温 度 的 测 量 与 控 制

1、物理化学实验讲座第五部分温 度 的 测 量 与 控 制一、引言二、三、测温仪器四、温度的控制1温 度 的 测 量 与 控 制一、引言 伽利略在1600年前后制成第一支温度计。由于维.汤姆森在1849年比较完整的建立了热力学。人们认识到温度是表征体系中物质内部大量分子、原子平均动能的一个宏观物理量。温度是确定物质状态的一个基本参量，它是宏观的统计概念，反映了大量分子无规则运动的激烈程度。2温 度 的 测 量 与 控 制 二、温标 表示温度高低的“尺”-温标。 摄氏温标：以水的冰点（0）和沸点（100 ）为两个定点,定点间分100等份,每一等份为1 。 华氏温标：以水的冰点为32，沸点为212，为

2、两个定点,定点间分180等份,每一等份为1 。 由此可见，温标的确定。要用某一物质的某种特性作为温标的基准点（或称参考点）。 热力学温标：1848年由Kelvin提出，它是建立在卡诺循环基础上，与测温物质特性无关。3温 度 的 测 量 与 控 制 设理想热机在T1和T2 (T1T2) 二温度间工作，工作物质在温度T1 吸热Q1，在温度T2 放热Q2，经过一个可逆循环，对外作功 W=| Q1|-| Q2| 热机效率为： =1-| Q2 |/| Q1 |=1- T2/ T1 在卡诺循环中，温度T1和T2仅与热量Q1和Q2有关，与工作物质的性质无关。若规定一个固定的温度T1 ，则另一个温度T2可由下

3、式求得： T2= T1 | Q2 |/| Q1 |开尔文建议用此原理来定义温标，就称为热力学温标。4温 度 的 测 量 与 控 制 对应与热力学温标的温度是热力学温度，亦称开尔文温度(K)，通常叫绝对温度。 热力学温标是理想温标，国际实用温标是以热力学温标为基础，用气体温度计来实现的。 1927年拟定了国际温标，建立了若干可靠而又能高度重现的固定点。随着科学技术的发展，温标多次被修订，1975年第十五届国际计量大会通过了“1968年国际实用温标的修订”，这是对IPTS-68的补充，并非取代。 1975年规定的固定点和参考点见复旦大学编物理化学实验下册。5 温 度 的 测 量 与 控 制三、测温

4、仪器 测量温度的方法按使用仪器不同而不同，一般可分为下列5种，前4种必须使温度计接触被测体系，称为接触式温度计，光学测温仪不须接触被测体系，称为非接触式温度计。 1.玻璃液体温度计测温2.热电法测温3.电阻法测温4.气体温度计测温5.光学测温仪测温61.玻璃液体温度计1.玻璃液体温度计测温 根据液体的体积与温度的函数关系来进行温度测量。水银温度计a.水银温度计的校正： t = kh (t观-t环) k为水银对玻璃的相对膨胀系数 k=0.00016 h为露于被测体系之外水银柱的长度，以温度差值表示。 t真实= t观+ t b.延迟作用：若温度计的起始温度为t0，浸在温度为tm的物质中，温度计的读

5、数t与浸入时间x的关系是： t = tm+ (t0-tm) e-kx 式中k为一常数。781.玻璃液体温度计例如测体温时，设室温20，则t0=20 ，人体温度为37 ，即tm =37，假设k=1/100秒，代入上式得： t = tm + (t0-tm) e-kx =37-17e-x/100代入不同时间x，计算出温度t如下表： x(分) 1 3 5 7 9 11 13 15 20 t () 27.67 34.19 36.15 36.75 36.92 36.98 36.99 36.998 36.9999 若用贝克曼温度计在搅拌水中测温，假设k=1/9秒，设浸入时间为1分钟，温度变化为1度，则读数的

6、延迟误差为： t = t - tm = 1 e-kx = e-60/9 = 0.0013 可以忽略。故温度计在被测物质中浸入1至6分钟后读数，延迟误差是不大的。9温 度 的 测 量 与 控 制 1.玻璃液体温度计c.使用注意事项： 校正 正确读数 防止水银在毛细管上附着 温度计应垂直放置 防止骤冷骤热 万一温度计损坏，水银洒出，应严格按照“汞的安全使用规程”处理。 101.玻璃液体温度计贝克曼温度计a.特点: 精密测量温度差值。刻度值0.01 ，水银量可调节b.构造:c.温度量程的调节: I.连接水银球与储汞槽。 II.在比所测温度高3度水浴中恒温放几分钟。 III.断开水银柱。 IV.检查所

7、调温度是否合适。d.使用注意事项: I.上端垫高放置。 II.轻敲、水平读数。 III.不能随意放置。 IV.调整温度不同所引起的校正。1112温 度 的 测 量 与 控 制 1.玻璃液体温度计调整温度 0 5 10 15 20 25 30读数1相当于 0.9936 0.9953 0.9969 0.9985 1.0000 1.0015 1.0029 调整温度 35 40 45 50 55 60 65读数1相当于 1.0043 1.0056 1.0069 1.0081 1.0093 1.0104 1.0115 调整温度 70 75 80 85 90 95 100读数1相当于 1.0125 1.0

8、135 1.0144 1.0153 1.0161 1.0169 1.0176 露径校正：t = k(t1 - t2 ) (t + t1 + t2 t) 水银的线膨胀系数 k=0.00016 t为调整温度。 t1 、 t2为起始、终了温度。13温 度 的 测 量 与 控 制2.热电偶温度计（1）热电偶温度计A 特点:构造简单,感温元件热容量小,测温范围广。B 原理:两种金属导线构成一闭合回路，若两接点温度不同，就会产生温差电势E。 E=f (T )若一个接点温度恒定不变，温差电势只与另一接点的温度有关，即： E=f (T )C 种类：根据组成热电偶材料不同，可分为： 贱金属热电偶 贵金属热电偶

9、难熔金属热电偶 非金属热电偶14金属相图实验装置15装配热电偶规格型号：无固定装置热电偶 固定螺纹式热电偶活动法兰式热电偶固定法兰式热电偶活络管接头式热电偶固定螺纹锥形热电偶直形管接头式热电偶固定螺纹接头式热电偶活动螺纹管接头式热电偶16我国热电偶的测量范围及允差型 号分 度 号允 差 等 级III允差值测温范围C允差值测温范围CWRNK1.5C-40+3752.5 C-40+3330.004ltl37510000.0075 ltl3331200WRMN1.5C-40+3752.5C-40+3330.004 ltl37510000.0075 ltl3331200WREE1.5C-40+3751

10、.5C-40+3330.004 ltl3758000.004 ltl333900WRFJ1.5C-40+3751.5C-40+3330.004 ltl3757500.004 ltl333750WRCT1.5C-40+1251C-40+1330.004 ltl1253500.0075 ltl13335017装配热电偶型号命名方法18温 度 的 测 量 与 控 制 2.热电偶温度计(2)数字式精密温差测量仪(数字式贝克曼温度计)原理： (SWC-)技术指标:温度测量范围:-50150，分辨率：0.01 温差测量范围：20 ，时间漂移： 0.0005 /小时 使用方法：a.探头插入待测体系。b.开启

11、电源预热5分钟。c.选择测量方式：“温度-温差”按钮在抬起位用于测温度，在按下位用于测温差。d.测温差时按被测温度调节“基温选择”。传感器放大电路数模转换单片机显示输出储存19数字贝克曼温度计精密数字温度温差仪20温 度 的 测 量 与 控 制3.电阻温度计原理：所有导电物质的电阻随温度有某种变化。 最普遍使用的电阻温度计： 超低温（1-20 K ）用锗、碳电阻温度计。 储囊式铂电阻温度计（10 K -200 ）。 杆式铂电阻温度计（90 K -630 ）。 热敏电阻（单个温度间隔可达100 以下） 新型低阻铂电阻温度计（400 -1100 ）2122温 度 的 测 量 与 控 制4.气体温度

12、计原理： 所有气体温度计都是基于“理想气体”的基本方程：pV/T = 常数。在低压力下（0.01 - 1 atm）真实气体与理想气体的偏差相当小，而且认为是足够准确的测温方法。用氦作为填充气体。特性： 气体温度计一般用于20K以下，只能用于90K以下，精度为0.01-0.1K。类型： 有定容、定压和定温三种基本类型。2324温 度 的 测 量 与 控 制5.光学测温仪a.原理：通过适当分析物体的辐射得到其温度。 物体辐射的能量(E)与波长()温度(T)之间遵循普郎克公式： 式中为：物体的辐射系数， C1 C2均为常数。 测定两个温度下辐射的能量比值，从已知温度可以算出另一温度。例如测金点温度T

13、Au和某一温度TX时，用辐射能量比就可以求出待测温度来。 2526温 度 的 测 量 与 控 制 5.光学测温仪b.隐丝式光学高温计工作原理 按“光亮度”设计的光学高温计。选择一定波长范围的滤色片，在这个波长范围内，不同的亮度有不同的温度。通过调节可变电阻将灯丝亮度和被测物体亮度比较，当一致时，根据灯丝亮度和电流间及温度的对应关系，得出被测物体的温度。隐丝式光学高温计最高精度为2度。27温 度 的 测 量 与 控 制 5.光学测温仪目镜滤色片被测物参比灯物镜电流表可变电阻灯丝是黑的灯丝消失灯丝是白的abc28C.红外测温仪工作原理 当物体温度高于绝对零度（-273）时，由于它内部分子热运动存在

14、，就会向空间辐射电磁波，其中就包括波长在0.76um以上的红外线。红外测温仪就是利用物体的红外辐射特性，依靠其内部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测器，并转换成电信号，再通过放大电路，补偿电路及线性处理后，在显示器上显示被测物体的温度, 结构图如下：温 度 的 测 量 与 控 制 5.光学测温仪29 温 度 的 测 量 与 控 制 5.光学测温仪被测物体补偿电路光学系统探测器调制电路信号处理电路显示器红外测温仪的结构图30便携式红外辐射温度仪 31 温 度 的 测 量 与 控 制 5.光学测温仪d.新型光纤点式测温仪 光纤点式测温仪采用非接触温度表面的创新技术，实现测量结果与发热体的辐射系

15、数无关的效果。高精度、高可靠性、和高性价比的光纤点式测温仪完全可以取代传统的辐射式红外测温仪。原理：物质的辐射波长随温度变化而改变，每一温度对应的波长与传输距离及传输介质无关。只要测量波长，即可测得物体的相应温度，光纤点式测温仪实质是光学点波长的计量，从而计算出温度，结构图如下：32 温 度 的 测 量 与 控 制 5.光学测温仪 测量温度范围：400 1800 ，响应时间：0.1s ，温度分辨率：1 。被测物体光学传输单元光学瞄准光直准器固定支架光学处理单元信号处理单元微处理单元显示输出二次仪表计算机光纤点式温仪测温仪的结构图3334温 度 的 测 量 与 控 制温度的控制恒温控制的原理可分

16、为两类：1.利用物质的相变点温度来获得恒温条件。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节。35一、相变点恒温介质浴：将需恒温体系置于处于相变平衡的物质构成的“介质浴”中，可获得一个高度稳定的恒温条件。介质通常有： 液氮(77.3K)， 干冰-丙酮(-78.5 )， 冰-水(0 )， 十水硫酸钠(32.38 )， 沸点丙酮(56.5 )， 沸点水(100 )， 沸点萘(218.0 )， 沸点硫(444.6 )。 优点：价廉,操作简便,高稳定度。 缺点：恒温温度不能随意调节。恒温对象必须浸没于恒温介质中。这就对实验条件造成限制。温 度 的 测 量 与 控 制 温度的控制36温 度 的 测 量 与 控 制 温度的控制二、电子调节控温 它是实验中普遍采用的控温方式。其优点是控温范围宽，设定温度可随意调节，控温精度高。实验设计较少受到限制。 电子调节