温度计测温常见现象之理论解析

　　当我们用配有温度传感器探头(玻璃棒、热电阻、热电偶)测量温度时,会发现放入液体中要比放入气体中反应快,放入流动的液体中要比放入静止的液体中反应快。同一个仪器,在不同的环境下有不同的响应时间(即热平衡时间)。温度计的这一特性与其它测量仪器相比较是很独特的。电子仪器的响应时间仅仅只是仪器本身的函数,与测量对象无关。而对于温度计的响应时间是由被测流体的换热系数决定的。温度计的这种特殊关系在测量仪器中是很独特的。本文从传热学原理的角度对这一现象进行解释。

　　我们知道,凡是有温度差的地方,就有热量自发地从高温物体传向低温物体。热量传递存在于温度计本身和环境介质之间。

　　热量传递有三种基本方式:导热、对流和热辐射。当物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热。对流是指流体各部分之间发生相对位移,冷热流体相互掺混所引起的热量传递方式。对流仅能发生在流体中。我们在生活中、工程上遇到的大多不是单纯对流方式,而是流体流过另一物体表面时对流和导热联合起作用的热量传递过程,称为对流换热。物体通过电磁波来传递能量的方式称为辐射。其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射。因本文所涉及实例中温度较低(一般小于800K),所以对热辐射的影响忽略不计。下面笔者以玻璃棒温度计为例分析测温时的传热过程。

　　传热过程:分三个环节。(1)从流体到温度计壁面的对流换热,温度计与介质之间的传热过程应该属于对流换热。在气体中是自然对流,也有强制对流的情况;在液体中属于强制对流。

　　(2)温度计壁面外到内侧的导热。因为温度计的长度与直径相比,长度很长,所以沿轴向的导热就可以忽略不计,仅考虑温度沿半径发生了变化。

　　(3)对玻璃棒状温度计是玻璃内侧与感温介质的对流换热。热量传递过程中的各个环节所包含的传热方式如图1所示:

　　因后两个过程不与介质有关,所以本文只讨论第一步,即流体介质和温度计外壁间的对流换热。单位时间换热的热量表达式如式(1):

　　热阻表达式中换热面积F是一定的,而对流换热系数α不是介质的物性参数,它与很多量有关。不仅取决于流体的物性(传导系数、密度、粘度等),还取决于换热表面的形状与布置,而且还与流速有密切的关系。但可以根据经验得到其大致范围。空气自然对流换热系数的数量级是3~10,气体强制对流的20~100。而水强制对流α的数量级是1000~15000。需要50~150倍的时间来平衡。如果稳定的时间没有足够长,那么所测的温度就不是我们真正所要测量的温度。