Средства измерения температуры
Бесконтактные датчики положения механизмов
Наиболее распространены бесконтактные датчики положения следующих типов: индуктивные, генераторные, магнитогерконовые и фотоэлектронные. Указанные датчики не имеют механического контакта с подвижным объектом, положение которого контролируется.
Бесконтактные датчики положения обеспечивают высокое быстродействие и большую частоту включений механизма. Определенным недостатком этих датчиков является зависимость, их точности от изменения напряжения питания и температуры. В зависимости от требований выходным аппаратом этих устройств может быть как бесконтактны логический элемент, так и электрическое реле.
В схемах точной остановки электроприводов бесконтактные датчики могут использоваться как для подачи команды на переход к пониженной частоте вращения, так и для окончательной остановки.
· Термометр сопротивления
Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.
В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0° C) и температуре кипения (100° C).
t= Т-То (7.1),
где То =273,15 К;
t- температура в градусах Цельсия;
Т – температура в Кельвинах.
Температуру, выраженную в градусах Цельсия обозначают «°С».
По размеру единицы физической величины градус Цельсия равен Кельвину.
Температуру измеряют с помощью средств измерений, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. К таким средствам измерений относятся:
– термометры расширения;
– термометры манометрические;
– термометры сопротивления с логометрами или мостами;
– термопары с милливольтметрами или потенциометрами;
– пирометры излучения.
Температуру измеряют контактным (с помощью термометров сопротивления, манометрических термометров и термометров термоэлектрических) и бесконтактным (с помощью пирометров) методами.
– наиболее высокая точность измерений температуры достигается при контактных методах измерений;
– бесконтактный метод служит для измерений высоких температур, где невозможно измерять контактными методами и не требуется высокой точности.
Измерительная система температур представляет собой совокупность термометрического преобразователя (датчика) и вторичного измерительного прибора.
Термометрический преобразователь – измерительный преобразователь температуры, предназначенный для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки или (и) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдением.
К термометрическим преобразователям относят:
– термометры сопротивления;
– термоэлектрические термометры (термопары);
– телескоп радиационного пирометра.
Вторичный измерительный прибор – средство измерений, преобразующее выходной сигнал термометрического преобразователя в численную величину.
В качестве вторичных измерительных приборов используют логометры, мосты, милливольтметры, автоматические потенциометры.
Методы и технические средства измерения температуры
1. Термометры расширения и термометры манометрические
Жидкостные стеклянные термометры.
Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры – используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).
Жидкостный термометр состоит из стеклянного баллона, капиллярной трубки. Термометрическое вещество заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра о порчи при чрезмерном перегреве.
В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.
Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.
Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей:
1. технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые;
2. лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра;
3. жидкостные термометры (не ртутные); 4. повышенной точности и образцовые ртутные термометры;
5. электроконтактные ртутные термометры с вложенной шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи;
6. специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и другие), минимальные, метеорологические и другого назначения.
Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, – металлического термобаллона, рабочего элемента манометра, измеряющего давление в системе, длинного соединительного металлического капилляра. При изменении температуры измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры.
Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:
1. жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью;
2. конденсационные, в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично – ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр – насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью;
3. газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом.
Достоинствами манометрических термометров являются сравнительная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры и возможность автоматической записи показаний. К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.
Манометрические термометры не имеют большого применения на тепловых электрических станциях. В промышленной теплоэнергетике они встречаются чаще, особенно в случаях, когда по условиям взрыво – или пожаробезопасности нельзя использовать электрические методы дистанционного измерения температуры.
2. Термоэлектрические термометры
Для измерения температуры в металлургии наиболее широкое распространение получили термоэлектрические термометры, работающие в интервале температур от -200 до +2500 0C и выше. Данный тип устройств характеризует высокая точность и надежность, возможность использования в системах автоматического контроля и регулирования параметра, в значительной мере определяющего ход технологического процесса в металлургических агрегатах.
Сущность термоэлектрического метода заключается в возникновении ЭДС в проводнике, концы которого имеют различную температуру. Для того, чтобы измерить возникшую ЭДС, ее сравнивают с ЭДС другого проводника, образующего с первым термоэлектрическую пару AB, в цепи которой потечет ток.
Термо-ЭДС данной пары зависит только от температуры t1 и t2 и не зависит от размеров термоэлектродов (длины, диаметра), величин теплопроводности и удельного электросопротивления.
Для увеличения чувствительности термоэлектрического метода измерения температуры в ряде случаев применяют термобатарею: несколько последовательно включенных термопар, рабочие концы которых находятся при температуре t2, свободные при известной и постоянной температуре t1.
Устройство термоэлектрических термометров
Термоэлектрический термометр (ТТ) – это измерительный преобразователь, чувствительный элемент которого (термопара) расположен в специальной защитной арматуре, обеспечивающий защиту термоэлектродов от механических повреждений и воздействия измеряемой среды. Арматура включает защитный чехол, и головку, внутри которой расположено контактное устройство с зажимами для соединения термоэлектродов с проводами, идущими от измерительного прибора к термометру. Термоэлектроды по всей длине изолированы друг от друга и от защитной арматуры керамическими трубками.
В качестве термоэлектродов используется проволока диаметром 0.5 мм (благородные металлы) и до 3 мм (неблагородные металлы). Спай на рабочем конце термопары образуется сваркой, пайкой или скручиванием. Последний способ используется для вольфрам-рениевых и вольфрам-молибденовых термопар.
Стандартные и нестандартные термоэлектрические термометры
Для измерения в металлургии наиболее широко применяются ТТ со стандартной градуировкой: платинородий-платиновые (ТПП), платинородий- платинородиевые (ТПР), хромель-алюмелевые (ТХА), хромель-капелевые (ТХК), вольфрамрений-вольфрамрениевые (ТВР). В ряде случаев используют также ТТ с нестандартной градуировкой: медь-константановые, вольфрам-молибденовые (ТВР) и др.
В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах и агрессивном воздействии сред появляется нестабильность градуировочной характеристики, которая является следствием ряда причин: загрязнения материалов термоэлектродов примесями из защитных чехлов, керамических изоляторов и атмосферы печи; испарения одного из компонентов сплава; взаимной диффузии через спай. Величина отклонения может быть значительной и резко увеличивается с ростом температуры и длительностью эксплуатации. Указанные обстоятельства необходимо учитывать при оценке точности измерения температуры в производственных условиях.
Поверка технических ТТ
Поверка ТТ сводится к определению температурной зависимости термо-ЭДС и сравнению полученной градуировки со стандартными значениями.
Градуировка производится двумя методами: по постоянным точкам или сличениям.
Градуировка по постоянным (реперным) точкам является наиболее точной и применяется для образцовых термопар. Поверяемую термопару помещают в тигель с металлом высокой чистоты, установленной в печи, и регистрируют площадку на кривой изменения термо-ЭДС по мере повышения или понижения температуры металла. Данная площадка соответствует температуре плавления или кристаллизации металла, причем более предпочтительно вести градуировку по точке кристаллизации. В качестве реперных металлов используют золото, палладий, платину и др.
Методом сличения проводится градуировка образцовых термопар второго разряда и технических ТТ. Он заключается в непосредственном измерении термо- ЭДС градуируемой термопары при постоянной температуре свободных концов t0=0 0C и различных температурах t2 рабочего спая, причем последняя определяется с помощью образцового термометра. Измерения термо- ЭДС производят с помощью переносного потенциометра с точностью измерения (отсчета) не хуже 0.1 мВ. Отсчет проводится после 10 минут выдержки при данной температуре.
Измерение термо-ЭДС компенсационным путем
Измерение термо-ЭДС термопары прямым путем, по силе тока в цепи постоянного сопротивления, с помощью милливольтметра, можно осуществить сравнительно просто. Однако этот метод обладает рядом недостатков, создающих дополнительные погрешности, что в большинстве случаев не позволяет получить высокой точности измерения.
В измерительной технике кроме прямых методов измерения известны компенсационные метода или методы противопоставления (сравнения) неизвестной величины величине известной. Компенсационные методы позволяют провести измерения более точно, хотя и не всегда так просто, как прямое измерение.
Основное преимущество компенсационного измерения термо-ЭДС, по сравнению с прямым, с помощью милливольтметра, состоит в том, что в момент измерения ток в цепи термопары равен 0. Это означает, что величина сопротивления внешней цепи не имеет значения: никакой подгонки сопротивления внешней цепи делать не надо и беспокоиться о влиянии температуры окружающей среды на внешнюю цепь нет необходимости.
Автоматические потенциометры служат для компенсационных измерений термо-ЭДС без ручных манипуляций, свойственных неавтоматическим потенциометрам. У последних ручные манипуляции после стандартизации тока сводятся к следующей необходимости перемещать движок реохорда до тех пор, пока стрелка гальванометра не встанет на ноль. При этом перемещение движка производится во вполне определенном направлении.
Измерительная схема автоматического потенциометра в принципе не отличается от схемы не автоматического потенциометра.
Схема имеет три источника напряжения (батарея Б, нормальный элемент НЭ и термопару Т) и три цепи. Цепь батареи выполнена в виде моста: в диагональ BD включается питание, а в диагональ CA – цепь термопары. Цепь нормального элемента подключается к плечу CD компенсационной цепи. С помощью переключателя П в цепь термопары или в цепь нормального элемента включается электронный усилитель ЭУ (в том числе и вибрационный преобразователь). При включении цепи нормального элемента вводится шунтирующее сопротивление R1, параллельное электронному усилителю, так как в этом случае величина напряжения небаланса бывает много больше, чем при включении цепи термопары.
Электронные автоматические потенциометры называют иногда приборами с непрерывной балансировкой, так как измерение небаланса производится здесь с частотой переменного тока 50 Гц.
3. Электрические термометры сопротивления
В металлургической практике для измерения температур до 6500С применяются термометры сопротивления (ТС), принцип действия которых основан на использовании зависимости электрического сопротивления вещества от температуры. Зная данную зависимость, по изменению величины сопротивления термометра судят о температуре среды, в которую он погружен. Выходным параметром устройства является электрическая величина, которая может быть измерена с весьма высокой точностью (до 0.020С), передана на большие расстояния и непосредственно использована в системах автоматического контроля и регулирования.
В качестве материалов для изготовления чувствительных элементов ТС используются чистые металлы: платина, медь, никель, железо и полупроводники.
Вид функции R = f (t) зависит от природы материала и может быть записан как линейное уравнение R = R0(1 + at), где a – температурный коэффициент сопротивления, t – температура.
Сопротивление полупроводников с увеличением температуры резко уменьшается, т. е. они имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления практически на порядок больше, чем у металлов. Полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) в основном применяются для измерения низких температур.
Достоинствами ТСПП являются небольшие габариты, малая инерционность, высокий коэффициент. Однако они имеют и существенные недостатки:
1) нелинейный характер зависимости сопротивления от температуры;
2) отсутствие воспроизводимости состава и градуировочной характеристики, что исключает взаимозаменяемость отдельных ТС данного типа. Это приводит к выпуску ТСПП с индивидуальной градуировкой.
Типы и конструкции ТС
Для решения различных задач ТС делятся на эталонные, образцовые и рабочие, которые в свою очередь подразделяются на лабораторные и технические.
Технические ТС в зависимости от назначения и конструкции делятся на: погружаемые, поверхностные и комнатные; защищенные и не защищенные от действия агрессивной среды; стационарные и переносные; термометры 1-го, 2- го и 3-го классов точности и т. д. Термометр состоит из чувствительного элемента, расположенного в защитном стальном чехле, на котором приварен штуцер. Провода, армированные фарфоровыми бусами, соединяют выводы чувствительного элемента с клеммной колодкой, находящейся в корпусе головки. Сверху головка закрыта крышкой, снизу имеется сальниковый ввод, через который осуществляется подвод монтажного кабеля. При измерении температуры сред с высоким давлением на чехол ТС устанавливается специальная защитная (монтажная) гильза.
Чувствительный элемент ТС выполнен из металлической тонкой проволоки с безиндукционной каркасной или бескаркасной намоткой. Значительно реже в металлургической практике встречаются полупроводниковые термометры сопротивления (ТСПП) для измерения температуры от -90 до +180 0С. Их применяют в термореле, низкотемпературных регуляторах, обеспечивающих высокоточную стабилизацию чувствительных элементов газоанализаторов, хроматографов, корпусов пирометров, электродов термоэлектрических установок для экспресс-анализа состава металла и т. п.
Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.
Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства называются термометрическими. К ним относятся длина, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т.д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называются термометрическими.
Средства измерений температуры называют термометрами. Для создания термометра необходимо иметь температурные шкалы.
Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. Первые температурные шкалы (см. таблицу 1.1) основывались на допущении линейной связи между температурой и термометрическим свойством, в качестве которого использовалось расширение объема жидкости.
Для построения температурной шкалы выбирались две опорные (реперные) точки t1 и t2, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. (t2 – t1) – называется температурным интервалом. В шкалах Фаренгейта (1715 г.), Цельсия (1742 г.) и Реомюра (1776 г.) точка плавления льда t1 равна соответственно +32 оF, 0 oC, 0 oR, а точка кипения воды t2 – 212 oF, 100 oC, 80 oR. (t2 – t1) в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 100, 80 равных частей. И 1/N часть каждого из интервалов называется градусом Фаренгейта – оF, градусом Цельсия – о С и градусом Реомюра – оR. Таким образом, градус для этих шкал не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы. Поэтому такие шкалы называются условными.
Т а б л и ц а 1.1 – Условные температурные шкалы
Показания таких термометров, имеющих разные термометрические вещества (например, ртуть, спирт и другие), использующих одно и то же термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках (температура таяния льда и температура кипения воды), а в других точках показания расходятся. Это объясняется тем, что связь между to и термометрическим свойством нелинейная.
Проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ, была решена в 1848 г. Кельвином, а предложенная им шкала была названа термодинамической.
Принятие такого значения разности преследовало цель сохранения преемственности числового выражения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Таким образом, один градус Кельвина (1К) соответствует одному градусу Цельсия (1
температурный коэффициент объемного расширения равен
1/273,15. Таким образом, нулевое значение абсолютной температуры соответствует (-273,15
В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующей редакции: «Кельвин – это 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды»: 1К = 1/273,16 ТТВ. Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t
В настоящее время действует принятая на XIII Генеральной конференции по мерам и весам «Международная практическая температурная шкала 1968» МПТШ-68, которая базируется на 11 основных и 27 вторичных реперных точках, охватывающих диапазон температур от 13,956 до 3660 К (от -259,194 до 3387
). В таблице 1.2 приведены основные реперные (постоянные) точки МПТШ-68.
Т а б л и ц а 1.2 – Основные реперные точки МПТШ-68
Т а б л и ц а 1.3 – Технические средства измерения температуры
1.2 Манометрические термометры
Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости между температурой и давлением рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме. Манометрические термометры являются техническими приборами и в зависимости от рабочего вещества термосистемы они подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные). В зависимости от рабочего вещества термосистемы их применяют для измерения температуры жидких и газообразных сред от -150 до +600 оС. Термометры со специальным заполнителем предназначены для измерения t от +100 до +1000 оС.
Манометрические термометры изготавливают показывающие и самопишущие. Некоторые типы термометров изготавливаются с дополнительным устройством для сигнализации (или регулирования) температуры, снабжают передающим преобразователем с выходным унифицированным сигналом постоянного тока 0-5 мА или пневматическим передающим преобразователем с выходным унифицированным пневматическим сигналом 0,2-1 кгс/кв.см (0,02-0,1 МПа).
Схема устройства показывающего манометрического термометра представлена на рисунке 1.1. Термосистема термометра состоит из термобалона 1, погружаемого в среду, температура которой измеряется, капилляра 2 и манометрической пружины 3. Один конец пружины впаян в держатель, канал которго соединяет внутреннюю полость манометрической пружины через капилляр с термобаллоном. Второй свободный конец пружины герметизирован и шарнирно связан с секторным передаточным механизмом, на оси которого насажена указательная стрелка. Термосистема термометра заполнена рабочим веществом, например, газом (или жидкостью), под некоторым начальным давлением. При нагревании термобаллона увеличивается давление газа в замкнутой герметизированной термосистеме, в результате чего пружина деформируется (раскручивается) и ее свободный конец перемещается. Движение свободного конца пружины преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора, по которой производят отсчет температуры.
Уменьшение температурной погрешности газовых и жидкостных термометров, обусловленной отклонением температуры пружины от нормальной (20 оС), достигается введением термобиметаллического компенсатора 5 в поводок передаточного механизма.
Термобаллон и защитная гильза капилляра изготавливаются из стали марки 1Х18Н9Т, что позволяет применять их на условное давление до 6,4 МПа без защитной гильзы и на условное давление 6,4 – 25 Мпа – с защитной гильзой.
Манометрические газовые термометры (МГТ). МГТ позволяют измерять термературу от -150 до +600 оС. Рабочее вещество – азот. Длина соединительного капилляра 0,6 – 60 м. При постоянном объеме газа зависимость его давления от температуры определяется выражением
– термический коэффициент давления газа,
При изменении температуры газа в термобаллоне термометра от
– давление газа при температуре, соответствующей началу
После несложных преобразований получаем
Из этого выражения видно, что размер рабочего давления
в термосистеме газового термометра прямо пропорционален значению начального давления
и диапазону измерения (
) прибора. При повышении температуры термобаллона термометра объем термосистемы его увеличивается в основном за счет расширения термобаллона и увеличения объема внутренней полости манометрической пружины. При увеличении температуры газа, а вместе с тем и давления, происходит частичное перетекание газа из термобаллона в капилляр и манометрическую пружину. При понижении температуры газа в термобаллоне будет происходить обратный процесс. Вследствие этого при измерении температуры газовым термометром постоянство объема газа в термосистеме не сохраняется. Поэтому зависимость между давлением газа в термосистеме и его температурой незначительно отклоняется от линейной и действительное давление газа в термосистеме при температуре
будет меньше подсчитанного по формуле (1.2). Однако эта нелинейность не играет существенной роли, и шкала газового термометра получается практически равномерной.
Ввиду больших размеров термобаллона (диаметр – 20 мм, длина – 125 мм – 500 мм) газовые термометры не везде могут быть применены.
Манометрические конденсационные термометры (МКТ). Термобаллон МКТ частично заполнен конденсатом (примерно на 0,7-0,75 объема), а в верхней части термобаллона над конденсатом находится насыщенный пар этой жидкости. Манометрическая пружина и капилляр термометра заполнены тем же конденсатом, что и термобаллон.
МКТ выпускаются с пределами измерения от -50 оС до 300 оС. В качестве конденсата используется фреон-22 с пределами измерения от -25 до 80 оС, пропилен с пределами измерения от -50 оС до 60 оС, хлористый метил с пределами измерения от 0 до 125 оС, ацетон с пределами измерения от +100 до 200оС, этиленбензол с пределами измерения от +160 до 300 оС и т.п.
Давление в термосистеме МКТ равно давлению насыщенного пара в термобаллоне. При этом зависимость между давлением насыщенного пара и температурой является вполне определенной, однозначной и известной для конденсата, которым заполенена термосистема термометра. Однако однозначная зависимость давления насыщенного пара от температуры имеет место только до определенной температуры, называемой критической.
Показания МКТ зависят от высоты расположения термобаллона (выше или ниже) по отношению к корпусу прибора, а также и от изменения атмосферного давления. При этом погрешность показаний термометра в начале шкалы будет больше, чем в конце шкалы, так как в последнем случае давление столба рабочей жидкости в капилляре будет весьма малой долей общего давления в термосистеме.
Жидкостные манометрические термометры (МЖТ). Для заполнения термосистемы МЖТ применяют пропиловый алкоголь, метансилол, силиконовые жидкости и т.п. МЖТ позволяют измерять температуру от -150 до +300 оС. Они выпускаются с различными диапазонами измерения температуры в указанном интервале. Шкала МЖТ получается практически равномерной.
МЖТ существенно отличаются от газовых и конденсационных, так как жидкости, применяемые в качестве заполнителей, практически несжимаемы. В термометрах этого типа объем термобаллона для данной рабочей жидкости должен быть согласован с диапазоном измерения прибора, с изменением объема внутренней полости манометрической пружины при рабочем ходе свободного конца ее, а вместе с тем и с изменением давлением в термосистеме.
При нагреве термобаллона от
В МЖТ рабочее давление в термосистеме в отличие от конденсационных и газовых термометров не связано строгой зависимостью с
и начальным давлением. Изменение атмосферного давления на показания жидкостных термометров практически не влияет.
Основные метрологические характеристики манометрических термометров. Манометрические термометры (МТ) рассчитаны на работу при температуре окружающего воздуха от 5 до 50 оС и относительной влажности до 80%. МТ изготавливаются следующих классов точности: 1,0; 1,5; 2,5; и 4.
Изменение показаний МТ, вызываемое влиянием температуры окружающего воздуха при отклонении ее от 20 оС, до любого значения в интервале от 5 до 50 оС не должно превышать значения, вычисленного по формуле
– изменение показаний термометра, выраженное в % диапазона измерения;
Х – значение допускаемого непостоянства показаний термометра, равное половине предела допускаемой основной погрешности, %;
– абсолютное значение отклонения температуры окружающего воздуха от 20 оС.
ГЛАВА 6. КАНАЛ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Общие сведения об измерении температуры. Авиационные термометры
Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами.
В качестве принципа работы термометров можно использовать любой физический процесс, в котором температура однозначно связана с какой-либо легко определяемой величиной (например, изменение объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС и т.д.). Температуры тел – уровни их внутренних энергий – определяют интенсивность теплообмена между ними и указывают направление передачи тепловой энергии от более нагретого к менее нагретому телу.
Общее определение понятия температуры можно сформулировать следующим образом. Температура – статистически формирующаяся теплодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия которых определяет температуру. В частности, для газообразных тел согласно кинетической теории средняя энергия поступательного движения молекул связана с температурой Т газа выражением:
где m – их масса; ν – средний квадрат скорости поступательного движения молекул; k – постоянная Больцмана.
Распределение энергии поступательного движения между молекулами характеризуется выражением:
где D N – число молекул, энергия которых находится в интервале от E до E +D Е; N – общее число молекул в единице объема; E – энергия поступательного движения молекул, определяющаяся их скоростью.
Кинетическая энергия вращательного и колебательного движения молекул газа и колебательного движения атомов в кристаллических решетках твердого тела подчиняются закономерностям, выраженным аналогичными соотношениями.
В процессе соударения молекул происходит обмен энергии между ними, т.е. устанавливается равновесное состояние, при котором все формы кинетической энергии ансамбля молекул и атомов тела характеризуются одинаковым значением температуры. Такую неравновесную температуру Т принято называть термодинамической.
Выражения (6.1) и (6.2) характеризуют статистическую связь между энергией движения молекул и температурой, справедливую для большого ансамбля частиц. Однако для данной температуры кинетическая энергия каждой отдельной молекулы может существенно отличаться от средней энергии, входящей в эти выражения. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из очень большого числа молекул. В применении к отдельной молекуле понятие температуры не имеет смысла.
В пространстве с крайне разреженной материей температура не может быть определена статистическим распределением скоростей движения молекул. В этих условиях статистические соотношения неприменимы. Температура такого пространства определяется мощностью пронизывающих его потоков лучистой энергии. За его температуру принимают температуру абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.
Не имеет физического смысла понятие температуры в некоторой точке данного тела. Можно говорить только о температуре, характеризующей состояние вещества внутри некоторого объема тела, точнее– тела конечной массы.
Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотношения, определяющие либо характер протекания ряда физических процессов, либо связь с другими физическими величинами.
Необходимость сопоставления результатов измерения температур в разных странах заставила искать пути создания международного эталона.
Первой попыткой в этом направлении было утверждение в 1889г. на Международной конференции по мерам и весам в качестве международного эталона температуры водородного газового термометра постоянного объема.
В качестве основных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, которым приписаны числовые значения соответственно 0 и 100 с делением основного интервала на 100 равных частей. Числовым значениям измеренных температур приписывался знак °С.
Развитие отраслей техники, нуждающихся в надежных методах измерений температур, обладающих более высокой воспроизводимостью, требовало новой температурной шкалы. В 1933 г. на 8-й Генеральной конференции было утверждено Положения об МПТШ-27.
МПТШ должна быть установлена таким образом, чтобы легко и просто было воспроизводить и определять любую температуру по МПТШ с точностями более высокими, чем по термодинамической шкале. В следующей МПТШ-68 используются как международные практические температуры Кельвина (символ T 68), так и международные практические температуры Цельсия (символ t68). Соотношение между Т 68 и t 68 такое же, как между Т и t, т.е. Т 68 К = t 68 °С + 273,15.
Единицей Т 68, так же как и единицей термодинамической температуры, является Кельвин (К). Числовые значения температур в абсолютной шкале T 68выражаются в Кельвинах, а в шкале, отсчитываемой в Кельвинах от точки плавления льда, считаются выраженными в градусах Цельсия, °С, т.е. так же, как термодинамические температуры.
Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) с учетом рекомендаций Консультативного комитета по термометрии 1984 г. основывается на группе из 12 воспроизводимых температур фазовых переходов (реперных точек), числовые значения которых были получены как наиболее достоверные по результатам газотермических измерений в ряде стран таких, как точка кипения равновесного водорода при нормальном давлении 20,23 К (-252,87 °С), тройная точка воды 273,16 К (0,01 °С), точка кипения воды 373,15 К (100 °С) и т.д. Эти значения охватывают интервал шкалы от 13,81 К (-259,34°С) – тройная точка равновесного водорода до 1337,58 К (1064,43°С) – точка затвердевания золота.
Среднемесячные температуры поверхности с 1961 по 1990 годы
Среднегодовая температура по всему миру
Тепловое движение α-пептида. Сложное дрожащее движение атомов, составляющих пептид, случайно, и энергия отдельного атома флуктуирует в широких пределах, но с помощью закона равнораспределения вычисляют как среднюю кинетическую энергию каждого атома так и среднюю потенциальную энергию многих колебаний. Серые, красные и синие шары обозначают атомы углерода, кислорода и азота, соответственно; маленькие белые шарики представляют атомы водорода.
Температу́ра (от лат. — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.
Существуют также шкала Фаренгейта и некоторые другие.
Термодинамическое определение
Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.
В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой.
Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его.
Некоторые квантовомеханические системы могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передаётся от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Отрицательная абсолютная температура).
Свойства температуры изучает раздел физики — термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.
Определение температуры в статистической физике
В статистической физике температура определяется по формуле
где S — энтропия, E — энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. При контакте двух тел тело с большим значением T будет отдавать энергию другому.
Измерение температуры
Типичный термометр со шкалой по Цельсию, показывающий −17 градусов
Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объёма. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.
Термодинамические термометры — это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы.
Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам — Цельсия или Фаренгейта.
На практике для измерения температуры также используют
Единицы и шкала измерения температуры
Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
Абсолютная температура. Шкала температур Кельвина
Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).
Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры — абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.
Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно −273.15 °C.
Шкала температур Кельвина — это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.
Используемые в быту температурные шкалы — как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), — не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.
Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая — абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что цена одного деления по шкале Кельвина равна цене деления шкалы Цельсия, а цена деления шкалы Ранкина эквивалентна цене деления термометров со шкалой Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а 100 градусов Цельсия — 212 градуса Фаренгейта.
В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F — 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724 году.
Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.
Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)
1 °R = 1,25 °C.
В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
Энергия теплового движения при абсолютном нуле
Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному.
П. Л. Капица (Свойства жидкого гелия)
Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остаётся в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решётки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1·106м/с.
Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, — это температура абсолютного нуля (Т = 0К).
Температура и излучение
Излучаемая телом энергия пропорциональна четвёртой степени его температуры. Так, при 300 К с квадратного метра поверхности излучается до 450 ватт. Этим объясняется, например, ночное охлаждение земной поверхности ниже температуры окружающего воздуха. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана
Сравнение температурных шкал
Некоторые значения в этой таблице являются округлёнными.
