Общие сведения. Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

Измерять температуру можно только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Эти свойства называются термометрическими. К ним относятся длина, объем, плотность, термоЭДС, электрическое сопротивление и т.д. Вещества, характеризующиеся термометрическими свойствами, называются термометрическими.

Средства измерений температуры называют термометрами. Для создания термометра необходимо иметь температурные шкалы.

Температурной шкалой называют конкретную функциональную числовую связь температуры со значениями измеряемого термометрического свойства. Первые температурные шкалы (см. таблицу 1.1) основывались на допущении линейной связи между температурой и термометрическим свойством, в качестве которого использовалось расширение объема жидкости.

Для построения температурной шкалы выбирались две опорные (реперные) точки t₁ и t₂, представляющие собой температуры фазового равновесия чистых веществ. (t₂ – t₁) – называется температурным интервалом. В шкалах Фаренгейта (1715 г.), Цельсия (1742 г.) и Реомюра (1776 г.) точка плавления льда t₁ равна соответственно +32 ^оF, 0 ^oC, 0 ^oR, а точка кипения воды t² – 212 ^oF, 100 ^oC, 80 ^oR. (t₂ – t₁) в этих шкалах делится соответственно на N = 180, 100, 80 равных частей. И 1/N часть каждого из интервалов называется градусом Фаренгейта – ^оF, градусом Цельсия – ^оС и градусом Реомюра – ^оR. Таким образом, градус для этих шкал не является единицей измерения, а представляет собой единичный промежуток – масштаб шкалы. Поэтому такие шкалы называются условными.

Т а б л и ц а 1.1 - Условные температурные шкалы

Условные температурные шкалы	Шкала Фаренгейта(^оF)	Шкала Цельсия (^оC)	Шкала Реомюра (^оR)
Температура таяния льда
Температура кипения воды
1^о =	1/180	1/100	1/80

Показания таких термометров, имеющих разные термометрические вещества (например, ртуть, спирт и другие), использующих одно и то же термометрическое свойство и равномерную градусную шкалу, совпадают лишь в реперных точках (температура таяния льда и температура кипения воды), а в других точках показания расходятся. Это объясняется тем, что связь между t^o и термометрическим свойством нелинейная.

Проблема создания температурной шкалы, не зависящей от термометрических свойств веществ, была решена в 1848 г. Кельвином, а предложенная им шкала была названа термодинамической.

Термодинамическая шкала температур основана на использовании второго закона термодинамики: коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от свойств рабочего вещества. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего (термометрического) вещества и называется абсолютной шкалой. Чтобы абсолютная температура имела определенное значение, было предложено принять разность термодинамических температур между точками кипения воды и таяния льда, равной 100 Принятие такого значения разности преследовало цель сохранения преемственности числового выражения термодинамической температурной шкалы от стоградусной температурной шкалы Цельсия. Таким образом, один градус Кельвина (1К) соответствует одному градусу Цельсия (1 ), так как обе шкалы базируются на одинаковых реперных точках. Для воспроизведения такой температурной шкалы был построен газовый термометр. Работа его основана на законах идеальных газов, т.к. газовый термометр заполняется термометрическим веществом – газом, близким к идеальному. Экспериментально было найдено, что для всех газов при давлениях, стремящихся к нулю, в интервале температур 0 100 температурный коэффициент объемного расширения равен 1/273,15. Таким образом, нулевое значение абсолютной температуры соответствует (-273,15 ). Температура таяния льда по этой шкале составит 273,15 К. Менделеев Д.И. (1874 г.) и одновременно, независимо от него, Кельвин предложили построить термодинамическую шкалу температур по 1 реперной точке - тройной точке воды ТТВ (точка фазового равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах), которая легко воспроизводится с погрешностью не более 0,0001 К. Температура этой точки принята равной ТТВ = 273,16 К, т.е. выше температуры таяния льда на 0,01 К. Второй реперной точкой является абсолютный нуль, который экспериментально не реализуется, но имеет строго фиксированное положение.

В 1967 году XIII Генеральная конференция по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры в следующей редакции: «Кельвин – это 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды»: 1К = 1/273,16 ТТВ. Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах Цельсия: t =T -273,15 K.

В настоящее время действует принятая на XIII Генеральной конференции по мерам и весам «Международная практическая температурная шкала 1968» МПТШ-68, которая базируется на 11 основных и 27 вторичных реперных точках, охватывающих диапазон температур от 13,956 до 3660 К (от -259,194 до 3387 ). В таблице 1.2 приведены основные реперные (постоянные) точки МПТШ-68.

Т а б л и ц а 1.2 – Основные реперные точки МПТШ-68

№п/п	Состояние фазового равновесия	Значение температуры
К
	Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода)	13,81	-259,34
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода при давлении 33,330 кПа (250 мм рт.ст.)	17,042	-256,108
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (точка кипения равновесного водорода)	20,28	-252,87
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами неона (точка кипения неона)	27,102	-246,048
	Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода)	54,361	-218,789
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами кислорода (точка кипения кислорода)	90,188	-182,962
	Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды)	273,16	0,01
	Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды)	373,15
	Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка)	692,73	419,58
	Равновесие между твердой и жидкой фазами серебра (точка затвердевания серебра)	1235,08	961,93
	Равновесие между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота)	1337,58	1064,43

В различных областях науки и техники применяется множество принципов и средств измерения температуры. В нефтеперерабатывающей и теплоэнергетической промышленностях широкое применение нашли средства измерения температуры, классификация которых в зависимости от используемого термометрического свойства приведена в таблице 1.3.

Т а б л и ц а 1.3 - Технические средства измерения температуры

Термометрическое свойство	Название средства измерения	Диапазон измерения, ^оС
Изменение давления рабочего вещества при постоянном объеме	Манометрический термометр: - газовый - жидкостный - конденсационный	-150 600 -150 600 -50 350
Термоэлектрический эффект (термоЭДС)	Термоэлектрический преобразователь	-200 2200
Изменение электрического сопротивления	Термопреобразователь сопротивления: - металлический - полупроводниковый	-260 1100 -240 300
Тепловое излучение	Пирометры излучения	1400 6000

1.2 Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости между температурой и давлением рабочего (термометрического) вещества в замкнутой герметичной термосистеме. Манометрические термометры являются техническими приборами и в зависимости от рабочего вещества термосистемы они подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные). В зависимости от рабочего вещества термосистемы их применяют для измерения температуры жидких и газообразных сред от -150 до +600 ^оС. Термометры со специальным заполнителем предназначены для измерения t от +100 до +1000 ^оС.

Манометрические термометры изготавливают показывающие и самопишущие. Некоторые типы термометров изготавливаются с дополнительным устройством для сигнализации (или регулирования) температуры, снабжают передающим преобразователем с выходным унифицированным сигналом постоянного тока 0-5 мА или пневматическим передающим преобразователем с выходным унифицированным пневматическим сигналом 0,2-1 кгс/кв.см (0,02-0,1 МПа).

Схема устройства показывающего манометрического термометра представлена на рисунке 1.1. Термосистема термометра состоит из термобалона 1, погружаемого в среду, температура которой измеряется, капилляра 2 и манометрической пружины 3. Один конец пружины впаян в держатель, канал которго соединяет внутреннюю полость манометрической пружины через капилляр с термобаллоном. Второй свободный конец пружины герметизирован и шарнирно связан с секторным передаточным механизмом, на оси которого насажена указательная стрелка. Термосистема термометра заполнена рабочим веществом, например, газом (или жидкостью), под некоторым начальным давлением. При нагревании термобаллона увеличивается давление газа в замкнутой герметизированной термосистеме, в результате чего пружина деформируется (раскручивается) и ее свободный конец перемещается. Движение свободного конца пружины преобразуется в перемещение указателя относительно шкалы прибора, по которой производят отсчет температуры.

Уменьшение температурной погрешности газовых и жидкостных термометров, обусловленной отклонением температуры пружины от нормальной (20 ^оС), достигается введением термобиметаллического компенсатора 5 в поводок передаточного механизма.

Термобаллон и защитная гильза капилляра изготавливаются из стали марки 1Х18Н9Т, что позволяет применять их на условное давление до 6,4 МПа без защитной гильзы и на условное давление 6,4 – 25 Мпа – с защитной гильзой.

Манометрические газовые термометры (МГТ). МГТ позволяют измерять термературу от -150 до +600 ^оС. Рабочее вещество – азот. Длина соединительного капилляра 0,6 - 60 м. При постоянном объеме газа зависимость его давления от температуры определяется выражением

, (1.1)

где - давление газа при t=0 ;

- термический коэффициент давления газа, .

При изменении температуры газа в термобаллоне термометра от до будет изменяться и давление газа в соответствии с вражением

, (1.2)

где и - давление газа при температуре, соответствующей началу и концу шкалы термометра.

После несложных преобразований получаем

. (1.3)

Из этого выражения видно, что размер рабочего давления в термосистеме газового термометра прямо пропорционален значению начального давления и диапазону измерения () прибора. При повышении температуры термобаллона термометра объем термосистемы его увеличивается в основном за счет расширения термобаллона и увеличения объема внутренней полости манометрической пружины. При увеличении температуры газа, а вместе с тем и давления, происходит частичное перетекание газа из термобаллона в капилляр и манометрическую пружину. При понижении температуры газа в термобаллоне будет происходить обратный процесс. Вследствие этого при измерении температуры газовым термометром постоянство объема газа в термосистеме не сохраняется. Поэтому зависимость между давлением газа в термосистеме и его температурой незначительно отклоняется от линейной и действительное давление газа в термосистеме при температуре будет меньше подсчитанного по формуле (1.2). Однако эта нелинейность не играет существенной роли, и шкала газового термометра получается практически равномерной.

Ввиду больших размеров термобаллона (диаметр – 20 мм, длина – 125 мм – 500 мм) газовые термометры не везде могут быть применены.

Манометрические конденсационные термометры (МКТ). Термобаллон МКТ частично заполнен конденсатом (примерно на 0,7-0,75 объема), а в верхней части термобаллона над конденсатом находится насыщенный пар этой жидкости. Манометрическая пружина и капилляр термометра заполнены тем же конденсатом, что и термобаллон.

МКТ выпускаются с пределами измерения от -50 ^оС до 300 ^оС. В качестве конденсата используется фреон-22 с пределами измерения от -25 до 80 ^оС, пропилен с пределами измерения от -50 ^оС до 60 ^оС, хлористый метил с пределами измерения от 0 до 125 ^оС, ацетон с пределами измерения от +100 до 200^оС, этиленбензол с пределами измерения от +160 до 300 ^оС и т.п.

Давление в термосистеме МКТ равно давлению насыщенного пара в термобаллоне. При этом зависимость между давлением насыщенного пара и температурой является вполне определенной, однозначной и известной для конденсата, которым заполенена термосистема термометра. Однако однозначная зависимость давления насыщенного пара от температуры имеет место только до определенной температуры, называемой критической.

Показания МКТ зависят от высоты расположения термобаллона (выше или ниже) по отношению к корпусу прибора, а также и от изменения атмосферного давления. При этом погрешность показаний термометра в начале шкалы будет больше, чем в конце шкалы, так как в последнем случае давление столба рабочей жидкости в капилляре будет весьма малой долей общего давления в термосистеме.

Жидкостные манометрические термометры (МЖТ). Для заполнения термосистемы МЖТ применяют пропиловый алкоголь, метансилол, силиконовые жидкости и т.п. МЖТ позволяют измерять температуру от -150 до +300 ^оС. Они выпускаются с различными диапазонами измерения температуры в указанном интервале. Шкала МЖТ получается практически равномерной.

МЖТ существенно отличаются от газовых и конденсационных, так как жидкости, применяемые в качестве заполнителей, практически несжимаемы. В термометрах этого типа объем термобаллона для данной рабочей жидкости должен быть согласован с диапазоном измерения прибора, с изменением объема внутренней полости манометрической пружины при рабочем ходе свободного конца ее, а вместе с тем и с изменением давлением в термосистеме.

При нагреве термобаллона от до жидкость расширяется, а термобаллон увеличивает свой объем. Чем больше диапазон измерения МЖТ, тем меньше должен быть внутренний объем термобаллона при одинаковых прочих условиях. Например, для МЖТ с диапазоном измерения 40-80 ^оС длина корпуса термобаллона равна 110 мм, а с диапазоном 60-310 ^оС длина равна 18 мм. Диаметр термобаллона в обоих случаях равен 12 мм.

В МЖТ рабочее давление в термосистеме в отличие от конденсационных и газовых термометров не связано строгой зависимостью с и начальным давлением. Изменение атмосферного давления на показания жидкостных термометров практически не влияет.

Основные метрологические характеристики манометрических термометров. Манометрические термометры (МТ) рассчитаны на работу при температуре окружающего воздуха от 5 до 50 ^оС и относительной влажности до 80%. МТ изготавливаются следующих классов точности: 1,0; 1,5; 2,5; и 4.

Изменение показаний МТ, вызываемое влиянием температуры окружающего воздуха при отклонении ее от 20 ^оС, до любого значения в интервале от 5 до 50 ^оС не должно превышать значения, вычисленного по формуле

, (1.4)

где - изменение показаний термометра, выраженное в % диапазона измерения;

Х – значение допускаемого непостоянства показаний термометра, равное половине предела допускаемой основной погрешности, %;

- температурный коэффициент термометра в % на ^оС (для газовых= 0,05; для конденсационных= 0,04; для жидкостных= 0,075 и для приборов со специальным заполнителем= 0,035);