3. Измерение температуры

Температура наряду с давлением и объемом представляет собой одну из трех основных величин, характеризующих термодинамическое состояние вещества, и непосредственно связана с его внутренней энергией. Практически нет ни одной области деятельности человека, где бы не требовалось измерять и регулировать температуру, поэтому она является одной из наиболее часто измеряемых физических величин. Температура – это статистическое понятие, которое применимо к системам, состоящим из большого числа частиц, находящихся в тепловом равновесии. Энергия частиц, усредненная по их числу, и определяет температуру системы (объекта).

Температура – слово, обозначающее «смесь». При взаимодействии двух равновесных систем, имеющих разную температуру, происходит переход энергии от системы с большим энергосодержанием в систему с меньшим энергосодержанием, пока обе системы не примут новое состояние равновесия. Общим для всех видов частиц первоначально разделенных систем является температура.

Диапазон значений измеряемой температуры весьма широк. Путем растворения гелия-3 в обычном жидком гелии-4 достигнута температура 0,001 К. Методами магнитного охлаждения получена температура 0,000016 К. Верхний предел существующих значений температуры практически не ограничен. Как предполагают, в начале развития Вселенной существовала сверхгорячая плазма с температурой 4·10³¹ К. Сейчас практически необходимо измерять температуру порядка 10⁸ К и более, которая имеет место в горячей плазме и при термоядерных реакциях. Диапазон существующих значений температуры можно разделить на ряд характерных поддиапазонов: сверхнизкая температура (0 – 4,2 К), низкая (4,2 – 273 К), средняя (273 – 1300 К), высокая (1300 –5000 К) и сверхвысокая (от 5000 К и выше).

Сверхнизкую и низкую температуру необходимо измерять при проведении различных физических экспериментов, и особенно при ис­следовании сверхпроводимости и ее техническом применении, в криогенной технике и др. За верхний предел сверхнизкой температуры условно принята температура, при которой проводники переходят в сверхпроводящее состояние.

Наиболее часто измеряемые значения температуры лежат в области низкой, средней и высокой температуры. Такие измерения имеют место в различных отраслях народного хозяйства, при научных исследованиях, в медицине.

Потребность в измерении сверхвысокой температуры непрерывно возрастает, особенно в связи с развитием плазменных методов обработки материалов, ракетной и космической техники, а также исследований управляемых термоядерных реакций. Сверхвысокая температура (4000 – 20000 К), при которой все вещества при нормальном давлении, переходят в газообразное состояние, имеет место при слаботочных электрических дуговых разрядах, в газоразрядных лампах, в ракетных двигателях, на поверхности Солнца (~ 6000 К), на тепловом щите космических аппаратов, в плазмотронах для обработки материалов (5000 – 20 000 К) и т. д.

Температура порядка 5·10⁴ – 5·10⁵ К имеет место в стационарных электрических дугах и сверхзвуковых потоках плазмы, при кратковременных электрических разрядах в фокусе плазмы. При ядерных реакциях внутри Солнца и звезд температура достигает 10⁸ К. Еще более высокая температура наблюдается при неуправляемых термоядерных реакциях (водородная бомба).

Необходимо отметить, что температура относится к физическим величинам, точность измерения которых еще невелика. При проведении научных исследований, в частности, при определении фундаментальных физических констант, необходимо измерять температуру с погрешностью 10^–2 – 10^–4 %. В промышленности также имеется необходимость в повышении точности измерения температуры. Сейчас промышленные приборы обеспечивают измерение температуры с погрешностью 0,5 – 1 % и более. Повышение точности измерения температуры, например, при разливке стали, на 0,1% дает возможность улучшить ее качественные показатели на 5 – 10 %.

При выращивании монокристаллов, изготовлении интегральных микросхем и получении чистых металлов необходимо поддер­живать температуру с погрешностью 0,01 – 0,1 %. Снижение по­грешности измерения температуры в диапазоне 1500 – 1800 °С до 3 – 5 К позволяет повысить мощность атомных электрических станций на 3 – 5 %.

Современная практика кроме повышения точности выдвигает и другие требования к термометрии: измерение переменных значений температуры в широком диапазоне частот, измерение температуры многофазных потоков, при высоких давлениях, в агрессивных средах, в сильномагнитных полях, измерение параметров температурного поля протяженных объектов и т. д.

Широкий диапазон подлежащих измерению значений температуры, разнообразие условий и объектов исследования обусловили многочисленность методов и средств измерения температуры. В термометрии принято классифицировать методы и средства измерений на контактные и неконтактные.

Такая классификация основана на наличии или отсутствии непосредственного контакта (касания) термочувствительного элемента с объектом измерения. Более полно особенности отдельных методов раскрывает классификация по механизму передачи энергии от объекта исследования к термопреобразователю, в соответствии с которой методы и средства измерения температуры можно разделить на термометрические, пирометрические и спектрометрические. Наиболее применимыми являются шкалы Цельсия и Кельвина, отличающиеся тем, какой температуре присвоено нулевое значение. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля. Температура по шкале Кельвина обозначается Т. Единицей разности значений температуры является 1 К.

Шкала Цельсия начинается с точки таяния льда. Нулевая точка 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 МПТШ (Международной практической температурной шкалы). Градус по шкале Цельсия определяется так: 1 °С = (Т точки кипения – Т точки таяния воды)/100. Градус Цельсия по величине равен градусу Кельвина. Температура по шкале Цельсия обозначается t. Соотношение между значениями температуры по шкалам Цельсия и Кельвина таково: t(°C) = T(K) – 273,15. В англоязычных странах до сих пор используют шкалу Фаренгейта. Соотношения с температурой по Цельсию следующие: (°C) = 5/9(t_F – 32) t_F = 9/5 t (°C) + 32. Например: 36,6 °С = 97,88 F.

В зависимости от реализуемого выходного сигнала термометра различают механические и электрические контактные термометры.

Механические контактные термометры основаны на тепловом расширении веществ во всех трех фазовых состояниях (твердом, жидком, газообразном) и характеризуются прочностью, малыми затратами на обслуживание и низкими погрешностью и стоимостью.

В качестве электрических приборов контактного типа в области низкой температуры (13,81 – 903,89 К) применяются платиновые термометры сопротивления и термопары. В диапазоне значений температуры 903,89 – 1337,58 К применяется термопара «платинородий – платина», для которой зависимость ЭДС от температуры выражается уравнением второй степени. Для температуры выше температуры затвердевания золота (1337,58 К) измерение производится с помощью пирометрических методов.

Для очень низкой температуры (1,5 – 4,2 К) эталоном температуры служит газовый термометр на основе гелия. Ниже будут описаны некоторые методы и средства измерения температуры.

Принцип работы дилатометрического термометра основан на удлинении металлического стержня I_t = I_o(1 + α t), где α – коэффициент линейного температурного расширения материала стержня.

Обычно в качестве чувствительного элемента используют трубку из металла с высоким (латунная трубка), внутри которой располагается стержень из материала с более низким, например, инвара, фарфора, кварца.

Н

Рис. 6.20. Схема дилатометрического термометра

а рис. 6.20 измеритель имеет металлическую трубку 1, которая при нагревании удлиняется. Это перемещение передается керамическому стержню 2, имеющему незначительный коэффициент линейного расширения. Стержень воздействует на систему рычагов, приводящих стрелку во вращательное движение.Механические рычажные и редукторные передаточные устройства увеличивают отклонение. Диапазон измерения (0 – 1000) °С, погрешность составляет 1 – 3 %. Эти устройства применяют обычно в регуляторах температуры, где требуются большие усилия в исполнительном механизме. Чаще применяют биметаллические термометры, в которых также используется различное температурное расширение двух разнородных материалов. Примеры исполнения биметаллических пластин приведены на рис. 6.21.

В

а б

Рис. 6.21. Схема биметаллического термометра:

с плоской (а) и со спиральной пластиной (б)

ариант исполнения термометра варианта а (см. рис. 6.21) используется, главным образом, в температурных реле (утюги); вариантб, в виду существенного отклонения свободного

конца применяют в термометрах непосредственного отсчета. Д

иапазон измерения биметаллических термометров – от –50 до + 600 °С, погрешность 1 – 3 %. В жидкостных термометрах измеряется относительное расширение жидкости по сравнению с объемом резервуара. Основная часть жидкости находится в шарообразном резервуаре, который является чувствительным элементом термометра. Резервуар сообщается с длинным и узким стеклянным капилляром. Биметаллические термометры могут иметь достаточно малые размеры, в этом их преимущество перед дилатометрическими. Они просты в изготовлении и дешевы [16].

Для заполнения термометров применяют смачивающие жидкости (органические) и несмачивающие (ртуть). Шкалу термометра наносят на стеклянную пластину матового цвета, помещенную позади капилляра или вместе с ним в защитной стеклянной трубке. В зависимости от диапазона измерений и требуемой точности цена деления шкалы может быть 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 °С. Стеклянные жидкостные термометры не обеспечивают особо высокой точности, но являются самыми распространенными приборами для измерения температуры, особенно в лабораторной практике. В промышленности их роль постепенно уменьшается, так как автоматизация технологических процессов все чаще требует дистанционной передачи результатов измерений. Диапазон измерения стеклянных жидкостных термометров зависит от свойств термометрической жидкости: этиловый спирт – от –110 до +210 °С; ртуть в вакууме – от –30 до +150 °С; ртуть в кварцевом стекле – от –30 до +1000 °С.

В практических измерениях, а еще чаще – при проведении физических экспериментов, часто требуется измерить температуру тел, с которыми нельзя вступать в контакт. В этих случаях чаще всего пользуются радиационными (оптическими) пирометрами, принцип работы которых основан на измерении энергии теплового излучения, которое испускает нагретое тело.

Если на какую-либо поверхность падает поток излучения, то он частично отражается этой поверхностью, частично поглощается и частично пропускается через эту поверхность. Если тело поглощает и преобразует в тепло внутри себя все падающее на него излучение, то такое тело называют абсолютно черным. Черное тело имеет наибольшую излучательную способность Ф_S при данной температуре, поэтому для описания нечерного тела его излучательную способ­ность Ф относят к соответствующему показателю черного тела:

(6.8)

где ε – коэффициент излучения, зависящий от температуры тела и измеряемой длины волны.

Наибольшее распространение получили пирометры сравнения. Рассмотрим устройство пирометра с исчезающей нитью накала на рис. 6.22.

Т_нак < Т_x

Т_нак = Т_x

Т_нак > Т_x

Рис. 6.22. Схема устройства пирометра с исчезающей нитью

Наблюдатель в видимой области сравнивает яркость измеряемого излучения и контрольного излучателя – нити накаливания вольфрамовой лампы. Накал контрольного излучателя изменяется путем регулирования тока накала нити лампы. Измеренная пирометром так называемая яркостная температура равна истинной температуре, если спектральный коэффициент излучения поверхности измеряемого объекта равен единице. В реальных случаях измеренная температура всегда меньше истинной. Имеются эмпирически определенные коэффициенты излучения различных материалов, которые можно использовать для определения истинной температуры. Нижняя граница диапазона значений температуры для такого пирометра составляет около 650 °С, а верхняя – обычно около 2500 ^оС.

В последние годы в промышленности и в исследовательских целях применяются так называемые термовизоры. Такой прибор имеет инфракрасную камеру, состоящую из пирометра и фотоэлектрического приемника излучения.

Камера механически сканирует измеряемую поверхность в двух направлениях. В результате на экране отображается картина температурного поля. Одна из наиболее известных фирм, выпускающих такие приборы, – AGA Thermovission (Швейцария). Датчики, построенные на основе пьезокварцевых чувствительных элементов, на выходе имеют частотный или цифровой сигнал, что определяет высокую помехозащищенность. Диапазон значений измеряемой температуры – 0 – 200 °С.

Наиболее применимыми средствами измерения температуры в промышленности являются термопары. Согласно требованиям ГОСТ 6616-94 стандартизованы типы термопар, часть из которых представлена в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Стандартные термопары

Тип термопары	Обозначение	Предел измеряемой температуры
		нижний	верхний	кратковременный
Медь – константановая ТМКн	Cu – CuNi	–200	350	400
Хромель – копелевая ТХК	-	–200	600	800
Хромель – алюмелевая ТХА	NiCr – NiAl	–200	1200	1300
Платинородий – платиновая ТПП13	-	0	1300	1600