温度的测量技术

时间：2022-02-12 理论教育版权反馈

【摘要】：温度是表征物系热运动程度的一个物理量。这就是温度测量的基础。温度的量值与温标的选定有关。高温水银温度计的顶部有一个安全泡，防止毛细管内的气体压强过大而引起贮液泡的破裂。目前广泛应用间隔为1度的量热温度计，每分度0.002℃。万一温度计损坏，内部水银洒出，应严格按“汞的安全使用规程”处理。例如，用贝克曼温度计测定凝固点降低，在测量纯溶剂的凝固温度时，水银面应在标尺1℃附近。

2.4.1　温度的测量技术

温度是表征物系热运动程度的一个物理量。当两个不同温度的物体相接触时，必然有能量以热的形式由高温物体向低温物体传递，当两物体处于热平衡时，温度就相同。这就是温度测量的基础。温度参数是不能直接测量的，一般只能根据物质的某些物理特性值与温度之间的函数关系，通过对这些特性参数的测量间接地获得。温度的量值与温标的选定有关。

2.4.1.1　温度计

测量温度的仪表——温度计，按照测量方式分为接触式与非接触式两类。

所谓接触式，即两个物体接触后，在足够长的时间内达到热平衡（动态平衡），两个相互为热平衡的物体温度相等。如果将其中一个选为标准，当做温度计使用，它就可以用来测量另一个实现温度，这种测温方式称为接触式测温。

所谓非接触式，即选为标准并当做温度计使用的物体，与被测物体相互不接触，利用物体的热辐射（或其他特性），通过对辐射强度的检测实现测量，这种测温方式称为非接触式测温。

1.水银温度计

水银温度计是常用的测温工具。水银温度计结构简单，价格便宜，具有较高的精确度，直接读数，使用方便。但是易损坏，损坏后无法修理。水银温度计使用范围为－35～360℃（水银的熔点是－38.7℃，沸点是356.7℃），如果采用石英玻璃，并充以80×10⁵Pa的氮气，则可将上限温度提至800℃。高温水银温度计的顶部有一个安全泡，防止毛细管内的气体压强过大而引起贮液泡的破裂。

a.水银温度计的种类和使用范围。

（1）一般使用－5～105℃、150℃、250℃、360℃等，每分度为1℃或0.5℃。

（2）供量热学用的有9～15℃、12～18℃、15～21℃、18～24℃、20～30℃等，每分度0.01℃。目前广泛应用间隔为1度的量热温度计，每分度0.002℃。

（3）测温差的贝克曼温度计，是一种移液式的内标温度计，测量范围－20～150℃，专用于测量温差。

（4）电接点温度计。可以在某一温度点上接通或断开，与电子继电器等装置配套，可以用来控制温度。

（5）分段温度计。从－10～200℃，共有24支。每支温度范围10℃，每分度0.1℃，另外有－40～400℃，每隔50℃一支，每分度0.1℃。

b.水银温度计的使用。

（1）水银温度计的校正。

对水银温度计来说，主要校正以下三方面：

①水银柱露出液柱的校正。

以浸入深度来区分，水银温度计有“全浸”、“局浸”两种。对于全浸式温度计，使用时要求整个水银柱的温度与贮液泡的温度相同，如果两者温度不同，就需要进行校正。对于局浸式温度计，温度计上刻有一浸入线，表示测温时规定浸入的深度。即标线以下水银柱的温度应当与贮液泡相同，标线以上的水银柱温度应与检定时相同。测温时，小于或大于这一浸入深度，或标线以上的水银柱温度与检定时不一样，就需要校正。这两种校正统称为露出液柱校正（见图2－1）。校正公式如下：

Δt＝Kn（t0－te）　　　　　（2.4.1）

式中，Δt＝t－t0为读数的校正值；t0为温度的读数值；t为温度的正确值；te为露出待测系统外水银柱的有效温度（从放置在露出一半位置处的另一温度计读出）；K为水银的视膨胀系数（水银对于玻璃的视膨胀系数为0.00016）；n为水银柱露出待测系统外部分的读数。

图2－1　温度计露基校正

例1　设一全浸式水银温度计的读数为90℃，浸入深度为80℃，露出待测系统外的水银柱有效温度为60℃，试求实际温度为多少。

解：　　　　　　　　n＝90－80＝10

　　　　　　　　　　t0＝90，te＝60

　　　　　　　　　t0－te＝90－60＝30

　　　　　　Δt＝0.00016×10×30＝0.048℃

所以实际温度为90℃＋0.048℃，即90.048℃。

②零位校正。

用温度计测量温度时，水银球（即贮液泡）经历了一个变温过程，玻璃分子进行了一次重新排列过程。当温度升高时，玻璃分子随之重新排列，水银球的体积增大。当从测温容器中取出温度计时，温度会突然降低。由于玻璃分子的排列跟不上温度的变化，这时水银球的体积一定比使用前大，因此测定它的零位，一定比使用前零位要低。实验证明这一降低值是比较稳定的。零位降低是暂时的，随着玻璃分子的构型缓慢恢复，水银球体积也会逐渐恢复的，这往往需要几天或更长的时间。若要准确地测量温度，则在使用前必须对温度计进行零位测定。

图2－2　冰点器

检定零位的恒温器称为冰点器，如图2－2所示。容器为真空杜瓦瓶，起绝热保湿作用。在容器中盛以冰水混合物，但应注意冰中不能有任何盐类存在，否则会降低冰点。对冰、水的纯度应予以特别注意，冰融化后水的电导率不应超过10×10^－5s·cm^－1（20℃）。

当零位变化值得到后，应依此对原检定证书上的分度修正值作相应修正。

例2　一支0～50℃的水银温度计的检定证书上的修正值如表2－5所示。

表2－5　　　　　　0～50℃的水银温度计的检定证书上的修正值

测温后，再测得零位为0.019℃，比原来的零位值上升了0.008℃，由于零位的变化对各示值影响是相同的，各点的修正值都要相应加上－0.008℃，即修正值改为如表2－6所示。

表2－6　　　　　　0～50℃的水银温度计零位变化后的修正值

测温时，温度计示值25.040℃时实际值应为

③分度校正。

水银温度计的毛细管内径、截面不可能绝对均匀，水银的视膨胀系数并不是一个常数，而与温度有关。因而水银温度计温标与国际实用温标存在差异，必须进行分度校正。

标准温度计和精密温度计可由制造厂或国家计量机构进行校正，给予检定证书。对于实验室中没有检定证书的温度计，以标准水银温度计为标准，同时测定某一体系的温度，将对应值一一记录下来，作出校正曲线。也可以纯物质的熔点或沸点作为标准，进行校正。若校正时的条件（浸入的多少）与使用时差不多，则使用时一般不需再露出部分校正。

（2）使用注意事项。

①在对温度计进行读数时，应注意使视线与液柱面位于同一平面（水银温度计按凸面之最高点读数）。

②为防止水银在毛细管上附着，所以读数时应用手指轻轻弹动温度计。

③注意温度计测温时存在延迟时间，一般情形下温度计浸在被测物质中1～6min后读数，延迟误差是不大的，但在连续记录温度计读数变化的实验中要注意这个问题。可用下式进行校正：

t－tm＝（t0－tm）e^－kx　　　　　（2.4.2）

式中，t0为温度计起始温度；tm为被测物温度；t为温度计读数；x为浸入时间；k为常数。

在搅拌良好的条件下，普通温度计，贝克曼温度计。

④温度计尽可能垂直，以免因温度计内部水银压力不同而引起误差。

水银温度计是很容易损坏的仪器，使用时应严格遵守操作规程。万一温度计损坏，内部水银洒出，应严格按“汞的安全使用规程”处理。

2.贝克曼温度计

a.结构和原理

贝克曼温度计是一种移液式内标温度计，如图2－3所示。它的测量范围是－20～150℃，专用于测量温度差值，不能作温度值绝对测量。贝克曼温度计的结构特点是底部的水银贮液球大，顶部有一个辅助水银贮槽，用来调节底部水银量，所以同一支贝克曼温度计可用于不同温区。

在温度计主标尺上，通常只有0～5℃或0～6℃的刻度范围，标尺上的最小分度值是0.01℃，可以读到±0.002℃。

图2－3　贝克曼温度计

由于贮液球中水银量是按照测量范围进行调整的，所以每支贝克曼温度计在不同温区的分度值是不同的。当贮液球中水银量增多，同样有1℃的温差，毛细管中的水银柱将会升得比主标尺上示值差1℃，因而贝克曼温度计在不同的温区所得的温差读数必须乘上一个校正因子，才能得到真正的温度差，这一校正因子称为在该温区的平均分度值r。

b.贮液球水银量的调整方法

根据实验的需要，贝克曼温度计测量范围不同，必须将温度计毛细管中的水银面调整在标尺的合适范围内。例如，用贝克曼温度计测定凝固点降低，在测量纯溶剂的凝固温度时，水银面应在标尺1℃附近。因此在使用贝克曼温度计时，应该将它插入一个与所测起始温度相同的体系内。待平衡后，如果毛细管内水银面在所要求的合适刻度附近就不必调整，否则应按以下步骤进行调整：

若贮液球中水银量过多，毛细管内水银面如图2－4（a）所示时，把贝克曼温度计与另一支普通温度计一起插入盛水烧杯中。烧杯中水温应调节至所需的调试温度。设t为实验欲测的起始摄氏温度，在此温度下欲使贝克曼温度计中毛细管水银面在1℃附近，则使烧杯中水温为t′＝（t＋4）＋R（R为a～b这一段毛细管所相当的温度，约为2℃）。待平衡后，如图2－4（b）所示，用右手握住贝克曼温度计中部，从烧杯中取出（离开实验台），立即用左手沿温度计的轴向轻轻敲右手手腕，使水银在b点处断开（注意b点处不得有水银滞留）。这样就使得体系的起始温度恰好在贝克曼温度计的1℃附近。

如贮液球中水银量过少，用右手握住温度计中部，将温度计倒置，用左手轻敲右手手腕，此时贮液球中水银会自动流向辅助贮槽与其中的水银相连接，如图2－4（c）所示。连好后将温度计正置，按上面所述方法调节水银量。有时也利用辅助贮槽背面的温度标尺进行调节。由于原理相同，在这里不再介绍。

图2－4　贝克曼温度计的水银面

3.电阻温度计

电阻温度计是利用物质的电阻随温度而变化的特性制成的测温仪器。

任何物体的电阻都与温度有关。因此，都可以用来测温。但是，能满足实际要求的并不多。在实际应用上，不仅要求有较高的灵敏度，而且要求有较高的稳定性和复现性。目前，按感温元件的材料来分有金属和半导体两大类。

金属导体有铂、铜、镍、铁和铑铁合金。目前大量使用的材料为铂、铜和镍。铂制成的为铂电阻温度计、铜制成的为铜电阻温度计，都属于定型产品。

半导体有锗，碳和热敏电阻（氧化物）等。

a.铂电阻温度计

在常温下铂是对各种物质作用最稳定的金属之一，在氧化性介质中，即使在高温下，铂的物理和化学性能也都非常稳定。此外，现代铂丝提纯工艺的发展，保证它有非常好的复现性能，因而铂电阻温度计是国际实用温标中一种重要的内插仪器。铂电阻与专用精密电桥或电位计组成的铂电阻温度计有极高的精密度。铂电阻温度计感温元件是由纯铂丝用双绕法绕在耐热的绝缘材料如云母、玻璃或石英、陶瓷等骨架上制成的，如图2－5所示。在铂丝圈的每一端上都焊着两根铂丝或金丝，一对为电流引线，一对为电压引线。

图2－5　标准铂电阻温度计结构图

标准铂电阻温度计感温元件在制成前后，均须经过充分仔细清洗，再装放适当大小的玻璃或石英等套管中，进行充氦、封接和退火等一系列严格处理，才能保证具有很高的稳定性和准确度。

b.热敏电阻温度计

热敏电阻是用金属氧化物半导体材料制成的，可制成各种形状，如珍珠、杆形、圆片形等，作为感温元件通常选用珠形和圆片形。

热敏电阻的主要特点是：

①有很大负电阻温度系数，因此其测量灵敏度比较高。

②体积小，一般只有φ0.2～φ0.5mm，故热容量小，因此时间常数也小，可作为点温、表面温度以及快速变化温度的测量。

③具有很大电阻值，其R₀值一般为10²～10⁵Ω范围，因此可以忽略引接导线电阻，特别适用于远距离的温度测量。

④制造工艺比较简单，价格便宜。

热敏电阻的缺点是测量温度范围较窄，特别是在制造时对电阻与温度关系的一致性很难控制，差异大，稳定性较差。作为测量仪表的感温元件就很难互换，给使用和维修都带来很大困难。

与金属导体的热电阻不同，热敏电阻属于半导体，具有负电阻温度系数，其电阻值随温度升高而减小。热敏电阻的电阻与温度的关系不是线性的，可以用下面经验公式来表示：

式中，RT为热敏电阻在温度T时的电阻值，Ω；T为温度，K；A、B为常数，它取决于热敏电阻的材料和结构，A具有电阻量纲，B具有温度量纲。

珠形热敏电阻器的基本构造如图2－6所示。

图2－6　珠形热敏电阻

在实验中可将热敏电阻作为电桥的一个臂，其余三个臂是纯电阻，如图2－7所示。图中R1、R2为固定电阻，R3为可调电阻，RT为热敏电阻，E为工作电源。在某温度下将电桥调平衡，则没有电信号输给检流计。当温度改变后，则电桥不平衡，将有电信号输给检流计，只要标定出检流计光点相应于每1℃所移动的分度数，就可以求得所测温差。

图2－7　热敏电阻测温示意图

实验时要特别注意防止热敏电阻感温元件的两条引线间漏电，否则将影响所测得的结果和检流计的稳定性。

4.热电偶

a.概述

热电偶在化学实验中，是温度测量的常用仪器，它不仅结构简单，制作方便，测温范围广（－272～2800℃），而且热容量小，响应快，灵敏度高，它又能直接地把温度量转换成电学量，适宜于温度的自动调节和自动控制。按照热电偶的材料来分，有廉金属、贵金属、难熔金属和非金属四大类。

廉金属中有铁－康铜、铜－康铜、镍铬－镍铝（镍硅）等；

贵金属中有铂铑10－铂、铂铑10－铂铑6及铱铑系，铂铱系等；

难熔金属中有钨铼系、铌钛系等；

非金属中有二碳化钨－二碳化钼、石墨－碳化物等。

b.热电偶的测温原理

两种不同成分的导体A和B连接在一起形成一个闭合回路，如图2－8所示。当两个接点温度不同时，例如t＞t0，回路中就产生电动势EAB（t，t0），这种现象称为热电效应，而这个电动势称为热电势。热电偶就是利用这个原理来测量温度的。

图2－8　热电偶回路热电势分布

导体A和B称为热电极，温度t端为感温部分，称为测量端（或热端），温度t0端为连接显示仪表部分，称为参比端（或冷端）。

热电偶的热电势EAB（t、t0）是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。有时又把接触电势称为珀尔贴电势，温差电势称为汤姆逊电势。

（1）两种导体的接触电势。各种导体中都存在有大量的自由电子。不同成分的材料其自由电子的密度（即单位体积内自由电子数目）不同，因而当两种不同成分的材料接触在一起时，在接点处就会产生自由电子扩散的现象。自由电子从密度大的向密度小的方向扩散，这时电子密度大的电极因失去电子而带有正电，相反，电子密度小的电极由于接收到了扩散来的多余电子而带负电。这种扩散一直到动态平衡为止，从而得到一个稳定的接触电势。它的大小除和两种材料有关外，还与接点温度有关。

（2）单一导体的温差电势。温差电势是因电极两端温度不同，存在温度梯度而产生电势。设热电极A两端温度分别为t和t0，t为温度高的一端，t0为温度低的一端，由于两端温度不同，电子的能量在两端不同。温度高的一端比温度低的一端电子能量大，因而能量大的高温端电子，就要流向电子能量小的低温端，使高温端失掉了一些电子带正电，低温端得到了一些电子带负电，于是电极两端产生了电位差，这就是温差电势。它也是一个动态平衡，电势的大小只与热电极和两接点温度有关。

c.热电偶基本定律

中间导体定律。如图2－9所示，将A、B构成热电偶的t0端断开，接入第三种导体C，此时回路中总电势EABC（t，t0）如何变化？首先假定三个接点温度同为t0，则不难证明：

EABC（t0）＝EAB（t0）＋EBC（t0）＋ECA（t0）＝0　　（2.4.4）

图2－9　热电偶组成定则

现设AB接点温度为t，其余接点温度为t0，并且t＞t0，则回路中总电势等于各接点电势之和。即

E_ABC（t，t0）＝E_AB（t）＋E_BC（t0）＋E_CA（t0）　　　　　（2.4.5）

由式（2.4.4）得

E_AB（t）＝－［E_BC（t0）＋E_CA（t0）］

因此　　　E_ABC（t，t0）＝E_AB（t）－E_BC（t0）＝EAB（t，t0）　　　　　（2.4.6）

由上面推导可知，由A，B分别与第三种导体C组成热电偶，所产生的热电势都已知，那么电极A和B组成的热电偶回路的热电势也可以知道（如图2－9所示）。三对热电偶回路的热电势分别可由下式表示：

E_AB（t，t0）＝E_AB（t）－E_BC（t0）（2.4.7）　　　　　

E_AC（t，t0）＝E_AC（t）－E_AC（t0）（2.4.8）　　　　　

E_BC（t，t0）＝E_BC（t）－E_BC（t0）（2.4.9）　　　　　

整理三式得（证明略）：

E_ABC（t，t0）＝E_BC（t）－E_BC（t0）（2.4.10）　　　　　

E_AB（t，t0）就是由热电极A和B组成的热电偶回路的热电势。

在这里采用的电极C称为标准电极，在实际运用中，一般标准电极材料为纯铂。电极由A、B为参比电极。由于采用了参比电极，大大方便了热电偶的选配工作。只要知道一些材料与标准电极相配的热电势，就可以用上述定律求出任何材料配成热电偶的热电势。

d.常用热电偶

（1）对热电偶材料的基本要求。根据热电偶的原理，似乎任意两种不同材料制成的导体都可以组成热电偶。因为当它们连接起来，两个接点的温度不同时，就有热电势产生。但实际情况并不是这样，要成为能在实验室或生产过程中检测温度用的热电偶，对其热电极材料是有一定要求的。

①物理、化学性能稳定。在物理性能方面，在高温下不产生再结晶或蒸发现象，因为再结晶会使热电势发生变化；蒸发会使热电极之间互相污染引起热电势的变化。

在化学性能方面，应在测温范围内不易氧化或还原，不受化学腐蚀，否则会使热电极变质引起热电势变化。

②热电性能好。热电势与温度的关系要成简单的函数关系，最好成线性关系；微分热电势要大，可以有高的测量灵敏度；在测量范围内长期使用后，热电势不产生变化。

③电阻温度系数要小，导电率要高。

④有良好的机械加工性能，有好的复制性，价格要便宜。

上述要求是理想的，并非每种热电偶都要全部符合。而是在选用时，根据测温的具体条件，加以考虑。

（2）常用热电偶。目前国内外热电偶材料的品种非常多，我国根据科学实验和生产需要，暂时选择六种热电偶材料为定型产品。它们有统一的热电势与温度的关系分度表，可以与现成的仪表配套。对于非定型产品，只有在定型产品满足不了时才选用。

表2－7表示常用热电偶的分度号，测量温度范围和允许误差。

表2－7　　　　　　常用热电偶的分度号、测量温度范围和允许误差

注：表中t为被测温度的绝对值。

热电偶的分度号是热电偶分度表的代号，在热电偶和显示仪表配套时必须注意其分度号是否一致，若不一致就不能配套使用。

下面对热电偶的主要性能、特点和用途作简要介绍，它们之间的特点是在互相比较的基础上叙述的。

①铜－康铜热电偶。铜－康铜热电偶适用于负温的测量，使用上限为300℃。能在真空、氧化、还原或惰性气体中使用。其性能稳定，在潮湿气氛中能耐腐蚀，尤其是在－200～0℃下，使用稳定性很好。在－200～300℃区域内测量灵敏度高，且价格最便宜。

铜－康铜热电偶测量0℃以上温度时，铜电极是正极，康铜（成分60%铜、40%镍）是负极。测量低温时，由于工作端温度低于自由端，所以电势的极性会发生变化。

②铁－康铜热电偶。铁－康铜热电偶适用于真空、氧化、还原或者惰性气氛中，测量范围为－200～800℃。但其常用温度是500℃以下，因为超过该温度，铁热电极的氧化速率加快。

③镍铬－考铜热电偶。镍铬－考铜（或康铜）热电偶测量范围为－200～800℃，适用于氧化或惰性气氛中的温度测量，不适用于还原性气氛。它与其他热电偶比较，耐热和抗氧化性能比铜－康铜、铁－康铜好。它微分热电势大，也就是说灵敏度高，可以用来做代热电偶堆或测量变化范围较小的温度。但是考铜热电极不易加工，难以控制。因而将要被康铜电极所代替。

④镍铬－镍硅（镍铬－镍铝）热电偶。镍铬－镍硅热电偶性能好，是目前使用最多的一个品种，它由镍铬－镍铝热电偶演变而来，它们共同使用一个统一的分度表。

镍铬－镍铝和镍铬－镍硅的共同特点是：热电势与温度的关系近似呈线性，使显示仪表刻主均匀，微分热电势较大，仅次于铜－康铜和镍铬－考铜，因此灵敏度还是比较高的，稳定性和均匀性都很好，它们的抗氧性能比其他廉金属热电偶好，广泛应用于500～1300℃范围的氧化性与惰性气氛中，但不适用于还原性及含硫气氛中，除非加以适当保护。在真空气氛中，正极镍铬中铬优先蒸发，将改变它们的分度特性。

另外，镍铬－镍铝热电偶经一段时期使用后，出现热电势不稳定现象，特别在温度高于700℃中使用时将出现示值偏高。这可能由于气体腐蚀和污染引起电极的化学成分改变，晶粒长大，内部发生相变，使镍铬电极热电势越来越趋向于正值，镍铝电极的热电势越来越趋向负值，这样两个热电极叠加，使示值偏高。

经过研究，在镍基中加入2.5%硅及少量钴、锰等元素成镍硅电极，无论是抗氧性能，还是均匀性和热电势的稳定性方面都优于镍铬电极，同时它对标准铂极的热电势不变。

⑤铂铑10－铂热电偶。铂铑10－铂热电偶属贵金属热电偶，可长时间在0～1300℃之间工作，它除了耐高温外，还是所有热电偶中精度最高的，它的物理、化学性能好，因此热电势稳定性好，作为传递国际温标的标准仪器。它适用于氧化性和惰性气氛中，但是它热电势较小，生长分热电势也很小，灵敏度低，因而要选择较精密的显示仪一与它配套，才能保证得到准确的测量结果。

铂铑10－铂热电偶不能在还原性气氛中或含有金属或非金属蒸气的气氛中使用，除非用非金属套管保护，更不允许直接插入金属的保护套管中。铂铑10－铂热电偶中，负极铂丝的纯度要求很高。在长期高温下使用，极易沾污，铑会从正极的铂铑合金中扩散到铂负极中去，会导致热电势下降，从而引起分度特性改变。在这种情况下铂铑10－铂热电偶将更好、更稳定。

⑥铂铑30－铂铑6热电偶。凡是铂铑30－铂热电偶所具备的优点，铂铑30－铂铑6热电偶基本上都具备，其测量温度范围是目前最高的（0～1800℃）。它不存在负极铂丝所存在的缺点，因为它的负极是由铂铑合成的，因此长期使用后，热电势下降的情况不严重。

e.热电偶的结构和制备

（1）对热电偶的结构要求。

为了保证热电偶的正常工作，对热电偶的结构提出如下要求：

①热电偶的热接点要焊接牢固；

②两电极间除了热接点外，必须有良好的绝缘，防止短路；

③导线与热电偶的参比端的连接要可靠、方便；

④热电偶在有害介质中测量温度时，保护管应保证将被测介质与热电极隔绝开来。

（2）热电偶的制备。

在设计制备热电偶时，热电极的材料和直径的选择，应根据测量范围，测定对象的特点以及电极材料的价格、机械强度、热电偶的电阻值而定。贵金属材料一般选用直径0.5mm；普通金属电极由于价格较便宜，直径可以粗一些，一般为1.5～3mm。

热电偶的长度应由它的安装条件及需要插入被测介质的深度决定，可以从几百毫米到几米不等。

热电偶接点常见结构形式如图2－10所示。

图2－10　热电偶接点常见结构

（a）φ0.5mm，（b）φ1.5～3mm，（c）φ3～3.5mm，（d）φ＞3.5mm

热电偶热接点可以是对焊，也可以预先把两端线绕在一起再焊。应注意绞焊圈不宜超过2～3圈，否则工作端将不是焊点，而是向上移动，测量时有可能带来误差。

普通热电偶的热接点可以用电弧、乙炔焰、氢氧吹管的火焰来焊接。当没有这些设备时，也可以用简单的点熔装置来代替。另一只调压变压器将市用220V电压调至所需电压，以内装石墨粉的铜杯为一极，热电偶作为另一极，在已经绞合的热电偶接点处，沾上一点硼砂，熔成硼砂小珠，插入石墨粉中（不要接触铜杯），通电后，使接点处发生熔融，成一光滑的圆珠即成。

热电偶在装入保护管之前，为了防止热电极短路，一般要用绝缘瓷管套好。

（3）热电偶的结构形式。

热电偶的结构形式可分为普通热电偶，铠装热电偶，薄膜热电偶。

①普通热电偶。普通热电偶主要用于测量气体、蒸气、液体等介质的温度。由于应用广泛，使用条件大部分相同，所以大量生产了若干通用标准形式，供选择使用。其中棒形，角形，锥形等，并且分别做成无专门固定装置、有螺纹固定装置及法兰固定装置等多种形式。

②铠装热电偶。铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属保护套管三者组合成一体的特殊结构的热电偶，铠装热电偶与普通结构的热电偶比较起来，具有许多特点。

首先铠装热电偶的外径可以加工得很小，长度可以很长（最小直径可达0.25mm，长度几百米）。它的热响时间很小，最小可达毫秒数量级，这对采用电子计算机进行检测控制具有重要意义。它节省材料，有很大的可挠性。其次寿命长，具有良好的机械性能，耐高压，有良好的绝缘性。

③薄膜热电偶。薄膜热电偶是由两种金属薄膜连接在一起的一种特殊结构的热电偶。测量端既小又薄，厚度可达0.01～0.1μm。因此热容量很小，可应用于微小面积上的温度测量。反应速度快，时间常数可达微秒级。薄膜热电偶分为片状、针状或热电极材料直接镀在被测物表上三大类。

薄膜热电偶是近年发展起来的一种新的结构形式。随着工艺，材料的不断改进，是一种很有前途的热电偶。

（4）热电偶的使用注意事项。

①热电偶使用前，注意挑选合适的热电偶，即温度范围合适，环境气氛适应，同时参比端的温度恒定。测温前要测试确定热电偶的正、负极。

②热电偶使用前，要求对热电偶的热电势误差进行检验，绘制温度与热电势的标准曲线（又称工作曲线）。

③测量较低热电势时，如灵敏度不够，可以把数个热电偶串联使用，增大温差电势，增加测量精度。几个热电偶串联成热电堆的温差电势等于各个热电偶电势之和。

f.热电偶的温度－热电势标准线的制备

用一系列温度恒定的标准体系，如CO2的升华点，水的冰点与沸点，硫的沸点；以及铋、镉、铅、锌、银、金的熔点。将被检验的热电偶测量端插入标准体系，参比端插入冰水平衡体系，测定其热电势。具体装置如图2－11所示。操作时，先将含有标准体系的试管轻插入电炉，用100V电压进行加热，直至试管中的样品熔融，停止加热。用热电偶套管轻轻搅拌样品，保持冷却速度为3～4K·min^－1，每分钟读一次数据，即可得到一条热电势－时间曲线。从此曲线的转折平线可得到相应的热电势和温度数值。选择几个不同的样品重复测定，即可得到热电偶的工作曲线。

图2－11　热电偶校正装置

1—电炉　2—样品管　3—样品　4—软木塞　5—石棉布套

2.4.1.2　温标

温度的数值表示方法叫温标。

给温度以数值表示，就是用某一测温变量来量度温度。这个变量必须是温度的单值函数。例如，在玻璃液体温度计中，我们以液柱长度作为测湿变量。如果以y表示测量变量，θ表示相应的温度，则应有

y＝f（θ）　　　　　（2.4.11）

它是一个单值函数。为了方便，把上述函数形式定为简单的线性关系，即

y＝Kθ＋C　　　　　（2.4.12）

式中，K、C为常数。要确定常数K、C，需要两个固定点温度，θ1和θ2叫做基本温度，这两个温度之间的间隔叫做基本间隔。K、C值确定后，这个温标就完全决定了。对一任意温度θ，可以通过测量温度量y来求得

1.摄氏温标和气体温标

如果以冰点为0℃，水沸点为100℃，则上式为

在玻璃液体温度计中，测温变量是液柱长度L，所以，在摄氏温标中有

摄氏温标以水为冰点（0℃）和沸点（100℃）为两个定点，定点间分为100等份，每1等份为1℃。但是这样确定的温标有明显的缺陷。例如，把乙醇、甲苯和戊烷分别制成三支温度计，然后将它们在固定点－78.5℃和0℃上分度，再将间隔均匀地划分为78.5分度，每分度为℃。假如把这三支温度计同时放入一搅拌良好、温场均匀的恒温槽中，我们可以看到当槽温为－50℃时，以乙醇为介质的温度计的示值为－50.7℃，甲苯温度计为－51.1℃，戊烷温度计为－52.6℃；当槽温为－20℃时，乙醇为－20.8℃，甲苯为－21℃，戊烷为－22.4℃。为什么这三支温度计所规定的温标有这么大的差别呢？这是由于把这三种液体的膨胀系数都当做与温度无关的常数，简单地用线性函数来表示温度与液柱长度的关系。实际上液体的膨胀系数是随温度改变的。所定的温标除定点相同外，在其他温度往往有微小的差别。为了避免这些差异，提高温度测量的精确度，选用理想气体温标（简称气体温标）作为标准，其他温度计必须用它校正才能得到可靠的温度。

气体温度计有两种：一种是定压气体温度计，另一种是定容气体温度计。定压气体温度计的压强保持不变，而用气体体积的改变作为温度标志，这样选定的温标用符号tp表示，根据上面所说的线性函数法则，得到tp与气体体积的关系为

式中，V为气体在温度t_p时的体积；V0为冰点时的体积；V1为沸点时的体积。

定容气体温度计使体积保持不变，而用气体压强作为温度标志，这样所定的温标用符号tV表示。根据线性函数法则，得到tV与气体压强的关系为

式中，p为气体在温度tV时的压强；p0为冰点时的压强；p1为沸点时的压强。

实验证明，用不同的定容或定压气体温度计所测的温度值都是一样的。在压强趋于零的极限情形下，tp和tV都趋于一个共同的极限温标t，这个极限温标叫做理想气体温标，简称气体温标。

2.热力学温标

热力学温标是以热力学第二定律为基础的。根据卡诺定理推论可以看出，一个工作于两个一定温度之间的可逆热机，其效率只与两个温度有关，而与工作物质的性质和所吸收热量及做功的多少无关。因此效率应当是两个温度θ1和θ2的普适函数，这个函数是对一切可逆热机都适用的。

式中，F（θ2，θ1）为θ2、θ1的普适函数，与工作物质的性质及热量Q2和Q1的大小无关。

还可以进一步证明这个函数具有下列形式：

式中，f为另一普适函数，这个函数形式与温标θ的选择有关，但与工作物质及热量Q的大小无关。因而可以方便地引进一种新的温标T，令T∝f（θ）称为热力学温标。对温标来说，需给以一定的标度。1954年确定以水的三相点温度273.16K作为热力学温标的基本固定点。

从理论上可以证实，热力学温标、理想气体温标是完全一致的。原则上，测量热力学方程式中某一个定量，就可以建立热力学温标。目前常用的实现热力学温标的方法有下列几种：

a.气体温度计

图2－12　气体温度计

气体温度计是复现热力学温标的一种重要方法，计温学领域中普遍采用定容气体温度计。这是由于压强测量的精度高于容积测量的精度。同时定容式气体温度计又具有较高的灵敏度。定容气体温度计的结构原理如图2－12所示。测温介质（气体）置于温泡B中，温泡B用铂合金制成。用毛细管C连接温泡与差压计M。使用时，调整水奶面M′，使它正好与S尖端相接触，以保证气体的容积为一定值。尖端的上部和毛细管C中的气体温度与温泡中的气体温度不同，需要加以修正，所以这一部分的体积称为有害体积。显然有害体积愈小愈好。当温泡分别处于水的三相点的平衡温度及待测温度时，用差压计测量相应的气体压强，然后由下式求得

式中，（pV）_T为气体在T温时pV的乘积；（pV）₃为在水三相点时的pV乘积；T₃为水三相点时的温度。

对测量结果需作如下几项修正：

（1）有害体积修正。有害体积中的气体温度与温泡中的气体温度有差异。

（2）毛细管C中的气体温度存在着温度梯度。

（3）温泡内的压强与温泡温度有关。压强不同时，温泡、毛细管的体积和有害体积大小都有变化。

（4）当毛细管的直径与气体分子平均自由程的大小可以比拟时，毛细管中会存在压强梯度。

（5）有微量气体附在温泡及毛细管内壁上，温度愈低吸附量愈大。

（6）要考虑差压计中水银的可压缩性及温度效应。

b.声学温度计

在低温端，另一种测量热力学温度的重要方法是测量声波在气体（氦气）中的传播速度，这种测温仪器有时称为超声干涉仪。由于声速是一个内含量，它与物质的量多少无关。所以用声学温度计测量温度的方法有很大吸引力。

c.噪声温度计

噪声温度计是一种很有发展前途的测量热力学温度的绝对仪器。目前，国际上正在进行研究的噪声温度计有两种，即测温达1400K的高温噪声温度计和十几开到十毫开的低温噪声温度计。

d.光学高温计和辐射高温计

用直接接触法测金点（1064.43℃）以上的温度是困难的，不仅要求测温元件难熔，而且要求有良好的稳定性和足够的灵敏度。因而金点以上的温度测量常用非常触法。利用物体的辐射特性来测量物体的温度。即辐射高温计和光学高温计。

对于4000K以上的高温气体，常用谱线强度方法来测量温度。

3.国际实用温标

前面讨论了各种测量热力学温度的方法，这些装置都很复杂，耗费也很大，国际上只有少数几个国家实验室具备这些装置。因而长期以来各国科学家探索一种实用性温标，要求它既易于使用，并有高精度的复现，又非常接近热力学温标。最早建立的国际温标是1927年第七届国际计量大会提出并采用的（简称ITS—1927）。半个多世纪来，经历了几次重大修改，使国际温标日趋完善。现行温标是“1968年国际实用温标（1975年修订版）”，简称IPTS—1968（75）。

1968年国际实用温标规定：

热力学温度符号T，单位开尔文（K），1开尔文等于水的三相点热力学温度的，它的摄氏温度符号t，单位摄氏度（℃），定义为