Теоретическая часть. Величину температуры нельзя измерить непосредственно, как, например, массу или длину: «единичного количества» теплового состояния нет

Величину температуры нельзя измерить непосредственно, как, например, массу или длину: «единичного количества» теплового состояния нет. Однако определить температуру можно косвенными способами, т.е. по изменению какого-нибудь физического свойства, характеризующего вещество и изменяющегося с температурой однозначно и монотонно.

Температура характеризует тепловое состояние тела и измеряется в градусах. Температура тела изменяется пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Под температурой понимают так же степень нагретости тела. Численное значение температуры зависит от выбранной температурной шкалы.

Свойства веществ, которые можно использовать для измерения температуры, называют термометрическими. К ним относятся объем, плотность, длина, электрическое сопротивление, термоэлектродвижущая сила и т. д. Вещества, которые характеризуются термометрическими свойствами, называют термометрическими.

Температура представляет собой величину переменного уровня. Это значит, что при ее изменении происходит последовательное изменение уровня теплового состояния вещества. Поэтому при определении температуры необходимо знать непрерывный ряд значений термометрического свойства вещества, т. е. надо иметь температурную шкалу.

Под термином «температурная шкала» принято понимать непрерывную совокупность чисел, линейно связанных с числовым значением какого-либо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, представляющего собой однозначную и монотонную функцию температуры.

Для построения температурной шкалы выбирают две опорные точки, называемые реперами. В качестве репер t ₁и t ₂обычно выбирают температуры фазового равновесия однокомпонентных систем, так как эти температуры могут быть легко воспроизведены. Температурам t ₁и t ₂приписывают произвольные числовые значения.

Расстояние между реперами t ₁и t ₂носит название основного температурного интервала. Его разбивают на N частей. 1/N часть основного интервала была названа градусом, который, таким образом,равен .

Для эмпирических шкал, построенных по этому принципу, градус не является единицей измерения, а представляет собой единичный температурный промежуток - масштаб шкалы.

Первые шкалы, построенные по этому принципу, появились в XVIII в. Появление шкалы Фаренгейта датировано 1723 г. В качестве термометрического вещества Фаренгейт вначале брал спирт, затем ртуть. Начальную опорную точку он принимал равной температуре смеси снега с нашатырем или поваренной солью. Температура, при которой замерзала вода, была 32 град. За 100 град Фаренгейт принял температуру здорового человека. Тогда температура кипения воды была им получена равной 212 град. Температурный интервал был разделен на 180 равных частей. Температура по шкале Фаренгейта обозначается t,°F.

В 1736 г. появился термометр со шкалой Реомюра, на которой опорными точками были: 0 град - температура замерзания воды и 80 град - температура кипения воды. Температурный интервал был разделен на 80 равных частей. Температура по шкале Реомюра обозначается t, °R.

Температурная шкала Цельсия появилась в 1742 г.

Опорными точками Цельсий выбрал: 0 град - температура замерзания воды и 100 град - температура ее кипения. За величину градуса была принята 1/100 интервала между ними. Температура по шкале Цельсия обозначается t, °C.

Если температурные шкалы различаются только видом зависимости E=f(t) и имеют одинаковые реперные точки (температура замерзания и температура кипения воды, как на шкалах Фаренгейта, Реомюра и Цельсия), то они могут быть пересчитаны одна в другую:

п°С = 0,8n°R = (1,8n+32) °F. (1)

Если температурные шкалы имеют разные реперные точки, то переход от одной шкалы к другой возможен только экспериментально.

Опыты показали, что термометрические свойства газов в отличие от жидких и твердых тел меньше зависят от температуры. Поэтому, когда в 80-х годах 19 столетия возникла необходимость в выборе из числа условных шкал одной шкалы, которую можно было бы признать эталонной, исследователи остановились на температурных газовых шкалах и, в частности, на шкале водородного газового термометра. В качестве термометрического свойства было выбрано изменение давления газа при постоянном объеме, так как давление можно измерить с большей точностью.

В 1887 г. Международная комиссия мер и весов приняла в качестве эталона «нормальную» термометрическую стоградусную шкалу водородного термометра с постоянным объемом, начальным давлением 1000 мм рт. ст. (133.322 Н/м²) и двумя основными точками, за одну из них была принята температура тающего льда, за другую - температура насыщенных паров воды, кипящей при давлении 760 мм рт. ст. (100 224,72 Па) на широте 45°.

В 1889 г. эта шкала была признана «нормальной» на международной конференции и тем самым положена в основу всех тепловых измерений. С «нормальным» водородным термометром были сравнены четыре ртутных, которые и воспроизводили международную водородную шкалу. «Нормальная» шкала водородного термометра охватывала диапазон температур лишь от -25 до +100° С.

Развитие науки и техники требовало не только расширения диапазона температурных измерений, но и увеличения их точности. Вследствие этого в 1927 г. «нормальная» водородная шкала была заменена термодинамической.

Термодинамическая шкала температур была предложена В. Томсоном (лорд Кельвин) в 1848 г., впоследствии она была названа шкалой Кельвина,°К. В ее основу положен термодинамический цикл Карно идеальной тепловой машины.

Наименьшая температура была названа Кельвином абсолютным нулем и принята им за начальную постоянную естественную точку абсолютной термодинамической шкалы температур (шкалы Кельвина). Так как h>1 противоречит второму закону термодинамики, то температура в абсолютной термодинамической шкале температур не может быть отрицательной.

Градус в термодинамической шкале температур соответствует градусу стоградусной шкалы температур. Числовые значения температур, выраженные в абсолютной термодинамической шкале температур, сопровождаются знаком °К (градус Кельвина). Нуль абсолютной шкалы температур соответствует значению t=-273,15 °С.

T= t + 273,15° К (2)

Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. В таблице 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

Таблица 1 - Практические пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерений температур

Стеклянные жидкостные термометры (рисунок 1) основаны на свойстве тел изменять свой объем в зависимости от температуры. В качестве термометрического тела (таблица 2) чаще всего применяют ртуть (остается жидкой в температурном интервале -38,87°С до +356, 58°С при нормальном атмосферном давлении) и спирт.

а)
б)

Рисунок 1 - Лабораторный термометр с укороченной шкалой (а)

и метастатический термометры (б)

Таблица 2 - Физические параметры термометрических жидкостей

Основными источниками погрешностей измерения температур стеклянными жидкостными термометрами являются:

1) погрешности показаний термометров при нормальных условиях их работы;

2) погрешности, являющиеся следствием отклонения условий измерения от нормальных;

3) погрешности, обусловленные дефектами термометра, например, возгонкой термометрической жидкости, разрывами столбика жидкости, наличием пузырьков газа в резервуаре, продольным смещением шкалы;

4) погрешности измерения, вносимые наблюдателем, в частности, погрешности отсчета показаний и погрешности определения поправок.

Принцип устройства и действия манометрических термометров основан на использовании зависимости между температурой и давлением рабочего вещества, например газа, заключенного в герметически замкнутый объем - термосистему термометра.

Термосистема манометрического термометра (рисунок 2) состоит из термобаллона 4, капилляра 3, передаточного механизма 2 и манометрической пружины 1. Термобаллон является теплочувствительным элементом термометра, погружаемым в измеряемую среду. Капилляр соединяет термобаллон с манометрической пружиной, обеспечивая дистанционное измерение температуры.

Манометрическая пружина является упругим элементом, который преобразует изменение давления в линейное перемещение ее свободного конца. Свободный конец пружины связан со стрелкой прибора, отклоняющейся в зависимости от изменения давления.

Рисунок 2 -Устройство манометрического термометра

Повышению температуры термобаллона соответствует увеличение давления в термосистеме, и, наоборот, при понижении температуры давление в термосистеме уменьшается. Таким образом, каждой измеряемой температуре соответствует одно определенное давление в термосистеме термометра.

Манометрическая пружина, передаточный механизм, стрелка и циферблат, конструктивно объединенные и заключенные в корпус прибора, являются частью манометрического термометра, принципиально не отличающейся от пружинного манометра, используемого для измерения давления.

Основными источниками погрешностей при измерении температуры манометрическими термометрами являются:

1) погрешности показаний (или записи) при нормальных условиях работы;

2) изменения показаний, возникающие при отступлении от нормальных условий работы (при отклонении температуры капилляра и манометрической пружины от нормальной +20° С, отклонении атмосферного давления от нормального, изменении высоты положения термобаллона относительно пружины);

3) погрешности отсчета показаний;

4) условия теплообмена, нарушающие равенство температур между термобаллоном и измеряемой средой;

5) тепловая инерционность термометров.

Принцип действия термометра сопротивления основан на свойстве материалов (металлов, их окислов, солей и т. д.) изменять свое электросопротивление при изменении температуры.

Величину, характеризующую изменение электросопротивления этих материалов при изменении температуры, называют температурным коэффициентом сопротивления и обозначают буквой а. Если R_t - электросопротивление при некоторой температуре t, a R_o - электросопротивление при 0°С, то температурный коэффициент сопротивления можно определить по формуле

(3)

Единица измерения температурного коэффициента сопротивления - град^-1.

Опыт показывает, что металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, равный для большинства чистых металлов 0,004-0,006 град^-1, что составляет увеличение электросопротивления при повышении температуры на каждый градус приблизительно на 0,4—0,6% от величины электросопротивления при 0°С.

Окиси металлов (полупроводники) имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Это означает, что их сопротивление с повышением температуры уменьшается (в 4-9 раз сильнее, чем у металлов).

Свойство материалов изменять свое электросопротивление при изменении температуры было положено Каллендаром в 1887 г. в основу действия термометров сопротивления.

Принципиальная схема устройства термометра сопротивления представлена на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 - Принципиальная схема термометра сопротивления

 

Чувствительный элемент 1 - чаще всего металлическую проволоку - крепят на каркасе 2и через токоподводящие провода 4подсоединяют к головке термометра 5, подводя таким образом термометр сопротивления к измерительному устройству. Защитная оболочка 3предохраняет чувствительный элемент от воздействия окружающей среды.

В настоящее время употребляются термометры сопротивления весьма разнообразных конструкций. Свойства материалов, применяемых для изготовления термометров сопротивления, определяют разнообразие их конструкций.

Как выбор материала, так и конструкции зависят от их назначения и тех диапазонов температур, в которых им предстоит работать.

Основные источники погрешностей измерения температуры термометрами сопротивления делятся на три группы:

1) погрешности, зависящие от термометра и соединительной линии (отклонение градуировки от стандартной - у технических термометров, погрешность индивидуальной градуировки - у образцовых, неточность подгонки сопротивления линии, изменение сопротивления линии при колебании температуры окружающей среды);

2) погрешности, зависящие от вторичного прибора (основная и дополнительная погрешности, механическая инерция прибора);

3) погрешности, связанные с условиями применения термометра (неблагоприятные условия теплообмена между термометром и окружающей средой, перегрев чувствительного элемента измерительным током, тепловая инерционность термометра).

 

В настоящее время для измерения температуры получили широкое применение термопары (термоэлектрические преобразователи).

Термоэлектрический метод измерения температуры основан на использовании зависимости термоэлектродвижущей силы от температуры.

Термопара представляет собой 2 разнородных проводника, составляющих общую электрическую цепь (рисунок 4). Если температуры мест соединений (спаёв) проводников t и t₁ неодинаковы, то возникает термо-ЭДС и по цепи протекает ток. Величина термо-ЭДС тем больше, чем больше разность температур.

 

1 вариант	2 вариант

Рисунок 4 - Схема включения измерительного прибора в цепь термопары

 

Термопары градуируются двумя методами:

1) с помощью постоянных точек кипения и затвердевания химически чистых веществ, температуры кипения, и затвердевания которых известны,

2) методом сравнения с образцовыми приборами (термопарами, термометрами, яркостными пирометрами).

Основные технические характеристики термопар стандартных градуировок приведены в таблице 3.

 

Таблица 3 - Основные технические характеристики термопар

Термопара	Градуи- ровка	Химический состав термоэлектродов	Верхний температурный предел применения, °С	Чувстви-тель- ность, мв/град	Т.э.д.с. верхнего предела, мв
положитель-ного	отрицательного	дли-тель-ного	Кратко-времен-ного
Платинородий-платиновая ТПП	ПП-1	Платинородий (90% Pt, 10% Rh)	Платина (100% Pt).			0,01	16,72
Платинородий-платинородиевая ТПР	ПР 30/6	Платинородий (70% Pt, 30% Rh)	Платинородий (94% Pt, 6% Rh)			0,01	13,927
Хромель- алюмелевая ТХА	ХА	Хромель (89% Ni, 9,8% Cr, 1% Fe, 0,2% Mn)	Алюмель (94% Ni, 2% Al, 2,5% Мn, 1% Si, 0,5% Fe) Копель (55% Си, 45% Ni)			0,04	52,41
Хромель- копелевая ТХК	ХК			0,08	66,40
Термопара с термоэлектродами из специальных сплавов ТНС	НС	Спецсплав НК	Спецсплав СА		-	0,02	13,39
Медь- константановая	Единой градуи-ровки нет	Медь (100%)	Константан (42% Ni, 58% Си)		-	0,015-0,04
Вольфрам- молибденовая ТВМ	Вольфрам (~100%)	Молибден (~100%)		-	~20
Вольфрам- рениевая ТВР	ВР 5/20	Сплавы вольфрама с рением (95%W, 5% Re) (80%W, 20%Re)			0,01-0,015	31,45

Основными источниками погрешностей измерения температуры термопарами являются:

1) погрешности в определении градуировочной характеристики образцовых и технических нестандартных термопар;

2) отклонения градуировочной характеристики стандартных технических термопар от стандартной градуировочной таблицы;

3) погрешности от изменений температуры свободных концов термопар;

4) термоэлектрическая неоднородность термоэлектродов;

5) вредное влияние различных факторов, изменяющее градуировочную характеристику термопар, в том числе действие ионизирующих излучений;

6) электропроводность изоляции;

7) погрешности, зависящие от условий измерения.

 

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |

Поиск по сайту:

---