Термометрическое тело – это тело, у которого термометрическое свойство достаточно сильно зависит от температуры и легко воспроизводится практически.
Например, у спирта, ртути или воздуха значительно изменяется объём при изменении температуры. Термометрическим свойством в этом случае является объем, а термометрическим телом соответственно спирт, ртуть или воздух.
У друг х тел при изменении температуры значительно изменяется электр ческое сопротивление и т.п.
При разработке конкретного прибора для измерения температу- |
|
С |
|
ры необход мо вы рать тело, у которого происходит значительное |
|
некоторого физического параметра под действием темпе- |
|
ратуры. |
|
изменен |
|
1.2.2. Методы измерения температуры. |
|
Термометры и пирометры |
|
Методыбизмерения температуры можно разделить на две основ- |
|
ные группы: контактные методы (термометрия) и бесконтактные ме- |
|
тоды (пирометрия). |
|
Соответственно для измерения температуры используются тер- |
|
А |
|
мометры и пирометры. |
|
Термометр (от греч. terme – тепло и metreo – измерять) – прибор |
|
|
Д |
для измерения температуры посредством контакта с исследуемой средой. Принцип действия прибора основанИна нулевом законе термодинамики.
Пирометр (от греч. pýr – огонь) – прибор для дистанционного измерения температур, как правило, оптическими методами. Принцип действия пирометров основан на измерении интенсивности теплового излучения тел в соответствии с законом КиргоффаИ.
Основными компонентами измерительных приборов являются: чувствительный элемент или датчик, включающий в себя термометрическое тело, которое обладает определенным термометрическим свойством и указатель, отображающий численное значение соответствующего параметра (видео 1).
Достаточно важными параметрами при практическом использовании приборов для измерения температуры являются их чувствительность и инерционность.
Чувствительность прибора характеризует его погрешность, т.е.
6
реакцию на некоторое изменение температуры измеряемой среды. Чем чувствительнее прибор, тем на меньшее изменение температуры он реагирует и меньше погрешность измерения.
Инерционность термометра характеризует его динамические свойства – быстроту реагирования на изменение температуры изме- Сряемой среды. Она оценивается временем, в течение которого термометр покажет действительную температуру тела. А это произойдёт не раньше, чем температура термометрического тела термометра срав-
няется с температурой измеряемой среды. Таким образом, любой интенстермометр всегда отображает свою собственную температуру.
Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах, где температура оценивается без непосредственного контакта, но по
ходимо дбстанц онное измерение температур.
вности теплового излучения измеряемой среды.
П рометр я спользуется в металлургии для измерения высокой температуры расплава и проката, а в других случаях, когда необ-
1.2.3. ТемпературныеАшкалы. Реперные точки.
Градуировка термометров
Температурная шкалаД– система последовательных значений температуры, связанных со значениями измеряемой физической величины, т. е. температурная шкала, отображает последовательные
значения некоторого физического параметра, характеризующего определенное термометрическое свойство. Например, тепловое расширение тел, изменение электрического сопротивления проводников.
Для измерения температуры необходимоИвыполнить градуировку термометра.
Распространение получили температурные шкалы Цельсия
(Celsius) (°С), Фаренгейта (Farenheit) (°F), Реомюра (Reaumur) (°R) и
абсолютная (термодинамическая) температурная шкала (К). И
Градуировка средства измерения (нем. graduiren – градуировать, от лат. gradus – шаг, ступень, степень) – метрологическая операция, при помощи которой средство измерения или измерительный прибор снабжают шкалой или градуировочной таблицей (графиком). Отметки шкалы должны с требуемой точностью соответствовать значениям измеряемого параметра.
Градуирование термометра – процедура разметки шкалы будущего термометра в единицах температуры.
7
Для построения температурной шкалы термометра необходимо выполнить три условия:
1) задать точку начала отсчёта;
2) воспроизвести как минимум две эталонные температуры –
реперные точки (repere франц. – исходная точка); |
|
С |
|
3) задать размер единицы температуры (градус). |
|
В качестве реперных точек принимается значение физического |
|
параметра при температурах фазовых переходов некоторых веществ |
|
(плавлен е льда |
ли кипения воды). |
делений |
|
Между двумя реперными точками шкала разбивается на опреде- |
|
лённое ч сло |
. Одно деление соответствует единице темпе- |
ратуры – одному градусу. |
|
В температурной шкале Цельсия (Celsius) (°С) за начало отсчё- |
|
та пр нята температура таяния льда, а интервал между температура- |
|
ми таян я льда к пения воды при нормальном атмосферном давле- |
|
нии (760 мм рт. ст.) разделён на 100 равных частей. Температура |
|
|
А |
по шкале Цельсия выражается в градусах Цельсия (°С), при этом тем- |
|
пературабтаяния льда принимается равной 0°С, кипения воды – |
|
100°С. |
|
В термодинамике используется абсолютная температурная |
|
|
Д |
шкала (термодинамическая), которая не зависит от свойств исполь- |
|
зуемого термометрического вещества (рабочего тела) и основана на |
|
втором законе термодинамики. Единицей измерения температуры в |
|
этой температурной шкале является кельвин (К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта шкала наиболее удобна при построении физических теорий и выполнении термодинамических расчётов (в ней отсутствуют отрицательные значения). Началом отсчёта при-
нята температура абсолютного нуля – точка нулевого давления газа |
||
(когда скорость молекул должна быть равна нулю) [1,3]. По шкале |
||
Цельсия это температура – 273,15°С. |
И |
|
|
|
|
Особо следует отметить равенство одного градуса абсолютной |
||
термодинамической шкалы и шкалы Цельсия: |
1 К = 1 °С. |
|
Между данными шкалами существует соотношение |
||
T (K) 273,15 t C . |
И |
|
(2) |
||
8
В зависимости от чувствительного элемента (термометрического тела) и его термометрического свойства существует следующие
Сосновные типы приборов для измерения температуры [1,2].
Основные т пы приборов для измерения температуры:
изменен1) термометры расширения, основанные на тепловом расшире-
нии ж дкостей твердых тел (ртутные, спиртовые, биметаллические) ( илл. 1);
2) манометр ческие термометры или газовые, основанные на
давлен я жидкости, пара или газа при условии постоянст-
ва объема внутри замкнутого сосуда неизменного объема при измене-
нии температуры ( |
лл. 2); |
|
А |
||
3) термометры сопротивления, использующие изменение ак- |
||
тивного бсопротивления проводников и полупроводников при измене- |
||
нии температуры (илл. 3), (илл. 4); |
|
|
4) термоэлектрические термометры (термопары), использую- |
||
|
Д |
|
щие образование в паре проводников (в спае соединения) термоэлек- |
||
тродвижущей силы (илл. 5); |
|
|
5) пирометры |
излучения, использующие лучеиспускательную |
|
способность тел. |
|
|
На практике приборы для измерения температуры выбирают, |
||
исходя из следующих требований: |
И |
|
диапазона температуры, в котором будет работать термометр;
необходимой точности измерения;
допустимой инерционности прибора;
удобства доступа и удалённости от места измерения температуры. И
9
Термометры расширения бывают двух основных типов: жидко-
стные и механические ( видео 2). |
|||
СН |
|
|
|
Принцип действия жидкостных термометров (рис. 1 а, б) осно- |
|||
ван на изменении объема жидкости (термометрического вещества) |
|||
при зменен |
|
температуры измеряемой среды. В качестве термомет- |
|
рическ х тел |
|
спользуют: ртуть (Hg), этиловый спирт (С2Н5ОН), то- |
|
спользование |
|||
луол ( 6Н5 |
3), пентан (С5Н2) и др. |
||
Отмет м, что воду нельзя применять в качестве термометриче- |
|||
ского тела, так как |
ъем воды с повышением температуры изменяет- |
||
ся нел нейно: сначала падает, а потом растет, что делает невозмож- |
|||
ным его |
|
|
в термометрах. |
На |
|
ш рокое распространение получили ртутные стеклян- |
|
ные термометры, |
которые изготовляются двух типов: с вложенной |
||
|
|
А |
|
внутренней шкалой и палочные (см. рис. 1, а, б). |
|||
Ртутныйболеестеклянный термометр с вложенной внутренней шка- |
|||
лой (рис. 1, а) состоит из термобаллона с ртутью 1, соединённого с |
|||
тонкостенным капилляром 2, напротив капилляра находится пластинка с нанесённой на ней шкалойД3. Тонкостенный капилляр, пластинка
со шкалой помещены в наружную оболочку 5, припаянную к термобаллону.
Ртутный стеклянный палочный термометр (см. рис. 1, б) состоит из термобаллона 1, соединенного с толстостенным капилляром 2. Шкала 3 у этого термометра нанесена на наружную поверхность ка-
размягчения стеклянной оболочки термометраИ, нижний – температурой затвердевания ртути (– 35 °С).
пилляра в виде насечки по стеклу. |
|
|
|
Ртутными |
термометрами |
измеряют |
температуру |
от – 30 °С до + 500 °С. Верхний предел определяется температурой |
|||
|
|
И |
|
Для измерения более низких температур используют спирт.
На практике также часто используют механические термометры расширения. Принцип действия механических термометров расширения основан на разности коэффициента линейного расширения двух твердых тел (обычно металлов). Механические термометры можно подразделить на две группы: дилатометрические и биметаллические.
10