Понятие о температуре и о температурных шкалах

Термометры могут быть выполнены также двойными (с двумя  электрически изолированными друг от друга чувствительными элементами и с четырьмя зажимами на головке термометра).

Платиновые технические  термометры сопротивления (по ГОСТ 6651—59) выпускаются трех градуировок, отличающихся величиной сопротивления R₀ при 0°С и пределами применения:

Для измерения низких температур от 12 до 95К. (приблизительно от —261 до — 178°С) применяются специальные образцовые и лабораторные термометры сопротивления (ГОСТ 12877—67). Зависимость между сопротивлением и температурой устанавливается в этом случае по ГОСТ 12442—66.

Технические термометры поверяют обычно в двух точках: при 0°С в ледяном  термостате и приблизительно при 100°С в паровом термостате. Критериями оценки качества термометров служат значения сопротивления R0 и отношения сопротивлений R₁₀₀:R₀

Таблица  4

Зависимость сопротивления  платиновых термометров от температуры (градуировочные таблицы)

 
 

Температура,	Сопротивление R для градуировки, Ом		Температура, *С	Сопротивление К для градуировки,. Ом
	гр. 21	гр. 22		гр. 21	гр. 22
-200	7,95	17,28	250	89,96	195,56
—150	17,85	38,80	300	98,34	213,79
-100	27,44	59,65	350	106,60	231,73
- 50	36,80	80,00	400	114,72	249,38
0	46,00	100,00	450	122,70	266,74
50	55,06	119,70	500	130,55	283,80
100	63,99	139,10	550	—	(300,58)
150	72,78	158,21	600	—	(317,06)
200	81,43	177,03	650	—	(333,25)

Поверку производят по инструкциям 156—60 и 157—62 Государственного комитета стандартов, мер и измерительных приборов СССР. 

Медные термометры сопротивления

Медные термометры изготовляют  только технические (тип ТСМ) по ГОСТ 6651—59 и имеют обычно следующую  конструктивную форму.

Медная изолированная  проволока диаметром 0,1 мм наматывается, обычно бифилярно, в несколько слоев на цилиндрическую пластмассовую колодку и покрывается глифталевым лаком. Концы проволоки припаиваются к подводящим медным проводам диаметром 1,0—1,5 мм, которые присоединяются к зажимам головки термометра. Чувствительный элемент помещают в тонкостенную металлическую гильзу (рис. 8), а затем — во внешний защитный чехол с наружным диаметром 10, 14 или 21 мм в рабочей части (рис. 9), общей длиной до 2000 мм.

Термометры, предназначенные  для измерения температуры воздуха при атмосферном давлении, имеют перфорированный внешний защитный чехол (рис 9,б).

Рис. 8. Чувствительный элемент медного термометра сопротивления: а — без         защитной гильзы;   б — в  защитной гильзе

 

Рис. 9.   Внешний   вид   термометров сопротивления: а —в защитном  чехле;   б — для измерений температуры    воздуха       при     атмосферном давлении

Погрешности  измерения температуры за счет отклонений от градуировочных зависимостей R = f(t) по табл. 5 не должны превышать:

для термометров класса II  .....    = ±(0,30+3,5∙10^-3| t|) °С,

для термометров класса III ….  = ± (0,30+60∙10^-3|t |) "С.

Полные градуировочные таблицы  с интервалами температур в 1°С приведены  в приложении к ГОСТ 6651—59.

Таблица   5 

Зависимость сопротивления  медных термометров от температуры (градуировочные таблицы)

 
 

Температура, °С	Сопротивление К для градуировки, Ом		Температура. 0С	Сопротивление R для градуи-ровки, ом
	гр. 23	гр24		гр. 23	гр. 24
—50	41,71	78,70	+ 75	69,93	131,95
-25	47,36	89,35	+100	75,58	142,60
0	53,00	100,00	+125	81,22	153,25
+25	58,65	110,65	+150	86,87	163,90
+50	64,29	121,30	+180	93,64	176,68

 
 
 

 

Термоэлектрические преобразователи  

Принцип действия термоэлектрического  преобразователя основан на возникновении  электрического тока в цепи, составленной из двух разнородных проводников, при нарушении теплового равновесия мест их контактирования. Замкнутая электрическая цепь (рис.9), состоящая из двух разнородных проводников-термоэлектродов а и b, образует термоэлектропреобразователь (в дальнейшем термопара). Спай Т₁ погружаемый в измеряемую среду, называется рабочим или горячим спаем термопары, второй спай Т₂ носит название холодного или свободного.

 
 
 
 
 

рис.9. Распределение потенциалов  в цепи идеальной термопары

 
 

Согласно электронной  теории, во всех проводниках имеются  свободные электроны. Число электронов, приходящихся на единицу объема, различно для проводников. По мере повышения температуры проводника концентрация свободных электронов о единице его объёма возрастает. Эти свободные электроны диффундируют из мест с большей концентрацией в места с меньшей, т.е. в общем случае, когда концы проводника имеют разную температуру, свободные электроны диффундируют от горячего конца проводника к холодному. Следовательно, при электронной проводимости холодный конец проводника заряжается отрицательно, а нагретый - положительно. Термоэлектродвижущая сила, развивающаяся па концах однородного проводника (термоЭДС Томсона), зависит от его природы. Величина этой термоЭДС Е_Ta для конкретною проводника а определяется соотношением

(12)

где - коэффициент Томсона для данного проводника, зависящий от его материала а.

Если замкнутая цепь состоит  из двух различных однородных проводников  а и б, то суммарная термоЭДС (Томсона) в цепи равна разности термоЭДС, возникающих в каждой ветви, и определяется по формуле  

(13)

т.е. в замкнутой цепи, состоящей  из пары проб, суммарная термоЭДС зависит от абсолютных температур Т₁ и Т₂в местах их соединений.

Зеебек, проводя исследования термоэлектрических явлений в замкнутых  цепях разнородных проводников, обнаружил, (что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников а и Ь, находящихся в соприкосновении при одинаковой температуре, в месте контакта возникает термоЭДС (явление Зеебека), вследствие разности концентраций свободных электронов в каждом из проводников и контактной разности потенциалов. Если число свободных электронов, приходящихся на единицу объёма, обозначить соответственно через N_a и N_b и принять, что N_a > N_b, , то электроны проводника а будут диффундировать в проводник b в большем количестве, чем обратно из проводника b в проводник а. Вследствие этого проводник а будет заряжаться положительно, проводник  b отрицательно, при этом свободные концы проводников будут иметь некоторую разность потенциалов                                                    

(14)

где     е -заряд электрона;

k -постоянная Больцмана.

Изложенные выше закономерности позволяют заключить по термоЭДС в цепи, составленной из двух разнородных проводников, имеющих различные температуры мест их контактирования  T₁ и Т₂ определится в следующем виде: 

(15)

Таким образом, если одно из мест контактирования термопары, составленной из термоэлектродов а и Ь, выдерживать при постоянной температуре (Т₂ = const), то термоЭДС ее Е_ab(T1) будет зависеть только от температуры Т₁. Следовательно,  проградуировав ее, т. е. построив зависимость термоЭДС термопары от температуры Т₁ (рабочего конца) и выдерживая постоянной температуру Т₂ (свободного конца), можно в дальнейшем по величине измеренной термоЭДС определить температуру рабочего спая. Обычно градуировку термопары производят при температуре свободных концов Т₂ = 273,75 К (0°С)

Следует отметить, что рассматриваемый  термоэлектрический эффект обладает и обратным свойством, заключающимся в том, что если в такую цепь (см. рис.6) извне подать электрический ток, то в зависимости от направления тока один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться (эффект Пельтье).

Для измерения термоЭДС в  цепь термопары включается измерительный  прибор (милливольтметр, потенциометр и т.п.) по одной из двух схем (рис.10).

Подключение измерительного прибора в контур термопары  по обеим схемам (рис.7а, б) одинаково правомочно.   Влияние третьего проводника с не оказывается при равенстве температур 2 и 3 (см. рис. 10, а) или 3 и 4 (см. рис. 10, б).   

 
 
 
 
 
 

Рис. 10. Схемы включения  измерительного прибора в цепь термоэлектрического  преобразователя

 

Если температура свободных  концов отлична от нуля, то показания приборов будут отличаться от градуировочной. Введение поправки на температуру свободных концов может производиться следующими способами:

1)   применением удлиняющих термоэлектродных проводов, изготовленных из материалов, имеющих термоэлектрическую характеристику,   совпадающую   с   характеристикой   используемого термоэлектрического преобразователя в интервале температур от 0 до 100 - 200° С, включенных таким образом,   что паразитные термоЭДС, образующиеся в местах  контактирования включены встречно и равны по величине;

2)  применением компенсирующего моста (рис.8) для автоматического введения поправки (коробка холодных спаев), который представляет собой неравновесный мост (см.рис.8) с постоянными манганиновыми резисторами R1, R2, R3 и медным резистором R_m, находящимся в равновесии при 0° С, при отклонении температуры  свободных  концов возникающий  разбаланс  моста  U_ab компенсирует возможное снижение измеряемой термоЭДС;

3)     применением специального медного сопротивления в автоматических потенциометрах;

4)   термостатированием свободных концов при постоянной температуре 0° С или (50±0,5) °С.

Рис.8. Схема автоматической компенсации температуры свободных  концов

 
  

МАТЕРИАЛЫ  ТЕРМОПАР И  ИХ  КОНСТРУКЦИЯ

К материалам термоэлектродов  предъявляется ряд требований:

а)     однозначная и по возможности близкая к линейной зависимость термоЭДС от температуры;

б)     жаростойкость и механическая прочность с целью измерения высоких температур;

в)     химическая инертность;

г)     термоэлектрическая однородность материала проводника по длине, что позволяет восстанавливать рабочий спай без переградуировки, а также менять глубину его погружения;

д)     технологичность (воспроизводимость) изготовлении с целью получения взаимозаменяемых по термоэлектрическим свойствам материалов;  

е) стабильность градуировочной характеристики;

ж) дешевизна.

Среди этих требований есть желательные и обязательные. К  числу обязательных относятся воспроизводимость  и стабильность. Наиболее полно этим требованиям отвечают стандартные  термопары (СТ СЭВ 1059-78).

Для удобства применения термоэлектрический термометр специальным образом  армируется. Его помещают в защитные металлические или керамические трубы (чехлы). Термоэлектроды изолируют один от другого с помощью керамических трубочек (бусинок) и вставляют в трубу. Вид и материал защитных труб выбирают  в соответствии со свойствами измеряемой среды. Многочисленные конструктивные формы и необходимые принадлежности в значительной части регламентированы стандартами и другими нормативными документами.

Если физические и химические условия допускают это, то термопара  может быть введена в измеряемую среду без защитной оболочки. При  этом размеры ее могут быть приняты  малыми, чем обеспечивается благоприятное динамическое поведение.

Динамическая характеристика термоэлектрических термометров в общем виде описывается передаточной функцией  

(16)

Значение постоянной времени  и транспортного запаздывания - зависит от конструктивных размеров и используемых материалов защитного чехла. Для выпускаемых в настоящее время термоэлектрических термометров эти величины находятся в пределах . Т = 1,5 ÷ 8 мин,    =9 ÷300 с, а   = 0,11 + 0,78.

Бесконтактные методы  

Методы измерения  температуры тел по их излучению

Измерение высоких температур путем непосредственного соприкосновения измеряемой среды с термометром (контактным путем) часто практически неосуществимо. Нередко при измерениях относительно невысоких температур контактный путь измерения также нежелателен из-за больших трудно определимых систематических погрешностей или невозможен по технологическим или конструктивным соображениям (например, при измерениях температуры поверхностей вращающихся тел). Во всех этих случаях можно измерять температуру тел по их излучению бесконтактным путем. Для этого применяют пирометры-термометры, действие которых основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Возможность измерения температуры  тел по их излучению была известна давно. Широко применялся прежде метод  визуальных измерений температуры  тел по цветам каления. При нагревании, начиная примерно с температур 550 °С, тела постепенно меняют свой цвет от темно-красного до ослепительно белого. Цвета каления являются результирующим ощущением, вызванным всем комплексом лучей участка видимого излучения. Такой метод измерения весьма субъективен и может дать хорошие результаты лишь при большом опыте наблюдений за нагреванием изделий из одного и того же однородного  материала.   В настоящее   время этот метод измерения применяется очень редко.

Измерение температуры тел  по их излучению можно проводите  различными методами. Чаще всего пользуются следующими тремя методами:

1)  яркостным — по    спектральной     интенсивности    излучения телом лучей определенной длины волны(фотометрическим измерением яркости тела  в  монохроматическом  свете) — по величине J (или В);

2) радиационным — по плотности интегрального излучения (по излучательной способности) тела — по величинеЕ;

3) цветовым — по отношению  спектральной  интенсивности,   излучения телом лучей двух определенных длин волн — по отношению J : J

Яркостный метод измерения, ограниченный только видимой областью спектра, называют также оптическим.