Температура

Температу́ра - (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия

Температура не может быть измерена непосредственно. Об изменении температуры судят по изменению других физических свойств тел (объема давления, электрического сопротивления, эдс, интенсивности излучения и др.) однозначно с ней связанных. Любой метод измерения температуры связан с определением температурной шкалы.

Основной температурной шкалой является термодинамическая. Единица измерения термодинамической температуры Т - кельвин (К), определяемый как 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды.

В инженерной практике достаточно широко используют нестандартные эмпирические температурные шкалы ртутно-стеклянных термометров, например шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и др. Наиболее известна температурная шкала А. Цельсия, предложенная им в 1742 году. В этой шкале интервал между точкой таяния льда (принятой за 0⁰) и точкой кипения воды при нормальных условиях (принятой за 100⁰) был разделен на 100 равных частей (градусов). Градус Цельсия принят в точности равным единице измерения термодинамической температуры – кельвину (К), Тройной точке воды Х Генеральная конференция по мерам и весам (1954) присвоила значение 0,01⁰ С. Поэтому связь шкалы Цельсия с термодинамической шкалой определяется формулой : T[K] = t[⁰C] – 273,15.

В начале 20-го века широко использовалась температурная шкала Р. Реомюра (предложенная в 1730 г.), в которой интервал между точкой таяния льда (принятой за 0⁰ ) и точкой кипения воды (80⁰) разделен на 80 равных частей, в связи с чем величина градуса Реомюра (⁰R) значительно больше, чем величина градуса Цельсия (⁰С). 1 °Ré = 1,25 °C. В настоящее время шкала Реомюра практически вытеснена 100 - градусной шкалой Цельсия.

В США и в Великобритании широко используемой температурной шкалой является шкала Фаренгейта. В настоящее время реперными точками этой шкалы являются температура таяния льда (принятая за 32⁰ F) и температура кипения воды (принятая за 212⁰ F). Температуры из шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта переводятся по формуле: t[⁰F] = (9/5) t[⁰ C] + 32.

В научной и инженерной практике США и Великобритании используют шкалу Рэнкина (Rankine). Ноль этой шкалы совпадает с нолем термодинамической температуры. Однако величина деления этой шкалы – градус Рэнкина (⁰Rn) отличается от величины кельвина, а приравнена к величине градуса Фаренгейта. Пересчет в шкалу Рэнкина температур, выраженных в кельвинах или в градусах Цельсия осуществляется по формулам: t[⁰Rn] = (9/5) T[K]; t[⁰Rn] = 491,67 + (9/5) t[⁰C].

Методы измерения температуры различны для разных диапазонов измеряемых температур, они зависят от условий измерений и требуемой точности. Их можно разделить на две группы методов: контактные (термометрия) и бесконтактные (пирометрия).

 

Термометры (контактная термометрия)

Для контактных методов характерно, что прибор измеряющий температуру среды, должен находится с ней в тепловом равновесии (иметь одинаковую температуру). Основными узлами всех приборов для измерения температуры являются чувствительный элемент, где реализуется термометрическое свойство и связанный с ним измерительный прибор (вторичный прибор). Вторичные измерительные приборы (потенциометры, манометры, милливольтметры, измерительные мосты и др) определяют точность измерения температуры.

Жидкостный термометр

Чувствительный элемент – жидкость. Принцип действия – тепловое расширение жидкости .Диапазон измеряемых температур от -200 до 750⁰ С.

Представляет собой прозрачный стеклянный (кварцевый) резервуар, с припаянным к нему капилляром из того же материала. Шкала измерения наносится либо на капилляр (палочный ж.т.), либо на пластину, жестко скрепленную с ним (термометр с наружной шкалой).

В зависимости от диапазона измерений ж.т. заполняют пентаном (от -200 до 35⁰ С), этиловым спиртом (от -80 до 70⁰ С), керосином (от -20 до 300⁰ С), ртутью (от -38 до 356⁰ С). Температуры указаны для нормального атмосферного давления. Точность ж.т. определяется ценой деления его шкалы и глубиной погружения в измеряемую среду. Погружать жидкостный термометр следует до отсчитываемого деления шкалы или специально нанесенной черты. Если это невозможно, следует делать поправку на выступающий столбик.

Газовый термометр

Чувствительный элемент – газ (гелий, азот). Принцип действия – зависимость давления р или объема V идеального газа от температуры:

 

рV=vRT. (2.1)

где v –число молей идеального газа.

Обычно применяют г.т. постоянного объема, в котором изменение температуры пропорционально изменению давления. Колба термометра постоянного объема изготовлена из металла достаточной толщины, чтобы предотвратить влияние сжатия. С помощью тонкого капилляра она соединена с точным манометром (обычно – ртутным), содержащим очень небольшой объем газа. Диапазон измеряемых температур от 2 до 1300 К. Предельно достижимая точность 10^-3 К. Погрешность измерения определяется неидеальностью газа, изменением объема баллона при изменении температуры, наличием примесей в газе, диффузией газа сквозь стенки и др.

Газовые термометры являются стандартными средствами градуировки других измерительных устройств в метрологических учреждениях .

Манометрический термометр

Чувствительный элемент – жидкость, газ или насыщенный пар в баллоне. Принцип действия – тепловое расширение наполнителя и зависимость давления от температуры. В зависимости от наполнителя различают газовые (азот), жидкостные (ртуть), парожидкостные (хлористый этил и др.)

Диапазон измеряемых температур от -60 до 550⁰ С.

Вторичными приборами являются пружинные манометры, соединенные с баллоном капилляром.

 

Термоэлектрический термометр

Чувствительный элемент – термопара, датчик температуры, состоящий из двух соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов (металлов или полупроводников). Принцип действия основан на эффекте Зеебека: в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термоэдс, если места контактов поддерживают при разных температурах. Величина возникающей термоэдс ε в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего (Т₂) и холодного (Т₁) контактов. В небольшом интервале температур термоэдс можно считать пропорциональной разности температур:

ε = α₁₂ (Т₂-Т₁) (2.2)

где α₁₂ — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс).Термоэлектрическая способность металлических проводников обычно в пределах 5-60 мкВ/К, у полупроводников может быть на порядок выше. В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры меняет знак.

Вторичными приборами термоэлектрических термометров являются приборы для измерения напряжения (милливольтметры, потенциометры и др).

Термоэлектрические термометры используются в самых различных диапазонах (от нескольких градусов К до 2800 К) и широко применяются в различных системах управления и контроля.

 

Термометры сопротивления

Приборы для измерения температуры, основанные на зависимости электрического сопротивления металлов (сплавов) и полупроводниковых материалов от температуры. Соответственно называются термосопротивлением, терморезистором (термистором). Условное обозначение термометров сопротивления показано на рисунке.

а) термосопротивление

Чувствительный элемент - очень тонкая металлическая (платина, никель или медь) проволока (пленка), намотанная (напыленная) на каркас. В зависимости от диапазона измерения, несущие каркасы могут быть изготовлены из термостойкой пластмассы, керамики, стекла или слюды. Изготавливаются в металлическом или керамическом корпусе.

Зависимость электрического сопротивления от температуры:

R = R₀ (1+ αt⁰), (2.3)

где - α - температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Соотношение (2.3) справедливо для температур выше - 200⁰ С. При низких температурах сопротивление .

Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры. Платина имеет высокий температурный коэффициент сопротивления и высокую стойкость к окислению. Эталонные термометры изготавливаются из платины высокой чистоты с температурным коэффициентом не менее 0,003925. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Термометры сопротивления на основе напыленной на подложку плёнки отличаются повышенной вибропрочностью, но меньшим диапазоном температур. Максимальный диапазон, в котором установлены классы допуска платиновых термометров для проволочных чувствительных элементов составляет 660 °C (класс С), для плёночных 600 °C (класс С). Термометры сопротивления обладают высокой точностью измерений (выше градуса), но малым диапазоном (по сравнению с термопарами).

Вторичными приборами термосопротивлений являются приборы для измерения сопротивления или мосты постоянного тока.

б) терморезистор

Чувствительный элемент - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от изменения температуры.

Различают терморезисторы с отрицательным и положительным ТКС. Т. с отрицательным ТКС изготовляют из смеси поликристаллич. оксидов переходных металлов легированных Ge и Si, полупроводников типа AIIIBV, стеклообразных полупроводников и др. материалов. Зависимость сопротивления от температуры имеет вид

R = R₀ ехр (ΔЕ/2kT), (2.4)

где ΔЕ- ширина запрещенной зоны полупроводника.

T. с положительным TKC обычно называют позисторами. T. с небольшим положительным TKC выполнены на основе Si с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется с темп-рой примерно по линейному закону (2.3).

Для Т. характерны большой ТКС (в десятки раз превышающий ТКС металлов), простота устройства, способность работать в разл. климатич. условиях при значит. механич. нагрузках, стабильность характеристик во времени.

Различают Т. низкотемпературные (рассчитанные на работу при темп-pax ниже 170 К), среднетемпературные (170- 510 К) и высокотемпературные (св. 570 К). Кроме того, существуют Т., предназначенные для работы при 4,2 К и ниже и при 900-1300 К. Режим работы Т. зависит от того, на каком участке статистической вольт-амперной характеристики выбрана рабочая точка.

 

Механические термометры расширения

По конструкции различают пластинчатый (биметаллический) и стержневой (дилатометрический) термометры, действие которых основано на относительном удлинений под влиянием температуры двух твердых тел, имеющих различные температурные коэффициенты линейного расширения.

Зависимость длины l твердого тела от его температуры t выражается равенством

l = l₀ (1+ αt⁰), (2.3)

где l₀- длина тела при температуре 0 °С; α - средний температурный коэффициент линейного расширения (ТКР) тела (K^-1). ТКР в общем случае зависит от температуры, но в небольшом интервале температур его можно считать постоянным.

Диапазон измеряемых температур от -50 до 450⁰ С. Преимуществами механических термометров расширения является их прочность, точность, нечувствительность к изменениям внешнего давления и способность измерять температуру любых веществ почти во всех фазовых состояниях

а) Пластинчатый термометр

Чувствительный элемент – биметалл (соединение двух металлов прочно прилегающих друг к другу по всей поверхности соприкосновения).

Состоит из двух изогнутых и спаянных между собой по краям металлических полосок, из которых одна полоска имеет большой коэффициент линейного расширения, вторая - малый. Полученная пластинка меняет в зависимости от температуры степень своего изгиба, величина которого при помощи тяги, рычага и соединенной с ним стрелки указывается по шкале прибора. При увеличении температуры пластинка изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом' линейного расширения.

 

б) Стержневой (дилатометрический) термометр

Имеет закрытую с одного конца трубку, помещаемую в измеряемую среду и изготовленную из материала с большим коэффициентом линейного расширения. В трубку вставлен стержень, прижимаемый к ее пну рычагом, скрепленным с пружиной. Стержень изготовлен из материала с малым коэффициентом расширения. При изменении температуры трубка изменяет свою длину, что приводит к перемещению в ней стержня, сохраняющего почти постоянные размеры и связанного посредством рычага с указательной стрелкой прибора.

Волоконно-оптические датчики температуры

Применение оптоэлектронных приборов для измерения температуры, при которой стеклянные волокна используются в качестве линейных датчиков (чувствительных элементов).

Физические воздействия на оптоволокно, такие как: температура, давление, сила натяжения - локально изменяют характеристики пропускания света и как следствие, приводят к изменению характеристик сигнала обратного отражения. В основе измерительных систем на основе оптоволоконных датчиков используется сравнение спектров и интенсивностей исходного лазерного излучения и излучения, рассеянного в обратном направлении, после прохождения по оптоволокну.

Схематическая структура волоконно-оптической системы измерения температуры состоит из блока формирования сигнала с частотным генератором, лазера, оптического модуля, приемного блока и блока микропроцессора, а также световодного кабеля (кварцевое стеклянное волокно) в качестве линейного температурного датчика. Интенсивность лазера в течение интервала времени измерения модулируются синусообразно, а частота — в виде линейной частотной модуляции. Частотномодулированный свет лазера направляется в световод. В любой точке вдоль волокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всех направлениях. Часть комбинационного рассеянного света движется в обратном направлении к блоку формирования сигнала. Затем выполняется спектральная фильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в измерительных каналах в электрические сигналы, усиление и электронная обработка микропроцессором.

Термическая стойкость стекловолоконного покрытия ограничивает максимальный диапазон температуры световодного кабеля. Стандартные волокна для передачи данных располагают акриловым покрытием или покрытием, затвердевшим в результате УФ (ультрафиолетового) излучения, и пригодны для диапазона температур до 80 °C. Стекловолокно с полиамидным покрытием может использоваться до максимальной температуры 400 °C.

 

 

Пирометры (бесконтактная термометрия)

Совокупность бесконтактных методов измерения температуры, основанных на измерении интенсивности теплового излучения (поглощения) тел. При температурах менее 1000 °C играют в целом второстепенную роль, выше 1000 °C становятся главными, свыше 3000 °C – практически единственными методами измерения температуры. Пирометры измеряющие температуру до 1000 °C называют низкотемпературными, свыше 1000 °C –высокотемпературными. В пирометрии используется всего два основных метода измерения температуры нагретых тел по излучению: оптический и радиационный.

 

Радиационный пирометр

Использует зависимость энергетической яркости (интенсивности) излучения от температуры в ограниченном диапазоне волн — как правило, в инфракрасном диапазоне (соответственно, измерительные приборы, использующие этот метод, называются инфракрасными термометрами, инфракрасными радиометрами или инфракрасными пирометрами).

Мощность, излучаемая во всем диапазоне длин волн с единицы площади нагретого тела в соответствии с законом Стефана-Больцмана

R_T=ασT⁴, (2.4)

где α- испускательная способность тела, s=5.67×10^-8 Вт/(м²×К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана.

Поскольку яркость излучения объекта пропорциональна температуре, измерив и пересчитав яркость, можно получить точное значение температуры.

Действие радиационных пирометров основано на измерении мощности теплоизлучения при помощи термоприемника. Излучение фокусируется с помощью линзы объектива на термоприемник , который представляет собой термобатарею из четырех последовательно соединенных термопар или терморезистор, заключенных в колбу с экраном. Излучение от объекта измерения нагревает термоприемник, благодаря чему в термопарах возникает электродвижущая сила измеряемая с помощью милливольтметра или изменяется ток в цепи терморезистора. Получившийся на выходе датчика сигнал обрабатывается, а результат отображается на дисплее.

Радиационные пирометры измеряют температуру в диапазоне -40 °С - 2000 °С и выше. Неправильный выбор коэффициента испускательной способности — основной источник погрешности для всех пирометрических методов измерения температуры. На величину испускательной способности оказывает влияние состояние объекта (твердое тело, жидкость или газ), фактура поверхности (гладкая, шероховатая), наличие защитных покрытий, пленок, естественных образований вроде ржавчины, накипи и другие факторы.

Погрешность, вызванную отклонениями испускательной способности, можно компенсировать. Для этого большинство современных пирометров оснащаются специальными регуляторами, позволяющими подстраивать прибор под свойства конкретного объекта. Наличие такого регулятора позволяет корректировать результаты измерений и добиваться высокой точности при измерении температуры самых различных объектов

Преимущество радиационных пирометров — хорошая разрешающая способность (гораздо выше, чем у оптических пирометров той же ценовой категории). Радиационные пирометры идеально подходят для измерения температур ниже 300-400° С, а также для работы в достаточно узких спектральных диапазонах И, наконец, только радиационные пирометры могут измерять низкие температуры (до -50° C).

Оптический пирометр

Использует закономерности спектральной зависимости испускательной способности. В соответствии с законом смещения Винадлина волны, соответствующая максимальному значению испускательной способности АЧТ обратно пропорциональна термодинамической температуре

, (2.4)

где – постоянная Вина.

Известно два основных типа оптических пирометров:

Яркостный пирометр определяет температуру тела путем визуального сравнения излучения объекта в видимом спектре с излучением эталонной нити. Оператор смотрит в окуляр на измеряемый объект и регулирует величину пропускаемого через нить электрического тока, при этом нить в окуляре совмещается с изображением объекта. Как только получается подобрать такое значение, при котором цвет нити совпадает с цветом объекта, изображение нити как бы "растворяется" на фоне объекта (отсюда другое название яркостного пирометра — пирометры с исчезающей нитью). По величине тока определяется температура измеряемого объекта.

Пирометр спектрального отношения сравнивает энергетические яркости объекта в разных областях спектра. Такой пирометр использует несколько датчиков (на практике чаще всего пару) и измеряет энергетические яркости в разных частях спектра, а затем оценивает их отношение (отсюда другое название — пирометр спектрального отношения). Мультиспектральные пирометры обладают большей точностью в сравнении с яркостными, поэтому в настоящее время используются преимущественно оптические пирометры данного типа.

 

Тепловизоры

Принцип работы основан на получении видимого изображения тел по их тепловому (инфракрасному) излучению. Невидимое глазом человека излучение переходит в электрический сигнал, который подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразуется в видимое изображение теплового поля объекта для его визуальной и количественной оценки.

Инфракрасное излучение концентрируется системой специальных линз и попадает на фотоприемник, который избирательно чувствителен к определенной длине волны инфракрасного спектра. Излучение приводит к изменению электрических свойств фотоприемника, что регистрируется и усиливается электронной схемой. Полученный сигнал подвергается цифровой обработке и передается на блок отображения информации. Блок отображения информации имеет цветовую палитру, в которой каждому значению сигнала присваивается определенный цвет. После этого на экране монитора появляется точка, цвет которой соответствует численному значению инфракрасного излучения, которое попало на фотоприемник. Сканирующая система (зеркала или полупроводниковая матрица) проводит последовательный обход всех точек в пределах поля видимости прибора и в результате мы получаем видимую картину инфракрасного излучения объекта.