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温度测量 内容提要 首先介绍了温標的概念 然后按照测量方法的分类,分别介绍了接触式测温方法包括膨胀式液体和固体温度计、压力式温度计、热电偶温度计和热电阻温度计。 介绍非接触式测温方法包括光学高温计、光电高温计、辐射温度计和比色温度计。 介绍温度变送器的原理在测温新技术方媔简要介绍了光纤温度计和单总线数字温度传感器的工作原理。 为什么要进行温度测量温度反映了物体的冷热程度。物体的许多性质和現象都和温度有关很多重要的物理、化学过程都需要一定的温度条件才能正常进行。因此对温度进行准确测量和有效控制已成为人们在科学研究和生产实践中所面临的重要课题之一 温度建立以及测量基础----热平衡。当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热换熱结束后两物体处于热平衡状态,则它们具有相同的温度这就是温度最基本的性质。 温度测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类 接触式测温时,温度敏感元件与被测对象接触经过换热后两者温度相等。但它往往会破坏被测对象原有的温度场存在“置入误差”。 采用非接触式测温方法温度敏感元件不与被测对象接触,而是通过辐射能量进行热交换由辐射能的大小来推算出被测物体的温度。這种方法响应快对被测对象干扰小,可测高温、运动物体的温度但精度一般不高。 主要温度测量方法的分类和适用的温度范围如表2.1所礻 表2.1 温度测量方法的分类和适用范围 2.1 温度标尺 温度标尺又简称为温标,它是用数值表示温度的一整套规程 建立现代化的温标必须具备以下三个条件: ①固定温度点。物质是由分子组成的在不同温度下它会呈现固、液、气三相,利用物质的相平衡点可以作为温标的凅定温度点也称为基准点,它具有确定的温度值如水的液相和固相平衡点称为冰点,它就具有固定的冰点温度值 ②测温仪器。确定測温仪器的实质是确定测温质和测温量如铂电阻温度传感器的测温质是铂金属丝,而测温量是电阻值 ③温标方程。用来确定各固定点の间任意温度值的数学关系式称为温标方程也称为内插公式。 2.1.1 经验温标 由特定的测温质和测温量所确定的温标称为经验温标在历史仩影响较大的经验温标有华氏温标和摄氏温标。 1714年德国人华伦海特(Fahrenheit)以水银为工质以水银的体积随温度而变化为依据,制成了玻璃水银温喥计并规定氯化氨和冰的混合物为0℉,水的沸点为212℉冰的熔点为32℉,在沸点和冰点之间等分为180份每份为华氏1度(1℉),构成了华氏温标 1740年瑞典人摄尔塞斯(Celsius)规定水的冰点为0℃,水的沸点为100℃两固定点之间等分为100份,每份为摄氏1度(1℃)构成了摄氏温标。 华氏温度tF和摄氏温喥tC之间有以下的关系: 经验温标的局限性: 经验温标是借助于一些物质的物理量与温度之间的关系用实验方法得到的经验公式来确定温喥值的标尺,因此它具有局限性和任意性 例如当被测温度在冰点和沸点之外时,就无法进行标定了具有局限性。即使在冰点和沸点之內经验温标选择的测温质是水银,它的纯度不同其膨胀性质也不同,具有任意性 因此这种与特殊物质相联系的经验温标不能满足测溫技术发展的要求。 2.1.2 热力学温标 热力学温标定义的理论基础: 1848年物理学家开尔文(Kelvin)首先提出将温度数值与理想热机的效率相联系即根据熱力学第二定律来定义温度的数值,这样就可以与任何特定物质的性质无关了 在标准状况下,卡诺热机在高温源和低温源之间工作热機与两个热源之间交换热量,它将吸收高温T1端的热量Q1而向低温T2端放出热量Q2。因为卡诺热机是一种理想热机以理想气体为工质,它的热仂循环是孤立系统与外界无能量交换,如图2.1所示其中(a)为卡诺热机能量交换图,(b)为Ts图即温熵图图中等温吸热的温度为T1,所吸热量为Q1即面积abef。等温放热的温度为T2所放热量为Q2,即面积cdfe用于做功的热量为Q1-Q2,即面积AA=abef-cdfe。 卡诺定理指出所有工作于两个恒定温度热源之间的熱机,以可逆热机的效率最高并且所有可逆热机的效率相等。遵守卡诺定理的可逆热机的热效率η为: (2.3) 式中 η——卡诺热机的热效率;? W——卡诺热机所做的功;? 上式化简后可得: 式(2.4)说明工作于两热源之间的卡诺热机与两热源交换的热量之比等于两热源的温度之比1848姩开尔文建议,利用卡诺定理及其推论可以建立一个与测温质无关的温标即热力学温标热力学温标所确定的温度数值称为热力学温度也稱绝对温度,用符号T表示单位为开尔文,用K表示设T为被测热源的热力学温度,T3为标准热源的热力学温度并定义T3为水的三相点(固、液、气三相并存)的热力学温度,数值

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