ГЛАВА 3. Приборы измерения температур.

3.1. Понятие температуры. Температурные шкалы.

Т емпературой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температура - это условная статистическая величина, прямо пропорциональная средней кинетической энергии молекул тела.

Из второго начала термодинамики понятие температуры характеризуется мерой приращения тепла dQ, отведенного (или подведенного) от изолированной термодинамической системы в долях происходящего при этом изменения энтропии dS

Т=dQ/dS.

Для газообразных тел, согласно кинетической теории, средняя энергия поступательного движения молекул газа связана с температурой выражением:

,

где k=1,38*10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

В связи с исследованием высокотемпературной плазмы приходится сталкиваться с понятием электронной температуры, характеризующей поток электронов в плазме.

Возможность измерения температуры основывается на явлении теплового обмена между телами с разной степенью нагретости и на изменении физических свойств тел при их нагревании.

Принятая единица измерения температуры (1 градус) является по существу лишь мерой масштаба принятой температурной шкалы и процесс измерения температуры является определением положения на температурной шкале уровня измеренной температуры.

Температурная шкала – система последовательных числовых значений, соответствующих температурам.

Все предлагаемые эмпирические температурные шкалы (Цельсия, Реомюра, Фаренгейта) строились одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения, и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой t:

,

где k – коэффициент пропорциональности; E – термометрическое свойство; D – постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k, D и на этой основе построить температурную шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при чем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

Температурные шкалы, не зависящие от конкретных свойств термометрического вещества, называют термодинамическими.

А). Шкала Цельсия.

Шкала термометра между точкой таяния льда и точкой кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.) была разделена на 100 равных частей, считая за 0⁰ точку таяния льда, а за 100⁰ точку кипения воды. В качестве рабочего тела принята ртуть.

Б). Шкалы Реомюра и Фаренгейта.

В шкале Фаренгейта. За реперные точки приняты точки плавления льда и кипения воды. При этом точка плавления льда обозначена за +32⁰, а точка кипения воды за +212⁰ и промежуток между этими точками делится на 180 равных частей. В качестве рабочего тела принята ртуть. Связь между шкалой Цельсия и Фаренгейта:

t(⁰F)=1,8t(⁰C)+32(⁰F).

В шкале Реомюра за основные реперные точки приняты точки плавления льда и кипения воды. При этом точка плавления льда обозначена за 0⁰, а точка кипения воды за +80⁰. В качестве рабочего тела принята смесь спирта с водой. Связь между шкалой Цельсия и Реомюра:

t(⁰F)=0,8t(⁰C).

В). Термодинамическая шкала.

Не зависит от термометрического вещества. Предложена Кельвином. В основе лежит использование термодинамического цикла Карно идеальной тепловой машины, КПД которой зависит только от термодинамической температуры. Шкала основана на одной реперной точке (0,01⁰С) – равновесия воды (в твердой, жидкой и газообразной фазах). Ей приписано числовое значение 273,16К, нижней границей интервала шкалы принят абсолютный нуль (прекращается тепловое движение молекул). За единицу температуры принят 1 Кельвин (1К), равный 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Определяемая таким образом единица термодинамической шкалы 1К совпадает с величиной 1⁰С, а переход от шкалы Цельсия к термодинамической шкале осуществляется по формуле

Т(К)=t(⁰C)+273,15.

Осуществить термодинамическую шкалу практически осень сложно. Поэтому обычно применяется международная практическая температурная шкала (МПТШ), которая совпадает с термодинамической с достижимой экспериментальной точностью.

3.2. Приборы измерения температуры.

Существует две группы измерителей температуры по методу – контактные (термометры, терморезисторы, термопары, термокраски) и бесконтактные (пирометры, фотометры).

При измерении температуры контактным методом приходится в той или иной степени принимать во внимание особенности теплообмена между объектом, приемным преобразователем и внешней средой. Трудности создания приборов, основанных на бесконтактных методах, связаны с необходимостью определения излучательной способности объекта (реальной степени черноты), что во многих случаях невозможно сделать достаточно точно.

3.2.1. Контактные измерители температур.

А). Термометры расширения.

Рис. 12. Жидкостный термометр расширения.

Самые старые устройства для измерения температуры – жидкостные стеклянные термометры – используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов теплового расширения термометрического вещества и оболочки, в которой она находится (термометрического стекла или реже кварца).

Показания жидкостно-стеклянного термометра зависят не только от изменения объема рабочей жидкости, но и от изменения объема стеклянного резервуара, поэтому для изготовления термометров применяются специальные сорта стекла с малым коэффициентом объемного расширения.

Жидкостный термометр состоит из стеклянных баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 12). Термометрическое вещество 2 заполняет баллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капиллярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом. Запасной резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Ртуть не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Ртутные термометры обладают наибольшей равномерностью шкалы, до 200⁰С шкала почти линейна. Допустимая погрешность не превышает одного деления шкалы. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия. У таких термометров инерционность за счет большей теплоемкости выше, а точность за счет смачивания стекла ниже.

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров – простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления. К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний, передачи показаний на расстояние и ремонта.

Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей:

1. технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые;

2. лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра;

3. жидкостные термометры (не ртутные);

4. повышенной точности и образцовые ртутные термометры;

5. электроконтактные ртутные термометры с вложенной шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи;

6. специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и другие), минимальные, метеорологические и другого назначения.

У лабораторных и других термометров, градуируемых и предназначенных для измерения при погружении в измеряемую среду до отсчитываемого деления, могут возникать систематические погрешности за счет выступающего столбика термометра. Если капиллярная трубка будет погружена в измеряемую среду не полностью, то температура выступающей части капиллярной трубки будет отличаться от температуры измеряемой среды, в результате возникнет погрешность измерения. Поправку в градусах на выступающий столбик в показания термометра можно внести по уравнению:

(1)

где - коэффициент видимого объемного теплового расширения термометрической жидкости в стекле , t – действительная температура измеряемой среды ⁰C, t_в.с. – температура выступающего столбика, измеренная с помощью вспомогательного термометра ⁰С, n – число градусов в выступающем столбике.

У термометров, предназначенных для работы с неполным погружением, может возникнуть аналогичная систематическая погрешность, если температура окружающей среды, а, следовательно, и выступающего столбика будут отличаться от его температуры при градуировке. Поправка , в этом случае

(2)

где - температура выступающего столбика при градуировке ⁰C (в первом приближении допустимо считать ), - средняя температура выступающего столбика ⁰С.

Поправки по (1) и (2) могут иметь большие значения у термометров с органическими термометрическими жидкостями, для которых коэффициент примерно на порядок выше, чем у ртутных термометров.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: