Лекция № 7. Измерение температуры.

Одним из важнейших параметров определяющих ход любых технологических процессов, является температура. Точное и надежное измерение данной величины в значительной мере определяет эффективность функционирования АСУ ТП. Многообразие задач предопределило появление большого числа различных методов и средств измерения температуры.

Тепловое состояние тела (степень его нагретости) определяется средней кинетической энергией поступательного движения моле­кул данного тела. Следовательно, и температура, характеризующая тепловое состояние физического объекта, является стати­стической величиной, поэтому ее измерение имеет смысл только в телах, состоящих из достаточно большого числа молекул.

Разный уровень температур двух тел, находящихся в кон­такте, определяет

направление теплопередачи: тело с более высо­кой температурой отдает свою внутреннюю энергию телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не станут равными.

Таким образом, температура тела — параметр состояния, который определяет направление передачи тепловой энергии.

Измерить температуру непосредственно, как плотность или линейные размеры, невозможно. Поэтому температуру опреде­ляют косвенно, по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических. Например, объемное расширение, изменение электрических свойств: электропровод­ности, термоэлектродвижущей силы (термо-э. д. с.) и т. п.

Для определения изменяющегося уровня теплового состоя­ния необходимо иметь непрерывный ряд значений выбранного свойства термометрического вещества, т. е. температурную шкалу, под которой таким образом понимается непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями данного достаточно точно измеряемого физического свой­ства, являющегося однозначной и монотонной функцией темпе­ратуры.

Для построения известных температурных шкал обычно используют две постоянные реперные точки t₁ и t₂ в качестве, которых выбирают температуры фазового равновесия однокомпонентных систем. Данным точкам присваивают произвольные числовые значения и предполагают, что термометрическое свойство Е используемого в термометре вещества линейно изменяется с температурой t:

t=kE+D, (3.1)

где k — коэффициент пропорциональности; D — постоянная.

Для определенных температур вычисляют постоянные k и D и строят условную температурную шкалу.

На этом принципе основаны шкалы Фаренгейта (°F), Peoмюра (°R) и Цельсия (°С).

В шкале Фаренгейта за начальную точку принимается темпе­ратура смеси снега с нашатырем или поваренной солью. Темпе­ратуре замерзания воды приписывается 32 °F, температура здорового человека 100 °F, а точка кипения воды 212 °F. В шкале Рео­мюра температура замерзания воды принимается за О °R, а точка ее кипения за 80 °R. В шкале Цельсия температура замерзания воды также принималась равной 0 °С, а температура кипения 100 °С.

Однако эти температурные интервалы разбивались на раз­личное число одинаковых частей — градусов. Указанные шкалы отличаются только видом зависимости Е = f(t) и поэтому могут быть пересчитаны по формуле

n°С=0, 8n°R=(1, 8n+32)°F. (3.2)

Применение указанных типов шкал при использовании различных термометрических веществ, таких как спирт, ртуть и т. п., давало хорошие результаты в узком диапазоне температур. Однако с развитием измерительной техники было обнаружено, что различные термометры хорошо воспроизводят только две реперные точки, а в промежуточных повышению тем­пературы, которое равно 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды при нормальном атмосфер ном давлении. Деление значениях шкал вследствие зависимости свойств заполнителя и сосуда (коэффициентов линейного рас­ширения) от температуры их показания расходятся, причем эти различия особенно ярко проявляются при высоких и очень низких температурах.

Более точными являются газовые температурные шкалы, так как свойства газов меньше зависят от уровня измеряемых температур. Шкала водородного газового термометра с диапазоном (— 25 +100) °С в конце XIX в. признана “нормальной” и положена в основу теплотехнических измерений. Температура в нем фиксировалась по изменению давления газа при постоянном объеме.

В середине прошлого века Кельвин предложил термодинамическую температурную шкалу, основанную на втором законе термодинамики и не зависящую от свойств термометрического вещества. В указанной шкале за нулевое значение принята тем­пература абсолютного нуля. Один градус по термодинамической шкале (градус Кельвина) соответствует такому на 100 равных частей было предложено для сохранения преемственности со стоградусной шкалой Цельсия.

Термодинамическая шкала тождественна температурной шкале идеального газа, которую можно получить, вводя поправки (от 0.001 до 0, 5 °С) к показаниям реального газового термометра. Последние могут применяться для воспроизведения термодинамической Стоградусной (термодинамической) шкалы до температур, не превышающих 1200 °С. Необходимо также отметить, что газовые термометры достаточно сложные приборы, пользоваться которыми на прак­тике неудобно.

Для обеспечения единства измерений в широком интервале температур от 0, 01 до 100 000 К в СССР с 1.01.1976 г. установлены практические температурные шкалы и регламентированы методы воспроизведения, позволяющие получать температуры, близкие по значениям к термодинамическим температурам.

Единицей температуры в практических шкалах, так же как и в термодинамической шкале, является Кельвин (К). Допустимо применение и другой единицы температуры — градус Цельсия (°С). Между Кельвином и градусом Цельсия существует, следующее соотношение:

K=tº C-273.15 (3.3)

Единица Кельвин определена как 1/273, 16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Разность температур выражается либо в Кельвинах, либо в градусах Цельсия.

В производственной практике наиболее широко используется Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68), установленная для интервала температур от 13, 81 до 6300 К. МПТШ-68 базируется на эталонных приборах и 11 реперных точках, которым присвоены точные значения температур. Реперные точки воспроизводятся с высокой точностью с помощью фазовых равновесий ряда чистых веществ. В табл. 1. приведены некоторые равновесные состояния и соответствующие им темпе­ратуры

. Значения температуры между постоянными точками МПТШ-68 получают по интерполяционным формулам с помощью эталонных приборов. Платиновый термометр сопротивления используется в интервале температур от 13, 81 до 903, 89 К (от —259, 34 до +630, 74 °С), а термоэлектрический платинородий-платиновый термометр от 903, 89 до 1337, 58 К (630, 74 — 1064, 43 °С). Выше 1337, 58 К температуру определяют с помощью закона излучения Планка.

С помощью специальных поверочных схем осуществляется передача с определенной точностью практических температурных шкал от эталонов к образцовым средствам измерений, а от них — рабочим измерительным устройствам и приборам. Эталоны имеют наивысшую метрологическую точность, образцовые приборы 1-го, 2-го и 3-го разрядов имеют большую погрешность, увеличиваю­щуюся с номером разряда.

В научно-технической и производственной практике существует значительное число разнообразных устройств для измерения температуры твердых, жидких и газообразных средств, использующих различные термометрические свойства и носящих название термометр. Термометр — это прибор, применяемый для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры. Часть термометра, преобразующая тепловую энергию в другой вид энергии, называется чувствительным элементом.

Известные приборы для контроля температуры можно разделить на две большие группы: бесконтактные и контактные.

Последние отличаются тем, что у них чувствительный элемент термометра приводится в непосредственное соприкосновение измеряемой средой.

В табл. 2 приведены некоторые виды устройств, используемых для контроля температуры, и пределы их практического применения.

Таблица 2

Пределы применения термометров для измерения температуры контактным методом.