Глава 2. Приборы для измерения температуры

Важнейшим параметром, характеризующим практически все технологические процессы в перерабатывающих отраслях АПК, является температура.

Поддержание этого параметра в требуемых пределах точности является необходимым условием для получения продуктов высокого качества при ведении варки, обжарки, сушки, стерилизации, пастеризации и ряда других процессов.

Так, в молочной промышленности одним из основных технологических процессов является пастеризация (или кратковременная стерилизация) молока. Нижний предел ее значения определяется степенью уничтожения вредных микроорганизмов (бактерий), предотвращая тем самым развитие в продукте микрофлоры, а верхний – допустимым снижением его качества из-за частичной денатурации белков и распада витаминов и гормонов. Таким образом, чем точнее контролируется температура и стабилизируется заданное ее значение, тем более высоким качеством и питательными свойствами обладает продукт.

Существенное влияние температура оказывает на физико-химические свойства пищевых сред: вязкость, электропроводность, диэлектрическую проницаемость, величину рН. При этом точный контроль температуры имеет большое значение для режимов работы различных аппаратов и механизмов, а также для введения необходимой коррекции при измерении других показателей состава и качества.

Понятие “температура” можно определить как условно статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии вещества (молекул или атомов).

Температура – величина, характеризующая степень нагрева тела. Зависимость между средней кинетической энергией поступательно движущихся молекул и температурой идеального газа определяется формулой:

,

где Дж.К – постоянная Больцмана;

– абсолютная температура тела, К.

Температура является параметром, характеризующим как качественную, так и количественную сторону процессов теплообмена, теплопереноса.

Измерить температуру непосредственно нельзя, можно определить ее значение только по каким-то другим параметрам, которые изменяются в зависимости от изменения температуры. Это объем, длина, сопротивление, ЭДС, энергетическая яркость излучения.

Для количественного определения температуры вводится понятие “температурная шкала” – ряд отметок внутри температурного интервала, ограниченного двумя легко воспроизводимыми постоянными (основными реперными или опорными) точками кипения и плавления химически чистых веществ.

Таким образом:

, (2.1)

где и – постоянные легко воспроизводимые температуры;

– целое число, на которое разбивается температурный интервал.

Приняв за постоянные точки температуры кипения воды и таяния льда, были основаны шкалы Фаренгейта, Реомюра и Цельсия. Предполагается, что зависимость

– линейна, (2.2)

где – коэффициент объемного расширения.

Интегрируя (2.2), получим

. (2.3)

Используя две выбранные температуры, после некоторых преобразований получим:

, (2.4)

где , и – объем при , и .

Однако принятое допущение (2.2) является чисто условным. И поэтому шкалы, полученные таким образом, не являются строго линейными.

Исходя из второго закона термодинамики, Кельвином было предложено определять температурную шкалу из выражения:

,

где и – температуры холодильника и нагревателя;

и – количество тепла, полученное от нагревателя и отданное холодильнику при К и К.

.

Это уравнение термодинамической шкалы температур.

В настоящее время предусматривается применение двух температурных шкал: термодинамической и международной практической.

В термодинамической (Кельвина) шкале нижней точкой является точка абсолютного нуля (0 К), а экспериментальной – тройная точка воды (273, 16 К) – точка равновесия воды в твердой, жидкой и газообразных фазах (выше точки таяния на 0, 01°).

Реализация термодинамической шкалы практически невозможна, так как она выведена из идеального цикла Карно (для идеального газа). По своим свойствам к идеальному газу приближается водород. Однако, работа с такими термометрами весьма сложна, и поэтому разработана так называемая международная практическая шкала (МПТШ), основанная на ряде воспроизводимых равновесных состояний (реперных точек) и на использовании специальных эталонных приборов.

Основные реперные точки охватывают предел от -259, 34 °С (тройная точка равновесного водорода) до 1064, 43 °С (точки затвердевания золота). Эталонные приборы: до 630, 74 °С – платиновый термометр сопротивления; до 1064, 43 °С – термопара из платино-родия-платины; выше – по закону излучения Планка.

Температура по термодинамической шкале связана с международной соотношением:

.

Международная стоградусная шкала с прежней шкалой Цельсия имеет только одну общую точку– температуру кипения воды; во всех остальных точках они существенно отличаются друг от друга.

Приборы, преобразующие температуру в показания или сигнал называются термометрами.

Их можно разбить на две большие группы – контактные и бесконтактные.

К первой группе относятся:

- термометры расширения, основанные на изменении объема при изменении температуры, которые подразделяются на жидкостные, дилатометрические и манометрические;

- термоэлектрические термометры – изменение термоЭДС (термопары) от температуры;

- термопреобразователи (термометры) сопротивления, величина сопротивления которых связана с температурой.

Ко второй группе относятся:

- оптические, основанные на измерении интенсивности монохроматического излучения нагретого тела;

- цветовые, основанные на измерении распределения энергии в спектре теплового излучения тела;

- радиационные, основанные на измерении мощности излучения нагретого тела.