实验四-温度测量实验

实验四温度测量实验一、实验目的学习温度测量仪器的使用方法二、实验内容1、使用光学高温计测量灯泡的温度2、使用K型热电偶，PT100铂电阻测量恒温水浴的温度三、实验设备1、WGJ01精密光学高温计2、K型热电偶3、YJ501型恒温水浴4、PT100热电阻5、水银温度计6、电压表7、热源四、实验原理1.热电偶测量温度原理热电偶的测温原理基于热电效应：将两种不同的导体A和B连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势。由于这种热电效应现象是1821年塞贝克（SEEBACK）首先提出的，故又称塞贝克效应（如图4-1所示）。图4-1塞贝克效应示意图人们把图4-1中两种不同材料构成的上述热电变换元件称为热电偶，导体A和B称为热电极，通常把两热电极的一个端点固定焊接，用于对被测介质进行温度测量，这一接点称为测量端或工作端，俗称热端；两热电极另一接点处通常保持为某一恒定温度或室温，被称作参比端或参考端，俗称冷端。热电偶闭合回路中产生的热电势由温差电势（又称汤姆逊电势）和接触电势（又称珀尔帖电势）两种电势组成。温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。当同一热电极两端温度不同时，高温端的电子能量比低温端的大，因而从高温端扩散到低温端的电子数比逆向的多，结果造成高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷。当电子运动达到平衡后，在导体两端便产生较稳定的电位差，即为温差电势，如图4-2所示。热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，在热电极接点接触面处产生自由电子的扩散现象；扩散的结果，接触面上逐渐形成静电场。该静电场具有阻碍原扩散继续进行的作用，当达到动态平衡时，在热电极接点处便产生一个稳定电势差，称为接触电势，如图4-3所示。其数值取决于热电偶两热电极的材料和接触点的温度，接点温度越高，接触电势越大。图4-2温差电势示意图图4-3接触电势示意图设热电偶两热电极分别为A（为正极）和B（为负极），两端温度分别为t、t0，且t>t0；则热电偶回路总电势为E(t，t0)＝EAB(t)-EAB(t0)-EA(t，t0)+EB(t，t0)(4-1)由于温差电势EA(t，t0)和EB(t，t0)均比接触电势小很多，通常均可忽略不计。又因为t>t0，故总电势的方向取决于接触电势EAB(t)的方向，并且EAB(t0)总与EAB(t)的方向相反；这样，(4-1)式可简化为EAB(t，t0)＝EAB(t，0)-EAB(t0，0) (4-2)由此可见，当热电偶两热电极材料确定后，其总电势仅与其两端点温度t、t0有关。为统一和实施方便，世界各国均采用在参比端保持为零摄氏度，即t0＝0℃条件下，用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值，制成测量端温度（通常用国际摄氏温度单位）和热电偶电势对应关系表，即分度表；也可据此计算得两者的函数表达式。2.光学高温计测量温度原理光学高温计是发展最早、应用最广的非接触式温度计。它结构较简单，使用方便，适用于1000K～3500K范围的温度测量，其精度通常为1.0级和1.5级，可满足一般工业测量的精度要求。它被广泛用于高温熔体、高温窑炉的温度测量。值得指出的是，由于各物体的光谱发射率ελ不同，即使它们的光谱辐射亮度相同，其实际温度也不会相等；光谱发射率大的物体的温度比光谱发射率小的物体的温度低。因此物体的光谱发射率和光谱辐射亮度是确定物体温度的两个决定因素，如果同时考虑这两个因素将给光学高温计的温度刻划带来很大困难。因此，现在光学高温计均是统一按绝对黑体来进行温度刻划。用光学高温计测量被测物体的温度时，读出的数值将不是该物体的实际温度，而是这个物体此时相当于绝对黑体的温度，即所谓的“亮度温度”。亮度温度的定义是：在波长为λ、温度为T时，某物体的辐射亮度L与温度为TL的绝对黑体的亮度L0λ相等，则称TL为这个物体在波长为λ时的亮度温度。其数学表达式为L(λ，T)＝ε(λ，T)L0(λ，T)＝L0(λ，TL) (4-3)式中，ε(λ，T)为实际物体在温度为T、波长为λ时的光谱发射率；T为实际物体的真实温度，单位为K；TL为黑体温度，也即实际物体的亮度温度，单位为K。在常用温度和波长范围内，通常用维恩公式来近似表示光谱辐射亮度，这时上式成为：(4-4)两边取对数，整理后得(4-5)亮度温度的定义，光学高温计是在波长为λ的单色波长下获得的亮度。这样，物体的真实温度为(4-6)对于真实物体总是有ελ＜1，故测得的亮度温度总比物体的实际温度为低，即TL＜T。目前，国内工业用光学高温计都采用红色单色光，有效波长为0.66±0.01μm；与我国温度量值传递系统规定的基准光学高温计的有效波长一致。基准光学高温计是国际温标(ITS—90)规定温度在银点(961.78℃)以上的标准仪器。光学高温计通常采用0.66±0.01μm的单一波长，将物体的光谱辐射亮度Lλ和标准光源的光谱辐射亮度进行比较，确定待测物体的温度。光学高温计有三种形式；灯丝隐灭式光学高温计、恒定亮度式光学高温计和光电亮度式光学高温计。灯丝隐灭式光学高温计是由人眼对热辐射体和高温计灯泡在单一波长附近的光谱范围的辐射亮度进行判断，调节灯泡的亮度使其在背景中隐灭或消失而实现温度测量的。此种隐丝式光学高温计又称目视光学高温计或简称光学高温计，国产WGGZ型光学高温计就是此类高温计。WGGZ型光学高温计的原理示意图如图4-4所示。图4-4WGGZ型光学高温计原理示意图1-物镜2-灰色吸收玻璃3-灯泡4-目镜5-红色滤光片6-显示表头物镜1和目镜4可前后移动，调节物镜使物体的像落在灯泡3内的灯丝平面上，调节目镜4，使灯丝和物体的像能清晰地看到，然后边比较两者的亮度，边慢慢调节滑动电位器的触点位置，改变流过灯丝的电流，使灯泡灯丝的亮度作相应的改变。当被测物体的亮度大于灯丝亮度时，灯丝在背景（对应于被测物体亮度）上呈现暗丝（背景比灯丝亮）；当被测物体的亮度小于灯丝的亮度时，则灯丝在背景中呈亮丝（背景比灯丝暗）；逐渐调节滑动电位器，使灯丝亮度和背景亮度达到一致，此时，灯丝便隐没在背景中；表头6这时指示出（由滑动电位器位置所决定）被测物体的亮度温度。得到了被测物体的亮度温度，再根据该物体的光谱发射率，便可获得该物体的真实温度。图4-4中的2是灰色吸收玻璃，其作用是扩大光学高温计的量程。灯丝在其亮度温度超过1400℃时，将由于灯丝易过热发生氧化进而使灯丝的电阻发生改变，致使电流与亮度温度关系偏离原标定值；同时1400℃以上的高温，使灯泡的金属丝要升华，将在玻璃泡上沉积形成灰暗的薄膜，改变原亮度特性而带来测量误差。因此，当测量高于1400℃的亮度温度时，在物镜与灯泡之间安装吸收率为常量的灰色吸收玻璃，以减弱被测热源的辐射亮度。测量时，用已经减弱了的热源亮度和灯丝亮度进行比较，就可以使原最高亮度温度为1400℃的钨丝灯，用于测量更高的温度。光学高温计通常有两个刻度，一个是不加灰色吸收玻璃的刻度，其范围为800～1400℃；另一个是加灰色吸收玻璃的刻度。为能测量更高的温度，有的光学高温计在物镜前再加一块吸收玻璃，以进一步减弱被测物体辐射亮度；这样可使光学高温计测量亮度温度高达3200℃的物体温度。无论采用何种形式，光学高温计钨丝本身最高温度均不可超过1400℃。图4-4中的5通常采用红色滤光片，它的作用是滤除人眼不敏感的光谱段，仅让中心光谱波长为λ＝0.66μm的窄波段通过。此工作光谱段愈窄效果愈好。对于工业用光学高温计，光谱范围在0.62～0.7μm范围所造成的误差可忽略不计。五、实验步骤1、用水银温度计测量室温并记录读数；2、用万用表测量PT100的电阻值并记录读数；3、将PT100热电阻和K型热电偶插入恒温水浴中，分别测量热电阻的电阻值和热电偶的电动势，并记录读数；4、通过计算得到恒温水浴的温度值；5、使用光学高温计，首先点亮灯丝，调整目镜，使灯丝变得清晰；6、将光学高温计对准被测物，调整物镜，使被测物变得清晰；7、合上红色滤光片，对准被测物，调整滑线电阻盘，改变灯丝亮度，将灯丝亮度调整到完全消失，并记录读数。六、数据记录处理与分析通过水银温度计测得，室温为19.8℃。将热电偶和铂电阻放入恒温水浴中，待测量值稳定后，通过测量PT100铂电阻的阻值，测得为127Ω。测量K型热电偶，得到电压值为1.8mV。查询PT100铂电阻分度表，可以得到，恒温水浴的温度为70℃。查询K型热电偶的分度值表，可知冷端温度为20℃时，EAB(t0，0)=0.798mV，EAB(t，t0)=1