B-第二章溫度測(cè)量

1、第二章溫度測(cè)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(duì)分子平均動(dòng)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(yùn)動(dòng)的劇烈程度，溫度是物體大量分子熱運(yùn)動(dòng)的共同表現(xiàn)。溫度含有統(tǒng)計(jì)意 義，對(duì)于單個(gè)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(dòng)方向，描述這種行為的量稱為 溫度。若無熱量流動(dòng)，則稱該物體或空間在這個(gè)溫度下達(dá)到了熱力學(xué)平衡。(2) 溫度的測(cè)量 理論基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與制作

2、溫度計(jì)的理論基礎(chǔ)：如果已知一個(gè)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(gè)物體處于一個(gè)系統(tǒng)中而達(dá)到熱平衡時(shí)，二者就具有相同的溫度。因而可以從一 個(gè)物體的溫度得知另一個(gè)物體的溫度。 測(cè)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(shì)、體積、長(zhǎng)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(cè)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(cè)量的，且輸出信號(hào)較強(qiáng)，以保證儀表的靈敏度和測(cè)量 的準(zhǔn)確度。C,應(yīng)有較寬的

3、測(cè)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(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)。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(cè)量單位。各種測(cè)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(shí)。（2）建立溫標(biāo)三要素 選擇溫度固定點(diǎn)； 選擇測(cè)溫物質(zhì)，確定它隨溫度變換的屬性及測(cè)溫屬性； 規(guī)定測(cè)溫屬性隨溫度變化的規(guī)律。（3）常用溫標(biāo)經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式所確定的溫標(biāo)

4、稱 為經(jīng)驗(yàn)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(cè)溫物質(zhì)。隨著溫度的變 化，毛細(xì)管中液體的長(zhǎng)短反映了液體體積膨脹這一測(cè)溫屬性。選擇1.01325*10 5Pa下水的冰點(diǎn)溫度作為下限（0C）、水的沸點(diǎn)作為上限100C,并且認(rèn)為在兩點(diǎn)之間液柱的長(zhǎng)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(hào)為 C。攝氏溫標(biāo)雖不是國(guó)際統(tǒng)一規(guī)定的溫標(biāo)，但我國(guó)目前還在 繼續(xù)使用。攝氏溫標(biāo)特點(diǎn)：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(shí)驗(yàn)室所能達(dá)到的最低溫度（水+純水+氯液或冰+鹽）為0F，實(shí)際為-17.8C，以它的體溫口或腋下為 100F，實(shí)際為37.8C，創(chuàng)建 了首個(gè)溫標(biāo)。后來規(guī)定在1.01325*105Pa下水的冰點(diǎn)為32 F。水的沸點(diǎn)為212 F，中間劃分為180 等分，每一等分為華氏度，單位符號(hào)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(cè)溫學(xué)的發(fā)展中起過重要的作用，但存在明顯缺點(diǎn)： 溫度測(cè)量依賴于選用的測(cè)溫物質(zhì)，且應(yīng)用范圍受制作溫度計(jì)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(jī)性。 雖然它們都選用冰點(diǎn)溫度和沸點(diǎn)溫度作為固定點(diǎn)， 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(guó)所采用的 基本測(cè)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(shí)際情況并非如此，從而造成中間溫度的 測(cè)量差異。 熱力學(xué)溫標(biāo)熱力學(xué)溫標(biāo)又稱絕對(duì)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(guó)際計(jì)量大會(huì)采 納作為國(guó)際統(tǒng)一的基本溫標(biāo)。其特點(diǎn)是不與某一特定的溫度計(jì)聯(lián)系，且與測(cè)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(shí)現(xiàn)。規(guī)定一個(gè)絕對(duì)零度 -273.15 o

7、C ，低于零度的溫度不可能存在， 絕對(duì)零度下原子停止運(yùn)動(dòng)， 0k 是不會(huì)向外界放出熱量的狀態(tài)。絕對(duì)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(jì)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(jià)格昂貴，不適用于實(shí)際應(yīng)用。 國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)為了使用方便，國(guó)際上協(xié)商確定，建立一種既使用方便、容易實(shí)現(xiàn)、各國(guó)通用，又能 體現(xiàn)熱力學(xué)溫度的溫標(biāo)，這就是國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，又稱國(guó)際溫標(biāo)。國(guó)際溫標(biāo)通常具備三個(gè)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(guó)都能準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)同一國(guó)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(jì)

8、，使用方便，性能穩(wěn)定。國(guó)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(diǎn)（可復(fù)現(xiàn)的平衡態(tài)）的溫度作為溫標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)；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(diǎn)，如玻璃。凝聚態(tài)：固液態(tài)、及液晶、等離子體等態(tài)）。金點(diǎn)：固液平衡 -1064.18 oC銀點(diǎn)：固液平衡 -961.78 oC鋁點(diǎn)：固液平衡 -660.323 oC鋅點(diǎn)：固液平衡 -419.527 oC錫點(diǎn)：固液平衡 -231.928 oC水三態(tài)點(diǎn)： 0.010oC氬三態(tài)點(diǎn)； -189.3442 oC氖三態(tài)點(diǎn)：-248.5939 C 氡三態(tài)點(diǎn)；-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(cè)溫物質(zhì)；C, 在溫標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)上分度，確定各固定點(diǎn)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(guó)際溫標(biāo)數(shù)值之間的關(guān)系，是反映溫度計(jì)特性曲線的函數(shù)。（確定溫度和測(cè)溫物質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系）*溫標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)儀器、內(nèi)插公式被稱為國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)“三要素”。D，第一個(gè)國(guó)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(guó)廣泛采用：A，定義固定點(diǎn)。ITS 90中定義固定點(diǎn)17個(gè)，固定點(diǎn)兩個(gè)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(gè)溫標(biāo)分為4個(gè)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(shí)際可測(cè)得的最高溫度：3He和4He蒸汽溫度計(jì)；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(jì)：3.024.5561K。鉑電阻溫度計(jì)：13.8033 1234.93K。光學(xué)或光電高溫計(jì)：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(gè)固定點(diǎn)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(guó)際上為了統(tǒng)一溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)建立自己國(guó)家的溫度標(biāo)準(zhǔn)作為本國(guó)溫度測(cè)量的最

11、高 依據(jù)一國(guó)家基準(zhǔn)。我國(guó)的溫度基準(zhǔn)建立在中國(guó)計(jì)量科學(xué)院。各地區(qū)、省、市建立的為次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，需定期由國(guó)家基準(zhǔn)檢定。測(cè)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(jí)儀表都得定期到上一級(jí)計(jì)量部門進(jìn)行檢定。對(duì)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行檢定是對(duì)測(cè)溫儀表進(jìn)行分度的另一項(xiàng)重要任務(wù)。二，溫度測(cè)量?jī)x表的分類根據(jù)工作原理分類溫度測(cè)量?jī)x表：（1）基于物體受熱膨脹原理的膨脹式溫度計(jì)；（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(jì)；（ 3）基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度計(jì)；（4）基于普朗克定律的輻射溫度計(jì)：全輻射溫度計(jì)、亮度溫度計(jì)（光學(xué)高溫計(jì)和光電 高溫計(jì)）、比色溫度計(jì)（雙比色、三比色）

12、 。（5）基于全反射原理的光纖溫度計(jì)；（6）其它溫度計(jì)。如集成溫度傳感器制成的溫度計(jì)、晶體管溫度計(jì)等。 根據(jù)測(cè)溫范圍：高溫、中溫和低溫溫度計(jì)。根據(jù)儀表準(zhǔn)確度等級(jí)：基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)溫度計(jì)。 根據(jù)測(cè)量方法或溫度傳感器使用方式：接觸式測(cè)溫儀表（低溫區(qū)） 、非接觸式測(cè)溫儀表（高溫區(qū)） 。2，接觸式測(cè)溫儀表（1）原理由熱平衡原理可知， 兩個(gè)物體接觸后經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)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(jì)， 就可以用它對(duì)另一個(gè)物體實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量， 這種測(cè)溫方式稱為接 觸法測(cè)溫， 以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的溫度計(jì)稱為接觸式測(cè)溫儀表。 測(cè)量時(shí)溫度計(jì)必須與被測(cè)物體直 接接觸，充分換熱。主要是測(cè)量低溫。（2

13、）優(yōu)點(diǎn)A ，測(cè)溫準(zhǔn)確度相對(duì)較高；主觀可靠；B，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)溫儀表價(jià)格較低；C,可測(cè)量任何部位溫度；D，便于多點(diǎn)集中測(cè)量和自動(dòng)控制。（3）缺點(diǎn)A ， 測(cè)溫有較大滯后；B，接觸過程中易破壞被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)分布和熱平衡狀態(tài)；C,不能測(cè)量移動(dòng)的或太小的物體；D，測(cè)溫上限受到溫度計(jì)材質(zhì)的限制，故所測(cè)溫度不能太高；E,易受被測(cè)介質(zhì)的腐蝕作用，對(duì)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(cè)溫儀表有：膨脹式溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)。3，非接觸測(cè)溫儀表（1）原理基于物體的熱輻射原理設(shè)計(jì)而成。測(cè)量時(shí)感溫元件不與被測(cè)對(duì)象直接接觸。通常用來測(cè)定1000 以上，移動(dòng)

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(diǎn)A，測(cè)溫范圍廣，適于高溫物體測(cè)量；B，測(cè)溫過程中不破壞被測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)，不影響原溫度場(chǎng)分布；C,能測(cè)運(yùn)動(dòng)物體溫度；D，熱慣性小，探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)溫響應(yīng)速度快，約2-3秒。易于實(shí)現(xiàn)快速與動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。在一些特定條件下，例如：核子輻射場(chǎng)，輻射測(cè)溫可以進(jìn)行準(zhǔn)確而可靠的測(cè)量。（3）缺點(diǎn)A，不能直接測(cè)得被測(cè)對(duì)象的真實(shí)溫度，精度不高；B，輻射溫度計(jì)的測(cè)量受中間介質(zhì)的影響較大特別是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件下，周圍環(huán)境比較惡劣，中間介質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。這種情況下溫度計(jì)波長(zhǎng)范圍的選擇是很重要的。C,輻射測(cè)溫原理復(fù)雜，導(dǎo)致溫度計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高；（4 ）非接觸式

15、測(cè)溫儀表主要有輻射溫度計(jì)、光纖輻射溫度計(jì)等，其中前者又分為全輻射溫度計(jì)、亮度溫度計(jì)（光學(xué)溫度計(jì)、光電高溫計(jì)）和比色溫度計(jì)。三，膨脹式溫度計(jì)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(jì)稱為膨脹式 溫度計(jì)。玻璃液體溫度計(jì)。1，熱脹冷縮（1）液體、固體體積會(huì)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(zhǎng)。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(huì)溢出。（2）氣體，因占滿整個(gè)空間，表現(xiàn)為 T P ，欲占據(jù)更大空間的趨勢(shì)愈強(qiáng)?？梢詮姆肿印⒃诱饎?dòng)觀點(diǎn)看，T 動(dòng)能變大，相鄰分子碰撞加劇，拉長(zhǎng)了分子之間的距離；從每個(gè)原子看，四周任何方向都會(huì)增長(zhǎng)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(shí)會(huì)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(gè)扦子一樣，也可空畫一

17、條線圈，這個(gè)圈也會(huì)脹大，而不是向內(nèi)收縮。（5）熱應(yīng)力熱脹冷縮時(shí)，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(jì)（1）簡(jiǎn)介玻璃液體溫度計(jì)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(cè)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(cè)溫儀表。特點(diǎn)：玻璃液體溫度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，讀數(shù)直觀、使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)溫范圍-100 c 600oc。（2）結(jié)構(gòu)玻璃液體溫度計(jì)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(jì)

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(jì)的下端，使玻璃液體溫度計(jì)的感溫部分，如夾在腋下或舌下?？扇菁{絕大部分的感溫液，也稱儲(chǔ)液泡。感溫泡直接由玻璃毛細(xì)管加工制成（拉泡）。或由焊接一段薄壁玻璃管制成（接泡），玻璃比較軟的時(shí)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(dòng)。C，標(biāo)尺標(biāo)尺用來表明所測(cè)溫度的高低，其上標(biāo)有數(shù)字和溫度單位的符號(hào)，可將表示標(biāo)尺的分 度線直接刻在毛細(xì)管表面，或單獨(dú)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(kuò)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(gè)：一是當(dāng)測(cè)溫液體超過測(cè)量上限時(shí)，

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(jì)。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(gè)儲(chǔ)液泡，目的是當(dāng)溫度計(jì)上升到下限刻度時(shí)，能容納膨脹的液體，這樣可使具有較高測(cè)量上限的溫度計(jì)的標(biāo)尺縮短，或提高測(cè)量上限。對(duì)于比較精密的溫度計(jì)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(jì)的零位變化，提高了測(cè)量下限。F，感溫液封裝在感溫泡內(nèi)的測(cè)溫物質(zhì)，需根據(jù)溫度計(jì)的測(cè)量范圍、準(zhǔn)確度、靈敏度、穩(wěn)定性、使用場(chǎng)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(cè)量原理玻璃液體溫度計(jì)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(cè)量溫度的。溫度計(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)的工

21、作物質(zhì)的體積，m3。V 為溫度為t2時(shí)的工作物質(zhì)的體積，m3。當(dāng)t, =0 C時(shí)，令t “2，則:一0 或 一 v（1t）tVoB,視膨脹當(dāng)溫度受熱時(shí)，感溫液體受熱膨脹， 使感溫液體在毛細(xì)管中上升，同時(shí)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(jì)的示值實(shí)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(jì)：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(jì)）

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(jì)） ，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(jì)：薄片長(zhǎng)方形標(biāo)尺板：乳白色玻璃或白瓷板，溫度計(jì)毛細(xì)管緊貼標(biāo)尺板， 一起封裝在一個(gè)玻璃外套管內(nèi)，一般為實(shí)驗(yàn)室溫度計(jì)、工作溫度計(jì)。外標(biāo)式溫度計(jì)：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(jì) 等。B，按標(biāo)準(zhǔn)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)、高精密溫度計(jì)、工作溫度計(jì)。 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)：計(jì)量部門量值傳遞使用的標(biāo)準(zhǔn)器。一等水銀溫度計(jì)測(cè)量范圍-60C 500C，最小分度0.05C或0.1C。二等水銀溫度計(jì)， 最小分度0.1C。棒式標(biāo)準(zhǔn) 溫度計(jì)：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(jì)：專門用于精密測(cè)量的溫度計(jì)，用于實(shí)驗(yàn)室中，最小分度0.05 C，精度較高，檢定時(shí)用一等鉑電阻溫度計(jì)。工業(yè)用溫度計(jì)：直接用于生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的溫度計(jì)，包括：實(shí)驗(yàn)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(jì)誤差來源基本可分為兩大類：A，玻璃液體溫度計(jì)在分度或檢定時(shí)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(cè)設(shè)備的不確定度， 恒溫槽的溫場(chǎng)不 均勻性等。這類誤差是可以估算的。B，玻璃液體溫度計(jì)的特性及測(cè)試方法所引起的，又可分為：零位變化對(duì)示值的影響；標(biāo)尺位移對(duì)示值的影

24、響；露出液柱對(duì)示值的影響；讀數(shù)誤差； 毛細(xì)管不均勻?qū)κ局档挠绊?；時(shí)間滯后誤差；（5）標(biāo)定A，一般選兩個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)，其它點(diǎn)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(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，其它點(diǎn)再線性劃分。C，若精度要求再高，還要考慮環(huán)境溫度對(duì)管徑的影響，用公式進(jìn)行補(bǔ)償。（6）注意是利用液體的膨脹性質(zhì)測(cè)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(jì)簡(jiǎn)介：主要指雙金屬溫度計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)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(shí)，膨脹系數(shù)較大的金屬伸長(zhǎng)較多，必然會(huì)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(dòng)層，膨脹系數(shù)較大的一層稱為主動(dòng)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(zhǎng)度L,被動(dòng)層和主動(dòng)層厚度 、f、：2 定時(shí)，而且2,：在規(guī)定溫度范圍內(nèi)保持常數(shù)時(shí)，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(dòng)層膨脹系數(shù)要高，被動(dòng)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(dòng)層常用因瓦鋼（鐵鎳合金、含鎳36%，其余為鐵，g =1210* /C ）。主動(dòng)層常用黃銅，合金鋼等，:-=1819 10/C。五，壓力式溫度計(jì)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(cè)量來測(cè)量溫度的機(jī)械式測(cè)量?jī)x表。（1）結(jié)構(gòu)A，溫度計(jì)是一個(gè)密閉系統(tǒng)，填充工作介質(zhì)，可以是液體、氣體；B，是一個(gè)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(cè)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(shí)，對(duì)于定容，密閉系 統(tǒng)內(nèi)的填充介質(zhì)有如下變化：對(duì)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(jì)的膨脹，即伸展。此時(shí)體積略有脹大。對(duì)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(diǎn)A，因要熱平衡，熱慣性較大，動(dòng)態(tài)性能差，不利于測(cè)量快速變化的溫度；B，金屬導(dǎo)管受熱膨脹，影響精度，測(cè)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(jī)、汽車、拖拉機(jī)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(jì)1概述（1 ）利用物質(zhì)隨溫度變化時(shí)，本身電阻隨之變化的特性測(cè)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(shí)，熱電阻分電阻值，1 ； Rt0:溫度為t。時(shí)，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(shí)，熱電阻的阻值的相對(duì)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(diǎn)對(duì)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(duì)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(cè)溫） 。F, 易于提純。針對(duì)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(shí)，電阻增加0.4%-0.6%B，半導(dǎo)體熱敏電阻在每升高 1 C時(shí)，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(diǎn)A，工業(yè)上廣泛用于測(cè)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(cè)低溫。C,標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的準(zhǔn)確度最高，在JTS-90國(guó)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(jì)。2,金屬熱電阻溫度計(jì)簡(jiǎn)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(shí)，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(chǎng)合不需要高的溫度系數(shù)）（1）結(jié)構(gòu)普通熱電阻溫度計(jì)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(jì)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(shí)

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(xiàng)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(zhǎng)度粗細(xì)要求。Rt-的關(guān)系還可見分度表。（3）鉑電阻溫度計(jì)RTD鉑是一種貴金屬，鉑電阻溫度計(jì)具有較高的準(zhǔn)確度。A, 特

32、點(diǎn)：穩(wěn)定性好，抗氧化性強(qiáng)，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(zhǎng)度電阻）=電阻絲不必太長(zhǎng)鉑的機(jī)械強(qiáng)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(cè)溫范圍-200-850 C，分兩個(gè)測(cè)溫范圍表示：對(duì)于-200-0 C :對(duì)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(jì)用于測(cè)量準(zhǔn)確度不高，溫度低的場(chǎng)合，便宜價(jià)廉。A，特點(diǎn)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(cè)溫低，范圍寬150 C -200 C機(jī)械強(qiáng)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(zhǎng)銅軟強(qiáng)度強(qiáng)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(shí)，Rt=R0（1 At），呈線性關(guān)系， A =4.33 10“ C*-50-150 C 時(shí)，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(jì)的測(cè)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(hào)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(cè)量臂；引線隨環(huán)境和被測(cè)對(duì)象溫度的變化量厶RA RB與被測(cè)對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)化測(cè)量信號(hào)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(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)的場(chǎng)合。C, 三線制結(jié)構(gòu)：在熱電阻的一段連接兩個(gè)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(jì)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(dòng)了，T)T0T T)未知，則：此時(shí)查表測(cè)溫有誤差了，要想等式相等，現(xiàn)在等式變成：因此，補(bǔ)償?shù)暮x是：在熱電偶回路中，將E(T0,T0)補(bǔ)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(cè)量溫度了。怎樣補(bǔ)償：補(bǔ)償電橋法。即在回路中串聯(lián)電橋進(jìn)行補(bǔ)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(shí)，設(shè)計(jì)成R = R2 = R3 = R，電橋調(diào)平衡，此時(shí)電橋輸出 Uab = 0v , 整個(gè)熱電偶電路測(cè)量值 mv= E(T,T0)。當(dāng)冷端溫度變化時(shí)，即冷端溫度擾動(dòng)時(shí)：TT0 . T6, 實(shí)際熱電偶(1) 熱電偶材料A，熱電特性好，熱電勢(shì)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(cè)溫

37、范圍內(nèi)，熱電勢(shì)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(cè)溫范圍寬，熔點(diǎn)高，測(cè)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(jī)械性能好，強(qiáng)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?；金屬熱電偶和半?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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

38、中，有8種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，它們的分度號(hào)：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(jià)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(jī)械性能好。D，接線盒：固定接線座，連接熱電極和補(bǔ)償導(dǎo)線。從結(jié)構(gòu)看對(duì)于裸絲電偶，保護(hù)管具有防護(hù)作用，但對(duì)動(dòng)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(cè)溫的基本線路熱電偶測(cè)溫線路由熱電偶，中間連接部分（補(bǔ)償導(dǎo)線，恒溫箱或補(bǔ)償橋，銅導(dǎo)線等）和 顯示部分組成，連接時(shí)熱電偶冷端和補(bǔ)償導(dǎo)線接點(diǎn)兩個(gè)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(hào)熱電偶異名極串聯(lián)接法：同型號(hào)熱電偶正向串聯(lián)稱為熱電堆，其總電勢(shì)：采用熱電堆來測(cè)量同一溫