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1、物理化学实验研究方法第二章 仪器与技术一、温度计和恒温装置（一）（一）测温方法与测温仪器的分类测温方法与测温仪器的分类 按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触按照所用方法之不同，温度测量分为接触式和非接触式两大类。式两大类。1. 1. 接触式测温接触式测温 接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两接触式的特点是测温元件直接与被测对象相接触，两者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元者之间进行充分的热交换，最后达到热平衡，这时感温元件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。件的某一物理参数的量值就代表了被测对象的温度值。优点优点：直观可靠。：直观可靠。缺点缺点：是感
2、温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都：是感温元件影响被测温度场的分布，接触不良等都会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件会带来测量误差，另外温度太高和腐蚀性介质对感温元件的性能和寿命会产生不利影响。的性能和寿命会产生不利影响。一、温度计和恒温装置2.非接触式测温非接触式测温 非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而非接触测温的特点是感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有是通过辐射进行热交换，故可避免接触测温法的缺点，具有较高的测温上限较高的测温上限。此外，非接触测温法。此外，非接触测温法热惯性小热惯性小，可达千分，可达千分之一
3、秒，故之一秒，故便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。便于测量运动物体的温度和快速变化的温度。 按照温度测量范围，可分为按照温度测量范围，可分为超低温超低温、低温低温、中高温中高温和和超超高温高温等温度测量类型。等温度测量类型。 超低温一般是指超低温一般是指010K，低温指，低温指10800K，中温指，中温指8001900K，高温指，高温指19002800K的温度，的温度，2800K以上被认为以上被认为是超高温。是超高温。一、温度计和恒温装置 对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式对应于两种测温方法，测温仪器亦分为接触式和非接触式两大类。两大类。接触式仪器接触式仪器可分为可分为:
4、 : 膨胀式温度计膨胀式温度计 包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计包括液体和固体膨胀式温度计、压力式温度计 电阻式温度计电阻式温度计 包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计包括金属热电阻温度计和半导体热敏电阻温度计 热电式温度计热电式温度计 包括热电偶和包括热电偶和P-NP-N结温度计结温度计 其它原理的温度计其它原理的温度计非接触式温度计非接触式温度计可分为：可分为：辐射温度计、亮度温度计和比色温度辐射温度计、亮度温度计和比色温度计计，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为，由于它们都是以光辐射为基础，故也统称为辐射温度计。辐射温度计。一、温度计和恒温装置（二）（二）膨胀式温度计膨
5、胀式温度计1.1.固体膨胀式温度计固体膨胀式温度计 这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材料制成，这种温度计是利用两种不同膨胀系数的材料制成，分为杆式和双金属式两大类。分为杆式和双金属式两大类。2.2.液体膨胀式温度计液体膨胀式温度计 这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度这是应用最早而且当前使用最广泛的一种温度计，它由液体储存器、毛细管和标尺组成。计，它由液体储存器、毛细管和标尺组成。 液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽液体玻璃温度计的测温上限取决于所用液体汽化点的温度，下限受液体凝点温度的限制为了防止毛化点的温度，下限受液体凝点温度的限制为了防止毛细管中液注出现断续现象，并提高测温液
6、体的沸点温度，细管中液注出现断续现象，并提高测温液体的沸点温度，常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。常在毛细管中液体上部充以一定压力的气体。一、温度计和恒温装置 水银水银-玻璃温度计是最常用的液体玻璃温度计是最常用的液体膨胀式温度计膨胀式温度计。因。因为水银具备易提纯、导热率大、比热小、膨胀系数均匀、为水银具备易提纯、导热率大、比热小、膨胀系数均匀、不易附着在玻璃壁上、不透明便于读数等性能。一般适不易附着在玻璃壁上、不透明便于读数等性能。一般适用测温范围是用测温范围是35360(熔点熔点38.7，沸点，沸点356.7)；如果采用特硬玻璃，且在水银面上充以；如果采用特硬玻璃，且在水银面上充以
7、N2或或Ar气，可以使测温范围上限扩大到气，可以使测温范围上限扩大到600，甚至，甚至750；若在水银内掺入若在水银内掺入8.5%的的Tl，则可以使测温范围下限降到，则可以使测温范围下限降到60。一、温度计和恒温装置（1）水银）水银-玻璃温度计的种类和使用范围玻璃温度计的种类和使用范围 一般条件：由一般条件：由5105，150 ，250 ，360等，等， 每格每格1或或0.5； 量热学用：由量热学用：由915，1218，1521 ，1824， 2030 等，每格等，每格0.01或或0.002； 测温差的贝克曼温度计：有升高和降低两种；测温差的贝克曼温度计：有升高和降低两种； 分段温度计：从分段
8、温度计：从- -10200分为分为21支，每支温度范围支，每支温度范围10， 分格分格0.1。另外有。另外有 - -40 400，每隔，每隔50 一支，分格一支，分格0.1； 测量冰点降用：测量冰点降用：- -5050，分格，分格0.01。一、温度计和恒温装置（2）引起误差的主要因素）引起误差的主要因素 球体积的改变球体积的改变 水银温度计内一般容纳约水银温度计内一般容纳约6000刻度量的水银，体积刻度量的水银，体积的微小变化会很灵敏地反映到温度计上。在温度计受热的微小变化会很灵敏地反映到温度计上。在温度计受热后水银球的体积往往会稍有改变，而玻璃的流动很慢，后水银球的体积往往会稍有改变，而玻璃
9、的流动很慢，冷却时体积的回缩需要几天的时间，此现象称为冷却时体积的回缩需要几天的时间，此现象称为“滞后滞后现象现象”。 水银柱露出待测体系水银柱露出待测体系 按温度计在分度时的条件不同可分为按温度计在分度时的条件不同可分为“全浸式全浸式”和和“局浸式局浸式”两种。两种。一、温度计和恒温装置 “局浸式局浸式”温度计是按将水银球插入待测介质，但有温度计是按将水银球插入待测介质，但有部分水银柱露在待测介质外时的条件对温度计的刻度进行部分水银柱露在待测介质外时的条件对温度计的刻度进行校正标注的。这种温度计一般在其背面刻有校正标注刻度校正标注的。这种温度计一般在其背面刻有校正标注刻度时的浸入量，当使用时
10、的室温及浸入量与校正标注刻度时时的浸入量，当使用时的室温及浸入量与校正标注刻度时的一致时，温度计所指示的读数就是严格准确的。显然，的一致时，温度计所指示的读数就是严格准确的。显然，使用全浸式温度计是不可能达到此条件，局浸式温度计通使用全浸式温度计是不可能达到此条件，局浸式温度计通常也达不到此条件，此时就需要对温度计进行常也达不到此条件，此时就需要对温度计进行“露茎校露茎校正正”。校正公式为：。校正公式为：)()(1=环观环观露茎ttKnttKnKnt-一、温度计和恒温装置式中式中t露茎露茎= t正确正确 t观观，是对观测，是对观测(读数读数)值值的校正，则温度的正确值为的校正，则温度的正确值为
11、:t正确正确= t观观t露茎露茎t环环是露出待测体系之外水银柱的有效温度，是露出待测体系之外水银柱的有效温度，通过放置在露出待测体系水银柱通过放置在露出待测体系水银柱一半之处一半之处(0.5n)的温度计读出；的温度计读出；n 是露出待测体系之是露出待测体系之外水银柱的读数；外水银柱的读数；K是水银对于玻璃的相是水银对于玻璃的相对膨胀系数，用摄氏温标时对膨胀系数，用摄氏温标时K=0.00016，所，所以有以有Kn 0，则，则E(tn, 0) 0，故，故E(t, tn) E(t, 0) ，表明仪表，表明仪表指示偏低，应加上指示偏低，应加上E(tn, 0) 的校正值。的校正值。一、温度计和恒温装置例
12、例用镍铬用镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶(EU-2)测一炉温，若冷端温度为测一炉温，若冷端温度为30，测得，测得E(t, 30) = 23.71mV，求真实炉温。，求真实炉温。解：从附表中查得解：从附表中查得E(30, 0 ) = 1.2mV， 则则E(t, 0) = 32.71+ 1.20 = 24.91mV， 再查表得再查表得24.91mV对应温度约为对应温度约为600，而，而23.71mV对应温度为对应温度为572。 一般粗略地考虑就是在测量出的温度上加上一般粗略地考虑就是在测量出的温度上加上t，但，但有一定误差，如有一定误差，如572+30=602。 测量值再加上冷端温度到测量值再加上冷端
13、温度到0 的热电势，现可利用的热电势，现可利用计算机进行自动计算补偿。计算机进行自动计算补偿。一、温度计和恒温装置（3）冷端处在温度波动的环境中）冷端处在温度波动的环境中 此时可采用补偿导线或冷端补偿器来校正。此时可采用补偿导线或冷端补偿器来校正。例例 采用镍铬采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为镍硅热电偶测炉温，热端为800 ，冷端为，冷端为50 ，仪表室为仪表室为20 ，求炉温。，求炉温。解：先分别查表得：解：先分别查表得： E(800,0) = 33.277mV， E(50,0) = 2.022mV， E(20,0) = 0.798mV。则不补偿时输入仪表的热电势为：则不补偿时输入仪表的热
14、电势为： E(800,50) = 33.2772.022 = 31.255mV(相当于相当于751 )采用补偿导线后则为：采用补偿导线后则为： E(800,20) = 33.2770.798 = 32.479mV(相当于相当于781 )一、温度计和恒温装置冷端补偿器冷端补偿器(电桥补偿法电桥补偿法) 冷端补偿器是一个串联在热电偶测温电路中可以冷端补偿器是一个串联在热电偶测温电路中可以输出毫伏信号的直流不平衡电桥，它的特点是输出的输出毫伏信号的直流不平衡电桥，它的特点是输出的毫伏值随冷端温度而变化，从而达到冷端温度的自动毫伏值随冷端温度而变化，从而达到冷端温度的自动补偿。补偿。 此类补偿方法多用
15、于自动化温度测量仪器中，这此类补偿方法多用于自动化温度测量仪器中，这种仪器如果使用正常的话，可以直接从仪器上读取温种仪器如果使用正常的话，可以直接从仪器上读取温度值，而不必进行校正。度值，而不必进行校正。一、温度计和恒温装置（四）（四） 电阻温度计电阻温度计 电阻温度计的测温原理是利用金属或半导体的电阻随电阻温度计的测温原理是利用金属或半导体的电阻随温度变化的特性而设计的。温度变化的特性而设计的。 大多数金属在温度升高大多数金属在温度升高1 C 时电阻将增加时电阻将增加0.40.6，即金属的电阻具有正的温度系数。金属电阻温度计测温范即金属的电阻具有正的温度系数。金属电阻温度计测温范围广，重现性
16、好；围广，重现性好；半导体电阻一般具有负的温度系数，每升高半导体电阻一般具有负的温度系数，每升高1 C ，电阻，电阻约减小约减小26。半导体的电阻灵敏度比金属高，但重现。半导体的电阻灵敏度比金属高，但重现性较差，测温范围窄；性较差，测温范围窄；一、温度计和恒温装置 因此金属电阻温度计仍是使用最普遍的。因此金属电阻温度计仍是使用最普遍的。目前由纯金目前由纯金属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广属制造的热电阻的主要材料是铂、铜和镍，它们已得到广泛的应用。泛的应用。 电阻温度计的实际测温一般不超过电阻温度计的实际测温一般不超过1000，在较低温，在较低温度下，电阻温度计是度下，电阻温度计是最准确、最灵敏和最稳定最准确、最灵敏和最稳定的温度计，的温度计，如在如在800以下铂电阻温度计的灵敏度比热电偶的高一个以下铂电阻温度计的灵敏度比热电偶的高一个数量级，但电阻温度计的制作比较麻烦和复杂。常用的电数量级，但电阻温度计的制作比较麻烦和复杂。常用的电阻温度计有铂电阻温度计，热敏电阻温度计阻温度计有铂电阻温度计，热敏电阻温度计(金属氧化物金属氧化物半导体材料制成半导体材料制成)。一、温度
