Файл: Лабораторная работа 1. Определение земного ускорения свободного падения при помощи оборот ного и математического маятников.doc

Оборудование и принадлежности: установка для проведения измерений температуры.
Структурная схема экспериментальной установки для измерения температуры нагретого тела и изучения электрических термометров различных видов представлена на рис.1.



<sup>3 4 5 6 7




2</sup>

8 1



Рис.1. Структурная схема установки.
Экспериментальная установка состоит из нагревателя 1 (в стакане с водой 2), в который вставлены пять электрических термометров: образцовый термометр 3, металлический термометр сопротивления 4, полупроводниковый термометр сопротивления 5, термопары типа ТХА 6 и ТХК 7, измеряемые сигналы которых поступают в измерительный прибор (измеритель-регулятор «Сосна-002») 8. Нагреватель 1 и стакан с водой 2, температура которой измеряется пятью различными термометрами, закреплены на платформе. Измерительный прибор инициирует последовательно результаты измеренных сигналов от каждого термометра (верхнее табло) и номер термометра (нижнее табло). Цикл измерения длится 1 минуту. Единицы измерения образцового термометра – [⁰С], термометров сопротивления – [Ом], термопар - [мВ].

Внешний вид установки показан на рис.2. На передней панели размещены тумблеры «Сеть» и «Нагрев» и цифровой индикатор измерителя температуры. Отдельно от измерительного прибора на платформе смонтирован нагреватель, в который вставлены 5 датчиков температуры.

---

Рис.2. Внешний вид установки.
Теория метода.

ТЕРМОМЕТРИЧЕСКОЕ ТЕЛО И ТЕРМОМЕТРИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА

Для описания поведения и свойств макроскопических систем обычно пользуются непосредственно измеряемыми величинами, которые характеризуют систему в целом и ее отношение к окружающей среде, но не имеют смысла в применении к отдельным частицам. К таким величинам, называемым макроскопическими параметрами, относится и температура, характеризующая степень «нагретости» тела.

Для измерения «нагретости» тел могут быть использованы любые свойства твердых, жидких и газообразных веществ, изменяющиеся в зависимости от «нагретости», т.е. от температуры: физическое или химическое состояния, линейные размеры, электрические свойства, скорость звука в газах, собственная частота колебаний кварцевых резонаторов и др. Температуру или «степень нагретости» измеряют с помощью термометра, который состоит из термометрического тела и термометрической величины. Тело, выбираемое для измерения «нагретости», называется термометрическим, а величина, посредством которой измеряется «нагретость», называется термометрической величиной. Однако многие из вышеперечисленных термометрических величин можно измерять только с применением сложной и дорогостоящей аппаратуры или при жесткой стабилизации параметров окружающей среды. Поэтому рассмотрим только электрические методы измерения температуры, которые нашли широкое применение в научно-исследовательских лабораториях и промышленности.

В настоящее время разработаны технологии, позволяющие изготавливать чувствительные элементы контактных электрических термометров с чрезвычайно малыми размерами. Это положительно повлияло на уменьшение помех – искажений температурного поля вокруг самого датчика и на динамику процесса измерения. Электрические термометры легко подключаются к микропроцессору или ПЭВМ, что позволяет корректировать и протоколировать данные и управлять экспериментом или технологическим процессом.

На рис.3 указаны области применения некоторых типов термометров. Штриховыми линиями показаны области температур, в которых термометры могут быть использованы только кратковременно. При длительном воздействии таких температур ухудшается точность измерения или изменяются механические свойства чувствительного элемента.

---

^{термопары}

<sub>платиновые термометры сопротивления

медные термометры сопротивления

никелевые термометры сопротивления</sub>

<sup>NTC терморезисторы

PTC терморезисторы

стеклянные жидкостные термометры</sup>
_{- 200 0 500 1000 1500} ⁰C
Рис.3. Области применения термометров.
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ.

Температурные измерения должны проводиться по соответствующей шкале. Одной из таких шкал является термодинамическая температурная шкала, основанная на втором начале термодинамики. Однако эту шкалу очень трудно воспроизвести. Поэтому для практического использования была введена эмпирическая международная практическая температурная шкала (IPT, МПТШ), которая основывается на шести первичных (основных) и многочисленных вторичных реперных точках, характеризующих естественные температуры фазовых превращений (главным образом это температуры затвердевания и кипения), и на интерполяционных уравнениях, используемых между этими точками. Реперные точки могут быть воспроизведены в любое время с высокой точностью. Для измерений между основными реперными температурами используют интерполяционные эталонные приборы: платиновый термометр сопротивления, термоэлектрические термометры (термопары) с электродами из платинородиевого сплава и платины и оптические пирометры. Различия между обеими указанными выше шкалами пренебрежимо малы.

В зависимости от того, какой температуре присвоено нулевое значение, получают шкалу Кельвина или шкалу Цельсия. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, причем единица 1 кельвин [K] согласно определению составляет 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды (которая практически не зависит от давления):

---

1 К = (Т_{тройной точки} – Т_{абсолютного нуля})/273,16.

Температура в кельвинах обозначается буквой Т.

Температурная шкала Цельсия начинается с температуры таяния льда. Нулевая температура этой шкалы лежит на 273,15 К выше абсолютного нуля и на 0,01 К ниже тройной точки воды, которая является одной из основных реперных точек. Температуры точек кипения воды и таяния льда являются функциями давления Р; при Р₀ = 1,01310⁵ Па градус по шкале Цельсия определяется как

1⁰С = (t_{точки кипения} – t_{точки таяния})/100,

причем 1⁰С = 1 К.

Температура по шкале Цельсия обозначается буквой t.

Численное соотношение между этими температурами имеет вид

t_{[ C]} = T_[K] – 273,15.

Поверку и калибровку термометров осуществляют сравнением их показаний с температурной шкалой. Практически это можно сделать двумя способами: сравнением показаний в нескольких основных или вторичных реперных точках, или сравнением с показаниями образцового (стандартного) термометра в идентичных условиях окружающей среды.

Поверку в реперных точках проводят довольно редко, т.к. для такой поверки требуется специальное сложное оборудование. Исключением являются те реперные точки, которые могут быть реализованы простыми средствами в любой лаборатории: точка таяния льда (0,00 ⁰С), тройная точка воды (0,01 ⁰С), точка кипения воды при нормальном давлении Р₀ = 1,01310⁵ Па (100,00 ⁰С), а иногда и точка кипения серы (444,6 ⁰С).

Поверка датчиков температуры осуществляется проще, если применить сравнение с показаниями образцового (стандартного) прибора – стеклянного жидкостного термометра, термометра сопротивления, термоэлектрического термометра, зависимость которого от температуры известна заранее. Такие сравнительные измерения могут быть проведены в большинстве лабораторий, если только в них есть соответствующие устройства, в которых можно в течение некоторого времени поддерживать постоянную температуру, варьируя ее в определенных рабочих пределах. Качество поверки определяется точностью образцового термометра, поэтому оно ниже, чем при поверке по реперным точкам. Однако для большинства температурных измерений достигаемая точность поверки достаточна.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТНЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

В промышленной практике температуру измеряют в основном термометрами, действие которых основано на изменении электрических свойств различных веществ с изменением температуры. Важнейшими методами, позволяющими решить практически все проблемы измерения температуры (за исключением областей очень низких и очень высоких температур), является определение положительного или отрицательного изменения сопротивления металлов или полупроводников (термометров сопротивления), а также термоэлектродвижущей силы, возникающей при контакте пары, составленной из двух различных металлов или из металла и сплава (термоэлектрических термометров, термопар). Электрические термометры имеют высокую точность, хорошие динамические свойства и широкий диапазон измерения.

---

1. Металлические термометры сопротивления.

Электрическое сопротивление большинства материалов существенно изменяется с температурой. Температурная зависимость электрического сопротивления металлических проводников обусловлена наличием свободных электронов связи в кристаллической решетке металлов: при повышении температуры увеличивается энергия (интенсивность) колебательного движения атомов кристаллической решетки и электрическое сопротивление проводника увеличивается.

В отличие от термопар, с помощью которых можно измерять только разность температур по отношению к некоторой известной температуре, термометр сопротивления позволяет измерять и абсолютные значения температуры. Для них необходим вспомогательный источник напряжения, тогда как для термопар он не требуется. Диапазон измерений термометрами сопротивления ограничен высокими температурами; нелинейность температурной характеристики в зависимости от материала чувствительного элемента иногда может быть довольно значительной.

Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнениями третьей степени. Однако при обычных требованиях к точности ограничиваются линейной функцией:

R_t = R₀(1 + t), (1)

где R_t и R₀ - величина сопротивления (Ом) проводника при температуре t и 0 ⁰С,  - линейный температурный коэффициент сопротивления, К^-1.

Регламентируют среднее относительное изменение сопротивления в расчете на один градус в диапазоне от 0 до 100 ⁰С:

 =(R/t)/R₀ = (R₁₀₀–R₀)/100R₀ [K^-1], (2)

где R₁₀₀ и R₀ – значения сопротивления, определяемые в точке кипения и в точке замерзания воды; обычно используют R₀ = 100 Ом.

В качестве материала для термометров сопротивления используют металлы с хорошей электрической проводимостью, например платину ( = 3,8510^-3 К^-1 ), никель ( = 6,1710^-3 К^-1 ) и медь ( = 4,2710^-3 К^-1 ).

Чувствительные элементы термометров сопротивления имеют линейные размеры порядка нескольких миллиметров.
2. Полупроводниковые термометры сопротивления.

Их называют также терморезисторами или термисторами. Имеются два различных типа терморезисторов: с отрицательным (терморезисторы NTC) и с положительным (терморезисторы РТС, позисторы) температурным коэффициентом сопротивления. При очень низких температурах все полупроводники являются идеальными изоляторами.

---