Таблица 1.1- Сравнение температурных шкал

Описание	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт	Ньютон	Реомюр
Абсолютный ноль	0	−273.15	−459.67	−90.14	−218.52
Температура таяния смеси Фаренгейта (соли и льда в равных количествах)	255.37	−17.78	0	−5.87	−14.22
Температура замерзания воды (нормальные условия)	273.15	0	32	0	0
Средняя температура человеческого тела	310.0	36.8	98.2	12.21	29.6
Температура кипения воды              (нормальные условия)	373.15	100	212	33	80
Температура поверхности                         Солнца	5800	5526	9980	1823	4421

В 1848 г. английский физик У. Томсон – лорд Кельвин – (1824-1907) предложил принцип построения температурной шкалы на основе второго начала термодинамики. Он доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Точкой отсчета в «шкале Кельвина» послужило значение абсолютного нуля: «−273,15 °С». При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел. В термодинамической шкале температур один Кельвин равен 1/273,16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета Кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килоКельвин, мегаКельвин, миллиКельвин и т.д.

Для измерения больших температур используются так называемые термопары (рис. 1.8; 1.9). Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) – термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации. Международный стандарт на термопары МЭК 60584 дает следующее определение термопары: Термопара – пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Принцип действия термопары основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Когда концы проводника находятся при разных температурах, между ними возникает разность потенциалов, пропорциональная разности температур. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т₁, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т₂, которое будет пропорционально разности температур Т₁ и Т₂.

Термопары применяются для измерения температуры различных типов объектов и сред, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Термопары из вольфрам-рениевого сплава являются самыми высокотемпературными контактными датчиками температуры. Такие термопары незаменимы в металлургии для контроля температуры расплавленных металлов.

Пример 4 – История создания барометра и манометра. Барометр (от др.-греч. – тяжесть и измеряю) – прибор для измерения атмосферного давления.

Идея создания барометра принадлежит Г. Галилею. Воплотили ее в жизнь в 1643 году его ученики итальянцы Э. Торричелли и В. Вивиани. Э. Торричелли доказал существование атмосферного давления. А различные опыты с измерением атмосферного давления привели к открытию такого понятия как «торричеллива пустота», т.е. вакуум. Немец Отто фон Герике (1602-1686), развивая дальше идею измерения атмосферного давления, установил определенную зависимость между показаниями давления и погодой. В 1670 году английский ученый Роберт Гук (1635-1703) разработал шкалу барометра, где низкое давление соответствовало дождю, а высокое – хорошей и сухой погоде. Конечно же, такой прямой зависимости между давлением и погодой не существует, связь эта гораздо сложнее, т.к. нужно учитывать и многие другие факторы. В барометрах используется жидкость: ртуть или вода. Давление измеряется высотой жидкости в трубке запаянной сверху, а нижним концом опущенной в сосуд с жидкостью (атмосферное давление уравновешивается весом столба жидкости). Ртутные барометры – наиболее точные и используются на метеорологических станциях. Так как ртутные барометры в быту опасны – любое повреждение может вызвать утечку ртути, а вредное воздействие на организм человека этого металла и его паров давно уже всем известно, то в быту более применимы механические барометры (барометры анероиды – рис. 1.10).

Барометр анероид (от греч. – безводный) определяет атмосферное давление, воздействующее на тонкостенную гофрированную металлическую коробку, внутри которой создано разрежение. Если атмосферное давление понижается, коробка (а их может быть несколько) барометра расширяется, а при повышении – сжимается. В барометре имеется специальная рычажная система, которая через пружину поворачивает стрелку, движущуюся по круговой шкале, проградуированной по ртутному барометру.

Пример 5 – История создания манометра.

Манометр (от гр. – редкий, неплотный, разрежённый) – устройство, позволяющее определить давление в системе в точке его установки и предназначенное для настройки режимов правильной работы системы (рис. 1.11).

 

Вопросы водоснабжения для человечества всегда были очень важными, а особую актуальность приобрели с развитием городов и появлением в них различного вида производств. При этом все более актуальной становилась проблема измерения давления воды, т.е. напора, необходимого не только для обеспечения подачи воды через систему водоснабжения, но и для приведения в действие различных механизмов. Честь первооткрывателя принадлежит крупнейшему итальянскому художнику и ученому Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), который впервые применил пьезометрическую трубку для измерения давления воды в трубопроводах. К сожалению, его труд «О движении и измерении воды» был опубликован лишь в XIX веке. Поэтому принято считать, что впервые жидкостный манометр был создан в 1643 г. итальянскими учеными Э. Торричелли и В. Вивиани, учениками Галилео Галилея, которые при исследовании свойств ртути, помещенной в трубку обнаружили существование атмосферного давления. Так появился ртутный барометр. В течение последующих 10-15 лет во Франции (Б. Паскаль и Р. Декарт) и Германии (О. Герике) были созданы различные разновидности жидкостных барометров, в том числе и с водяным заполнением. В 1652 г. О. Герике продемонстрировал весомость атмосферы эффектным опытом с откачанными полушариями, которые не могли разъединить две упряжки лошадей (знаменитые «магдебургские полушария»).

Жидкостный манометр – манометр, в котором измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости, образующегося под действием этого давления. Важно подчеркнуть, что мерой давления в жидкостных манометрах является высота столба жидкости. Именно это обстоятельство привело к появлению единиц измерений давления мм вод.ст., мм рт.ст и других, которые естественным образом вытекают из принципа действия жидкостных манометров.

Дальнейшее развитие науки и техники привело к появлению большого количества жидкостных манометров различных типов, применяемых до настоящего времени во многих отраслях: метеорологии, авиационной и электровакуумной технике, геодезии и геологоразведке, физике и метрологии и т.д. Однако, в силу ряда специфических особенностей принципа действия жидкостных манометров их удельный вес по сравнению с манометрами других типов относительно невелик и, вероятно, будет уменьшаться и в дальнейшем. Тем не менее, при измерениях особо высокой точности в области давлений, близких к атмосферному давлению, они пока незаменимы. Не потеряли своего значения жидкостные манометры и в ряде других областей (микроманометрии, барометрии, метеорологии, при физико-технических исследованиях).

Поршневые манометры появились позже жидкостных. Впервые поршневой манометр был применен для измерения давления в 1833 г. Георгом Фридрихом (Егором Ивановичем) Парротом (1767-1852) – физиком-изобретателем, организатором восстановления Дерптского университета, одним из пионеров российского альпинизма, и Эмилем Христиановичем Ленцем (1804-1865) – Российская Академия наук – при изучении сжимаемости воздуха и других свойств газов, причем значение давления для того времени было очень большим (10 МПа). Однако, в принципе, открытие поршневого метода могло бы произойти значительно раньше. Если бы О. Герике в своем опыте с откачанными «магдебургскими полушариями» довел число лошадей в каждой упряжке до количества, необходимого для разъединения полушарий, то смог бы определить атмосферное давление в «Лошадиных силах» на площадь поперечного сечения шара еще в 1652 г.

Широкое распространение поршневые манометры (рис. 1.13) получили благодаря А. Амага (Франция) и Р. Рухгольцу (Германия), и особенно последнему, который в 1883 г. организовал промышленный выпуск этих приборов. Дальнейшее развитие поршневой манометрии шло, в основном, в сторону увеличения точности и верхних пределов измерений, а начиная с тридцатых годов текущего столетия поршневые манометры стали вытеснять жидкостные и при точных измерениях давлений, близких к атмосферному давлению. Большой вклад в развитие поршневой манометрии внесли профессор М.К. Жоховский, который впервые разработал целостную теорию приборов с неуплотненным поршнем, П.В. Индрик, В.Н. Граменицкий и многие другие их последователи. В настоящее время поршневые манометры играют ведущую роль при поверке и испытаниях манометрических приборов в широком диапазоне давлений от одного кПа до десятков тысяч МПа и находят все боль шее применение в качестве национальных государственных эталонов давления.

По мере развития промышленности, особенно в связи с появлением паровых машин и железных дорог, потребовались более удобные, чем жидкостные манометры приборы. Первый деформационный манометр (рис. 1.14) с трубчатым чувствительным элементом был изобретен случайно. Рабочий, при изготовлении змеевика для дистилляционного аппарата, сплющил поперечное сечение цилиндрической трубки, изогнутой по спирали. Тогда, чтобы восстановить форму трубки, один конец ее заглушили, а в другой конец насосом дали давление воды. При этом часть трубки с деформированным сечением приняла цилиндрическую форму, а спираль на этом участке разогнулась. Этот эффект был использован немецким инженером Р.Э. Шинцем (1815-1855), который в 1845 г. применил трубчатый чувствительный элемент для измерения давления. Эту дату и принято считать днем рождения деформационных манометров, хотя идея создания деформационного барометра-анероида еще в 1702 г. была предложена немецким философом и математиком Г. Лейбницем (1646-1716), а патент на него получен Л. Види (1805-1866) в 1844 г. Промышленное производство трубчатых деформационных манометров было организовано французским фабрикантом Бурдоном, получившим в 1849 г. патент на изобретение одновитковой трубчатой пружины, именем которого она до сих пор часто называется («Бурдоновская трубка»).

В 1850 г. Примавези и Шеффер изобрели мембранный манометр, а несколько позже в 1881 г. Клейманом получен патент на сильфонный манометр. Простота и компактность деформационных манометров, возможность их применения в различных условиях эксплуатации очень быстро поставили их на первое место в технике измерения давления практически во всех отраслях народного хозяйства. Диапазон измерений деформационных манометров охватывает почти 10 порядков, простираясь от 10 Па (1 мм вод.ст.) до 1-2 ГПа (более 10000 кгс/см²). При этом достигается высокая точность измерений, в отдельных случаях погрешности измерений не превышают 0,02-0,05%.