1、1.第3章溫度測(cè)量3.1溫標(biāo)及其傳輸3.2普通溫度傳感器3.3晶體管和集成溫度傳感器3.4輻射溫度計(jì)3.5其他溫度傳感器3.6一些溫度測(cè)量方法2。溫度是國(guó)際單位制給出的基本物理量之一，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常需要測(cè)量和控制的主要參數(shù)，也是與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的重要物理量。長(zhǎng)度、時(shí)間和質(zhì)量等基本物理量通常被稱(chēng)為“延伸量”，它們可以疊加。例如，兩個(gè)長(zhǎng)度相同的對(duì)象連接在一起，總長(zhǎng)度是原始單個(gè)對(duì)象長(zhǎng)度的兩倍；溫度不是這樣，它是一種“內(nèi)涵量”，而疊加原理不再適用，例如，把兩瓶90瓶的水倒在一起。它的溫度永遠(yuǎn)不會(huì)升高，更不用說(shuō)達(dá)到180。從熱平衡的角度來(lái)看，溫度可以作為物體內(nèi)部分子不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的

2、標(biāo)志，高溫物體內(nèi)部分子的平均動(dòng)能較大；低溫物體中分子的平均動(dòng)能也很小。熱力學(xué)第零定律指出，兩個(gè)溫度相同的物體必須處于熱平衡。當(dāng)兩個(gè)物體與第三個(gè)物體處于熱平衡時(shí)，它們也處于熱平衡，因此三個(gè)物體將處于相同的溫度。因此，如果我們能夠通過(guò)可再現(xiàn)的方式建立一系列參考溫度值，我們就可以將其他待測(cè)物體的溫度與這些參考溫度進(jìn)行比較，從而得到待測(cè)物體的溫度。3.1溫標(biāo)及其傳輸，3.1溫標(biāo)，是溫度的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，規(guī)定了溫度的起點(diǎn)和溫度測(cè)量的基本單位。經(jīng)驗(yàn)溫度標(biāo)度根據(jù)某些物質(zhì)的體積膨脹與溫度的關(guān)系，用實(shí)驗(yàn)方法或經(jīng)驗(yàn)公式確定的溫度標(biāo)度稱(chēng)為經(jīng)驗(yàn)溫度標(biāo)度。(1)華氏溫標(biāo)1714年，德國(guó)人華氏制作了一種以水銀為測(cè)溫介質(zhì)的玻璃水

3、銀溫度計(jì)。氯化銨和冰水混合物的溫度被選為溫度計(jì)的零度，人體溫度為100度。水銀溫度計(jì)根據(jù)水銀從0度到100度的膨脹距離分為100個(gè)部分，每個(gè)部分為1華氏度，標(biāo)為“1”。根據(jù)華氏溫標(biāo)，水的冰點(diǎn)是32，沸點(diǎn)是212。3.1溫標(biāo)及其傳輸4。(2)在1740年的攝氏溫標(biāo)中，瑞典的攝氏溫標(biāo)提出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的冰點(diǎn)應(yīng)該定在0，水的沸點(diǎn)應(yīng)該定在100。玻璃水銀溫度計(jì)是根據(jù)水的兩個(gè)固定溫度點(diǎn)來(lái)刻度的。兩個(gè)點(diǎn)被分成100個(gè)相等的部分，每個(gè)部分被稱(chēng)為1攝氏度。寫(xiě)為1。攝氏溫度和華氏溫度之間的關(guān)系是T ()=1.8t 32 (3-1)，其中T為華氏溫度值；t溫度值，單位為攝氏度。3.1溫度刻度及其傳輸，和5。經(jīng)

4、驗(yàn)溫度標(biāo)度取決于其規(guī)定的測(cè)量物質(zhì)，溫度測(cè)量范圍不能超過(guò)其上限和下限(如0，l00)。另外，經(jīng)驗(yàn)溫度標(biāo)度是主觀的，有很大的局限性，很快不能滿(mǎn)足工業(yè)、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域的溫度測(cè)量需要。2.基于卡諾循環(huán)的熱力學(xué)溫標(biāo)是1848年由凱文提出的理想理論溫標(biāo)，是國(guó)際單位制中的七個(gè)基本物理單位之一。根據(jù)溫度標(biāo)度，對(duì)應(yīng)于零理想氣體壓力的溫度(這是實(shí)驗(yàn)中不能達(dá)到的理論溫度，低于0 K的溫度不存在)和水的三相點(diǎn)溫度被分成27，316個(gè)部分，每個(gè)部分為1 K(開(kāi)爾文)。熱力學(xué)溫度的單位是“k”。絕對(duì)氣體溫度標(biāo)度從理想氣體狀態(tài)方程開(kāi)始，以再現(xiàn)熱力學(xué)溫度標(biāo)度，稱(chēng)為絕對(duì)氣體溫度標(biāo)度。根據(jù)波義耳定律：壓強(qiáng)=一定質(zhì)量的氣體在室溫下

5、的壓強(qiáng)；氣體的體積；r通用常數(shù)；t熱力學(xué)溫度。當(dāng)氣體體積不變時(shí)，它的壓力是一個(gè)常數(shù)因?yàn)橛脷怏w溫度計(jì)測(cè)量溫度時(shí)，需要對(duì)其讀數(shù)進(jìn)行多次修正(如實(shí)際氣體與理想氣體的偏差修正、容器的膨脹系數(shù)修正等)。)，7.3。由國(guó)際協(xié)議產(chǎn)生的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)，其指導(dǎo)思想是盡可能接近熱力學(xué)溫標(biāo)，重現(xiàn)精度高，用于重現(xiàn)溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便。第一個(gè)國(guó)際溫標(biāo)是1927年第七屆國(guó)際計(jì)量會(huì)議通過(guò)的國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。經(jīng)過(guò)1948年、1960年和1968年的多次修訂，形成了近20年來(lái)廣泛使用的國(guó)際實(shí)用溫度標(biāo)度(ITS-68)。1989年7月，第77屆國(guó)際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)建立新的國(guó)際溫標(biāo)，簡(jiǎn)稱(chēng)ITS-90。

6、為了將其與IPTS-68溫度標(biāo)度區(qū)分開(kāi)來(lái)，ITS-90溫度標(biāo)度由下式表示。8，(1)重申國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)單位仍然是K，1 K等于水的三相點(diǎn)溫度值的1/273.16；(2)水的三相點(diǎn)溫度定義為0.01(攝氏度)，絕對(duì)零度相應(yīng)修正為-273.15；這樣，國(guó)際攝氏溫度()和國(guó)際實(shí)際溫度(k)之間的關(guān)系如下：(3-1)在實(shí)際應(yīng)用中，為了書(shū)寫(xiě)方便，通常直接用來(lái)表示和分別；(3)規(guī)定整個(gè)溫標(biāo)分為四個(gè)溫區(qū)，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)儀表如下：0.655.0K，帶3He和4He蒸汽溫度計(jì)；3.024.5561K，帶3He和4He定容氣體溫度計(jì)；13.803K961.78，使用鉑電阻溫度計(jì)；961.78以上，使用光學(xué)或光電高溫計(jì)；

7、(4)重新確定和規(guī)定17個(gè)固定點(diǎn)的溫度值，并根據(jù)這些固定點(diǎn)和規(guī)定的插值公式，用標(biāo)準(zhǔn)儀表刻度實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱力學(xué)溫度標(biāo)度。ITS-90的基本內(nèi)容是：9，10。自1991年7月1日起，中國(guó)改變了各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的數(shù)值，并從1994年元旦起全面實(shí)施了新的ITS-90溫度計(jì)。二、溫度計(jì)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)值法標(biāo)準(zhǔn)表法，世界各國(guó)根據(jù)國(guó)際溫標(biāo)法規(guī)建立自己的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并定期與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，以保證其準(zhǔn)確性和可靠性。中國(guó)的國(guó)家溫度標(biāo)準(zhǔn)保存在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。各省(直轄市、自治區(qū))市縣計(jì)量部門(mén)的溫度標(biāo)準(zhǔn)定期進(jìn)行上下兩級(jí)的比對(duì)(修訂)和校準(zhǔn)，并相應(yīng)傳遞溫度標(biāo)準(zhǔn)，確保溫度標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性。3.1溫標(biāo)及其傳輸，11.3溫度傳感器

8、1的分類(lèi)。根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，可分為接觸式測(cè)溫的基本形式。主要通過(guò)熱傳導(dǎo)。非接觸式測(cè)量依靠輻射能來(lái)測(cè)量部件子類(lèi)型和熱模式。條件：被測(cè)物體的熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于溫度傳感器的熱容量，3.1溫標(biāo)及其傳輸，12。接觸和非接觸溫度測(cè)量特性的比較，13。P35表31由各種溫度檢測(cè)方法組成的溫度測(cè)量?jī)x的一般溫度測(cè)量范圍，14。1.熱膨脹式溫度傳感器根據(jù)溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換的原理，接觸式溫度測(cè)量可分為膨脹式(包括液體和固體膨脹)和熱阻式(包括金屬熱阻和半導(dǎo)體)膨脹式溫度測(cè)量是基于物體受熱膨脹的原理，可分為液體膨脹式和固體膨脹式。一般來(lái)說(shuō)，膨脹溫度測(cè)量大多在-5550范圍內(nèi)，用于溫度測(cè)量或控制精度較低且不需要自動(dòng)記錄的場(chǎng)合

9、。膨脹溫度計(jì)有很多種，根據(jù)用途可分為液體膨脹玻璃溫度計(jì)、液體或氣體膨脹壓力溫度計(jì)和固體膨脹雙金屬溫度計(jì)液體膨脹玻璃液體溫度計(jì)是一種直讀儀器。水銀是玻璃溫度計(jì)中最常用的液體，冰點(diǎn)為-38.9，上限為538。對(duì)于低溫測(cè)量，可以使用其他有機(jī)液體(例如，酒精的下限為-62，甲苯的下限為-90，戊烷可以達(dá)到-20升)。玻璃溫度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉、測(cè)溫范圍廣、安裝使用方便、現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)直接、不需要能源、易破損、測(cè)溫值難以自動(dòng)遠(yuǎn)程傳輸和記錄的特點(diǎn)。16，2。固體膨脹雙金屬溫度計(jì)：根據(jù)加熱時(shí)固體膨脹的原理，通常將兩塊線膨脹系數(shù)較大的金屬片焊接在一起，形成雙金屬感溫元件(俗稱(chēng)雙金屬溫度計(jì))。當(dāng)溫度變

10、化時(shí)，由于兩種不同雙金屬材料的線膨脹系數(shù)相差較大，會(huì)產(chǎn)生不同的膨脹和收縮，從而導(dǎo)致雙金屬的彎曲變形。3.2普通溫度傳感器，17。雙金屬溫度計(jì)示意圖一端固定后，如果溫度升高，下部金屬乙(如黃銅)會(huì)因熱膨脹而拉伸，而上部金屬甲(如因瓦合金)幾乎不會(huì)變化。結(jié)果，雙金屬向上傾斜，溫度越高，線性膨脹的差異越大，彎曲角度越大。3.2普通溫度傳感器，18，公式(6-5)中X雙金屬自由端位移，毫米；雙金屬片的長(zhǎng)度，毫米；雙金屬片的厚度，毫米；雙金屬片的溫度變化；g彎曲率(固定長(zhǎng)度為100毫米、厚度為1毫米的線性雙金屬片的一端，當(dāng)溫度變化1(1K)時(shí)，另一端的位移稱(chēng)為彎曲率)，它取決于頭部金屬件的材料，通常為(

11、514)10-6K。目前，實(shí)用的雙金屬材料和測(cè)溫范圍都在100以下，通常是黃銅和34號(hào)鎳鋼；低于150時(shí)，通常使用黃銅和因瓦合金；250或更高，通常使用蒙乃爾高強(qiáng)度耐腐蝕鎳合金和3442鎳鋼。雙金屬溫度計(jì)不僅可以用來(lái)測(cè)量溫度，還可以用作簡(jiǎn)單的溫度控制裝置(尤其是開(kāi)關(guān)的“通-斷”控制)。19、雙金屬溫度計(jì)感溫元件的形狀可分為兩種類(lèi)型：平面螺旋型和直螺旋型，其測(cè)溫范圍約為-80 600，其精度等級(jí)通常約為1.5。由于其溫度測(cè)量范圍與前兩個(gè)溫度計(jì)大致相同，且可控制在恒溫狀態(tài)，完全可以解決水銀玻璃溫度計(jì)和水銀壓力溫度計(jì)容易破損而導(dǎo)致的水銀泄漏危險(xiǎn)問(wèn)題。因此，在溫度測(cè)控精度不高的情況下，雙金屬溫度計(jì)的應(yīng)

12、用范圍不斷擴(kuò)大。雙金屬片通常被制成螺旋管以提高靈敏度。雙金屬溫度計(jì)抗振性好，讀數(shù)方便，但精度不高，只能作為通用工業(yè)儀器使用。壓力溫度計(jì)壓力溫度計(jì)是根據(jù)一定質(zhì)量的液體、氣體和蒸汽在體積不變的情況下壓力和溫度有一定的函數(shù)關(guān)系的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)其測(cè)溫功能的。壓力溫度計(jì)的典型結(jié)構(gòu)圖如圖所示。壓力溫度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，3.2常用溫度傳感器，21，由裝有溫度傳感介質(zhì)的溫度傳感袋、壓力傳輸元件(毛細(xì)管)和壓力敏感元件齒輪或杠桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、指針和讀數(shù)板組成。測(cè)量溫度時(shí)，將溫度球放入被測(cè)介質(zhì)中。感溫包中的感溫介質(zhì)(氣體、液體或蒸發(fā)液體)會(huì)導(dǎo)致其體積膨脹或收縮，從而導(dǎo)致壓力升高或降低。壓力變化通過(guò)毛細(xì)管傳遞到彈簧管，使其變形

13、，然后由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，指示相應(yīng)的溫度。這種壓力溫度計(jì)的毛細(xì)管細(xì)長(zhǎng)(規(guī)格為160米)，其功能主要是傳遞壓力。長(zhǎng)度越長(zhǎng)，溫度計(jì)的反應(yīng)越慢。在等長(zhǎng)條件下，管越細(xì)，精度越高。與玻璃相比，22，熱電偶溫度傳感器，23，3.2熱電偶溫度傳感器，本節(jié)的主要內(nèi)容是： 1。了解熱電偶的測(cè)溫原理；2.了解熱電偶的基本定律；3.了解熱電偶的規(guī)模；4.了解熱電偶的包裝形式和特性。24，首先，看一個(gè)實(shí)驗(yàn)熱電偶溫度測(cè)量原理演示。結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)端點(diǎn)的溫度不同時(shí)，電路中會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。熱電勢(shì)的方向與兩個(gè)端點(diǎn)的溫度有關(guān)。1.熱電偶的測(cè)溫原理，熱電勢(shì)，A，B，25，熱電極A，低溫端稱(chēng)為：自由端(參考端，冷端)，1。熱電偶的一些

14、術(shù)語(yǔ)，高溫端被稱(chēng)為：測(cè)量端(工作端，熱端)，熱電極b，t，t0，26熱電效應(yīng)兩種不同性質(zhì)的金屬在兩端連接形成一個(gè)閉環(huán)。當(dāng)兩端有溫差時(shí)，閉環(huán)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這就是所謂的熱電效應(yīng)。熱電勢(shì)由熱電勢(shì)和接觸勢(shì)組成，接觸勢(shì)占主導(dǎo)地位。27，3。熱電勢(shì)、接觸勢(shì)的微觀解釋?zhuān)寒?dāng)兩種不同的金屬相互接觸時(shí)，自由電子的擴(kuò)散將發(fā)生在兩種金屬A和b的界面上。由于不同金屬中自由電子的密度不同，它們的擴(kuò)散也不同。假設(shè)甲的電子密度和乙的電子密度，甲失去帶正電的電子，乙得到帶負(fù)電的電子，產(chǎn)生接觸電勢(shì)。，自由電子，a，b，eab (t)，t，28，溫差電勢(shì)：由于同一金屬兩端的溫差，高溫端的電子能量很大。所以從高溫端擴(kuò)散到低溫端的自由

15、電子數(shù)就是從低溫端擴(kuò)散到高溫端的自由電子數(shù)。假設(shè)TT0，高溫端的電子失去正電荷，低溫端的電子獲得負(fù)電荷，從而產(chǎn)生熱電勢(shì)。熱電勢(shì)產(chǎn)生的微觀解釋?zhuān)琫A(T，T0)，29。通過(guò)以上分析，得出熱電偶產(chǎn)生的總熱電勢(shì)大約等于熱端接觸電勢(shì)和冷端接觸電勢(shì)之差：EAB(T，T0)=30。2.熱電偶的基本定律(1)均勻?qū)w定律(等效定律)對(duì)于由均勻材料制成的熱電偶，熱電勢(shì)的大小只與材料和節(jié)點(diǎn)之間的溫差有關(guān)。它與熱電偶電極的尺寸、形狀和溫度分布無(wú)關(guān)。如果材料不均勻，由于溫度梯度的存在，會(huì)有額外的電動(dòng)勢(shì)。3.2熱電偶溫度傳感器，31，(2)中間導(dǎo)體定律如圖所示，由A和B組成的熱電偶的T0端斷開(kāi)，第三導(dǎo)體C連接。只要第三導(dǎo)體兩端的溫度保持相同，連接導(dǎo)體C后，回路的總電動(dòng)勢(shì)不受影響.3.2熱電偶溫度傳感器，32，(3)中間溫度定律，在熱電偶回路中，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度t和T0處的熱電動(dòng)勢(shì)等于結(jié)點(diǎn)溫度t和Ta與T0處的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即任何溫度下兩端的熱電動(dòng)勢(shì)為：3.2熱電偶溫度傳感器，33，(4)疊加定律，當(dāng)熱電偶回路3.2熱