǎn)生的總熱電勢大約等于熱端接觸電勢和冷端接觸電勢之差：EAB(T，T0)=30。2.熱電偶的基本定律(1)均勻?qū)w定律(等效定律)對于由均勻材料制成的熱電偶，熱電勢的大小只與材料和節(jié)點(diǎn)之間的溫差有關(guān)。它與熱電偶電極的尺寸、形狀和溫度分布無關(guān)。如果材料不均勻，由于溫度梯度的存在，會有額外的電動勢。3.2熱電偶溫度傳感器，31，(2)中間導(dǎo)體定律如圖所示，由A和B組成的熱電偶的T0端斷開，第三導(dǎo)體C連接。只要第三導(dǎo)體兩端的溫度保持相同，連接導(dǎo)體C后，回路的總電動勢不受影響.3.2熱電偶溫度傳感器，32，(3)中間溫度定律，在熱電偶回路中，兩個結(jié)點(diǎn)溫度t和T0處的熱電動勢等于結(jié)點(diǎn)溫度t和Ta與T0處的熱電動勢的代數(shù)和，即任何溫度下兩端的熱電動勢為：3.2熱電偶溫度傳感器，33，(4)疊加定律，當(dāng)熱電偶回路3.2熱