Температура способы определения температуры

Глава вторая. Измерение температуры

2-1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ

Температурой называется степень нагретости вещества. Это представление о температуре основано на теплообмене между двумя телами, находящимися в тепло­вом контакте. Тело, более нагретое, отдающее тепло, имеет и более высокую температуру, чем тело, восприни­мающее тепло. При отсутствии передачи тепла от одного тела к другому, т. е. в состоянии теплового равновесия, температуры тел равны.

а) Методы измерения температуры

Переход тепла от одного тела к другому указывает на зависимость температуры от количества внутренней энер­гии, носителями которой являются молекулы вещества. Согласно молекулярно-кинетической теории сообщаемая телу тепловая энергия, вызывающая повышение его тем­пературы, преобразуется в энергию движения молекул.

Измерить температуру какого-либо тела непосредст­венно, т. е. так, как измеряют другие физические величи­ны, например длину, массу, объем или время, не представ­ляется возможным, ибо в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Поэтому определе­ние температуры вещества производят посредством наблю­дения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) вещества, ко­торое, будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие. Такой метод измерения дает не абсолютное значение температуры нагретой среды, а лишь разность относительно исходной температуры рабочего вещества, условно принятой за нуль.

Вследствие изменения при нагреве внутренней энергии вещества практически все физические свойства последнего в большей или меньшей степени зависят от температуры, но для ее измерения выбираются по возможности те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравни­тельно легко поддаются измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротив­ления, возникновение термоэлектродвижущей силы и ин­тенсивность излучения положенные в основу устройства приборов для измерения температуры.

б) Температурные шкалы

Изменение агрегатного состояния химически чистого вещества (плавление или затвердевание, кипение или кон­денсация), как известно, протекает при постоянной температуре, значение которой определяется составом ве­щества, характером его агрегатного изменения и давле­нием. Значения этих воспроизводимых температур равновесия между твердой и жидкой или жидкой и газообраз­ной фазами различных веществ при нормальном атмос­ферном давлении 1 ( 1 Нормальное атмосферное давление условно принято равным среднему давлению воздушного столба земной атмосферы ) равном 101 325 Па (760 мм рт. ст.), на­зываются реперными точками .

Если принять в качестве основного интервал темпера­тур между реперными точками плавления льда и кипения воды, обозначив их соответственно 0 и 100, в пределах этих температур измерить объемное расширение какого-либо рабочего вещества, например ртути, находящейся в узком цилиндрическом стеклянном сосуде, и разделить на 100 равных частей изменение высоты ее столба, то в результате будет построена так называемая температур­ная шкала.

Для измерения температуры, лежащей выше или ниже выбранных значений реперных точек, полученные деле­ния наносят на шкале и за пределами отметок 0 и 100. Деления температурной шкалы называются градусами.

При построении указанной температурной шкалы была произвольно принята пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры, что, однако, не соответствует действительности, особенно при темпера­турах выше 100 градусов. Поэтому при помощи такой шка­лы можно точно измерить температуру только в двух исходных точках 0 и 100 градусов, тогда как результаты измерения во всем остальном диапазоне шкалы будут неточны. То же явление наблюдалось бы и при построении температурной шкалы с использованием других физичес­ких свойств рабочего вещества, таких, как изменение электрического сопротивления проводника, возбуждение термоэлектродвижущей силы и т. п.

Пользуясь вторым законом термодинамики, англий­ский физик Кельвин в 1848 г. предложил совершенно точную и равномерную, не зависящую от свойств рабо­чего вещества шкалу, получившую название термодина­мической температурной шкалы (шкалы Кельвина). Пос­ледняя основана на уравнении термодинамики для обра­тимого процесса (цикла Карно), имеющем вид:

Это уравнение показывает, что при работе теплового двигателя по обратимому циклу отношение количества тепла Q1 получаемого рабочим веществом от нагревателя, к количеству тепла Q2 отдаваемого им холодильнику, пропорционально только отношению температур T1 и Т2 нагревателя и холодильника. Придав определенное значе­ние Т2, при известных значениях Q1 и Q2 можно из соот­ношения (2-1) найти искомую величину T1. Однако практически указанный метод измерения температуры использован быть не может, так как нельзя осуществить обратимый цикл работы теплового двигателя.

Позднее было установлено, что термодинамическая температура совпадает с показанием газового термометра, заполненного идеальным (воображаемым) газом, обладаю­щим пропорциональным изменением давления от темпера­туры. Близкими по своим свойствам к идеальному газу являются водород, гелий и азот, которые и применяются для измерения термодинамической температуры с введе­нием небольших поправок на отклонение их свойств от свойств идеального газа 1 . ( 1 Свойства водорода и гелия близки к законам идеального газа при низких температурах, а азота-при высоких ). Точность показаний газового термометра очень высока, но пользование им сложно, а диапазон измерения незначителен.

Термодинамическая температур­ная шкала начинается с абсолютного нуля 2 ( 2 Абсолютным нулем называется температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю ). и в настоящее время является основной. Единицы термодина­мической температуры обозначаются знаком К (кельвин), а условное значение ее — буквой Т.

В дальнейшем с помощью газовых термометров была построена так называемая Международная практическая температурная шкала (МПТШ), легко и точно воспроизво­димая и близкая к термодинамической шкале. МПТШ была принята на VII Генеральной конференции по мерам и весам в 1927 г. Это вызывалось необходимостью облегчить измерение температуры с помощью газовой термометрии и унифицировать существующие в разных странах темпе­ратурные шкалы.

Международная практическая тем­пературная шкала была уточнена в 1948 г., а в 1960 г. изложена в новой редакции, принятой на XI Генеральной конференции по мерам и весам, где получила название Международной практической температурной шкалы 1948 г. (МПТШ-48). Позднее появились две важные причины для пересмотра МПТШ-48, первая из которых заключалась в необходимости расширения шкалы в об­ласти низких температур (10 — 90 К), а вторая — в повы­шении ее точности, так как современные измерения с по­мощью газовых термометров показали, что МПТШ-48 дает в основном более низкие значения по сравнению с термо­динамической шкалой.

Исходя из указанных причин Международный комитет мер и весов в 1968 г. в соответствии с решением XIII Генеральной конференции по мерам и весам (1967 г.) принял новую Международную практическую темпера­турную шкалу 1968 г. (МПТШ-68), градусы которой обо­значаются знаком °С (градус Цельсия), а условное значе­ние температуры — буквой t. Для этой шкалы градус Цельсия равен кельвину.

МПТШ-68 основана на значениях температур ряда вос­производимых состояний равновесия между фазами чистых веществ. Равновесие фаз некоторых из этих веществ и их определяющие реперные точки с присвоенными значениями температур приведены в табл. 2-1.

Для определения промежуточных температур между реперными точками служат интерполяционные формулы устанавливающие соотношение между значениями МПТШ-68 и показаниями эталонных приборов, градуированных по этим точкам. Обычно градуировку производят по точкам затвердевания вещества, так как в этом случае, даже если последнее частично загрязнено примесями, температура его близка к точке плавления чистого вещества.

При воспроизведении МПТШ-68 кроме определяющих реперных точек могут дополнительно применяться и вто­ричные реперные точки, такие, как температуры равнове­сия между твердым и жидким оловом, свинцом и т. д.

Международная практическая температурная шкала была узаконена в СССР 1 ( 1 ГОСТ8550-61. Тепловые единицы .) в качестве обязательной для градуировки всех приборов, предназначенных для измере­ния температуры. При помощи определяющих и вторичных реперных точек и эталонных приборов в органах Госстан­дарта СССР производятся поверка и градуировка измери­тельных приборов, служащих для точных измерений тем­пературы и поверки промышленных приборов.

Кроме Международной практической температурной шкалы существует еще шкала Фаренгейта 1 ( 1 Шкала Фаренгейта применяется в Англии и США.) предложенная в 1715 г. Шкала построена путем деления интервала между реперными точками плавления льда и кипения воды на 180 равных частей (градусов), обозначаемых знаком °Ф. По этой шкале точка плавления льда равна 32, а кипения воды 212 °Ф.

Для пересчета температуры, выраженной в Кельвинах или градусах Фаренгейта, в градусы Цельсия пользуются равенством

где n — число градусов по шкале Фаренгейта.

в) Классификация приборов для измерения темпе­ратуры

Приборы для измерения температуры разделяются в зависимости от используемых ими физических свойств веществ на следующие группы с диапазоном показа­ний:

(* Здесь и в дальнейшем после тире положительное значение температуры .)

Термометры расширения основаны на свойстве тел изменять под действием температуры свой объем.

Манометрические термометры рабо­тают по принципу изменения давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме при нагревании или охлаждении этих веществ 2 . ( 2 Этот принцип использован при построении Международной практической температурной шкалы по газовому термометру. )

Термометры сопротивления основаны на свойстве металлических проводников изменять в за­висимости от нагрева их электрическое сопротивление.

Термоэлектрические термометры по­строены на свойстве разнородных металлов и сплавов обра­зовывать в паре (спае) термоэлектродвижущую силу, зависящую от температуры спая.

Пирометры работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, зависящей от тем­пературы этих тел.

Источник

Измерение температуры

Одним из важнейших физических параметров, который чаще всего наблюдается и контролируется, будь то повседневная бытовая жизнь человека, производственные циклы или лабораторные исследования, является температура.

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 соответствии с Международной практической температурной шкалой 1968 г. основной температурой является термодинамическая температура, единица которой — Кельвин (К), но на практике чаще применяется температура Цельсия, единица которой — градус (С), равный Кельвину. между температурой Цельсия и термодинамической температурой существует следующее соотношение:

t, С=Т, К-273,15

Для изменения температур применяется контактные и бесконтактные методы. Для реализации контактных методов измерения применяются:

термометры расширения

термопреобразователи

• термосопротивления (проводниковые и полупроводниковые)
• термоэлектрические преобразователи

Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения).

Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. И в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.

Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от — 260 до 2200°С и кратковременно до 2500°С. Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от 20 до 4000°С.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

Термометрическое свойство	Наименование устройства	Пределы длительного применения, 0 С
		Нижний	Верхний
Тепловое расширение	Жидкостные стеклянные термометры	-190	600
Изменение давления	Манометрические термометры	-160	60
Изменение электрического сопротивления	Электрические термометры сопротивления.	-200	500
	Полупроводниковые термометры сопротивления	-90	180
Термоэлектрические эффекты	Термоэлектрические термометры (термопары) стандартизованные.	-50	1600
	Термоэлектрические термометры (термопары) специальные	1300	2500
Тепловое излучение	Оптические пирометры.	700	6000
	Радиационные пирометры.	20	3000
	Фотоэлектрические пирометры.	600	4000
	Цветовые пирометры	1400	2800

Термометры стеклянные

Принцип действия основан на зависимости объемного расширения жидкости от температуры. Отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, не ремонтопригодны, не могут передавать показания на расстояние.

Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненные частично термометрической жидкостью, и шкала.

Конструктивно различаются палочные термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки. У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверхность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой, заключены в защитную оболочку, припаянную к резервуару.

Стеклянные термометры расширения выпускаются для измерения температур от -100 до 600°С.

Выпускаются также ртутные электроконтактные термометры, предназначенные для сигнализации или поддержания заданной температуры. Термометры выпускаются с заданным постоянным контактом (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК).

Точность показаний термометров зависит от правильности их установки. Важнейшим требованием, предъявляемым при установке, является обеспечение наиболее благоприятных условий притока тепла от измеряемой среды к термобаллону и наименьший отвод тепла от остальной части термометра во внешнюю среду. Большей частью термометры устанавливают в защитную оправу.

Рисунок 1. Стеклянные термометры

Рисунок 2. Электроконтактные термометры

Манометрические термометры

Манометрические термометры предназначены для непрерывного дистанционного измерения температуры жидких и газообразных нейтральных сред в стационарных условиях.

Принцип действия основан на измерении давления (объема) рабочего вещества в замкнутом объеме в зависимости от температуры чувствительного элемента. Основными частями манометрических термометров являются термобаллон (чувствительный элемент), капилляр и деформационный манометрический преобразователь, связанный со стрелкой прибора.

Рисунок 3. Схема манометрического термометра

В зависимости от агрегатного состояния вещества, заполняющего систему, манометрические термометры делятся на жидкостные, газовые и парожидкостные (конденсатные). В качестве заполнителей термосистем применяются: в газовых манометрических термометрах — азот, в жидкостных — полиметилоксановые жидкости, в парожидкостных -ацетон, метил хлористый, фреон.

Измерение температуры контролируемой среды воспринимается заполнителем через термобаллон и преобразуется в изменение давления, под действием которого манометрическая трубчатая пружина с помощью тяги и сектора перемещает стрелку относительно шкалы.

Схема манометрического термометра

В зависимости от выполняемых функций манометрические термометры разделяются на показывающие, самопишущие, комбинированные, бесконтактные, с наличием устройств для телеметрической передачи, сигнализации, регулирования или без них.

В зависимости от способа соединения термобаллона с корпусом, термометры могут быть местные и дистанционные. В зависимости от формы диаграммы и поля записи, самопишущие термометры подразделяют на дисковые, ленточные. В зависимости от типа механизма для передвижения диаграммных лент самопишущие термометры изготовляют с часовым или электрическим приводом.

Достоинством манометрических термометров являются: возможность измерения температуры без использования дополнительных источников энергии, сравнительная простота конструкции, возможность автоматической записи показаний, взрывобезопасность, нечувствительность к внешним магнитным полям.

К недостаткам относятся: относительно невысокая точность измерения, трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы, низкая прочность капилляра, небольшое расстояние дистанционной передачи показаний, значительная инерционность.

Основные типы манометрических термометров:

— ТПГ — 100 Эк, ТПГ- 100Сг -газовый показывающий сигнализирующий;

— ТКП — 100 , ТКП — 160 -конденсационный показывающий;

— ТЖП — 100 — жидкостной показывающий;

— ТГП — 100 — газовый показывающий.

Термопреобразователи сопротивления

Термопреобразователи сопротивление применяются для измерения температур а пределах от -260 до 750°С. Принцип действия основан на свойстве проводника изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Основными частями термопреобразователя сопротивления являются: чувствительный элемент, защитная арматура и головка преобразователя с зажимами для подключения и соединительных проводов. Чувствительные элементы медных термопреобразователей представляют собой проволоку, покрытую эмалевой изоляцией, которая бифилярно намотана на каркас, либо без каркаса, помещенную в тонкостенную металлическую оболочку. Чувствительный элемент помещается в защитную арматуру.

Платиновая проволока не может быть покрыта слоем изоляции. Поэтому платиновые спирали располагают в тонких каналах керамического каркаса, заполненных керамическим порошком. Этот порошок выполняет функции изолятора, осуществляет фиксацию положения спиралей в каналах и препятствует межвитковому замыканию.

Термопреобразователи сопротивления выпускаются для измерений температур в диапазоне от -260 до 1100°С следующих исполнений: погружаемые и поверхностные, стационарные и переносные; негерметичные и герметичные; обыкновенные, пылезащищенные, водозащищенные, взрывобезопасные, защищенные от агрессивных сред и других внешних воздействий; малоинерционные, средней и большой инерционности; обыкновенные и виброустойчивые; одинарные и двойные; 1 — 3 классов точности.

Выпускаются термопреобразователи сопротивления следующих номинальных статических характеристик преобразования: платиновые -10П, 50П, 100П, медные -10М, 50М, 100М. Число в условном обозначении характеристики показывает сопротивление термопреобразователя при 0°С.

К числу достоинств следует отнести высокую точность и стабильность характеристики преобразователя, возможность измерять криогенные температуры, возможность осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показаний.

К недостаткам следует отнести больше размеры чувствительного элемента, не позволяющие измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды, необходимость индивидуального источника питания, значительная инертность.

Термоэлектрические преобразователи

Термометры термоэлектрические представляют собой чувствительные элементы в виде двух проводов из разнородных металлов или полупроводников со спаянными концами. Действие термоэлектрического преобразователя основано на эффекте Зеебека — появлении термоЭДС в контуре, составленном из двух разнородных проводников, спаи которых нагреты до различных температур. При поддержании температуры одного из спаев постоянной можно по значению термоЭДС судить о температуре другого спая. Спай, температура которого должна быть постоянной, принято называть холодным, а спай, непосредственно соприкасающийся с измеряемой средой — горячим.

В наименовании термоэлектрического преобразователя всегда принято ставить на первое место название положительного термоэлектрода, а на второе — отрицательного.

Преобразователи термоэлектрические изготовляют следующих типов:

— ТВР — термопреобразователь вольфрамрениевый

— ТПР — термопреобразователь платинородиевый

— ТПП — термопреобразователь платинородий-платиновый

— ТХА — термопреобразователь хромель-алюмелевый

— ТХК — термопреобразователь хромель-копелевый

— ТМК — термопреобразователь медь-копелевый

— По способу контакта с измеряемой средой — погружаемые, поверхностные.

— По условиям эксплуатации — стационарные, переносные, разового применения, многократного применения, кратковременного применения.

— По защищенности воздействия окружающей среды — обыкновенные, водозащитные, защищенные от агрессивных сред, взрывозащищенные, защищенные от других механических воздействий.

— По герметичности к измеряемой среде — негерметичные, герметичные.

— По числу термопар — одинарные, двойные тройные.

— По числу зон — однозонные, многозонные.

Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя , что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры . В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводиться соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки.

Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлиненные термоэлектродные провода. Они должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопреобразователя.

Существует два способа подбора компенсационных проводов. Первый способ — подбирают провода, которые в паре с соответствующим электродом имеют термоЭДС. Его применяют в тех случаях, когда необходимо производить измерения с повышенной точностью. В случае недефицитных материалов и удовлетворительных эксплуатационных свойств провода изготовляют из тех же материалов, что и подключаемая термопара.

Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции:

• измерить термоЭДС в цепи преобразователя;
• определить температуру свободных концов;
• в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов;
• по известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды.

В зависимости от материала термоэлектродов различают: термопреобразователи с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов; термопреобразователи с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко пользуются для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях. Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяются доя измерения температур до 1000°С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность из развивать большие термоЭДС.

Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и агрессивного действия среды, а также для удобства установки на технологическом оборудовании применяют защитную арматуру. Материал и исполнение арматуры могут быть различными в зависимости от назначения и области применения. Наиболее широко в качестве материалов используют высоколегированные стали и коррозионно — стойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля, хрома и добавок алюминия, кремния, марганца.

Бесконтактное измерение температуры, основные понятия и законы излучения

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

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 °С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.

Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.

Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.

Источник