16. Измерение температур

Характер протекания многих процессов тесно связан с тепловыми воздействиями. Поэтому средства измерения температуры находят широкое применение в промышленности. Результаты измерения температуры часто дают наиболее важную прямую или косвенную информацию об этих процессах. Температура – это величина, характеризующая тепловое (энергетическое) состояние объекта измерений. Температурные измерения являются необходимой предпосылкой, определяющей качество, надежность и экономичность многих технологических процессов.

Процесс передачи тепловой энергии в любой системе физических тел или в одном теле возникает в результате разностей температур. Различают три элементарных способа переноса теплоты:

теплопроводность – перенос, обусловленный взаимодействием микрочастиц соприкасающихся тел, имеющих разную температуру;

конвекция – перенос вследствие пространственного перемещения вещества. Наблюдается в текучих средах (жидкости, газы) и, как правило, сопровождается теплопроводностью;

тепловое излучение – перенос посредством электромагнитного поля с двойным взаимным превращением – теплоты в энергию поля и наоборот.

Распределение температур по всей совокупности точек тела (или системы тел) называется температурным полем.

При проведении измерений температуры, выборе метода измерений и датчика температуры необходимо учитывать температурное поле объекта измерений, конвективный теплообмен излучением между датчиком температуры и окружающими его нагретыми поверхностями, теплопередачу между отдельными элементами датчика температуры, теплообмен датчика температуры с окружающей средой, степень вносимых датчиком искажений в температурное поле объекта и другие факторы.

16.1. Сведения о температуре и температурных шкалах

Температура - величина, которая характеризует степень нагрева тела.

Температура, относящаяся к категории интенсивных физических величин, требует для своего измерения не только наличия единицы измерения, но и «шкалы», по которой отсчитывается значение измеряемого уровня. Единица измерения определяет масштаб такой шкалы.

Температура не поддается прямому измерению, и всякий прибор, предназначенный для ее измерения, преобразует температуру в другую, легко измеряемую физическую величину, используя однозначную связь с температурой выбранного физического (термометрического) свойства вещества.

Под термином «температурная шкала» принято понимать непрерывную совокупность чисел, линейно связанных с численными значениями какого-либо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, являющегося однозначной и монотонной функцией температуры. Принцип построения температурной шкалы следующий. Выбирают какие-либо две основные точки, представляющие собой легко воспроизводимые температуры, неизменность которых обоснована общими физическими соображениями. Этим температурам приписывают произвольные числовые значения t₁ и t₂. Температурный интервал t₂ - t₁ часто называют основным интервалом температурной шкалы. Его делят на некоторое целое число N и часть основного интервала 1/N принимают за единицу измерения температуры или за масштаб шкалы, экстраполируемый в одну или обе стороны от основного интервала.

Далее выбирают термометрическое свойство Е. Это свойство условно принимают линейно связанным с температурой

dt=kdE, (16.1)

где k – коэффициент пропорциональности.

Описанным методом можно построить столько шкал, сколько выбрано термометрических свойств. Совпадая друг с другом в основных точках, эти шкалы дают расходящиеся значения температур как внутри интервала, так и вне его.

В связи с этим возникла проблема создания температурной шкалы, которая не зависела бы от термометрических свойств веществ. Такая шкала была предложена в 1848 году Кельвином и называется термодинамической. В основу термодинамической шкалы Кельвин взял идеальный цикл Карно, в котором работа, полученная в этом цикле, зависит только от температур начала и конца процесса. Таким образом, шкала не зависит от термометрических свойств, однако для практических измерений она неудобна: нужно либо измерять количество теплоты, либо, при использовании термометров, заполненных реальными газами, вводить для каждого значения температуры различные поправки.

В настоящее время применяется Международная практическая температурная шкала (МПТШ). Основной температурой является термодинамическая температура Т, единица которой кельвин (К) – 1/273,16 часть термодинамической температуры равновесия между твердой, жидкой и газообразной фазами. Температура Цельсия определяется из выражения

t = T – T₀, (16.2)

где T₀ = 273,15 К.

Единица, применяемая для выражения температуры Цельсия – градус Цельсия (⁰С), равный кельвину. Разность температур выражают как в кельвинах, так и в градусах Цельсия. МПТШ выбрана таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической с точностью, обеспечиваемой современными средствами измерения.