Приборы для измерения температуры

Температура является одним из термодинамических параметров состояния рабочего тела. Понятие температуры является статистическим и применимо к большому количеству молекул, тогда как кинетическая энергия одиночной молекулы может значительно отличаться от средней величины.

Для измерения температуры применяются косвенные методы, использующие зависимость различных характеристик тел, поддающихся измерению, от температуры. Шкала такой эмпирической температуры может быть выбрана, в общем, произвольно. Наибольшее распространение получила шкала Цельсия. Опорными (реперными) точками для нее служат температуры таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а температурный интервал между ними поделен на 100 единиц, называемых градусами.

В то же время очевидно наличие естественной точки отсчета температуры - состояния, при котором движение молекул отсутствует. Такая точка называется абсолютным нулем и температура практически не может быть достигнута, однако реализовать температурную шкалу с использованием абсолютного нуля, как реперной точки, возможно. Наиболее распространенная из таких шкал именуется шкалой Кельвина и принята для измерения температур в системе СИ.

Второй опорной точкой для шкалы Кельвина является температура тройной точки воды - состояния, при котором все три агрегатных состояния воды могут находиться в равновесии. В шкале Цельсия эта температура равна 0,01°С. В шкале Кельвина ей присвоено значение 273,16 К. Величина разности температур двух тел или двух состояний в обеих шкалах имеет одинаковое численное значение.

Жидкостный термометр. Измерение температуры жидкостным термометром основано на измерении зависимости объема жидкости от температуры. При нагреве объем тел увеличивается. Если поместить жидкость в сосуд с присоединенной к нему тонкой трубкой, то при увеличении объема жидкости ее излишек будет выдавливаться в трубку, и по длине столбика можно сделать заключение о величине температуры. Достоинством таких термометров является наглядность и простота измерения, однако это достоинство едва ли не единственное. Недостатков гораздо больше.

Это, прежде всего механическая хрупкость; невозможность автоматизировать процесс измерения и обработки результатов. При измерениях в среде с высоким давлением искажается форма резервуара с жидкостью, что вносит погрешность в результат. Со временем в стекле происходят структурные изменения (перекристаллизация), в результате форма резервуара также искажается. Для устранения этой погрешности термометры периодически тарируют заново, сравнивая его показания с какой-либо заведомо известной температурой (хотя бы кипения воды при атмосферном давлении) и вводя в его показания соответствующую поправку. В качестве рабочих жидкостей используются ртуть, спирт, толуол и другие.

Электроконтактный термометр. В основу его положен обычный ртутный термометр, но в капилляр пропущен сверху металлический волосок, положение которого может регулироваться. Электропроводимость ртути позволяет создать простой и надежный регулятор температуры для сигнализации и поддержания постоянной температуры какой-либо среды. В резервуар с ртутью через его стенку введен провод, который, как и волосок, включен в цепь сигнализатора или реле. При нагреве среды ртуть поднимается по капилляру, и при касании волоска замыкается электрическая цепь. При этом может подаваться сигнал, или же реле отключит нагреватель. При остывании среды контакт размыкается, и нагреватель включается снова, так что уровень температуры поддерживается приблизительно постоянным.

Термометр сопротивления. Электрическое сопротивление многих металлов зависит от температуры. Это делает возможным измерение температуры через измерение сопротивления. Термометр сопротивления представляет собой тонкую проволочку, намотанную на слюдяной или керамический каркас. Материалом для термометра служит медь или платина, реже применяются другие материалы. Чувствительный элемент помещается в кварцевую трубку, а затем - в металлический кожух для защиты от воздействия окружающей среды.   Сопротивление измеряется при помощи электрического моста или логометра.

Достоинством термометра сопротивления является высокая точность измерений, возможность подключения нескольких датчиков к одному измерительному прибору, автоматизации процесса обработки данных. Немаловажен и тот факт, что при работе с термометром сопротивления нет надобности вводить какие-либо поправки.

К недостаткам следует отнести значительную инерционность, т.к. чувствительный элемент имеет относительно большие габариты. Габариты чувствительного элемента не позволяют также измерить температуру малого объекта.

Термопара. Если соединить два проводника, имеющих различную концентрацию свободных электронов, электроны будут диффундировать в тот проводник, где эта концентрация меньше. Из-за этого возникает контактная разность потенциалов, противодействующая диффузии и тормозящая ее. В пределе устанавливается равновесие, причем равновесная контактная разность потенциалов зависит от температуры места контакта. Если замкнуть проводники в цепь (рис.1), то в местах спаев контактные разности потенциалов противоположны по знаку, а при равной температуре спаев равны по абсолютной величине и полностью уравновешивают друг друга.

Если температуры спаев не равны, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила. Если один спай («холодный») поместить в тающий лед при температуре 0°С, то разность температур - это просто температура другого спая («горячего» или рабочего) по шкале Цельсия. Для измерения термоЭДС в цепь термопары последовательно включается измерительный прибор - потенциометр или цифровой милливольтметр. Для того чтобы контакты материала термопары и материала прибора не создавали в цепи дополнительную термоЭДС, в точках включения прибора должна быть одинаковая температура.

 

Термопары широко применяются в технике и научных исследованиях, что объясняется их достоинствами, среди которых: высокая точность; широкий диапазон измерений; легкость автоматизации обработки результатов; возможность подключения многих термопар к одному измерительному прибору с одним холодным спаем; малые габариты чувствительного элемента, каковым фактически является горячий спай - это позволяет измерять температуру малых объектов и даже отдельных точек тела, а также проводить измерения быстро изменяющихся температур,возможность дистанционного измерения температур.

Измерение температуры проводится в следующей последовательности:

1. Измеряется термоЭДС.

2. По градуировочной характеристике определяется значение термоЭДС, соответствующее температуре холодного спая.

3. Оба значения термоЭДС складываются.

4. По величине суммарной термоЭДС с помощью градуировочной характеристики определяется температура рабочего спая.

В качестве материала для термопар используются медь, платина, платинородий, различные сплавы с примесью никеля: хромель (никель с хромом), копель (никель с медью), алюмель (никель с алюминием).