Туяхов И.А. Практическая метрология

Подождите немного. Документ загружается.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Температуру в этом термометре пока-

зывал деревянный человечек, который с

помощью шнура и блока был связан с

латунным поплавком, плавающим в от-

крытом конце термометра. В термомет-

ре в середине шкалы стояла точка, око-

ло которой указатель останавливался

при первых заморозках, и эта точка бы-

ла выбрана за начало шкалы.

Однако, идея использования газа в

качестве среды, чувствительной при

изменении температуры, не получила в

то время распространение и вместо га-

зовых стали использоваться жидкост-

ные термометры.

На возможность избрать в качестве

опорных точек термометра точку кипе-

ния воды и точку таяния льда указал Гюйгенс в 1655г. Как учёный он

понимал, что при таком выборе можно будет сравнивать температуры

("наблюдательную степень теплоты", как он её называл) в разных мес-

тах различными термометрами, а не переносить один и тот же термо-

метр с места на место.

В то время было установлено, что определённые процессы в од-

них и тех же условиях всегда протекают при одинаковых температу-

рах, например, таяние льда или кипение воды при постоянном давле-

нии. И в современной метрологии такие состояния вещества, в кото-

рых разные фазы (например, жидкость-лёд или жидкость–пар) при

постоянной температуре находятся в равновесии друг с другом, при-

нимаются в качестве опорных точек. Их удобно использовать в каче-

стве калибровочных точек для температурной шкалы. Температурная

шкала жидкостного термометра задаётся следующим образом: отме-

чается высота столба жидкости в двух опорных точках и полученный

промежуток делится на несколько равных частей, каждая, из которых

называется градусом (от латинского "ступенька").

Первый современный термометр был сконструирован немецким

изобретателем Фаренгейтом в 1714г. Для этого термометра были вы-

браны две реперные (опорные) точки: температура тающего льда и

самая низкая температура, примерно –18°С по современной шкале

Цельсия, которая была получена Фаренгейтом в лабораторных усло-

виях путём смешивания льда, соли и нашатыря. Этот интервал изо-



Рисунок 2.2 – Термометр

Герика

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

бретатель разбил на 32 части, так как его прибор оказался в 4 раза

точнее, чем другие термометры, имевшие всего 8 делений на шкале

(по 4 градации ощущения тёплого и холодного). По термометру Фа-

ренгейта температура человеческого тела равнялась 96°F, а кипения

воды - 212°F, при этом, разные термометры можно было сверять друг

с другом, сравнивая их показания в разных "опорных" точках шкалы.

Термометры Фаренгейта получили широкое распространение

благодаря своей точности и отсутствию отрицательных значений тем-

ператур на шкале, и в настоящее время применяется в некоторых

странах Западной Европы и Америке. Для перевода шкалы Фаренгей-

та в шкалу Цельсия (и наоборот), которая получила наибольшее рас-

пространение в мире, можно использовать следующие формулы:

);32F(

С −°=° 32C

F +°=° (2.1)

Интересно отметить, что эти две шкалы имеют одну общую точ-

ку, т.е. –40°С= –40°F .

Во Франции в 1740г. в употребление вошла шкала Реомюра, по-

строенная на точках замерзания воды (0°R) и её кипения (80°R). Такая

шкала была выбрана из-за того, что вода в этом интервале по данным

измерений того времени, расширяется на 80 тысячных своего объёма.

Именно эти термометры были распространены в России до 1917 г. и

висели на улицах и во всех домах.

Решающим шагом в области измерения температуры можно счи-

тать предложение шведского астронома Цельсия разделить интервал

между точками таяния льда и кипения воды на 100 градусов. После

Цельсия вопрос о выборе опорных точек и о величине градуса был ре-

шён на многие годы, и он вошёл в практику температурных измерений.

К существенным недостаткам жидкостных термометров относится

зависимость показаний от рабочего вещества (воды, спирта, ртути, и

др.), заполняющего термобаллон и капиллярную трубку. У термометров

с различными жидкостями, прокалиброванных в опорных точках, высо-

та поднятия столбиков жидкостей в капиллярах при одинаковых темпе-

ратурах различна вследствие разных зависимостей коэффициентов рас-

ширения от температуры. Так, в спиртовом термометре по сравнению с

ртутным интервал между 0°С и 100°С необходимо делить неравномер-

но. По этой причине жидкостные термометры не годятся для определе-

ния понятия температуры и отсюда невозможно базисную величину, т.е.

градус, делать зависимым от свойств определённого вещества.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

В различных отраслях промышленности и в научных исследова-

ниях в настоящее время используется очень широкий интервал темпе-

ратур: от тысячных градуса при изучении квантовых свойств вещества

до миллионов градусов в установках термоядерного синтеза. Эти тем-

пературы надо не только создавать, но и точно измерять.

В целях дальнейшего усовершенствования температурной шкалы

проводились работы по изучению возможности использования для

измерения температур газового термометра. Для изготовления газо-

вых термометров использовались реальные газы, водород, гелий и

другие, т.е. такие из них, которые по своим свойствам сравнительно

мало отличаются от идеального. С помощью газового термометра

температура может быть измерена по изменению давления в зависи-

мости от температуры при постоянном объеме, либо по изменению

объема газа в зависимости от температуры при постоянном давлении.

В 1787 году французский химик Шарль открыл явление (которое

положило началу создания новой шкалы) равномерного расширения

или сжатия газа при нагревании или охлаждении. С изменением тем-

пературы на один градус Цельсия газ увеличивает или уменьшает

свой объем ровно на

273

того объема, который он занимал при нуле

градусов. Предположим, охлаждается газ, имеющий объем 273 куби-

ческих сантиметра при нуле градусов по Цельсию. При охлаждении

этого газа на один градус он потеряет

273

часть своего первона-

чального объема, и новый объем его составит 272 см

. Легко вычис-

лить, что если газ охладить до – 273°С, то должно произойти как бы

исчезновение газа. В действительности газы при охлаждении не сле-

дуют до конца закону Шарля, так как еще до достижения этой темпе-

ратуры они превращаются в жидкость, а закон Шарля к жидкостям

неприменим.

Английский ученый Кельвин разрешил эти затруднения с "исчез-

новением" газа и предложил строить температурную шкалу, исходя из

кинетической энергии молекул. При 0°С средняя кинетическая энер-

гия молекул газа имеет некоторую определенную величину. С пони-

жением температуры на каждый градус Цельсия молекулы теряют

273

часть своей кинетической энергии, и убывание энергии молекул

происходит совершенно равномерно. Это означает, что при темпера-

туре – 273°С или, точнее, при – 273,16°С молекулы имеют нулевую

кинетическую энергию.

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Следовательно, температуру –273,16°С можно считать "абсо-

лютным нулем". Если построить новую шкалу, в которой за начало

взять абсолютный нуль, а каждое деление взять равным обычному

градусу Цельсия, то соотношение между этими двумя шкалами выра-

зится формулой

К=°С+273,16 (2.2)

(До 1968 г. писали °К, а по соглашению, принятому в 1968 г., на-

до писать просто "К").

Развитие термодинамики в середине XIX столетия позволило

дать новое, не зависящее от свойств вещества, определение темпера-

туры. Шкала, основанная на втором законе термодинамики, была

предложена в середине прошлого века Кельвином и получила назва-

ние "Термодинамическая температурная шкала".

В основе построения термодинамической температурной шкалы

лежат зависимости между теплом и температурой, которые получены

для идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно:

, (2.3)

где Q

– тепло, поступающее с рабочим телом при Т

в тепловую

машину;

– тепло, отданное рабочим телом холодильнику при Т

Термодинамическая температурная шкала Кельвина явилась ис-

ходной шкалой для построения температурных шкал, не зависящих от

свойств термометрического вещества. В этой шкале интервал, заклю-

чающийся между точкой таяния льда и точкой кипения воды (для со-

хранения преемственности со стоградусной температурной шкалой

Цельсия) был разделён на 100 равных частей.

Практическое измерение термодинамической температуры осу-

ществляется газовыми термометрами, однако, такие приборы являют-

ся довольно громоздкими и сложными и для повседневных практиче-

ских целей весьма неудобны. Поэтому предпринимаются попытки

развить более удобные методы измерения температуры, результаты

которых по возможности приближались бы к значениям термодина-

мической температуры, т.е. термодинамическая шкала заменяется

"практической температурной шкалой". Для этого выбирается некото-

рое количество хорошо воспроизводимых опорных точек, термодина-

мические температуры которых тщательно измерены и зафиксирова-

ны при помощи газовых термометров. С помощью опорных точек

градуируются приборы для измерения температуры, показания кото-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

рых между опорными точками описываются хорошо известными

функциями термодинамической температуры.

В настоящее время применяется Международная практическая

температурная шкала (МПТШ) в редакции 1968 г. Эта шкала выбрана

таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале, была

близка к термодинамической температуре с точностью, обеспечивае-

мой современными средствами измерений. МПТШ – 68 устанавлива-

ется для температур от 13,82 до 6300 К.

В качестве эталонных средств измерения для различных областей

температур применяются:

- от 13,81 до 903,89 К – платиновый термометр сопротивления;

- от 903,89 до 1337,58 К – платинородий-платиновая термопара;

- от 1337,58 до 6300 К – квазимонохроматический пирометр.

В Украине кроме шкалы МПТШ – 68 установлены практические

температурные шкалы, которые предназначены для осуществления

единообразных измерений температуры в диапазоне от 0,01 до

100000 К. Для диапазона 0,01 до 0,8 К установлена температурная

шкала термометра магнитной восприимчивости, основанная на зави-

симости магнитной восприимчивости термометра из церий – магние-

вого нитрата от температуры.

В диапазоне от 0,8 до 1,5 К установлена шкала конденсационного

термометра

Не, основанная на зависимости давления насыщенных

паров изотопа гелия – 3 от температуры.

В диапазоне от 1,5 до 4,2 К применяется шкала конденсационно-

го термометра

Не, основанная на зависимости давления насыщенных

паров изотопа гелия – 4 от температуры.

В диапазоне от 4,2 до 13,81 К применяется шкала германиевого

термометра сопротивления.

В диапазоне от 6300 до 100000 К применяется шкала термометра

микроволнового излучения.

2.2 Термометры расширения

Одним из основных параметров, определяющих ход технологи-

ческих процессов в теплоэнергетических агрегатах (котлах, плавиль-

ных и нагревательных печах различного назначения, сушилах, газоге-

нераторах, химических реакторах и др.) является температура.

Температурные измерения в этих агрегатах характеризуются:

- широким диапазоном измерения (от –200 до +3000 °С);

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

- необходимостью измерения температуры твердых, жидких и

газообразных сред;

- присутствие агрессивных сред в теплоэнергетических агрега-

тах.

Перечисленные условия требуют применения различных методов

и средств измерения температуры. В настоящее время как в научных

исследованиях, так и в промышленности применяются различные

способы измерения температуры, в которых используются термомет-

рические свойства веществ. Средство измерения температуры, пред-

назначенное для выработки сигнала в форме, удобной для восприятия

наблюдателем, автоматической обработки, передачи и использования

в автоматических системах управления, называется термометром. В

таблице 2.1 приведены наиболее распространенные в промышленно-

сти средства измерения температуры и указаны пределы применения

серийных средств измерения. В скобках указаны пределы применения

средств измерения для специальных целей.

Таблица 2.1 - Температурные пределы применения промышлен-

ных средств измерения температуры

Пределы

применения, ºС

Тип средства

измерения

Разновидность средства

измерения

нижнийверхний

Жидкостные стеклянные

термометры

-200+750

Термометры

расширения

Манометрические термо-

метры

-200

(-272)

1000

Термометры сопротивле-

ния металлические

-2601100

Термометры

сопротивления

Термометры сопротивле-

ния полупроводниковые

-272600

Термоэлектрические

термометры

Термопары

-200

(-270)

2200

2800

Оптические пирометры 700

6000

(100000)

Пирометры спектрально-

го отношения

3002800

Пирометры

Пирометры полного из-

лучения (радиационные

пирометры)

-503500

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

Для измерения температур в лабораторных условиях и промыш-

ленной практике широко применяют стеклянные жидкостные термо-

метры, являющиеся самым старым видом термометров. Они характе-

ризуются достаточно высокой точностью, невысокой стоимостью и

простотой эксплуатации.

Принцип действия термометра основан на зависимости между

температурой и объемом термометрической жидкости, заключенной в

стеклянной оболочке. Жидкостный стеклянный технический термо-

метр (рисунок 2.3) состоит из термобаллона 1 (чувствительный эле-

мент), заполненного термометрической жидкостью (ртуть, спирт и

др.), капиллярной трубки 2 (измерительного устройства), пластины 3 с

нанесенной на нее шкалой, наружной стеклянной оболочки 4.

Температура изме-

ряемой среды, в которую

помещены резервуар (тер-

мобаллон) с жидкостью и

часть капилляра, опреде-

ляется по положению

уровня жидкости в капил-

ляре, длина которого от-

градуирована в градусах.

Для заполнения жид-

костных термометров

применяют ртуть, этило-

вый спирт, толуол, керо-

син, петролейный эфир,

пентан, и др. Наибольшее

распространение получили

термометры с ртутным

заполнением.

Ртуть обладает сле-

дующими свойствами: мо-

жет находиться в жидком

состоянии в широком диапазоне температур; верхний предел теорети-

чески может быть доведён до 1200 ºС с помощью увеличения давления

в капилляре и применения для изготовления термометра плавленного

кварца; не смачивает стекла, что позволяет использовать капилляры с

небольшим диаметром канала (до 0,1 мм). Все это обеспечивает хоро-

шую точность измерения при высокой чувствительности.

1 – термобаллон;2 – капилляр; 3 – шка

ла; 4 – оболочка

Рисунок 2.3 - Жидкостные термометры:

а – палочный; б - технический со вло

женной шкалой

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

При измерении высоких температур (более 200 ºС) капилляр над

ртутью заполняется инертным газом (азотом) под большим давлением

более 3 МПа (30 атмосфер). Верхний предел измеряемых температур

ограничивается прочностными характеристиками стекла. Ртутные

термометры с пределом измерения до 105ºС изготавливают вакуум-

ными, а выше 105ºС – газонаполненными.

К числу недостатков ртути следует отнести сравнительно малый

коэффициент объёмного расширения по сравнению с другими жидко-

стями (таблица 2.2), используемыми для заполнения термобаллона, и

её токсичность в случае нарушения герметичности системы термобал-

лон - капилляр.

Стеклянные термометры с органическими термометрическими

жидкостями применяются в интервале от –200 до 200ºС и характери-

зуются меньшей стоимостью и вредностью в производстве и эксплуа-

тации. Однако, вследствие смачивания стекла эти термометры изго-

товляют с большим диаметром капилляра, чем у ртутных и поэтому

они имеют меньшую точность измерения.

Таблица 2.2 – Термометрические жидкости для стеклянных

термометров

Возможные пределы

измерения, ºС

Средний коэффициент

объемного теплового

расширения, К

-1

Термометрическая

жидкость

нижнийверхнийдействительныйвидимый *

Ртуть (Hg)-35

750

(1200)

0,000180,00016

Керосин -603000,000950,00093

Толуол

)

-902000,001090,00107

Этиловый спирт

OH)

-80700,001050,00103

Петролейный эфир -120250,001520,00150

Пентан (C

)-200200,000920,00090

*Под видимым коэффициентом объемного теплового расширения понимают

разность между коэффициентом объемного теплового расширения термометрической

жидкости и стекла.

В зависимости от метода градуировки и применения стеклянные

жидкостные термометры делятся на две группы: термометры, градуи-

руемые и применяемые при полном погружении в жидкую среду, тем-

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

пературу которой необходимо измерить, и при неполном погружении.

Термометры первой группы применяются в основном в лабораторных

условиях и позволяют обеспечить более высокую точность. Глубина

их погружения должна изменяться при изменении температуры и рав-

няться высоте подъема жидкости в капилляре. Однако, на практике не

всегда обеспечивается это условие измерения, и часть столбика жид-

кости в капилляре может находиться вне измеряемой среды, что при-

водит к погрешности измерения. Эта погрешность существует когда

температура выступающей части столбика термометра и части, по-

груженной в измеряемую среду, будет различной.

Поправка на выступающий столбик к показаниям термометра оп-

ределяется в градусах по формуле:

Δt=n⋅β⋅(t – t

в. ст.

) (2.4)

где n – число градусов в выступающем столбике, ºС;

β – коэффициент видимого объемного расширения термометриче-

ской жидкости в стекле, К

-1

;

t – температура, показываемая термометром, ºС;

в. ст

– средняя температура выступающего столбика, измеренная

вспомогательным термометром, ºС.

Пример 2.1. Лабораторный ртутный термометр, погруженный в

измеряемую среду до отметки 170º С, показывает температуру 350º С.

Температура выступающего столбика равна 40º С. Коэффициент ви-

димого объемного теплового расширения ртути в стекле

β=0,00016 К

-1

(таблица 2.2). Поправка на выступающий столбик соста-

вит:

Δt=n⋅β⋅(t – t

в. ст.

)=180⋅0,00016⋅(350–40)≈9ºС

Действительное значение температуры равно 350+9=359ºС.

Термометры второй группы (при неполном погружении) – техни-

ческие – применяются для измерения температур в промышленности,

при этом, глубина их погружения должна быть постоянной. На таких

термометрах должна быть указана нормальная глубина погружения и

температура t

выступающей части термометра при его градуировке.

Если температура выступающей части t′

при использовании его в ре-

альных условиях значительно отличается от температуры t

при гра-

дуировке, то для приведения показаний термометра к температуре вы-

ступающей части t

необходимо к показаниям термометра алгебраиче-

ски прибавить поправку, определяемую по формуле:

Δt=m⋅β⋅(t

– t′

) (2.5)

где m – число градусов, отсчитываемое по термометру при нормаль-

ной глубине его погружения;

ПРАКТИЧЕСКАЯ

МЕТРОЛОГИЯ

ИЗМЕРЕНИЯ

β – коэффициент видимого объемного расширения термометриче-

ской жидкости в стекле, К

-1

;

– температура выступающего столбика при градуировке, ºС

(обычно t

= 20ºС);

t′

– температура выступающего столбика в реальных условиях

измерения, ºС.

В настоящее время выпускаются различные разновидности стек-

лянных термометров, отдельные из которых представлены ниже.

Лабораторные ртутные термометры для измерения темпера-

туры от –30 до +600º С, среди которых можно отметить термометры

типа ТР с диапазоном от 0 до 500º С (таблица 2.3), предназначены для

точных измерений температуры.

Таблица 2.3 – Характеристика лабораторных термометров повы-

шенной точности.

Тип

термометра

Область

измерений, ºС

Диапазон

измерений, ºС

Цена деления

шкалы, ºС

Погрешность

измерений, ºС

ТР–I0–6040,01±0,01

ТР–II55–155100,02±0,02

ТР–III140–300200,05±0,05

ТР–IV300–500500,10±0,10

Изготавливаются также лабораторные ртутные термометры спе-

циального назначения, которые применяются при измерении темпера-

тур в какой–то одной определенной области. К этой группе относятся

калориметрические и метастатические термометры. Калориметриче-

ские термометры применяются в калориметрах для определения теп-

лоты сжигания топлива или теплоемкости тел и имеют шкалу в облас-

ти комнатных температур от 15ºС до 25ºС с погрешностью измерения

не более 0,001ºС.

Метастатические термометры (термометры Бекмана) позволяют

измерять небольшие разности температур (до 5ºС) с погрешностью

0,004ºС в широком интервале температурной шкалы от –20 до 150ºС

благодаря наличию дополнительного резервуара с термометрической

жидкостью (ртутью). Переливая жидкость из резервуара в термобал-

лон и наоборот из термобаллона в резервуар, можно устанавливать

пятиградусные интервалы температур (рисунок 2.4) в любом месте

интервала от –20 до 150ºС.