热工测试技术温度测量

工作原理
原来长度为l的一个固体，由于温度的 变化所产生的长度变化可用下式表示：
l lt
将两种不同膨胀率、厚度为d的带材A 和B粘合在一起，便组成一种双金属 带，温度变化时，由于两种材料的膨 胀率不同会使双金属带弯曲 ,则有:
r
d r

带B膨胀后的长度 带A膨胀后的长度

l0 (1 BT ) l0 (1 AT )
可解得:
r d (1 AT ) T ( B A )
如果带材A采用铁镍合金 ,则有: A 0
则:
r d
BT
应用
工业用双金属温度计 实例
双金属电接点温度计 实例
二、液体膨胀式温度计
一种液体的体积为V，由于它的温度变化所引起的体积变
化可以用下式表示：V VT
t nK(t t0 )
n为露出液柱所占的度数（℃）；K为工作液体在玻璃中可见的 膨胀系数；t为分度条件下外露部分空气温度（℃）；t0为使 用条件下外露部分空气温度（℃）。
三、压力式温度计
根据封闭系统的液体或气体受热后压力变化的原理而
制成的测温仪表。
由敏感元件温包，传压毛细管和
弹簧管压力表组成。
在1990年国际温标中指出，热力学温标是基 本物理量。单位开尔文，符号为K。它规定水的 三相点热力学温度为273.16K，定义开尔文一度 等于水三相点热力学温度的1/273.16。
在ITS-90中同时使用国际开尔文温度（符号 为T90）和国际摄氏温度（符号为t90），其关系为
t90 = T90 － 273.15 T90单位为开尔文（K），t90单位为摄氏度 （℃）。这里所说的摄氏度符合国际实用温标
由 平 衡 氢 三 相 点 （ ~13.8K ） 到 银 凝 固 点 （~962℃），这个温度段内，标准仪器应用铂 电阻温度计。
银凝固点（~962℃）以上温度区间采用普朗克 定律外推。
二、温度标准的传递
与国际实用温标有关的基准仪器均由国家 指定机构（我国由中国计量科学研究所）保存， 并通过下级计量机构（如省、市级的技术监督 局）进行传递，通常采用较高级对较低级进行 校验。
若充以低沸点的液体，其饱和汽 压应随被测温度而变，如丙酮， 用于50℃～200℃。但由于饱和 汽压和饱和汽温呈非线性关系， 故温度计刻度是不均匀的。
实例 压力式温度计
第三节 热电偶温度计
热电偶是目前世界上科研和生产中应用 最普遍、最广泛的温度测量元件。
它将温度信号转换成电势（mV）信号， 配以测量毫伏的仪表或变送器可以实现 温度的测量或温度信号的转换。
若给系统充以气体，如氮气，称
为充气式压力式温度计，测温上
限可达500℃，压力与温度的关
系接近于线性，但是温包体积大，
热惯性大。
若充以液体，如二甲苯、甲醇等，
1-围分别为－ 40℃～200℃和－40℃～170℃，
特点:必须将温包全部浸入 被测介质；毛细管最长不超 过60 m；仪表精度低，但使 用简便，而且抗震动。
根据所充填的工作液体不同，可分为水银温度计和有机液体温 度计两类。
水银温度计不粘玻璃，不易氧化，容易获得较高精度，在相当 大的范围内（－38～356℃）保持液态，在200℃以下，其膨胀 系数几乎和温度呈线性关系，所以可作为精密的标准温度计。
应注意两个问题： 1、零点漂移：玻璃的热胀冷缩也会引起零点位置的移动，因 此使用玻璃管液体温度计时，应定期校验零点位置。 2、露出液柱的校正：使用时必须严格掌握温度计的插入深度， 因为温度刻度是在温度计液柱全部浸入介质中标定的，而使用 时液柱可按下式求其修正值 t
温度的微观概念表明：物体温度的高低标志 着组成物体的大量分子无规则运动的剧烈程 度，即对其分子平均动能大小的一种量度。 显然物体的物理化学特性与温度密切相关。
温度的测量
当两个物体同处于一个系统中而达到热平 衡时，则它们就具有相同的温度。因此可以从 一个物体的温度得知另一个物体的温度，这就 是测温的依据。如果事先已经知道一个物体的 某些性质或状态随温度变化的确定关系，就可 以以温度来量度其性质或状态的变化情况，这 就是设计与制作温度计的数学物理基础。
进行推导整理后，可得
EAB (T, T0 )

K e
T ln NA (T) dT T0 NB (T)
系已对知于，确则定上的式材可料简A写和成B下，面NA的和形N式B与T的关
EAB(T,T0)= f(T) － f(T0) 是热如端果温冷度端T温的度单T值0保函持数恒，定即，这个热电势就
应有较宽的测量范围。
有较好的复现性和稳定性。
（三）温标
温标是温度数值化的标尺。它规定了温 度的读数起点和测量温度的基本单位。各种 温度计的刻度数值均由温标确定。
1．经验温标
它是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。
摄氏温标
摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰 融点为0度，水沸点为100度，中间等分为 100格，每格为摄氏1度，符号为℃。
特点：温度计要与被测物体有良好地热接触， 使两者达到热平衡。
2.非接触法
利用物体的热辐射能随温度变化的原理测定 物体温度，这种测温方式称为非接触法。
特点：不与被测物体接触，也不改变被测物 体的温度分布，热惯性小。
通常用来测定1000℃以上的移动、旋转或反 应迅速的高温物体的温度。
按工作原理来划分，也根据温度范围 （高温、中温、低温等）或仪表精度 （基准、标准等）来划分。
对于由A和B两种导体组成的热电偶闭合回 路，设两端温度接点温度分别为T和T0， 且T>T0，NA>NB；那么回路中存在两个接 触电势EAB(T)和EAB(T0)，两个温差电势 EA(T,T0)和EB(T,T0)。因此回路的总热电 势为
EAB(T,T0) EAB(T) EAB(T0) EB(T,T0) EA(T,T0)
第二章 温度测量
第一节 温度测量概述
一、温度与温标
（一）温度 温度是表征物体冷热程度的物理量 温度是描述系统不同自由度能量分布状况的物
理量 温度是描述热平衡系统冷热程度的物理量
温度的宏观概念是建立在热平衡基础上的。 任意两个冷热程度不同的物体相互接触， 它们之间必然会发生热交换现象，热量要 从温度高的物体传向温度低的物体，直到 两物体之间的温度完全一致时，这种热传 递现象才能停止。这也就是热力学第零定 律所描述的，系统温度相等是建立热平衡 的充要条件。
K——波尔兹曼常数，K=1.38×10-23J/K； NA(T)、NB(T)——材料A、B在温度为T时 的自由电子密度； T——A、B接触点的温度，K。
2．温差电势 温差电势可表示为
KT1
EA (T, T0 ) e T0 NA d(NA , t)
式中符号同前式。
3．热电偶闭合回路的总热电势
华氏温标 华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点
为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每 格为华氏1度，符号为℉。
它与摄氏温标的关系为：
C 5 F 32
9
类似的经验温标还有兰氏、列氏等 经验温标的缺点在于它的局限性和随意
性
2．热力学温标
热力学温标又称开氏温标（K）或绝对温 标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度。 它建于热力学基础，体现出温度仅与热量有关 而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标， 已由国际权度大会采纳作为国际统一的基本温 标。
光学高温计、比色高温计、辐射高温计
第二节 膨胀式温度计
膨胀式温度计是利用物体受热膨胀 的原理制成的温度计，主要有液体膨胀 式温度计、固体膨胀式温度计和压力式 温度计三种。
一、固体膨胀式温度计
典型的固体膨胀式温度计是双金属片，它利用线膨胀 系数差别较大的两种金属材料制成双层片状元件，在 温度变化时因弯曲变形而使其另一端有明显位移，借 此带动指针就构成双金属温度计。
3.测量仪表的分类
接触式测温法是使感温元件直接与被测物 体或直接与被测介质接触，感受被测物体 或被测介质的温度变化。
膨胀式、压力式、热电阻与热电偶温度计
非接触式测温仪表是采用感温元件与被测 物体不直接接触的方法来测量温度。
在高温范围内，用直接接触测温法非常困 难，可采用非接触式测温法，利用物体的 热辐射特性对物体的温度进行非接触式测 量。
热力学中卡诺定理指出：一个理想的卡诺 机，当它工作于温度为T2的热源与温度为T1的 冷源之间，它从热源中吸收的热量Q2与向冷源 中放出的热量Q1，应遵循以下关系：
T1 Q1 T2 Q2 这就是建立热力学温标的物理基础。如果 指定了一个定点温度数值，就可以通过热量比 求得未知温度值。
热力学温标规定水在标准大气压下 的三相点为273.16K，沸点与三相点之间 分为100等分，每等分1K，将水的三相点 以下273.16K定为绝对零度（0K）。
3．国际温标
为了使用方便，国际上经协商，决定建立一 种既使用方便，又具有一定科学技术水平的 温标，这就是国际温标的由来。
具备的条件：
尽可能接近热力学温标
复现精度高，各国均能以很高的准确度复现 同样的温标，确保温度量值的统一
用于复现温标的标准温度计，使用方便，性 能稳定
国际实用温标是用来复现热力学温标的，简 称IPTS-68，它是由1968年国际权度会议通过的。 这个温标经过20多年使用，发现了一些问题，已 无法满足现代科学发展对温度测量的要求。国际 计量委员会决定用1990年国际温标（ITS-90）代 替IPTS-68。
虽然有不少物体的某些性质或状态（如电阻、 体积、电势等）会随温度的变化而变化，但并 不是所有的物质都可制作成温度计。选作温度 计的物质，其性质必须满足以下条件：
物质的某一属性G仅与温度T有关，即G = G(T)，且 必须是单调函数，最好是线性的。