5.7. Прочие методы измерения температуры

Электронные термометры. Принцип действия электронного термометра основан на свойстве кристаллов изменять резонансную частоту собственных колебаний в зависимости от температуры. Например, у кварца зависимость частоты собственных колебаний от температуры подтверждается с высокой точностью и надежностью. Используя это свойство можно создать датчик температуры, чувствительным элементом которого будет монокристалл, например кварца. Поскольку измерение частоты с привлечением современных электронных методов не представляет какой либо сложности то, увеличивая время счета числа колебаний кристалла можно обеспечить сколь угодно высокое разрешение (чувствительность) датчика температуры.

Зависимость резонансной частоты колебаний кристалла кварца от температуры может быть определена уравнением следующего вида:

. (5.11)

В уравнении (5.11) наибольший вес имеет коэффициент а₁. Выбирая определенное направление среза кристалла можно получить направление оси кристалла, для которого наибольший коэффициент а₁ равен нулю. У такого кристалла частота колебаний не будет практически зависеть от температуры и это свойство используется в частотомерах и часах. А можно найти направление среза, при котором становятся мало значимыми коэффициенты высших порядков а₂ и а₃. У такого кристалла резонансная частота колебаний будет, практически, линейно зависеть от температуры. Это свойство и используется в кварцевых датчиках температуры. Разрешение (чувствительность) кварцевого датчика температуры будет зависеть от времени счета и у современных приборов составляет 0,001 К для периода счета в 1 с. Кварцевые датчики характеризуются высокой стабильностью показаний, не более 0,005 К в месяц и применяются для измерения температур в диапазоне -40 – +230С. В случае их градуировки по образцовому платиновому термометру сопротивления такие датчики могут использоваться для выполнения высокоточных измерений абсолютных значений температуры и малых разностей температур (поверки тепломеров).

Плавкие металлические вставки (конусы Зенгера). Металлы и их сплавы обладают достаточно надежным постоянством температуры плавления. На этом основано применение термочувствительных вставок, конструкция которых выбирается так, чтобы плавление приводило к необратимым и легко заметным изменениям, например, в виде трубочки или кольца, зачеканиваемых в лунку. Они используются в труднодоступных и трудноконтролируемых местах как свидетели достижения деталью определенной (или данной вставки) температуры. При низких температурах с аналогичной целью применяются сплавы кристаллических углеводородов между собой и воском. Дискретность и однозначность точки плавления сплава является одновременно достоинством и недостатком такого чувствительного элемента. Для определения температуры в некотором диапазоне применяют серию вставок с последовательным нарастанием температуры плавления. Составы сплавов, применяемых в качестве индикаторов, и их температуры плавления приведены в таблице 5.11.

Таблица 5.11

t плав, С	Массовый состав в %	t плав, С	Массовый состав в %
60,5	50Bi-25Pb-12,5Sn-12,5Cd	468	33Mg-67Pb
92	50Bi-30Pb-20Sn	482	55Ag-45Sb
156	In	490	26,7Cu-73,3Mg
199	91Sn-9Zn	510	66Mg-34Ni
215	85Pd-15Au	528	24Cu-76Sb
221	96,5Sn-3,5Ag	542	25,4Cu-74,6Sb
232	Sn	548	33Cu-67Al
236	79,7Pb-17,7Cd-2,6Sb	554	66Cu-34Mg
247	87Pb-13Sb	577	11,7Si-88,3Al
265	82,5Cd-17,5Zn	589	86,9Al-8,3Mg-4,8Si
271	Bi	620	18Cd-16,5Zn-50Ag-15,5Cu
290	95Pb-5Pt	630	Sb
301	97,65Pd-2,35Ag	649	Mg
304	97,5Pd-2,5Ag	660	Al
321	Cd	710	33,5Zn-33Ag-33,5Cu
327	Pb	750	33Zn-24Ag-43Cu
341	30Zn-70Mg	779	71Ag-29Cu
360	25Sb-75Au	800	80Ag-20Cu
381	25Sb-75Au	804	Ce
420	Zn	920	Ja
434	95Zn-5Ag	958	Ge
450	Te	961	Ag

Ag – серебро; Au – золото; Bi – висмут; Pb – свинец; Cd – кадмий; Al – алюминий; Sb – сурьма; Mg – магний; Ni – никель; Si – кремний; Te – теллур; Ge – германий; Sn – олово; La – лантан; Cu – медь; Pt – платина; Pd – палладий.

Термочувствительные краски. При измерении температуры с помощью термочувствительных красок используют их свойство изменять цвет при изменении температуры. У некоторых красок изменение цвета происходит непрерывно, так что температуру можно определить путем сравнения с цветовой шкалой (диапазон температур 120 – 400С). Предпочтение, однако, отдают краскам, которые резко изменяют цвет при одной или нескольких температурах и затем сохраняют его при обратном переходе температуры через точку цветоизменения. Изменение цвета является, таким образом, признаком достижения или превышения определенной температуры. Существуют термочувствительные краски как однократного, так и многократного (например, “Термоколор”) использования для диапазона от 40 до 1350С. Краски на основе синтетических смол после разбавления спиртом наносят на поверхность с помощью кисти или распылением. Смена цвета зависит от скорости и длительности нагрева.

Температура (точка) перехода может воспроизводиться с погрешностью ~5%. Данные для некоторых термочувствительных материалов представлены в таблице 5.12.

Таблица 5.12

А. Краски с однократным переходом – «Термоколор»*
№ краски	Изменение цвета	Температуры перехода, С
1 2 2а 2б 3 4 4а 5 6 7 8 9 10 11 12 13 13а 14 15 16 17 17б 18	розовый/голубой светло-зеленый/голубой розовый/голубой розовый/светло-фиолетовый желтый/фиолетовый темно-красный/голубой бирюзовый/черный белый/коричневый зеленый/коричневый желтый/красно-коричневый белый/коричневый зеленый/белый красный/светло-серый красный/желтый желтый/светло-зеленый желтый/оливковый желтый/коричневый серый/темно-коричневый зеленый/коричневый светло-голубой/синевато-черный серый/темно-коричневый светло-серый/коричневый серо-желтый/черный	40 60 80 95 110 140 165 175 220 290 340 440 520 560 640 715 805 900 1000 1100 1200 1260 1350
В. Краски с двух-, трех- и четырехкратным переходом «Термоколор»*
20 21 22 23 24 29 30 31 32 33 34 40 41	светло-розовый/светло-голубой/светло-коричневый серо-зеленый/желтый/коричневый голубой/желтый/черный голубой/светло-коричневый/черный розовый/светло-фиолетовый/голубой зеленый/светло-фиолетовый/темно-зеленый серо-зеленый/светло-голубой/оливковый/темно- коричневый коричневый/серо-голубой/светло-коричневый/красно-коричневый розовый/желтый/серый/оливковый желтый/черный/фиолетовый/коричневый желтый/оранжевый/серый/коричневый розовый/светло-голубой/черный/оливковый светло-зеленый/светло-голубой/желтый/черный/ коричневый	65/145 145/220 190/320 240/340 55/85 1165/1235 65/145/220 155/230/275 145/175/340 175/290/340 420/700/820 65/145/174/340 65/145/220/340
* Изготовитель – Badische Anilin und Sodafabrik, Людвигсхафэн.