Термометры являются неотъемлемой частью различных процессов, которые выполняются в промышленных, научных и медицинских областях. Самый распространенный тип термометров — это жидкостные термометры. Однако, газовые термометры тоже составляют значительную часть всех существующих термометров.
Газовые термометры являются основным источником измерения промышленной температуры, и в настоящее время они получили широкое применение во многих областях науки и техники. В отличие от жидкостных термометров, газовые термометры работают на основе изменения давления газа, а не расширения и сжатия жидкости.
В настоящее время газовые термометры являются самыми точными из всех типов термометров, так как они могут осуществлять измерения в тех случаях, когда другие методы трудно применить. Например, они могут использоваться для измерения температуры ультравысоких температур, что невозможно сделать с помощью жидкостных термометров.
3.1 Газовые термометры. Наиболее строго требованию линейной и существенной зависимости от температуры отвечают параметры идеального газа – объём и давление. Поведение реального газа при небольших давлениях и достаточно высоких температурах практически не отличается от поведения идеального газа. При этой причине газовые температуры используются как эталонные, по ним градуируют и проверяют другие термометры.
Простейший газовый термометр может представлять собой запаянную с одной стороны трубку, в которой некоторая масса газа отделена от атмосферы капелькой ртути или соединена с монометром. (рис.1).
При нагревании газ расширяется, а его давление остаётся равным атмосферному. В соответствии с уравнением Клайперона-Менделеева
объём и температура находятся в состоянии:
Для конкретного термометра выражение в скобках играет роль постоянного коэффициента, зависящего от количества газа и от атмосферного давления.
Процедура измерения температуры газовым термометром сводится к тому, что его помещают в исследуемую среду, затем, дождавшись установления равновесия, определяют объём
и по графику
. На практике часто линейка Л служит шкалой температур.
3.2. Жидкостные термометры.Если ёмкость газового термометра заполнить жидкостью с достаточно большим коэффициентом теплового объёмного расширения, то полученный прибор станет жидкостным термометром. В настоящее время такими жидкостями является ртуть, или подкрашенные спирт, толуол, пентан и некоторые другие вещества.
Для повышения чувствительности и точности измерений термометр состоит из двух сообщающихся объёмов, один из которых содержит основную массу жидкости, а второй служит индикатором изменения объёма, для чего ему придаётся форма цилиндра капиллярных размеров.
Жидкостные термометры запаяны с обеих концов, поэтому более удобны в обращении, что послужило причиной их широкого распространения.
К недостатком их можно отнести нелинейность температурной зависимости объёмов, что делает необходимым калибровать их по газовым термометрам. Они отличаются также инерционностью (время вхождения в равновесное состояние со средой не менее 10 минут ), большой собственной теплоёмкостью до 10 Дж/К и размерами рабочей части. Диапазон их работы ограничен с одной стороны температурой кристаллизации, а с другой – температурой кипения жидкости.
Разновидности по принципу действия
Термометры относятся к самым первым приборам. Они работают на принципе расширения жидкостей при изменении температуры. Когда жидкость нагревается – она расширяется, а когда охлаждается, то сжимается. Само устройство состоит из очень тонкой стеклянной колбы, заполненной жидким веществом. Колба прикладывается к вертикальной шкале, выполненной в виде линейки. Температура измеряемой среды равна делению на шкале, на которое указывает уровень жидкости в колбе. Эти устройства являются очень точными. Их погрешность редко составляет более 0,1 градуса. В различном исполнении жидкостные приборы способны измерять температуру до +600 градусов. Их недостаток в том, что при падении колба может разбиться.
Газовые
Работают точно так же как и жидкостные, только их колбы заполняются инертным газом. Благодаря тому, что в качестве наполнителя используется газ, увеличивается диапазон измерения. Такой термометр может показывать максимальную температуру в пределах от +271 до +1000 градусов. Данные приборы обычно применяются для снятия показания температуры различных горячих веществ.
Механический
Термометр работает по принципу деформации металлической спирали. Такие приборы оснащаются стрелкой. Они внешне немного напоминает стрелочные часы. Подобные устройства используется на панели приборов автомобилей и различной спецтехнике. Главное достоинство механических термометров в их прочности. Они не боятся встряски или ударов, как модели из стекла.
Электрические
Термометр имеет в своей конструкции 2 проводника, которые измеряют температуру по физическому принципу, так называемому эффекту Зеебека. Подобные приборы имеют широкий диапазон измерения от -100 до +2500 градусов. Точность термоэлектрических устройств составляет около 0,01 градуса. Их можно встретить в промышленном производстве, когда требуется измерение высоких температур свыше 1000 градусов.
Волоконно-оптические
Делаются из оптоволокна. Это очень чувствительные датчики, которые могут измерять температуру до +400 градусов. При этом их погрешность не превышает 0,1 градуса. В основе такого термометра лежит натянутое оптоволокно, которое при изменении температуры растягивается или сжимается. Проходящий сквозь него луч света преломляется, что фиксирует оптический датчик, сопоставляющий преломление с температурой окружающей среды.
Инфракрасный
Термометр, или пирометр, является одним из самых недавних изобретений. Они имеют верхний диапазон измерения от +100 до +3000 градусов. В отличие от предыдущих разновидности термометров, они снимают показания без непосредственного контакта с измеряемым веществом. Прибор посылает инфракрасный луч на измеряемую поверхность, и на небольшом экране отображает ее температуру. При этом точность может отличаться на несколько градусов. Подобные устройства применяются для измерения уровня нагрева металлических заготовок, которые находятся в горне, корпуса двигателя и пр. Инфракрасные термометры способны показать температуры открытого пламени. Подобные устройства применяются еще в десятках различных сфер.
Разновидности по предназначению
Медицинские термометры обычно называют градусники. Они имеют низкий диапазон измерения. Это связано с тем, что температура тела живого человека не может составлять ниже +29,5 и выше +42 градусов.
В зависимости от исполнения медицинские градусники бывают
Стеклянные термометры являются первыми, которые начали применять для медицинских целей. Данные устройства универсальны. Обычно их колбы заполняются спиртом. Раньше для таких целей использовалась ртуть. Подобные устройства имеют один большой недостаток, а именно необходимости длительного ожидания для отображения реальной температуры тела. При подмышечном исполнении продолжительность ожидания составляет не менее 5 минут.
Цифровые термометры имеют небольшой экран, на который выводится температура тела. Они способны показать точные данные спустя 30-60 секунд с момента начала измерения. Когда градусник получает конечную температуру, он создает звуковой сигнал, после которого его можно снимать. Данные приборы могут работать с погрешностью, если не очень плотно прилегают к телу. Существуют дешевые модели электронных термометров, которые снимают показания не менее долго, чем стеклянные. При этом они не создают звуковой сигнал об окончании измерения.
Термометры соски сделаны специально для маленьких детей. Устройство представляет собой соску-пустышку, которая вставляется в рот младенца. Обычно такие модели после завершения измерения подают музыкальный сигнал. Точность устройств составляет 0,1 градуса. В том случае если малыш начинает дышать через рот или плакать, отклонение от реальной температуры может быть существенным. Продолжительность измерения составляет 3-5 минут.
Термометры кнопки применяются тоже для детей возрастом до трех лет. По форме такие приборы напоминают канцелярскую кнопку, которая размещается ректально. Данные устройства снимают показания быстро, но имеют низкую точность.
Инфракрасные лобные термометры просто прикладываются ко лбу. Они работают по такому же принципу, как и ушные. Одно из преимуществ таких устройств в том, что они могут действовать и бесконтактно на расстоянии 2,5 см от кожи. Таким образом, с их помощью можно измерить температуру тела ребенка не разбудив его. Скорость работы лобных термометров составляет несколько секунд.
Бытовые для воздуха
Для измерения температуры воздуха на улице или в помещении применяются бытовые термометры. Они, как правило, выполнены в стеклянном варианте и заполнены спиртом или ртутью. Обычно диапазон их измерения в уличном исполнении составляет от -50 до +50 градусов, а в комнатном от 0 до +50 градусов. Подобные приборы часто можно встретить в виде украшений для интерьера или магнита на холодильник.
Кухонные
Кухонные термометры предназначены для измерения температуры различных блюд и ингредиентов. Они могут быть механическими, электрическими или жидкостными. Их применяют в тех случаях, когда необходимо строго контролировать температуру по рецепту, к примеру, при приготовлении карамели. Обычно подобные устройства идут в комплекте с герметичным тубусом для хранения.
Промышленные
Промышленные термометры предназначены для измерения температуры в различных системах. Обычно они представляют собой приборы механического типа со стрелкой. Их можно увидеть в магистралях водяного и газового снабжения. Промышленные модели бывают электрические, инфракрасные, механические и пр. Они имеют самое большое разнообразие форм, размеров и диапазонов измерения.
прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объёма идеального газа от температуры. Чаще всего применяют Г. т. постоянного объёма (рис.), который представляет собой заполненный газом баллон 1 неизменного объёма, соединённый тонкой трубкой 2 с устройством 3 для измерения давления. В таком Г. т. изменение температуры газа в баллоне пропорционально изменению давления. Г. т. измеряют температуры в интервале от Газовый термометр2К до 1300 К. Предельно достижимая точность Г. т. в зависимости от измеряемой температуры 3·10 -3 — 2·10 -2 град. Г. т. такой высокой точности — сложное устройство; при измерении им температуры учитывают: отклонения свойств газа, заполняющего прибор, от свойств идеального газа; изменения объёма баллона с изменением температуры; наличие в газе примесей, особенно конденсирующихся; сорбцию (См. Сорбция) и десорбцию газа стенками баллона; диффузию (См. Диффузия) газа сквозь стенки, а также распределение температуры вдоль соединительной трубки.
Температурная шкала Г. т. совпадает С термодинамической температурной шкалой, и Г. т. применяется в качестве первичного термометрического прибора (см. Температурные шкалы). При помощи Г. т. определены температуры постоянных точек (реперных точек) Международной практической температурной шкалы (См. Международная практическая температурная шкала).
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .
Полезное
Газовый термометр: 1 – баллон, заполненный газом; 2 – соединительная трубка; 3 – устройство для измерения давления.
ГА́ЗОВЫЙ ТЕРМО́МЕТР, прибор для измерения темп-ры, действие которого основано на зависимости давления $p$ или объёма $V$ идеального газа от темп-ры: $pV=RT$ ($R$ – газовая постоянная). Чаще всего применяют Г. т. постоянного объёма (рис.), который представляет собой заполненный газом (гелием, азотом или водородом) баллон 1 неизменного объёма, соединённый тонкой трубкой 2 с устройством 3 для измерения давления. В таком Г. т. изменение темп-ры газа в баллоне пропорционально изменению давления. Г. т. измеряют темп-ры в интервале от ок. 2 К до 1300 К. Предельно достижимая точность Г. т. в зависимости от измеряемой темп-ры 3·10 –3 – 2·10 –2 К. Г. т. такой высокой точности – сложное устройство; при измерении темп-ры с его помощью учитываются неидеальность газа, заполняющего прибор, изменение объёма баллона с изменением темп-ры, наличие в газе примесей (особенно конденсирующихся), сорбция и десорбция газа стенками баллона, диффузия газа сквозь стенки, а также распределение темп-ры вдоль соединительной трубки. Г. т. применяется в качестве первичного термометрич. прибора (см. Температурные шкалы ). При помощи Г. т. определены темп-ры постоянных (реперных) точек Международной практической температурной шкалы.
Чтобы избавиться от указанной трудности, рассмотрим случай, когда термометрическим веществом служит газ. Ясно, что использовать его точно таким же способом, как жидкость, невозможно. Газ целиком заполняет весь содержащий его сосуд. Он не образует свободной поверхности или поверхности раздела. Его объем равен объему сосуда, в котором он находится. Однако при увеличении степени нагретости газ будет расширяться, т. е. увеличивать свой объем, если сосуд имеет упругие стенки, так что давление газа может оставаться постоянным. Наоборот, если объем сохраняется постоянным, то давление газа растет с увеличением степени нагретости. Такие эмпирические наблюдения, выполненные французскими физиками Ж. А. Ц. Шарлем (1787) Ж. Л. Гей-Люссаком (1802), стали основой газовых законов, которые мы обсудим в следующей главе. Сейчас мы просто констатируем, что давление газа при постоянном объеме увеличивается при повышении температуры.
В приборе, изображенном на рис. 2.3, на стеклянной трубке выгравирована линия (указанная стрелкой); она определяет объем газа, давление которого меняется с изменением температуры окружающей жидкости. Наблюдаемой термометрической величиной является давление, соответствующее данному объему при различных температурах, т. е. давление, которое требуется для поддержания мениска (границы раздела газ — жидкость) на выгравированной отметке. Давление измеряется весом столба жидкости в манометре, представляющем собой U-образную трубку, наполненную жидкостью. (Подробнее об измерении давления с помощью манометров говорится в приложении I.) На рис. 2.3 газовый термометр изображен только схематично. В действительности газовый термометр — это чрезвычайно сложно устроенный и сложный в обращении прибор. Нужно учесть изменение объема самой колбы при изменении температуры, вклад, вносимый в общее давление парами жидкости, используемой для определения объема, изменение плотности жидкости с температурой и т. д.
Рис. 2.3. Газовый термометр с постоянным объемом. Точный (хотя и громоздкий) прибор, с помощью которого можно определять абсолютную температуру.
Тем не менее, несмотря на практические сложности, принцип остается простым.
Ясно, что давление, показываемое манометром, будет выше, когда резервуар содержит кипящую воду, чем когда он содержит смесь воды со льдом. Ясно также, что можно произвольно определить отношение температур через отношение давлений:
Теперь примем, что можно изменять количество газа в колбе, так что давление в точке замерзания может иметь любое наперед заданное значение. Мы обнаружим, что отношение давлений в точке кипения и в точке замерзания, будет в какой-то степени зависеть от количества газа в колбе, т. е. от давления в точке замерзания. Затратив достаточно много времени, мы найдем закономерность, установленную рядом добросовестных исследователей, а именно оказывается, что с уменьшением начального давления отношение давлений для различных газов сходится к одному и тому же значению. Построив зависимости этого отношения от давления (которое определяется количеством газа в колбе) для различных газов, мы получим график, представленный на рис. 2.4.
При стремлении к нулю, т. е. при экстраполяции значений к вертикальной оси, для всех газов получается точно одно и то же предельное значение равное 1,36609 ± 0,00004. Это обстоятельство, которое подтверждается для всех исследованных газов, означает, что отношение температур имеет одно и то же значение независимо от химического состава газа. Таким образом, теперь мы можем определить температурную шкалу, воспользовавшись условием, что для двух температур имеет место соотношение
Это соотношение полностью не определяет шкалу, поскольку мы имеем две неизвестные величины и только одно соотношение между ними. Введем также условие
Это условие устанавливает такую же величину градуса, как в шкале Цельсия, в которой Решив совместно уравнения (2) и (3), нетрудно найти, что .
Для любой другой температуры соответствующей давлению можно написать
Другими словами, чтобы найти температуру тела в газовой термометрической шкале, нужно определить давление p, газа данного объема, которое установится после того, как газ будет находиться в контакте с телом в течение времени, достаточного для достижения теплового равновесия (практически это означает, что давление должно перестать меняться во времени).
Рис. 2.4. Результаты измерений, выполненных с помощью газового термометра с постоянным объемом. В пределе очень низкого давления (плотности) все газы дают одно и то же экстраполированное значение отношения
Кроме того, нужно определить давление р, того же самого количества газа, заключенного в том же объеме и находящегося в тепловом равновесии со смесью льда и воды. Температуру Т тогда можно найти, умножив отношение давлений на 273,16. Чтобы иметь точный результат, необходимо взять предельное значение этого отношения при уменьшении количества газа в данном объеме.
Принцип действия и устройство газовых термометров
Газовые термометры основаны на законах термодинамики и зависят от объёма и давления газа. Внутри газового термометра находится заполненный газом баллон, который связан с шкалой показаний. При изменении температуры газ расширяется или сжимается, что влечет за собой изменение давления в баллоне и изменение показаний на шкале.
В зависимости от назначения и области применения газового термометра, могут использоваться различные газы, такие как гелий, водород или азот. Точность измерения температуры зависит от качества газа и калибровки шкалы.
Абсолютный нуль температуры (-273,15 °C) считается физической недостижимостью и поэтому невозможно создать термометр, который бы мог измерить температуру близкую к абсолютному нулю. Тем не менее, газовые термометры позволяют измерять очень низкие температуры и могут быть использованы в лабораторных условиях для высокоточных измерений.
Сфера применения
Газовые термометры широко используются в различных отраслях промышленности, а также в быту. Например, они могут использоваться для контроля температуры в:
Помимо этого, газовые термометры часто используются в научных исследованиях, а также при поверке других измерительных приборов.
Переходы из разных шкал
Жидкостные и газовые термометры.
Жидкостный термометр — прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на тепловом расширении жидкости. Жидкостный термометр относится к термометрам непосредственного отсчёта.
Широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от –200 до 750 °С. Жидкостный термометр представляет собой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему капилляром (из того же материала).
Шкала в °С наносится непосредственно на толстостенный капилляр (так называемый палочный жидкостный термометр) или на пластинку, жестко соединённую с ним (жидкостный термометр с наружной шкалой, рис. а). Жидкостный термометр с вложенной шкалой (рис. б) имеет внешний стеклянный (кварцевый) чехол. Термометрическая жидкость заполняет весь резервуар и часть капилляра. В зависимости от диапазона измерений жидкостный термометр заполняют пентаном (от -200 до 20 °С), этиловым спиртом (от -80 до 70 °С), керосином (от -20 до 300 °С), ртутью (от -35 до 750 °С) и др.
Наиболее распространены ртутные жидкостные термометры, так как ртуть остаётся жидкой в диапазоне температур от -38 до 356 °С при нормальном давлении и до 750 °С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняют азотом). Кроме того, ртуть легко поддаётся очистке, не смачивает стекло, и её пары в капилляре создают малое давление. Жидкостные термометры изготавливают из определённых сортов стекла и подвергают специальной термической обработке («старению»), устраняющей смещение нулевой точки шкалы, связанное с многократным повторением нагрева и охлаждения термометра (поправку на смещение нуля шкалы необходимо вводить при точных измерениях). Жидкостные термометры имеют шкалы с различной ценой деления от 10 до 0,01 °С. Точность жидкостного термометра определяется ценой делений его шкалы. Для обеспечения требуемой точности и удобства пользуются жидкостные термометры с укороченной шкалой; наиболее точные из них имеют на шкале точку 0 °С независимо от нанесённого на ней температурного интервала. Точность измерений зависит от глубины погружения жидкостного термометра в измеряемую среду. Погружать термометр следует до отсчитываемого деления шкалы или до специально нанесённой на шкале черты (хвостовые термометры жидкостные). Если это невозможно, вводят поправку на выступающий столбик, которая зависит от измеряемой температуры, температуры выступающего столбика и его высоты. Основные недостатки жидкостного термометра — значительная тепловая инерция и не всегда удобные для работы габариты. К жидкостным термометрам специальных конструкций относят термометры метеорологические (специальной конструкции, предназначенных для метеорологических измерений главным образом на метеорологических станциях), метастатические (термометр Бекмана, ртутный термометр с вложенной шкалой, служащий для измерения небольших разностей температур), медицинские и др. Медицинские ртутные термометры имеют укороченную шкалу (34—42 °С) и цену деления шкалы 0,1 °С. Действуют они по принципу максимального термометра — ртутный столбик в капилляре остаётся на уровне максимального подъёма при нагревании и не опускается до встряхивания термометра.
Термометры сопротивления (иначе называемые термосопротивление) — это устройства для измерения температуры. Принцип действия прибора заключается в изменении электрического сопротивления сплавов, полупроводников и чистых металлов (т.е. без примесей) с температурой. Чувствительный элемент термометра представляет собой резистор, который сделан из пленки или металлической проволоки, и обладающий зависимостью электрического сопротивления от температуры. Проволока намотана на жесткий каркас, сделанный из кварца, слюды или фарфора, и заключена в защитную металлическую (стеклянную, кварцевую) оболочку. Наиболее популярны термосопротивления из платины. Платина устойчива к окислению, высокотехнологична, имеет высокий температурный коэффициент. Иногда используются термометры из меди или никеля. Темометры сопротивления обычно используют для замера температур в диапазоне от минус 263 С до плюс 1000 С. У медных термометров сопротивления диапазон значительно меньше – всего лишь от минус 50 до плюс 180 С. Основное требование к конструкции термометра – она должна быть достаточно чувствительной и стабильной, т.е. достаточной для необходимой точности замеров в указанном диапазоне температур при соответствующих условиях использования. Условия использования могут быть как благоприятными, так и неблагоприятными – агрессивные среды, вибрации и т.д. Обычно термометры сопротивления работают в совокупности с потенциометрами (резистивный элемент, величина сопротивления которого меняется механически; прибор для измерения ЭДС, напряжений компенсационным методом), логометрами (прибор, предназначенный для измерения отношения двух электрических величин), мостами измерительными. От точности этих приборов в значительной степени зависит и точность измерений самого термометра сопротивления (термосопротивления). Термометры сопротивления могут быть различными: поверхностными, ввинчивающимися, вставными, с байонетным соединением или присоединительными проводами. Термосопротивления могут использоваться для измерения температуры в жидких и газообразных средах, в климатической, холодильной и нагревательной технике, печестроении, машиностроении и т.д.
Термопара — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах. Принцип его действия основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими или физическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоэдс). Термопара состоит из двух металлов, сваренных на одном конце. Эта часть ее помещается в месте замера температуры. Два свободных конца подключаются к измерительной схеме (милливольтметру). Наиболее распространены термопары платино-платинородиевые (ПП), хромель-алюминиевые (ХА), хромель-копелевые (ХК) (копель – медно-никелевый сплав ~ 43% Ni и ~ 0,5 % Mn), железоконстантовые (ЖК).
Термопары используются в самых различных диапазонах температур. Так, термопара из золота, легированного железом (2-й термоэлектрод — медь или хромель), перекрывает диапазон 4—270 К, медь — константан 70—800 К (константан – термостабильный сплав на основе Cu (59%) с добавкой Ni (39-41%) и Mn (1-2%)), хромель — копель 220—900 К, хромель — алюмель 220—1400 К, платинородий — платина 250—1900 К, вольфрам — рений 300—2800 К. Эдс термопар из металлических проводников обычно лежит в пределах 5—60 мВ. Точность определения температуры с их помощью составляет, как правило, несколько К, а у некоторых термопар достигает ~0,01 К. Эдс Термопара из полупроводников может быть на порядок выше, но такие термопары отличаются существенной нестабильностью.
Термопары применяют в устройствах для измерения температуры и в различных автоматизированных системах управления и контроля. В сочетании с электроизмерительным прибором (милливольтметром, потенциометром) термопара образует термоэлектрический термометр.
Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов (контакты (обычно — спаи) проводящих элементов, образующих термопару )(рис., а), либо в разрыв одного из них (рис., б). При измерении температуры один из спаев осязательно термостатируется (обычно при 273 К). В зависимости от конструкции и назначения различают термопары: погруженные и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т. д.
С поднятием температурного потолка встает проблема измерения высоких температур. Для точных измерений необходима тщательная стандартизация измерительных приборов, обеспечивающая оценку точности результатов и их сопоставляемость с данными других авторов. Для стандартизации используют точки плавления (замерзания), кипения и тройные точки определенных «эталонных» веществ. Первичные эталонные точки определены в Международной практической шкале температур 1968 г. (IРТS–68).
Для очень высоких температур (превышающих 3000 К) применяются различные сплавы вольфрама. Наиболее часто используется пара вольфрам с добавкой 3% рения – вольфрам с добавкой 25% рения с термоЭДС, близкой к 40 мВ при предельной температуре 2573 K. Комбинация молибден–тантал обеспечивает предельную температуру порядка 2800 К, а термопара вольфрам–вольфрам с добавкой 50% молибдена работоспособна до 3300 К, но имеет очень малую термоЭДС (8.24 мВ при 3273 K). Все эти термопары могут работать только в водороде, в чистых инертных газах или в вакууме.
При очень высоких температурах измерения оптическими пирометрами являются наиболее надежным, а часто и единственно возможным, методом. Данный метод применим и при температурах менее 1200 К, но основной областью его использования является измерение температур, превышающих это значение. Преимуществами пирометра являются измерения без физического контакта с объектом и с большой скоростью, недостатками – проблемы, связанные с излучением: образец должен быть или черным телом (коэффициент излучения равен 1), или находиться в тепловом равновесии с черным телом либо должен быть известен коэффициент излучения образца.
Пирометрия требует измерения потока излучения, что осуществимо или визуальным сравнением неизвестного потока с потоком от лампы с известными характеристиками (визуальные или субъективные пирометры), или использованием для этой цели физического приемника (фотоэлектрические или объективные пирометры).
С учетом законов излучения, пирометры можно разделить на следующие типы:
1. Спектральные пирометры, работающие в настолько узкой полосе спектра, что эффективная длина волны почти не зависит от температуры. Зная спектральную излучательную способность, можно вычислить истинную температуру. Поскольку измеренная радиация соответствует закону Планка, эти пирометры можно градуировать в одной фиксированной точке.
Рис. 1. Визуальный яркостный пирометр,
1 – источник излучения
2 – оптическая система, объектив пирометра
3 – эталонная лампа накаливания
4 – фильтр с узкой полосой пропускания
5 – окуляр
6 – реостат, регулирующий ток накала
7 – измерительный прибор
Примером является яркостный пирометр, обеспечивающий наибольшую точность измерений температуры в диапазоне 103—104 К. В простейшем визуальном яркостном пирометре с исчезающей нитью объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) эталонной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр, позволяющий выделять узкую спектральную область около длины волны λэ= 0,65 мкм (эффективная длина волны), нить рассматривают на фоне изображения тела и, изменяя ток накала нити, добиваются выравнивания яркостей нити и тела (нить в этот момент становится неразличимой). Шкала прибора, регистрирующего ток накала, прокалибрована обычно в °С или К, и в момент выравнивания яркостей прибор показывает так называемую яркостную температуру (Tb) тела. Истинная температура тела Т определяется на основе законов теплового излучения Кирхгофа и Планка по формуле:
Т = TbC2/(C2 + λ эIn αλ,T), (1)
где C2= 0,014388 м ×К, αλ,T — коэффициент поглощения тела, λ э— эффективная длина волны пирометра. Точность результата в первую очередь зависит от строгости выполнения условий измерений (αλ,T, λ эи др.). В связи с этим наблюдаемой поверхности придают форму полости. Основная инструментальная погрешность обусловлена нестабильностью температурной лампы. Заметную погрешность могут вносить также индивидуальные особенности глаза наблюдателя.
Т=αт-1/4*Тr , (2)
где αТ — полный коэффициент поглощения тела. Радиационными пирометрами можно измерять температуру, начиная с 200°С. В промышленности пирометры широко применяют в системах контроля и управления температурными режимами разнообразных технологических процессов.
3. Пирометры спектральной полосы, работающие в более широкой полосе спектра. Они имеют сильно зависящую от температуры эффективную длину волны. Поправки на температуру возможны только численной интеграцией экспериментальной кривой спектрального коэффициента излучения.
4. Двухцветные (цвет или соотношение) пирометры. Это пирометры спектра или спектральной полосы, использующие для определения температуры соотношение замеренной радиации в двух различных полосах спектра. При узких спектральных полосах температурные поправки могут быть вычислены по отношению спектральных коэффициентов излучения для двух эффективных длин волн. Этими пирометрами определяют отношение яркостей обычно в синей и красной областях спектра b1(λ1, T)/b2(λ2, T) (например, для длин волн λ1= 0,48 мкм и λ2= 0,60 мкм). Шкала прибора прокалибрована в °С и показывает цветовую температуру Tc. Истинная температура Т тела определяется по формуле
Цветовые пирометры менее точны, менее чувствительны и более сложны, чем яркостные; применяются в том же диапазоне температур.
Чувствительность цветных пирометров в диапазоне от 1300 до 4000 К составляет от 2 до 10 К. Если имеется сильное поглощение излучаемой радиации, цветные пирометры превосходят пирометры всех иных типов. Однако предположение о равных коэффициентах излучения для двух различных длин волн очень часто не соответствует действительности.
При оптимальных условиях эксперимента точность, обеспечиваемая стандартным пирометром, равна 0.04 К при 1230 К и 2 К при 3800 K. Очевидно, что достижение такой точности при обычных исследованиях невозможно. Верхний предел измерения пирометров может быть поднят использованием нейтральных фильтров. В литературе описан прецизионный прибор, допускающий измерения при температурах до 10 000 K.
Для сравнения потоков излучения от образца и от лампы вместо человеческого глаза может быть использован физический приемник (датчик). Это повышает быстродействие и точность измерений, а также расширяет их диапазон в направлении более низких температур благодаря чувствительности датчика к инфракрасному излучению.
Очень точным спектральным пирометром является прибор, основанный на принципе подсчета фотонов. Он обеспечивает измерения в диапазоне от 1400 до 2200 К с точностью, соответственно, от 0.5 до 1.0 K, согласно требованиям IPTS–68. В большинстве пирометров поток неизвестного (измеряемого) излучения сопоставляется с потоком излучения лампы и точность измерения зависит от характеристик лампы, причем главным источником погрешностей является смещение ее параметров излучения. В пирометре с подсчетом фотонов поток излучения образца измеряется непосредственно и для калибровки необходимы только одна фиксированная точка (температура плавления золота) и регулируемый, но не калиброванный источник излучения.
Существует также ряд нетрадиционных методов измерения, которые используются, когда применение обычных методов невозможно или погрешности слишком велики. Это использование температурной зависимости уширения линий в излучателе и в поглотителе (верхний предел температуры всего 1300 К). Это и шумовой термометр, основанный на зависимости напряжения шума электрического сопротивления от температуры (практический предел 1800 K). Термометры такого типа успешно применяются при измерениях криогенных температур. Точность измерения составляет 1 К а наилучший результат в диапазоне от 300 до 1300 К равен даже ±0.1 К. Это также акустические или ультразвуковые термометры, использующие зависимость скорости звука от температуры.
Интересный косвенный способ измерения температур основан на определении кривой нагрева соответствующего термометра за определенное время без необходимости достижения конечной равновесной температуры, которая может быть недопустимой для данного термометра.
Виды термометров
В целом, газовые термометры предлагают высокую точность и гибкость в измерении температур различных газовых сред в сложных условиях. Однако, они требуют определенного уровня технической подготовки и обслуживания, и могут быть неэффективны в некоторых средах.
