Глава 6.Канал измерения температуры Содержание

_{1. Общие сведения об измерении температуры......................................2}

_{1.1. Понятие температуры.....................................................................2}

_{1.2. Особенности измерения температуры..........................................5}

_{1.3. Авиационные термометры.............................................................9}

2. Термобиметаллические термометры..................................................10

_{3. Терморезистивные преобразователи..................................................12}

3.1. Принцип действия. Измерительные цепи..................................12

3.2. Термопреобразователи сопротивления на основе металлов....14

3.3. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивления...16

3.4. Особенности устройства термометров сопротивления.............18

3.5. Параметры терморезисторов.......................................................23

3.6. Погрешности терморезисторных термометров.........................24

_{4.Термоэлектрические термометры……………………………………26}

_{5. Общие методические погрешности датчиков температуры............41}

6. Контрольные вопросы.........................................................................42

1. Общие сведения об измерении температуры

1.1. Понятие температуры

Приборы, предназначенные для измерения температуры, называются термометрами.

_{В качестве принципа работы термометров можно использовать любой физический процесс, в котором температура однозначно связана с какой-либо легко определяемой величиной (например, изменение объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС и т.д.). Температуры тел – уровни их внутренних энергий – определяют интенсивность теплообмена между ними и указывают направление передачи тепловой энергии от более нагретого к менее нагретому телу.}

_{Общее определение понятия температуры можно сформулировать следующим образом. Температура – статистически формирующаяся теплодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия которых определяет температуру. В частности, для газообразных тел согласно кинетической теории средняя поступательного движения молекул связана с температурой Т газа выражением:}

_{, (1)}

_{где m – их масса; ν – средний квадрат скорости поступательного движения молекул; k – постоянная Больцмана.}

_{Распределение энергии поступательного движения между молекулами характеризуется выражением:}

₍₂₎

_{где ∆N – число молекул, энергия которых находится в интервале от E до E+∆Е; N – общее число молекул в единице объема; E – энергия поступательного движения молекул, определяющаяся их скоростью.}

_{Кинетическая энергия вращательного и колебательного движения молекул газа и колебательного движения атомов в кристаллических решетках твердого тела подчиняются закономерностям, выраженным аналогичными соотношениями.}

_{В процессе соударения молекул происходит обмен энергии между ними, т. е. устанавливается равновесное состояние, при котором все формы кинетической энергии ансамбля молекул и атомов тела характеризуются одинаковым значением температуры. Такую неравновесную температуру Т принято называть термодинамической.}

_{Выражения (1) и (2) характеризуют статистическую связь между энергией движения молекул и температурой, справедливую для большого ансамбля частиц. Однако для данной температуры кинетическая энергия каждой отдельной молекулы может существенно отличаться от средней энергии, входящей в эти выражения. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из очень большого числа молекул. В применении к отдельной молекуле понятие температуры не имеет смысла.}

_{В пространстве с крайне разреженной материей температура не может быть определена статистическим распределением скоростей движения молекул. В этих условиях статистические соотношения неприменимы. Температура такого пространства определяется мощностью пронизывающих его потоков лучистой энергии. За его температуру принимают температуру абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.}

_{Не имеет физического смысла понятие температуры в некоторой точке данного тела. Можно говорить только о температуре, характеризующей состояние вещества внутри некоторого объема тела, точнее, тела конечной массы.}

_{Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотношения, определяющие либо характер протекания ряда физических процессов, либо связь с другими физическими величинами. К таким фундаментальным соотношениям, играющим большую роль в температурных измерениях, следует отнести следующие:}

1. _{Уравнение состояния идеального газа – уравнение Клапейрона: ρV=RT,}

₍₃₎

_{где ρ и V – соответственно давление и объем газа, а R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31441 Дж/(моль*К).}

2. _{Закон Кюри:}

_{μ=с/Т, (4)}

_{где μ – магнитная восприимчивость парамагнитной соли; с – постоянная, определяемая при градуировке;}

3. _{Уравнение Найквиста, определяющее интенсивность тепловых шумов на концах активного сопротивления R, названных флуктуациями носителей зарядов в проводнике:}

_{, (5)}

_{где h – постоянная Планка;  – частота.}

_{При kT уравнение принимает вид ‾U}² _{= 4RkT;}

4. _{Формула Планка, определяющая свойства теплового излучения абсолютно черного тела для длины волны λ, Вт/м}²_:

_{, (6)}

_{где с1 и с2 – постоянные.}

_{Необходимость сопоставления результатов измерения температур в разных странах заставила искать пути создания международного эта­лона.}

_{Первой попыткой в этом направлении было утверждение в 1889г. на Международной конференции по мерам и весам в качестве между­народного эталона температуры водородного газового термометра по­стоянного объема.}

_{В качестве основных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении, которым приписаны число­вые значения соответственно 0 и 100 с делением основного интервала на 100 равных частей. Числовым значениям измеренных "водородных" температур приписывался знак °С.}

_{Развитие отраслей техники, нуждающихся в надежных методах изме­рений температур, выходящих далеко за пределы интервала (0÷100) °С и обладающих более высокой воспроизводимостью, чем газовый термо­метр. В 1933 г. на 8-й Генеральной конференции было утверждено Положения об МПТШ-27.}

_{МПТШ должна быть установлена таким образом, чтобы легко и просто было воспроиз­водить и определять любую температуру по МПТШ с точностями более высокими, чем по термодинамической шкале. В МПТШ-68 используются как международные практические темпе­ратуры Кельвина (символ T68), так и международные практические температуры Цельсия (символ t68). Соотношение между Т68 и t6S такое же, как между Т и t, т.е. Т68 К = t68 °С + 273,15.}

_{Единицей Т68, так же как и единицей термодинамической температу­ры, является Кельвин (К). Числовые значения температур в абсолют­ной шкале T68 выражаются в Кельвинах, а в шкале, отсчитываемой в Кельвинах от точки плавления льда, считаются выраженными в градусах Цельсия, °С, т.е. так же, как термодинамические температуры.}

_{Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) с учетом рекомендаций Консультативного комитета по термометрии 1984 г. основывается на группе из 12 воспроизводимых температур фазовых переходов (реперных точек), числовые значения которых были получены как наиболее достоверные по результатам газотермических измерений в ряде стран таких, как точка кипения равновесного водорода при нормальном давлении 20,23 К (-252,87 °С), тройная точка воды 273,16 К (0,01 °С), точка кипения воды 373,15 К (100 °) и т.д.. Эти значения охватывают интервал шкалы от 13,81 К (-259,34°) – тройная точка равновесного водорода до 1337,58 К (1064,43 °С) – точка затвердевания золота.}