Понятие о температуре и о температурных шкалах

 

В 1968.г. Международный комитет  мер и весов, в соответствии с  решением XIII Генеральной конференции  по мерам и весам, принял новую Международную практическую шкалу 1968 г. — МПТШ-68, заменяющую действующую шкалу МПТШ (1948 г.).

МПТШ-68 выбрана таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре, и разности между ними оставались в пределах современной точности измерений.

Основная единица термодинамической  температуры Т названа кельвин  и обозначается символом К – Кельвин  есть 1/273,16 часть термодинамической  температуры тройной точки воды. Единица, применяемая для выражения  температуры Цельсия, градус Цельсия (°С), равна кельвину. Разность температур может быть выражена либо в Кельвинах, либо в градусах Цельсия.

Температура Цельсия / = Т  — 273,15К.

МПТШ-68 основана на значениях  температур, присвоенных определенному числу воспроизводимых состояний (определяющих постоянных точек), часть которых приведена в табл. 2. По МПТШ-68 значительно расширен диапазон измерения низких температур—до 13,81 К. Уточнен порядок воспроизводства постоянных точек, интерполяции между постоянными точками и определения температурной шкалы выше последней постоянной точки (проект ГОСТа «Единицы физических величин»).

МПТШ-68 введена, как обязательная, с 1 января 1971 г.

 

Устройства для измерения  температур

Температуру измеряют с помощью  устройств, использующих различные  термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств, применяемых  в промышленности, при научных исследованиях и для специальных целей. В табл. 2-3 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

До последнего времени  узаконенных терминов и их определении  для устройств измерения температуры  не существовало. Только в июле 1968 г. был введен в действие новый ГОСТ 13417—67, устанавливающий такие понятия. Приведем некоторые из них.

Таблица   3

Практические пределы  применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерении  температур

 
 

Термометрическое свойство	Наименование устройства	Пределы длительного применения, °С
		нижний	верхний
Тепловое расширение	Жидкостные   стеклянные  термометры	-190	600
Изменение давления	Манометрические   термометры	-160	600
Изменение    электрического  сопротивления	Электрические      термометры сопротивления	-200	500
	Полупроводниковые термометры сопротивления    (термисторы, терморезисторы)	-90	+ 180
Термоэлектрические эффекты (термо-э.д.с.)	Термоэлектрические  термометры     (термопары)    стандартизованные	-50	1600
	Термоэлектрические        термометры    (термопары)     специальные	1300	2500
Тепловое излучение	Оптические  пирометры	700	6000
	Радиационные  пирометры	20	3000
	Фотоэлектрические      пирометры	600	4000
	Цветовые пирометры	1400	2800

 

 

Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры.

Чувствительным  элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.

Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой-

Пирометром называют бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.

 

Контактные методы измерения температуры

Термометры расширения

Жидкостные стеклянные термометры

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 оно находится (термометрического стекла или реже кварца).

Рис. 2. Схема жидкостного стеклянного термометра

Жидкостной термометр  состоит из: стеклянного баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 2). 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 (при температурах меньше +ЮО°С). Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.

О температуре судят по величине видимого изменения объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капилляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложенной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.

В качестве термометрического  вещества чаще всего применяют химически  чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале  температур. Некоторым недостатком ртути является малое значение ее коэффициента расширения. Нижний предел измерения ограничивается температурой затвердевания ртути и равен минус 35°С. Верхний предел измерения ртутным термометром определяется допустимыми температурами для стекла: 600°С у образцовых термометров и 500°С у технических (ГОСТ 2823—59). При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько увеличивается.

Так как температура кипения  ртути при нормальном атмосферном давлении равна 35б,58°С, то для термометров, предназначенных для измерения высоких температур, пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом под давлением. Для термометров со шкалой до 500°С давление газа достигает 20 бар (20- 10⁵ н/м²).

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 (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи показаний на расстояние (если не пользоваться средствами телевидения) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!).

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

1. Технические (ГОСТ 2823—59) ртутные, с вложенной шкалой, с  погружаемой в измеряемую среду  нижней частью, прямые (рис. 3-2, а) и угловые (рис. 3-2, б, в). Термометры изготовляются со шкалами от -35 до + 50°С и от 0°С до 50; 100; 150; . . .; 500°С. Цена наименьшего деления шкалы в пределах измерения до +50°С

Рис  3.-2. Основные разновидности   жидкостных   стеклянных  термометров:

а — технический, ртутный, с вложенной шкалой, прямой; бив — угловые; е - лабораторный, ртутный, палочный; д — то же, с вложенной шкалой; е — спиртовой, для наружного воздуха, с прикладной шкальной пластинкой; ж — ртутный, электроконтактный, с неподвижными контактами.

 

составляет 0,5 или 1°С и, постепенно возрастая,  достигает  5   или 10°С при верхних пределах измерений 450 и 500°С.

2. Лабораторные (ГОСТ 215—57) ртутные,  палочные или с вложенной шкалой (рис. 3-2, г и д), погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра  (5—11мм). Термометры по пределам измерения и цене деления шкалы подразделяются на четыре группы. Наиболее точные термометры с ценой деления шкалы 0,1°С имеют интервал   измерения   50°С,  например   от   +150  до   +200°С   (не   выше + 350°С). Верхний предел измерения для шкал, начинающихся  от 0°С, равен 500°С при цене деления шкалы 2°С.

3. Жидкостные   (не   ртутные)    термометры    (ГОСТ    9177—59) выпускаются в различном конструктивном оформлении, в том числе с прикладной  шкальной   пластинкой   (рис.  3-2, в), для  измерения температур от — 190 до + 100°С.

4. Повышенной   точности   и  образцовые   ртутные  термометры с   верхним   пределом   измерения   600°С    характеризуются   малой ценой деления шкалы — до 0,01°С.

5. Электроконтактные ртутные  термометры с вложенной  шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для  разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи. Изготовляются для измерения либо постоянной температуры контактирования  (рис. 3-2,ж), либо произвольно изменяемой в пределах от 0 до 300°С (ГОСТ 9871—61).

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

Погрешности и  поверка жидкостных стеклянных термометров

Допустимые погрешности  измерения технических термометров  не должны превышать одного деления (цены деления) шкалы. Так, для пределов измерения от 0 до 100°С при цене деления  в 1 или 2°С допустимая погрешность составляет ±1 или ±2°С

Для остальных разновидностей термометров допустимые погрешности при одной и той же цене деления устанавливаются различными для разных температурных интервалов. Так, например, у лабораторных термометров с ценой деления шкалы ОГС и пределами измерения от 0 до +50°С допустимая погрешность составляет ±0,2°С, а для пределов измерения от +250 до +300^ЪС возрастает до ±0,8°С.

Допустимая погрешность  показаний у образцовых термометров  много ниже. Так, например, для температурного интервала от 0 до + 60°С, при цене деления  шкалы О.ОГС допустимая погрешность  не должна превышать ±0,03°С. Для других методов измерения температуры  такие ничтожные погрешности  практически не достижимы.

Поверка показаний жидкостных термометров производится в термостатах* путем сличения с образцовыми  приборами более высокого класса точности.

Поверка положения нулевой  точки в ледяном термометре обязательна для всех термометров, на шкале которых она нанесена. Нулевую точку поверяют обычно дважды: до начала поверки шкалы и сразу после поверки ее максимальной отметки. Положения нулевой точки в обоих случаях могут не совпадать за счет явления термического последействия (когда стекло не сразу принимает те размеры, которые соответствуют нулевой температуре). Современные термометры в процессе изготовления подвергаются искусственному старению и отжигу, что снижает температурную депрессию за счет термического последействия до значения, не превышающего обычно максимально допустимую погрешность термометра.

Поверка в точке кипения  воды производится в паровом термостате • (водяном кипятильнике). Температуру определяют по величине атмосферного давления с поправкой на избыточное давление в кипятильнике.

Для поверки отрицательных  температур до минус 80°С используют криостат, заполняемый спиртом или другой незамерзающей жидкостью. Температуры в интервале от +1 до +95°С поверяют в водяном, в интервале от +95 до 300°С — в масляном и в интервале от 300 до 600°С — в солевом термостате.

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 (рис. 3), 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 

Рис. 3. Возможные случаи погружения термометра  в измеряемую среду:

 

а — полное;   б — с   выступающим   столбиком

(1)

где  — коэффициент видимого  объемного  теплового   расширения термометрической жидкости в стекле,   град^-1 ;t — действительная температура измеряемой среды, °С; t_в._с — температура выступающего   столбика,   измеренная   с   помощью вспомогательного термометра, °С; 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 будет отличаться от его температуры при градуировке. Поправка, град, в этом случае

(2)

где t' — температура выступающего столбика при градуировке, °С (в первом приближении допустимо считатьt'=+20°C); t" — средняя температура выступающего столбика, °С.

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

 

Биметаллические и дилатометрические термометры

Действие биметаллических  и дилатометрических термометров  основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных  твердых тел.

В биметаллических  термометрах в качестве чувствительного элемента используют пластинки или ленты, состоящие из двух слов разнородных металлов, характеризуемых различными коэффициентами теплового расширения. Чаще всего применяют медно-цинковый сплав — латунь (70% Cu + 30% Zn) и сплав железа с никелем —инвар (64% Fe + 36% Ni), с существенно различными коэффициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град^-1 для латуни и 0,000001 град^-1 для инвара. При изменении температуры биметаллической пластинки она деформируется (рис.4) вследствие неодинакового расширения отдельных слоев пластинки. Если закрепить неподвижно один конец пластинки, то по перемещению другого конца, соединенного с указателем, можно судить об изменении температуры.

Чувствительные элементы биметаллических термометров обычно выполняют в форме спиралей, соединяемых  со стрелочным указателем. Такие термометры класса точности 2,0 или 2,5 применяют для измерения температуры атмосферного воздуха.