Мир температурных измерений

Мир температурных  измерений.

Немного истории.

_О

дной  из важнейших характеристик, описывающих  изменчивость окружающего нас мира, является температура. Среднегодовой перепад температур среды обитания человека, в которой проживает большая часть населения Земли, может достигать -50...+50°С.

  Измеритель  температуры (термометр) - после измерителей веса, объема и длины - является следующим по давности его создания. История первого термометра превышает 300 лет.

  После того, как человек научился измерять температуру, этот вид измерительного средства постоянно расширяет свое применение в различных областях человеческой деятельности - в промышленности, науке, медицине, коммунальном хозяйстве, обороне государства. Сохраняется очевидная тенденция к повышению точности и расширению диапазона измеряемых температур. В последние 40-50 лет получило развитие новое направление термометрии - тепловидение. Тепловизионная техника, в отличие от обычных измерителей температуры, которые измеряют ее в локальной области или усредненную по контролируемому объекту, дает возможность исследовать распределение температурных участков по поверхности объекта. Такие измерения крайне важны при поиске мест потери тепла, перегретых участков в электрических и технологических схемах, поиске и обнаружении объектов противника, локализации больных органов у пациента.

Измерение температуры

_Т

емпература оказывает  многообразное влияние как на процессы и реакции на физическом и биологическом уровнях в природе, так и на технологические процессы, осуществляемые человеком. В связи с этим достоверность воспроизведения величины температуры чрезвычайно актуальна

 Для измерения температуры применяются разнообразные средства и методы измерений. Температура, как и любая другая физическая величина, измеряется набором определенных измерительных приборов. Средствами для измерения температуры служат термометры, входной (измеряемой) величиной которых является температура, а выходной (выходным сигналом) может быть любая величина, однозначно зависящая от температуры.

 По  методу измерения термометры разделяют  и контактные термометры, непосредственно контактирующие с измеряемым объектом, и пирометры излучения, определяющие температуру исследуемого объекта бесконтактно на расстоянии по излучаемой им энергии.

 Истинное значение температуры никогда нельзя определить абсолютно точно. При измерении температуры одним из заданных способов не всегда получают одинаковые результаты измерений. Разница между измеренным значением и действительным значением, определенным по реперным точкам или путем сравнения с показаниями эталонного измерительного прибора, называется погрешностью измерения.

 Определить  температуру объекта с помощью  измерительных приборов можно, лишь соотнеся наблюдаемые на термометре значения температуры с некоторой эталонной температурой. Для однозначного измерения температуры необходимо было создать достоверную температурную шкалу. Уже издавна для градуировки термометров использовали температуры таяния льда и кипения воды, так как эти процессы наиболее доступны, и, следовательно, температуры, им сопутствующие, наиболее легко воспроизводимы.

Эталон единицы термодинамической температуры - кельвин

 До  введения термодинамической шкалы  температур применялись интервальные температурные шкалы (Фаренгейта, Реомюра, Цельсия), реализуемые с помощью жидкостных термометров. Их недостаток - нелинейное отклонение шкалы от термодинамической, обусловленное свойствами рабочих веществ.

 Удовлетворяющая всем требованиям хорошо воспроизводимая температурная шкала, не зависящая от значения температуры и каких-либо свойств веществ, была разработана в 1848 году У. Томсоном (лордом Кельвином) и называется термодинамической температурной шкалой. В 1954 году 10-я Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) определила единицей термодинамической температуры градус Кельвина как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. С 1967 года единица термодинамической температуры называется кельвин (К). 
 

Международная температурная шкала

 Основное  требование, которое, как правило, предъявляется к температурной шкале, - измеренные по ней температуры должны совпадать с температурами, входящими в формулы термодинамики и статистической физики, служащие основой для теплофизических расчетов. Такая термодинамическая шкала вводится посредством цикла Карно. Термодинамическая шкала может быть введена также согласно второму началу термодинамики.

 При измерении температуры по термодинамической шкале на практике применяют обычно не цикл Карно, а одно из строгих следствий второго начала термодинамики, связывающих удобно измеряемое термометрическое свойство с термодинамической температурой: законы идеального газа, законы излучения абсолютно черного тела, закон Кюри идеального парамагнетика, формулу Найквиста для тепловых флуктуации напряжения на электрическом сопротивлении и т.д. Термометры, для которых температурная зависимость Т(х) получена из этих соотношений, часто называют первичными.

 Первичные термометры высокой точности представляют собой, в большинстве своем, громоздкие устройства, непригодные для практических измерений. Их назначение - передать термодинамическую температурную шкалу удобным чувствительным и стабильным вторичным термометрам.

 Способ  градуировки вторичных платиновых термометров с внесением поправок в реперных точках лежит в основе международной температурной шкалы, которая воспроизводит температуры по термодинамической температурной шкале с минимальными отклонениями от последней. Важное преимущество международной температурной шкалы - ее независимость от конкретного термометра - носителя шкалы.

Реализация  термодинамической шкалы на практике требует проведения большого числа экспериментов, поэтому на основе международных соглашений была принята чисто эмпирическая, легко воспроизводимая шкала, так называемая Международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая приближается к термодинамической температурной шкале Кельвина (ТТШК). В настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году шкала МТШ-90

Основные типы контактных термометров

Кроме задания  реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство вещества, зависящее от температуры (признак температуры), которое должно быть достаточно легко воспроизводимым. Это позволяет получить набор температурных точек, промежуточных по отношению к реперным точкам.

Для числовой характеристики температуры необходимо выбрать признак изменения температуры, тоже достаточно легко воспроизводимый, позволяющий получить упорядоченный набор температурных чисел.

Такими признаками могут быть, например: изменение объема, изменение электрического сопротивления, возникновение электрического тока и т.п. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры будут: газовый и жидкостный термометры, термометр сопротивления, термопара.

Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например жидкостных, которые более удобны на практике, однако шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается неравномерной.

В связи с  развитием измерительной техники  наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термометры сопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары. К числу их достоинств следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких преобразователей через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора или ЭВМ, возможность разделенной градуировки измерительного прибора и преобразователя.

• Газовый термометр

Газовый термометр  имеет наибольшее значение среди первичных термометров. Его действие основано на уравнении состояния идеального газа. Он обеспечивает точность 2*10^-3 К в интервале температур 2-400 К. Газовый термометр имеет то преимущество, что температура, определяемая с его помощью при малых плотностях газа, в широких пределах не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур.

• Акустический термометр

Первичным термометром, в котором также применяется  газ, может служить акустический термометр, однако при низких температурах

(2-20 К) акустический  термометр имеет точность на  порядок меньше, чем газовый.

• Шумовой термометр

В качестве первичного может применяться и термометр, основанный на измерении шумового напряжения на электрическом сопротивлении. Точность шумового термометра обычно не превышает 0,1%, и его применяют при очень низких (ниже нескольких К) или при высоких (свыше 1000 К) температурах, а также в условиях высокого радиационного фона, когда происходит сравнительно быстрое разрушение любого термометра.

• Магнитный термометр

Для измерения  температур ниже нескольких Кельвинов  часто применяют первичный магнитный термометр, основанный на законе Кюри для идеального парамагнетика. К числу наиболее употребляемых парамагнитных материалов относятся церий-магниевый нитрат (0,006-3 К), а также медь и платина (10-⁶—0,1 К).

• Жидкостный термометр

Это наиболее распространенный в практических измерениях вторичный термометр, основанный на изменении объема жидкости при изменении ее температуры. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -39°С до 600°С. При высоких температурах (свыше 300°С) в капилляр накачивают азот (давление до 10⁷ Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Добавлением таллия нижнюю температуру, измеряемую ртутным термометром, можно понизить до -59°С. Другими видами широко распространенных жидкостных термометров являются спиртовой (от -110°С до 50°С) и пентановый (от-200°Сдо20°С).

• Металлический термометр сопротивления (термопреобразователь сопротивления)

Измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а температурный коэффициент сопротивления для чистых металлов имеет величину, близкую к 4*10-³ (0 С)-¹. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела - металлического электрода. Чаще всего в качестве электродов используют платиновую или медную проволоку, а также различные сплавы платины или меди. Диапазон применения таких термометров - от водородных температур (-20 К) до сотен Кельвинов. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

• Полупроводниковый термометр сопротивления (термистор)

 Измерение температуры основано на явлении  уменьшения сопротивления полупроводников  с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.

 Специально  изготовленные полупроводниковые  термометры сопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах. Однако в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур, что приводит к отсутствию воспроизводимости результатов измерений. Чаще всего в качестве материала для термистора используют германий - для измерения температур ниже 100 К, и углерод (уголь) - 0,001-10 К.

• Термопара (термоэлектрический преобразователь)

 Термопара представляет собой спай двух металлических термоэлектродов, находящийся в зоне измеряемой температуры, при этом другие концы термоэлектродов находятся при известной температуре. К свободным концам подключают измерительный прибор, образуя таким образом замкнутый электрический контур. Электродвижущая сила (термоЭДС), возникающая в таком контуре, зависит от разности двух температур - спая и свободных концов. Таким образом, термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая в цепи термоЭДС.

 Чувствительность  термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур - от азотных до полутора тысяч градусов Цельсия (для термопар из благородных металлов). Наибольшее применение нашли следующие термопары: платино-родиевая, хромель-алюмелевая, хромель-копелевая, медь-константановая, иридие-родиевая.

    Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур. Свободные концы находятся, как правило, при температуре помещения, в котором находится оператор. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободных концов.

Основные типы бесконтактных термометров

 О температуре  нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.