Измерение температур

Измерение температур

Измерение температур

1. Общие сведения об измерении температур

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обуславливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела, которая может сильно отличаться от кинетической энергии каждой отдельной молекулы тела. Поэтому понятие температуры применимо только к телу, состоящего из большого числа молекул ( в применении к отдельным молекулам оно бессмысленно).

Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении физических (термометрических) свойств вещества при нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной шкалы казалось бы, возможно выбрать любое термометрическое свойство, характеризующее состояние того или иного вещества и на основании его изменений построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как термометрическое свойство должно быть однозначно изменяться с изменением температуры, не зависеть от других факторов и допускать возможность измерение его изменений сравнительно простым и удобным методом.

В действительности нет ни одного термометрического свойство, которое в полной мере можно удовлетворить этим требованиям во всём интервале измеряемых температур.

Международным комитетом мер и весов 1968 г. была принята Международная практическая температурная шкала МПТИ-68 (первая международная шкала температур - МТИ - была принята в 1927 г.). Эта шкала основана на 2-х постоянных и воспроизводимых температурах фазовых равновесий - реперных точках, которым присвоены определённые числовые значения, а также на приборах и формулах, определяющих связь между температурой и показаниями этих приборах, градуированных в указанных реперных точках. Ниже приведены названия реперных точек и присвоенные им значения температур.

Реперная точка Обозначение Температура по МТШ-90, °С

Тройная точка водорода - 259,43

Тройная точка кислорода - 218,789

Тройная точка воды TPW 0,01

Точка плавления галлия Ga 29,7646

Точка затвердевания индия In 156,5985

Точка затвердевания олова Sn 231,928

Точка затвердевания цинка Zn 419,527

Точка затвердевания алюминия Al 660,323

Точка затвердевания серебра Ag 961,3

Точка затвердевания золота Аu 1064,43

Например, равновесие между твёрдой, жидкой и парообразной фазами воды существуют при 0,01 °С, а точка кипения воды 100°С, точка затвердения серебра 961,3 °С, а точка затвердения золота 1064,43 °С, равновесие между твёрдой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (тройная точка) - при (-259,43 °С) и т.д. В соответствии с решением XVIII Генеральной конференции по мерам и весам (1987) с 1990 введена новая Международная температурная шкала (МТШ-90), в которой значение температуры тройной точкой воды сохраняется, а значения других реперных точек уточнены и приближены к их истинным термодинамическим температурам; при этом °С меньше ⁰К на 3·10^-4.

Процессы плавления и затвердевания металлов реализуются в специальных ячейках. Металл заплавляется в тигли, изготовленные из графита высокой плотности и чистоты. Тигли помещаются в капсулы из пирекса или кварца, заполненные инертным газом (обычно аргоном или гелием). При изготовлении ячейки важно не допустить попадания кислорода и паров воды в металл, обеспечить высокую чистоту инертного газа и всех, используемых при заплавке металла материалов. Повышение точности реализации реперной точки достигается применением ячеек открытого типа, в которых давление газа в капсуле может регулироваться и поддерживаться равным 101325 Па в течение фазового перехода. Для реализации точки плавления галлия используется ячейка из фторопласта высокой чистоты.

Для осуществления плавления и затвердевания металлов применяются печи и термостаты. Основное требование - обеспечение равномерного температурного поля на длине тигля с металлом, что необходимо для правильного формирования и продвижения границы двух фаз. При температурах выше 600 °С рекомендуется использовать печи с тепловыми трубами, при более низких температурах могут использоваться печи с тремя нагревателями без тепловых труб.

Первичный эталон единицы температуры создан в период с 1955 по 1971 в ВНИИМ им. Д. И. Менделеева и утвержден в качестве Государственного эталона 28 декабря 1972 г. Изменение состава эталона проходило в 1992 г. В связи с введением новой международной температурной шкалы МТШ-90 состав эталона был изменен также в 1998 г.

Создание и совершенствование эталона единицы температуры является основной научной работой термометрической лаборатории ВНИИМ на протяжении всего периода существования лаборатории.

В период 1949 - 1960 г.г. с целью повышения точности реализации практической температурной шкалы разработаны и исследованы равноделенные ртутные стеклянные термометры с ценой деления 0,01 °С для диапазона 0... 300 °С.

В 1950 - 1954 г.г проводились работы по повышению точности воспроизведения и передачи единицы температуры в точке 0 °С. Вместо опорной точки таяния льда, применявшейся ранее, разработана, изготовлена и исследована ампула тройной точки воды.

В 1955 - 1964 г.г. исследовалась возможность повышения точности электрических измерений, применяемых в термометрии. Разработаны герметизированные золото-хромовые меры электрического сопротивления не кратные десяти, что исключило введение поправок на декады (сопротивления, кратные 10 ом) потенциометра. В качестве электроизмерительной аппаратуры применены специальные мосты (электрические).

В 1960 - 1970 г.г. для повышения точности воспроизведения и передачи размера единицы температуры в диапазоне 400 - 1100 °С вместо платинородий - платиновых термопар разработаны высокотемпературные платиновые термометры сопротивления.

В период с 1970 по 1977 г.г. с целью оснащения территориальных органов Госстандарта в лаборатории были разработаны, изготовлены и переданы для серийного производства термостатные установки с водяным, масляным и оловянными теплоносителями. Термостаты были предназначены для массовой поверки контактных термометров в диапазоне от 0 до 600 °С. В 1985-1990 г.г был разработан и выпущен в серийное производство автоматизированный комплекс для реализации реперных точек шкалы, включающий новые печи с тремя нагревателями и систему управления режимом их работы САУРТ. Такими печами начали оснащаться все региональные метрологические центры.

В 1990-1998 г.г. основным научным направлением являлась разработка и исследование эталонных платиновых термометров сопротивления. В зависимости от диапазона температур используются два типа эталонных термометров: термометры для средних температур (ПТС) от 0 °С до 660,323 °С и высокотемпературные термометры (ВТС) от 660,323 до 961,78 °С. ВТС отличаются от ПТС большим диаметром платиновой проволоки, меньшим номинальным сопротивлением, что снижает эффект влияния чувствительного элемента изоляцией каркаса при высоких температурах.

Были проведены Государственные приемочные испытания эталонных термометров ПТС-10М и ВТС, разработаны методики их применения и поверки, утверждены соответствующие стандарты. Ряд работ, проведенных в 1990-1992 г.г. во ВНИИМ и НИСТ, подтвердил возможность применения российских ВТС в диапазоне выше 961,78°С - установленного МТШ-90 предела для платиновых термометров. Были исследованы и внедрены методики аппроксимации (продления) шкалы до 1084 °С.

В последнее десятилетие постоянные работы ведутся по совершенствованию эталона: настройке аппаратуры для реализации реперных точек, подбору оптимальных температурных полей в печах и получению длительных фазовых переходов, проведению ключевых международных сличений. В 1999-2001 гг. была создана система для откачки ампул ГПЭ, заполнения их аргоном и точного регулирования давления в ампулах во время фазового перехода. В 2002-2006 гг. была проведена замена регуляторов температуры в эталонных печах на современные цифровые регуляторы.

В ряде стран (напр., Австралия, Великобритания, Канада, США) продолжают применять средства измерения температур, градуируемые в °F (градус Фаренгейта) или °R(градус Реомюра).

Пересчёт температуры между основными шкалами

Т⁰К= Т⁰С + 273,15 = (Т⁰F +459,67)/1,8 Т⁰F= Т⁰К · 1,8 - 459,67= Т⁰C· 1,8+32

Т⁰C= Т⁰К - 273,15 = (Т⁰F - 32)/1,8

(Любопытно отметить, что температура −40 °F соответствует температуре −40 °C). Шкала Реомюра предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R); 1 °R = 1,25 °C. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

2. Термометры

На практике в настоящее время для измерения температур наиболее широко используются следующие термометрические свойства: тепловое расширение жидкостей, изменение электрического сопротивления металлов и полупроводников с температурой, возникновение термоЭДС.

Термометры, приборы для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой. Первые термометры. появились в конце 16- начале 17 вв. (например, термоскоп Галилея, 1597), сам термин "термометры" введён в 1636 г. Действие термометров основано на изменениях однозначно зависящих от температуры и легко поддающихся определению разных физических свойств тел (геометрические размеры, давление в замкнутом объеме, электрическое сопротивление, термоэдс, магнитная восприимчивость и др.). Соответственно различают следующие наиболее распространенные типы термометров: расширения, манометрические, сопротивления, термоэлектрические, магнитные и др

Термометры расширения построены по принципу изменения объемов жидкостей (жидкостные термометры) или линейных размеров твёрдых тел (деформационные термометры). Действие жидкостных термометров основано на различиях коэффициентов теплового расширения рабочего, или термометрического, вещества (ртуть, этанол, пентан, керосин, иные органические жидкости) и материала оболочки, в которой оно находится (термометрическое стекло либо кварц). Несмотря на большое разнообразие конструкций, эти термометры относятся к одному из двух основных типов: палочные (рис. 1, а) и с вложенной шкалой (рис. 1, б). Особенно распространены ртутные стеклянные термометры, подразделяемые на образцовые (1-го разряда - только палочные, 2-го разряда - оба типа), лабораторные (оба типа), технические (только с вложенной шкалой). Среди приборов, заполненных органическими жидкостями и используемых лишь для измерения температур ниже (- 30 °С), чаще других применяют спиртовые термометры. Все жидкостные термометры используют обычно для локальных измерений температуры (от -200 до 600 °С) с точностью, определяемой ценой деления шкалы. Для образцовых стеклянных термометров с узким диапазоном шкалы цена деления может достигать 0,01 °С. Точность измерений зависит от глубины погружения термометра в исследуемую среду: прибор следует погружать на глубину, при которой проводилась его градуировка. Достоинства этих термометров - простота конструкции и высокая точность измерений. Недостатки: невозможность регистрации и передачи показаний на расстояние; зависимость показаний от изменения объемов жидкости и резервуара, в котором она находится; тепловая инерционность; невозможность ремонта. Область применения таких термометров приведена в таблице 1.

Разновидность жидкостных приборов - электроконтактные ртутные термометры, применяемые для регулирования температуры или сигнализации о нарушении заданного температурного режима в пределах от - 30 до 300 °С. Платиновые контакты, впаянные в нижнюю часть капилляра, соединены с медными проводниками, которые через реле включены в цепь электрического нагревателя, либо сигнализации. В момент соединения контактов столбиком ртути замыкается цепь реле, выключающего нагреватель или включающего сигнализацию.

Табл.1 Термометрические жидкости

Манометрические термометры. Их действие основано на изменении давления ΔР рабочего вещества, заключенного в емкость постоянного объема, при изменении его температуры ∆t. По конструкции манометрические термометры всех типов практически одинаковы и состоят из термобаллона, манометрической трубчатой пружины (одно- или многовитковой, в виде сильфона) и соединяющего их капилляра (рис. 2). При нагревании термобаллона, помещенного в зону измерения температуры, давление вещества внутри замкнутой системы возрастает. Это увеличение давления воспринимается пружиной, которая через передаточный механизм воздействует на стрелку прибора. В зависимости от того, чем заполнены термобаллоны, различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры.

Рис. 1. Термометры расширения:

Рис.2. Манометрический термометр. а-палочный; б-с вложенной шкалой. 1 - термобаллон; 2-капилляр; 3-трубчатая пружина 4- держатель; 5-поводок; 6-сектор (4-6-передаточный механизм).

В газовых термометрах (обычно постоянного объема) изменение температуры идеального газа пропорционально изменению давления, под которым рабочее вещество (N₂, He, Аг) полностью заполняет термосистему прибора. В диапазоне измеряемых температур (от - 120 до 600 °С) различия свойств идеальных и реальных газов учитываются при градуировке термометров.

В основу работы жидкостных термометров, термобаллоны которых полностью заполнены кремнийорганическими жидкостями, положена линейная зависимость изменения ее объема от температуры, что определяет равномерность шкал данных приборов. Пределы измерений от - 50 до 300 °С. В конденсационных (парожидкостных) термометрах измеряют давление насыщенного пара над поверхностью низкокипящей жидкости (ацетон, метилхлорид и др.), заполняющей термосистему на 2/3 ее объема. Изменение этого давления непропорционально изменению температуры, поэтому такие приборы имеют неравномерные шкалы. Пределы измерений от -25 до 300 °С.

Манометрические термометры надежны в эксплуатации (хотя и отличаются запаздыванием показаний) и используются как показывающие, самопишущие и контактные технологические приборы; при большой длине капилляра (до 60 м) могут служить дистанционными термометрами. Погрешность измерений примерно 1,5% от максимального значения шкалы при нормальном давления. В случае отклонений от них возникают дополнительные погрешности, которые определяются расчетом или компенсируются.

Термометры сопротивления. Измерение (с высокой точностью) температуры основано на свойстве проводников (металлы и сплавы) и полупроводников (например, оксиды некоторых металлов, легированные монокристаллы кремния Si или германия Ge) изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. С её повышением для проводников сопротивление увеличивается, для полупроводников - уменьшается. Количественно такая зависимость выражается температурным коэффициентом электрического сопротивления (ТКЭС, °С^-1)· Эти термометры состоят из чувствительного элемента (термоэлемента) и защитной арматуры. Наиболее распространены термометры с термоэлементами из чистых металлов, особенно Pt -платины - (ТКЭС = 3,9·10^-3) и Сu -меди-(4,26·10^-3). Конструктивно чувствительный элемент представляет собой металлическую проволоку, намотанную на жесткий каркас из электроизолирующего материала (например, слюда, кварц) или свернутую в спираль, которая герметично помещена в заполненные керамическим порошком каналы каркаса (рис. 3).

Платиновые термометры применяют для измерения температур в пределах от - 260 до 1100°С, медные - от - 200 до 200 °С. Платиновый либо медный чувствительный элемент, вставленный в гильзу (из бронзы, латуни или нержавеющей стали), на конце которой имеются выводы (клеммы) для присоединения к головке термометра, называют термометрической вставкой. Последняя может входить в состав прибора либо использоваться отдельно как датчик температуры.

Для измерения сопротивления термометров используются мостовые схемы. Простейшая из них - двухпроводная (рис.4). Если сопротивления R₁ и R₂ одинаковы, то при равенстве сопротивлений R₃ и R_т (сопротивление термометра) ток через гальванометр (регистрирующий прибор) равен нулю. При нарушении равенства R₃ = R_т в приборе появляется ток. При нагревании (или охлаждении) термометра сопротивления меняется его сопротивление и равновесие моста нарушается, в измерительном приборе (гальванометре) появляется ток. Изменяя сопротивление R₃, можно снова достичь равновесия моста и, следовательно, определить новое значение сопротивления термометра (при другой температуре). Сопротивление платиновой проволоки высокой чистоты меняется от температуры следующим образом: R_т= R₀[1+AT + BT² + CT³(T-100)] - для интервала температур -200⁰С <Т< 0⁰С Здесь, R_{т -} сопротивление при T°C, R₀ - сопротивление при 0 °C, А, В и С константы.

В интервале температур 0⁰ + 650⁰С зависимость сопротивления платины от температуры упрощается R_т= R₀[1+AT + BT²

Рис. 3. Платиновый термометр сопротивления: а - общий вид; б - чувствительный элемент; 1 - металлический чехол; 2 - термоэлемент; 3 - установочный штуцер; 4 - головка для присоединения к вторичному прибору; 5 - слюдяной каркас; 6 - обмотка из платиновой проволоки; 7 - выводы

Рис.4 Мостовая двухпроводная схема.

Сопротивление при нуле градусов R₀ и коэффициенты A, B и C определяют, измеряя сопротивление термометра R_т в реперных точках ( температура которых известна, см. стр.161). Для этого термометр помещают в специальные термостаты, воспроизводящие температуру реперных точек. После того, как коэффициенты определены, по приведенным выше уравнениям можно рассчитать сопротивление при любой температуре. Составлены подробные таблицы зависимости сопротивления платинового термометра от температуры через 0,1⁰С для широкого интервала температур. Это позволяет найти температуру среды, куда помещён термометр сопротивления, измерив его сопротивление.

Для изготовления платиновых термометров сопротивления используют платину разной степени чистоты, а следовательно и с разным температурным коэффициентом сопротивления. Поэтому их различают, вводя номер градуировки: гр.20, гр.21, гр.22. Сопротивление R₀ у них соответственно равно 10 ом, 46 ом и 100 ом. В таблицах зависимости R_т от Т обязательно указывается номер градуировки. У медных термометров сопротивления зависимость сопротивления от температуры имеет более простой вид: R_т= R₀[1+AT]. Используют их в интервале температур (-50⁰С + 180⁰С. Изготовляют двух типов: гр.23, R₀=53 ом и гр.24, R₀=100 ом. Для нахождения R₀ и коэффициента А достаточно измерить сопротивление термометра в двух реперных точках. Медные термометры проще в изготовлении, дешевле платиновых, но менее надёжны.

Технические термометры сопротивления работают в комплекте с измеряющими электрическое сопротивление вторичными приборами (например, автоматические уравновешенные мосты, логометры), шкалы которых градуированы непосредственно в °С.

Равновесие моста обеспечивает сложная электромеханическая схема с вращающейся шкалой, на которой нанесены градусы.

Полупроводниковые термометры, или терморезисторы (рис. 4), выпускают в виде стержней, трубок, дисков, шайб или бусинок (размеры от нескольких мкм -микрон, тысячная доля миллиметра- до нескольких см). Они обладают высоким ТКЭС [(3-4)·10^-2 °С^-1] и соответственно большим начальным электрическим сопротивлением, что позволяет снизить погрешность измерений.

Основные недостатки, ограничивающие широкое внедрение данных приборов в термометрию- плохая воспроизводимость их характеристик (исключается взаимозаменяемость) и сравнительно невысокая максимальная рабочая температура (от - 60 до 180°С). Терморезисторы используют для регистрации изменений температуры в системах теплового контроля, пожарной сигнализации и др.

Рис. 4. Терморезисторы: а-стержневой (1-эмалированный

Термоэлектрические термометры состоят из термоэлектрического преобразователя и вторичного прибора. Термоэлектрический преобразователь (ТЭП, термопара - устаревшее) - цепь из двух (рис. 5, а) или нескольких соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов (обычно металлических проводников, реже полупроводников). Действие ТЭП основано на эффекте Зеебека: если контакты (как правило, спаи) проводников, или термоэлектродов, находятся при разных температурах, в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (термоэдс), значение которой однозначно определяется температурами "горячего", или рабочего (t), и "холодного", или свободного (t₀), контактов и природой материалов, из которых изготовлены термоэлектроды. Проволочные термоэлектроды ТЭП помещают в стальной или керамический чехол, подключая свободные концы к выводам с крышкой; изолируют один от другого по всей длине от горячего спая керамическими изоляторами (рис. 5).

Рабочий спай изолируют от чехла керамическим наконечником. Горячую часть ТЭП (со стороны рабочего спая) погружают в объект измерения температуры. Стандартные ТЭП имеют различные конструктивные исполнения и могут отличаться следующими признаками: способами контакта с исследуемой средой - погружные и поверхностные, числом рабочих спаев (одинарные, двойные); длиной погружаемой части и т. д. Для измерений термоэдс ТЭП работают в комплекте с вторичными приборами (миливольтметрами, потенциометрами и др.).

Рис. 5. Термоэлектрический преобразователь: устройство; 1-рабочий спай; 2-изолятор; 3-чехол; 4-выводы

На сегодняшний день термопары получили наибольшее распространение среди датчиков измерения температуры.

Использование термопар в большом диапазоне температур более эффективно по сравнению с такими решениями, как термопреобразователь сопротивления (ТПС), термистор, или интегральный датчик температуры (ИДТ).

Рис. 6. Автоматический потенциометр

Термопары используются, например, в автомобилях или бытовой технике. Вдобавок, их надежность, стабильность и малое время отклика делают термопары наилучшим выбором для многих видов оборудования. Однако и в применении термопар есть некоторые сложности, в первую очередь - значительная нелинейность характеристик. К тому же, ТПС и ИДТ обычно обладают лучшими характеристиками по чувствительности и точности, что важно для прецизионных (точных) решений. Выходной сигнал термопары имеет очень малый уровень и требует усиления или применения цифровых преобразователей высокой разрядности для обработки сигнала. Но, несмотря на все перечисленные недостатки, низкая стоимость, легкость применения и широкий температурный диапазон до сих пор являются причинами популярности термоэлектрических преобразователей. В труднодоступных местах и сложных условиях окружающей среды там, где непосредственное наблюдение с помощью обычных приборов невозможно там, где радиоволны или электромагнитные помехи создают проблемы там, где существует чрезвычайно высокая температура окружающей среды используют пирометры. Волоконно-оптическая система объективов выдерживает окружающую температуру до 315 ⁰С без охлаждения и до 540 ⁰С с охлаждением там, где коррозийность, темнота, пары, дым и т.п. препятствует использованию обычных систем. Диапазон температур от 350 до 3000 ⁰С.

Стационарные тепловизоры специально предназначены для автоматического обнаружения температурных аномалий (областей с высокой или низкой температурой) в диапазоне от -40С до 2000С.

Цифровой термометр DT-300.

температура тепловой шкала термометр

Цифровой термометр DT-300 для измерения температуры в труднодоступных местах. Брызгозащитное исполнение позволяет использовать термометр во влажной среде или на открытом воздухе. Отличительные особенности: быстрота измерений, функция удержания данных, память на минимальное и максимальное значение. Дополнительным плюсом является возможность установки температурного диапазона: если измеряемая величина выходит за его пределы, то раздается звуковой сигнал. Измерительный щуп может крепиться на корпусе, длина провода 90 см. Технические данные: температурный диапазон от -50°С до +300°С. Цикл измерения 1 секунда. Разрешение 0,1°С. Точность ±1°С. Напряжение питания 3 В (2 батарейки типа ААА). Размер 137х72х25 мм. Длина щупа: 144 мм + 120 мм (ручка).

ИК термометр IR-230.

ИК термометр IR-230 для бесконтактного измерения температуры. Отличительными особенностями являются миниатюрные размеры, прочный корпус и небольшая цена. Бесконтактный термометр имеет память минимального/максимального значения, автоматическое удержание данных на дисплее, функцию длительного измерения.

Технические данные: измеряемый диапазон от -35°С до +230°С, разрешение 0,1°С, точность ±2% от измеряемой величины, цикл измерений менее 1 сек, степень эмиссии 0,95 (не регулируется), оптическое разрешение 1:1 (диаметр измеряемого пятна равен расстоянию до объекта), вес 25 грамм, размеры 40х75х20 мм. Питание от батарейки CR-2023 (входит в комплект поставки).

Менее распространены акустические, магнитные и некоторые иные термометры.

Существуют термометры специального назначения, например гипсотермометры (для измерения атмосферного давления по температуре кипящей жидкости), метеорологические (для измерений главным образом на метеостанциях), глубоководные (для измерений температуры воды в водоемах на различных глубинах).

Литература

1. Теплотехника - Баскаков А.П. 1991г.

. Теплотехника - Крутов В.И. 1986г.

. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция - Тихомиров К.В. 1981г.57.

. Теплотехнические измерения и приборы - Преображенский В.П.1978г.