Теплотехнические измерения и приборы. Курс лекций. Часть 2.
Измерение температуры контактными методами
1. Общие сведения
2. Жидкостные термометры расширения
3. Манометрические термометры
4. Термоэлектрические термометры
5. Электрические термометры сопротивления
6. Методы измерения температуры и их ошибки
1. Общие сведения
Температурой
называют величину, характеризующую
тепловое состояние тела. Согласно
молекулярно-кинетической теории
температура является условной
статистической величиной прямо
пропорциональной средней кинетической
энергии молекул тела (поступательного
движения
,
где
Дж/К
– постоянная Больцмана).
Измерить непосредственно температуру, как, например, линейные размеры, невозможно. Поэтому температуру определяют косвенно, по изменению физических свойств различных тел, получивших название термометрических. Например, объемное расширение, изменение электрического сопротивления, термо-ЭДС и т.п.
Для определения
изменяющегося уровня теплового состояния
необходимо иметь температурную шкалу,
для построения которой используют две
реперные точки
и
.
Обычно это температуры фазового
равновесия, которым присваивают
произвольные значения и предполагают,
что термометрическое свойство
используемого в термометре вещества
линейно изменяется с температурой
:
,
где
– коэффициент пропорциональности;
.
На этом принципе
основаны шкалы Фаренгейта (
),
Реомюра (
)
и Цельсия (
).
В шкале Фаренгейта
за начальную точку принимается температура
смеси снега с нашатырем или поваренной
солью. Температура замерзания воды
составляет
.
В шкалах Реомюра и Цельсия за нуль
принимается температура замерзания
воды, а температура кипения –
и
.
Пересчет температур:
.
Однако с развитием измерительной техники было обнаружено, что показания термометров расходятся, особенно при высоких и очень низких температурах.
Более точными являются газовые температурные шкалы, например, водородная.
В середине прошлого века Кельвин предложил термодинамическую температурную шкалу, основанную на втором законе термодинамики и не зависящую от свойств термометрического вещества:
Один градус по термодинамической шкале (К) соответствует такому повышению температуры, которое равно 1/100 части работы по циклу Карно между точками плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Соотношение между Кельвином и градусом Цельсия:
В производственной практике сейчас применяется МПТШ-68, установленная для интервала температур от 13,81 до 6300 К. МПТШ-68 базируется на эталонных приборах и 11 реперных точках, которым присвоены точные значения температур. Они воспроизводятся с высокой точностью с помощью фазовых равновесных ряда чистых веществ.
Термометр – это прибор, применяемый для измерения температуры путем преобразования ее в показания или в сигнал, являющийся известной функцией температуры.
Часть термометра, преобразующая тепловую энергию в другой вид энергии, называется чувствительным элементом.
Известные приборы для контроля температуры можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные.
Термометрическое свойство |
Прибор |
Пределы длительного применения |
|
нижний |
верхний |
||
Тепловое расширение |
Жидкостные стеклянные термометры Дилатометрические и биметаллические термометры |
-200
-60 |
750
1000 |
Изменение давления |
Манометрические термометры |
-150 |
600 |
Изменение электрического сопротивления |
Электрические термометры сопротивления (метал.) Полупроводниковые тензорезисторы |
-200
-270 |
650
300 |
Термоэлектрический эффект (термо-ЭДС.) |
Стандартные термоэлектрические термометры Специальные |
-200
-270 |
2500
3000 |
Тепловое излучение |
Пирометры оптические
Радиационные
Фотоэлектрические
Цветовые |
700
20
600
1400 |
6000
3000
4000
2800 |
Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.