讲座4温度的测量与控制2011汇编

1、基础知识与技术(jsh) 第一章 温度的测量(cling)与控制 第一节 温标 一、设立温标的必要条件； 二、温标的分类 第二节 温度计 一、水银温度计； 二、温差温度计； 三、热电阻温度计； 四、热电偶温度计 五、集成温度计 第三节 温度控制 一、低温控制； 二、常温控制; 三、高温控制共五十一页一、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1.选择特定的测温物质: 也称感温质，它的某些性质（V、电阻、E等）是温度的单值函数(hnsh)，与温度既有依赖关系，又有良好的重现性。如水银、金属等。*第一节 温标(wnbio) (thermometric scale)共五十一页2.确定基本

2、点（固定点）: 选择的测温物质具有固定的冷热程度作为(zuwi)固定点。如某些高纯物的凝固点、沸点、冰点和水的三相点等。3.划分温度值: 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。第一节 温标(wnbio) (thermometric scale)共五十一页二、温标(wnbio)的分类（1）摄氏温标（Celsius）摄氏温标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，两点之间划分为100等分，每等分为1。（2）华氏温标(hu sh wn bio)（Fahrenheit） 选的也是玻璃水银温度计，是以1大气压下水的冰点为32（32oF）度，沸点

3、为212（212oF）度为两个定点，两定点间分为180等份，每份为1oF。与摄氏温标的换算关系* t/ 5/9(t/0F -32)共五十一页（3）热力学温标（thermodynamics）（绝对温标）由开尔文用可逆热机效率作为测温参数而建立的。与工作物质的性质无关, 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(T1或T2),就可以(ky)根据卡诺循环求出另一个温度。即 设理想的热机在T2和T1(T2T1)二温度之间工作，工作物质在温度T2 吸热Q2，在温度T1放热Q1，经一可逆循环，对外作功W| Q2 | - | Q1 |。热机效率为：第一节 温标(w

4、nbio) (thermometric scale)共五十一页此温标在实际中不能使用。但由于理想气体的PV 随温度的变化成严格的线性关系(PVnRT)。一些气体如氦、氢、氮在高温、低压下其行为接近理想气体，用这些气体制成的气体温度计的读数(dsh)。可代表热力学温度。第一节 温标(wnbio) (thermometric scale)所以热力学温标是用气体温度计来实现的。 其中最主要的是定容气体温度计。是保持气体体积不变，由气体的压强算出所测温度。 共五十一页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的关系(gun x)实现温度测量的温度计这些温度计都可以用来(yn li)实现热力学温

5、标，随着科技发展，实现热力学温标的其它方法： 噪声温度计利用电阻热噪声与热力学温度之间的关系实现温度测量的温度计。光学温度计 利用不同光源照射产生的能量与热力学温度之间的关系实现温度测量的温度计。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。 共五十一页 热力学温标选用水的三相点的温度(wnd)为固定点,即定义水的三相点的温度273.16K。单位开尔文(K)是水的三相点热力学温度的1/273.16. 热力学温标规定(gudng)其间分为100等份。水的冰点 273.15K水的沸点373.15K热力学温度与摄氏温度的关系为：T/K

6、 = t /273.15t/=T/K - 273.15 = 5/9(t/0 F - 32) 水的三相点摄氏温度为0.01共五十一页由于(yuy)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，实际上国际温标就是热力学温标的体现（是一种经验温标）。 *第一节 温标(wnbio) (thermometric scale)共五十一页（4）国际温标 第一个国际温标是1927年国际计量大会确定(qudng)的，记为ITS-27。此后每20年一次重大修改。修改的原意主要是温标的 “三要素”发生了变化。ITS-

7、90是1994年制定的新的国际温标。温标规定了一些固定点， 如规定某些物质的特征点： VP-蒸汽压点，TP三相点，FP凝固点， MP熔点。第一节 温标(wnbio) (thermometric scale)共五十一页表 1. ITS-90的固定点定义(dngy)物质a平衡态b温度T90(K)物质a平衡态b温度HeVP35Ga*MP302.9146e-H2TP13.8033In*FP429.7485e-H2VP(CVGT)17SnFP505.078e-H2VP(CVGT)20ZnFP692.677Ne*TP24.5561Al*FP933.473O2TP54.3358AgFP1234.94ArTP

8、83.8058AuFP1337.33HgTP234.3156Cu*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75%正氢、25%仲氢。 b. VP-蒸汽压点；CVGT-等容气体温度计点；TP-三相点(固、液和蒸汽三相共存的平衡度)； FP-凝固点和MP-熔点(在一个标准大气压101325Pa下，固、液两相共存的平衡温度)， 同位素组成为自然组成状态。*. 第二类固定点 c. 除He外，所有物质(wzh)都是天然核素混合物，共五十一页国际温标规定了在不同的温度范围的标准测温仪器。第一温区： 0.65K-5.00K之间, （蒸汽压温度

9、计） 由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。第二温区：3.0K- 24.5661K(氖三相点)之间 （定容气体(qt)温度计） T90是用氦气体温度计来定义. 第三温区：13.8033K(平衡氢三相点)- 1234.93K(961.78,银的凝固点) 之间,（铂电阻温度计） T90是由铂电阻温度计来定义。第四温区: 1234.93K(961.78)以上的温区, （光学高温计） T90是按普朗克辐射定律来定义。 第一节 温标(wnbio) (thermometric scale)共五十一页一水银(shuyn)温度计1 种类 普通温度计（液体膨胀温度计）分为水银 和酒精（生活种用）的两种。

10、 普通水银：35(238.15K)360（633.15K）。因水银的熔点-38.7，沸点为356.7。超过360，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800.1 。*第二节 温度计(thermometer)共五十一页 供量热学用：量程6，刻度0.01。 量程1 ，刻度0.002。 电接点温度计(导电(dodin)表)：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胀系数不同来控制温度（超级恒温器用）。第二节 温度计(thermometer)共五十一页 2 水银温度计的使用： （1）零点校正 若要准确的测量温度(wnd)，在使用前必须对温度(wnd)计进行零

11、位测定。可用冰水。*第二节 温度计(thermometer)共五十一页（2） 读数校正 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 时测定某一体系的温度，将对应(duyng)值记录。做校正 曲线（3） 露茎校正 水银温度计有“全浸”和“非全浸”式两种， “全浸”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。 “非全浸”式常刻有校正时浸入量的刻度，在使用时若室温和浸入量与校正时一致，所示温度才是正确的。 * 共五十一页 全浸式水银(shuyn)温度计的使用 共五十一页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

12、部分与体系必然存在(cnzi)读数误差。需要校正。这种校正称露茎校正。如实验双液系相图的测定。当要求不太高时，校正公式为：t实t测t (一般情况是体系的温度大于环境的温度) *第二节 温度计(thermometer)共五十一页式中n是水银温度(wnd)计露出介质外部的水银拄长度，称露茎高度，以温度(wnd)差值表示。K为水银对玻璃的膨胀系数，为0.00016，t测温度计的实际读数，T环为辅助温度计（即从露出体系外水银拄的一半而放置的温度计）读数。由于kn 250 中温 250室温(sh wn)， 低温 室温（218）。第三节温度(wnd)的控制 温度控制的原理可分为两类：1 利用物质的相变点温

13、度来获得恒温条件2 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，可以任意调节设定温度。*共五十一页一 低温控制(kngzh)（相变点恒温介质浴） 1 利用物质的相变温度的恒定性来控制温度。介质浴的 有： 液氮 （195.8）， 冰水 （0）， 干冰丙酮 （78.6）， 盐冰 （10以下） 2. 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为循环液 -6030第三节温度(wnd)的控制 共五十一页二 常温控制恒温槽是常温实验中常用(chn yn)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，温度控制稳定，灵敏度高。 主要仪器有玻璃恒温水浴，超

14、级恒温槽。 可以用以下液体介质; 090 用水， 80160 用甘油或甘油水溶液， 1. 恒温槽的构造及原理恒温槽的构件组成如图所示*第三节温度(wnd)的控制 共五十一页图1-1-9 恒温槽的装置(zhungzh)示意图1.浴槽2.加热器3.搅拌器5.电接点(ji din)温度计6.继电器共五十一页组成：(1)槽体 (2)搅拌器(3)加热器： 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，以抵偿环境(hunjng)向槽中传热。第三节温度(wnd)的控制 共五十一页(4)感温元件： 它是恒温槽的感觉中枢，是提高恒温槽精度的

15、关键部件。感温元件的种类很多， 一种是电接点温度计（导电(dodin)表）。比较精密，但制作成本高，汞作示温材料，不环保。 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），实验室中多数用后者。 *第三节温度(wnd)的控制 共五十一页(5）继电器：其作用是当感温探头（金属电阻(dinz)或热敏电阻(dinz)）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时，电压比较器输出为“0”，继电器输出线柱断开，停止加热，达到控温的目的。第三节温度(wnd)的控制 共五十一页2 恒温槽的性能测试恒温槽的温度

16、控制装置属于“通”“断”类型(lixng)，因此，恒温槽控制的温度并不是固定不变，有一个波动范围。恒温效果的优劣用灵敏度表示.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，每隔一分钟记录次温度计读数。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。 *第三节温度(wnd)的控制 共五十一页(a)表示(biosh)恒温槽灵敏度较高；(b)表示恒温槽灵敏度较差；(c)表示加热器功率太大；（d）表示加热器功率太小或散热太快。 *控温灵敏度曲线(qxin)可以看出：第三节温度的控制 共五十一页用公式(gngsh)表示 ：式中，t1为恒温(hngwn)过程中的最高温度

17、，t2为恒温过程中的最低温度。 t愈小，恒温槽的性能愈佳,灵敏度越高*第三节温度的控制 共五十一页 三 高温控制 一般是指250以上的温度(wnd)，通常使用电阻炉加热，用可控硅控温仪来调节温度(wnd)。第三节温度(wnd)的控制 1 动圈式温度控制器， 动圈式温度控制器采用能工作于高温的热电偶作为变换器，其原理是热电偶将温度信号变换为电压信号。加于动圈式毫伏表的线圈上。当线圈中因电流通过而感生的磁场与外磁场相互作用时，线圈就偏转一个角度，所以称为“动圈”。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。共五十一页这种加热方式是断续式，只有断、续两个工作状态。炉

18、温升至给定值，停止加热，低于给定值时就加热。温度起伏较大(jio d)，精度差。共五十一页2 断续式二位置控制 实验室内常用的烘箱、高温电炉(dinl)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(png zhng)式温度控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。其缺点是控温精度差，一般有几K范围。共五十一页3 比例

19、-积分-微分控制(简称PID) PID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(tioji)加热器电流，固又称“自动调流”。使用可控硅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。超级恒温器和差热分析仪上用的是PID控制共五十一页当开始偏差信号较大时，加热电流也很大，随着不断加热，偏差信号不断减小，加热电流会按比例相应的降低，这就是 “比例调节”。但当温度升到设定值时偏差为零，加热电流也为零，就不能补偿炉体向环境的热量损耗(snho)。因此，体系温度就会下降，产生“静差”。在比例调节的基础上，加上“积分调节” ，加上后，从一开始只要有偏差存在，就会积累，经过长时间的积累，会产生一个较大的加热电流，使体系温度较快的回升