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1、第二章 温度测量概述温度及温标v是表示物体冷热程度的物理量，也是物体分子运动平均动能大小的标志。v 用来量度物体温度高低的标尺叫做温度标尺，简称温标。v摄氏温标和华氏温标，都是根据液体(水银)在玻璃管内受热后体积膨胀这一性质建立起来的。v由于这两种温标所定出的温度数值随液体的性质(如水银的纯度)和玻璃管材料的性质不同而不同，因此不能保证各国所用的基本测温单位(摄氏度)的一致性一致性。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277绝对温标v 1848年，汤姆逊首先提出绝对温标(即热力学温标)，它是以卡诺循环为基础建立起来的。在卡诺循环中可写出以下方程式：v v它表示工
2、质在温度T1时吸收热量Q1，而在温度T2时向低温热源放出热量Q2。如果指定了一个定点的数值，就可以由热量的比例求得未知量T1。由于上述方程式与工质本身的种类和性质无关，所以用这个方法建立起来的热力学温标就避免了分度的“任意性”。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277卡诺循环实际上是不存在的v实际上用氢、氦和氮等近似理想气体作出定容式气体温度计，并根据热力学第二定律定出对这种气体温度计的修正值，然后用气体温度计来制订热力学温标。然而气体温度计结构复杂，使用不便，除了在低温测量中使用外，还必须建立一种能够用计算公式传递的、既能高精度复现温标，又在使用上简便的温标
3、，用它来统一各国之间的温度计量，这就是国际温标。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277国际温标v 国际温标是用来复现热力学温标的，自1927年建立以来，为了更好地符合热力学温标，曾先后作了多次修改，最近一次修改好的即是国际计量委员会根据1987年第18届国际计量大会第7号决议的要求，于1989年会议通过的1990国际温标(ITS一90)，用它代替1968年国际实用温标(1975年修订版)和1976年05K到30K暂行温标。还决定自1990年1月1日起使用此温标。我国规定自1991年7月1日起使用此温标。下面简要地介绍“90国际温标”。西北电力职工培训中心动力
4、系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277一、温度的单位v “90国际温标”规定热力学温度(符号为丁)是基本的物理量，其单位是开尔文(符号为K)。它规定水的三相点热力学温度为27316K，定义开尔文一度等于水三相点热力学温度的l27316。v 由于习惯，温度也可以用摄氏温度表示，其符号为t，单位为。它定义为v t=T-273.15v因此水的三相点为00l。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277 二、ITs90的温度范围v ITS90所包含的温度范围自065K至单色辐射温度实际可测量的最高温度。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-
5、87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277 第二节 各种测温方法简介一、膨胀式温度计v v 许多液体和固体，当它们的温度升高时体积就膨胀，根据受热膨胀性质制作的温度计叫膨胀式温度计。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277 1液体膨胀式温度计v水银玻璃温度计，简称玻璃温度计，因为它构造简单，使用方便，准确度高和价格低廉。v 玻璃温度计的结构多为棒式，如图22所示，它的标尺直接刻在玻璃的外表面上。玻璃温度计的测温范围一般为-38+356。如在玻璃管中充以8MPa的氮气，并采用石英玻璃管，则测温上限可扩展到750。西
6、北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277 序号 温度计分类 温度计作用原理 l 膨胀式温度计 液体或固体受热膨胀 2 液体式 压力式温度计气体式 蒸汽式 封闭在固定容积中的液体、气体或某种液体的饱和蒸气受热体积膨胀或压力变化 3 电阻温度计 导体或半导体受热电阻变化 4 热电偶温度计 热电偶的热电势与温度有关 5 r光学式 辐射式温度计辐射式 比色式 物体热辐射与温度有关 6 气体温度计 利用理想气体的关系 7 声学温度计 气体中声的传播速度与温度有关 8 噪声温度计 电阻体中噪声电压平方与温度成正比 9 磁温度计 顺磁性材料磁化率随温度变化西北电力职工培训中心
7、动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277 2固体膨胀式温度计v 利用固体受热膨胀原理制成的温度计，可分为杆式温度计和双金属温度计v双金属温度计。它是由两种线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起制成的。金属片一端固定，另一端可自由移动。如果下面金属的线膨胀系数比上面的大，则当温度升高时，金属片会产生向上的弯曲变形。温度越高，弯曲角度越大，如图23(a)所示。为使双金属材料长而结构紧凑，占据的空间小而变形显著，常将双金属片绕制成螺旋形，将其一端固定，另一端和指针相连接，如图2 3(b)所示，受热后金属片自由端的偏转角
8、度。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277杆型和盒型v通常以杆形双金属温度计使用最多。杆形中按其表盘装置位置的不同，又可分为轴向型和径向型，如图24所示。也有设计成表盘位置可以任意转动的。双金属温度计的准确度等级自10级至25级都有生产，表25是国内某厂生产的15级杆形双金属温度计的主要性能指标。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘
9、晓谦 029-87488277双金属温度计优点v结构简单v抗震性能好v比水银温度计坚固v避免水银污染v因此工业上已用它逐步取代水银温度计西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277 二、压力式温度计v根据在封闭容器中的液体、气体或低沸点液体的饱和蒸气受热后体积膨胀或压力变化这一原理而制作的，并用压力表来测量这种压力变化，从而测得温度。v结构一般都由温包、毛细管和弹性压力表三者组成。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-874882771液体压力式温度计v液体压力式温度计如图25所示，它比玻璃温度计坚固，而且读数可以远传，金属温包和金属毛细管一端
10、相连，毛细管的另一端和一测量压力的弹簧压力计相连。温包、毛细管和弹簧管内都充满液体。液体受热后压力升高，压力经毛细管传递给弹簧管，使弹簧管变形，从而使弹簧管压力表动作，并在其温度标尺上给出被测温度示值。液体压力式温度计常用的工作液体及其主要技术性能见表26。在测量下限时液体以较高的压力(1可以减小温包和压力表不在同一高度时由液柱高度差所引起的误差。测量时的上限压力可达175MPa。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-874882772气体压力式温度计v 理想气体状态方程式pV=mRT表明，对一定质量
11、m的气体，如果它的体积y一定，则它的温度与压力p成正比。v因此，在密封容器内充以气体，就构成气体压力式温度计。在温度不太低而压力不太高时，一般气体都能较精确地遵守气体状态方程式。v气体压力式温度计在测温过程中虽然其温包、毛细管和压力弹簧管的体积会有变化，但和气体的热膨胀系数相比，此变化非常小，可以忽略不计，因此仍可视其体积y为一定。压力式温度计中通常充氮气，此时测量的最高温度可达500550，在低温下则充氢气，此时的测温下限可达一120。通常气体压力式温度计的初始充气压力为13MPa，温度计的上限压力主要受系统能承受的最大压力限制，一般为6MPa。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓
12、谦 029-874882773蒸气压力式温度计v 蒸气压力式温度计是根据液体的饱和蒸气压只和气液分界面的温度有关这一道尔顿饱和蒸气压定律而制作的。v如图26所示，金属温包的一部分容积内盛放着低沸点的液体l。其余空间以及毛细管、弹簧管内充满这种液体的饱和蒸气。由于气液分界面在温包内，因而这种温度计的读数仅和温包温度有关。v这种温度计的压力一温度关系是非线性的，如图26所示，不过可用变刚度弹簧管或在压力表的连杆机构中采取一些补偿措施，使温度刻度线性化。温包中常用液体及其有关数据见表27。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教
13、研室刘晓谦 029-87488277v 对于测量温度高于环境温度的蒸气压力式温度计，由于毛细管和弹性元件所处的温度(环境温度)低于温包内气液分界面温度(被测温度)，因此毛细管和弹性元件内部全部为冷凝液体所充满。v对于测量温度低于环境温度的蒸气压力式温度计，由于毛细管和弹性元件所处的温度高于温包温度，因此毛细管和弹性元件内将充满蒸气。对于测量温度与环境温度相交错的蒸气压力式温度计，毛细管和弹性元件内可能充满液体也可能充满蒸气。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-874882774压力式温度计的附加误差v 对于压力式温度计。除仪表制造尺寸不精确、传动间隙和摩擦等会引起误差外，
14、下面一些因素也会引起误差v(1)温包浸入深度的影响：v(2)环境温度的影响：v(3)大气压力的影响：v(4)液柱高度的影响：西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277(1)温包浸入深度的影响v v各种压力式温度计在测温时，毛细管或保护套管会对外散失热量，热量的损失会减小所测得的温度值。测量时如果温包只有一部分浸入被测介质中，则由于散热损失。温包温度低于被测介质温度，测量结果就不准确。只有在温包浸入被测介质中达一定深度时才能测出正确的温度值。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277(2)环境温度的影响v v在液体压力式温度计中，如
15、果充液和毛细管材料、弹簧管材料的膨胀系数不同，环境温度变化就会产生测量误差。v为了减小这一误差，一种方法就是另外再装一根补偿毛细管和弹簧管，如图27所示，这种方法可以同时补偿毛细管和弹簧管周围环境温度变化所引起的误差，但其成本比较高；v另一种方法就是在弹簧管自由端与传动放大机构之间引入一个双金属片，如图28所示，环境温度变化时，双金属片产生相应的变形，以此来补偿弹簧管周围环境温度变化引起的误差。v还有一种方法就是在毛细管中放置一根细长的金属丝，当环境温度变化时，毛细管内壁和金属丝之间所形成的环形空间的容积变化刚好与其内部工作液体的体积变化量相等，以此来补偿毛细管的温度附加误差。v 对于气体压力
16、式温度计，环境温度变化引起的温度附加误差的情况和液体压力式温度计相仿，通常都采用加大温包容积来减小这一误差。对于蒸气压力式温度计，环境温度变化对其测量准确度影响不大。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277(3)大气压力的影响v在使用条件下大气压力的数值与仪表标定时不一致，会引起仪表附加误差。v对于液体压力式温度计和气体压力式温度计，其封闭系统内部的初始填充压力较高，因此大气压力的波动不会引起过大的仪表附加误差。v
17、对于气体压力式温度计还可采用辅助弹性元件补偿法来消除大气压力产生的附加误差。v对于蒸气压力式温度计，由于初始填充压力和系统的工作压力一般都比较低，因此大气压力变化会造成仪表测量附加误差，可以在仪表投入使用前在现场重新校正仪表零点以减小此项误差。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277(4)液柱高度的影响v v液体压力式温度计安装时，如果温包与压力表的位置不在同一高度上，毛细管中的液柱高度将对压力表施加一个正的或负的压力，造成附加误差。v如果系统中原来的充压很高，毛细管中的液柱高低对系统产生的误差就相对很小。气体压力式温度计由于气体的密度很小，液柱高度的影响可以忽略不计。v蒸气压力表式温度计充压通常是很低的，当毛细管及压力弹簧管内充满液体时，毛细管中液柱高度差同样会对仪表示值造成附加误差。西北电力职工培训中心动力系热工自动化教研室刘晓谦 029-87488277