13.4. Вимірювання температури
Температу́ра – скалярна фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що припадає на один ступінь вільності.
Поняття температури інтуїтивно зрозуміле, як стан тепла й холоду, але її вимірювання є методологічно складною проблемою. Температуру неможливо виміряти безпосередньо. Проте, при нагріванні або охолодженні тіла змінюються його фізичні властивості: довжина і об'єм, густина, пружні властивості, електропровідність тощо. Основою для вимірювання температури може бути зміна будь-якої властивості тіла, якщо для нього відома залежність даної властивості від температури.
Прилади для вимірювання температури класифікуються в залежності від метода вимірювання: термометры, для вимірювання контактним методом; пирометри, для вимірювання неконтактним методом.
Дія газового термометра ґрунтується на залежності тиску (при сталому об'ємі) від температури згідно з законом ідеального газу. Прилади такого типу використовуються рідко.
Дія рідинного термометра ґрунтується на тепловому розширенні рідини. Робочою рідиною в термометрах такого типу є ртуть, спирт або толуен. Діапазон температур, в межах якого можливе застосування ртуті, становить від мінус 38,8 до +356,9оС. При вимірюванні низьких температур перевагу мають спирт (мінус 117,3...+78,50С), або толуен (мінус 95,1...+110,50С).
Дія оптичного пирометра ґрунтується на використанні залежності випромінювальної здатності розжареного тіла від температури.
Найбільш поширеними, особливо в промислових вимірюваннях, є пірометри із зникаючою ниткою. Схема пірометра із зникаючою ниткою ОППІР-017 який має власне коло електричного живлення показано на
рис.
13.1, де: 1 – витяжний тубус об'єктива (Об);
2
– корпус; 3 – поворотна ручка поглинаючого
фільтра (ФП);
4 – поворотне кільце (движок реостата
пірометра )
;
5 – направляюча трубка тубуса об’єктива;
6 – поворотна обойма червоного
світлофільтра (ФЧ);
7 – витяжний тубус окуляра (Ок);
8 – кожух рукоятки.
Рис.13.1
За допомогою тубуса об'єктива Ок зображення світної нитки лампи розжарювання Л1 суміщається в одній площині з ниткою розжарення еталонної лампи Л2 розташованої у фокальній площині об'єктива Об пірометра. Обидві нитки розглядаються через окуляр Ок.
За допомогою цих пірометрів визначення температури базується на безпосередньому порівнянні яскравості випромінювання тіла в певній області спектра з яскравістю еталонного джерела в тій самій області. Еталонне джерело світла попередньо градуйоване за випромінюванням абсолютно чорного тіла. Визначена таким чином температура називається яскравісною температурою. Яскравісна температура довільного нечорного тіла – це така температура, яку воно мало б, випромінюючи у даній спектральній області як абсолютно чорне тіло, тобто вона завжди нижча за дійсну температуру тіла, тому вводять поправки.
Дія термометрів опору ґрунтується на властивості провідників (терморезистори) і напівпровідників (термістори) змінювати електричний опір під впливом температури.
Дія термоелектричного термометра ґрунтується на ефекті Зеєбека – виникненні електрорушійної сили (ЕРС) в електричному колі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників (термопара), контакти яких мають різну температуру
Дія біметалевого термометра ґрунтується на тепловому розширенні твердих тіл, зокрема на деформації біметалевої пластини (наприклад, інвар і сталь) під впливом температури.
Радіотермометри використовують для вимірювання температури природних поверхонь. На практиці вимірюють енергетичну яскравість у смузі довжин хвиль в інтервалі 8...13 мкм, де спостерігається вікно прозорості атмосфери і випромінювальна здатність тіл максимальна. Через це температура атмосфери не впливає на результати вимірювань температури поверхні, а випромінювання Сонця цілком поглинається атмосферою і також не заважає вимірюванням. Радіометри складаються з оптичної системи (лінзи, дзеркала, фільтри), що фокусує потік випромінювання певної довжини хвилі на детектор – термістор або термобатарею.
Кварцовий п’єзоелектричний термометр – це цифровий прилад, в основі дії якого лежить вимірювання резонансної частоти п’єзокристалу. Прилади такого типу характеризуються високою чутливістю та роздільною здатністю (10-4 0С). Діапазон температур, що вимірюються, становить від мінус 40 до +2300С. До недоліків можна віднести складність електронної системи та високу вартість приладів.