第1章 热工参数测量及其仪表(自动化仪表II)

第一篇 热工参数测量基Fra bibliotek 及其测量仪表
第1章 温度测量 章
1.1 概述 1.2 温度测量的物理基础
1.1 概述 温度是国际单位制中7个基本物理量之一， 温度是国际单位制中 个基本物理量之一，是各种 个基本物理量之一 工艺生产过程和科学实验中非常普遍、 工艺生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热 工参数之一。许多产品的质量、产量、 工参数之一。许多产品的质量、产量、能量和过程控 制等都直接与温度参数有关，在流量、压力、 制等都直接与温度参数有关，在流量、压力、长度等 物理量的测量中，温度也是一个十分重要的影响量， 物理量的测量中，温度也是一个十分重要的影响量， 因此，实现准确的温度测量，具有十分重要的意义。 因此，实现准确的温度测量，具有十分重要的意义。
B、热力学温标 、 热力学温标又称绝对温标或开尔文温标， 热力学温标又称绝对温标或开尔文温标，单位符号为 K。热力学温标是以热力学第二定律为基础的一种理论 热力学第二定律为基础的一种理论 。热力学温标是以热力学第二定律 温标， 温标，已被国际计量大会采纳作为国际统一的基本温 它有一个绝对零度，低于零度的温度不可能存在。 标。它有一个绝对零度，低于零度的温度不可能存在。 其特点是不与某一特定的温度计相联系， 其特点是不与某一特定的温度计相联系，且与测温物 质无关，是由卡诺定理推导出来的， 卡诺定理推导出来的 质无关，是由卡诺定理推导出来的，所以热力学温标 是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。在热力学 是一种纯理论的理想温标，无法直接实现。 中从理论上证明， 中从理论上证明，热力学温标与理想气体温标完全一 致。所以通常借助于气体温度计经示值修正后来复现 热力学温标，但设备复杂、价格昂贵， 热力学温标，但设备复杂、价格昂贵，不适于实际应 用。
完全满足上述条件的物质是难以找到的，一般只能在 完全满足上述条件的物质是难以找到的， 一定的范围内近似满足， 一定的范围内近似满足，因此由不同材料与结构形式 制成的温度计各有其优缺点。 制成的温度计各有其优缺点。
1.1.1.3 温标 仅仅定义了温度的概念是不完全的， 仅仅定义了温度的概念是不完全的 ， 还要确定它的数 值表示方法。 值表示方法。 温标：温度的数值表示方法叫做温标。 温标：温度的数值表示方法叫做温标。 温标是温度数值化（ 量化） 的标尺， 温标是温度数值化 （ 量化 ） 的标尺 ， 它给出了温度数 值化的一套规则和方法， 并明确了温度的度量单位。 值化的一套规则和方法 ， 并明确了温度的度量单位 。 各种测温仪表的分度值就是由温标决定的。 各种测温仪表的分度值就是由温标决定的。 要建立温标需要三个要素： 要建立温标需要三个要素： (1)选择测温物质， 确定它随温度变化的属性即测温属 选择测温物质， 选择测温物质 性； (2)选定温度固定点； 选定温度固定点； 选定温度固定点 (3)规定测温属性随温度变化的规律。 规定测温属性随温度变化的规律。 规定测温属性随温度变化的规律
(1)物质的某一属性 仅与温度 有关，即C=G(T)，其函数关系必须是单调 物质的某一属性G仅与温度 有关， 物质的某一属性 仅与温度T有关 ， 是线性的。 的，且最好 是线性的。 (2)随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强，以保证仪表的灵 随温度变化的属性应是容易测量的，且输出信号较强， 随温度变化的属性应是容易测量的 敏度和测量的准确度。 敏度和测量的准确度。 (3)应有较宽的测量范围。 应有较宽的测量范围。 应有较宽的测量范围 (4)应有较好的复现性和稳定性。 应有较好的复现性和稳定性。 应有较好的复现性和稳定性
A、经验温标 、 借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系， 借助于某一种物质的物理量与温度变化的关系 ， 用实 验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标。 验方法或经验公式所确定的温标称为经验温标 。 它主 要指摄氏温标和华氏温标。 要指摄氏温标和华氏温标 。 这两种温标都是根据液体 受热后体积膨胀的性质建立起来的。 受热后体积膨胀的性质建立起来的。 a、摄氏温标( 0C ) 、摄氏温标 原始摄氏温标就是选择装在玻璃毛细管中的液体作为 测温物质。随温度的变化， 测温物质。随温度的变化，毛细管中液体的长短反映 了液体体积膨胀这一测温属性。选择在1.01325×l05Pa 了液体体积膨胀这一测温属性。选择在 × 下水的冰点温度作为下限(0 ， 下水的冰点温度作为下限 0C)，水的沸点作为上限 (1000C)，并且认为在两点之间液柱的长短与温度的关 ， 系是线性的，那么可在0~1000C之间均分 之间均分100等份，每 等份， 系是线性的，那么可在 之间均分 等份 一等份为一摄氏度， 一等份为一摄氏度，单位符号为0C。摄氏温标虽不是 。 国际统一规定的温标，但我国目前还可继续使用。 国际统一规定的温标，但我国目前还可继续使用。
复现准确度高， (2) 复现准确度高，使各国都能够准确地复现同一国 际温标，确保温度量值的统一性； 际温标，确保温度量值的统一性； 用于复现温标的标准温度计，使用方便， (3) 用于复现温标的标准温度计，使用方便，性能 稳定。 稳定。
根据上述条件建立的国际温标基本内容如下； 根据上述条件建立的国际温标基本内容如下； 选择一些纯物质固定点( 可复现的平衡态) (1) 选择一些纯物质固定点 ( 可复现的平衡态 ) 的温度 作为温标基准点； 作为温标基准点； 规定了不同温度范围内的基准仪器( (2) 规定了不同温度范围内的基准仪器 ( 或称内插仪 并在温标基准点上分度； 器)，并在温标基准点上分度； 确定各固定点温度间的内插公式， (3) 确定各固定点温度间的内插公式 ， 这些公式建立 了标准仪器示值与国际温标数值之间的关系， 了标准仪器示值与国际温标数值之间的关系 ， 是反映 温度计特性曲线的函数。 温度计特性曲线的函数。 上述基准仪器、 上述基准仪器、温标基准点和内插公式又被称为温标 三要素” “三要素”。
第一个国际温标是1927年建立的，记为ITS--27。此 年建立的，记为 第一个国际温标是 年建立的 。 后大约每隔20年进行一次重大修改 相继有1948年国 年进行一次重大修改， 后大约每隔 年进行一次重大修改，相继有 年国 际温标(ITS--48)、1968年国际温标 年国际温标(ITS--68)和1990年 际温标 、 年国际温标 和 年 国际温标(ITS--90)。目前我国已广泛采用 国际温标 。目前我国已广泛采用ITS--90，其 ， 主要内容如下： 主要内容如下： (1)定义固定点。ITS--90中定义固定点 个，如表 定义固定点。 中定义固定点17个 如表1-1 定义固定点 中定义固定点 所示。 所示。表中两个温度的关系式如下 t90=T90-273.15 式中： 摄氏温度， ； 式中： t90——摄氏温度，0C； 摄氏温度 T90——热力学温标，K。 热力学温标， 。 热力学温标 (1-1)
B、测温物质 、 自然界中的许多物质，其性质或状态(如电阻 如电阻、 自然界中的许多物质， 其性质或状态 如电阻、热电 体积、长度、辐射功率等)都与温度有关 都与温度有关， 势、体积 、长度、 辐射功率等 都与温度有关 ，但并不 是所有的物质都可作为感温元件， 是所有的物质都可作为感温元件 ， 测温物质的选择必 须满足以下条件： 须满足以下条件：
摄氏温标和华氏温标在测温学的发展中起过重要的作 但它们都存在着明显的缺点： 用，但它们都存在着明显的缺点： (1)温度测量依赖于选用的测温物质， 且应用范围受制 温度测量依赖于选用的测温物质， 温度测量依赖于选用的测温物质 作温度计的材料和工作物质的限制。 作温度计的材料和工作物质的限制。 (2)温标的定义具有较大的随机性。 虽然它们都选择冰 温标的定义具有较大的随机性。 温标的定义具有较大的随机性 点温度和沸点温度作为固定点， 但基本单位不同， 点温度和沸点温度作为固定点 ， 但基本单位不同 ， 所 确定的温度数值也就不同， 不能严格地保证世界各国 确定的温度数值也就不同 ， 所采用的基本测温单位完全一致。 所采用的基本测温单位完全一致。 (3)假设温度与工作物质的关系为线性 ， 而实际情况并 假设温度与工作物质的关系为线性， 假设温度与工作物质的关系为线性 非如此，从而造成中间温度的测量差异。 非如此，从而造成中间温度的测量差异。 因此需要建立一种温标， 因此需要建立一种温标，完全不依赖于任何测温物质 及其属性。 及其属性。
表1.1 ITS---90定义的固定点 定义的固定点
温 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 T90/K 3～5 13.8033 约17 约20.3 24.5561 54.3584 83.8058 234.3156 273.16 302.9146 429.7485 505.078 692.677 933.473 1234.93 1337.33 1357.77 度 物质及状态 t90/0C -270.15～-268.15 -259.3647 约-256.15 约-252.85 -248.5939 -218.7916 -189，3442 -38.8344 0.01 29.7646 156.5985 231.928 419.527 660.323 961.78 1064.18 1084.62
1.1.1.2 温度的测量 A、测温依据和数学物理基础 、 测温的依据： 测温的依据：当两个物体同处于一个系统中而达到热 平衡时，二者就具有相同的温度。 平衡时，二者就具有相同的温度。因此可以从一个物 体的温度得知另一物体的温度。 体的温度得知另一物体的温度。 设计与制作温度计的数学物理基础： 设计与制作温度计的数学物理基础：如果事先已知一 个物体（或物质） 个物体（或物质）的某些性质或状态随温度变化的定 量关系， 量关系，就可以通过该物体的性质或状态的变化情况 来获知温度。 来获知温度。 由此可知： 由此可知：设计或制作任何一种测温计必须选定一物 质作为测温媒介。 质作为测温媒介。
C、国际实用温标 、 为了使用方便， 国际上协商确定， 为了使用方便 ， 国际上协商确定 ， 建立一种既使用方 便、容易实现，又能体现热力学温度(即具有较高准确 容易实现， 又能体现热力学温度( 的温标，这就是国际实用温标，又称国际温标。 度)的温标，这就是国际实用温标，又称国际温标。 国际温标通常应具备以下三个条件： 国际温标通常应具备以下三个条件： (1) 尽可能以当代科技水平接近热力学温标； 尽可能以当代科技水平接近热力学温标；