Прилади для вимірювання температури

Розглянемо прилади для вимірювання температури, в основі яких лежить теплове розширення газів (газовий термометр), рідин (рідинний термометр) або твердих тіл (біметалевий термометр).

Газовий термометр, дія якого ґрунтується на залежності тиску (при сталому об'ємі) від температури згідно з законом ідеального газу. Залежність тиску від температури – лінійна.

Газовий термометр (рис. 2.5) використовується як первинний термометричний прилад для визначення фіксованих точок МТШ. Інтервал температур, що вимірюється газовим термометром, становить 2...300 К.

Газові термометри досить складні в експлуатації через необхідність враховувати не ідеальність газу, зміну об’єму з температурою, наявність у газі домішок, взаємодію газу зі стінками балона, залежність показань приладу від початкового та атмосферного тисків. Прилади такого типу використовуються рідко.

 

 

Рідинний термометр - прилад для вимірювання температури, заснований на тепловому розширенні рідини.

Рідина в термометрі підіймається завдяки тому, що коефіцієнти об’ємного розширення рідини та скла значно відрізняються.

Рідинний термометр складається з тонкостінного скляного резервуара, сполученого з скляним капіляром; для вимірювання температури термометр обладнаний шкалою. Частина простору в капілярі, не зайнята рідиною, заповнена сухим інертним газом, що запобігає розриву рідини. Зовнішній вигляд рідинного термометра зображено на рис. 2.6.

 

 

Процес вимірювання температури полягає в зануренні термометра у рідину. Це занурення може бути частковим, повним або абсолютним (рис. 2.7). Більшість термометрів використовуються у режимі повного занурення, коли одна частина термометра знаходиться в рідині, а інша - в повітрі.

 

 

Робочою рідиною в термометрах такого типу є ртуть, спирт або толуен. Ртуть використовують найчастіше, оскільки вона існує у чистій формі, не погіршується з часом і не взаємодіє зі склом. Діапазон температур, в межах якого можливе застосування ртуті, становить від мінус 38,8 до +356,9оС. При вимірюванні низьких температур перевагу мають спирт (мінус 117,3...+78,5оС), або толуен (мінус 95,1...+110,5оС). Проте останні речовини не такі стійкі, як ртуть, і можуть повільно розкладатися на сонці.

Біметалевий термометр ґрунтується на тепловому розширенні твердих тіл, зокрема на деформації біметалевої пластини (наприклад, інвар і сталь) під впливом температури. Оскільки метали мають різні значення коефіцієнтів об’ємного розширення, пластина при зміні температури деформується.

Термометри опору - прилади, принцип дії яких ґрунтується на властивості матеріалів змінювати електричний опір під впливом температури. Провідники в таких вимірюваннях називаються терморезисторами, а напівпровідники - термісторами.

Термоелектричні термометри використовують термоелектричні явища, що виявляються у взаємозв’язку теплових та електричних процесів у твердих тілах. Одним з таких термоелектричних явищ є ефект Зеєбека -виникнення електрорушійної сили (ЕРС) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру (рис. 2.8.).

Оптична пірометрія ґрунтується на використанні залежності випромінювальної здатності розжареного тіла від температури. Отже, визначити температуру будь-якого тіла можна шляхом порівняння інтенсивності його випромінювання на певній довжині хвилі з інтенсивністю стандартного випромінювання.

Оптичний пірометр складається з джерела випромінювання та оптичної системи, до якої входить мікроскоп, калібрована лампа та фільтр з вузькою смугою пропускання. Принцип дії оптичного пірометра зображено на рис. 2.9., а конструкцію - на рис. 2.10.

 

Процедура вимірювання температури передбачає порівняння яскравості тіла, що досліджується, та каліброваної лампи. Вимірювання проводять на довжині хвилі 655 нм. За допомогою регулювання струму, що проходить через нитку розжарювання лампи, зрівноважують яскравості тіла та лампи.

Оскільки для не абсолютно чорних тіл температура, що реєструється оптичним пірометром, завжди менша, ніж справжня температура, необхідно вводити поправки.

 

Радіотермометри використовуються для вимірювання температури природних поверхонь.

Отже, вимірювання енергетичної яскравості природної поверхні дає змогу оцінити її температуру. На практиці вимірюють енергетичну яскравість у смузі довжин хвиль в інтервалі 8...13 мкм, де спостерігається вікно прозорості атмосфери і випромінювальна здатність тіл максимальна. Через це температура атмосфери не впливає на результати вимірювань температури поверхні, а випромінювання Сонця цілком поглинається атмосферою і також не заважає вимірюванням. Радіометри складаються з оптичної системи (лінзи, дзеркала, фільтри), що фокусує потік випромінювання певної довжини хвилі на детектор - термістор або термобатарею.

Кварцовий п’єзоелектричний термометр - це цифровий прилад, в основі дії якого лежить вимірювання резонансної частоти п’єзокристалу. Кожний кристал має свою власну резонансну частоту, що залежить від температури. Прилади такого типу характеризуються високою чутливістю та роздільною здатністю (10-4 оС). Діапазон температур, що вимірюються, становить від мінус 40 до +230оС. До недоліків можна віднести складність електронної системи та високу вартість приладів.

 

 

Вимірювання температури

 

Вимірювання температури повітря

Для вимірювання температури повітря необхідно забезпечити стан рівноваги між детектором і повітрям.

Різниця між температурою, що показує термометр, та температурою повітря є похибкою вимірювання.

Зменшити цю різницю можна практично за допомогою екрану, який не заважає циркуляції повітря поблизу сенсора, але запобігає проникненню прямого та розсіяного випромінювання до сенсора. Крім того, можна збільшити величину коефіцієнта С за вимушеної конвекції, тобто вентиляції.