4) Термопари.

Термопари відносяться до контактних термометрів. Термопари складаються з двох з’єднаних між собою різнорідних електропровідних елементів – металевих провідників і рідше напівпровідникових (Рис. 1). Дія термопари основана на ефекті Зеєбека – термоелектричному явищі, явищі виникнення терморушійної сили (термоерс) в колі, утвореному з двох електропровідних елементів, з’єднані кінці яких (спаяні або зварені) знаходяться при різних температурах. Докладніше цей ефект розглянемо в лекції, присвяченій електричним властивостям твердого тіла.

У невеликому інтервалі температур термоЕРС E можна вважати пропорційною різниці температур:

E = α₁₂(T₂ − T₁), де α₁₂ — термоелектрична спроможність пари (або коефіцієнт термоЄРС).

Діапазонах вимірювання температури термопарами дуже широкий і складає від декількох К до ~2800 К.

Рис. 1. Схеми включення термопари у вимірювальне коло: а — вимірювальний пристрій 1 підключений з’єднувальними дротами 2 до кінцівок термоелектродів 3 та 4; б — у розрив термоелектроду 4; T1, Т2 — температура «гарячого» та «холодного» контактів термопари

Для вимірювання високих температур, вищих за кімнатну, найпоширенішими є:

* хромель-копель термопара. Хромель – це ГЦК сплав нікелю з хромом (Ni-8.5-9.5%Cr) та іншими невеликими добавками, копель – це мідно-нікелевий сплав (Cu-42.5-44%Ni-0.1-1%Mn-0.1%C). Термопара використовується для інтервалу температур 220-1500 К (верхня межа температури +1100^оС);

*хромель-алюмель термопара. Алюмель - це ГЦК сплав нікелю з алюмінієм (Ni-1.8-2.7%Mn-1.6-2.4%Al-0.6-1.2%Co-0.3%Fe-0.3%C). Використовується для інтервалу температур 220-1500 К (верхня межа температури +1100^оС);

* платино-платинородійова термопара (Pt/Pt-20%Rh),. Використовується для інтервалу температур 250-1900 К;

* вольфрам-ренійова термопара (W-5-26%Re), інтервал температур 300-2800 К;

* вольфрам-молібденова термопара (W/Mo), інтервал температур 300-3100 К.

Для вимірювання низьких температур, нижчих за кімнатну, найпоширенішими термопарами є:

* термопара мідь-константан. Константан – це мідно-нікелевий сплав Cu-39-41%Ni-1-2%Mn-0.1%C, який характеризується постійним електроопором при зміні температури. Використовується для інтервалу 70-900 К;

* термопара хромель-константан, використовується для інтервалу 25-900 К;

* термопара хромель-золото (0.02-0.07aт%Fe) для інтервалу 1-280 К.

Прилади, які використовують для вимірювання разом з термопарою, це мікровольт метри, або мілівольтметри, шкала яких градуйована в градусах цельсія або кельвіна. В лабораторних умовах часто застосовують потенціометри. Напруга в мікровольтах або мілівольтах переводиться за відповідними таблицями в температуру.

5) Пірометри

бесконтактных.

Все приборы, измеряющие температуру бесконтактным методом, т.е. дистанционно, обладают следующими преимуществами по сравнению с приборами, измеряющими температуру контактными методами:

1) имеют принципиально неограниченный верхний температурный предел измерения;

2) обеспечивают возможность измерения температур излучателей, находящихся на большом расстоянии от пирометра;

3) не искажают температурное поле объекта измерения;

4) могут применяться для измерения температур газовых потоков при больших скоростях.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

1. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;

2. пирометр спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра;

3. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;

В зависимости от типа пирометра различаются яркостная, цветовая и

радиационная температуры.

Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения абсолютно черного тела равна плотности потока спектрального излучения реального тела

для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.

Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения абсолютно черного

тела для двух длин волн λ1 и λ2 равно отношению плотностей потоков из-

лучений реального тела для тех же длин волн при действительной темпе-

ратуре Тд.

Радиационной температурой реального тела Тр называют темпера-

туру, при которой полная мощность абсолютно черного тела равна полной

энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.

Пирометры частичного излучения

К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру

объекта, относятся оптические (квазимонохроматические) и фотоэлектри-

ческие пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин

волн.

Наиболее распространенным прибором этой группы является квази-

монохроматический пирометр с исчезающей нитью (рис. 2.30).

Пирометры спектрального отношения (цветовые)

В цветовых пирометрах, применяемых для промышленных из-

мерений, определяется отношение спектральной энергетической яркости

(СЭЯ) реального тела в лучах двух заранее выбранных длин волн, т. е. по-

казания пирометра являются функцией . Это отношение для ка-

ждой температуры различно, но вполне однозначно.

fEEλλ12 ( / )

В большинстве случаев для реальных тел кривые Eλ = f (λ) при раз-

личных температурах совершенно подобны кривым для абсолютно черно-

го тела; поэтому практически не требуется вводить поправки на неполноту

излучения, что является основным преимуществом цветового пирометра.

]

2.8.3. Пирометры полного излучения (радиационные)

Пирометры полного излучения измеряют радиационную температу-

ру тела, поэтому их часто называют радиационными (или радиометрами).

Принцип действия данных измерителей температуры основан на использо-

вании закона Стефана-Больцмана.

–відносяться до безконтактних приладів вимірювання температури. Це оптичні прилади, які основані на дії світлового випромінювання, яке виникає при нагріванні тіл, на електричні властивості матеріалу приймального пристрою. Тому пірометри працюють в оптичному діапазоні спектра. Оскільки інтенсивність світлового випромінювання різко зменшується при зниженні температури тіл, то пірометри застосовують головним чином для вимірювання високих температур більших за 1000^оС. Для температур більших ніж 3000^оС пірометри залишаються майже єдиними приладами для вимірювання. Це пов’язано з тим, що не потребується контакт датчика приладу з тілом, температура якого вимірюється.

Рис. 1. Принципова схема візуального яскравісного пірометра зі зникаючою ниткою: 1 — джерело випромінювання; 2 — оптична система (телескоп пірометра), 3 — еталонна лампа розжарювання, 4 — фільтр з вузькою смугою пропускання; 5 — об'єктив; 6 — реостат, яким регулюють струм напруження; 7 — вимірювальний прилад (міліамперметр).

Основна умова для застосування пірометрів це виконання закону Кірхгофа:

відношення випромінювальної здатності будь-якого тіла до його поглинальної здатності однаково для всіх тіл при даній температурі для даної частоти і не залежить від їх форми, хімічного складу та ін.

Нагріті метали і рідини задовольняють цій вимозі, їх спектр випромінювання суцільний.

Випромінення абсолютно чорного тіла підкоряється закону Стефана – Больцмана:

- ступінь чорноти, яка змінюється від 0.1-1.0

- константа Стефана – Больцмана = 5.67032

температура, що характеризує випромінення абсолютно чорного тіла називається радіаційною. Вона пов’язана з істиною температурою.

Тr – радіаційна температура

(Т) – сумарний коефіцієнт поглинання

для абсолютно чорного тіла : (Т)=1=Тr

для неабсолютного чорного тіла , який випромінює суцільний спектр: (Т)<1

Пірометри бувають:

яскравісні (дозволять вимірювати температуру в межах 9003000),

кольороваі (у межах 6001400),

радіаційні (у межах 1004000).

Яскравісними пірометрами вимірюється інтенсивність монохроматичного випромінювання, колірними пірометрами визначається відношення інтенсивностей випромінювання тіла на двох різних довжинах хвиль. Радіаційні пірометри вимірюють сумарну інтенсивність випромінювання.

Найбільш поширеними є яскравісні пірометри, які забезпечують найбільшу точність в діапазоні 1000-1000 К При низьких температурах 100 К більш ефективними є радіаційні пірометри.

Чутливими елементами у пірометрах є термопари, болометри, фотоелектричні і піроелектричні приймачі випромінювання. За типом приймача випромінювання різняться конструкції пірометрів. Світлове випромінювання при нагріванні металу впливає на ЕРС термопари або електроопір термочутливого елемента: провідника, напівпровідника, надпровідника (болометри), зміну діелектричної проникності і появу фотоЕРС, зміну спонтанної зарядової поляризації кристалу ( наприклад турмаліна).

Тепловизоры

Тепловидение – это направление в технических измерениях, изу-

чающее физические основы, методы и приборы, обеспечивающие возмож-

ность наблюдения слабонагретых объектов. Приборы, работающие в этом

направлении называются тепловизорами (термографами). Тепловизоры от-

носятся к оптико-электронным приборам пассивного типа, работающие в

инфракрасном диапазоне спектра излучения.

Принцип их действия основан на преобразовании инфракрасного из-

лучения в электрический сигнал, который подвергается усилению и авто-

матической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теп-

лового поля объекта (термограмму) для его визуальной и количественной

оценки.

Рис. 3. Найпростіша схема газового термометра: 1 – балон заповнений газом Не або N2, 2 - з’єднувальна трубка, 3 - манометр для вимірювання тиску.

6) Газові термометри. У газовому термометрі тиск або об’єм ідеального газу залежить від температури за формулою pV = RT, де R – це газова константа. Проста схема газового термометра з постійним об’ємом показана на Рис. 3. В ньому зміна температури пропорційна тиску газу p(T). За допомогою газових термометрів вимірювання проводять в інтервалі від 2 до 1300 К з точністю 3·10-3 – 2·10-2 К. Газові термометри з такою точністю дуже складні за конструкцією. На вимірюваннях газовими термометрами побудовані всі сучасні температурні шкали, в тому числи виміряні всі реперні

точки Міжнародної практичної температурної шкали.

Для вимірювання низьких температур використовують газ ⁴Не або ³Не. Залежність тиску парів гелію у замкнутому просторі від температури не представлена простою аналітичною формулою і тому користуються таблицями. ⁴Не використовується в термометрах для вимірювання наднизьких температур в діапазоні 15-5.2 К, а ³Не для 0.3-3.3 К.

. Газовые манометрические термометры

Они предназначены для измерения температуры от -50 до 600°С.

Термометрическим веществом здесь служит гелий или азот. Принцип ра-

боты газовых манометрических термометров основан на использовании

закона Шарля:

Pt = P0(1+β(t−t0)), (2.9)

где t0 и t – начальная и конечная температуры; и Pt – давление газа при

температурах и t соответственно; β – термический коэффициент давле-

ния газа (β =1/273,15 или 0,00366 К^-1).

Для реальных систем эта линейная связь строго не сохраняется, т.к. с

изменением температуры изменяется объем термобаллона и с изменением

давления – объем манометрической пружины, а также происходит массо-

обмен между термобаллоном и капилляром. Но, поскольку эти изменения

невелики, то можно считать, что шкала газовых манометрических термо-

метров равномерна.

Подставляя в формулу (2.9) вместо Pt и t соответственно Рн и tн, а

также Рк, tк, получим выражение для величины рабочего давления газового

манометрического термометра:

где Рн и Рк – давления в термосистеме, соответствующее начальному tн и

конечному tк значениям температуры по шкале прибора.

По этой формуле может быть рассчитано начальное давление заполнения системы Рн для заданного диапазона измерения температур. Рн в за-

висимости от диапазона шкалы может быть в пределах от 1 до 3 МПа. Чем

больше Рн, тем больше ∆Р и тем меньше влияние барометрического давле-

ния на показания прибора.

Жидкостные манометрические термометры

В приборах этого типа всю систему термометра заполняют термо-

метрической жидкостью под некоторым начальным давлением. В качестве

термометрического вещества в данных термометрах используется ртуть

под давлением 10-15 МПа при комнатной температуре или толуол, ксилол,

пропиловый спирт, силиконовые жидкости при Р=0,5-5 МПа. При ртутном

заполнении диапазон измерений -30ч600оС, а для органических жидкостей

-150ч300 оС. Так как жидкость практически несжимаема, объем термобал-

лона в жидкостных термометрах должен быть согласован со свойствами

манометрической пружины.

При измерении температуры от t0 до t из термобаллона вытесняется

жидкость объемом

Конденсационные манометрические термометры

В качестве манометрического вещества в этих термометрах исполь-

зуются легкокипящие жидкости (пропан, этиловый эфир, ацетон, толуол,

хлористый метил и т.д.). Диапазон измерения -50ч350°С. Специально из-

готовленные термометры применяются для измерения сверхнизких темпе-

ратур от 0,8 К.

Термобаллон термометра заполнен конденсатом примерно на 70-75%

объема, а над конденсатом находится насыщенный пар этой же жидкости.

Капилляр опущен в термобаллон так, что его конец находится в жидкости

и в том случае, когда при максимальной температуре в термобаллоне оста-

ется часть жидкости.

Принцип работы конденсационных термометров основан на зависи-

мости давления Р насыщенного пара низкокипящих жидкостей от темпе-

ратуры:

Різновидністю газового термометра є осмотичний термометр. За осмотичним тиском ³Не в суміші ³Не +⁴Не вимірюють температури 0.03-0.1 К з точністю 0.002 К Чутливість осмотичного термометра становить 0.01 мК.

Різновидністю газового термометра також є акустичний термометр, оснований на зв’язку термодинамічної температури від швидкості звуку в газі.

http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/113803/Низкие

Измерение низких температур. Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит Газовый термометр. Др. вариантами первичного термометра являются акустический и шумовой термометры, действие которых основано на связи термодинамической температуры соответственно со значением скорости звука в газе и интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрической цепи. Первичные прецезионные термометры используются в основном для определения температур легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. реперных точек), которые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (См. Международная практическая температурная шкала) (МПТШ-68). В области Н. т. такими реперными точками являются: тройная точка равновесного водорода (13, 81 К), точка равновесия между жидкой и газообразной фазами равновесного водорода при давлении 25/76 нормальной атмосферы (См. Атмосфера) (17,042 К), точка кипения TN равновесного водорода (20,28 К), TN неона (27,102 К), тройная точка кислорода (54,361 К), TN кислорода (90,188 К).

Для воспроизведения любого значения температуры от 630,74 °С до 13,81 К по МПТШ-68 с точностью Низкие температуры 0,001 К служит платиновый Термометр сопротивления. В диапазоне Н. т. температура по МПТШ-68 отличается от истинного термодинамического значения не более чем на 0,01 К. МПТШ-68, пока не продлена ниже 13,8 К, ввиду отсутствия в этой области Н. т. вторичного термометра, не уступающего по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких температурах. В диапазоне 0,3—5,2 К низкотемпературная термометрия основана на зависимости давления насыщенных паров ps гелия от температуры Т, устанавливаемой с помощью газового термометра. Эта зависимость была принята в качестве международной температурной шкалы в области 1,5—5,2 К (шкала 4He, 1958) и 0,3—3,3 К (шкала 3He, 1962). Зависимость ps (T) в этих температурных диапазонах не может быть представлена простой аналитической формулой и поэтому табулируется; табличные данные обеспечивают точность определения температуры до тысячной доли Кельвина.

В области Н. т. для целей практической термометрии применяют главным образом термометры сопротивления (до 20 К — медный; в области водородных и гелиевых температур — вплоть до 1 мК — угольные, сопротивление которых возрастает при понижении температуры). Применяют также термометры сопротивления из чистого германия. Высокая стабильность и достаточная чувствительность делают их удобным инструментом измерения температуры ниже 100 К.

Существует ряд др. чувствительных к изменениям температуры устройств, которые могут быть использованы в качестве вторичных термометров для измерения Н. т.: термопары (См. Термопара), Термисторы, полупроводниковые диоды (См. Полупроводниковый диод), датчики из сверхпроводящих сплавов (в области гелиевых и водородных температур).

Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамической температуры в этой области используют магнитные и ядерные методы. В магнитной термометрии (См. Магнитная термометрия) пользуются понятием магнитной температуры Т*, которую определяют из измерений магнитной восприимчивости (См. Магнитная восприимчивость) χ парамагнитной соли. Согласно Кюри закону, при достаточно высоких температурах χ Низкие температуры 1/T*. Для многих солей закон Кюри справедлив и при гелиевых температурах. Экстраполируя эту закономерность в область сверхнизких температур, определяют магнитную температуру как величину, обратно пропорциональную восприимчивости. Для получения точных результатов необходимо учитывать различные побочные факторы: анизотропию восприимчивости, геометрическую форму образца и др. Область температур, в которой магнитная температурная шкала достаточно близка к термодинамической, зависит от конкретной соли. Наиболее широко для измерения сверхнизких температур до 6 мК применяют церий-магниевый нитрат, для которого расхождение шкал при указанной температуре меньше 0,1 мК. В основе ядерных методов измерения Н. т. лежит принцип квантовой статистической физики, согласно которому равновесная заселенность дискретных уровней энергии (См. Уровни энергии) системы зависит от температуры. В одном из таких методов измеряется интенсивность линии ядерного магнитного резонанса (См. Ядерный магнитный резонанс), определяемая разностью заселённости уровней ядерных магнитных моментов в магнитном поле. В др. методе определяется зависящее от температуры отношение интенсивностей компонент, на которые расщепляется линия резонансного гамма-излучения (Мёссбауэра эффект) во внутреннем магнитном поле ферромагнетика.

http://encyclop.ru/76815

В диапазоне криогенных (ниже 90 К) и сверхнизких (ниже 1 К) температур, кроме обычных методов измерения температур, применяются специфические (см. Низкие температуры). Это — магнитная термометрия (диапазон 0,006—30 К; точность до 0,001 град); методы, основанные на температурной зависимости Мёссбауэра эффекта и анизотропии g-излучения (ниже 1 К), термошумовой термометр с преобразователем на Джозефсона эффекте (ниже 1 К). Особой сложностью Т. в диапазоне сверхнизких температур является осуществление теплового контакта между термометром и средой.

7) Магнітні термометри. Для вимірювання наднизьких температур поблизу абсолютного нуля використовують методи, основані на магнітних і ядерних явищах. Одним з таких методів є магнітна термометрія. В основі магнітної термометрії лежить метод визначення температури через вимірювання магнітної сприйнятливості  парамагнетика. Для цього підбирають такі парамагнетики, у яких  залежить від температури за простим законом Кюрі .= С/T. Як правило така залежність існує при гелієвих температурах.

Для вимірювання парамагнітної сприйнятливості парамагнітну речовину розміщують в соленоїді (Рис. 4).

Рис. 4. Схема магнітних ваг для вимірювання сприйнятливості в області низьких температур: 1 - полюси електромагніту; 2 - досліджуваний зразок; 3 - кварцова нитка; 4 - розтяжки; 5 - коромисло; 6 і 7 - гайки; 8 - демпфер; 9 і 10 - стрижень і котушка компенсаційного пристрою; 11 - ковпак; 12 - посудина Дьюара.

Магнітні ваги, прилади, що діють за принципом маятникових, крутильних або важільних ваг і застосовуються для вимірювання магнітної сприйнятливості тіл, анізотропії сприйнятливості. Сприйнятливість магнітного матеріалу визначається по силі, з якою досліджуваний зразок, що має форму довгого циліндра, втягується в поле електромагніту (метод Гуї), або по силі, що діє на зразок малого розміру, поміщений в неоднорідне магнітне поле (метод Фарадея). Зазвичай користуються нульовим методом вимірювань, компенсація сили або моменту сил в цьому методі здійснюється силою взаємодії спеціальних електромагнітів. Градуювання М. в. проводять за допомогою стандартних речовин з відомою магнітною сприйнятливістю, визначеної за їх кривим намагнічування. На малюнку зображена одна з конструкцій важільних М. в. для вимірювання магнітної сприйнятливості в області низьких температур.