14. Измерение температуры и теплоты 14 Основные положения. Температурные шкалы и единицы измерения

Скачать 418 Kb.

Название	14. Измерение температуры и теплоты 14 Основные положения. Температурные шкалы и единицы измерения
Анкор	14.doc
Дата	18.05.2017
Размер	418 Kb.
Формат файла
Имя файла	14.doc
Тип	Документы #9534
страница	1 из 3

1 2 3

14. Измерение температуры и теплоты
14.1. Основные положения. Температурные шкалы и единицы измерения
Для того чтобы сделать краткий обзор способов измерения температуры, следует четко разграничить научные и производственные методы и практические приемы. Для измерения могут быть использованы любые свойства твердых, жидких и газообразных веществ, изменяющиеся в зависимости от температуры: физическое или химическое состояния, линейные размеры, электрические свойства, скорость звука в газах (акустическая термометрия), собственная частота колебаний кварцевых резонаторов и т.д. Однако многие из этих параметров можно измерять только с применением сложной и дорогостоящей аппаратуры или при жесткой стабилизации параметров окружающей среды. Поэтому ниже рассмотрены только те методы измерения температуры, которые уже нашли применение в промышленности.

На практике утвердилось лишь ограниченное число методов измерения, и в последние годы к ним не прибавилось практически ни одного принципиально нового; исключением можно считать только термометр с кварцевым кристаллом. Тем не менее, в области измерений температуры достигнуты определенные успехи. Во-первых, современная электронная аппаратура для переработки измерительных сигналов дала неожиданно новый толчок для быстрого развития электрических контактных термометров. Одновременно она позволила измерять с помощью радиационных пирометров даже весьма малую энергию излучения тел с низкой температурой. Во-вторых, была разработана новая технология, позволившая изготовлять чувствительные элементы контактных электрических термометров с чрезвычайно малыми размерами (оболочечные элементы). Это положительно повлияло на уменьшение помех – искажений температурного поля вокруг самого датчика и на динамику процесса измерения. Техника измерения низких температур в настоящее время уже перешла из научной области в практическую.

Температурные шкалы и единицы измерения. Температурные измерения должны проводиться по соответствующей шкале. Одной из таких шкал является термодинамическая температурная шкала. Однако, как уже указывалось, эту шкалу очень трудно воспроизвести. Поэтому для практического использования была введена международная практическая температурная шкала, которая основывается на шести первичных (основных) и многочисленных вторичных реперных точках, характеризующих естественные температуры фазовых превращений (главным образом, это точки затвердевания и кипения), и на интерполяционных уравнениях, используемых между этими точками. Реперные точки могут быть воспроизведены в любое время с высокой точностью. Для измерений между основными реперными точками используют интерполяционные эталонные приборы: платиновый термометр сопротивления, термоэлектрические термометры (термопары) с электродами из платинородиевого сплава и платины и оптические пирометры. Такие стандартные приборы имеются в продаже. Константы, входящие в их интерполяционные уравнения, могут быть определены по реперым точкам (Государственной службой поверки или самими изготовителями).

Для технических измерений различие между обеими указанными выше температурными шкалами пренебрежимо мало. Поэтому по международной практической температурной шкале можно применять также единицы измерения термодинамической шкалы. В зависимости от того, какой температуре присвоено нулевое значение, получают шкалу Кельвина или шкалу Цельсия. Шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, причем единица 1 кельвин [К], согласно определению, составляет 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды (которая практически не зависит от давления):

1К = (_{тройной точки} - _{абсолютного нуля})/273,16

Температура в кельвинах обозначается буквой  или T. Единицей разности температур (температурного интервала) тоже является 1 кельвин [К].

Известная температурная шкала Цельсия начинается с точки таяния льда. Нулевая точка этой шкалы лежит на 273,15 К выше абсолютного нуля и на 0,01 К ниже тройной точки воды, которая является одной из основных реперных точек. Температуры точек кипения воды и таяния льда являются функциями давления p; при p₀=1,013 бар градус по шкале Цельсия определяется как

1⁰С = (_{точка кипения} - _таяния)/100.

Единицей шкалы является градус Цельсия [⁰С], равный по величине Кельвину [К]. Температура по шкале Цельсия обозначается буквами  или t. В последующих разделах для обозначения этих температур будут применяться буквы

и , чтобы отличать температуру от времени t и от постоянных времени T. С учетом изложенного, численное соотношение имеет вид

В англоязычных странах до сих пор иногда используют температурные шкалы Рэнкина [⁰Ra] и Фаренгейта [⁰F]. Численныезначения температур по этим шкалам пересчитывают по следующим формулам:

Реперные точки. Каждый термометр следует время от времени подвергать повторной поверке, так как старение материала чувствительного элемента или чрезмерная нагрузка на него могут изменить его первоначальную характеристику. Перед приемо-сдаточными измерениями, в которых должно быть подтверждено, например, достижение гарантированных показателей потребления, тепла, все приборы для измерения температуры должны проходить поверку.

Поверку приборов осуществляют сравнением их показаний с температурной шкалой. Практически это можно сделать двумя способами: сравнением показаний в одной или в нескольких основных или вторичных реперных точках; сравнением с показанием образцового (стандартного) прибора в идентичных условиях окружающей среды.

Поверка по реперной точке обеспечивает максимально возможную точность. Однако такая поверка имеет недостаток, заключающийся в том, что сравнение осуществляется только в некоторых дискретных точках температурной шкалы, между которыми приходится интерполировать. Для такой поверки требуется специальное контрольное оборудование, позволяющее с большой тщательностью установить реперные точки. Затраты времени, особенно на подготовку, во время которой во всех элементах оборудования должно быть достигнуто установившееся температурное состояние, весьма значительны. Поэтому поверку в реперных точках проводят довольно редко. Исключением являются те реперные точки, которые могут быть реализованы простыми средствами в любой малой лаборатории: точка таяния льда (0,00 ⁰С), тройная точка воды (0,01 ⁰С), точка кипения воды (100,00 ⁰С), а иногда и точка кипения серы (444,6 ⁰С).

Точка таяния льда. Наиболее простой реализацией реперной точки является применение тающего льда. Теплоизолирующий сосуд Дьюара полностью наполняют смесью измельченного льда и очищенной воды (рис.14.1, а).

Рис.14.1 Способы реализации реперных точек температурной шкалы: а – точки таяния льда; б – тройной точки воды; в – точки кипения воды; 1 – водяной пар; 2 – стеклянная пробирка с двойной стенкой; 3 – ледяная вода; 4 – отверстие для термометра; 5 – слои льда; 6 – вода, не содержащая газов; 7 – смесь льда и воды; 8 – сосуд Дьюара
Лед должен быть получен обязательно из обессоленной воды, так как наличие солей в воде снижает точку ее замерзания. Температуру приводят к значению, соответствующему давлению окружающей среды р₀ = 1,013 бар; формула пересчета:

= 0,01 (1 - р/р₀). Подлежащий поверке стеклянный термометр должен быть погружен в смесь до конца столба показывающей жидкости. Для отсчета температуры термометр несколько приподнимается (вынимается из смеси) на короткое время. При тщательном выполнении всех этих операций достигается воспроизводимость температуры с погрешностью менее 0,01 К.

Тройная точка воды. Эта реперная точка (0,0100 ⁰С), при которой достигается равновесие между тремя фазами воды (твердой, жидкой и газообразной), может быть реализована с весьма высокой точностью. К тому же она не зависит от барометрического давления.

Устройство для получения тройной точки воды (рис.14.1, б) представляет собой стеклянную пробирку с двумя стенками. Пространство между этими стенками заполнено особо чистой водой, из которой удалены газы, а в верхней части -паром. Перед измерением пробирку сначала помещают в обычную ледяную ванну и добавляют сухой лед, чтобы охладить ее. При этом на внутренних стенках пробирки намерзает слой льда. Затем вместо сухого льда добавляют горячую воду, чтобы между стеклом и слоем льда (ледяной рубашкой) образовалась бы тонкая пленка воды. После этого пробирку погружают в сосуд Дьюара, заполненный смесью льда и воды, а отверстие для термометра заполняют ледяной водой. Эта вода сохраняет температуру тройной точки в течение длительного времени и обеспечивает хорошую теплопередачу к контактному термометру, подлежащему поверке. На этом приборе достигается воспроизводимость температуры, характеризующаяся погрешностью менее 0,0001К.

Точка кипения воды. Температура равновесия между водой и водяным паром при нормальном давлении (р₀ = 1,013 бар), согласно определению, точно равна 100 ⁰С. Наиболее простой метод погружения поверяемого термометра в кипящую воду дает погрешность в лучшем случае не более 0,5 – 1 К, что для грубых измерений может оказаться достаточным. Для более точных измерений применяют специальный прибор с кипящей водой - гипсометр (рис.14.1, в). В этом приборе в качестве реперной точки обычно используют не температуру кипения, а температуру конденсации образовавшегося пара. Воспроизводимость температуры составляет в лучшем случае 0,001 К.
14.2. Механические и электрические контактные термометры
Механические контактные термометры являются, по-видимому, наиболее распространенным на практике вариантом термометра. Почти все они основаны на тепловом расширении веществ, а точнее на различном расширении двух разных веществ. Эти вещества могут быть использованы в качестве датчиков или расширяющихся тел в датчиках во всех трех фазовых состояниях - твердыми, жидкими и газообразными. Механические контактные термометры обычно характеризуются большой прочностью, малыми затратами на обслуживание, хорошей точностью и низкой стоимостью. Они рассчитаны в основном на повседневное практическое применение, а также для лабораторных и экспериментальных работ. Показание термометра считывают, как правило, прямо на месте измерения. Однако имеются варианты исполнения, в которых измерительный сигнал может быть передан на некоторое ограниченное расстояние. Их изготавливают в виде температурных реле (выключателей) или передатчиков температуры (выходные сигналы могут быть пневматическими, гидравлическими или электрическими) или даже в виде механических регуляторов температуры прямого действия (без подвода какой-либо вспомогательной энергии).
14.2.1. Дилатометрические и биметаллические термометры. Дилатометрический термометр. Простейший принцип измерения температуры – это использовать удлинение металлического стержня, рассчитываемое по уравнению

де

длина стержня (м) в первоначальном состоянии, при О ⁰С и при температуре

(⁰С);  - коэффициент линейного температурного расширения материала стержня, м/(м·К). Этот коэффициент в той или иной степени (в зависимости от материала) зависит от температуры, т.е. непостоянен:  = f(). Обычно в качестве чувствительного элемента дилатометрического термометра используют трубку из металла с возможно более высоким  (например, из латуни), внутри которой концентрично располагается стержень из материала с возможно более низким , например, из инвара, фарфора, кварца. На рис. 14.2 представлена схема дилатометрического термометра с чувствительным элементом в виде отрезков проволоки.

Диапазон измерений составляет примерно 0 - 1000 ⁰С. Большая длина чувствительных элементов таких термометров не позволяет определять с их помощью температуру в отдельных точках; они показывают температуру, усредненную по всей длине.

Дилатометрические термометры часто используют там, где требуются большие усилия в исполнительном механизме, например в регуляторах температуры прямого действий, поскольку для компенсации температурного расширения стержня его упругим сжатием согласно закону Гука требуется весьма большое усилие.

Биметаллические термометры. Значительно чаще дилатометрических применяют биметаллические термометры, в которых для индикации температуры также используют различное температурное расширение двух разнородных материалов. Биметаллические термометры могут быть изготовлены весьма малых размеров, в чем состоит их существенное преимущество перед громоздкими дилатометрическими термометрами. Они просты при конструировании (поскольку у них мало движущихся частей). Их изготовляют в самых разнообразных исполнениях, они просты и дешевы.

Один конец чувствительного элемента всегда закреплен неподвижно, а другой соединен с передаточным редуктором или непосредственно с регистрирующим устройством. В отличие от дилатометрических биметаллические термометры могут совершать лишь незначительную работу. Поэтому их используют, как правило, в качестве показывающих приборов и реже для передачи показаний на расстояние.

Биметаллическими термометрами можно измерять температуру от – 50 до + 600 ⁰С. При достаточном старении биметаллической полосы чувствительные элементы сохраняют термическую стабильность до 500 ⁰C. При температурах до 600 ⁰С их можно применять лишь кратковременно. Точность составляет от ± 1 до ± 3 %.
14.2.2.Жидкостные термометры. Стеклянные жидкостные термометры. В этих термометрах измеряется относительное расширение жидкости по сравнению с объемом резервуара. Основная часть термометрической жидкости располагается в шарообразном или цилиндрическом резервуаре, который собственно и является чувствительным элементом термометра. Резервуар сообщается с длинным и узким стеклянным капилляром. На верхнем конце капилляра имеется расширительная (переливная) камера, которая используется для сбора термометрической жидкости, если термометр нагревается выше его верхнего предела измерений. При отсутствии такой камеры капилляр разорвался бы из-за слишком высокого внутреннего давления. На нижнем конце капилляра нередко предусматривается такое же расширение, особенно в том случае, если столбик жидкости проходит через нулевую точку.

Для заполнения термометров могут быть применены практически любые жидкости. При этом различают смачивающие (например, органические) и несмачивающие жидкости (например, ртуть). Смачивающие жидкости при измерении снижающейся температуры обусловливают дополнительную погрешность. Органическую жидкость нужно подкрашивать, чтобы она была видна в капилляре (для облегчения отсчета). Из-за малого коэффициента температурного расширения ртути резервуар ртутного термометра должен иметь больший объем, чем при заполнении другими жидкостями. Расширение рассчитывают по формуле

где

- объемы термометрической жидкости (м³) в первоначальном состоянии, при температуре О ⁰С и при температуре

(⁰С);  - объемный коэффициент температурного расширения. Коэффициент  примерно в 3 раза больше коэффициента линейного температурного расширения . Коэффициент  в той или иной степени (в зависимости от вещества) зависит от температуры:  = f (), т.е. не является постоянным.

Диапазон измерения стеклянных жидкостных термометров зависит от свойств термометрической жидкости. Для некоторых наиболее распространенных жидкостей он характеризуется следующими температурами, ⁰С:

Изопентан (-195)…(+35)

Нормальный пентан (-130)…(+35)

Этиловый спирт (-110)…(+210)

Толуол (-90)…(+110)

Ртуть - таллий (-60)…(+30)

Ртуть в вакууме (-30)…(+150)

Ртуть под давлением (-30)…(+630)

То же, в кварцевом стекле (-30)…(+1000)
14.2.3. Газовые и конденсационные термометры. Газовые термометры. Теоретической основой термометрии является термодинамическая температурная шкала. Поскольку ее очень трудно воспроизвести, для технических измерений регламентированы несколько реперных точек, которые могут быть получены значительно проще. Термодинамическая температурная шкала реализуется тазовым термометром, как важнейшим прибором в весьма широкой области температур, практически вплоть до абсолютного нуля. Однако этот способ измерений имеет только научный интерес, так как для его осуществления требуются большие затраты на опытные приборы и обслуживание.

При этом методе измеряют изменение давления р или объема газа V в функции температуры Т (абсолютной) в соответствии с законом состояния идеального газа:

PV= mRT,

причем масса m и величина R (универсальная газовая постоянная) здесь считаются константами. В термометре могут быть использованы любые газы, близкие к идеальному (гелий, азот, аргон). На измерение оказывают искажающее влияние многие факторы, для исключения которых необходим ряд корректировочных мероприятий. Для технических целей газовый термометр слишком сложен.

Наименьшая температура, которую можно измерить газовым термометром, немного выше критической точки использованного газа (азота – 147 ⁰С, гелия –268 ⁰С). Верхний предел измерения ограничивается прочностью чувствительного элемента и плотностью (непроницаемостью для газа) при высоких температурах. Обычно можно измерять температуры от – 125 до 500 ⁰С.

Конденсационные термометры. Пароконденсационные термометры работают по тому же принципу, что и газовые и жидкостные. Различие заключается в том, что чувствительный элемент здесь заполнен частично жидкостью, частично ее парами. Здесь используется свойство каждой жидкости иметь свое характеристическое давление пара, зависящее только от температуры, а не от объема. Это давление называется давлением насыщенного пара. Однако зависимость давления насыщенного пара от температуры нелинейна, поэтому расстояния между делениями шкалы с повышением температуры увеличиваются. По той же причине диапазоны измерения для каждой жидкости ограничены.
14.2.4. Электрические контактные термометры. Механические контактные термометры несмотря на малые затраты на измерение, надежность и нетребовательность к обслуживанию имеют один существенный недостаток: их сигналы не могут быть переданы на значительные расстояния и объединены с другими сигналами в информацию, пригодную для дальнейшей переработки. Поэтому в промышленной практике температуру измеряют в основном термометрами, действие которых основано на изменении электрических свойств различных веществ с изменением температуры. Важнейшими методами, позволяющими решить практически все проблемы измерения температуры, является определение положительного или отрицательного изменения сопротивления металлов или полупроводников (термометров сопротивления), а также термоэлектродвижущей силы, возникающей при контакте пары, составленной из двух различных металлов или из металла и сплава (термоэлектрических термометров, термопар).
14.2.4. Термометры сопротивления. Электрическое сопротивление большинства материалов существенно изменяется с температурой. Этот эффект, в других областях ощущаемый как помеха, здесь используется как принцип измерения температуры. Температурная зависимость электрического сопротивления металлических проводников обусловлена наличием свободных электронов связи в кристаллической решетке металла: при понижении температуры электрическое сопротивление уменьшается. В полупроводниках обычно наблюдается недостаток электронов проводимости; они высвобождаются только при подводе тепловой энергии (повышении температуры). В этом случае с повышением температуры электрическое сопротивление снижается.

В отличие от термоэлектрических термометров (термопар), с помощью которых можно измерять только разность температур по отношению к некоторому известному уровню, термометры сопротивления позволяют измерять и абсолютные значения температуры.

Металлические элементы термометров сопротивления. Зависимость сопротивления металлических проводников от температуры может быть с весьма высокой точностью описана уравнениями третьей степени. Однако при обычных требованиях к точности ограничиваются квадратичной или даже линейной функцией:

где

- величина сопротивления (Ом) проводника в исходном состоянии, при О ⁰С и при температуре

(⁰С);  - линейный температурный коэффициент сопротивления, К^-1.

В качестве материала для термометров сопротивления используют металлы с хорошей электрической проводимостью, например платину, никель и медь. Средний температурный коэффициент сопротивления этих металлов имеет следующие значения, 10^-3 К^-1: платина 3,85; никель 6,17 и медь 4,27.

14.2.5. Термоэлектрические термометры (термопары).
Термоэлектрический эффект. Зеебек установил, что если электрическая цепь состоит из двух различных металлов или сплавов и точки их соединения (спаи) находятся при различных температурах, то в цепи должен протекать ток
(

рис. 14.3). При размыкании цепи на ее концах можно измерить разность потенциалов - так называемую термоэлектродвижущую силу (термоЭДС)

Если же через такую цепь пропускать ток, то в зависимости от направления этого тока в одной точке соединения проводников будет выделяться, а в другой - поглощаться тепло (эффект Пельтье). Если температура одной точки соединения (спая)

известна, то получаемая термоЭДС будет мерой разности между измеряемой температурой

и контрольной температурой

(холодного спая). Оба места соединения называют рабочим («горячим») и свободным («холодным») спаем.

Зависимость между термоЭДС и разностью температур в общем случае нелинейна и может быть выражена уравнением третьей степени. Однако в области температур, обычных при промышленных измерениях, обычно вполне достаточно принять квадратичную зависимость;

Постоянные a, b и с зависят в первую очередь от природы и физико-механических свойств обоих металлов или сплавов. Их можно определить путем градуировки в реперных точках. При малых изменениях температур характеристики многих термопар могут быть линеаризованы без большого ущерба для точности:

где k - коэффициент термоЭДС зависящий также и от уровня температуры, мВ/К.

Все материалы для термопар делят на две группы: пары благородных металлов и пары неблагородных металлов.

Термопары из благородных металлов, преимущественно из платины и ее сплава с родием (Pt10Rh-Pt и Pt13Rh-Pt6Rh), обладают высокой точностью и отличаются воспроизводимостью термоэлектрической характеристики. Поэтому платинородий-платиновая термопара Pt10Rh-Pt используется для воспроизведения Международной практической температурной шкалы в интервале температур от 630,7 до 1064,4 ⁰С. Эти термопары более устойчивы к коррозии и окислению, чем термопары из неблагородных металлов, и поэтому могут быть использованы при более высоких температурах. Так, термопары Pt10Rh-Pt используют для измерения температур от 0 до 1600 ⁰С, а термопары Pt13Rh-Pt6Rh- от 0 до 1700 ⁰С. В чистую платину при очень высоких температурах диффундируют посторонние вещества, что влечет за собой охрупчивание термоэлектродов и резкое изменение их термоэлектрических свойств. Если применяется высоколегированная платина (например, в сплаве с родием), то эти недостатки устраняются. Термопары из благородных металлов имеют, как правило, низкую чувствительность к изменениям температуры; к тому же они довольно дороги.

Термопары из неблагородных металлов применяют преимущественно для измерения более низких температур. Они дешевле термопар из благородных металлов, и на их долю приходится абсолютное большинство всех применяемых термопар; во многих странах они отчасти стандартизированы. К таким стандартизированным термопарам относятся медь - константан, железо - константан и нихром—никель (хромель—алюмель).

Термопары медь - константан (Cu - Konst) особенно пригодны для измерения низких температур от - 250 до 400 ⁰С, При более высоких температурах медь не обладает достаточной стойкостью к кислороду воздуха. Эти термопары наряду с железо-константановыми имеют наиболее крутую температурную характеристику, но их характеристика недостаточно линейна.

Железо-константановые термопары (Fe - Konst) допускают более широкий диапазон измерения от - 250 до 700 ⁰С, если коррозионно-активная среда не препятствует их применению (при некоторых условиях железо сильно ржавеет и покрывается окалиной). Постоянство термоэлектрических свойств во времени также надежно не обеспечивается.

Термопары нихром - никель (почти то же, что хромель—алюмель) имеют среди термопар из неблагородных металлов самый высокий температурный диапазон измерения: от – 200 до 1300 ⁰С. Эти термопары отличаются точностью и устойчивостью, однако их температурный коэффициент т. э. д. с. меньше, чем термопар медь - константан и железо - константан. Характеристика их в достаточной степени линейна. Окалинообразование вследствие окисления становится заметным при температурах выше 600 ⁰С, что ограничивает время использования термопар в верхней области их температурного диапазона. Это означает, что термопары при этих условиях могут быть использованы ограниченно (либо в защитной атмосфере, либо лишь короткое время).

1 2 3