Файл: метод. (Восстановлен).doc

– 119–

Измерение температуры

Цель работы: ознакомление с различными средствами измерения температуры.

Задания:

1. Изучить методы и средства измерения температуры.

2. Измерить температуру термоэлектрическим термометром.

1. Основные положения

Температура – физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.

Так как кинетическая энергия является функцией массы и скорости, то для измерения температуры в соответствии с данным определением необходимо уметь измерять массы и скорости всех молекул тела с целью их последующего усреднения, что на практике на современном уровне развития науки и техники не может быть реализовано. Таким образом, непосредственно температуру измерить нельзя. О температуре судят опосредованно, измеряя температурное изменение других физических свойств, которые могут быть достаточно просто и точно измерены непосредственно. К числу таких физических свойств в первую очередь относятся объём, давление, электрическое сопротивление, термоэлектрический эффект, интенсивность теплового излучения. Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объёма газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор имел большой недостаток: его шкала была относительной, и показания не могли быть выражены в численной форме. Для количественного выражения значений температуры используется температурная шкала.

Температурная шкала – система значений температуры, основанная на 2-х и более опорных (реперных) точках шкалы (от французского слова repere – метка). Первая температурная шкала, опирающаяся на две опорные точки, была введена в начале 18 века изобретателем ртутного термометра Г. Фаренгейтом (G. Fahrenheit). В качестве нижней опорной точки (0 F) он использовал температуру замерзания солевого раствора – самую низкую температуру, воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки – температуру тела человека (96 F – в старину было принято считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую опорную точку своей шкалы как температуру под мышкой здорового англичанина. Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celcius) в 1742 году. В качестве опорных точек для неё используются температура плавления льда (0 С) и температура кипения воды (100 С). Известны и другие температурные шкалы (Реомюра, Ренкина и др.), основанные на реперных точках, значения температуры в которых присваивались их авторами в зависимости от субъективных соображений. В связи с этим одна и та же измеряемая температура в различных температурных шкалах получала разное числовое выражение.

Развитие молекулярно-кинетической теории строения вещества привело к современному пониманию температуры как меры средней кинетической энергии вещества и созданию на этой основе абсолютной термодинамической шкалы температур, предложенной в начале 19 века английским ученым лордом Кельвином (Kelvin). Началом отсчета в этой шкале служит абсолютный нуль температуры, т.е. состояние, при котором прекращается всякое тепловое движение молекул. Связь между значениями температуры в различных температурных шкалах устанавливается с помощью следующих соотношений:

,

.

Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году была принята Международная практическая температурная шкала МПТШ-68. В настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия этой шкалы ITS-90, столь близкая к абсолютной термодинамической шкале, насколько это возможно на современном уровне развития техники измерений. В качестве опорных точек этой шкалы приняты температуры состояний фазового равновесия химически чистых веществ, значения которых приведены в табл. 1.

Таблица 1

Перечень основных опорных точек ITS-90

Все средства измерения температуры обобщенно можно называть термометрами. Одна из наиболее общих систем классификации термометров основана на следующем признаке – температурная зависимость какого физического свойства положена в основу измерения. Согласно данной классификации, различают средства измерения температуры, основные разновидности которых представлены в табл. 2.

Таблица 2

Основные типы средств измерения температуры

Окончание табл. 2

0. Жидкостные стеклянные термометры

В жидкостных стеклянных термометрах используется термометрическое свойство теплового расширения тел. В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть, имеющую одно из самых высоких среди жидкостей значение коэффициента термического расширения. Однако при атмосферном давлении ртуть находится в жидком состоянии в относительно узком температурном интервале (-37,8…+350 С), поэтому для измерения низких температур используются низкотемпературные органические жидкости, к числу которых относятся спирты и индивидуальные углеводороды (бензол, толуол, пентан и др.). К достоинствам жидкостных стеклянных термометров относится хорошее сочетание простоты применения и невысокой стоимости при достаточно высокой точности измерений. К недостаткам относятся ремонтонепригодность, невозможность дистанционного измерения температуры и автоматической записи показаний.

1.2. Биметаллические преобразователи температуры

Принцип действия основан на тепловом расширении твердых тел, состоящих из сваренных пластин с разными коэффициентами расширения. При нагреве биметаллических элементов происходит деформация, которая приводит в действие указательную систему. Биметаллические преобразователи в основном применяют в качестве элементов компенсации температурных погрешностей приборов, а также датчиков температурных реле. Достоинствами биметаллических преобразователей являются простота конструкции и надежность в работе.

1.3. Манометрические термометры

Манометрические термометры основаны на зависимости температуры от давления при постоянном объёме системы. Манометрические термометры состоят из небольшого баллона в качестве температурного датчика, погруженного в измеряемую среду и заполненного газом или легкокипящей жидкостью с высокой упругостью паров, что повышает чувствительность в сравнении с газовыми термометрами. Баллон соединен гибкой капиллярной трубкой с манометром, шкала которого проградуирована в градусах температуры. Конструкция манометрического термометра представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема манометрического термометра: 1 – баллончик; 2 – манометр;

3 – капилляр

К достоинствам манометрических термометров следует отнести возможность измерения температуры на расстоянии. Однако это расстояние невелико (всего несколько десятков метров) из-за того, что при передаче сигнала измерительной информации по трубке на большое расстояние он существенно искажается вследствие потерь давления по длине. К недостаткам относятся громоздкость конструкции и относительно невысокая предельная точность измерения.

1.4. Термометры, основанные на температурной зависимости электрического сопротивления

Для нахождения температуры используется измерение изменения электрического сопротивления при соответствующем изменении температуры. Чувствительные элементы этих термометров (датчики температуры) изготавливаются из чистых металлов или полупроводниковых материалов. В первом случае в технике эти термометры называются металлическими термометрами сопротивления, во втором – термисторами или терморезисторами. В качестве металлов для изготовления технических термометров сопротивления применяют медь и платину. Медь относительно недорога и имеет строго линейную температурную зависимость сопротивления. Однако использовать медь можно только в относительно узком температурном интервале (-50…+180 С) вследствие того, что при более высоких температурах медь интенсивно окисляется. Для измерения температур в более широком интервале (-260…+1100 С) используется платина, имеющая высокую термическую стабильность. Технические медные и платиновые термометры сопротивления обозначаются соответственно ТСМ и ТСП. К достоинствам металлических термометров сопротивления относится высокая точность измерения в широком интервале температур, а к недостаткам – необходимость использования в измерительной схеме высокостабильного источника тока.

Терморезисторы изготавливают из медно-кобальто-марган-цевых оксидных полупроводников. Термисторы представляют собой полупроводниковые элементы с p-n переходами: диоды, транзисторы, стабилитроны. Терморезисторы и термисторы имеют высокое значение температурного коэффициента сопротивления, что обусловливает их высокую чувствительность и малую инерционность, однако недостатком является нелинейная зависимость сопротивления от температуры и большой разброс сопротивления (до 20 %) даже для одного типа терморезистора, что снижает точность измерений. Кроме того, температурный интервал их применения ограничен вследствие низкой термической стойкости полупроводниковых материалов.