Классификация средств измерения температуры

Температура вещества характеризует степень нагретости тела.

Температуру можно измерить косвенно по термометрическому свой-

ству, изменяющемуся с изменением температуры монотонно и одно-

значно. При изменении температуры твердого тела изменяются его

линейные размеры, плотность, твердость, модуль упругости, электро-

проводность, теплопроводность, теплоемкость и ряд других свойств.

Свойства газов, жидких тел (фазовые состояния, плотность, объем,

вязкость и др.) также являются функцией температуры вещества.

Температура вещества — это непрерывная физическая величина,

для ее измерения необходима шкала, на основе которой можно уста-

новить единицу измерения температуры — «градус». Для построения

температурной шкалы выбирают опорные (реперные) точки 9, харак-

теризующиеся неизменностью и воспроизводимостью температуры

вещества при определенных физических условиях. Такими опорными

точками обычно выбираются температуры кипения или затвердева-

ния чистых веществ; им присваиваются определенные числовые

значения Ɵ₁ и Ɵ2. Тогда единица измерения температуры — градус —

определится как

где n — целое число, на которое разбивается температурный интервал

между опорными точками.

Такие температурные шкалы, построенные на основе термо-

метрических свойств веществ, появились в первой половине XVIII в.

Первым такую шкалу предложил Фаренгейт в 1723 г. В качестве

термометрического вещества он использовал спирт, а в качестве

нижней реперной точки взял температуру смеси снега с хлоридом

аммония и присвоил ей численное значение 0. Температуру своего

тела Фаренгейт принял за 100 градусов, а за верхнюю реперную точ-

ку — температуру кипения воды, присвоив ей численное значение

212. Температура таяния льда в этом случае оказалась равной 32. Весь

температурный диапазон между таянием льда и кипением воды Фа-

ренгейт разделил на 180 равных частей и получил масштаб шкалы в °F.

В настоящее время эта шкала используется в США, Англии, Канаде,

Индии. В 1736 г. свою шкалу предложил Реомюр. В качестве термо-

метрического вещества он использовал спирт, затем ртуть. За нижнюю

реперную точку Реомюр принял температуру плавления льда и при-

своил ей численное значение 0, а за верхнюю реперную точку —

температуру кипения воды, присвоив ей численное значение 80. Весь

температурный диапазон он разделил на 80 равных частей и получил

масштаб шкалы в °R. Сейчас эта шкала практически не используется,

хотя термометры с этой шкалой сохранились во Франции и в Квебе-

ке (Канада). С 1742 г. начала применяться привычная нам темпера-

турная шкала, предложенная Цельсием, в которой в качестве двух

реперных точек приняты температура таяния льда (0 °С) и темпера-

тура кипения воды (100 °С) при давлении 760 мм рт. ст. и ускорении

силы тяжести 9,80665 м/с2. Удобство этой шкалы, а также ее практи-

чески полное совпадение с Международной практической темпера-

турной шкалой МТШ-90 (в ней нижней реперной точкой является

тройная точка воды — точка равновесия воды в твердой, жидкой и

газообразной фазах, которая лежит выше точки таяния льда на 0,01 °С)

обусловило широкое использование шкалы Цельсия в СИ темпера-

туры.

Перевод °С в Т и в °R можно сделать по формуле

Цельсий, как и другие исследователи, полагал, что зависимость

между изменением температуры и объемным расширением жидкости

линейная. Однако в природе не существует жидкостей с линейной

зависимостью между объемным расширением и температурой. Поэ-

тому показания термометров совпадают только в реперных точках.

Рассмотренные температурные шкалы относятся к шкале ин-

тервалов (см. гл. 1), в которых начало отсчета выбирают ученые

по своему усмотрению. Кроме того, для установления шкалы тре-

буется две реперные точки. В гл. 1 была рассмотрена шкала от-

ношений, которая может быть установлена на основе одной ре-

перной точки. Ее построение возможно для физических величин,

которые имеют естественное (абсолютное) начало отсчета, т.е.

«0». В 1848 г. английский ученый Томсон (его псевдоним лорд

Кельвин) предложил температурную шкалу, в которой температу-

ра отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствую-

щее минимальной теоретически возможной внутренней энергии

тела). Шкала получила название абсолютной термодинамической

шкалы, основной единицей которой является кельвин. Градус

Кельвина определяется как 1/273,16 части температуры тройной

точки воды (температурой равновесия между жидкой, твердой

водой и ее паром). Для воспроизведения кельвина интервал меж-

ду абсолютным нулем и температурой тройной точки воды делит-

ся на 273,16 части.

В абсолютной термодинамической шкале температура Кельвина

Т{К) через температуру в градусах Цельсия, Фаренгейта и Реомюра

выразится как

По размеру кельвин равен градусу Цельсия.

В настоящее время используются следующие СИ температуры: тер-

мометры расширения, манометрические термометры, пирометры,

термопары (термоэлектрические преобразователи) и термометры со-

противления. Первые три вида термометров можно отнести к приборам,

а последние два — к преобразователям. Действие термометров расши-

рения основано на тепловом расширении жидкостей и твердых тел при

изменении температуры. В качестве примера можно привести ртутный

стеклянный термометр. Пирометры являются бесконтактными при-

борами и определяют температуру тел по их тепловому излучению.

Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров (МТ) основан на

зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкну-

том объеме (термосистеме) от температуры. В соответствии с агрегатным

состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термо-

метры подразделяют на газовые, жидкостные и конденсационные (па-

рожидкостные). По устройству термометры всех типов аналогичны.

Термосистема манометрического термометра (МТ) (рис. 3.1) состо-

ит из термобаллона 7, капилляра 2 и пружинного манометра 3. Чув-

ствительный элемент термометра (термобаллон) погружается в объект

измерения, и термометрическое вещество в термобаллоне достигает

температуры измеряемой среды. При изменении температуры рабоче-

го вещества в термобаллоне изменяется давление, которое через капил-

лярную трубку передается на пружинный манометр, шкала которого

отградуирована в градусах Цельсия. Термобаллон представляет собой

цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких

к химическому воздействию измеряемой среды. Диаметр термобаллона

находится в пределах от 5 до 30 мм, а его длина — 60... 500 мм. Капилляр

представляет собой медную или стальную трубку с внутренним диаме-

тром 0,1... 0,5 мм. Выпускаются также термометры с унифицированны-

ми пневматическими и электрическими выходными сигналами.

Газовые манометрические термометры заполняют газом, химиче-

ски инертным, с малой теплоемкостью, который легко получить в

чистом виде. Таким газом является азот или гелий. Принцип работы

этих термометров основан на использовании закона Гей-Люссака:

где Р() и Р0 — давление газа при температурах 0 и 0 °С; β — термиче-

ский коэффициент давления газа, равный 1/273,15, или 0,00366 К-1.

Диапазон измерения от -150 до +600°С. Начальное давление в

газовых термометрах устанавливают в зависимости от пределов из-

мерения 0,98...4,7 МПа (10...50 кгс/см2). Это начальное давление

создается для увеличения чувствительности термометра и уменьшения

барометрической погрешности, возникающей при изменении давле-

ния окружающей среды. Для компенсации погрешностей от колеба-

ний температуры окружающей среды обычно применяется компен-

сационное устройство, представляющее собой биметаллическую

пружину, связанную с указателем прибора и действующую в направ-

лении, противоположном действию манометрической пружины.

Недостатком газовых манометрических термометров является

сравнительно большая тепловая инерция, обусловленная низким

коэффициентом теплообмена между стенками термобаллона и на-

полняющим его газом и малой теплопроводностью газа, а также

большие размеры термобаллона, что затрудняет установку его на

трубопроводах малого диаметра. Кроме того, в процессе эксплуатации

газовых термометров возможны случаи нарушения герметичности и

утечки газа, что не всегда можно заметить. Последнее обстоятельство

приводит к необходимости частой поверки этих приборов.

Манометрические ж и д к о с т н ы е термометры заполняют жид-

костью под некоторым начальным давлением. Жидкости, применяе-

мые для термометров, должны обладать возможно большим терми-

ческим коэффициентом объемного расширения, высокой теплопро-

водностью и должны быть химически инертными к материалу

термометра. В качестве таких жидкостей используются ртуть (диа-

пазон измерений от -30 до +600 °С), ксилол (диапазон измерений от

-40 до +200 °С), толуол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости

(диапазон измерений от -150 до +300 °С). Чтобы жидкость не заки-

пела, в термометре создают начальное давление 1,47... 1,96 МПа

(15... 20 кгс/см2). Ввиду того что жидкость практически несжимаема,

объем термобаллона в жидкостных МТ в отличие от газовых должен

быть согласован со свойствами используемой манометрической пру-

жины. Давление окружающей среды не оказывает влияния на работу

термометра из-за большого рабочего давления; температурная ком-

пенсация осуществляется посредством биметаллической пружины.

Для этих термометров характерна гидростатическая погрешность,

возникающая в том случае, когда манометр и термобаллон оказыва-

ются расположены на разной высоте. Эта погрешность устраняется

после монтажа прибора смещением стрелки манометра.

В к о н д е н с а ц и о н н ы х (парожидкостных) манометрических

термометрах термобаллон заполняется на 2/з объема низкокипящей

жидкостью. В замкнутой системе термометра всегда существует ди-

намическое равновесие одновременно протекающих процессов ис-

парения и конденсации. При повышении температуры усиливается

испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в связи с этим

усиливается также процесс конденсации. В результате этого насы-

щенный пар достигает некоторого определенного давления, строго

отвечающего измеряемой температуре. Давление пара, изменяясь с

температурой, передается через среду, заполняющую капилляр, ма-

нометрической трубке. Жидкость, применяемая в этих приборах,

должна иметь точку кипения достаточно низкую, чтобы обеспечить

необходимое давление в пределах измеряемых температур (от -50 до

+350 °С). Термобаллон термометра заполняют с таким расчетом,

чтобы при наиболее низкой температуре в нем осталось некоторое

количество пара, а при наиболее высокой — некоторое количество

неиспарившейся жидкости, причем капилляр должен оставаться по-

груженным в жидкость во всем диапазоне измерения. В качестве

термометрического вещества в конденсационных МТ используются

легкокипящие жидкости, в частности: пропан, ацетон, толуол, эти-

ловый эфир и т. д.

Эти термометры наиболее чувствительны из всех МТ, так как

давление насыщенного пара резко изменяется с температурой. К до-

стоинствам парожидкостного термометра следует отнести и то, что

изменение температуры манометрической трубки и капилляра не

влияет на давление в системе. Это позволяет располагать вторичный

прибор на больших расстояниях (до 75 м) от термобаллона по срав-

нению с газовым и жидкостным термометрами (до 40 м). Гидроста-

тическая погрешность компенсируется так же, как в жидкостных

термометрах, а барометрическая имеется только на начальном участ-

ке шкалы.

К недостаткам парожидкостного термометра следует отнести Не-

линейность шкалы. В некоторых моделях для получения равномерной

шкалы используются специальные линеаризующие устройства.

Все манометрические термометры отличаются простотой конструк-

ции, возможностью дистанционной передачи показаний (либо по

капилляру, либо посредством унифицированного электрического или

пневматического сигнала). Основное достоинство этих термометров —

возможность их использования на взрывоопасных объектах.