ЛЕКЦИЯ 7

ЛЕКЦИЯ 7

Измерение температуры морской воды

1. Типы датчиков температуры

а) термометры расширения

б) термометры сопротивления

в) другие

г) радиационные датчики

2. Приборы для измерения температуры

а) поверхностный термометр

б) глубоководный опрокидывающийся термометр

в) термоглубомер

г) батитермограф

д) ИК-радиометр

Температура принадлежит к наиболее важным характеристикам физического состояния водной массы, определяя ее теплосодержание, а тем самым и характер взаимодействия с окружающими массами. В океане диапазон изменения температуры не очень большой. Минимальная температура равняется —2° в Северном Ледовитом океане, а максимальная +35.6° в Персидском заливе. Средняя температура воды на поверхности Мирового океана составляет ~17.4°С, в то время как средняя температура воздуха на земной поверхности +14.3°С.

Температура как физическая величина, которая характеризует внутреннюю энергию тел, не может быть измерена непосредственно. Все используемые измерители температуры превращают ее в какую-то другую физическую величину, которая и может быть измерена непосредственно.

Относительно жидкости температура характеризует кинетическую энергию поступательного и вращательного движения атомов и молекул и представляет собой статистическую величину, которая относится к достаточно большой группе частиц. Понятие температуры отдельной частицы, например молекулы, лишено смысла. Таким образом, температура является термодинамическим параметром, пропорциональным кинетической энергии хаотичного движения ансамбля частиц, который образовывает физическое тело.

4.1 Типы датчиков температуры

Температуру измеряют с помощью термометров. Термометрами называют измерительные средства, входной величиной которых является температура, а исходной может быть любая величина, которая однозначно зависит от температуры.

По способу измерения различают контактные и неконтактные термометры. Контактные термометры находятся в механическом контакте с объектом, который измеряется. Из контактных измерителей температуры в океанологии нашли применение термометры расширения, термоэлектрические термометры (термопары), термометры сопротивления и некоторые специальные виды измерителей ( например, кварцевые измерители ).

Термометры расширения можно разделить на жидкостные стеклянные термометры и механические термометры деформации. В жидкостных стеклянных термометрах для определения температуры используется эффект расширения специальной термометрической жидкости. Эта жидкость заключена в тонкостенный стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, с которой, в свою очередь, жестко связанная температурная шкала. Вследствие расхождения коэффициентов теплового расширения жидкости и стекла, при изменении температуры меняется длина столбика жидкости, которая находится в капилляре. Температура определяется по положению мениска относительно шкалы.

Стекло, применяемое для изготовления резервуара и капилляра должно иметь минимальное термическое старение. Термометрические жидкости могут быть такие, которые смачивают стекло и не смачивают. В качестве несмачивающей жидкости чаще всего служит осушенная ртуть, а в качестве смачивающей жидкости применяются толуол, спирт, пентановая смесь, однако из-за худшей теплопроводности и большой вязкости инерционность их выше.

Механические термометры деформаиии известны двух типов - дилатометрические и биметаллические. Чувствительным элементом дилатометрического датчика является латунная трубка, которая меняет свои геометрические размеры с изменением температуры. Между верхним и нижним концом трубки натянута металлическая струна с небольшим коэффициентом температурного расширения. Струна помещена в переменное магнитное поле, которое возбуждает колебание струны. При изменении размеров трубки меняется натяжение струны и тем самым меняется резонансная частота ее колебаний.

Биметаллические термометры состоят из двух крепко соединенных между собой приблизительно равных по толщине прослоек металлов или сплавов с разными коэффициентами теплового расширения. При изменении температуры биметалл выгибает в сторону прослойки с меньшим тепловым расширением. Биметаллы для термометров чаще всего выполняют в виде плоских или цилиндрических спиралей. Зависимость между изгибом и температурой в узком диапазоне близка к линейной.

В термоэлектрических термометрах для измерения температуры используется открытое в 1821 году явление термоэлектричества. Если два проводника из разных металлических материалов соединены в замкнутый контур и места соединений находятся при разных температурах, то в контуре возникает электрический ток. Оба электропроводника, которые называются термоэлектродами, образовывают термопару. Одно соединение, которое располагается в среде с измеряемой температурой, является рабочим концом термопары, второе, которое находится при постоянной известной температуре - является свободным концом термопары. Для увеличения чувствительности в малом диапазоне температур несколько термопар соединяются в термобатарею. Батарея из n термопар дает n-кратную э.д.с., однако ее инерционность больше, чем у отдельной термопары. Поскольку термопары измеряют разности температур, они особенно удобны для измерения температурных градиентов. Термопары могут быть из благородных и неблагородных металлов (например родий-платина, медь-константан, никель-хромникель и т.д.).

В настоящее время при проведении океанографических работ в морских экспедициях основным измерительным средством яв­ляются СTD-зонды. В состав таких комплексов, независимо от их специализации, в обязательном порядке включены три изме­рителя: электропроводности, температуры и давления/глубины. Технические и метрологические характеристики именно этих из­мерителей обеспечивают точность и достоверность определения основных параметров морской воды в разных районах Мирового океана.

Наиболее широкое применение в качестве датчиков для изме­рения температуры морской воды получили металлические тер­мометры сопротивления, термисторы (полупроводниковые тер­мометры сопротивления) и кварцевые резонаторы.

Термометры сопротивления. Принцип действия первых двух типов основан на зависимости электрического сопротивления чувствительных элементов датчи­ков от температуры среды. В соответствии с тем, возрастает или понижается величина электрического сопротивления при повы­шении температуры, датчики могут быть с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления α_R . Металлические датчики имеют только положительный α_R. Термисторы могут обладать как положительным, так и отрица­тельным α_R.

Величина температурного коэффициента сопротивления α_R (°С^-1), иногда называемая также чувствительностью датчика, оп­ределяется как относительное приращение электрического со­противления материала чувствительного элемента при изменении его температуры на единицу:

(1)

Для большинства металлов в интервале температур 0 - 100°С α_R из­меняется в пределах (3,3 - 6,2)∙10^-3 °C^-1.

где R - сопротивление материала при температуре Т.

Основными параметрами, характеризующими качество темпе­ратурных датчиков для океанологической аппаратуры, являются: долговременная стабильность, чувствительность, линейность и быстродействие (инерционность).

Наилучшие метрологические характеристики имеют металли­ческие термометры сопротивления и кварцевые резонаторы. Первые являются основным типом, применяемым в составе практи­чески всех распространенных СTD-зондов. Кварцевые резонато­ры, в связи с худшим быстродействием, используются для калиб­ровочной аппаратуры и долгопериодных измерений (буи и бук­сируемая аппаратура).

Термисторы имеют высокое быстродействие, потребляют ма­лую мощность (ток возбуждения, как правило, не превышает 100 мкА), обладают невысокой стоимостью, технологией, при­годной для массового изготовления, но из-за большой нелинейности статической характеристики преобразования, как правило, применяются в упрощенной портативной аппаратуре или для специальных исследований, а также в качестве вторичных и ком­пенсирующих датчиков.

Сравнительные характеристики типов термодатчиков приве­дены в таблице.

Таблица. Сравнительные характеристики типов термодатчиков

Параметр	Типы датчиков
	термометр сопротивления	термистор	кварцевый резонатор
Стабильность Чувствительность Нелинейность, % Инерционность, с	0,1%/5лет 0,2-10 Ом/°С 0,55 1-0,2	0,1-2,5 °С/год 0,1-1 кОм/°С 5-20 0,025	0,01 °С/мес. 1000 Гц/°С <0,05 3-10

Представленные в таблице оценки относятся к диапазону из­мерения температуры от -5 до 40 °С.

Металлические термометры сопротивления. Для изготовления океанологических датчиков температуры на основе термометров сопротивления в основном используется платина, никель или медь. Электрическое сопротивление чувст­вительных элементов изменяется согласно уравнению:

R_T=R₀ ∙[1+ α_R∙(T-T₀)], (2)

где R₀ - сопротивление при О°С (т.е. при 273°К); К_Т - сопротив­ление при температуре T; α_R - температурный коэффициент со­противления.

В обозначениях датчиков некоторых зарубежных фирм или в технической документации на измерительную аппаратуру неред­ко указывают только материал, используемый для чувствитель­ного элемента датчика, а также его сопротивление в Ом при О °С. Например, Р1-100 - для платины или N1-100 - для никеля. Сопро­тивление, равное 100 Ом, используется для датчиков наиболее часто, однако употребляются также стандартно изготавливаемые сопротивления в 500 Ом и 1 кОм. По технологии изготовления металлические термометры сопротивления подразделяются на проволочные и пленочные.

Проволочные термометры сопротивления, используемые в океанологической технике, как правило, выполняются в виде об­моток, выполненных сдвоенным проводом в виде бифилярной намотки на керамических или стеклянных каркасах. Материал каркаса должен иметь характеристики теплового расширения, по возможности, приближающиеся к характеристикам проволоки, Иногда обмотку выполняют в виде петлевых бескаркасных жгу-тиков. Оба вида обмоток защищают от гидростатического давле­ния прочными корпусами, а если обмотки не защищены, то их изолируют от воды. Незащищенные датчики обладают лучшим быстродействием, но они подвержены влиянию давления на чувствительный элемент - проявляется так называемый "тензоэффект".

В защищенных датчиках для усиления теплового контакта с окружающей датчик водой и для повышения быстродействия прочный корпус иногда заполняется трансформаторным или си­ликоновым маслом. Для ликвидации тензоэффекта, возникающего вследствие передачи внешнего давления непосредственно на чувствительный элемент, внутри прочного корпуса оставляется небольшой пузырек воздуха. Быстродействие подобного датчика доставляет 0,8 - 0,4 с. Использование специальной пасты, полу­чаемой путем добавления в масло в качестве наполнителя окисей металлов (например, магния) с высокими электроизоляционными И теплопроводными свойствами, приводит к улучшению быстро-действия до величин 0,4 - 0,2 с.

Незащищенные датчики в связи с низкой стойкостью изоли­рующего покрытия к действию морской воды наиболее распро­странены в конструкциях некоторых зондов разового действия (обрывных). Термочувствительная обмотка из изолированной проволоки укладывается в спиральную канавку на внешней поверхности тяжелой головной части зонда и, имея непосредствен­ный тепловой контакт со встречным потоком воды, обладает дос­таточно высоким быстродействием.

Наиболее высокое быстродействие от металлических датчиков можно получить, если использовать тонкопленочную техноло­гию. Например, на керамическую или кварцевую подложку тол­щиной 0,6 мм методом катодного высокочастотного распыления наносится слой платины толщиной около 2 мкм. Затем напылен­ный слой частично выжигается лазером так, чтобы осталась токопроводящая дорожка в виде меандра. Одновременно с выжига­нием проводится подгонка по величине сопротивления. Контакт­ные выводы изготавливают методом термокомпрессионной свар­ки, а для защиты активного платинового слоя от повреждений его еще раз покрывают керамическим изолирующим слоем толщи­ной 10 мкм. Постоянная времени таких пленочных датчиков мо­жет достигать значений порядка 10 ^-7 с.

Наилучшей долговременной стабильностью и воспроизводи­мостью характеристик обладают термометры сопротивления, из­готовленные из платины высшей очистки. Нелинейность статиче­ской характеристики платиновых термометров сопротивления не превышает 0,55% в диапазоне температуры от -2 до 30°С. Чув­ствительность платинового термометра сопротивления составля­ет примерно 0,392 %/°С. Кстати, высокой оценкой метрологиче­ских характеристик платинового датчика может служить тот факт, что именно платиновый термометр сопротивления принят в качестве эталонного прибора для воспроизведения Международ­ной практической температурной шкалы. К недостаткам плати­новых термометров можно отнести только их высокую стои­мость.

В отечественной аппаратуре наиболее широко используется датчик ТСП-365-01, ранее выпускаемый согласно ТУ-25-02-792248-80 НПО "Термоприбор" (СССР), а теперь НПО "Термо-прылад" (Украина), который позволяет измерять температуру морской воды в диапазоне от -5 до 40 °С до глубины в 6 000 м. Чувствительный элемент датчика имеет сопротивление при 0°С около 100 Ом и постоянную времени около 0,5 с. Общая длина датчика - 143 мм.

Лучшие медные термометры сопротивления уступают плати­новым по показателю долговременной стабильности примерно в дна раза, а также имеют большую длину чувствительного элемен­та при равном диаметре провода и одинаковом начальном сопро­тивлении. Длинная проволока затрудняет технологию сборки, повышает параметры реактивных составляющих сопротивления (для ликвидации этого эффекта используют бифилярную намот­ку), увеличивает показатель тепловой инерции чувствительного элемента.

Рис. Внешний вид платинового термометра сопротивления

Однако, в отличие от платины, для меди упрощается подгонка номинального сопротивления чувствительного элемента и уменьшается влияние находящихся при другой температуре вы­водных концов, так как их вклад в общее сопротивление датчика сравнительно небольшой. Что касается линейности, то исследо­вания, выполненные в МГИ АН УССР, позволили установить, что погрешность измерения температуры, связанная с нелиней­ностью медного термометра, находится на пределе точности ме­тода ее определения и не превышает ±0,01°С в диапазоне темпе­ратур от -2 до 35°С. Чувствительность медного термометра со­противления составляет примерно 0,426 %/°С. Медный датчик

ПТР-50, изготавливаемый ранее малой серией в СКБ МГИ АН УССР и имевший наибольшее распространение в отечественной океанологической аппаратуре, имеет сопротивление 100+0,1 Ом при О°С, показатель тепловой инерции 0,2, максимальная глуби­на 6 000 м.

Никелевые термометры сопротивления имеют высокую чувст­вительность, составляющую примерно 0,539 %/⁰С, что выше, чем у платиновых и медных термометров, по удельному сопро­тивлению они тоже превосходят последние. Однако технология получения никелевого провода высокой чистоты отличается по­вышенной сложностью и дорога. Применяемые же никелевые преобразователи температуры из обычно используемой проволо­ки уступают по долговременной стабильности платиновым и медным. Поэтому, никелевые датчики широкого распространения в океанологической технике не получили.

К недостаткам металлических термометров сопротивления можно отнести малую крутизну преобразования, обусловленную сравнительно малой величиной α_R для металлов (порядка 10^-3°С^-1) и малым собственным сопротивлением, что усложняет передачу информации от датчика на измерительные схемы.

Термисторы. Полупроводниковые термометры сопротивления, или термисторы, обладают более высокой величиной температурного ко­эффициента сопротивления α_R (до 6-8% на 1°С) по сравнению с металлическими термометрами сопротивления, т.е. более высо­кой крутизной преобразования и большим удельным сопротивле­нием. В связи с малыми конструктивными размерами термисторов, их постоянная времени может составлять не более 0,02 * 0,05 с.

Термисторы с отрицательным а« состоят из поликристалличе­ской смеси различных спеченных оксидов, например Fе₂О₃ (шпи­нель), Zn₂ТiО₄, МgСг₂О₄, ТiO₂ или NiO и СоО с LiO. Процесс спекания осуществляется при 1000 - 1400°С. Затем изготовля­ют контакты путем вжигания серебряной пасты. Для обеспечения высокой стабильности сопротивления, прежде всего при дли­тельных измерениях, терморезисторы после спекания подвергают искусственному старению. С помощью специальных режи­мов обработки достигается высокая стабильность сопротивления. Такие термисторы широко применяются в океанологических измерителях.

Использование кремниевых термисторов, имеющих положи­тельный температурный коэффициент сопротивления α_R, пред­ставляет интерес в случае массового применения, так как они значительно дешевле других датчиков и имеют большой температурный коэффициент.

Термисторы обладают значительной нелинейно­стью своих характеристик. Существенным недостатком кремние­вых датчиков также является меньший диапазон измеряемых температур. Однако для некоторых областей эти недостатки имеют второстепенное значение, тем более, что сейчас разрабо­тано достаточно вариантов специальных линеаризирующих схем. Миниатюрность и высокая чувствительность тсрмисторов позво­ляет отдать им предпочтение для применения в качестве датчи­ков температуры в портативной аппаратуре, обрывных зондах и термокосах, а малая постоянная времени и высокое разрешение (до 5-10^-4°С) делает их привлекательными для исследования тон­ких структур распределения температуры с малыми градиентами.

Кварцевые датчики температуры. Кварцевые резонаторы, используемые в датчиках температу­ры, характеризуются высокой стабильностью параметров - мак­симальный дрейф после начального периода старения кристалла имеет значение порядка 10 ^-3 °К в месяц. Также они обладают вы­соким разрешением (10^-4 - 10^-6 °К) и абсолютной погрешностью в рабочем диапазоне температур до 0,02°С. Конструкция датчиков позволяет их эксплуатировать при ударах и вибрациях. Другим немаловажным достоинством является то, что сам кварц может быть использован непосредственно в качестве частотно-задающего элемента в системах телеизмерений с частотной модуляцией.

В термочувствительных измерительных преобразователях обычно используют два кварцевых генератора. В одном из них применяется термочувствительный кварцевый элемент, а в дру­гом (опорном) - термостабилизированный. Выходным сигналом является разностная частота с обоих генераторов, получаемая на

выходе смесителя. Как правило, в генераторах используются час­тоты в диапазоне 2 - 15 МГц.

Высокая линейность является характерной особенностью кварцевых первичных преобразователей температуры. Так как изменение частоты происходит без изменения крутизны характе­ристики преобразования, то можно производить поверку измери­телей на основе кварцевых резонаторов только по тройной точке воды (Т = 0,01°С), а не по всей шкале температур. При определе­нии режима работы кварцевого датчика следует правильно учи­тывать допустимую мощность рассеивания, так как перегрев кри­сталла может привести к погрешности в 0,001 - 0,003 °С.

Для реализации высоких метрологических качеств кварцевых преобразователей необходимо, чтобы их добротность как резо­наторов была порядка 10^б- 10⁸. Получить столь высокие значе­ния можно лишь в том случае, когда кварц находится в газовой среде или вообще вакуумирован, что требует заключения его в герметичный корпус, а также крепления специальными пружи­нящими контактами, обеспечивающими минимум механических напряжений на кристалле. Такие требования к конструкции пре­образователя обуславливают значительное ослабление теплооб­мена кварца со средой, особенно при измерениях в водной среде, что, в свою очередь, вызывает возрастание инерционности квар­цевого преобразователя до величин порядка 5 - 10 с.

Как правило, кварцевые резонаторы для океанологических датчиков размещают в герметических металлических корпусах, подобных тем, которые используют для транзисторов. Благодаря применению резонаторов малых размеров и специальной конфи­гурации (например, в виде линзы), заполнению герметичного корпуса газом, обладающим высокой теплопроводностью - гели­ем или ксеноном, и другим мерам, удалось понизить постоянную примени кварцевых датчиков до приемлемых значений, позво­ляющих использовать их в буксируемых устройствах. Разумный компромисс между добротностью кварцевого резонатора и его быстродействием достигнут в конструкции, где кварцевая пла­стина зажата с двух сторон электродами, причем один из них яв­ляется одновременно крышкой герметичного корпуса. Несмотря ил то, что в такой конструкции добротность уменьшилась до величины порядка 3∙10⁴, существенно улучшился тепловой обмен резонатора с водной средой, осуществляемый через металл (бронза) электрода-крышки, что, в свою очередь, позволило уменьшить постоянную времени до 1 с и использовать датчик в зондирующем устройстве.

Несмотря на достигнутые успехи, все же основным недостат­ком кварцевых преобразователей температуры является относи­тельно большая инерционность (для реальных конструкций по­стоянная времени составляет не менее 3 с). Именно эта причина позволяет использовать кварцевые резонаторы в основном только для исследования долгопериодных флюктуации температуры среды при проведении долговременных автономных наблюдений или, учитывая высокое качество других метрологических пара­метров, для калибровки рабочих средств измерения.

Неконтактные измерители температуры ( пирометры ) в сравнении с контактными термометрами имеют то преимущество, что температурное поле объекта не искажается самым измерителем. Кроме того, такие измерители позволяют получить информацию в короткий срок с большой поверхности, что часто бывает необходимо для решения разных хозяйственных задач.

Принцип действия измерителей этого типа основан на восприятии специальным чувствительным элементом электромагнитного излучения с поверхности моря. Все тела, температура которых выше абсолютного нуля, излучают электромагнитные волны - инфракрасный поток радиации в диапазоне 0.76-50 мк. Это излучение может быть описано законом Стефана-Больцмана.

В области длин волн от 4 до 13 мк коэффициент излучения поверхности моря близок к единице, то есть для данного участка спектра море может рассматриваться как абсолютно черное тело (которое поглощает всю радиацию), а поток излучения с поверхности - как величину, которая несет информацию о температуре тела, то есть поверхности моря.

В диапазоне температур, характерных для поверхности моря ( от -2° к +35°С), суммарный поток, который излучается с поверхности меняется от 0.0304 до 0.0500 Вт/см². Так как эта величина очень имела, чувствительный элемент термометра должен быть тщательно изолирован от влияния факторов, которые искажают показания, основными из который такие:

1. Поглощение слоем атмосферы некоторой части потока, который излучается

2. Собственное излучение слоя атмосферы

3. Отраженное от поверхности моря солнечное излучение

Изоляция чувствительного элемента от влияния указанных факторов достигается применением в оптической системе термометра специальных фильтров, которые пропускают излучение в узком диапазоне (8-13 мк), в котором поглощение слоем атмосферы и его собственное излучения минимальные, а поверхность моря может рассматриваться как абсолютно черное тело (к = 0.98), которое не отражает солнечную радиацию.

Приборы для измерения температуры воды

При измерениях температуры морской воды используются приборы разного типа, которые по месту производства измерений можно условно разделить на глубоководные измерители, измерители температуры поверхности моря и измерители температуры поверхностного слоя. Под температурой поверхностного слоя понимается температура верхнего слоя толщиной не более 1 м. А под температурой поверхности моря понимается температура слоя морской воды толщиной от нескольких микрон до 1-2 см. Температура поверхности моря вследствие испарения может быть меньше температуры поверхностного слоя на 1-3°С.

Измерение температуры поверхностного слоя моря термометром в оправе Для измерения температуры поверхностного слоя применяют ртутный термометр со шкалой, которая имеет деления через 5°С и цену деления 0.2°С. Термометр вставлен в латунную (или пластмассовую) оправу, которая служит для защиты его от повреждений и позволяет удерживать возле резервуара термометра некоторый объем воды, которая обеспечивает большую точность измерений.

Оправа состоит из двух вставленных одна в другую трубок с продольными прорезами и стакана размером: высота = 7 см, диаметр = 5 см. Объем стакана = 200 мл. ,

Внешняя трубка может поворачиваться на 90° и перекрывать отверстие. Верхняя часть внутренней трубки заканчивается металлической пробкой, к которой прикрепляется скоба, которая служит для привязывания к оправе линя. При установке термометра необходимо, чтобы в прорези можно было видеть всю его шкалу, а резервуар находился в средней части стакана.

При подготовке к измерениям делают внешний обзор оправы:

1. Внешняя трубка должна вращаться без затруднений

2. Скоба и закрепляющие ее винты должны быть в исправности

3. Стакан не должен протекать

Для измерения температуры поверхностного слоя термометр в оправе погружают в море или морскую воду зачерпывают ведром и в нем