讲座4温度的测量与控制2011

1、基础知识与技术基础知识与技术 第一章第一章 温度的测量与控制温度的测量与控制 第一节第一节 温标温标 一、设立温标的必要条件；一、设立温标的必要条件； 二、温标的分类二、温标的分类 第二节第二节 温度计温度计 一、水银温度计；一、水银温度计； 二、温差温度计；二、温差温度计； 三、热电阻温度计；三、热电阻温度计； 四、热电偶温度计四、热电偶温度计 五、集成温度计五、集成温度计 第三节第三节 温度控制温度控制 一、低温控制；一、低温控制； 二、常温控制二、常温控制; ; 三、高温控制三、高温控制一、温标设立的必要条件一、温标设立的必要条件确定一种温标，需包括三个方面的内容确定一种温标，需包括三个

2、方面的内容1.1. 选择特定的测温物质选择特定的测温物质: : 也称感温质也称感温质，它的某些性质（，它的某些性质（V V、电阻、电阻、E E等）等）是温度的单值函数，与温度既有依赖关系，是温度的单值函数，与温度既有依赖关系，又有良好的重现性。如水银、金属等。又有良好的重现性。如水银、金属等。* *第一节第一节 温标温标 ( (thermometric scale) )2.2. 确定基本点（固定点）确定基本点（固定点）: : 选择的测温物质具有固定的冷热程度作选择的测温物质具有固定的冷热程度作为固定点。如某些高纯物的凝固点、沸点、为固定点。如某些高纯物的凝固点、沸点、冰点和水的三相点等。冰点和

3、水的三相点等。3.3.划分温度值划分温度值: : 基准点确定后，将固定点之间划分若干基准点确定后，将固定点之间划分若干度，然后确定各固定点之间的温度数值。度，然后确定各固定点之间的温度数值。第一节第一节 温标温标 (thermometric scale) )二、温标的分类二、温标的分类（1 1）摄氏温标（）摄氏温标（Celsius）摄氏温标摄氏温标选用玻璃水银温度计，规定在标准选用玻璃水银温度计，规定在标准大气压下，水的冰点和沸点为两个固定点，大气压下，水的冰点和沸点为两个固定点，两点之间划分为两点之间划分为100100等分，每等分为等分，每等分为11。（2 2）华氏温标（）华氏温标（Fahr

4、enheit） 选的也是玻璃水银温度计，是以选的也是玻璃水银温度计，是以1 1大气压下大气压下水的冰点为水的冰点为3232（3232o oF F）度，沸点为度，沸点为212212（212212o oF F）度为两个定点，两定点间分为度为两个定点，两定点间分为180180等份，每份等份，每份为为1 1o oF F。与摄氏温标的换算关系与摄氏温标的换算关系* * t/t/ 5/9(t/5/9(t/0 0F -32)F -32)（3 3）热力学温标（）热力学温标（thermodynamics）（绝对温标）（绝对温标）由开尔文用由开尔文用可逆热机效率可逆热机效率作为测温参数而建立的。与工作物作为测温参

5、数而建立的。与工作物质的性质无关质的性质无关, , 是一种理想的科学温标。只需选定一个固是一种理想的科学温标。只需选定一个固定点就可将温度数值完全确定。若规定一固定点的温度定点就可将温度数值完全确定。若规定一固定点的温度( (T T1 1或或T T2 2),),就可以根据卡诺循环求出另一个温度。就可以根据卡诺循环求出另一个温度。l即即 设理想的热机在设理想的热机在T2和和T1(T2T1)二温度之间工作，工作二温度之间工作，工作物质在温度物质在温度T2 吸热吸热Q2，在温度，在温度T1放热放热Q1，经一可逆循环，经一可逆循环，对外作功对外作功W| Q2 | - | Q1 |。l热机效率为：热机效

6、率为：22111QTW11QQT2211QTTQ第一节第一节 温标温标 (thermometric scale)此温标在实际中不能使用。此温标在实际中不能使用。但由于理想气体的但由于理想气体的PV PV 随温度的变化成严格的线性随温度的变化成严格的线性关系关系( (PVPVnRT)nRT)。一些气体如氦、氢、氮在高温、一些气体如氦、氢、氮在高温、低压下其行为接近理想气体，用这些气体制成的低压下其行为接近理想气体，用这些气体制成的气体温度计的读数。可代表热力学温度。气体温度计的读数。可代表热力学温度。第一节第一节 温标温标 (thermometric scale) )所以热力学温标是用气体温度计

7、来实现的。所以热力学温标是用气体温度计来实现的。 其其中最主要的是定容气体温度计。中最主要的是定容气体温度计。是保持气体体是保持气体体积不变，由气体的压强算出所测温度。积不变，由气体的压强算出所测温度。 声学温度计声学温度计利用声波在气体中传播的速度与热力学温度间利用声波在气体中传播的速度与热力学温度间的关系实现温度测量的温度计的关系实现温度测量的温度计这些温度计都可以用来实现热这些温度计都可以用来实现热力学温标，力学温标，随着科技发展，实现热力学温标的其它方法：随着科技发展，实现热力学温标的其它方法： 噪声温度计噪声温度计利用电阻热噪声与热力学温度之间的关系实利用电阻热噪声与热力学温度之间的

8、关系实现温度测量的温度计。现温度测量的温度计。光学温度计光学温度计 利用不同光源照射产生的能量与利用不同光源照射产生的能量与热力学温度之热力学温度之间的关系实现温度测量的温度计。间的关系实现温度测量的温度计。辐射温度计辐射温度计 根据辐射测温法的原理，通过检测被测目标的根据辐射测温法的原理，通过检测被测目标的辐射亮度，并直接转换成电信号，非接触地实现温度测辐射亮度，并直接转换成电信号，非接触地实现温度测量的温度计。量的温度计。 热力学温标选用水的三相点的温度为固定点热力学温标选用水的三相点的温度为固定点, ,即即定义定义水的三相点的温度水的三相点的温度273.16273.16K K。单位开尔文

9、单位开尔文( (K)K)是水是水的三相点热力学温度的的三相点热力学温度的1/273.16. 1/273.16. 热力学温标规定热力学温标规定其间分为其间分为100100等份等份。水的冰点水的冰点 273.15K273.15K水的沸点水的沸点373.15K373.15K热力学温度与摄氏温度的关系为：热力学温度与摄氏温度的关系为：T/K = t /T/K = t /273.15273.15t/=T/K - 273.15 = 5/9(t/t/=T/K - 273.15 = 5/9(t/0 0 F - 32)F - 32) 水的三相点摄氏温度为水的三相点摄氏温度为0.010.01由于气体温度计装置复杂

10、，耗费很大。因而各由于气体温度计装置复杂，耗费很大。因而各国科学家探索了一种实用性温标，它要求既国科学家探索了一种实用性温标，它要求既易于使用，而且又有高精度的复现。又非常易于使用，而且又有高精度的复现。又非常接近于热力学温标。这就是国际温标，实际接近于热力学温标。这就是国际温标，实际上国际温标就是热力学温标的体现（是一种上国际温标就是热力学温标的体现（是一种经验温标）。经验温标）。 * *第一节第一节 温标温标 (thermometric scale) )（4 4）国际温标）国际温标 第一个国际温标是第一个国际温标是19271927年国际计量大会确定的，年国际计量大会确定的，记为记为ITS-

11、27ITS-27。此后每。此后每2020年一次重大修改。修改年一次重大修改。修改的原意主要是温标的的原意主要是温标的 “三要素三要素”发生了变化。发生了变化。ITS-90是是1994年制定的新的国际温标。年制定的新的国际温标。温标规温标规定了一些固定点，定了一些固定点， 如规定某些物质的特征点：如规定某些物质的特征点： VP-蒸汽压点，蒸汽压点，TP三相点，三相点，FP凝固点，凝固点， MP熔点。熔点。第一节第一节 温标温标 (thermometric scale) )ITS-90的固定点定义的固定点定义物质物质a平衡态平衡态b温度温度T90(K)物质物质a平衡态平衡态b温度温度HeVP35G

12、a*MP302.9146e-H2TP13.8033In*FP429.7485e-H2VP(CVGT)17SnFP505.078e-H2VP(CVGT)20ZnFP692.677Ne*TP24.5561Al*FP933.473O2TP54.3358AgFP1234.94ArTP83.8058AuFP1337.33HgTP234.3156Cu*FP1357.77H2OTP273.16注：a. e-H2指平衡氢，即正氢和仲氢的平衡分布，在室温下正常氢含指平衡氢，即正氢和仲氢的平衡分布，在室温下正常氢含75%正氢、正氢、25%仲氢。仲氢。 b. VP-蒸汽压点；蒸汽压点；CVGT-等容气体温度计点；等

13、容气体温度计点；TP-三相点三相点(固、液和蒸汽三相共存的平衡度固、液和蒸汽三相共存的平衡度)； FP-凝固点和凝固点和MP-熔点熔点(在一个标准大气压在一个标准大气压101325Pa下，固、液两相共存的平衡温度下，固、液两相共存的平衡温度)， 同位素组成为自然组成状态。同位素组成为自然组成状态。*. 第二类固定点第二类固定点 c. 除除He外，所有物质都是天然核素混合物，外，所有物质都是天然核素混合物，国际温标规定了国际温标规定了在不同的温度范围的在不同的温度范围的标准测温仪器。标准测温仪器。第一温区：第一温区： 0.65K-5.00K之间之间, （蒸汽压温度计）（蒸汽压温度计） 由由3He

14、和和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。的蒸气压与温度的关系式来定义。第二温区：第二温区：3.0K- 24.5661K(氖三相点氖三相点)之间之间 （定容气体温度计）（定容气体温度计） T90是用氦气体温度计来定义是用氦气体温度计来定义. 第三温区：第三温区：13.8033K(平衡氢三相点平衡氢三相点)- 1234.93K(961.78,银的凝固点银的凝固点) 之间之间,（铂电阻温度计）（铂电阻温度计） T90是由铂电阻温度计来定义。是由铂电阻温度计来定义。第四温区第四温区: 1234.93K(961.78)以上的温区以上的温区, （光学高温计）（光学高温计） T90是按普朗克辐射定律来定义。

15、是按普朗克辐射定律来定义。 第一节第一节 温标温标 (thermometric scale)一水银温度计一水银温度计1 1 种类种类 普通温度计普通温度计（液体膨胀温度计）分为水银（液体膨胀温度计）分为水银 和酒精（生活种用）的两种。和酒精（生活种用）的两种。 普通水银：普通水银：3535(238.15K)360360（633.15K633.15K）。）。因水银的熔点因水银的熔点-38.7-38.7，沸点为沸点为356.7356.7。超过超过360360，是用特硬玻璃（或石英）或在水银上方加，是用特硬玻璃（或石英）或在水银上方加惰性气体。充氮气或氩气，可达到惰性气体。充氮气或氩气，可达到800

16、.1 800.1 。* *第二节第二节 温度计温度计( (thermometerthermometer) 供量热学用：供量热学用：量程量程66，刻度，刻度0.010.01。 量程量程1 1 ，刻度，刻度0.0020.002。 电接点温度计电接点温度计( (导电表导电表) )：可以在某一温度上可以在某一温度上接通或断开，利用接通电源后两种金属的膨接通或断开，利用接通电源后两种金属的膨胀系数不同来控制温度（超级恒温器用）。胀系数不同来控制温度（超级恒温器用）。第二节第二节 温度计温度计( (thermometerthermometer) 2 2 水银温度计的使用：水银温度计的使用： （1 1）零点

17、校正）零点校正 若要准确的测量温度，在使用前必须若要准确的测量温度，在使用前必须对温度计进行零位测定。可用冰水。对温度计进行零位测定。可用冰水。* *第二节第二节 温度计温度计( (thermometerthermometer)（2 2） 读数校正读数校正 以纯物质的熔点或沸点作为标准进行校正。以纯物质的熔点或沸点作为标准进行校正。 以标准水银温度计为标准与待校正的温度计同以标准水银温度计为标准与待校正的温度计同 时测定某一体系的温度，将对应值记录。做校正时测定某一体系的温度，将对应值记录。做校正 曲线曲线（3 3） 露茎校正露茎校正 水银温度计有水银温度计有“全浸全浸”和和“非全浸非全浸”式

18、两种，式两种， “全浸全浸”式将温度计的水银刻度全浸到体系中式将温度计的水银刻度全浸到体系中，待体系平衡后，温度的读数才是正确的。待体系平衡后，温度的读数才是正确的。 “非全浸非全浸”式常刻有校正时浸入量的刻度，式常刻有校正时浸入量的刻度，在使在使用时若室温和浸入量与校正时一致，所示温度才用时若室温和浸入量与校正时一致，所示温度才是正确的。是正确的。 * * 全浸式水银温度计的使用 一般情况下使用的是全浸式。由于使用时不能将一般情况下使用的是全浸式。由于使用时不能将温度计全浸没到体系中，露出部分与体系必然温度计全浸没到体系中，露出部分与体系必然存在读数误差。需要校正。这种校正称露茎校存在读数误

19、差。需要校正。这种校正称露茎校正。正。如实验双液系相图的测定。当要求不太高如实验双液系相图的测定。当要求不太高时，时，校正公式为：校正公式为：t t实实t t测测t t ( (一般情况是体系的温度大于环境的温度一般情况是体系的温度大于环境的温度) ) * *第二节第二节 温度计温度计( (thermometerthermometer)式中式中n n是水银温度计露出介质外部的是水银温度计露出介质外部的水银拄长度，称露茎高度，以温度水银拄长度，称露茎高度，以温度差值表示。差值表示。K K为水银对玻璃的膨胀为水银对玻璃的膨胀系数，为系数，为0.000160.00016，t t测测温度计的温度计的实际

20、读数，实际读数，T T环环为辅助温度计（即从为辅助温度计（即从露出体系外水银拄的一半而放置的露出体系外水银拄的一半而放置的温度计）读数。由于温度计）读数。由于kn1kn 250 250 中温中温 250 250室温，室温， 低温低温 室温（室温（218218）。）。第三节温度的控制第三节温度的控制 温度控制的原理可分为两类：温度控制的原理可分为两类：1 1 利用物质的相变点温度来获得恒温条件利用物质的相变点温度来获得恒温条件2 2 利用电子调节系统对加热器或制冷器的工作状利用电子调节系统对加热器或制冷器的工作状态进行自动调整。该法控温范围宽，可以任意态进行自动调整。该法控温范围宽，可以任意调节

21、设定温度。调节设定温度。* *一一 低温控制（相变点恒温介质浴）低温控制（相变点恒温介质浴） 1 1 利用物质的相变温度的恒定性来控制温度。利用物质的相变温度的恒定性来控制温度。介质浴的介质浴的 有：有： 液氮液氮 （195.8195.8），）， 冰水冰水 （00），）， 干冰丙酮干冰丙酮 （78.678.6），）， 盐冰盐冰 （1010以下）以下） 2. 2. 利用低温浴槽控制温度利用低温浴槽控制温度 槽内加入一些乙醇、乙二醇或甘油水溶液作槽内加入一些乙醇、乙二醇或甘油水溶液作为循环液为循环液 -60 -603030第三节温度的控制第三节温度的控制 二二 常温控制常温控制恒温槽是常温实验中常

22、用的一种以液体为介质的恒温槽是常温实验中常用的一种以液体为介质的恒温装置，优点是热容量大，导热性好，温度恒温装置，优点是热容量大，导热性好，温度控制稳定，灵敏度高。控制稳定，灵敏度高。 主要仪器有玻璃恒温水浴，超级恒温槽。主要仪器有玻璃恒温水浴，超级恒温槽。 可以用以下液体介质可以用以下液体介质; ; 0 090 90 用水，用水， 8080160 160 用甘油或甘油水溶液，用甘油或甘油水溶液， 1. 1. 恒温槽的构造及原理恒温槽的构造及原理恒温槽的构件组成如图所示恒温槽的构件组成如图所示* *第三节温度的控制第三节温度的控制 图1-1-9 恒温槽的装置示意图1.浴槽2.加热器3.搅拌器5

23、.电接点温度计6.继电器组成：组成：(1)(1)槽体槽体 (2)(2)搅拌器搅拌器(3)(3)加热器：加热器： 如果恒温的温度高于室温，如果恒温的温度高于室温，需不断向槽中供给热量以补偿其向四周需不断向槽中供给热量以补偿其向四周散失的热量；如恒温的温度低于室温，散失的热量；如恒温的温度低于室温，则需不断从恒温槽取走热量，以抵偿环则需不断从恒温槽取走热量，以抵偿环境向槽中传热。境向槽中传热。第三节温度的控制第三节温度的控制 (4)(4)感温元件：感温元件： 它是恒温槽的感觉中枢，是提高恒温槽精它是恒温槽的感觉中枢，是提高恒温槽精度的关键部件。度的关键部件。感温元件的种类很多，感温元件的种类很多，

24、 一种是电接点温度计（导电表）一种是电接点温度计（导电表）。比较。比较精密，但制作成本高，汞作示温材料，不精密，但制作成本高，汞作示温材料，不环保。环保。 另一种是铂电阻或热敏电阻感温元件另一种是铂电阻或热敏电阻感温元件（铂或热敏材料封在金属棒中），实验室（铂或热敏材料封在金属棒中），实验室中多数用后者。中多数用后者。 * *第三节温度的控制第三节温度的控制 (5(5）继电器：）继电器：其作用是当感温探头（其作用是当感温探头（金属电金属电阻或热敏电阻）阻或热敏电阻）感受的实际温度低于所要感受的实际温度低于所要求的温度时，就输出电压，使继电器输出求的温度时，就输出电压，使继电器输出线柱接通，指示

25、加热器加热。当感温探头线柱接通，指示加热器加热。当感温探头感受的实际温度等于或高于所要求的温度感受的实际温度等于或高于所要求的温度时，电压比较器输出为时，电压比较器输出为“0”“0”，继电器输，继电器输出线柱断开，停止加热，达到控温的目的。出线柱断开，停止加热，达到控温的目的。第三节温度的控制第三节温度的控制 2 2 恒温槽的性能测试恒温槽的性能测试恒温槽的温度控制装置属于恒温槽的温度控制装置属于“通通”“”“断断”类型，因类型，因此，恒温槽控制的温度并不是固定不变，有一个此，恒温槽控制的温度并不是固定不变，有一个波动范围波动范围。恒温效果的优劣用灵敏度表示恒温效果的优劣用灵敏度表示. .l灵

26、敏度的测定是在指定温度下，用较灵敏的温度灵敏度的测定是在指定温度下，用较灵敏的温度计记录温度随时间的变化，每隔一分钟记录计记录温度随时间的变化，每隔一分钟记录次次温度计读数温度计读数。然后以温度为纵坐标、时间为横坐然后以温度为纵坐标、时间为横坐标绘制出温度一时间曲线。如图所示。标绘制出温度一时间曲线。如图所示。 * *第三节温度的控制第三节温度的控制 ( (a)a)表示恒温槽灵敏度较高；表示恒温槽灵敏度较高；( (b)b)表示恒温槽灵敏度较差；表示恒温槽灵敏度较差；( (c)c)表示加热器功率太大；表示加热器功率太大；（d d）表示加热器功率太小或散热太快。表示加热器功率太小或散热太快。 *

27、*控温灵敏度曲线可以看出：控温灵敏度曲线可以看出：第三节温度的控制第三节温度的控制 用公式表示用公式表示 ：221ttt式中，式中，t t1 1为恒温过程中的最高温度，为恒温过程中的最高温度，t t2 2为恒温为恒温过程中的最低温度。过程中的最低温度。 t t愈小，恒温槽的性能愈佳愈小，恒温槽的性能愈佳, ,灵敏度越高灵敏度越高* *第三节温度的控制第三节温度的控制 三三 高温控制高温控制 一般是指一般是指250250以上的温度，通常使用电以上的温度，通常使用电阻炉加热，用可控硅控温仪来调节温度。阻炉加热，用可控硅控温仪来调节温度。第三节温度的控制第三节温度的控制 1 1 动圈式温度控制器，动

28、圈式温度控制器，l 动动圈圈式温度控制器采用能工作于高温的热电偶作为变换器，其式温度控制器采用能工作于高温的热电偶作为变换器，其原理是热电偶将温度信号变换为电压信号。加于动原理是热电偶将温度信号变换为电压信号。加于动圈圈式毫伏表的线式毫伏表的线圈上。当线圈中因电流通过而感生的磁场与外磁场相互作用时，线圈上。当线圈中因电流通过而感生的磁场与外磁场相互作用时，线圈就偏转一个角度，所以称为圈就偏转一个角度，所以称为“动圈动圈”。偏转的角度值与热电偶的。偏转的角度值与热电偶的电动势成正比，通过指针在刻皮板上直接将被测温度指示出来。电动势成正比，通过指针在刻皮板上直接将被测温度指示出来。这种加热方式是断

29、续这种加热方式是断续式，只有断、续两式，只有断、续两个工作状态。炉温个工作状态。炉温升至给定值，停止升至给定值，停止加热，低于给定值加热，低于给定值时就加热。温度起时就加热。温度起伏较大，精度差。伏较大，精度差。l2 2 断续式二位置控制断续式二位置控制 实验室内常用的烘箱、高温电炉有的是这种控制，实验室内常用的烘箱、高温电炉有的是这种控制，感温元件是双金属膨胀式的控温技术，利用不同金属的感温元件是双金属膨胀式的控温技术，利用不同金属的线膨胀系数不同，选择线膨胀系数差别较大的两种金属，线膨胀系数不同，选择线膨胀系数差别较大的两种金属，线膨胀系数大的金属棒在中心，另外一个套在外面，两线膨胀系数大

30、的金属棒在中心，另外一个套在外面，两种金属内端焊接在一起，外套管的另一端固定，见图。种金属内端焊接在一起，外套管的另一端固定，见图。双金属膨胀式温度控双金属膨胀式温度控制器示意图制器示意图在温度升高时，中心金属棒便向外伸长，伸长长度与温在温度升高时，中心金属棒便向外伸长，伸长长度与温度成正比。通过调节触点开关的位置，可使其在不同温度成正比。通过调节触点开关的位置，可使其在不同温度区间内接通或断开，达到控制温度的目的。其缺点是度区间内接通或断开，达到控制温度的目的。其缺点是控温精度差，一般有几控温精度差，一般有几K K范围。范围。3 3 比例比例- -积分积分- -微分控制微分控制( (简称简称PID)PID)l PID控制就是能在整个过渡过程时间内，控制就是能在整个过渡过程时间内，按照偏差信号的规律，自动的调节加热器按照偏差信号的规律，自动的调节加热器电流，固又称电流，固又称“自动调流自动调流”。使用可控硅使用可控硅控制加热电流随偏差信号大小而作相应变控制加热电流随偏差信号大小而作相应变化，提高了控温精度。化，