Контактная термометрия

T 4

T 3

T 0

T 2

T 1

Основы термометрии

2.1. Температура и фазовые переходы

Температура – одна из семи физических величин, образующих

Международную систему единиц СИ. Она определяет степень нагретости

тела и зависит от энергии движения (поступательного, колебательного и

вращательного) частиц из которых состоит тело.

Тела могут находиться в трѐх основных состояниях: твѐрдом жидком и

газообразном. Эти состояния называют агрегатными или фазовыми. Переход

тела из одного агрегатного состояния в другое называют фазовым переходом.

К таким переходам относятся плавление, кипение, конденсация и

затвердевание.

Твѐрдой фазе соответствуют более низкая температура тела и,

соответственно, низкие значения средней энергии движения атомов и

молекул, из которых состоит тело. По мере повышения температуры энергия

движения многих групп частиц возрастает настолько, что начинает нарушать

силы их молекулярного и межатомного взаимодействия эти «коллективы􀂪

частиц уже могут достаточно свободно перемещаться, скользить

относительно друг друга, таким образом, происходит плавление, появляется

текучесть, характеризующая жидкую фазу тела. Дальнейшее нагревание тела

приводит к таким значениям средней энергии его частиц, при которых их

группы распадаются, и частицы уже движутся автономно. Происходит

процесс кипения – процесс образования газовой фазы.

При охлаждении тела средняя энергия образующих его частиц падает и

происходит процесс конденсации (превращение газовой фазы в жидкую), а

затем – процесс затвердевания (переход жидкой фазы в твѐрдую).

Наиболее знакомым для всех примером фазовых переходов является вода

(H 2 O). В процессе нагревания при температуре О

о

С происходит плавление

(таяние) – переход воды из твѐрдой фазы в жидкую, при 100

о

С – кипение, то

есть переход еѐ из жидкой фазы в газообразную. При охлаждении воды

происходят фазовые переходы конденсации и затвердевания (замерзания).

Для ртути температура плавления - затвердевания равна -39

о

С, а для

кипения – конденсации она составляет -385

о

С. Для самого тугоплавкого

металла – вольфрама (W) эти температуры равны, соответственно ˜3400

о

С

и ˜5000

о

С.

Важной для термометрии особенностью фазовых переходов является

постоянство значения их температуры, которое длится с момента начала

образования новой фазы до исчезновения первоначальной (рисунок 2.1).

T

t

1 2

Рисунки увеличить!

2.2. Первые шкалы и единицы температуры

Глобальность температуры, как физической величины, характеризующей

всѐ происходящее в природе процессы и явления, требует еѐ измерения.

Измерение – это совокупность операций, выполняемых с помощью

специальных технических средств с целью определения значения физической

величины. Специальные технические средства, предназначенные для

измерений температуры, называют термометрами.

Значение физической величины, как сейчас принято понимать – это

число, указывающее, сколько единиц измерения соответствует

количественной еѐ определѐнности. Например, значение электрического

напряжения сети переменного тока составляет 220 В. Значение величины в

этом случае содержит число (220) и единицу измерений напряжения (В–

вольт), воспроизводимую эталоном

К сожалению, существующее определение температуры не подсказывает

ни способы, ни средства еѐ измерений и, соответственно, возможность

получения еѐ значения.

Действительно, определение понятия «температура􀂪, как степени

нагретости тела, которая зависит от энергии движения частиц, находящихся в

нѐм, основано на интуитивном ощущении «нагретости􀂪, которое является

субъективным. Оно не может быть использовано для количественной оценки

значения температуры путѐм процедуры измерения. Измерить энергию

движения каждой частицы, которые образуют тело не реально, так как

известно, что только один моль вещества содержит около 6·10

(число

Авогадро) структурных единиц вещества.

Поэтому история термометрии и еѐ метрологического обеспечения

насчитывают сотни лет и связана с именем выдающихся учѐных

(приложение 1). В конце 16-го века Галилей использовал в своих

исследованиях термоскоп – прибор для фиксации изменений температуры,

основанный на объѐмном расширении ртути. Фиксация изменений

температуры осуществлялась по измерению длины столбика ртути в

стеклянном капилляре термоскопа. Единица температуры при этом не

использовалась (рисунок 2.2).

спирт

Галилей

Фаренгейт

Реомюр

Цельсий

ртуть

ртуть

спирт

96? 36,6

0 0

80 100

29,3

В 1713 г. Фаренгейт предложил для измерений температуры ртутный

термометр и шкалу температуры. За основу шкалы были приняты значения

температуры затвердевания смеси, которым были приписаны числа +32

о

F и

+212

о

F. Интервал между этими температурами был поделѐн на 180 частей.

Одна такая часть являлась единицей температуры и по аналогии с единицей

угла была названа градусом Фаренгейта (

о

F). Шкала до настоявшего времени

используется в ряде стран, в том числе, в США.

Начало 18 века ознаменовалось в истории термометрии появлением еще

двух известных температурных шкал и соответствующих единиц

температуры. Французский учѐный Реомюр в 1730 г. предложил

использовать для построения температурной шкалы основной

температурный интервал между значениями температуры таяния льда и

кипения воды. Этим значениям Реомюр приписал числа 0 (

о

R) и 80(

о

R).

Интервал между ними разбивался на 80 частей, одна часть составляла градус

Реомюра (

о

R). В это время было введено понятие «реперная точка􀂪

температурной шкалы (от французского «репер􀂪 – опорный, постоянный).

Шкала длительное время использовалась в ряде стран, в том числе и в России

(до 1918 г.).

Шкала Цельсия была предложена шведским учѐным А. Цельсием в 1742

г. Основной температурный интервал шкалы определѐн реперными точками

плавления льда и кипения воды, которым приписаны значения 0 и 100.

Интервал разделѐн на 100 равных частей с использованием шкалы ртутного

термометра. Таким образом, единицей температуры в шкале Цельсия (градус

Цельсия

о

С) являются 1/100 часть температурного диапазона между

температурами плавления и кипения воды.

Создание рассмотренных температурных шкал и введение

соответствующих единиц измерения температуры способствовало развитию

науки и технологий последующее столетие. Однако у этих шкал имеется два

общих недостатка: произвольность выбора значений (числа), приписываемых

температуре реперных точек и предположение о линейности зависимости

объѐма температуры используемых для получения промежуточных значений

шкалы жидкостей (ртути или спирта). В действительности отклонение от

линейности в середине основного температурного интервала шкалы Цельсия

составляет около 0,25

о

С (у ртути), и около 1,5

о

С (у спирта). Поэтому шкалы,

использующие такие недостатки, называют условными.

Сюда!

Рис. 1.2. Стабилизация температуры при фазовых переходах плавления и

затвердевания H 2 O.

2.3. Газовый термометр.

В 1848 г. французский учѐный Клайперон установил закон,

устанавливающий связь между основными параметрами состояния

идеального газа, находящегося в замкнутом пространстве:

, (1)

где p,T,V – соответственно, давление, температура и объѐм газа, R –

универсальная газовая постоянная, n – коэффициент, учитывающий свойства

конкретного газа.

Идеальный газ – это газ, у которого длина свободного пробега молекул

намного больше их размера, а энергия движения намного превосходит

энергию межмолекулярного взаимодействия. В этом случае физическая

модель движения молекул может описываться другим соударением шаров

(без «прилипания􀂪). Такая модель допускает математическое описание в виде

закона (1). Великий русский учѐный и основатель российской метрологии,

как науки, Д.И. Менделеев после открытия периодической системы

химических элементов расшифровал значение коэффициента «n􀂪. Это число

молей газа, содержащихся в его объѐме и которое определяется

соотношением:

, (2)

где m – масса газа, – его молекулярная масса.

С учѐтом этого соотношение (1) принимает вид:

T. (3)

Это соотношение называют уравнением состояния идеального газа или

законом Клайперона – Менделеева. Из этого теоретически обоснованного и

экспериментально подтверждѐнного закона следует несколько важных для

термометрии выводов:

1) при постоянном объѐме газа и его количества газа (V,n –const)

давление его прямопропорционально его температуре. На использование

этой линейной зависимости можно построить интерполяционный термометр.

Уравнение измерений абсолютной температуры, используемое газовым

термометром, следует из (3) и имеет вид:

P. (4)

Для получения значений абсолютной температуры среды необходимы

результаты измерений массы m и объѐма V газа, его давления P и данные по

его молярной массе. Кроме этого необходимо учитывать отклонения газа

от идеального путѐм введения поправок.

Существует такая температура, равная нулю (0), при которой

давление газа становится также равным нулю. Это означает, что при этой

температуре прекращаются соударения молекул газа со стенками сосуда, в

котором он находится. Следовательно, «энергия движения частиц, из

которого состоит тело􀂪 становится равной нулю. В соответствии с

определением понятия «температура􀂪 такое состояние системы частиц

является физическим (термодинамическим) нулѐм температуры, которое

называют абсолютным нулѐм температуры.

Подстановка в уравнение состояния (3) значений температуры,

полученных с использованием условных шкал, даѐт абсурдные результаты с

точки зрения физического смысла. Например, при 0

о

С давление газа в

футбольном мяче, автомобильном колесе, в баллоне для газосварки не

становится равным нулю. А отрицательное давление, которое должно

появиться при отрицательных значениях температуры, не имеет в этих

случаях физического смысла.

5 6

2.4. Основные термометрические свойства

Закон Клайперона – Менделеева можно использовать в качестве

уравнений косвенных измерений значений температуры, соответствующих

фундаментальным законам физики. Эти значения могут стать основой

абсолютной термодинамической шкалы.

Это уравнение было положено в основу газового термометра с

постоянным объѐмом. Его схематическое устройство представлено на

рисунке 1.3. Термометрический сосуд 1 с инертным газом помещают в среду

2, а температуру, которой требуется измерить, например, в тающий лед.

Сосуд соединѐн капилляром 3 с прецизионным измерителем 4 давления.

Р

Т, К

0 100

-273,15

0 273,15 373,15

t,

C

P 0

P 100

Связь значений температуры в шкале Цельсия с еѐ термодинамическим

значением, соответствующим законам физики, в частности, закону

Клайперона – Менделеева, первоначально была установлена следующим

образом. Измерялось давление р 0 газа в сосуде газового термометра при

температуре

t 0 0

о

С, а затем давление р100 при температуре t 100 100

о

С (кипение воды).

Если нанести полученные значения р 0 и р100 на график зависимости p p(t)

(рис. 3) и провести через них прямую, то она пересечѐт начало осей

координат, соответствующих нулевому давлению и, соответственно, нулю

термодинамической температуры Т0 при температуре -273,15

о

С. Таким

образом физический ноль (абсолютный ноль) температуры, при котором

«замораживается􀂪 прекращаются движение частиц, из которого состоит тело,

находится на 273,15

о

С ниже температуры таяния льда и ниже температуры

кипения воды на 373,15

о

С. Шкала температуры, значения которой начинают

отсчѐт от абсолютного нуля и подстановка которых в формулы,

описывающие законы физики, даѐт правильные результаты, называется

абсолютной термодинамической. За исключительный вклад выдающегося

английского учѐного Томсона (лорда Кельвина) в создание этой шкалы еѐ

называют ещѐ шкалой Кельвина.

2.5. Реперные температуры плавления и тройной точки воды.

При построении температурных шкал важную роль имеет выбор

основных реперных (опорных, базовых) точек. Главная их особенность – это

стабильность и воспроизводимость значения температуры фазового

перехода, на котором основана эта точка. Долгое время, начиная с Реомюра

и Цельсия, затем Кельвина и до середины 20-го века, основной реперной

точкой соответствующих шкал являлись температуры Т плавления (таяния)

льда воды, равная 0

о

С(273,15К). Устройство для воспроизведения

температуры таяния льда приведено на рисунке 5(?).

В теплоизолированный сосуд 1 засыпают смесь 2дроблѐного льда или снега с

жидкой фазой воды. Смесь приготовляют из чистой дистиллированной воды.

Воду, образующую смесь на дне сосуда при таянии льда, удаляют через

стеклянную трубку 3 с помощью резиновой груши 4. Температуры таяния

льда определяют по стабилизации показаний Т, поверяемого термометра 5.

Абсолютная погрешность термометра в этом случае равна:

. (5)

Это – классический пример поверки средства измерений или аттестации

эталонного средства методом прямых измерений, когда поверяемый

(аттестуемый) термометр помещается в среду, в которой происходит

фазовый переход с известным значением температуры.

В метрологии принято условие, что погрешность эталона, при поверке

должна быть, как правило, в три раза меньше, чем у поверяемого

(аттестуемого) СИ (эталона). К, сожалению, воспроизводимость

температуры плавления льда характеризуется погрешностью уровня

±0,001

о

С. Следовательно, такая реперная точка может передавать единицу

температуры термометрам, имеющим погрешность 0,03

о

С. Уже к середине

прошлого столетия такая воспроизводимость основной реперной точки

шкалы не соответствовало требуемой точности воспроизведения и передачи

шкалы на уровне исходных эталонов. Сейчас это уровень всех эталонов

(ОСИ) 1-го разряда.

В связи с этим в качестве основной РТШ было предложено использовать

температуру тройной точки воды. Тройная точка вещества (элемента) это

состояние с высокой стабильностью температуры при котором вещество,

находится в замкнутом объѐме одновременно в трѐх фазах: твердой, жидкой

и газообразной. Для получения стабильности и воспроизводимости

температуры тройной точки необходимо выполнить следующие условия:

максимально возможная чистота вещества, отсутствие взаимодействия с

другими веществами, высокая герметичность объѐма (ампулы), в котором

заключено вещество в трѐхфазном состоянии.

Ампула для реализации тройной точки воды (рис. 6) содержит стеклянную

колбу 1 с патрубком 2 и термометрический канал 3. Колба заполняется на

4/5высоты химически чистой водой (H 2 O) с контролируемым и

установленным изотопным составом. Затем через патрубок из колбы

откачивают воздух (смесь азота N 2, углекислого газа СО 2 и кислорода 0 2).

При откачке давление над поверхностью воды падает и она, вследствие

этого, закипает при комнатной температуре. После этого стеклянный

откачной патрубок запаивают, и над поверхностью жидкой фазы воды

образуется еѐ насыщенный пар, давление которого больше чем в тысячу раз

меньше атмосферного. Поэтому надѐжная герметизация ампулы должна

гарантировать невозможность натекания в неѐ воздуха.

2.6. Классификация методов и средств измерений температуры

В основу практической термометрии положена зависимость какого-либо

свойства веществ от температуры. Практически все физические свойства

зависят от температуры. Однако для целой термометрии используют, чаще

всего, монотонные, близкие к линейным, однозначные зависимости. Такие

зависимости называют термометрическими. Наиболее распространѐнными

являются шесть термометрических свойств:

зависимость объѐма жидкостей от температуры, которая используется в

жидкостных термометрах в диапазоне от

о

С (минимальная

погрешность 0,001

о

С);

зависимость давления газа или жидкости от температуры, которая

используется в манометрических термометрах в диапазоне от

о

С (минимальная погрешность 0,5

о

С);

зависимость электрического сопротивления металлов и полупроводников

от температуры, которая используется в термометрах сопротивления в

диапазоне от

о

С (минимальная погрешность 5·10

-5 о

С);

зависимость электрического сигнала, возникающего в зоне электрического

контакта разнородных металлов и сплавов от температуры, которая

используется в термоэлектрических термометрах при значениях от

о

С (минимальная погрешность 0,5

о

С).

Эти четыре термометрических свойства являются основой контактных

методов и средств термометрии. Они предполагают наличие механического

и, соответственно, надѐжного теплового контакта чувствительного элемента

термометров со средой, температуру которой необходимо измерить. В этом

случае тепловой контакт обеспечивается всеми тремя видами теплообмена (в

различных состояниях): кондуктивным – теплопроводностью среды,

конвективным – движением жидкости или газа и радиационным – тепловым

электромагнитным излучением.

Первые два термометрических свойства требуют использования

электрических сигналов и их измерений. Их относят к неэлектрическим

методам измерений температуры. Два других контактных метода

термометрии основаны на сопротивлении или в термоэлектрический сигнал,

которые измеряют электрическими методами. Преобразование

осуществляется в чувствительных элементах первичных измерительных

преобразователей (датчиков) температуры, которые являются составной

частью термометров сопротивления или термоэлектрических термометров.

Эти два контактных метода термометрии и средства их реализующие

называют электрическими. Измерительные приборы для измерений сигналов

датчиков называют вторичными.

Бесконтактная термометрия основана н законах теплового излучения тел

и радиационного теплообмена между ними. Термометры, использующие этот

закон, сейчас принято называть радиационными. Первоначально они были

предназначены для измерений высоких значений температуры, главным

образом, в металлургии и поэтому их назвали пирометрами (от греческого

«пирос􀂪 – огонь). Этот термин широко используют до сих пор. Главное

преимущества пирометров – возможность дистанционных измерений без

контакта с объектами, которые находятся, например, не только при высоких

температурах, но и при высоком электрическом напряжении. В последнем

случае объекты измерений могут иметь низкие значения температуры.

Поэтому использовать при этом термин «пирометры􀂪 не совсем корректно.

Бесконтактные измерения температуры используют два

термоэлектрических свойства:

– зависимость яркости нагретых тел от температуры, которая используется в

яркостных моно– или полихроматических термометрах (пирометрах) в

диапазоне от –50 до 10000

о

С с минимальной погрешностью около 0,5

о

С;

– зависимость мощности теплового излучения (теплового потока) нагретых

тел от температуры, которая используется в термометрах (пирометрах)

полного или частичного излучения в диапазоне от –50 до 2500

о

С с

минимальной погрешностью около 0,5

о

С. В таблице 2 приведены

обобщѐнные сведения по наиболее распространѐнным методам и средствам

термометрии.

2.7. Международная температурная шкала

Общая направленность научно-технического прогресса – это стремление

к совершенствованию средств получения максимально точной, достоверной,

максимально близкой к истине информации о различных объектах, процессах

и явлениях. В термометрии эта направленность проявляется в стремлении

получить результаты измерений температуры наиболее близкими к еѐ

истинным значениям, максимально соответствующим фундаментальным

законам природы. Поэтому в ведущих странах мира непрерывно ведутся

газотермические измерения, направленные на совершенствование методов и

средств воспроизведения и передачи единицы температуры и температурной

шкалы с целью максимального их приближения к термометрическим

(истинным) значениям. Это работы координируют международные

метрологические организации: Международный комитет по мерам и весам

(МКМВ) и Международное бюро по мерам и весам (МБМВ), которые были

созданы после подписания в 1875 г. Метрологической конвенции. Россия

активно участвует в работе этих организаций. Результаты уточнения

значений температурной шкалы, в частности, значений температуры

реперных точек и процедур получения промежуточных между ними

значений температуры, усредняются, обрабатываются и согласовываются в

Консультационном комитете по термометрии созданном при этих

организациях, которые рекомендуют такую шкалу к утверждению

Генеральной конференции по мерам и весам – высшему Международному

органу, созданному в рамках Метрической конвенции.

Утверждѐнная Генеральной конвенцией по мерам и весам температурная

шкала, основанная на усреднении и обобщении результатов газотермических

исследований, полученных в разных странах, называются Международной

температурной шкалой (МТШ). Главная задача, которая решается принятием

такой шкалы, это обеспечение правового международного единства

измерений температуры. Другая задача – это практическая еѐ

направленность, так как в описании принятой шкалы приводятся сведения о

реальных методах и средствах еѐ воспроизведения и передачи национальным

эталонам разных стран. Поэтому первоначально в названии Международной

шкалы использовалось слово «практическая􀂪. Первая Международная

практическая температурная шкала была принята в 1927 году (МТШ – 27). В

последующем шкалы принимали примерно через 20 лет (МТШ – 48, МТШ –

68, МТШ – 90).

В настоящее время действует шкала МТШ – 90. Основной температурный

интервал шкалы находится между температурой тройной точкой воды,

которой приписано точное значение 273,16 К (0,01

о

С), и абсолютным нулѐм

(виртуальным) температуры. Единица температуры – кельвин (К) является

1/273,16 часть основного температурного интервала (температуры тройной

точки воды). При этом соблюдается тождественное равенство единиц

температуры в абсолютной шкале (шкале Кельвина) и в шкале Цельсия (1К

о

С). Это обусловлено тем, что, как было показано выше, абсолютная шкала

строилась на основе шкалы Цельсия. Связь между значениями температуры в

этих шкалах сохраняются:

t,

o

C = T,K –273.15;

T, K = t,

o

C + 273.15;

так как температура таяния льда (воды) по-прежнему равна 0

о

С (273,15 К).

Принятие каждой новой МТШ связано с развитием измерительной

техники и технологий, с новыми научными знаниями и с

совершенствованием методов исследований и методик газотермических

измерений. В частности, появляются технологии получения высокочистых

металлов для реализации реперных точек, прецизионные измерители

сигналов эталонных термометров и автоматических многоканальных

регуляторов, формирующих тепловой режим реперных точек; исследуются и

внедряются новые физические явления – тройные точки веществ,

обладающие более высокими метрологическими характеристиками, чем

фазовые переходы, например, кипения и плавления воды и затвердевания

ртути (отменены в качестве реперных точек в МПТШ – 68 и МТШ – 90).

Шкала МТШ – 90 также имеет ряд отличий от предыдущей шкалы

МПТШ – 68. Взамен температуры кипения воды. В МТШ – 90 введены

новые реперные точки плавления галлия (Ga) 30

о

С и затвердевания индия

(In) 156

о

С. Это позволило повысить точность воспроизведения шкалы и

единицы температуры в наиболее востребованном диапазоне от 0 до 250

о

С,

так как до этого в нѐм оставалось только две реперные точки на краях

диапазона: тройная точка воды (0,01

о

С) и температура затвердевания олова

(Sn) 232

о

С. Были также уточнены значения других реперных точек и

расширен диапазон воспроизводимых температур в область сверхнизких

температур (с 4,2 К до 0,8 К). Наибольшее отклонения МТШ – 90 от МТШ –

68 приходится на область значений около 100

о

С и на температуры выше

о

С (рисунок 7). В частности, температура кипения воды при нормальном

давлении на 0,026

о

С ниже 100

о

С.

Интерполяционными термометрами, обеспечивающими диапазон от

температуры тройной точки водорода (H 2) 259

о

С до температуры

затвердевания серебра (Ag)

о

С являются платиновые термометры

сопротивления, для относительного электросопротивления от температуры.

Для более высоких температур интерполяция и экстраполяция шкалы

осуществляется методом радиационной термометрии с использованием

закона излучения Планка.

Период примерно в 20 лет обновления международной шкалы в

настоящее время не выдержан. Это связано с двумя причинами:

отсутствием новых значимых результатов исследований, являющихся

основанием для уточнения шкалы;

проведением подготовки к переопределению единиц основных физических

величин килограмма, ампера, моля и кельвина через фундаментальные

константы.

Для определения единицы температуры предлагается использовать

фиксированное значение константы Больцмана, которая устанавливает связь

между энергией движения частиц, из которых состоит тело, и его

температурой. Работы по подготовке новых определений проводятся в

ведущих метрологических институтах мира под руководством МКМВ и

МВМВ должны завершиться к 2015 г.

Вставить в раздел «Термометрические свойства􀂪!

Таблица 2.1.

Методы

измерения

Термометрические

свойства

Тип

термометров

Величина

отображения

Т,

единица изм.

Диапазон

Т,

о

С

Минимальная

погрешность,

о

С

Контактные

1. Объѐм от Т

2. Давление от

температуры

Жидкостные

стеклянные

Манометрические

h*, мм

P, Pa

-200»600

-200»650

0,001

0,5

3. Сопротивление

от температуры

4.Термоэлектрический

сигнал от

температуры

Термозависимые

(сопротивления)

Термоэлектрические

R, Ом

e. mB

-200..1100

-200...2500

5·10

-5

0,01

Бесконтактные

(радиационные)

5. Яркость от

Температуры

6. Тепловой поток

от температуры

Яркостные

Монохроматические

Полного или

частичного

излучения

i, (R)

mA (Ом)

e (U),mB

-50...10000

100...2500

0,5

0,5

h* высота столбика термометрической жидкости, p

или газа, R – сопротивление ЧЭ, e – сигнал (ТДЭС) термоэлектрического

преобразователя, i (R) – ток (или сопротивление), в цепи встроенной меры

температуры, e (U) – ТЭДС или выходное напряжение ЧЭ.

3.1. Жидкостные стеклянные термометры

Принцип действия стеклянных жидкостных термометров основан на

зависимости объѐма жидкости от температуры. Тепловое расширение

жидкости используют в качестве термометрического свойства, а саму

жидкость при этом называют термометрической.

Изменение объѐма термометрической жидкости при изменении еѐ

температуры характеризуется температурным коэффициентом объѐмного

расширения ß.

В качестве термометрических жидкостей чаще всего применяют ртуть.

Ртуть обладает рядом достоинств по сравнению с другими

термометрическими жидкостями, в частности:

– зависимость объѐма ртути от температуры стабильна, достаточно

линейна и хорошо воспроизводима;

– ртуть не смачивает стекло а, следовательно, не прилипает к капилляру

термометра;

– ртуть при нормальном атмосферном давлении остаѐтся в жидком

состоянии в достаточно широком интервале температур от – 38,9 до

356,6

о

С;

– давление насыщенных паров ртути при температуре выше 356,6

о

С

невелико по сравнению с другими жидкостями, а, следовательно, возможно

достаточно просто увеличить верхний предел измерений термометров путѐм

создания дополнительного давления в их капилляре

К недостаткам ртути можно отнести еѐ токсичность и сравнительно

небольшой температурный коэффициент расширения, который равен

ß = 0,00018 К

-1

. Для расширения диапазона измерений ниже – 38

о

С в ртуть

добавляют таллий.

Кроме ртути в стеклянных термометрах применяют органические

жидкости, такие, как этиловый спирт, толуол, эфир, керосин, пентан и

другие.

При работе с жидкостными термометрами необходимо учитывать, что

под влиянием температуры расширяется не только термометрическая

жидкость, но и еѐ стеклянные резервуар и капилляр, в которых находится

жидкость. Поэтому при повышении температуры наблюдатель видит

изменение объѐма жидкости, уменьшенное на величину изменения объѐма

резервуара и капилляра.

В таблице 1 приведены некоторые характеристики основных

термометрических жидкостей.

Таблица1.1

Характеристики термометрических жидкостей

Жидкость Пределы измерений Средние значения

коэффициента ß, К

–1

Нижний Верхний

Ртуть – 35 600 0,00018

Этиловый спирт – 80 80 0,00105

Толуол – 90 200 0,00109

Эфир – 120 25 0,00152

Пентан – 200 20 0,00092

По конструктивному исполнению стеклянные жидкостные термометры

бывают: палочные – тип А; с вложенной шкалой – тип Б; с наружной шкалой

– тип В. Шкала термометров типа А наносится непосредственно на

наружную поверхность капиллярной трубки. Шкала термометров типов Б и В

наносится на прямоугольную однородную и контрастную по цвету пластину.

3 3

Стеклянные термометры могут применяться в качестве эталонов

(палочные и с вложенной шкалой) и средств измерений общего назначения.

В зависимости от условий эксплуатации термометры могут быть

полного и частичного погружения.

Значения предела основной допускаемой погрешности стеклянных

жидкостных термометров устанавливают в зависимости от диапазона

измерений, цены деления и класса точности. В качестве примера в таблице

1.2 приведены эти значения для термометров общего назначения,

измеряющих температуру в диапазоне от 0 до 100

о

С.

Таблица1.2

Значения предела основной допускаемой погрешности

стеклянных жидкостных термометров общего назначения (ГОСТ 28498 -- 90)

Тип термометров Цена деления,

о

С Класс

точности

Предел допускаемой

основной погрешности,

о

С

Лабораторные

термометры

полного

0,1 I класс ± 0,2

II класс ± 0,3

0,2 I класс ± 0,3

погружения II класс ± 0,4

0,5 I класс ± 0,5

1 I класс ± 1

2 I класс ± 2

Лабораторные

термометры

частичного

погружения

0,1 I класс ± 0,2

II класс ± 0,6

0,2 I класс ± 0,3

II класс ± 0,6

0,5 I класс ± 1

2 I класс ± 2

Технические

термометры

0,5 I класс ± 1

1 I класс ± 1

2 I класс ± 2

5 I класс ± 5

I класс ± 5

II класс ± 10

Поверку стеклянных жидкостных термометров проводят в соответствии

с ГОСТ 8.279-78 методом прямых измерений в нулевом термостате

(температура таяния льда), в ампуле тройной точки воды или методом

непосредственного сличения в термостатах и криостатах.

В качестве эталонов применяют платиновые термометры сопротивления

и ртутные стеклянные термометры 2-го и 3-го разрядов, которые выбирают в

соответствии с ГОСТ 8.558- 2012. Поверку стеклянных жидкостных

термометров проводят в соответствии с ГОСТ 8.279-78 методом прямых

измерений в нулевом термостате (температура таяния льда) и в ампуле

тройной точки воды или методом непосредственного сличения в термостатах

и криостатах.

В качестве эталонов применяют платиновые термометры сопротивления

и ртутные стеклянные термометры 2-го и 3-го разрядов, которые выбирают в

соответствии с ГОСТ 8.558- 2009.

1 – Жидкостный термостат «Термотест – 150􀂪, 2 – Поверяемый термометр, 3 – Эталонный

термопреобразователь ЭТС – 100, 4 – Вторичный измерительный прибор –

преобразователь сигналов «Теркон􀂪, 5 – Компьютер

Рисунок 1. – Схема поверочной установки

Установка для поверки жидкостных стеклянных термометров состоит

из жидкостного термостата 1, в рабочем пространстве которого размещают

поверяемый термометр 1 и эталонный 2 термопреобразователь. Для

измерения сопротивления (температуры) чувствительного элемента

термопреобразователя используется измеритель 4, выход которого соединѐн

с компьютером 5, отображающим и регистрирующим измеренные значения

температуры.

3.2. Манометрические термометры

Их принцип действия основан на зависимости давления жидкости или газа

находящегося при постоянном объѐме от измеряемой температуры.

Температурный диапазон использования этих термометров от – 200 до

+650

о

С. Нижний предел измерения обусловлен возможностью нахождения

газа в газовой фазе, т.е. до момента его конденсации в жидкость, а верхний

предел измерения обусловлен используемыми для изготовления баллона,

для хранения термометрического вещества в пределах температур не

позволяющих окисляться этих материалов. Минимальная погрешность,

которую обеспечивают манометрические термометры, составляет 0,5

о

С.

А

А

А - А

L

P1

P2

P3

T3

T2

T1

Устройство манометрических термометров достаточно простое оно

представлено на рисунке (№). Такой термометр содержит термобаллон

объѐмом от 0,1 до 1 см

. Капилляр – это толстостенная металлическая трубка

из нержавеющей стали, латуни или меди длинной от 0,6 до 60 метров, т.е. это

достаточная длинна для того чтобы обеспечить дистанционное измерение

температуры и прокладывают такой капилляр как провод по стенам или по

потолку, или вдоль плинтуса, или вдоль стен цехов, производственных

помещений и других помещений где измеряется температура.

Толщина капилляра наружный диаметр составляет от 2 до 5 мм,

внутренний диаметр капилляра составляет, как правило, 0,35 мм. Давление,

которое создаѐтся при измерении температуры в термобаллоне, передаѐтся

по капилляру к манометрическому прибору. Манометрический прибор, как

правило, градуируют, и имеет шкалу в градусах Цельсия (

о

С). В зависимости

температуры от термобаллона манометрический прибор отображает искомое

значение температуры, которое воздействует на термобаллон. Сам

термобаллон изготавливают из нержавеющей стали или из сплавов меди с

другими металлами, например, латуни.

Жидкостные манометрические термометры заполняются в настоящее

время силиконовым маслом (ПМС). Диапазон использования такого масла

достаточно широк от – 100 до практически +250»300

о

С. За пределами этого

диапазона использование жидкостных манометрических термометров

используют газовое заполнение термобаллона. В качестве газа используется

азот (N) или аргон (Ar). Азот конденсируется при температуре – 196

о

С, аргон

при более низкой температуре. Сам термобаллон изготавливается в виде

цилиндра или в виде стакана, к верхней части которого приваривается

крышка, а в крышку уже вваривают или впаивают капилляр.

Существует ещѐ одна разновидность манометрических термометров, так

называемых – парожидкостные термометры, когда термобаллон заполняется

примерно 4/5 объѐма термометрической жидкостью, а над поверхностью

этой жидкости находится еѐ пар. В этом случае используется давление

насыщенного пара, того который находится над поверхностью жидкости от

температуры. Особенностью таких парожидкостных термометров является

то, что у них сильно не линейная шкала, т.е. зависимость давления

насыщенного пара жидкости от температуры не линейно. Это приводит к

тому, что в начале диапазона чувствительность таких термометров не велика,

а при более высоких значениях температуры к концу диапазона

чувствительность возрастает. Однако такие манометрические термометры

обладают тем достоинством, что давление насыщенного пара не зависит от

внешнего давления на температуру и это исключает одну из составляющих

источника погрешности, который характерен для этих термометров от

влияния внешнего давления среды. Температуру, которую измеряет,

термобаллон исключают, как правило, заполнением манометрического

термометра термометрической жидкостью или газа находящегося при

высоком начальном давлении которое, как правило, составляет более 10 атм.

Этот источник погрешности связан с влиянием внешнего давления, называют

– барометрической погрешностью.

Вторым серьѐзным источником погрешности манометрических

термометров является, так называемая, гидростатическая погрешность,

обусловленная тем, что во многих ситуациях манометрический прибор

находится на разных высотах, например, при измерении температуры в

скважине имеющей глубину до 50 – 60 метров или, наоборот, при ситуации,

когда термометрический термометр находится в подвале многоэтажного

здания, а термобаллон измеряет температуру на верхнем этаже здания, в этом

случае, к давлению которое связано с температурой термобаллона добавляют

или отнимают давление обусловленное разностью высот расположения

термобаллона и манометрического прибора.

Достоинства манометрических термометров по сравнению с

жидкостными стеклянными термометрами является возможность, прежде

всего дистанционных измерений температуры. Второе достоинство – это

возможность использования термометров в помещениях с повышенной

опасностью. Они могут работать без применения электрических цепей и

изготавливаются из материала исключающими возможность

искрообразования. К третьему достоинству можно отнести простоту

конструкции изготовления и высокую надѐжность.

К недостаткам манометрических термометров в первую очередь

относятся точность измерения температуры. Достаточно большой размер

термобаллона, который является чувствительным элементом такого

термометра, к сожалению, приводит к большой инерциональности, т.е. к

запаздыванию показаний температуры в связи с тем, что время необходимое

для прогрева такого термобаллона наполненного жидкостью достаточно

велико и может составлять до 10 минут и более. Другими недостатками

являются низкая ремонтопригодность или сложность, практически

невозможность ремонта, в случае если нарушена герметичность системы. В

этом случае с учѐтом высокого давления термометрической системы

термометрическая жидкость или газ мгновенно выходит. Другая ситуация

связана с тем, что капилляр может быть пережат от неосторожного

обращения и при механическом воздействии, он перекрывает внутреннее

пространство капилляра, в этом случае термобаллон оказывается не

связанным с манометрическим прибором.

Тем не менее, манометрические термометры ещѐ используются во многих

ситуациях, когда точность измерения температуры не высокая и когда

имеется необходимость использования их в помещениях с повышенной

опасностью. Это, пожалуй, самые главные их достоинства, которые

позволяют находить достаточно широкое их применение. Необходимо

отметить, что в качестве манометрического прибора могут быть

использованы и самопишущие приборы с регистрацией температуры во

времени на бумажном носителе или используются манометрические

преобразователи, в том числе и на электронных носителях, т.е. есть

возможность связи с компьютером. Поверяются манометрические

термометры в термостатах или в печах, в термостатах до 250

о

С, печах до

о

С.

3.3. Термометры сопротивления

Принцип действия преобразователей сопротивления основан на зависимости

электрического сопротивления R проводников или полупроводников от

температуры T:

R = R(T). (2.1)

термопреобразователь вторичный прибор

Т R

e

Ом

мВ

о

С

Т Е Р М О М Е Т Р

мосты

логометры

омметры

милливольтметры

потенциометры

e

T

R

T

T = F(R) T = F(e)

Чувствительные элементы термопреобразователей сопротивления

изготавливают из платины, меди, никеля и полупроводниковых материалов.

В России наибольшее распространение в сфере Государственного

метрологического контроля и надзора получили чувствительные элементы,

изготовленные из платиновой проволоки.

Термопреобразователи с чувствительными элементами из платины

являются самыми точными из всех преобразователей температуры. Для

эталонных термопреобразователей зависимость (1) устанавливают

индивидуально для каждого преобразователя. Для преобразователей,

относящихся к рабочим средствам измерений, установлены стандартные

зависимости сопротивления чувствительных элементов от температуры. Их

называют номинальными статистическими характеристиками

преобразования (НСХП), которые даются в виде таблиц или полиномов.

Обозначения НСХП для преобразователей с чувствительными элементами из

платины имеют вид: 1П, 5П, 10П, 50П, 100П, 500П, 1000П, где буква «П􀂪

обозначает «платина􀂪, а следующие за ней цифры указывают на

сопротивление R 0 (Ом) чувствительного элемента при температуре 0

о

С. Их

наносят на этикетку термопреобразователя или шкалу вторичного

измерительного прибора, используемого для преобразования сигнала

термопреобразователя в значения измеряемой температуры.

В качестве вторичных электрических приборов для

термопреобразователей сопротивления применяют мосты ручного и

автоматического уравновешивания, логометры и цифровые омметры, в том

числе, микропроцессорные измерители сигналов термопреобразователей.

Значения R 0, а также допускаемых отклонений сопротивления

чувствительных элементов от НСПХ (

о

С) в зависимости от класса допуска А,

В, или С по ГОСТ 6651 – 2009 приведены в таблице 1.

Таблица2.1

Класс допуска R 0, Ом Допускаемые отклонения ΔТ

от температуры (Т),

о

С

А 50±0,025

100±0,050

500±0,250

±0,15+0,002 Т

В 50±0,050

100±0,100

±0,30+0,005 Т

С 50±0,100

100±0,200

±0,60+0,0065 Т

Платиновые термопреобразователи сопротивления используют в

широком диапазоне температур от – 260 до 1085

о

С. В соответствии с частью

2 Государственной поверочной схемы для средств измерений температуры

(ГОСТ 8.558 -- 2012) поверка термопреобразователей осуществляется

методом непосредственного сличения с эталонным термометрами 3-го

разряда, например, в термостате. При этом экспериментальным путѐм

подтверждается соответствие отклонений ΔТ измеряемых поверяемым

термопреобразовате| лем значений ТХ температуры от значений ТО

температуры эталонного термопреобразователя. Эти отклонения не должны

превышать значений, указанных в таблице 1. Например, для

термопреобразователей класса А с НСХП 100П допускаемые отклонения

должны удовлетворять условию

ΔТ= | ТХ – ТО | =0,15 + 0,002 То. (2.2)

При выполнении данной лабораторной работе необходимо

экспериментально подтвердить соблюдение этого условия.

3.4. Термоэлектрические термометры

Принцип действия термоэлектрических преобразователей температуры

основан на зависимости термоэлектродвижущей силы е (ТЭДС),

возникающей в месте электрического контакта (соединения) двух

разнородных проводников, от температуры Т места соединения:

е= е(Т). (3.1)

+

Проводники, участвующие в создании ТЭДС, называют

термоэлектродами. Электрически соединѐнные термоэлектроды образуют

чувствительный элемент термоэлектрических термопреобразователей

температуры, называемый термопарой. Место электрического контакта

термоэлектродов называют спаем. Спай может быть изготовлен путѐм

сварки, спайки или скрутки термоэлектродов. Их диаметр может быть от 0,03

до 5 мм, а длина – неограниченной.

Связь ТЭДС с температурой зависит от физико-химических свойств

термоэлектродов и не зависит от их диаметра, длины и характера

распределения температуры вдоль них. К сожалению, значения ТЭДС

зависят ещѐ и от температуры Т0 свободных (несоединѐнных) концов

термоэлектродов, которые присоединяют к медным удлинительным

проводам или клеммам измерительного прибора, измеряющего ТЭДС.

Следовательно, в общем случае зависимость ТЭДС от температуры имеет

вид

е=е(Т,Т0). (3.2)

Чем ближе значение температуры Т0 к измеряемой температуре, тем

меньше сигнал (ТЭДС) термопары. Для получения однозначной зависимости

е от Т условились определять еѐ при значении температуры Т0 свободных

концов, равной 0

о

С (таяние льда). Для эталонных термоэлектрических

термопреобразователей эту зависимость определяют индивидуально для

каждого экземпляра преобразователя. Для наиболее распространѐнных типов

термопреобразователей, используемых в качестве средств измерений,

установлены стандартные, усреднѐнные зависимости ТЭДС от температуры,

которые называют номинальными статическими характеристиками

преобразования (НСХП).

Значения ТЭДС измеряют милливольтметрами и потенциометрами

постоянного тока с пределом измерений до 50 мВ и классом точности от

0,0001.

В России наиболее распространены термопары из следующих пар

термоэлектродов: платинородий (10%Rh) – платина (обозначение НСХП –

ПП), платинородий (30%Rh) – платинородий (6%Rh) (ПР), хромель –

алюмель (ХА), хромель – копель (ХК). Характеристики преобразования

(НСХП) для этих термоэлектродов и классы допуска для отклонений от этих

характеристик приведены в ГОСТ Р.8.585 – 2001. В таблице 1, приведены

пределы допускаемых отклонений (

о

С) от НСХП термопар ХА и ХК для

нескольких значений измеряемой температуры.

Таблица3.1.

Тип

термопары

Обозначение

НСХП

Класс

допуска

Температура,

о

С

Пределы

допускаемых

отклонений,

о

С

Хромель –

алюмель

ХА 2 100

2,5

2,5

3,0

3,75

1 100

1,5

1,5

1,6

2,0

Хромель –

копель

ХК 2 100

2,5

2,5

2,7

3,2

Термоэлектрические преобразователи на основе этих термопар

используют в широком диапазоне температур от –200 до 1000

о

С (ХА) и от –

200 до 600

о

С (ХК).

В соответствии с частью 2 Государственной поверочной схемы для

средств измерений температуры (ГОСТ 8.558–2012) поверка

термоэлектрических преобразователей в диапазоне от 0 до 1800

о

С

осуществляется методом непосредственного сличения с эталонными

термометрами 3-го разряда, например, в термостатах (до 250

о

С) и в печах

(выше 100

о

С) или методом прямых измерений в калибраторах температуры

(до 650

о

С). При этом экспериментальным путѐм подтверждается

соответствие отклонений ΔТ значений ТХ температуры, измеренных

поверяемым термопреобразователем, от значений ТЭ температуры,

измеренных эталонным термометром или воспроизведѐнных калибратором.

Эти отклонения не должны превышать значений, указанных в таблице 3.1.

Например, для термопреобразователей ХА класса 2 при температуре 400

о

С

допускаемые отклонения ΔТ должны удовлетворять условию

/ΔТ/ =/ТХ – ТЭ/ =2,7

о

С. (3.3)

При выполнении данной лабораторной работы необходимо

экспериментально подтвердить соблюдение условия (3.3) для поверяемого

термоэлектрического преобразователя и принять решение о возможности его

применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства

измерений.

3.5. Вторичные термометрические приборы

Возможность преобразования температуры в электрические величины

позволяет осуществить отсчет еѐ значений с помощью вторичных

электрических измерительных приборов. Электрическими величинами,

непосредственно связанными с измерениями температуры, являются

сопротивление термопреобразователей сопротивления и ТЭДС

термоэлектрических преобразователей. В общем случае приборы для

измерений температуры включают в себя первичный преобразователь и

вторичный прибор. Поэтому измерения температуры осуществляются

комплектом средств измерений, включающим последовательное соединение

посредством линии связи первичного преобразователя и вторичного прибора.

термопреобразователь вторичный прибор

Т R

e

Ом

мВ

о

С

Т Е Р М О М Е Т Р

мосты

логометры

омметры

милливольтметры

потенциометры

e

T

R

T

T = F(R) T = F(e)

При этом вторичные приборы отображают или значения измеряемой

температуры с учѐтом НСХП или значения сопротивления и ТЭДС

соответствующих термопреобразователей.

Отличительной особенностью вторичных термометрических приборов

является то, что они работают с сигналами низкого уровня. Кроме этого, в

них должен быть предусмотрен автоматический учѐт неинформативных

параметров, влияющих на первичный преобразователь, на линию связи и на

вторичный прибор. В их состав входят узлы согласования

термопреобразователя с измерительной схемой, которые выполняют

функции усиления, нормирования, линеаризации, коррекции динамических

характеристик преобразователей и фильтрацию помех.

Выбор вторичных приборов определяется возможностями применения

определенного типа термопреобразователя, диапазоном и погрешностью

измерений, быстродействием, необходимостью автоматической регистрации

и обработки информации, условиями эксплуатации, а также их стоимостью.

1 2

1 2

6 7

В качестве вторичных приборов, работающих в комплекте с

термометрическими преобразователями, чаще всего используются

милливольтметры и потенциометры постоянного тока, а с термометрами

сопротивления – логометры, мосты, омметры и потенциометры. Эти приборы

могут быть аналоговыми (шкальными) и цифровыми.