1. Методы измерения температур

1.1. Температурные шкалы

Термином «температура» называют величину, характеризующую степень нагретости вещества. Непосредственное измерение степени нагретости тел может быть проведено человеком лишь весьма приближенно (холодный, теплый, горячий, раскаленный, при высоких температурах – по цвету свечения нагретого вещества). Поэтому приходится прибегать к косвенным методам, к измерению таких физических свойств тел, которые однозначно связаны с их температурой и которые в то же время могут быть сравнительно просто и удобно измерены. Для этой цели используются объемное или линейное расширение тел при нагревании (дилатометрические термометры), изменение их электрического сопротивления (электрические термометры сопротивления), изменение развиваемой ими (в паре с другим телом) термо - э.д.с. (термоэлектрические пирометры), изменение количества излучаемой ими энергии (пирометры излучения).

Для установления температурной шкалы необходимо найти такие изменения вещества, которые происходят всегда при одних и тех же температурах и которые можно воспроизводить по желанию. Такими изменениями являются фазовые превращения веществ, осуществляемые при нормальном атмосферном давлении; следовательно, соответствующие им температуры плавления или кипения веществ могут стать основанием такой шкалы. Обнаружение этих температур не представляет никаких затруднений. Если какое-либо твердое вещество подогреть, то его температура будет монотонно возрастать до момента начала плавления. С этого момента температура перестанет расти, так как все подводимое тепло будет идти на скрытую теплоту плавления. Так будет продолжаться до тех пор, пока все вещество не расплавится, после чего вновь начнется повышение температуры жидкой фазы вещества. В результате на графике изменения температуры во времени образуется горизонтальная площадка (рис.1), соответствующая температуре фазового превращения веще-

4

ства.

Такая же картина будет наблюдаться и при переходе тел из жидкой в газообразную фазу (кипение), а также при охлаждении вещества, при переходе из газообразного состояния в жидкое и из жидкого в твердое. Если взять две такие «реперные» точки, отметить

Рис. 1 Реперные температурные точки их на каком-либо приборе для измерения температуры и разделить интервал между ними на равные части, то можно получить температурную шкалу. Наиболее удоб-

ными (легче всего воспроизводимыми) оказались точки плавления льда и кипения воды, а в качестве прибора для измерения температуры был первоначально взят жидкостный (ртутный) термометр. Цельсий разделил на ртутном термометре интервал между точками плавления льда и испарения воды на 100 равных частей (шкала Цельсия – °С), Реомюр на 80 частей (шкала Реомюра – °Р), Фаренгейт – на 180 частей (шкала Фаренгейта) – °Ф, за нуль им была принята температура охлаждающей смеси из льда, воды, нашатыря и поваренной соли, при этом точка плавления льда оказалась равной 32 °Ф, а точка кипения воды 212°Ф).

В. Томсон (лорд Кельвин) в 1848 г. указал на принципиальную возможность определения температуры, независимо от свойств термометрического вещества, основанную на использовании второго закона термодинамики (цикл Карно). Обоснованная им абсолютная термодинамическая шкала совпадает со шкалой газового термометра, наполненного идеальным газом.

Реальные газовые термометры при использовании поправок на термодинамическую шкалу позволяют весьма точно измерять температуру тел. Однако устройство их очень сложно и для практических целей неудобно. Поэтому в 1968 г. была принята Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68), установленная на основе одиннадцати первичных воспроизводимых температурных точек, каждой из которых присвоено определенное значе-

5

ние температуры. Первичные (реперные) точки представлены в табл. 1. В МПТШ-68 различают международную практическую температуру Кельвина (символ Т) и международного практическую температуру Цельсия (символ t). Cоотношение между T и t

t = T – 273,15

Интерполяция между реперными точками в диапазоне между 13,81 К и 630,74 °С осуществляется с помощью платинового термометра сопротивления, в диапазоне 630,74°С – 1064,43 °С – с помощью платинородий-платиновой термопары. Выше 1337,58К (1064,43°С) МПТШ-68 определяют с помощью закона излучения Планка.

Примечание. За исключением тройных точек и одной точки равновесного водорода (17,042 К) присвоенные значения температур действительны для состояния равновесия при давлении 101 325 Па.

6

1.2. Дилатометрические термометры

Из дилатометрических (от латинского слова dilato – расширяю) термометров широкое распространение получили термометры объемного расширения – жидкостные стеклянные и манометрические. Термометры линейного расширения стержневые и биметаллические – как измерительные приборы не применяются, но используются как датчики в регуляторах температуры.

Жидкостные термометры

Простейшим и в то же время одним из наиболее распространенных является ртутный стеклянный термометр, основанный на различии температурных коэффициентов объемного расширения ртути и стекла или кварца. Преимуществом этих термометров является простота в обращении, легкость измерения, дешевизна; к недостаткам относятся хрупкость, относительно большие размеры и тепловая инерция датчика, ограниченный диапазон измеряемых температур.

Технические термометры выпускаются с ценой деления от 0,5-1,0 до 5-10 °С (последняя для шкал + 300 ÷ + 500 °С), допустимая погрешность составляет от ±1 до ±10°С в зависимости от верхнего предела

Лабораторные термометры предназначены для измерений, требующих большой точности. Они выпускаются с ценой деления до 0,1°С с нижними пределами от –50 до + 150°С и верхним + 20 до + 210°С соответственно. Допустимые погрешности таких термометров ±0,2 ÷ ± 1 °С в зависимости от шкалы. Кроме того, выпускаются лабораторные термометры на пределы от 0 до 100, 150, 250 и 360°С с ценой деления в 1 °С и от 0 до 500 °С с ценой деления 2, 5 и 10°С.

Ртутные термометры употребляются лишь в низкотемпературных электротермостатах и не применяются в электрических печах. В термостатах применяются также контактные термометры, предназначенные для сигнализации о достижении заданной температуры. Они представляют собой ртутный термометр с вложенной шкалой с впаянными в капилляр платиновыми контактными проволочками, соединенными с выводными клеммами на верхней го-

7

ловке термометра. Нижний контакт – нулевой, верхний – рабочий, последний впаивается у деления шкалы, при котором должна начать работать сигнализация. Доходя до этого деления, ртутный столбик замыкает контакты и включает тем самым цепь сигнализации.

Для того чтобы получить два или три предела сигнализации в капилляр контактного термометра могут быть впаяны три или четыре контактные проволоки.

Разрываемая ртутным столбиком мощность весьма мала: 2-4 В×А при напряжении 6-12 В переменного тока. Поэтому даже для цепей сигнализации обычно она оказывается недостаточной и приходится прибегать к промежуточному усилению.

Контактные термометры с впаянными контактами применяются для измерения и сигнализации температур от 0 до 300°С.

Цена деления 0,5–5°С, допустимая погрешность ±1 ¸ ±5° в зависимости от диапазона измеряемых температур.

Манометрические термометры

Манометрический термометр (рис. 2) состоит из термобаллона 8, трубчатой (или винтовой) пружины и соединяющего их капилляра 7, заполненных газом, жидкостью или паром. При изменении температуры пространства, в котором находится термобаллон, меняется давление в системе, и, следовательно, в пружине. Последняя имеет овальное или эллиптическое сечение (пружина Бурдона), и поэтому при изменении давления в ней она раскручивается или скручивается, а так как один из ее концов жестко закреплен в держателе 6, это вызывает перемещение другого ее конца, перемещение

Рис. 2 Манометрический термо-

метр с трубчатой пружиной через поводок 2, сектор 3, и трубку 5 передается ука-

Бурдона

зывающей стрелке 4.

8

Манометрические термометры позволяют измерять температуры от –130 до +550 °С.

Кпреимуществам манометрических термометров следует отнести возможность передачи показаний на сравнительно большие расстояния, так как капилляр может изготавливаться длиной до 30–60 м, и большую мощность измерительной системы, к которой могут быть пристроены пишущие и контактные устройства. Благодаря этому эти приборы могут изготовляться как указывающие, регистрирующие, сигнализирующие и регулирующие.

Кнедостаткам манометрических термометров следует отнести большой размер и тепловую инерцию датчика (термобаллона), постепенную деформацию в эксплуатации термобаллона и капилляра, сбивающую градуировку, вследствие чего требуется периодическая их проверка, и относительную трудность ремонта.

Наиболее распространенные у нас газовые манометрические термометры типа ТГ наполнены азотом и имеют пределы измерения от 0 до 300 °С.

Газовые термометры заполняются азотом под давлением, поэтому влияние атмосферного давления на показания прибора сведено к минимуму и с ним можно не считаться. Естественно, температура окружающей среды влияет на их показания, однако при правильном выборе отношения объемов баллона

икапиллярной трубки они могут достаточно точно работать при длине капилляра до 30–40 м. Этот же недостаток – влияние температуры окружающей среды – имеют и жидкостные термометры, для них в качестве рабочей жидкости могут применяться метиловый спирт, ксилол или ртуть.

Паровые манометрические термометры имеют термобаллон, заполненный на 2/3 объема низкокипящей жидкостью, например бензолом, ацетоном, хлор-метилом. Остальная треть баллона занята паром этих жидкостей. Капилляр и пружина заполнены жидкостью, которая при рабочих температурах не испаряется (например, смесь глицерина, воды и спирта). Так как упругость насыщенного пара очень быстро возрастает с температурой, то влияние расширения жидкости в капилляре и пружине ничтожно, поэтому можно изготавли-

9