Виды термометров. Термометр электронный, цифровой

На фиг. 75, в изображен термометр, который измеряет расширение газа. Капля ртути запирает в капилляре с запаянным концом объем сухого воздуха. При измерении необходимо погружать в среду весь термометр. Перемещение капли ртути в капилляре показывает изменение объема газа; на капилляре нанесена шкала с отметками 0 и 100 для точек таяния льда и кипения воды, как и у ртутного термометра.

Такой термометр не годится для очень точных измерений Мы хотим рассказать о газовом термометре, чтобы пояснить общую идею. Термометр такого типа показан на фиг. 75, б. Ртутный барометр АВ измеряет давление постоянного объема газа в баллоне С. Но вместо того чтобы отмечать высоту столба ртути в барометре в единицах давлении, мы наносим на нем отметку 0, когда баллон помещен в тающий лед, и 100, когда в кипящую воду, я строим по ним всю шкалу Цельсия. Пользуясь законом Бойля, можно показать, что шкала у термометра, показанного на фиг. 75, б, должна быть такой же, как и у термометра на фиг. 75, а.

Применение газового термометра
При градуировке газового термометра, показанного на фиг. 76, мы погружаем баллон в тающий лед и наносим на шкалу барометра отметку 0. Затем повторяем всю процедуру, заменив лед кипящей водой; получаем отметку 100. Пользуясь определенной таким образом шкалой, строим график зависимости давления от температуры. (Если угодно, давление можно выражать в единицах высоты столба ртути.) Затем через точки О и 100 проводим прямую линию и, если необходимо, продолжаем ее. Это будет прямая, определяющая температуру в газовой шкале и дающая стандартные значения 0 и 100 в точках таяния льда и кипения воды Теперь газовый термометр позволит нам измерить температуру, если мы знаем давление газа в баллоне при этой температуре. Пунктирная линия на фиг. 76 показывает, как найти температуру воды, при которой давление газа составляет 0,6 м ртутного столба.

После того как мы выбрали газовый термометр в качестве стандарта, можно сверить с ним ртутный и глицериновый. Так было обнаружено, что расширение большинства жидкостей в зависимости от температуры, измеренной газовым термометром, несколько нелинейно Показания термометров двух типов расходились между точками 0 и 100, согласие в которых получается по определению. Но ртуть, как это ни странно, дает почти прямую линию. Вот теперь можно сформулировать «достоинство» ртути: «По газовой шкале температур ртуть расширяется равномерно» Это’ удивительное совпадение показывает, что в свое время мы сделали очень удачный выбор - именно поэтому сейчас для непосредственного измерения температуры можно пользоваться обычными ртутными термометрами.

Термометр – это высокоточное устройство, которое предназначается для измерения текущей температуры. В промышленности, термометром измеряют температуру жидкостей, газов, твердых и сыпучих продуктов, расплавов и.т.д. Термометры особенно часто применяют на производствах, где важно знать температуру сырья для правильного протекания технологических процессов, или в качестве одного из средств контроля готовой продукции. Это предприятия химической, металлургической, строительной, сельскохозяйственной отраслей, а также сфера производства продуктов питания.

В быту, термометры могут быть использованы в различных целях. Например, существуют уличные термометры для деревянных и пластиковых окон, комнатные термометры, термометры для бань и саун. Приобрести термометры можно для воды, чая, и даже для пива и вина. Существуют термометры для аквариума, специальные термометры для почвы, и инкубаторов. В продаже имеются также термометры для морозильных камер, холодильников и погребов и подвалов.
Установить термометр, как правило, технологически не сложно. Однако, не стоит забывать, что только выполненная по всем правилам установка термометра гарантирует надёжность и долговечность его работы. Следует также учитывать, что термометр — прибор инерционный, т.е. время установления его показаний составляет около 10 — 20 минут, в зависимости от требуемой точности. Поэтому не ожидайте, что термометр изменит свои показания в тот же момент, как только он будет вынут из упаковки или установлен.
По конструктивным особенностям выделяют следующие виды термометров:

Жидкостный термометр — это, тот самый стеклянный термометр, который можно увидеть практически повсеместно. Жидкостные термометры могут быть как бытовыми, так и техническими (например, термометр ттж — термометр технический жидкостный). Жидкостный термометр работает по самой простой схеме — при изменении температуры, объем жидкости внутри термометра изменяется и при увеличении температуры – жидкость расширяется и ползет вверх, а при уменьшении — наоборот. Обычно в жидкостных термометрах применяется либо спирт, либо ртуть.

Манометрические термометры предназначены для дистанционного измерения и регистрации температуры газов, паров и жидкостей. В некоторых случаях манометрические термометры изготавливаются со специальными устройствами, преобразующими сигнал в электрический и позволяющими производить регулирование температуры.

В основу действия манометрических термометров положена зависимость давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. В зависимости от состояния рабочего вещества различают газовые, жидкостные и конденсационные термометры.

Конструктивно они представляют собой герметичную систему, состоящую из баллона, соединённого капилляром с манометром. Термобаллон погружается в объект измерения и при изменении температуры рабочего вещества происходит изменение давления в замкнутой системе, которое через капиллярную трубку передается на манометр. В зависимости от назначения манометрические термометры бывают самопишущими, показывающими, бесшкальными со встроенными преобразователями для дистанционной передачи измерений.

Достоинство данных термометров является возможность их применения на взрывоопасных объектах. К недостаткам относится невысокий класс точности измерения температуры (1,5, 2,5), необходимость частой периодической поверки, сложность ремонта, большие размеры термобаллона.

Термометрическим веществом для газовых манометрических термометров служит азот или гелий. Особенностью таких термометров является достаточно большой размер термобаллона и, как следствие, значительная инерционность измерений. Диапазон измерения температур составляет от -50 до +600°С, шкалы термометров равномерны.

Для жидкостных манометрических термометров термоэлектрическим веществом является ртуть, толуол, пропиловый спирт и т.д. Благодаря большой теплопроводности жидкости, такие термометры менее инерционны по сравнению с газовыми, но при сильных колебаниях температур окружающей среды погрешность приборов выше, вследствие чего при значительной длине капилляра для жидкостных манометрических термометров применяют компенсационные устройства. Диапазон измерения температур (при ртутном заполнении) составляет от -30 до +600°С, шкалы термометров равномерны. В конденсационных манометрических термометрах применяются легкокипящие жидкости пропан, этиловый эфир, ацетон и т.д. Заполнение термобаллона происходит на 70%, оставшуюся часть занимает пар термоэлектрического вещества.

Принцип работы конденсационных термометров основан на зависимости давления насыщенного пара низкокипящей жидкости от температуры, что исключает влияние изменения температуры окружающей среды на показания термометров. Термобалоны данных термометров достаточно малы, как следствие, эти термометры наименее инерционны из всех манометрических термометров. Также конденсационные манометрические термометры обладают высокой чувствительностью, связи с нелинейной зависимостью давления насыщенного пара от температуры. Диапазон измерения температур составляет от -50 до +350°С, шкалы термометров не равномерны.

Термометр сопротивления работает благодаря известному свойству тел изменять электрическое сопротивление при изменении температуры. Причем, в металлических термометрах сопротивление при увеличении температуры возрастает практически линейно. В полупроводниковых термометрах сопротивление наоборот, уменьшается.

Металлические термометры сопротивления изготавливаются из помещенной в электроизоляционный корпус тонкой медной или платиновой проволоки.

Принцип действия термоэлектрических термометров основывается на свойстве двух разнородных проводников создавать термоэлектродвижущую силу при нагревании места их соединения — спая. В этом случае, проводники называют термоэлектродами, а всю конструкцию — термопарой. При этом, величина термоэлектродвижущей силы термопары зависит от материала, из которого сделаны термоэлектроды, и разности температур горячего спая и холодных спаев. Поэтому, при измерении температуры горячего спая температуру холодных спаев или стабилизируют или вводят поправку на ее изменение.

Такие приборы позволяют измерять температуру дистанционно — на расстоянии в несколько сотен метров. При этом, в контролируемом помещении располагается только совсем небольшой термочувствительный датчик, а другом помещении – индикатор.

предназначаются для сигнализации о заданной температуре, и при её достижении — для включения или выключения соответствующего оборудования. Электроконтактные термометры применяются в системах поддержания постоянной температуры от -35 до +300°С в различных лабораторных, промышленных, энергетических и других установках.

Электроконтактные термометры изготавливаются на заказ, по техническим условиям предприятия. Такие термометры конструктивно делятся на 2 вида:

— Термометры с переменной, устанавливаемой вручную, температурой контактирования,

— Термометры с постоянной или заданной температурой контактирования. Это, так называемые термоконтакторы.

Цифровые термометры — это высокоточные, высокоскоростные современные приборы. Основой цифрового термометра служит аналого-цифровой преобразователь, который работает по принципу модуляции. Параметры цифрового термометра полностью зависят от установленных датчиков.

Конденсационные термометры работают, используя зависимость упругости насыщенных паров низкокипящей жидкости от температуры. Эти приборы обладают более высокой чувствительностью, чем другие, обычные термометры. Однако, поскольку зависимость упругости паров для используемых жидкостей, таких как, этиловый эфир, хлористый метил, хлористый этил, ацетон, являются нелинейными, то, как следствие, шкалы термометров нанесены неравномерно.

Газовый термометр действует по принципу зависимости между температурой и давлением термометрического вещества, лишенного возможности свободного расширения при нагревании в замкнутом пространстве.

Его работа строится на различиях теплового расширения веществ, из которых изготавливаются пластины применяемых чувствительных элементов. Биметаллические термометры массово применяются на морских и речных судах, промышленности, атомных электростанциях, для измерения температуры в жидких и газообразных средах.

Биметаллический термометр составлен из двух тонких лент металла, к примеру медной и железной, при нагревании которых, их расширение происходит неодинаково. Плоские поверхности лент плотно скреплены между собой, при этом, биметаллическая система из двух лент, скручена в спираль, а один из концов такой спирали жестко закреплен. При охлаждении или нагревании спирали, ленты, изготовленные из разных металлов, сжимаются или расширяются в разной степени. Как следствие, спираль или скручивается, или раскручивается. Прикрепленный к свободному концу спирали указатель, отображает результаты измерений.

КВАРЦЕВЫЕ ТЕРМОМЕТРЫ

Кварцевые термометры работают, основываясь на температурной зависимости резонансной частоты пьезокварца. Существенным недостатком кварцевых термометров является их инерционность, которая достигает нескольких секунд, и нестабильность при работе с температурой выше 100oC.

Жидкостные и газовые термометры.

Жидкостный термометр - прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на тепловом расширении жидкости. Жидкостный термометр относится к термометрам непосредственного отсчёта.

Широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от –200 до 750 °С. Жидкостный термометр представляет собой прозрачный стеклянный (редко кварцевый) резервуар с припаянным к нему капилляром (из того же материала).

Шкала в °С наносится непосредственно на толстостенный капилляр (так называемый палочный жидкостный термометр) или на пластинку, жестко соединённую с ним (жидкостный термометр с наружной шкалой, рис. а). Жидкостный термометр с вложенной шкалой (рис. б) имеет внешний стеклянный (кварцевый) чехол. Термометрическая жидкость заполняет весь резервуар и часть капилляра. В зависимости от диапазона измерений жидкостный термометр заполняют пентаном (от -200 до 20 °С), этиловым спиртом (от -80 до 70 °С), керосином (от -20 до 300 °С), ртутью (от -35 до 750 °С) и др.

Наиболее распространены ртутные жидкостные термометры, так как ртуть остаётся жидкой в диапазоне температур от -38 до 356 °С при нормальном давлении и до 750 °С при небольшом повышении давления (для чего капилляр заполняют азотом). Кроме того, ртуть легко поддаётся очистке, не смачивает стекло, и её пары в капилляре создают малое давление. Жидкостные термометры изготавливают из определённых сортов стекла и подвергают специальной термической обработке ("старению"), устраняющей смещение нулевой точки шкалы, связанное с многократным повторением нагрева и охлаждения термометра (поправку на смещение нуля шкалы необходимо вводить при точных измерениях). Жидкостные термометры имеют шкалы с различной ценой деления от 10 до 0,01 °С. Точность жидкостного термометра определяется ценой делений его шкалы. Для обеспечения требуемой точности и удобства пользуются жидкостные термометры с укороченной шкалой; наиболее точные из них имеют на шкале точку 0 °С независимо от нанесённого на ней температурного интервала. Точность измерений зависит от глубины погружения жидкостного термометра в измеряемую среду. Погружать термометр следует до отсчитываемого деления шкалы или до специально нанесённой на шкале черты (хвостовые термометры жидкостные). Если это невозможно, вводят поправку на выступающий столбик, которая зависит от измеряемой температуры, температуры выступающего столбика и его высоты. Основные недостатки жидкостного термометра - значительная тепловая инерция и не всегда удобные для работы габариты. К жидкостным термометрам специальных конструкций относят термометры метеорологические (специальной конструкции, предназначенных для метеорологических измерений главным образом на метеорологических станциях), метастатические (термометр Бекмана, ртутный термометр с вложенной шкалой, служащий для измерения небольших разностей температур), медицинские и др. Медицинские ртутные термометры имеют укороченную шкалу (34-42 °С) и цену деления шкалы 0,1 °С. Действуют они по принципу максимального термометра - ртутный столбик в капилляре остаётся на уровне максимального подъёма при нагревании и не опускается до встряхивания термометра.

Газовый термометр.

Прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объёма идеального газа от температуры. Чаще всего применяют газовый термометр постоянного объёма (рис. ), который представляет собой заполненный газом баллон 1 неизменного объёма, соединённый тонкой трубкой 2 с устройством 3 для измерения давления. В таком газовом термометре изменение температуры газа в баллоне пропорционально изменению давления. Газовые термометры измеряют температуры в интервале от ~2К до 1300 К. Предельно достижимая точность газового термометра в зависимости от измеряемой температуры 3·10 -3 - 2·10 -2 град. Газовый термометр такой высокой точности - сложное устройство; при измерении им температуры учитывают: отклонения свойств газа, заполняющего прибор, от свойств идеального газа; изменения объёма баллона с изменением температуры; наличие в газе примесей, особенно конденсирующихся; сорбцию (поглощение твёрдым телом или жидкостью вещества из окружающей среды) и десорбцию газа стенками баллона; диффузию (взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества) газа сквозь стенки, а также распределение температуры вдоль соединительной трубки.

Термосопротивления.

Термометры сопротивления (иначе называемые термосопротивление) - это устройства для измерения температуры. Принцип действия прибора заключается в изменении электрического сопротивления сплавов, полупроводников и чистых металлов (т.е. без примесей) с температурой. Чувствительный элемент термометра представляет собой резистор, который сделан из пленки или металлической проволоки, и обладающий зависимостью электрического сопротивления от температуры. Проволока намотана на жесткий каркас, сделанный из кварца, слюды или фарфора, и заключена в защитную металлическую (стеклянную, кварцевую) оболочку. Наиболее популярны термосопротивления из платины. Платина устойчива к окислению, высокотехнологична, имеет высокий температурный коэффициент. Иногда используются термометры из меди или никеля. Темометры сопротивления обычно используют для замера температур в диапазоне от минус 263 С до плюс 1000 С. У медных термометров сопротивления диапазон значительно меньше – всего лишь от минус 50 до плюс 180 С. Основное требование к конструкции термометра – она должна быть достаточно чувствительной и стабильной, т.е. достаточной для необходимой точности замеров в указанном диапазоне температур при соответствующих условиях использования. Условия использования могут быть как благоприятными, так и неблагоприятными – агрессивные среды, вибрации и т.д. Обычно термометры сопротивления работают в совокупности с потенциометрами (резистивный элемент, величина сопротивления которого меняется механически; прибор для измерения ЭДС, напряжений компенсационным методом), логометрами (прибор, предназначенный для измерения отношения двух электрических величин), мостами измерительными. От точности этих приборов в значительной степени зависит и точность измерений самого термометра сопротивления (термосопротивления). Термометры сопротивления могут быть различными: поверхностными, ввинчивающимися, вставными, с байонетным соединением или присоединительными проводами. Термосопротивления могут использоваться для измерения температуры в жидких и газообразных средах, в климатической, холодильной и нагревательной технике, печестроении, машиностроении и т.д.

Термопары.

Термопара - термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах. Принцип его действия основан на том, что нагревание или охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими или физическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоэдс). Термопара состоит из двух металлов, сваренных на одном конце. Эта часть ее помещается в месте замера температуры. Два свободных конца подключаются к измерительной схеме (милливольтметру). Наиболее распространены термопары платино-платинородиевые (ПП), хромель-алюминиевые (ХА), хромель-копелевые (ХК) (копель – медно-никелевый сплав ~ 43% Ni и ~ 0,5 % Mn), железоконстантовые (ЖК).

Термопары используются в самых различных диапазонах температур. Так, термопара из золота, легированного железом (2-й термоэлектрод - медь или хромель), перекрывает диапазон 4-270 К, медь - константан 70-800 К (константан – термостабильный сплав на основе Cu (59%) с добавкой Ni (39-41%) и Mn (1-2%)), хромель - копель 220-900 К, хромель - алюмель 220-1400 К, платинородий - платина 250-1900 К, вольфрам - рений 300-2800 К. Эдс термопар из металлических проводников обычно лежит в пределах 5-60 мВ. Точность определения температуры с их помощью составляет, как правило, несколько К, а у некоторых термопар достигает ~0,01 К. Эдс Термопара из полупроводников может быть на порядок выше, но такие термопары отличаются существенной нестабильностью.

Термопары применяют в устройствах для измерения температуры и в различных автоматизированных системах управления и контроля. В сочетании с электроизмерительным прибором (милливольтметром, потенциометром) термопара образует термоэлектрический термометр.

Измерительный прибор подключают либо к концам термоэлектродов (контакты (обычно - спаи) проводящих элементов, образующих термопару)(рис. , а), либо в разрыв одного из них (рис. , б). При измерении температуры один из спаев осязательно термостатируется (обычно при 273 К). В зависимости от конструкции и назначения различают термопары: погруженные и поверхностные; с обыкновенной, взрывобезопасной, влагонепроницаемой или иной оболочкой (герметичной или негерметичной), а также без оболочки; обыкновенные, вибротряскоустойчивые и ударопрочные; стационарные и переносные и т. д.

С поднятием температурного потолка встает проблема измерения высоких температур. Для точных измерений необходима тщательная стандартизация измерительных приборов, обеспечивающая оценку точности результатов и их сопоставляемость с данными других авторов. Для стандартизации используют точки плавления (замерзания), кипения и тройные точки определенных "эталонных" веществ. Первичные эталонные точки определены в Международной практической шкале температур 1968 г. (IРТS–68).

Для очень высоких температур (превышающих 3000 К) применяются различные сплавы вольфрама. Наиболее часто используется пара вольфрам с добавкой 3% рения – вольфрам с добавкой 25% рения с термоЭДС, близкой к 40 мВ при предельной температуре 2573 K. Комбинация молибден–тантал обеспечивает предельную температуру порядка 2800 К, а термопара вольфрам–вольфрам с добавкой 50% молибдена работоспособна до 3300 К, но имеет очень малую термоЭДС (8.24 мВ при 3273 K). Все эти термопары могут работать только в водороде, в чистых инертных газах или в вакууме.

Лекция 3.

Оптические пирометры.

При очень высоких температурах измерения оптическими пирометрами являются наиболее надежным, а часто и единственно возможным, методом. Данный метод применим и при температурах менее 1200 К, но основной областью его использования является измерение температур, превышающих это значение. Преимуществами пирометра являются измерения без физического контакта с объектом и с большой скоростью, недостатками – проблемы, связанные с излучением: образец должен быть или черным телом (коэффициент излучения равен 1), или находиться в тепловом равновесии с черным телом либо должен быть известен коэффициент излучения образца.

Пирометрия требует измерения потока излучения, что осуществимо или визуальным сравнением неизвестного потока с потоком от лампы с известными характеристиками (визуальные или субъективные пирометры), или использованием для этой цели физического приемника (фотоэлектрические или объективные пирометры).

С учетом законов излучения, пирометры можно разделить на следующие типы:

1. Спектральные пирометры, работающие в настолько узкой полосе спектра, что эффективная длина волны почти не зависит от температуры. Зная спектральную излучательную способность, можно вычислить истинную температуру. Поскольку измеренная радиация соответствует закону Планка, эти пирометры можно градуировать в одной фиксированной точке.

Рис. 1. Визуальный яркостный пирометр,

1 – источник излучения

2 – оптическая система, объектив пирометра

3 – эталонная лампа накаливания

4 – фильтр с узкой полосой пропускания

5 – окуляр

6 – реостат, регулирующий ток накала

7 – измерительный прибор

Примером является яркостный пирометр, обеспечивающий наибольшую точность измерений температуры в диапазоне 103-104 К. В простейшем визуальном яркостном пирометре с исчезающей нитью объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) эталонной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр, позволяющий выделять узкую спектральную область около длины волны λэ= 0,65 мкм (эффективная длина волны), нить рассматривают на фоне изображения тела и, изменяя ток накала нити, добиваются выравнивания яркостей нити и тела (нить в этот момент становится неразличимой). Шкала прибора, регистрирующего ток накала, прокалибрована обычно в °С или К, и в момент выравнивания яркостей прибор показывает так называемую яркостную температуру (Tb ) тела. Истинная температура тела Т определяется на основе законов теплового излучения Кирхгофа и Планка по формуле:

Т = T b C 2 / (C 2 + λ эIn α λ ,T), (1)

где C 2= 0,014388 м ×К, α λ , T - коэффициент поглощения тела, λ э- эффективная длина волны пирометра. Точность результата в первую очередь зависит от строгости выполнения условий измерений (α λ , T , λ эи др.). В связи с этим наблюдаемой поверхности придают форму полости. Основная инструментальная погрешность обусловлена нестабильностью температурной лампы. Заметную погрешность могут вносить также индивидуальные особенности глаза наблюдателя.

2. Наиболее чувствительны (но и наименее точны) радиационные пирометры или пирометры суммарного излучения, регистрирующие полное излучение тела. Пирометры тотальной радиации охватывают весь эффективный спектральный диапазон, излучаемый образцом, независимо от длины волны. Замеренная радиация подчиняется закону Стефана–Больцмана [закон излучения абсолютно черного тела: мощность излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвертой степени температуры тела P=ST 4 ] и истинная температура может быть вычислена по общему коэффициенту излучения образца. Объектив радиационных пирометров фокусирует наблюдаемое излучение на приёмник (обычно термостолбик или болометр), сигнал которого регистрируется прибором, прокалиброванным по излучению абсолютно чёрного тела и показывающим радиационную температуру Tr . Истинная температура определяется по формуле:

Т=α т -1/4 *Т r , (2)

где α Т - полный коэффициент поглощения тела. Радиационными пирометрами можно измерять температуру, начиная с 200°С. В промышленности пирометры широко применяют в системах контроля и управления температурными режимами разнообразных технологических процессов.

3. Пирометры спектральной полосы, работающие в более широкой полосе спектра. Они имеют сильно зависящую от температуры эффективную длину волны. Поправки на температуру возможны только численной интеграцией экспериментальной кривой спектрального коэффициента излучения.

4. Двухцветные (цвет или соотношение) пирометры. Это пирометры спектра или спектральной полосы, использующие для определения температуры соотношение замеренной радиации в двух различных полосах спектра. При узких спектральных полосах температурные поправки могут быть вычислены по отношению спектральных коэффициентов излучения для двух эффективных длин волн. Этими пирометрами определяют отношение яркостей обычно в синей и красной областях спектра b 1(λ1, T)/b 2(λ2, T ) (например, для длин волн λ1= 0,48 мкм и λ2= 0,60 мкм ). Шкала прибора прокалибрована в °С и показывает цветовую температуру Tc. Истинная температура Т тела определяется по формуле

(3)

Цветовые пирометры менее точны, менее чувствительны и более сложны, чем яркостные; применяются в том же диапазоне температур.

Чувствительность цветных пирометров в диапазоне от 1300 до 4000 К составляет от 2 до 10 К. Если имеется сильное поглощение излучаемой радиации, цветные пирометры превосходят пирометры всех иных типов. Однако предположение о равных коэффициентах излучения для двух различных длин волн очень часто не соответствует действительности.

При оптимальных условиях эксперимента точность, обеспечиваемая стандартным пирометром, равна 0.04 К при 1230 К и 2 К при 3800 K. Очевидно, что достижение такой точности при обычных исследованиях невозможно. Верхний предел измерения пирометров может быть поднят использованием нейтральных фильтров. В литературе описан прецизионный прибор, допускающий измерения при температурах до 10 000 K.

Для сравнения потоков излучения от образца и от лампы вместо человеческого глаза может быть использован физический приемник (датчик). Это повышает быстродействие и точность измерений, а также расширяет их диапазон в направлении более низких температур благодаря чувствительности датчика к инфракрасному излучению.

Очень точным спектральным пирометром является прибор, основанный на принципе подсчета фотонов. Он обеспечивает измерения в диапазоне от 1400 до 2200 К с точностью, соответственно, от 0.5 до 1.0 K, согласно требованиям IPTS–68. В большинстве пирометров поток неизвестного (измеряемого) излучения сопоставляется с потоком излучения лампы и точность измерения зависит от характеристик лампы, причем главным источником погрешностей является смещение ее параметров излучения. В пирометре с подсчетом фотонов поток излучения образца измеряется непосредственно и для калибровки необходимы только одна фиксированная точка (температура плавления золота) и регулируемый, но не калиброванный источник излучения.

Существует также ряд нетрадиционных методов измерения, которые используются, когда применение обычных методов невозможно или погрешности слишком велики. Это использование температурной зависимости уширения линий в излучателе и в поглотителе (верхний предел температуры всего 1300 К). Это и шумовой термометр, основанный на зависимости напряжения шума электрического сопротивления от температуры (практический предел 1800 K). Термометры такого типа успешно применяются при измерениях криогенных температур. Точность измерения составляет 1 К а наилучший результат в диапазоне от 300 до 1300 К равен даже ±0.1 К. Это также акустические или ультразвуковые термометры, использующие зависимость скорости звука от температуры.

Интересный косвенный способ измерения температур основан на определении кривой нагрева соответствующего термометра за определенное время без необходимости достижения конечной равновесной температуры, которая может быть недопустимой для данного термометра.

Газовый термометр

Газовый термометр – прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объема идеального газа от температуры. Чаще всего применяют газовый термометр постоянного объема, в котором изменение температуры газа в баллоне пропорционально изменению давления. Температурная шкала газового термометра совпадает с термодинамической температурной шкалой. Газовый термометр применяют для измерения температур в пределах до 1300 К (Кельвина).

Из книги Все обо всем. Том 1 автора Ликум Аркадий

Кто изобрел термометр? Задавались ли вы когда-нибудь вопросом: «Интересно, насколько это горячо?» Или: «Интересно, насколько это холодно?» Если вы интересуетесь теплотой, то представите себе круг вопросов, связанных с этим явлением, которые хотят прояснить ученые! Но

Из книги Большая Советская Энциклопедия (БЕ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ГА) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ВО) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (МЕ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ТЕ) автора БСЭ

Из книги Все обо всем. Том 4 автора Ликум Аркадий

Из книги Большая энциклопедия техники автора Коллектив авторов

Из книги Кто есть кто в мире открытий и изобретений автора Ситников Виталий Павлович

Из книги автора

Из книги автора

Из книги автора

Бывает ли термометр без ртути? Мы настолько привыкли к тому, что термометры состоят из тоненькой трубки, заполненной ртутью, что редко задумываемся о том, зачем нужна эта ртуть в этой трубке, то есть как этот прибор работает. Термометр, или градусник, - это просто прибор

Из книги автора

Жидкостный термометр Жидкостный термометр – простейший прибор, применяемый весьма широко практически во всех отраслях хозяйственного комплекса России, в медицинских учреждениях, в быту для измерений температуры воздуха в помещениях (в том числе в производственных,

Из книги автора

Ртутный термометр Ртутный термометр – прибор, представляющий собой жидкостный термометр, предназначенный для измерения температуры в диапазоне 35-750 °C.Для высокотемпературных ртутных термометров характерно заполнение пространства над ртутью азотом под давлением,

Из книги автора

Термометр сопротивления Термометры сопротивления производятся из чистых металлов и из металлов полупроводникового ряда. Термометры сопротивления разработаны для измерений, сформированных на характеристиках проводников и полупроводников, показывающих возможность

Из книги автора

Кто изобрел термометр? Задавались ли вы когда-нибудь вопросом: «Интересно, насколько это горячо?» Или: «Интересно, насколько это холодно?» Если вы интересуетесь теплотой, то представьте себе круг вопросов, связанных с этим явлением, которые хотят прояснить ученые! Но

Уравнение состояния идеального газа

позволяет в качестве термометрической величины взять либо p , либо V , которые могут измеряться с большой точностью.

Как показывает эксперимент, достаточно разреженные газы очень близки к идеальному. Поэтому их можно непосредственно взять в качестве термометрического тела.

Таким путём приходят к идеально-газовой шкале температур. Идеально-газовая температура – это температура, отсчитываемая по газовому термометру, наполненному разреженным газом. Преимущество идеально-газовой шкалы температур перед всеми прочими эмпирическими температурными шкалами состоит в том, что, как показывает опыт, температура Т , определённая по формуле (4), очень слабо зависит от химической природы газа, которым наполнен резервуар газового термометра. Показания различных газовых термометров при измерении температуры одного и того же тела очень мало отличаются друг от друга.

На практике газовый термометр обычно реализуют следующим образом: объём газа V поддерживается постоянным, тогда индикатором температуры служит измеряемое давление p .

Закон Шарля для реперных точек в этом случае будет иметь вид:

где p 1 – давление некоторой массы газа, близкого к идеальному, при температуре таяния льда Т 1 ; р 2 – давление при температуре кипения воды Т 2 .

Градус температуры, по определению, можно выбрать таким, чтобы разница между указанными температурами была равна 100, т.е.

Опытным путём установлено, что давление р 2 в 1,3661 раза больше, чем р 1 . Следовательно, для вычисления Т 2 и Т 1 имеем два уравнения: К и . Решение их даёт Т 1 =273,15 К; Т 2 =373,15 К.

Для определения температуры какого-либо тела его приводят в контакт с газовым термометром и после установления теплового равновесия измеряют давление р газа в термометре. При этом температура тела определится по формуле

Отсюда следует, что при Т =0 р =0. Температуру, соответствующую нулевому давлению идеального газа, назвали абсолютным нулём, а температуру, отсчитываемую от абсолютного нуля, – абсолютной температурой. Здесь понятие абсолютного нуля температуры введено на основе экстраполяции. В реальности по мере приближения к абсолютному нулю наблюдаются всё более и более заметные отступления от законов идеальных газов, газы начинают конденсироваться. Строгое доказательство существования абсолютного нуля температуры основано на втором начале термодинамики.

Шкала Кельвина

(абсолютная термодинамическая шкала температур)

В СИ условились шкалу температур определять по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды. В так называемой абсолютной термодинамической шкале температур или шкале Кельвина принимается по определению, что температура этой точки равна точно 273,16 К.

Такой выбор численного значения сделан для того, чтобы промежуток между нормальными точками плавления льда и кипения воды с максимально возможной точностью составлял 100 К, если пользоваться газовым термометром с идеальным газом. Тем самым устанавливается преемственность шкалы Кельвина с ранее применявшейся шкалой с двумя реперными точками. Измерения показали, что температуры нормальных точек плавления льда и кипения воды в описанной шкале равны приближённо 273,15 и 373,15 К соответственно.

Определённая таким образом шкала температур не зависит от индивидуальных свойств термометрического вещества.

Абсолютная термодинамическая температура Т , отсчитываемая по этой шкале, есть мера интенсивности хаотического движения молекул и является монотонной функцией внутренней энергии. Для идеального газа непосредственно связана с внутренней энергией ().

Название «термодинамическая» она получила потому, что совершенно независимо может быть выведена из чисто термодинамических расчётов на основе второго начала термодинамики.

Абсолютная термодинамическая шкала является основной температурной шкалой в физике. В области температур, где пригоден газовый термометр, эта шкала практически не отличается от идеально-газовой шкалы температур.

Температура по шкале Цельсия (t , ) связана с Т (в К) равенством

Причём К.

Виды термометров

Температура не может быть измерена непосредственно. Поэтому действие термометров основано на различных физических явлениях, зависящих от температуры: на тепловом расширении жидкостей, газов и твёрдых тел, изменении с температурой давления газа или насыщенных паров, электрического сопротивления, термо-э.д.с., магнитной восприимчивости и др.

Основными узлами всех приборов для измерения температуры являются чувствительный элемент, где реализуется термометрическое свойство, и связанный с ним измерительный прибор (манометр, потенциометр, измерительный мост, милливольтметр и т.д.).

Эталоном современной термометрии является газовый термометр постоянного объёма (термометрической величиной является давление). С помощью газовых термометров температуру измеряют в широком интервале: от 4 до 1000 К. Газовые термометры используются обычно как первичные приборы, по которым градуируют вторичные термометры, применяемые непосредственно в экспериментах.

Из вторичных термометров наибольшее распространение получили жидкостные термометры, термометры сопротивления и термоэлементы (термопары).

В жидкостных термометрах термометрическим телом, как правило, является ртуть или этиловый спирт. Обычно жидкостные термометры применяются в диапазоне температур от 125 до 900 К. Нижняя граница измеряемых температур определяется свойствами жидкости, верхняя – свойствами стекла капилляра.

В термометрах сопротивления термометрическим телом является металл или полупроводник, сопротивление которого изменяется с температурой. Изменение сопротивления с температурой измеряют при помощи мостовых схем (см. рис.). Термометры сопротивления из металлов применяются в интервале температур от 70 до 1300 К, из полупроводников (термисторы) – в интервале от 150 до 400 К, а углеродные – до температур жидкого гелия.

Широкое распространение в температурных измерениях получили термометры на основе термопар. Термометрическим телом здесь служат два спая разнородных металлов. Если два проводника соединить по схеме (см. рис.), то вольтметр в цепи будет регистрировать напряжение, значе-

ние которого пропорционально разности температур спаев 1 и 2. Если температуру одного из спаев поддерживать постоянной, то показания вольтметра будут зависеть только от температуры второго спая. Такие термометры особенно удобно применять в области высоких температур – порядка 700-2300 К.

При очень высокой температуре материалы плавятся и описанные виды термометров неприменимы. В этом случае в качестве термометрического тела берётся само тело, температуру которого необходимо измерить, а в качестве термометрической величины – излучаемая телом электромагнитная энергия. По известным законам излучения делают заключение о температуре тела. Международный комитет мер и весов установил термодинамическую шкалу при температуре выше 1064 именно на основе законов излучения. Приборы, с помощью которых измеряется энергия излучения, называются пирометрами.

При очень низкой температуре (»1К) также не удается применять обычные методы измерения температур, поскольку выравнивание температур при контакте происходит очень медленно и, кроме того, обычные термометрические величины становятся непригодными (например, давление газа становится весьма малым, сопротивление практически не зависит от температуры). В этих условиях также в качестве термометрического тела берётся само тело, а в качестве термометрической величины – характеристики его свойств, например, магнитных.