温标、温度测量及控制课件

温标、温度测量及控制温标、温度测量及控制1一、温标 温度数值的表示方法称为温标。即：为度量物体温度高低而对温度零点和分度方法所做的一种规定，是温度的单位制。一、温标2测量任一物理量须满足以下条件：(1)定义物理量的单位。例如长度单位为米。(2)规定物理量单位的大小。(3)可复现的测量工具。例如尺子。测量任一物理量须满足以下条件：3温标三要素：(1)选择测温仪器(复现温度计)温度参数是不能直接测量的，一般只能利用某些物质的某种与温度有依赖关系而又有良好重现性的物理性质，通过对这些特性参数的测量间接地获得。温标三要素：4 (2)确定固定点 测温物质的某种物理特性，只能显示温度变化的相对值，必须确定其相应的温度值，才能实际使用。通常采用某些高纯物质的相变温度确定。例如冰水和沸水。(3)划分温度值 在固定点之间的分度都采用内插法或外推法求得。(2)确定固定点5 1、摄氏温标 1750年由瑞典人摄休斯提出，定义冰水温度为0，沸水温度为100。之间分为100份，每份为1。即为著名的摄氏百度温标。1、摄氏温标6 华氏温标：1744年由德国人华伦海特提出，定义冰水温度为320F，沸水温度为2120F，之间分为180份，每份为10F。二者换算式：华氏温标：1744年由德国人华伦海特提出，定义冰水温7 该类经验温标因与某些工作物质的物理特性有关，具有以下缺陷：(1)测温范围短。(2)因工作物质的物理特性与温度间的关系为非线性变化，所以定点间和定点外的温度存在较大误差。甚至1度的温差也不相同。例如：该类经验温标因与某些工作物质的物理特性有关，具有以下8温度计种类氢气恒容空气恒容铂电阻铂、铑热电偶水银温度计 温 度 值 0 20 40 60 80 100 020.00840.00159.99079.987 100 020.24040.36060.36080.240100 020.15040.29760.29380.147100 020.09140.11160.28680.041100温度计种类氢气恒容空气恒容铂电阻铂、铑热电偶水银温度计 温9温度计种类 乙 醇甲 苯 戊 烷槽 温 温 度 值 0-20.8-50.7-78.5 0-21.0-51.1-78.5 0-22.4-52.6-78.5-20.0-50.0温度计种类乙 醇甲 苯戊 烷槽 温 温 10 2、热力学温标 1848年由开尔文根据理想热机的卡诺循环提出。设理想热机在两个热源Q1和Q2间工作，两个热源的温度分别为T1和T2。则理想热机循环一周后的热机效率为：2、热力学温标11 即温度只与热量有关，与测温(工作)物质无关。上式可写为：T1为定点，选水的三相点为定点，为和人们过去的习惯相符合，定义为273.16K，使得水沸点和冰点之间的温度仍保持100度。即温度只与热量有关，与测温(工作)12 摄氏温标可视为热力学温标的导出单位：T273.15t 即：热力学温度单位开尔文(K)是水的三相点热力学温度的1/273.16。原则上，测量热力学方程式中的某一个参量，就可以建立热力学温标，例如PV=nRT。常用的实现热力学温标的方法有：摄氏温标可视为热力学温标的导出单位：13 (1)气体温度计：复现热力学温标的一种重要方法，普遍采用定容气体温度计。理论上，任意温度的温度值可用下式计算：(1)气体温度计：复现热力学温标的一种重要方法，普遍14 实际上，由于实际气体不符合理想气体，(PV)值须采用外推至P0时的（PV）值，即：实际上，由于实际气体不符合理想气体，(PV)值须采用15 (2)声学温度计：在低温端，测量热力学温度的重要方法是测量声波在气体(氦气)中的传播速度，该测温仪也称超声干涉仪。(3)噪声温度计：是很有发展前途的测量热力学温度的绝对仪器，正研究的有测温到1400K的高温噪声温度计和十几mK到十几K的低温噪声温度计。(2)声学温度计：在低温端，测量热力学温度的重要方法16 (4)光学高温计和辐射高温计：对高温测量,不仅要求测温元件难熔，而且要求有良好的稳定性和足够的灵敏度，须用非接触法。利用物体的辐射特性测量物体的温度。对4000K以上的高温气体，常用谱线强度方法测量温度。(4)光学高温计和辐射高温计：对高温测量,不仅要求测17 3、国际实用温标 由于气体温度计的装置十分复杂，使用不方便，为了更好地统一国际间的温度量值，1927年召开的国际权度大会上决定采用“国际温标”。3、国际实用温标18 国际温标是热力学温标的具体体现，是根据热力学温标而制定的。国际温标应尽可能接近热力学温标。随着科技的发展，测量精确度日益提高，温标需常进行修订，现在采用的是1990年制定的标准。现称摄氏度为国际实用摄氏度。国际实用温标要求：易于使用、高精度的复现、接近热力学温标。国际温标是热力学温标的具体体现，是根据热力学温标而制19 (1)测温温度计：13.81K273.15K(0)铂电阻温度计 273.15K(0)630.74(锑熔点)铂电阻温度计 630.741064.43(金熔点)铂铑(10)铂热电偶 1064.43以上 光学高温计 (1)测温温度计：20 (2)选择固定点：17个固定点（高纯物质的相变温度）及第二类固定点(参考点)。(3)划分温度值：采用内插公式计算分度值。(2)选择固定点：17个固定点（高纯物质的相变温度）及第21二、常用温度计 按工作方式分类：膨胀式、压力式、电阻式、电偶式、光学式。按热传递方式分类：接触式、非接触式。二、常用温度计22 1、水银温度计 适用范围：35360，750(用石英或硬质玻璃管并充入惰性气体)。分度值：2、1、0.5、0.2、0.1（精密温度计）贝克曼温度计的分度值为0.01。1、水银温度计23 使用水银温度计时须做以下校正：(1)读数校正：以高纯物质的相变温度为标准进行校正。以标准温度计为标准作图进行校正。使用水银温度计时须做以下校正：24式中：K水银对玻璃的相对膨胀系数。n露出长度，以温差表示。t温度计在体系与环境间的刻度值。(2)露出(茎)校正：使用全浸式温度计时须进行该项校正(半浸式水银温度计不需校正)。校正公式为：式中：K水银对玻璃的相对膨胀系数。(2)露出(茎)25温标、温度测量及控制课件26 2、热电偶温度计 一对不同金属导线的组合。测温原理：2、热电偶温度计27 A(t,t0):温差电势。与材料的特性及温度有关。A(t,t0):温差电势。与材料的特性及温度有关。28 AB(t):接触电势。与两材料的特性及温度有关。AB(t):接触电势。与两材料的特性及温度有关。29温标、温度测量及控制课件30 为建立回路电势EAB(t)与温度t间的关系，须确定C值，称为自由端的温度补偿，常用以下两种方法：为建立回路电势EAB(t)与温度t间的关系，须确定C31 (1)自由端恒温法 定义：AB(0)0，这时：EAB(t)AB(t)，即EAB(t)随温度的变化呈现线性变化，作出EAB(t)与t的关系图即工作曲线。将工作端放入热源中，测出回路电势值，查工作曲线即可得到热源的温度值。32 工作曲线：线路连接图为：工作曲线：线路连接图为：33 (2)自由端温度校正法 将自由端置于室温下，工作端放入热源中，测出回路电势值，查工作曲线即可得到热源与室温的温度差值。即：t查t热源t室温 t热源t查t室温 (2)自由端温度校正法34 线路连接图为：线路连接图为：35 由于通常室温变化较大，因此，在精密测温时，通常采用自由端恒温法，在温度测量精度要求不高的测量中，可采用自由端温度校正法。由于通常室温变化较大，因此，在精密测温时，通常36 在与电势测量仪进行连接时，须引入第三种导体，第三种导体对回路电势的影响称为中间导体定律：在与电势测量仪进行连接时，须引入第三种导体，第37温标、温度测量及控制课件38温标、温度测量及控制课件39 即：引入第三种导体 C时，只要第三种导体C两端温度相同，对回路总电势无影响。该定律称为中间导体定律。即：引入第三种导体 C时，只要第三种导体40 对热电偶温度计的要求：物理、化学性能稳定、热电性能好、电阻温度系数小、导热率高、热容小、有良好的机械加工性能、价廉。对热电偶温度计的要求：物理、化学性能稳定、热电41 热电偶温度计的优点：灵敏度较高：0.01，若将热电偶组成热电偶堆，灵敏度可达0.0001；复现性好；量程宽；非电量变换。热电偶温度计的优点：灵敏度较高：0.01，若将42常用的热电偶温度计：(1)镍铬镍硅(铝)测量温度：01100，短时间使用，最高可到1300。电势变化为：045.108mV(01100)。分度号为EU2。常用的热电偶温度计：43 (2)铂铑(10)铂 测量温度：01300，短时间使用，最高可到1600。电势变化为：016.771mV(01600)。分度号为LB3。(2)铂铑(10)铂44温标、温度测量及控制课件45 3、电阻温度计 利用金属或半导体本身的电阻和温度的关系制成的温度计。金属：具有正的温度系数。常用的有：铂、铜、镍。特别是铂具有良好的低温特性。在低温区用作标准温度计。3、电阻温度计46 半导体：具有负的温度系数。半导体本身的电阻与温度间是非线性关系，但当温度变化很小时，可以看作是线性关系，常用做温差温度计。电阻温度计的标定同热电偶温度计。半导体：具有负的温度系数。半导体本身的电阻与温度间是47 4、精密数字温差计 利用铂电阻测量温度差的电子仪器，只能测量温度差，不能测量温度绝对值。精度：0.001；测量范围19.999。4、精密数字温差计48 5、光学高温计 对高温测量，接触式温度计的应用受到很大的限制，在金点以上，一般均利用黑体辐射时辐射能量或辐射波长与温度之间的函数关系，设计出各种光学温度计。5、光学高温计49式中，是物体的辐射系数，它因物体的材料表面性状而异，绝对黑体的绝对1，C1、C2均为常数。物体辐射的能量E与波长、温度T之间遵循普朗克公式：式中，是物体的辐射系数，它因物体的材料物体辐射的能量E与波50 对应于不同的温度，可以得到一条条能量波长分布曲线，如图所示：对应于不同的温度，可以得到一条条能量波长分布曲线，51 但要测量辐射能量的绝对值是比较困难的，如能测定两个温度下辐射能量的比值，从某一已知温度也可以求算出另一温度来。例如，测定金点温度TAu和某一温度T时，黑体辐射波长的辐射能量ETAu和ET，就可求出待测温度T来。但要测量辐射能量的绝对值是比较困难的，如能测定两个温52 式中，C20.014388 m.K。式中，C20.014388 m.K。53三、温度的控制 1、相变点恒温介质浴 当物质处于相变平衡时，如与环境之间存在温度差，则它仅以吸收或释放潜热的形式与环境进行热交换，而其相平衡温度维持不变，不受环境的影响。如将这种处于相平衡的物质构成一个“介质浴”，并将需恒温的研究对象置于这个介质浴中，就可获得一个高度稳定的恒温条件。三、温度的控制54温标、温度测量及控制课件55 构成这种恒温介质浴的介质通常有：液氮(77.3K)、干冰丙酮(-78.5)(不能单独使用干冰，因干冰附近的CO2蒸气易被空气稀释，不能建立起稳定的气固相平衡，另外干冰是固相，热导率很小，不能与被冷却对象良好接触，进行有效的热交换。加入丙酮或其它液体，可解决以上问题。使用时应将干冰加入丙酮中，不能相反，并严禁明火)、构成这种恒温介质浴的介质通常有：液氮(77.3K)、56冰-水(0)、Na2SO410H2O(32.38)(在水浴中加热至32.38时，分解为Na2SO4H2O(固)和饱和的Na2SO4、水溶液，并处于三相平衡)、沸点丙酮(56.5)、沸点水(100)、沸点萘(218.0)、沸点硫(444.6)等。冰-水(0)、Na2SO410H2O(32.38)(57 优点：价廉、操作简便、高稳定度(如介质为高纯度的，其相变温度不必另行精确测定)。缺点：恒温温度不能随意调节、不能长时间使用、恒温对象必须浸没于恒温介质中。优点：价廉、操作简便、高稳定度(如介质为高纯度的，其58 2、恒温槽 组成：槽体、加热器(冷冻机)、继电器、感温元件、搅拌器、温度计。2、恒温槽59工作原理示意图：工作原理示意图：60 感温元件之一：导电表结构示意图：感温元件之一：导电表结构示意图：61 继电器的工作过程，是按所谓断续式、二位置控制的调节规律进行的。电加热器在继电器的驱动下，只有断、续两个工作状态，只要继电器的触电处于闭合位置，加热器在单位时间内总是输出相同的热量。但体系却随着温度的回升与设定值之间的偏差而不断地缩小，这样就会产生下述两种极为矛盾的情况。继电器的工作过程，是按所谓断续式、二位置控制的62 一是因实验需要将设定温度值提高时，开始会出现很大的温度偏差。按控温要求，加热器应立即输出较大功率的热量，使被控对象的温度迅速回升至设定值(通常把温度回升的这段时间称为“过渡过程时间”)。但加热器固有输出功率不可能设计得太大，致使过渡过程时间延长，使被控对象在较长一段时间内处在设定温度以下。一是因实验需要将设定温度值提高时，开始会出现很大的温63 二是当被控对象体系的温度回升至偏离设定值很近时，又要求加热器的输出功率作相应的减少。由于加热器的输出功率是固定的，发出的热量超过实际的需要，导致体系温度超过设定值。超过设定值的这段温度称为“超调量”。超调量的产生，除了因加热器固有输出功率过大之外，还会因被控对象的热惰性而引起。二是当被控对象体系的温度回升至偏离设定值很近时64 从理想的情况来考虑，当被控对象的温度低于设定值时，要求加热器能在一定的时间内释放出一定的热量，使被控对象在这段时间内恰好回升至设定温度。但由于热惰性，温度回升的时间需要延长。在这段延长的时间内，加热信号未消失，加热器会继续释放出过多的热量，从而产生超调量,使被控对象处在设定温度以上。从理想的情况来考虑，当被控对象的温度低65 在断续式二位置控制中，被控对象的温度总是在设定值附近上下波动不止，这称为振荡。将振荡的幅度和周期记录下来，可以判断控温性能的优劣。下图为几种典型的控温曲线：在断续式二位置控制中，被控对象的温度总是在设定值附近66 加热功率适中，介质热惰性小 加热功率适中，介质热惰性大 加热功率适中，介质热惰性小 加热功率适中，介质热惰67 加热功率过大，介质热惰性小 加热功率过大，介质热惰性大 加热功率过大，介质热惰性小 加热功率过大，介质热惰68 加热功率过小，介质热惰性小 加热功率过小，介质热惰性大 加热功率过小，介质热惰性小 加热功率过小，介质热惰69