【化学课件】温度和压力的测量课件

温度和压力的测量在化学研究和工业生产中，准确的温度和压力测量是确保实验成功和工艺控制的基础温度和压力作为两个重要的物理量，直接影响化学反应的速率、平衡和产物分布掌握各种测量技术的原理和应用，能够帮助我们获得可靠的实验数据本课程将深入探讨温度和压力测量的基础理论、测量设备的工作原理、实际应用技巧以及数据处理方法通过系统学习，您将能够选择合适的测量设备，正确进行测量操作，并有效分析测量结果课程内容概览1温度测量基础理论热力学定律、温度标准和测量原理2温度计类型与应用膨胀式、电阻式、热电偶和红外测温技术3压力测量原理压力定义、类型和测量设备工作机制4实验与工业应用测量技巧、数据处理和新技术发展第一部分温度测量基础温度定义分子动能的宏观表现热平衡测量的理论基础温度标准统一的测量基准温度的科学定义热力学基础国际单位SI温度是物质分子平均动能的宏观表现，反映物质内部分子运动的开尔文是温度的基本单位，以热力学温标为基础热力学K SI剧烈程度在热力学中，温度是一个基本的状态函数，用于描述温标是最基本的温度标准，不依赖于任何特定物质的性质系统的热力学状态绝对零度°是理论上的最低温度，此时分子0K=-

273.15C热力学第零定律为温度测量提供了理论基础，确保了温度概念的的热运动完全停止一致性和可测量性热力学第零定律系统B与同一温度计达到热平衡系统A与温度计达到热平衡热平衡系统与必然处于热平衡A B热力学第零定律阐述了热平衡的传递性如果两个热力学系统分别与第三个系统处于热平衡，那么这两个系统彼此也必然处于热平衡状态这一定律为温度的概念和测量提供了严格的理论基础，使得我们能够通过温度计来准确测量不同物体的温度温度标准与换算°

273.150C开尔文基准摄氏标准水的冰点对应的开尔文温度水在标准大气压下的冰点°32F华氏标准水在标准大气压下的冰点不同温标之间的换算关系为°，°×TK=t C+

273.15t F=

1.8°摄氏温标在科学研究中广泛使用，华氏温标主要在美国等少数t C+32国家使用，而开尔文温标是国际标准单位制的基本单位重要温度标准点绝对零度°分子运动完全停止的理论最低温度0K-

273.15C-水的三相点°水的固、液、气三相共存的唯一温度

273.16K

0.01C-冰点°标准大气压下水的冰点

273.15K0C-沸点°标准大气压下水的沸点

373.15K100C-温度测量技术发展史早期探索世纪16-17伽利略发明了第一个气体温度计温度镜，利用气体热胀冷缩的原理来指示温度变化这一发明标志着定量温度测量的开始，为后续温度计的发展奠定了基础水银温度计时代世纪18-19华伦海特发明了水银温度计，并建立了华氏温标水银温度计具有良好的线性度和稳定性，成为实验室和工业中广泛使用的温度测量工具，延续使用了近三个世纪现代电子技术世纪20-21热电偶、热电阻和半导体温度传感器的发明，使温度测量进入了电子化时代数字化、智能化的温度测量设备不仅提高了测量精度，还实现了远程监控和自动化控制第二部分温度计的类型与原理膨胀式温度计电阻式温度计热电偶温度计红外温度计利用物质热胀冷缩原理基于电阻随温度变化利用热电效应原理非接触式辐射测温膨胀式温度计原理液体膨胀原理气体膨胀原理固体膨胀原理液体温度计利用液体的体膨胀系数随气体温度计基于理想气体状态方程固体温度计利用金属等固体材料的线温度变化的特性当温度升高时，液，在恒定压力下，气体体积膨胀系数双金属温度计就是典型的PV=nRT体体积增大，在细管中的液面上升与绝对温度成正比气体温度计具有固体膨胀温度计，结构简单、成本低常用的工作液体包括水银、酒精和有很高的精度，常用作标准温度计廉，广泛用于工业过程控制机液体液体温度计特性分析温度计类测量范围精度响应速度应用场合型水银温度°±°中等精密测量-39C

0.1C计至°356C酒精温度°±°较快低温测量-115C

0.5C计至°78C有机液体°±°快特殊环境-200C

0.2C温度计至°300C由于环保要求，水银温度计的使用受到限制，现代实验室多采用数字温度计或其他类型的温度传感器酒精温度计因其安全性和较宽的测量范围，在教学和一般测量中仍有应用双金属温度计工作机制指针显示螺旋双金属片带动指针旋转螺旋结构将线性变形转换为旋转运动双金属片两种不同膨胀系数的金属结合温度感应温度变化引起双金属片弯曲双金属温度计利用两种热膨胀系数不同的金属片紧密结合制成的双金属片作为感温元件当温度变化时，由于两种金属的膨胀系数不同，双金属片会发生弯曲变形，这种变形通过机械传动系统放大并转换为指针的角位移，从而实现温度的指示热电偶测温原理塞贝克效应两种不同金属的接触点产生热电势，电势大小与温度差成正比测量端与参考端热端置于待测温度环境，冷端保持恒定参考温度信号处理通过测量热电势并进行冷端补偿计算得到实际温度温度显示将电信号转换为数字或模拟温度显示热电偶是工业中应用最广泛的温度传感器之一，具有测量范围宽、响应速度快、结构简单等优点不同类型的热电偶适用于不同的温度范围和环境条件热电阻测温技术铂电阻线性特性Pt100°时电阻值为，温度系数为电阻值与温度呈良好的线性关系，便于信号0C100Ω°处理

0.00385Ω/Ω/C工业应用高精度测量广泛用于过程控制和精密温度测量测量精度可达±°，稳定性优异

0.1C热电阻温度计基于金属导体的电阻值随温度变化的原理工作铂电阻因其优异的稳定性、重现性和线性度，成为工业标准温度传感器相比热电偶，热电阻具有更高的测量精度，但测量范围相对较窄半导体温度传感器结温度特性PN利用硅二极管正向压降与温度的线性关系，温度系数约为°-2mV/C热敏电阻负温度系数和正温度系数热敏电阻，灵敏度高但非线性NTC PTC集成温度传感器内置信号调理电路，直接输出数字信号或标准模拟信号智能温度传感器具有自校准、自诊断和通信功能的新一代温度传感器红外测温技术原理黑体辐射定律物体辐射能量与温度的四次方成正比红外辐射检测探测器接收目标物体发射的红外辐射发射率校正根据材料表面特性进行发射率补偿红外测温技术基于斯特藩玻尔兹曼定律，通过测量物体表面发射的红外辐射强度来确定温度这种非接触式测量方法特别适用于高温、-移动或危险环境中的温度测量发射率的准确设定是确保测量精度的关键因素光学高温计应用辐射高温计色温计原理基于普朗克辐射定律，通过测量特定波长的辐射强度来确定温度通过比较两个或多个波长的辐射强度比值来确定温度，能够消除适用于°以上的高温测量，常用于钢铁冶炼、陶瓷烧制发射率和距离变化的影响在航空航天、玻璃工业和金属加工中1000C等高温工艺过程有重要应用具有非接触、响应快、测量范围宽等优点，但需要考虑大气吸收色温法测量精度高，但设备复杂，成本较高，主要用于精密高温和目标物体发射率的影响测量场合温度计校准方法标准温度源冰点槽、沸点槽、恒温槽等提供准确的参考温度校准程序按照标准操作程序进行多点校准和数据记录不确定度评定分析和计算测量不确定度，确保校准结果的可靠性校准周期根据使用频率和精度要求确定适当的校准间隔第三部分压力测量基础压力定义压力类型大气压力单位面积上所绝对压力、表标准大气压及受的垂直作用压力、差压和其变化规律力真空度流体静压液体静压力和帕斯卡原理压力的科学定义数学表达式压力力面积P=F/A=/单位制SI帕斯卡牛顿平方米Pa=/N/m²物理意义单位面积上垂直作用力的大小压力是流体力学和热力学中的基本物理量，在化学反应、相变过程和传质传热中起着重要作用常用的压力单位还包括千帕、兆kPa帕、大气压、巴和毫米汞柱不同单位之间的换算关系为MPa atmbar mmHg1atm=101325Pa=

1.01325bar=760mmHg压力类型与关系绝对压力表压力以完全真空为基准的压力值，是压力的真实大小在热力学计算和以大气压力为基准测量的压力值，是工程中最常用的压力表示方法气体状态方程中必须使用绝对压力绝对压力永远为正值表压力可以为正值高于大气压或负值低于大气压差压真空度两个压力之间的差值，常用于流量测量、液位测量和过滤器压降监低于大气压力的程度，通常用绝对压力表示真空度越高，绝对压测差压测量不需要绝对压力基准，精度相对较高力越小完全真空对应的绝对压力为零大气压力特性流体静压力原理帕斯卡原理密闭流体中任一点的压力变化将等值传递到流体的各个部分静压力计算₀，其中为流体密度，为重力加速度，为深度P=P+ρghρg h连通器原理连通器中同一液体在同一水平面上各点的压力相等工程应用液压系统、液位测量、压力传递等工程技术的理论基础第四部分压力测量设备液柱压力计利用液体静压力原理，通过测量液柱高度确定压力值机械式压力表基于弹性元件变形原理，将压力转换为机械位移电子压力传感器将压力信号转换为电信号，实现数字化测量和远程监控真空测量设备专门用于低压和真空环境的压力测量装置液柱压力计工作原理型管压力计单管压力计倾斜管压力计U最基本的压力测量装置，通过测量型管将型管的一臂做成很大的容器，另一臂将测量管倾斜一定角度，使液柱在管内U U两臂液面高度差来确定压力差当被测为细管由于容器截面积远大于细管，的移动距离放大，提高读数精度倾斜压力作用于一臂时，液面产生高度差，容器中液面变化可忽略，只需读取细管角度通常为°°，可以测量很小Δh10-30压力差为中的液面高度的压力变化P=ρgΔh具有结构简单、精度高、无需校准等优读数方便，但测量范围相对较小，主要灵敏度高，适用于微压测量，但结构相点，是压力测量的基准器具用于低压测量对复杂机械式压力表类型波登管压力表膜盒式压力表测量范围广，精度等级

0.1-1000MPa适用于微压测量，灵敏度高0-40kPa级

1.0-

2.5机械传动膜片式压力表齿轮传动放大弹性元件微小变形耐腐蚀性好，适用于腐蚀性介质波登管压力表是工业中应用最广泛的压力测量仪表，其工作原理基于弯曲管在内压作用下产生变形当压力增加时，波登管趋向伸直，通过连杆和齿轮机构将变形放大并驱动指针偏转，从而指示压力值现代压力传感器技术信号转换原理压力传感器将机械压力信号转换为电信号，实现压力的电测量根据转换原理不同，可分为电阻式、电容式、压电式和光纤式等多种类型，每种都有其特定的应用场合数字化处理现代压力传感器内置微处理器，具有信号调理、线性化、温度补偿和数字滤波功能输出标准的数字信号或模拟信号、4-20mA0-，便于与控制系统连接10V智能化功能智能压力传感器具有自诊断、自校准、远程通信等功能通过、或以太网协议实现与上位机的数据交换，支HART PROFIBUS持远程参数设置和故障诊断应变式压力传感器信号输出放大后的电压信号正比于压力惠斯通电桥将电阻变化转换为电压变化应变片电阻值随机械应变线性变化弹性膜片压力作用下产生机械应变应变式压力传感器是目前应用最广泛的压力传感器类型，其工作原理基于金属应变片的压阻效应当弹性膜片在压力作用下产生变形时，粘贴在膜片上的应变片随之变形，导致电阻值发生变化通过惠斯通电桥电路将电阻变化转换为电压信号输出压力传感器关键性能参数

0.1%测量精度高精度传感器的典型精度等级±

0.02%温度系数每摄氏度温度变化引起的零点漂移1000:1量程比最大测量范围与最小测量范围的比值10ms响应时间快速响应传感器的典型响应时间压力传感器的性能参数直接影响测量质量精度决定了测量结果的可靠性，温度系数影响在不同温度下的测量稳定性，量程比反映了传感器的适用范围，而响应时间则关系到动态测量的能力选择传感器时需要根据具体应用要求综合考虑这些参数压力变送器技术压力感知信号处理标准输出通信接口传感器检测压力变化放大、线性化、补偿或数字信号、、4-20mA HARTFF PROFIBUS压力变送器是工业过程控制系统的重要组成部分，它将压力传感器的输出信号转换为标准的工业信号智能压力变送器还具有数字通信功能，可以传输测量值、诊断信息和设备状态，大大提高了系统的可靠性和维护效率差压测量技术应用流量测量液位测量利用节流装置孔板、文丘里管、通过测量容器底部与液面之间的喷嘴产生的差压来测量流体流量压力差来确定液位高度对于密根据伯努利方程，流量与差压的度已知的液体，液位高度与差压平方根成正比，是工业中最常用成正比关系，测量精度高且不受的流量测量方法液体性质影响过滤器监测监测过滤器前后的压力差来判断过滤器的堵塞程度当差压超过设定值时，提示需要清洗或更换过滤器，确保系统正常运行真空测量技术麦克劳真空计利用波义耳定律测量真空度，测量范围10⁻¹-10⁻⁴Pa，精度高但响应慢皮拉尼真空计基于气体热传导原理，测量范围⁻，响应快适用于过程控制10¹-10²Pa电离真空计通过测量电离电流确定真空度，测量范围可达⁻，用于超高真空测量10⁸Pa磁悬浮真空计利用磁悬浮技术消除机械接触，实现无摩擦的精密真空测量第五部分实验室测量应用温度测量技巧压力测量方法在实验室中进行准确的温度测量需要注意传感器的选择、安装位实验室压力测量涉及反应器压力监控、气体压力控制和真空系统置和测量方法不同的测量对象和环境条件需要采用相应的测量管理等多个方面安全操作和精确测量同等重要策略压力测量设备的正确使用和维护直接影响实验结果的准确性和实正确的操作程序和数据处理方法是获得可靠结果的关键验室安全温度测量实验技巧液体温度测量温度计应完全浸入液体中，避免接触容器壁底搅拌均匀确保温度分布一致，读数时视线与液面平齐气体温度测量传感器应置于气流中心，避免壁面效应对于高温气体需使用辐射屏蔽，防止热辐射影响固体表面测量确保传感器与固体表面良好接触，使用导热膏提高热传导避免环境温度和气流的干扰动态温度测量选择响应时间快的传感器，考虑热惯性影响记录温度变化曲线，分析升降温过程环境温度标准测量辐射防护百叶箱或辐射屏蔽罩保护通风要求良好的自然通风或强制通风高度标准距地面米标准高度设置

1.5位置选择远离建筑物和热源的开阔地带标准气象温度测量要求传感器安装在距地面米高度的百叶箱内，确保测量结果的代表性和可比性百叶箱应具有良好的通风性能，同时防止

1.5阳光直射和降水影响测量数据需要定时记录，建立长期的温度变化趋势档案实验室压力安全测量反应釜监测气体系统蒸汽压测定实时监控反应过程中的准确控制反应气体的供测量纯物质和混合物的压力变化，设置压力报给压力，确保反应条件蒸汽压，建立温度压-警和联锁保护的稳定性力关系曲线安全防护安装安全阀、爆破片等超压保护装置，确保实验安全温度压力协同测量系统温度控制压力监测精确控制和测量系统温度，建立恒温环1实时监测系统压力变化，记录关系数PV境据关系分析数据采集分析气体状态方程，验证理论模型的适同步采集温度压力数据，建立完整的用性数据库PVT温度压力协同测量在物理化学研究中具有重要意义，特别是在研究气体状态方程、相平衡和临界现象时现代数据采集系统能够实现毫秒级的同步采样，为建立精确的关系提供可靠的实验数据支持PVT第六部分工业测量应用过程控制温度压力测量是工业过程控制的基础，确保生产工艺的稳定性和产品质量安全监护实时监测工艺参数，防止超温超压事故，保障生产安全和人员安全优化控制通过精确测量和数据分析，优化工艺参数，提高能源利用效率智能化管理集成到系统，实现远程监控和自动化控制DCS/SCADA工业高温测量技术钢铁冶炼炼钢炉温度°，使用光学高温计和热电偶测量1500-1700C陶瓷烧制2窑炉温度控制在°，确保产品质量和节能减排800-1300C玻璃熔制玻璃熔炉温度°，精确控制玻璃液的粘度和成1400-1600C型性工业高温测量面临恶劣的工作环境，需要选择耐高温、抗腐蚀的传感器材料和保护装置红外测温技术因其非接触特性在高温工业测量中得到广泛应用，但需要考虑大气吸收、粉尘干扰和目标发射率等因素的影响工业压力监控系统架构系统集成SCADA数据采集与监视控制系统，通过通信网络连接现场压力传感器，实现集中监控和数据存储支持历史数据查询、趋势分析和报表生成功能分散控制DCS分散控制系统将压力控制功能分布到各个控制站，提高系统可靠性集成先进的控制算法，实现压力的精确控制和优化调节安全联锁系统独立的安全仪表系统，当压力超出安全范围时自动执行保护动作包括报警、停机、SIS卸压等多级保护措施，确保装置和人员安全智能诊断功能利用人工智能算法分析压力传感器的运行状态，预测设备故障和维护需求通过模式识别技术识别异常压力波动，提前预警潜在问题温度传感器工业安装标准管道安装密封连接选择流体充分混合的直管段，避开弯头和阀门附近的湍流区域确保连接处的密封性能，防止泄漏和外界干扰保护套管维护通道使用热电偶保护套管，材质选择耐温耐腐蚀合金钢或陶预留足够的维护空间，便于传感器的检查、校准和更换瓷材料压力传感器工业安装要点取压点选择脉动抑制选择压力稳定、代表性好的测量点，避安装缓冲器或阻尼器，消除压力脉动对开死角和积液处测量的影响定期维护防冻保温建立维护计划，定期清洗导压管，校验导压管和传感器本体采取保温措施，防传感器精度止冬季结冰堵塞工业压力传感器的安装质量直接影响测量精度和系统可靠性正确的安装包括合理选择安装位置、正确连接导压管路、有效的环境保护措施以及完善的维护保养制度特别要注意导压管的坡度设计，确保冷凝液能够正常排放第七部分数据处理与误差分析误差识别与分类系统地分析测量过程中各种误差来源，包括仪器误差、环境误差、方法误差和人为误差正确分类有助于采取针对性的改进措施，提高测量质量数据校正与补偿运用数学方法对测量数据进行校正和补偿，消除已知的系统误差包括零点校正、满度校正、线性化处理和温度补偿等技术手段不确定度评定按照国际标准方法评定测量不确定度，为测量结果提供可信度指标通过不确定度分析，可以量化测量质量，指导仪器选型和测量方案优化。