Измерения температуры

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

    ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

                             ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

     МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

                    СПЕЦИАЛЬНОСТЬ « Стандартизация  и сертификация»

                          КАФЕДРА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ 
 
 
 

                                                                     РЕФЕРАТ

                                               ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 
 
 

                                                    Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Под  температурой понимается основная, т. е. введенная произвольно, физическая величина, определяющая:

- законы  изменения состояния идеального  газа;

- коэффициент  полезного действия идеального  термодинамического цикла Карно;

- среднюю  кинетическую энергию хаотического (теплового) движения молекул;

- мощность  излучения абсолютно черного  тела;

- определяющая  распределение атомов по уровням  энергии.

Любое из этих определений практически  является определением температуры. Особенно подчеркнем, что неправильно отождествлять  понятие температуры с другими  физическими величинами, связанными однозначно с нею. Чаще всего приходится встречаться с определением температуры  как энергии теплового движения молекул. Если бы это утверждение  было бы истинным, то не было бы никакой  необходимости вводить новую  величину и определять ее единицу, т. к. и величина и единица энергии  существуют в физике независимо от специфики тепловых явлений. Тем  не менее именно температура, а не энергия, позволяет связать законы физики, в которых необходимо рассматривать  тепловые процессы.  Итак, температура  является основной величиной, и именно эту величину чаще всего измеряют на практике. Соответствующая измерительная  техника называется термометрами, если речь идет о невысоких температурах, или пирометрами, если речь идет о  температурах пламени или плазмы (пиро - огонь, метр - измеряю). Производные  тепловые величины также измеряются специфическими приборами, которые  будут упомянуты ниже.                                                                                                                   Все типы термометров принято разбивать на два класса в зависимости от методики измерений (рис. 1).   Традиционный и наиболее массовый вид термометров -контактные термометры, отличительной особенностью которых является необходимость теплового контакта между датчиком термометра и средой, температура которой измеряется. Вторую группу составляют неконтактные термометры, для измерения которыми нет необходимости в тепловом контакте среды и прибора, а достаточно измерений собственного теплового или оптического излучения. Часто такие приборы называют  радиометрами. 

                                              Рис. 1 

Контактные  приборы и методы по принципу действия разделяются на:                                                                                          а)  Термометры контактные волюметрические, в которых измеряется изменение  объема (volume) жидкости или газа с  изменением температуры.   б)  Термометры дилатометрические, в которых о  температуре судят по удлинению  различных материалов при изменении  температуры. В ряде случаев датчиком служит пластинка, изготовленная из двух металлов с разными температурными коэффициентами расширения и изгибающаяся при нагревании или охлаждении.                                                                                 в)  Термопары, представляющие из себя два разнородных, спаянных по концам проводника. При наличии разности температур спаев в термопаре возникает электрический ток, который и служит мерой изменения температуры. Температура измеряется по термоЭДС или по величине силы тока термопары.                                                                                                                                         г)  Термосопротивления - термометры, принципом действия которых является измерения сопротивления проводника с изменением температуры. Неконтактные методы, в основе которых лежит регистрация собственного теплового или оптического излучения, можно представить следующими направлениями:                                                                                                        а)  Радиометрия - измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение в инфракрасном диапазоне длин волн.                                                                     б)  Тепловидение - радиометрическое измерение температуры с пространственным разрешением и с преобразованием температурного поля в телевизионное изображение иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых объемах, например температуру жидкостей в резервуарах и трубах.                               в)  Пирометрия - измерение температуры самосветящихся объектов: пламен, плазмы, астрофизических объектов. Используется принцип сравнения либо яркости объекта со стандартом яркости (яркостный пирометр и яркостная температура), либо цвета объекта с цветом стандарта (цветовой пирометр и цветовая температура), либо тепловой энергии, излучаемой объектом, с энергией, испускаемой стандартным излучателем (радиационный пирометр и радиационная температура). 
 
 
 

1. Методы  измерения температуры

Термодинамическая температура определяется как параметр состояния при термодинамическом  равновесии тел. Для идеального газа, под которым понимается ансамбль невзаимодействующих атомов, расстояния между которыми много больше их собственных  размеров, справедлив закон Менделеева- Клапейрона, связывающий параметры  состояния - температуру Т, давление р и объем V:

(1) 

Изменение объема веществ при нагревании является основой волюметрического метода измерения  температуры. Согласно кинетической теории и определению шкал термометров  объем жидкости или газа изменяется с температурой линейно:

(2) 

Для твердых  тел с температурой линейно изменяется длина I: 

(3) 

Для металлов температурный коэффициент имеет  порядок величины: 

(4) 

Термометры, в которых используется принцип  удлинения тел при нагревании, называются дилатометрическими. Частным  случаем дилатометрических контактных термометров являются приборы сдатчиками в виде биметаллических пластин, изготовленных из двух металлов с  различными температурными коэффициентами расширения. При изменении температуры  биметаллические пластины изгибаются и это качество позволяет широко их использовать в различных терморегуляторах и термореле. 

В терморезистивных термометрах используется свойство проводников изменять сопротивление  при изменении температуры. Температурная  зависимость сопротивления имеет  вид 

(5) 

Коэффициент β для металлов положителен, для  графита (углерода) - отрицательный, т. е. при увеличении температуры сопротивление  графитовых стержней уменьшается. 

В термопарах используется хорошо известный в  физике эффект возникновения разности потенциалов между точками спайки двух разнородных проводников. Если температуру одного из спаев поддерживать постоянной, например, опустив его в термостат с тающим льдом, то разность потенциалов на концах термопары или ток через нее можно однозначно связать с температурой второго спая. 

Физическая  сущность методов неконтактной термометрии  основана на хорошо известном факте, что все тела, температура которых  отличается от абсолютного нуля, излучают тепловую энергию. Создание средств  измерения температуры, основанных на регистрации собственного теплового  излучения тел составляет предмет  неконтактных методов измерения  температуры. При этом регистрируется либо полная энергия излучения (радиометры), либо спектральное распределение теплового  излучения, либо яркость собственного излучения объектов (пирометры). 

Полная  энергия теплового излучения, просуммированная для всех длин волн связана с температурой законом Стефана-Больцмана: 

(6) 

где ω - объемная плотность энергии; σ - постоянная Стефана-Больцмана, равная: 

(7) 

Измеренная  таким образом температура получила название радиационной в отличие  от равновесной термодинамической  температуры, определяемой уравнением (1). Напомним, что под абсолютно черным телом (АЧТ) подразумевается излучение замкнутой полости в состоянии термодинамического равновесия через малое отверстие, площадь которого пренебрежимо мала в сравнении с площадью стенок полости при условии, что коэффициент поглощения электромагнитного излучения стенками полости, так называемый коэффициент черноты, близок к единице. В этом случае спектральная плотность излучения описывается законом Планка: 

(8) 

где L0eλ - спектральная плотность излучения  АЧТ; λ - длина волны излучения; Т - термодинамическая температура, C1 и C2 - константы излучения АЧТ, равные: 

(9) 

Зависимость плотности излучения АЧТ от длины  волны при разных температурах дана на рис. 2.

Рис. 2 Распределение  энергии в спектре излучения  абсолютно черного тела 

Из рис. 2 следует, что излучение АЧТ имеет максимум, положение которого определяется значением термодинамической температуры, т. е. 

(10) 

где b = 2898 мкм•К. 

Этот  закон, хорошо известный в физике как закон Вина, позволяет измерять температуру, фиксируя длину волны  максимума излучения нагретого  тела. Поскольку реальные тела не соответствуют  определениям абсолютно черного  тела, измеренная таким образом температура  будет отличаться оттермодинамической. Ее принято называть цветовой, поскольку  нагретое тело имеет всегда цветовой оттенок, определяемый максимумом мощности излучения в определенном диапазоне  длин волн. 

Указав  на различные определения температуры  как физической величины и упомянув о физическом смысле таких понятий, как термодинамическая температура, яркостная температура, цветовая температура  и радиационная температура, имеет  смысл напомнить о различных  температурных шкалах, встречающихся  в современных термометрах. 

В курсе  метрологии рассматривали структуру  температурного эталона. Здесь придется напомнить некоторые основные моменты, в основном для того, чтобы облегчить  возможность перевода значений температуры  из одной шкалы в другую. 

В системе  СИ основной единицей является Кельвин, который является единицей измерения  в так называемой абсолютной термодинамической  шкале. Размер Кельвина определяется как 1/273,16 часть температуры тройной  точки воды. Последняя есть температура  равновесного состояния водяного пара, жидкой воды и льда. Для воспроизведения  Кельвина интервал между абсолютным нулем температуры и температурой тройной точки воды делится на 273,16 части. Эти процедуры подробно описаны в предыдущем разделе, посвященном  метрологии. В системе СИ узаконен как производная единица градус Цельсия, определяемый как: 

(11) 

Во многих странах Западного полушария  и в первую очередь в США  общепринятой является шкала Фаренгейта, в которой разность температур между  таянием льда и кипением воды делится  на 180 частей, а температуре таяния льда приписана температура 32 Т. Соответственно, разность температур в шкале Кельвина и Фаренгейта относятся как 100/180 или как 5/9 т. е.: 

(12) 

Перевод °С в °F легко можно сделать  по формуле: 

(13) 

В абсолютной термодинамической шкале температура  в Кельвинах через температуру  в градусах Фаренгейта выразится  как: 

(14) 

Довольно  редко, но все еще встречаются  термометры, отградуированные в градусах Реомюра. Шкала Реомюра строится таким образом, что разность температур плавления льда и кипения воды делится на 80 частей. Причиной этого  является тот факт, что спирт с  водой (основная термометрическая жидкость) расширяется между точками замерзания воды и точкой кипения на 8% своего объема. Размер градуса в шкале  Реомюра можно воспроизвести  изменением объема водно-спиртовой жидкости на 0,08/80 = 0,001 первоначального объема. Соответственно, температурные интервалы в шкале Кельвина и Реомюра относятся как 100/80 или как 5/4, т. е. 

(15) 

Для пересчета  температур справедливо: 

(16) 

2.  Единица температуры системы СИ – Кельвин

В деталях  особенности измерения температуры  с разделением понятий термодинамической, радиационной, яркостной и цветовой температур можно найти в специальных  разделах физики, посвященных оптическим методам измерения температуры. Нам важно поставить акценты  на тех моментах, которые важны  в понимании принципов построения температурной шкалы, воспроизведения  единицы температуры и ее измерения  на высшем уровне точности. Наиболее важно  усвоить следующие моменты:                                  На эталонном уровне в системе  СИ строится шкала термодинамической  температуры.                                                                                                 Единица температуры Кельвин  определяется как 1/273,16 часть термодинамической  температуры тройной точки воды точно.                          В области выше и ниже температуры  тройной точки воды температура  воспроизводится по состоянию (по температурам) плавления или затвердевания  чистых веществ.                                                                        Температурная шкала системы  СИ имеет название: Международная  температурная шкала МПТШ-90. Цифра  в названии означает год последнего внесения поправок в принципы построения шкалы.                                                 На практике температуру измеряют по тепловому расширению твердых, жидких и газообразных тел, по изменению  сопротивления проводников электрического тока, по изменению ЭДС термопар, по собственному тепловому излучению  тел.                                                                                    Поскольку для начала отсчета  термодинамической температуры  существует абсолютный нуль, для установления единицы этой величины нужна только одна реперная точка. Такой точкой является тройная точка воды, т. е. такое  состояние чистой воды, когда лед, жидкая вода и водяной пар находятся  в тепловом равновесии. В условиях вакуума над тающим льдом устанавливается  равновесное давление водяного пара, равное Р = 611 Па (4,58 Торр). Этому состоянию  приписано значение термодинамической  температуры Т = 273,16 К точно. Точка  замерзания воды при нормальном атмосферном давлении (р = 101325 Па = 760 Торр = 1 атм.) расположена ниже тройной точки воды на 0,00993 К.                                                           XIII Генеральная ассамблея по мерам и весам в 1967 г. наряду с абсолютной термодинамической шкалой утвердила в качестве производной шкалу Цельсия, определив эту температуру как t°С = (Т - 273,15) К.

В международной  практике наряду с абсолютной термодинамической  шкалой и шкалой Цельсия широко используется шкала Фаренгейта и реже шкала  Реомюра.                                                                                                Шкала Фаренгейта была введена в 1714 г., опираясь на температуру таяния льда и температуру человеческого  тела. Этот интервал был разделен на 64 части, а нулевая точка располагалась  ниже точки таяния льда на 32 F. В то время это была наиболее низкая из известных температур и получалась она смешиванием нашатыря, воды и  льда. Температура тела человека по этой шкале оказалась равной 96 °F, а точка кипения воды в шкале  Фаренгейта равнялась 212 °F. Несмотря на всю архаичность такого определения  температурной шкалы, ею пользуются во всем западном полушарии и в  первую очередь в США.                                                                                          В некоторых странах в настоящее  время принята шкала Реомюра, введенная в 1730 г. В качестве опорных  точек выбирается температура таяния льда (0°R) и точка кипения воды, которой приписывается температура 80 °R. Такой выбор определяется тем, что выбранная Реомюром смесь  для наполнения термометра, состоящая  из смеси спирта с водой, между  точками замерзания и кипения  воды расширяется на 8%. Размер градуса  в шкале Реомюра можно воспроизвести  изменением объема водно-спиртовой  смеси на 0,001 часть первоначального  объема. В шкале Кельвина этот коэффициент  объемного расширения соответствует  приблизительно 1,25×10-3K-1. 

На практике абсолютная термодинамическая шкала  воспроизводится по тройной точке  воды следующим образом: 

1-й этап - создается тройная точка воды. Она представляет собой сосуд  сдвойными стенками, между которыми  откачивается воздух (рис.4).

Рис. 3. Сосуд, воспроизводящий тройную  точку воды

Сосуд, воспроизводящий тройную точку  воды, аналогичен сосуду Дьюара, хорошо известному по применению в криогенной технике и в бытовых термосах. Отличия состоят в том, что  стенки сосуда тройной точки воды не покрываются металлическим отражающим слоем, а между стенками сосуда налита примерно до половины объема чистая вода. При изготовлении тройной точки  воду тщательно очищают многократной перегонкой и пропусканием через  ионно-обменные смолы - поглотители  примесей. Наполнив сосуд водой, ее вымораживают, а воздух между стенками тщательно откачивают. После откачки  сосуд отпаивается.                                Для того чтобы воспроизвести  температуру тройной точки воды, стеклянный сосуд, изображенный на рис. 3, замораживают, например в холодильнике. Затем во внутреннюю часть сосуда помещают какой-либо нагретый предмет, чтобы лед между стенками начал  таять. Это означает, что между  стенками устанавливаются параметры, соответствующие одновременному наличию  воды и льда при давлении насыщенных водяных паров, т. е. будет воспроизведена температура тройной точки воды.                                          Следующий этап построения термодинамической  температурной шкалы состоит  в получении размера единицы - 1/273,16 части температуры тройной  точки воды. Это делается на установках, называемых газовыми термометрами. Принцип, положенный в основу работы газового термометра, состоит в том, что температура идеального газа, являясь параметром состояния, изменяется в соответствии с универсальным газовым законом: 

(2.1) 

Практически это означает, что если взять баллон с газом и поместить его  в сосуд с тройной точкой воды, можно зафиксировать параметры  состояния газа (Р, V, Т). Если в дальнейшем поместить сосуд в термостат  с другой температурой, то фиксируя либо давление, либо объем можно  по изменению объема или давления измерить любую, отличную от температуры  тройной точки воды, температуру.                                                                                  Такие установки, называемые газовыми термометрами постоянного объема или  постоянного давления, позволяют  строить термодинамическую шкалу  для тех температур, когда газ  в термометре можно считать идеальным. Принцип действия газовых термометров  постоянного объема и постоянного  давления поясняется на рис. 4, а и  б. 

                                    Рис. 4, а. Схема газового термометра постоянного объема

Рис. 4, б. Схема газового термометра постоянного  давления 

(2.2)

Процедура измерений термометром постоянного  давления состоит в том. что в  реперной точке, например при температуре  тройной точки воды, фиксируют  давление p при заполненном ртутью балластном объеме. Если температура  термостата изменяется, можно, выливая  часть ртути из объема V1, установить в термометре то же самое давление p0. Тогда искомая температура  термостата легко находится из газового закона (2.2).              Очевидно, что при использовании  газовых термометров необходимо делать некоторые допущения. Например, газ не должен сильно отличаться от идеального или поправки на его неидеальность (характеристики межмолекулярного взаимодействия и собственные размеры молекул газа) должны быть известны. Далее, температуры всех подводящих вакуумных магистралей и газ внутри них имеют температуру, отличную от температуры в термостате. Этот факт также необходимо учитывать.                                     На практике построение шкалы по газовому термометру - очень сложная и дорогостоящая процедура. По этой причине ею занимаются только профессионалы, а для практиков термодинамическая шкала строится по реперным точкам - фиксированным температурам плавления или кипения различных веществ, которые тщательно измерены разными методами на разных приборах в разных странах. Только при условии хорошей сходимости результатов измерений реперная точка вносится в список точек Международной практической температурной шкалы МПТШ. Последний раз шкала переутверждалась в 1990 г., и, соответственно, шкала называется МТШ-90.                                                                                                      Реперные точки шкалы МТШ-90 подразделяются на определяющие и вторичные. Определяющие реперные точки - это наиболее точно измеренные относительно тройной точки воды температуры, для которых результаты измерений в различных странах хорошо совпадают между собой. Список определяющих реперных точек шкалы МТШ-90 дан в табл. 1

Вторичные точки шкалы МПТШ-90 следующие.                                         Точки затвердевания: Hg, H2O, Jn, Bi, Cd, Pb, Sb, Ni, Co, Pd, Pt, Rh, Jr, W. Вторичные реперные точки температурной шкалы охватывают более широкий диапазон температур. Самая высокая температура реперной точки - температура затвердевания вольфрама, равная 3660 К. Всего в шкале вторичных реперных точек содержится 27 значений, в основном температуры затвердевания чистых металлов. Результаты международных сличений температур этих реперных точек дали боль шее в сравнении с определяющими точками значения погрешностей. В основном причины расхождений заключаются в разной степени очистки веществ, которые используются в термостатах. Известно, что сверхчистые вещества имеют в ряде случаев удивительные свойства, отличные от свойств веществ, очищенных рутинными методами. Например, сверхчистое железо не окисляется, сверхчистый алюминий не покрывается окисной пленкой и блестит, как ртуть и т.д. Поскольку в разных странах чистые металлы получают из разного сырья, расхождения в температурах плавления и затвердевания многих металлов вполне объяснимы.                               Следует обратить внимание, что реперных точек на температурах кипения водорода две (см. табл. 1). Это определяется тем, что молекулярный водород имеет две модификации: так называемый параводород и ортоводород. Эти модификации отличаются ориентацией собственных моментов - спинов - валентных электронов. У ортоводорода спины параллельны, у параводорода они антипараллельны. При равновесной температуре устанавливается равновесие между ортоводородом и параводородом. Такая среда называется равновесным водородом, и в ней отношение количества ортоводорода к количеству параводорода при повышении температуры стремится к 3/1. Практически начиная с температур 160 К это соотношение выполняется достаточно точно. При понижении температуры от 160 К доля ортоводорода уменьшается и в пределе при Т  0 в смеси остается только параводород.                                                                                                                                                                       Содержание параводорода в чистом водороде при различных                   температурах. Рис. 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

В итоге  эталонные комплексы, воспроизводящие  и передающие размер основной единицы  термодинамической температуры  системы СИ, представляют собой набор  тройных точек воды, газовый термометр, откалиброванный по тройной точке  воды, и набор термостатов - реперных точек, воспроизводящих определяющие и вторичные реперные точки шкалы  МПТШ-90.                                                                                                                  На практике для точных измерений используются платиновые термометры сопротивления или платина - платинородиевые термопары, которые градуируются в конечном счете по реперным точкам. От платиновых термометров и термопар размер единицы температуры - Кельвина - передается образцовым или рабочим термометрам менее высокого класса точности.Для высоких температур выше точки золота единица температуры может быть воспроизведена оптическими приборами - пирометрами. Температуры тел выше 1000 К могут быть измерены по собственному тепловому излучению тела в оптическом диапазоне длин волн. При таком воспроизведении единица температуры реализуется в виде абсолютно-черного тела. Техника этих измерений весьма интересна и разнообразна. Именно здесь возникают понятия радиационной, цветовой и яркостной температур. Поскольку в данном разделе ставится задача описания принципов реализации основных единиц системы СИ, подробное описание особенностей пирометрии выходит за рамки тематики данного раздела.