B-第二章溫度測量

1、第二章溫度測量，溫度及溫標(biāo)1, 溫度(Temperature)(1) 溫度的基本概念溫度1:通俗說，是物體狀態(tài)函數(shù)，是表示物體冷、熱程度的物理量。溫度2:微觀說，溫度是對分子平均動能大小的一種度量，其高低標(biāo)志著組成物體的大 量分子無規(guī)則運動的劇烈程度，溫度是物體大量分子熱運動的共同表現(xiàn)。溫度含有統(tǒng)計意 義，對于單個分子，溫度是無意義的。溫度3:溫度反應(yīng)了熱平衡。溫度的宏觀概念是建立在熱平衡基礎(chǔ)上的。物體或空間區(qū) 域與鄰近物體或空間區(qū)域是否存在熱流(能量交換)及流動方向，描述這種行為的量稱為 溫度。若無熱量流動，則稱該物體或空間在這個溫度下達(dá)到了熱力學(xué)平衡。(2) 溫度的測量 理論基礎(chǔ)設(shè)計與制作

2、溫度計的理論基礎(chǔ)：如果已知一個物體的某些性質(zhì)或狀態(tài)隨溫度變化的定量關(guān)系，就可以通過該物體的性 質(zhì)或狀態(tài)的變化情況來獲知溫度。當(dāng)兩個物體處于一個系統(tǒng)中而達(dá)到熱平衡時，二者就具有相同的溫度。因而可以從一 個物體的溫度得知另一個物體的溫度。 測溫物質(zhì)自然界中有很多物質(zhì)，其性質(zhì)或狀態(tài)，如電阻、熱電勢、體積、長度、輻射功率等，都 與溫度有關(guān)，但并不是所有物質(zhì)都可作為感溫元件，測溫物質(zhì)的選擇必須滿足以下條件：A，物質(zhì)的某一屬性 G僅與溫度T有關(guān)，即G =G(T)，其函數(shù)關(guān)系必須是單調(diào)的，且 最好是線性的。B，隨溫度變換的屬性應(yīng)是容易測量的，且輸出信號較強，以保證儀表的靈敏度和測量 的準(zhǔn)確度。C,應(yīng)有較寬的

3、測量范圍。D，應(yīng)有較好的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性。完全滿足上述條件的物質(zhì)是難以找到的，一般只能在一定的范圍內(nèi)近似滿足，因此由不同材料和結(jié)構(gòu)形式制成的溫度計各有優(yōu)缺點。2, 溫標(biāo)(Temperature Scale)(1) 概念溫度的數(shù)值表示方法叫溫標(biāo)。溫標(biāo)是溫度數(shù)值化的標(biāo)尺，它給出了溫度數(shù)值化的一套 規(guī)則和方法，并明確了溫度的測量單位。各種測溫儀表的分度值就是由溫標(biāo)決定的。溫標(biāo)就是溫度的標(biāo)識。（2）建立溫標(biāo)三要素 選擇溫度固定點； 選擇測溫物質(zhì)，確定它隨溫度變換的屬性及測溫屬性； 規(guī)定測溫屬性隨溫度變化的規(guī)律。（3）常用溫標(biāo)經(jīng)驗溫標(biāo)借助于某種物質(zhì)的物理量與溫度變化的關(guān)系，用實驗方法或經(jīng)驗公式所確定的溫標(biāo)

4、稱 為經(jīng)驗溫標(biāo)。它主要指攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)。這兩種溫標(biāo)都是根據(jù)液體受熱后體積膨脹的 性質(zhì)建立起來的。A ，攝氏溫標(biāo) 原始的攝氏溫標(biāo)的建立是選擇裝在玻璃毛細(xì)管中的液體作為測溫物質(zhì)。隨著溫度的變 化，毛細(xì)管中液體的長短反映了液體體積膨脹這一測溫屬性。選擇1.01325*10 5Pa下水的冰點溫度作為下限（0C）、水的沸點作為上限100C,并且認(rèn)為在兩點之間液柱的長短與溫度的關(guān)系是線性的，在0-100OC 之間均分 100等分，每一等分為1攝氏度，單位符號為 C。攝氏溫標(biāo)雖不是國際統(tǒng)一規(guī)定的溫標(biāo)，但我國目前還在 繼續(xù)使用。攝氏溫標(biāo)特點：易復(fù)現(xiàn)，但不確定，不能外推，缺乏理論基礎(chǔ)。B, 華氏溫標(biāo)（Fah

5、renheit）華氏溫標(biāo)的建立與攝氏溫標(biāo)類似。華氏以實驗室所能達(dá)到的最低溫度（水+純水+氯液或冰+鹽）為0F，實際為-17.8C，以它的體溫口或腋下為 100F，實際為37.8C，創(chuàng)建 了首個溫標(biāo)。后來規(guī)定在1.01325*105Pa下水的冰點為32 F。水的沸點為212 F，中間劃分為180 等分，每一等分為華氏度，單位符號為 F。華氏溫標(biāo)已淘汰，不再使用。華氏和攝氏的關(guān)系為：可見： -40 oC =-40 oF 。C, 結(jié)論：攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo)在測溫學(xué)的發(fā)展中起過重要的作用，但存在明顯缺點： 溫度測量依賴于選用的測溫物質(zhì)，且應(yīng)用范圍受制作溫度計的材料和工作物質(zhì)的 限制；溫標(biāo)的定義具有較大的

6、隨機性。 雖然它們都選用冰點溫度和沸點溫度作為固定點， 但基本單位不同，所確定的溫度數(shù)值也就不同，不能嚴(yán)格保證世界各國所采用的 基本測溫單位完全一致。 假設(shè)溫度與工作物質(zhì)的關(guān)系為線性，而實際情況并非如此，從而造成中間溫度的 測量差異。 熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)又稱絕對溫標(biāo)或開爾文溫標(biāo)，單位為K。熱力學(xué)溫標(biāo)是以熱力學(xué)第二定律（熱只能從熱處傳遞到冷處 ）為基礎(chǔ)的一種理論溫標(biāo)，也是理想氣體溫標(biāo)。已被國際計量大會采 納作為國際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。其特點是不與某一特定的溫度計聯(lián)系，且與測溫物質(zhì)無關(guān)， 是由卡諾定理推導(dǎo)出來的，所以熱力學(xué)溫標(biāo)是一種純理論的理想溫標(biāo)，無法直接實現(xiàn)。規(guī)定一個絕對零度 -273.15 o

7、C ，低于零度的溫度不可能存在， 絕對零度下原子停止運動， 0k 是不會向外界放出熱量的狀態(tài)。絕對零度是自然界的所能達(dá)到的最低溫度。在熱力學(xué)中從理論上證明，熱力學(xué)溫標(biāo)與理想氣體溫標(biāo)完全一致。所以經(jīng)常借助氣體 溫度計經(jīng)示值修正后來復(fù)現(xiàn)熱力學(xué)溫標(biāo)，但設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴，不適用于實際應(yīng)用。 國際實用溫標(biāo)為了使用方便，國際上協(xié)商確定，建立一種既使用方便、容易實現(xiàn)、各國通用，又能 體現(xiàn)熱力學(xué)溫度的溫標(biāo)，這就是國際實用溫標(biāo)，又稱國際溫標(biāo)。國際溫標(biāo)通常具備三個條 件：A，盡可能以當(dāng)代科技水平接近熱力學(xué)溫度；B，復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度高，使各國都能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)同一國際溫標(biāo)，確保溫度量值的統(tǒng)一性；C,用于復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計

8、，使用方便，性能穩(wěn)定。國際溫標(biāo)的基本內(nèi)容如下：A，選擇一些純物質(zhì)的固定點（可復(fù)現(xiàn)的平衡態(tài)）的溫度作為溫標(biāo)的基準(zhǔn)點；即按某些 材料的特殊熱力學(xué)狀態(tài)，確定了一組參考溫度值。這些特殊的熱力學(xué)狀態(tài)，其溫度是確定 的（不一定都有三態(tài)點，如玻璃。凝聚態(tài)：固液態(tài)、及液晶、等離子體等態(tài)）。金點：固液平衡 -1064.18 oC銀點：固液平衡 -961.78 oC鋁點：固液平衡 -660.323 oC鋅點：固液平衡 -419.527 oC錫點：固液平衡 -231.928 oC水三態(tài)點： 0.010oC氬三態(tài)點； -189.3442 oC氖三態(tài)點：-248.5939 C 氡三態(tài)點；-259.3467 CB, 規(guī)定

9、了不同溫度范圍內(nèi)的基準(zhǔn)儀器（或稱內(nèi)插儀器），也就是測溫物質(zhì)；C, 在溫標(biāo)基準(zhǔn)點上分度，確定各固定點溫度間的內(nèi)插公式，這些公式建立了標(biāo)準(zhǔn)儀器示值與國際溫標(biāo)數(shù)值之間的關(guān)系，是反映溫度計特性曲線的函數(shù)。（確定溫度和測溫物質(zhì)之間的對應(yīng)關(guān)系）*溫標(biāo)基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)儀器、內(nèi)插公式被稱為國際實用溫標(biāo)“三要素”。D，第一個國際溫標(biāo) 1927年建立，此后大約每隔 20年進(jìn)行一次重大修改：ITS 27 ；ITS 48 ；ITS 68 ；ITS 90 ；（3）ITS 90被我國廣泛采用：A，定義固定點。ITS 90中定義固定點17個，固定點兩個溫度的關(guān)系為： t90攝氏溫度，CC。T90熱力學(xué)溫標(biāo)，K。B，基準(zhǔn)儀器。I

10、TS 90的內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)儀器，是將整個溫標(biāo)分為4個溫區(qū)。溫標(biāo)的下限為0.65K，向上到用單色普朗克輻射定律實際可測得的最高溫度：3He和4He蒸汽溫度計；0.655.0K。（用這種儀器作為溫度基準(zhǔn)，復(fù)現(xiàn)溫標(biāo)）3He 和 4He 定容溫度計：3.024.5561K。鉑電阻溫度計：13.8033 1234.93K。光學(xué)或光電高溫計：1234.93K以上。上述1、2屬于低溫區(qū)；3屬于中溫區(qū)；4屬于高溫區(qū)。C,內(nèi)插公式。每種內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)儀器在n個固定點溫度下分度，以此求得相應(yīng)溫度區(qū)內(nèi)插公式中的常數(shù)。（如鉑R=f （T）（4）溫標(biāo)的傳遞國際上為了統(tǒng)一溫度測量標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)建立自己國家的溫度標(biāo)準(zhǔn)作為本國溫度測量的最

11、高 依據(jù)一國家基準(zhǔn)。我國的溫度基準(zhǔn)建立在中國計量科學(xué)院。各地區(qū)、省、市建立的為次級標(biāo)準(zhǔn)，需定期由國家基準(zhǔn)檢定。測溫儀表按工作準(zhǔn)確度可分為： 基準(zhǔn)、工作基準(zhǔn)、一等基準(zhǔn)、二等基準(zhǔn)以及工作用儀表。 不管哪一級儀表都得定期到上一級計量部門進(jìn)行檢定。對測量儀表進(jìn)行檢定是對測溫儀表進(jìn)行分度的另一項重要任務(wù)。二，溫度測量儀表的分類根據(jù)工作原理分類溫度測量儀表：（1）基于物體受熱膨脹原理的膨脹式溫度計；（2）基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化關(guān)系的熱電阻溫度計；（ 3）基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度計；（4）基于普朗克定律的輻射溫度計：全輻射溫度計、亮度溫度計（光學(xué)高溫計和光電 高溫計）、比色溫度計（雙比色、三比色）

12、 。（5）基于全反射原理的光纖溫度計；（6）其它溫度計。如集成溫度傳感器制成的溫度計、晶體管溫度計等。 根據(jù)測溫范圍：高溫、中溫和低溫溫度計。根據(jù)儀表準(zhǔn)確度等級：基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)溫度計。 根據(jù)測量方法或溫度傳感器使用方式：接觸式測溫儀表（低溫區(qū)） 、非接觸式測溫儀表（高溫區(qū)） 。2，接觸式測溫儀表（1）原理由熱平衡原理可知， 兩個物體接觸后經(jīng)過足夠長時間達(dá)到熱平衡， 則它們的溫度必然相 等。如果其中之一為溫度計， 就可以用它對另一個物體實現(xiàn)溫度測量， 這種測溫方式稱為接 觸法測溫， 以此為基礎(chǔ)設(shè)計的溫度計稱為接觸式測溫儀表。 測量時溫度計必須與被測物體直 接接觸，充分換熱。主要是測量低溫。（2

13、）優(yōu)點A ，測溫準(zhǔn)確度相對較高；主觀可靠；B，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，測溫儀表價格較低；C,可測量任何部位溫度；D，便于多點集中測量和自動控制。（3）缺點A ， 測溫有較大滯后；B，接觸過程中易破壞被測對象的溫度場分布和熱平衡狀態(tài)；C,不能測量移動的或太小的物體；D，測溫上限受到溫度計材質(zhì)的限制，故所測溫度不能太高；E,易受被測介質(zhì)的腐蝕作用，對感溫元件的結(jié)構(gòu)、性能要求苛刻，惡劣環(huán)境下使用需 外加保護(hù)套管。（4）重要接觸式測溫儀表有：膨脹式溫度計、熱電阻溫度計和熱電偶溫度計。3，非接觸測溫儀表（1）原理基于物體的熱輻射原理設(shè)計而成。測量時感溫元件不與被測對象直接接觸。通常用來測定1000 以上，移動

14、、旋轉(zhuǎn)或反應(yīng)迅速的高溫物體的溫度或表面溫度。（2）優(yōu)點A，測溫范圍廣，適于高溫物體測量；B，測溫過程中不破壞被測對象溫度場，不影響原溫度場分布；C,能測運動物體溫度；D，熱慣性小，探測器的響應(yīng)時間短，測溫響應(yīng)速度快，約2-3秒。易于實現(xiàn)快速與動態(tài)溫度測量。在一些特定條件下，例如：核子輻射場，輻射測溫可以進(jìn)行準(zhǔn)確而可靠的測量。（3）缺點A，不能直接測得被測對象的真實溫度，精度不高；B，輻射溫度計的測量受中間介質(zhì)的影響較大特別是工業(yè)現(xiàn)場條件下，周圍環(huán)境比較惡劣，中間介質(zhì)對測量結(jié)果影響較大。這種情況下溫度計波長范圍的選擇是很重要的。C,輻射測溫原理復(fù)雜，導(dǎo)致溫度計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高；（4 ）非接觸式

15、測溫儀表主要有輻射溫度計、光纖輻射溫度計等，其中前者又分為全輻射溫度計、亮度溫度計（光學(xué)溫度計、光電高溫計）和比色溫度計。三，膨脹式溫度計利用物質(zhì)的熱膨脹（體膨脹或線膨脹）性質(zhì)與溫度的物理關(guān)系制作的溫度計稱為膨脹式 溫度計。玻璃液體溫度計。1，熱脹冷縮（1）液體、固體體積會隨著溫度升高而增大，反之減小。如鋼軌縫隙、熱管道串入膨脹節(jié)或彎頭、電纜線留余長。線膨脹公式：L L T （在一定溫度范圍內(nèi)視為線性）。其中，：是物質(zhì)的線膨脹系數(shù)。面膨脹系數(shù)2 =（1:匕）2 -1-22 V 2。體積膨脹系數(shù) =（1 什二）3 _1 = ： 3 3二3-2 13。例如：在 20 CC 附近鉛=25 10/ o

16、C ;鋼 12 10“/C ;石英 0.4 10“/C ;汽油的體積膨脹系數(shù) 2 -25 10/C?？梢娖团蛎洷蠕撚拖溥€大，故夏天汽油會溢出。（2）氣體，因占滿整個空間，表現(xiàn)為 T P ，欲占據(jù)更大空間的趨勢愈強。可以從分子、原子震動觀點看，T 動能變大，相鄰分子碰撞加劇，拉長了分子之間的距離；從每個原子看，四周任何方向都會增長一定的距離，原子更多的物質(zhì)，膨脹更多；（3 ）熱固性體既不能熔化，也不能溶解，無膨脹性，如：膠木、甲醛樹脂、環(huán)氧樹脂（粘件時會剝離 下來的原因）。（4 ）帶孔物體的漲縮T ，孔的面積也增大，約：A=2y A T，2 一是物體的面膨脹系數(shù)就像插入一個扦子一樣，也可空畫一

17、條線圈，這個圈也會脹大，而不是向內(nèi)收縮。（5）熱應(yīng)力熱脹冷縮時，各部分因物質(zhì)不同，溫度不均而導(dǎo)致的力，如玻璃杯碎掉，復(fù)雜的說熱脹量與曲率凸凹狀況有關(guān)。（7）應(yīng)用液氮下低溫裝配，骨折手術(shù)卡等。2,玻璃液體溫度計（1）簡介玻璃液體溫度計是利用 感溫液體（水銀、酒精、煤油等）在透明玻璃溫泡和毛細(xì)管內(nèi)的熱膨脹作用來測量溫度的，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、科研等部門，是最常用的測溫儀表。特點：玻璃液體溫度計具有結(jié)構(gòu)簡單，讀數(shù)直觀、使用方便、價格便宜等優(yōu)點，其測溫范圍-100 c 600oc。（2）結(jié)構(gòu)玻璃液體溫度計主要由感溫泡，玻璃毛細(xì)管和刻度標(biāo)尺三部分組成，根據(jù)用途不同其 結(jié)構(gòu)也不完全相同，如有的溫度計

18、在玻璃毛細(xì)管上裝有安全泡與中間泡。A，感溫泡位于溫度計的下端，使玻璃液體溫度計的感溫部分，如夾在腋下或舌下。可容納絕大部分的感溫液，也稱儲液泡。感溫泡直接由玻璃毛細(xì)管加工制成（拉泡）?；蛴珊附右欢伪”诓ＡЧ苤瞥桑ń优荩?，玻璃比較軟的時候拉泡。B，玻璃毛細(xì)管玻璃毛細(xì)管是連接在感溫泡上的中空細(xì)玻璃管，感溫液體隨溫度變化在其內(nèi)上下移動。C，標(biāo)尺標(biāo)尺用來表明所測溫度的高低，其上標(biāo)有數(shù)字和溫度單位的符號，可將表示標(biāo)尺的分 度線直接刻在毛細(xì)管表面，或單獨刻在白瓷板上襯托在毛細(xì)管背面。D，安全泡位于玻璃毛細(xì)管頂部的擴大泡，其容積大約為毛細(xì)管容積的三分之一，安全泡的作用 有兩個：一是當(dāng)測溫液體超過測量上限時，

19、防止由于溫度過高而使玻璃管破裂和液體膨脹 沖破溫度計。二是便于接上中斷的液柱。E，中間泡中間泡是為了提高示值的準(zhǔn)確度，在感溫泡和標(biāo)尺下限刻度之間制作的一個儲液泡，目的是當(dāng)溫度計上升到下限刻度時，能容納膨脹的液體，這樣可使具有較高測量上限的溫度計的標(biāo)尺縮短，或提高測量上限。對于比較精密的溫度計還設(shè)有輔助標(biāo)尺，即在中間泡 下面刻有零位線，以便檢查溫度計的零位變化，提高了測量下限。F，感溫液封裝在感溫泡內(nèi)的測溫物質(zhì)，需根據(jù)溫度計的測量范圍、準(zhǔn)確度、靈敏度、穩(wěn)定性、使用場所、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)成本等因素選擇感溫液種類。感溫液應(yīng)滿足如下條件：體膨脹系數(shù)大；黏度小，表面張力大；較寬的溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)；使用溫度范

20、圍內(nèi)，化學(xué)性能穩(wěn)定，不能起化學(xué)反應(yīng)，改變物質(zhì)性質(zhì)；高溫狀態(tài)下，蒸汽壓低；便于提純，不變質(zhì)，無沉淀現(xiàn)象。常用感溫液：水銀、甲苯、乙醇、煤油等。（2）測量原理玻璃液體溫度計是根據(jù)物質(zhì)的熱脹冷縮原理制成的，它利用作為介質(zhì)的感溫液體隨溫 度變化而體積發(fā)生變化與玻璃隨溫度變化而體積發(fā)生變化之差來測量溫度的。溫度計所顯 示的示值為液體與玻璃毛細(xì)管體積變化的差值。A，體膨脹物體受熱后體積膨脹稱為體膨脹，還包括壓力膨脹。體膨脹系數(shù)：把溫度變化 1 C所引起的物質(zhì)體積的變化與其在0oC時的體積之比稱為平均體膨脹系數(shù)，用表示。當(dāng)溫度由t,變化到t2時，有：式中：1為感溫液的平均體膨脹系數(shù)，C 4。乂為溫度為時的工

21、作物質(zhì)的體積，m3。V 為溫度為t2時的工作物質(zhì)的體積，m3。當(dāng)t, =0 C時，令t “2，則:一0 或 一 v（1t）tVoB,視膨脹當(dāng)溫度受熱時，感溫液體受熱膨脹， 使感溫液體在毛細(xì)管中上升，同時感溫泡和毛細(xì)管 也因受熱膨脹而容積增大， 使感溫液柱下降。 但由于感溫液的體膨脹系數(shù)大， 而玻璃的體膨 脹系數(shù)小，其結(jié)果是感溫液體上升了一段距離， 感溫液體在玻璃毛細(xì)管中隨溫度上升而上升， 隨溫度下降而下降，這種現(xiàn)象稱視膨脹。綜上所述，玻璃液體溫度計的示值實際上是感溫液體積與玻璃體積變化之差。（3）分類A，按結(jié)構(gòu) 棒式溫度計：厚壁毛細(xì)管，標(biāo)尺直接刻度在毛細(xì)管表面。透明棒式（一等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫 度計）

22、，可以正反兩面讀數(shù)，消除插入不垂直誤差。釉帶棒式（二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計） ，刻 度標(biāo)尺背面熔入乳白色釉帶，讀數(shù)清晰直觀。在玻璃制造過程中形成。內(nèi)標(biāo)式溫度計：薄片長方形標(biāo)尺板：乳白色玻璃或白瓷板，溫度計毛細(xì)管緊貼標(biāo)尺板， 一起封裝在一個玻璃外套管內(nèi)，一般為實驗室溫度計、工作溫度計。外標(biāo)式溫度計：玻璃毛細(xì)管緊貼在標(biāo)尺板上（塑料的、金屬的、木板）的室內(nèi)溫度計 等。B，按標(biāo)準(zhǔn)度等級標(biāo)準(zhǔn)溫度計、高精密溫度計、工作溫度計。 標(biāo)準(zhǔn)溫度計：計量部門量值傳遞使用的標(biāo)準(zhǔn)器。一等水銀溫度計測量范圍-60C 500C，最小分度0.05C或0.1C。二等水銀溫度計， 最小分度0.1C。棒式標(biāo)準(zhǔn) 溫度計：一等正反兩面讀數(shù)。

23、二等精度較低，無需正反兩面讀數(shù)。高精密溫度計：專門用于精密測量的溫度計，用于實驗室中，最小分度0.05 C，精度較高，檢定時用一等鉑電阻溫度計。工業(yè)用溫度計：直接用于生產(chǎn)和科學(xué)實驗中的溫度計，包括：實驗室用和工業(yè)用兩種。C,按使用方式 全侵式和局侵式。（4）誤差分析 玻璃液體溫度計誤差來源基本可分為兩大類：A，玻璃液體溫度計在分度或檢定時由標(biāo)準(zhǔn)器和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備帶來的。標(biāo)準(zhǔn)器的誤差是由標(biāo) 準(zhǔn)器本身的不確定度引入的。 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的誤差， 包括電測設(shè)備的不確定度， 恒溫槽的溫場不 均勻性等。這類誤差是可以估算的。B，玻璃液體溫度計的特性及測試方法所引起的，又可分為：零位變化對示值的影響；標(biāo)尺位移對示值的影

24、響；露出液柱對示值的影響；讀數(shù)誤差； 毛細(xì)管不均勻?qū)κ局档挠绊?；時間滯后誤差；（5）標(biāo)定A，一般選兩個點作為基準(zhǔn)，其它點線性劃分；B，若要求精度高，就要考慮毛細(xì)管徑不均，兩者的膨脹系數(shù)不是恒值，可用5個基準(zhǔn)點，其它點再線性劃分。C，若精度要求再高，還要考慮環(huán)境溫度對管徑的影響，用公式進(jìn)行補償。（6）注意是利用液體的膨脹性質(zhì)測溫，不是重力所致，故可用于任何方位，太空亦可。四，固體式溫度計簡介：主要指雙金屬溫度計，結(jié)構(gòu)簡單，抗震性好，無汞害。讀數(shù)指示明顯，準(zhǔn)確度不高。使用范圍：-80 C 600 oC。（1）工作原理A，雙金屬溫度計利用兩種膨脹系數(shù)不同的材料制成，焊接在一起，其中一端固定，另 一端

25、為自由端。B,當(dāng)溫度升高時，膨脹系數(shù)較大的金屬伸長較多，必然會向膨脹系數(shù)較小的金屬片一 面彎曲變形，溫度越高，彎曲越大。以偏轉(zhuǎn)角度或位移指示溫度。C，膨脹系數(shù)較小的一層為被動層，膨脹系數(shù)較大的一層稱為主動層。D，雙金屬片在一定溫度范圍內(nèi)受熱變形彎曲的規(guī)律：由公式可知，在雙金屬片長度L,被動層和主動層厚度 、f、：2 定時，而且2,：在規(guī)定溫度范圍內(nèi)保持常數(shù)時，雙金屬片的偏轉(zhuǎn)角或位移與溫度t成線性關(guān)系。（2）雙金屬片的選擇A，材料的膨脹系數(shù)差別要大，即主動層膨脹系數(shù)要高，被動層膨脹系數(shù)要盡量低，熱 膨脹系數(shù)在使用范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。B,為在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，雙金屬片要具有較高的彈性模量，較低

26、的彈性模 量溫度系數(shù)。被動層常用因瓦鋼（鐵鎳合金、含鎳36%，其余為鐵，g =1210* /C ）。主動層常用黃銅，合金鋼等，:-=1819 10/C。五，壓力式溫度計利用封裝于密閉容器內(nèi)的工作介質(zhì)隨溫度升高而壓力升高的性質(zhì)，通過工作介質(zhì)的壓力測量來測量溫度的機械式測量儀表。（1）結(jié)構(gòu)A，溫度計是一個密閉系統(tǒng)，填充工作介質(zhì)，可以是液體、氣體；B，是一個定容系統(tǒng)；C,系統(tǒng)由溫包（感溫球泡）、金屬導(dǎo)管（可彎曲但容積一定），用于傳遞壓力。（2 ）測溫原理彈簧管內(nèi)腔與金屬導(dǎo)管相通。另一端封死為自由端，在溫度變化時，對于定容，密閉系 統(tǒng)內(nèi)的填充介質(zhì)有如下變化：對液體填充介質(zhì)，溫度升高則膨脹，但在定容情況

27、下，膨脹則壓力升高，引起彈簧管壓力計的膨脹，即伸展。此時體積略有脹大。對氣體填充介質(zhì)，溫度升高膨脹，膨脹在定容下直接導(dǎo)致壓力升高。（3）特點A，因要熱平衡，熱慣性較大，動態(tài)性能差，不利于測量快速變化的溫度；B，金屬導(dǎo)管受熱膨脹，影響精度，測量準(zhǔn)確度一般，可采用高溫包/容積比減小導(dǎo)管直徑。（4）應(yīng)用用在不需要任何電源，又要直觀顯示之處，如飛機、汽車、拖拉機也可用于溫度控制。 舉例：冰箱、調(diào)溫鈕就是調(diào)節(jié)壓力開關(guān)位置。六，電阻式溫度計1概述（1 ）利用物質(zhì)隨溫度變化時，本身電阻隨之變化的特性測量溫度。（2）電阻的溫度特性。電阻的阻值隨溫度變化的特性可用電阻溫度系數(shù):表示：電阻溫度系數(shù)，C ； R :

28、溫度為t時，熱電阻分電阻值，1 ； Rt0:溫度為t。時，熱電阻的電阻值，門。電阻的溫度系數(shù)：給出了溫度每變化1 C時，熱電阻的阻值的相對變化量。：是t。-1之間的平均電阻溫度系數(shù)。（3）溫度系數(shù)特點對于金屬熱電阻:-0，即隨著溫度升高，電阻增加。半導(dǎo)體熱敏電阻，:-正負(fù)都可。（4）熱電阻的純度A，熱電阻純度對溫度系數(shù) :影響很大，純度越高，:越大。B，電阻純度用百度電阻比表示。w 100 , w越大，純度越高。Ro（5）熱電阻的材料要求A，大而穩(wěn)定的溫度系數(shù) :oB, 電阻率大，減小元件尺寸（電阻絲可以短，減小熱慣性，纏繞方便）。C, 電阻值隨溫度變化要有單值的函數(shù)關(guān)系，最好線性。D，延展性

29、好，易于拉成細(xì)絲。E, 耐腐蝕、不易發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)（電阻要發(fā)熱和測溫） 。F, 易于提純。針對上述材料要求， 沒有那種材料是完全合適的。常用的就是：金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻A，金屬熱電阻在溫度每升高 1 C時，電阻增加0.4%-0.6%B，半導(dǎo)體熱敏電阻在每升高 1 C時，電阻變化2%-6%可見，半導(dǎo)體熱敏電阻靈敏度比金屬高，但復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性比較差。每支需單支標(biāo)定， 應(yīng)用受到一定的限制。（5）熱電阻的特點A，工業(yè)上廣泛用于測量-200 C-850 C的溫度，低溫至1K，高溫達(dá)1000 C。B，與同材料熱電偶相比，中低溫度穩(wěn)定，適合測低溫。C,標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的準(zhǔn)確度最高，在JTS-90國際溫標(biāo)中

30、作為 13.8033-1234.93K范圍內(nèi)的內(nèi)插用標(biāo)準(zhǔn)溫度計。2,金屬熱電阻溫度計簡介：熱電阻導(dǎo)電性能良好的金屬：鎳、鎘、銅、鉑、銀等，當(dāng)溫度升高時，電阻增加。最常用的是銅和鉑。（錳銅是溫度系數(shù)極小的材料，作電阻箱用，有些場合不需要高的溫度系數(shù)）（1）結(jié)構(gòu)普通熱電阻溫度計主要由感溫元件、引線、保護(hù)管和接線盒組成。外形和熱電偶很相似，特別是保護(hù)管和接線盒很難區(qū)分。上圖中，感溫元件是熱電阻溫度計的核心，是由熱電阻絲和絕緣骨架構(gòu)成（電阻絲纏繞在絕緣骨架上）。熱電阻絲包括：絕緣骨架：材料：云母、陶瓷、玻璃；形狀：棒、片接法：為使感溫元件沒有電感，采用無感繞法。（2）溫度和電阻的關(guān)系式R0 :0C 時

31、的電阻值Pt100、Pt50、Cu50、CU100，表明 R0 = 1000、5曲。A, B :系數(shù)，與材料有關(guān)，鉑、銅不一樣。一般在小的溫度范圍內(nèi)。如0 C-50 C，將高次項略去。即將 B略去，這樣 Rt和T呈線性關(guān)系。T :攝氏溫度。由此關(guān)系式可見：Rt和T之間關(guān)系與 R0有關(guān)，R0有規(guī)定：Ro大二.體積大=電流流過產(chǎn)生熱量增加 =引線電阻的影響變小。只0小=.體積大=.電流流過產(chǎn)生熱量減小 =引線電阻的影響變大。R0選擇要適當(dāng)，即熱電阻要有一定的基礎(chǔ)阻值，所以要加一定的長度粗細(xì)要求。Rt-的關(guān)系還可見分度表。（3）鉑電阻溫度計RTD鉑是一種貴金屬，鉑電阻溫度計具有較高的準(zhǔn)確度。A, 特

32、點：穩(wěn)定性好，抗氧化性強，可以工作在較寬的溫度范圍內(nèi)，1200 C以下保持溫度特性；溫度系數(shù)比較大，0-100 C內(nèi)電阻平均溫度系數(shù) 3.925 10； C；電阻值與溫度的關(guān)系是 非線性的。鉑絲：鉑電阻率大（單位長度電阻）=電阻絲不必太長鉑的機械強度較大=不必太粗C：0.03mm-0.07mm）=只繞一層于絕緣骨架 =可以裸絲=鉑電阻體積較小=響應(yīng)較快。B, 溫度特性關(guān)系式：標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，可以用一種嚴(yán)密，合理的方程來表示電阻和溫度的關(guān)系，比較復(fù)雜工業(yè)用鉑電阻測溫范圍-200-850 C，分兩個測溫范圍表示：對于-200-0 C :對于0-850 C式中：A =3.9083 10” C，B=-5.

33、775 10”，C=-4.183 102C*。（5）銅電阻溫度計用于測量準(zhǔn)確度不高，溫度低的場合，便宜價廉。A，特點溫度系數(shù)也比較高，a =4.26 4.38匯10；電阻和溫度線性關(guān)系。測溫低，范圍寬150 C -200 C機械強度下降。250 C氧化，一般工作在-50 C -150 C ；銅絲：良導(dǎo)體，電阻率小 =電阻絲要長銅軟強度強度小 =粗（門=0.13mm）=絕緣骨架上繞多層（體積大）=不能裸絲，包漆包線=銅電阻體積大=響應(yīng)較慢（熱慣性大）。B,溫度特性0-100 C 時，Rt=R0（1 At），呈線性關(guān)系， A =4.33 10“ C*-50-150 C 時，R R0（1 At Bt

34、2 Ct3） ， A = 4.28899 10 C* ，B = -2.1133 10- C - , C =1.233 10- C。(6 )金屬熱電阻溫度計的測量電路 一調(diào)理電路A，作用和分類如何將電阻的變化變成電信號反映出來；消除電阻引線的影響；分為二線制、三線制、四線制。B，二線制結(jié)構(gòu)：熱電阻兩端各引一根導(dǎo)線的形式；兩引線電阻RA, RB ；橋路；RA, RB, R 一起構(gòu)成電橋測量臂；引線隨環(huán)境和被測對象溫度的變化量厶RA RB與被測對象引起的熱電阻Rt的阻值變化量 Rt 一起被轉(zhuǎn)化為有用信號轉(zhuǎn)化測量信號造成誤差。工作原理：調(diào)Rt，電橋平衡：溫度變化：R t = Rtvl Rt， RA=

35、Rl Ra，Rb= RB *lRb。則：因此可求：但是 r t對應(yīng)關(guān)系，Rt RA R t，顯然有誤差了。結(jié)論：二線制結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，但導(dǎo)線電阻附加誤差。適用于準(zhǔn)確度不高、引線不長的場合。C, 三線制結(jié)構(gòu)：在熱電阻的一段連接兩個導(dǎo)線，另一端連接一根導(dǎo)線構(gòu)成三線制。工作原理：調(diào)R1，電橋平衡：設(shè)計成：R2 = R3，則：設(shè) Ra 二 Rb，則：當(dāng)溫度升高，電橋不平衡，則：(RaR 查表求出 T。*如果冷端變化了，即冷端受到干擾波動了，T)T0T T)未知，則：此時查表測溫有誤差了，要想等式相等，現(xiàn)在等式變成：因此，補償?shù)暮x是：在熱電偶回路中，將E(T0,T0)補償上，使回路:mv= E(T

36、,T0)+E(To，T0)=E(T,To)這樣：mv+ E(To,O) = E(T,0)即可以準(zhǔn)確的測量溫度了。怎樣補償：補償電橋法。即在回路中串聯(lián)電橋進(jìn)行補償。電橋中R,R2,R為溫度系數(shù)小的錳銅電阻，R為金屬熱電阻，使 R與熱電偶冷端處于同溫度。當(dāng)冷端溫度為T0時，設(shè)計成R = R2 = R3 = R，電橋調(diào)平衡，此時電橋輸出 Uab = 0v , 整個熱電偶電路測量值 mv= E(T,T0)。當(dāng)冷端溫度變化時，即冷端溫度擾動時：TT0 . T6, 實際熱電偶(1) 熱電偶材料A，熱電特性好，熱電勢與溫度成單值關(guān)系，線性的或單值線性的，這樣可以使顯示儀表的刻度線性化，提高內(nèi)插準(zhǔn)確度，在測溫

37、范圍內(nèi)，熱電勢在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)變化。B，物理化學(xué)性穩(wěn)定，不易氧化腐蝕。C,測溫范圍寬，熔點高，測溫上限高。D，物理特性好，高的導(dǎo)電率，小的電阻溫度系數(shù)。E, 機械性能好，強度高，易加工。常用的熱電偶包括：E型-鎳鉻/康銅(一種銅鎳合金，體電阻很大，溫度系數(shù)小)；T型-銅/康銅；S型鉑銠/鉑；K型-鎳鉻/鎳鉛；B型-鉑銠30/鉑銠6 (鉑銠的含量不同)；(2) 熱電偶的分類熱電偶有多種分類方法：如標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；高溫?zé)犭娕己偷蜏責(zé)犭娕迹唤饘贌犭娕己桶雽?dǎo)體熱電偶；貴金屬熱電偶(鉑銠類)和廉金屬熱電偶(鎳鉻，康銅)。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶：具有統(tǒng)一的分度表，不用單只標(biāo)定，有可互換的配套儀表。國際標(biāo)準(zhǔn)

38、中，有8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，它們的分度號：S、R、B、K、N、E、J、To其中，貴金屬熱電偶：S （鉑銠10/鉑）、R （鉑銠13/鉑）、B （鉑銠30/鉑銠6）,可在1000度以上使用。廉價金屬熱電偶：K （鎳鉻/鎳硅）、N （鎳鉻硅/鎳硅）、E （鎳鉻/康銅）、J（鐵/康銅）、T （銅/康銅）。（3）熱電偶的結(jié)構(gòu)（普通型熱電偶）A，熱電極：貴金屬熱電極直徑0.3-0.65mm，廉金屬熱電極直徑 0.5-3.2mm ,熱電偶長度 350mm-2000mm。B，絕緣套管：防止熱電極之間或熱電極與保護(hù)套管之間發(fā)生短路，絕緣套管材料，由測量范圍決定：1000度以下為普通套管，1000-1300之間為高純

39、度氧化鋁。1300-1600之間為剛玉（氧 化鋁晶體，耐高溫材料）。C,保護(hù)管：使熱電偶不直接與被測物質(zhì)接觸。包括金屬材料和非金屬材料。一般用金 屬陶瓷，導(dǎo)熱性好，機械性能好。D，接線盒：固定接線座，連接熱電極和補償導(dǎo)線。從結(jié)構(gòu)看對于裸絲電偶，保護(hù)管具有防護(hù)作用，但對動態(tài)性能有影響。引線絕緣，絕緣套管填氧化鋁粉末等。（4）熱電偶的應(yīng)用A，工業(yè)用熱電偶測溫的基本線路熱電偶測溫線路由熱電偶，中間連接部分（補償導(dǎo)線，恒溫箱或補償橋，銅導(dǎo)線等）和 顯示部分組成，連接時熱電偶冷端和補償導(dǎo)線接點兩個端子必須保持在同一溫度上。B，熱電偶的正向串聯(lián)同型號熱電偶異名極串聯(lián)接法：同型號熱電偶正向串聯(lián)稱為熱電堆，其總電勢：采用熱電堆來測量同一溫