Какое свойство тел используется для измерения температуры
Термоме́три́я — раздел прикладной физики и метрологии, посвящённый разработке методов и средств измерения температуры. В задачу термометрии входят: установление температурных шкал, создание эталонов, разработка методик градуировки и калибровки приборов для измерения температуры.
История[править | править код]
Температура не может быть измерена непосредственно. В связи с этим термометрия в своём развитии прошла долгий и сложный путь для достижения единства температурных измерений. С давних времён известен метод качественной оценки температуры с помощью осязательных ощущений. Отсюда возникли понятия: горячий, тёплый, холодный. На основе чувственного восприятия природных явлений появились понятия: зимний холод, летняя жара, вечерняя прохлада, красное и белое каление, жар (в отношении повышенной температуры тела при заболевании).
В средних веках неоднократно был описан опыт, в котором предлагалось подержать одну руку в горячей воде, а другую ─ в холодной, после чего погрузить обе руки в смешанную воду. В результате первая рука ощущала смешанную воду как холодную, а вторая ─ как тёплую. Несмотря на высокую чувствительность организма к изменению температуры тела (до ) количественное измерение температуры с помощью наших ощущений невозможно, даже в очень узком диапазоне.
Потребность в измерении температуры в познавательных и прикладных целях возникла в середине XVI столетия. Для таких измерений необходимо было воспользоваться функциональной зависимостью от температуры какого-нибудь, известного из наблюдений, параметра. Способность воздуха расширяться при нагревании была известна ещё в l веке Герону Александрийскому. Этим он объяснял почему огонь поднимается вверх. В 1597 г. Галилей предложил для температурных исследований термоскоп, который состоял из заполненного воздухом стеклянного баллончика, соединённого тонкой трубкой с сосудом, заполненным окрашенной жидкостью. Изменение температуры баллончика вызывало изменение уровня окрашенной жидкости. Существенным недостатком таких термометров была зависимость их показаний от атмосферного давления. Конструкцию термометра, подобного современным жидкостным стеклянным термометрам, связывают с именем ученика Галилея герцога тосканского Фердинанта ll. Термометр представлял собой заполненный спиртом запаянный стеклянный сосуд с вертикально расположенным указательным капилляром. Деления градусов были нанесены эмалевыми капельками непосредственно на трубку капилляра.
Метрологическая основа термометрии была заложена падуанским врачом Санторио. Используя термоскоп Галилея он ввёл две абсолютные точки, которые отвечали температуре при снегопаде и температуре в самый жаркий день, и регламентировал систему проверки, по которой все флорентийские термометры градуировались по образцовому санкорианско-галилеевскому прибору. В начале XVIII столетия было выдвинуто ряд предложений, касающихся привязки термометрической шкалы к нескольким легко и надёжно воспроизводимым точкам, которые в дальнейшем получили название «реперных».
Значительная роль в становлении температурных измерений принадлежит Фаренгейту. Он впервые применил ртуть в качестве термометрического тела и создал воспроизводимую температурную шкалу. В шкале Фаренгейта за нуль принята температура смеси снега с нашатырём, а вторая точка соответствовала температуре тела здорового человека. Температура таяния льда в окончательном варианте шкалы составляет 32 градуса, температура тела человека ─ 96 градусов, а температура кипения воды, которая вначале была производной величиной, равна 212-ти градусам. Фаренгейту, который также был успешным предпринимателем, удалось впервые наладить серийное производство унифицированных термометров. Шкала Фаренгейта до сих пор используется в США для технических и бытовых измерений температуры.
В 1742 г. шведский математик и геодезист Цельсий предложил разбить в ртутном термометре диапазон между точками таяния льда и кипения воды на 100 равных частей. В первом варианте шкалы за 0 градусов была принята точка кипения воды, а за 100 градусов ─ точка плавления льда. В 1750 г. эта шкала была «обращена» одним из учеников Цельсия Стреммером. До начала XX века была также распространена шкала Реомюра, предложенная в 1730 г. французским зоологом и физиком Реомюром. Реомюр использовал в качестве термометрического тела 80 % раствор этилового спирта. Один градус шкалы Реомюра, как и у флорентийского термометра соответствовал изменению объёма жидкости на одну тысячную часть. За начало отсчёта была принята точка таяния льда, а температура кипения воды равнялась 80 градусам.
В 1848 г. Томсон (Кельвин) предложил абсолютную термодинамическую шкалу, которая в отличие от эмпирических шкал не зависит от свойств термометрического тела. [1] Подробнее: Термодинамическая температура.
Физические основы измерения температуры[править | править код]
Как было упомянуто выше, непосредственно температуру измерить невозможно. Об её изменениях судят по изменению других свойств тел, таких как объём, давление, электрическое сопротивление, термо-ЭДС, интенсивность излучения и т. п., которые связаны с температурой определёнными закономерностями. Поэтому методы измерения температуры по сути являются методами измерения вышеуказанных термометрических свойств. При разработке конкретного метода или прибора необходимо выбрать термометрическое тело, у которого соответствующее свойство хорошо воспроизводится и весьма существенно изменяется с температурой. Термометрическое свойство тела ─ это такое свойство, зависимость которого от температуры является монотонным и не имеет ощутимого гистерезиса, что даёт возможность использования его для измерения температуры.
Для измерения температуры необходимо также иметь единицу измерения и шкалу, по которой отсчитываются её значения от выбранного уровня. Принцип построения эмпирической температурной шкалы состоит в выборе двух основных легко воспроизводимых реперных точек, которым приписывают произвольные значения температуры и . Температурный диапазон между этими значениями делят на равное число частей и часть принимают за единицу измерения температуры. Далее выбирают физическое свойство ─ термометрическую величину , например, объём жидкости, давление газа, электрическое сопротивление, термо-ЭДС и т. д., которую условно полагают линейно зависящей от температуры. Отсюда следует уравнение
где ─ коэффициент пропорциональности. В интегральной форме ─
Для определения постоянных и используем вышеуказанные температуры и . После преобразования интегральное уравнение приобретает вид
Последнее выражение получило название уравнение шкалы. С его помощью по измеренным значениям находят значения температуры . [2].
До 1954 г. температурная шкала строилась по двум реперным точкам: нормальной точки таяния льда и нормальной точки кипения воды . Экспериментальные исследования показали, что тройная точка воды имеет лучшую воспроизводимость, чем точки таяния льда и кипения воды. В связи с этим было принято международное соглашение строить температурную шкалу по одной реперной точке ─ тройной точке воды. В так называемой абсолютной термодинамической шкале температур (шкале Кельвина) принимается, по определению, что температура этой точки равна точно . Численное значение температуры тройной точки выбрано таким образом, чтобы промежуток между нормальными точками таяния льда и кипения воды максимально точно равнялся , если использовать идеально-газовый термометр. [3]
Опыты показывают, что в природе не существует веществ, физические свойства которых строго линейно зависят от температуры. Коэффициент сам является функцией температуры. Шкалы температур, построенные на разных температурных свойствах, совпадая в основных точках и дают расхождения в значениях температур как внутри указанного промежутка температур, так и за его пределами. Кроме упомянутого расхождения, к недостаткам эмпирических температурных шкал относится отсутствие их непрерывности, связанной с невозможностью термометрических тел работать во всём диапазоне возможных температур.
Термометры[править | править код]
Термометр (от греч. thérme ─ тепло и metréo ─ измеряю) ─ прибор для измерения температуры.
В зависимости от методики измерений термометры подразделяются на две основные группы:
1. Контактные термометры, чувствительные элементы (датчики) которых вступают в непосредственный контакт с измеряемым объектом;
2. Неконтактные термометры, которые измеряют дистанционно интенсивность интегрального теплового или оптического излучения объекта;
3.Особую группу составляют специальные термометры, которые используют для измерения сверхнизких температур.
Контактные приборы и методы по принципу действия делятся на:
а) термометры контактные волюметрические, в которых измеряется изменение объёма (volume) жидкости или газа с изменением температуры;
б) Термометры диламетрические, в которых о температуре судят по линейному расширению различных твёрдых веществ при изменении температуры. В ряде случаев датчиком служит биметаллическая пластина, изготовленная из двух металлов с различными коэффициентами линейного расширения, которая изгибается при нагревании или охлаждении;
в) Термометры термоэлектрические, датчики которых ─ термопары, представляющие собой спаянные по концам два разнородных проводника. При наличии разности температур спаев в термопаре возникает термо-ЭДС. Температура измеряется по величине термо-ЭДС, либо по величине тока в цепи термопары;
г) Термометры сопротивления ─ принцип действия которых основан на изменении сопротивления проводника или полупроводникового прибора (термистера) с изменением температуры.
К неконтактным методам и приборам относятся:
а) Радиометрия (радиометры) ─ измерение температуры по собственному тепловому излучению тел. Для невысоких и комнатных температур это излучение в диапазоне инфракрасного диапазона волн.
б) Тепловидение (тепловизоры) ─ радиометрическое измерение температуры с пространственной разрешающей способностью и с превращением температурного поля в телевизионное изображение, иногда с цветовым контрастом. Позволяет измерять градиенты температуры, температуру среды в замкнутых пространствах, например, температуру жидкостей в резервуарах и трубах.
в) Пирометрия (пирометры) ─ измерение высоких температур самосветящихся объектов: пламени, плазмы, астрофизических объектов. Используется принцип сравнения либо яркости объекта с 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).
Основные уравнения, на которых базируется термометрия[править | править код]
1.Уравнение газового состояния Клапейрона. Это уравнение используется для построения идеально-газовой температурной шкалы.
2. Уравнение теплового расширения объёма жидкостей и газов, линейно зависящего от температуры, является основой волюметрического метода измерения температур.
3. Уравнения теплового линейного расширения твёрдых тел от температуры лежит в основе дилатометрического метода измерения температур.
4. На уравнении линейной зависимости сопротивления проводников от температуры основаны термометры сопротивления.
5. Закон Стефана ─ Больцмана, который связывает функциональной зависимостью полную энергию теплового излучения и температуру, лежит в основе неконтактных методов измерения температуры.
где — интегральная излучательная способность абсолютно чёрного тела, ─ постоянная Стефана—Больцмана.
Магнитная термометрия[править | править код]
Для измерения температур ниже 1 К используют факт зависимости магнитной восприимчивости парамагнетика от температуры (закон Кюри). По измеренному значению магнитной восприимчивости находят магнитную температуру[4][5][6], которая отличается от термодинамической температуры на величину, зависящую от степени отклонения от закона Кюри.
ГОСТ 8.157-75 «Шкалы температурные практические» устанавливает для температур от 0,01 до 0,8 К шкалу, основанную на температурной зависимости магнитной восприимчивости термометра из церий-магниевого нитрата[7][8].
Примечания[править | править код]
- ↑ Різак, 2006, с. 166─172.
- ↑ Різак, 2006, с. 181.
- ↑ Сивухин, 2005, с. 20;21.
- ↑ Магнитная термометрия. БСЭ (3-е изд.), 1974, т. 15.
- ↑ Физика. Большой энциклопедический словарь, 1998, с. 368.
- ↑ Трайбус М., Термостатика и термодинамика, 1970, с. 443—445.
- ↑ Евдокимов И. Н. Методы и средства исследований. Часть 1. Температура, с. 31.. Рос. гос. ун-т нефти и газа им. И. М. Губкина.
- ↑ Иванова Г.М. и др., Теплотехнические измерения и приборы, 1984, с. 18.
Литература[править | править код]
- Базаров И. П. Термодинамика. — М.: Высшая школа, 1991. — 376 с. — ISBN 5-06-000626-3.
- Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М.: Недра, 1968. — 112 с.
- Різак В.,Різак І., Рудавський Е. Кріогенна фізика і техніка. — К.: Наукова думка, 2006. — 512 с. — ISBN ISBN 966-87641-4-5.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.
- Козлов М. Г. Метрология и стандартизация. Учебник. — М., СПб: Петербургский ин-т печати, 2001. — 372 с.
- Иванова Г. М., Кузнецов Н. Д., Чистяков В. С. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 232 с.
- Трайбус М. Термостатика и термодинамика / Пер. с англ.. — М: Энергия, 1970. — 504 с.
- Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — 944 с. — ISBN 5-85270-306-0.
- Асланян А. М., Асланян И. Ю., Масленникова Ю. С., Минахметова Р. Н., Сорока С. В., Никитин Р. С., Кантюков Р. Р. Диагностика заколонных перетоков газа комплексом высокоточной термометрии, спектральной шумометрии и импульсного нейтрон-нейтронного каротажа // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 6. С. 52-59.
Измерение температуры и что такое температура.
В быту и на производстве мы часто обращаемся к «температуре» и «измерение температуры» «термометрами»:
— меряем температуру тела;
— смотрим на уличный термометр за окном, чтобы решить как одеться;
— контроль технологических или химических процессов…
Обычно под температурой мы понимаем просто степень нагретости тела: горячо — жарко, холодно — тепло.
Для точного измерения температуры в рамках какого-либо технологического процесса необходимо создать измерительную систему с учетом всех влияющих факторов. Тот же процесс инкубации яиц, чтобы вывести яйца в инкубаторе необходимо регулировать температуру.
Из четырёх величин Международной системы единиц (СИ), неразрывно связанных с человеческой деятельностью: массой, длиной, временем и температурой, последняя оставалась полной загадкой для человечества вплоть до 18 века.
Но и сегодня не все, кто пользуется различными средствами измерения температуры, понимают, что же они измеряют.
То же давление легко воспринимается, так как оно связано с силой и может быть без труда определено количественно. С температурой невозможно связать количественную величину.
Теория (кратко).
В быту мы оцениваем температуру по ощущениям: горячо, тепло, холодно. Казалось бы, если одно тело горячее другого, то и его температура должна быть больше. Но это не так. Попробуйте взять в разогретой сауне в руку деревянный ковшик и металлический ковшик. Совершенно разные ощущения, хотя температура одна. Но если мы хотим сравнить температуру одинаковых по своей природе объектов, то можем сделать это с высокой точностью.
Рукой можно определить, повышена ли температура другого человека, фактически измерить её с точностью ±0,5⁰С. Также находясь в помещении можно с точностью до 1…2⁰С определить температуру воздуха. Человек хорошо чувствует этот физический параметр и в то же время мало кто сможет чётко сказать, что же это такое — температура.
Совершенно обратная ситуация с влажностью воздуха: очень трудно определить влажность воздуха по своим ощущениям. Однако эта характеристика прекрасно понимается в количественном выражении – это количество молекул воды в единице объёма.
Существуют несколько определений температуры. Одно из них наиболее близкое людям, занимающимся практическими измерениями и исходит из нулевого закона термодинамики:
если два тела находятся в состоянии теплового равновесия, то они имеют одинаковую температуру.
Таким образом, если мы обеспечим хороший тепловой контакт термометра с измеряемой средой, то по прошествии некоторого времени, необходимого для установления теплового равновесия, температуры термометра и среды будут одинаковы. Естественно, что данный вывод будет верен, только если наша система изолирована от других тел и не совершается никакой работы.
Ну а само понимание физической природы температуры приходит только после изучения статистической механики, где температура представлена как мера кинетической энергии тела.
Для корректного изложения вопросов измерения температуры необходимо дать ее точное физическое определение.
Температура — физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества.
Из определения температуры следует, что она не может быть колличественно измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности излучения и т.д.).
В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения:
- контактные (собственно термометрия) — жидкостные, манометрические, термоэлектрические термометры, термометры сопротивления и др.
- безконтактные (пирометрия или термометрия излучения), применяемые в основном для измерения очень высоких температур — для измерения криогенных температур используются также газовые, акустические и магнитные термометры.
Кроме того, в системах, не требующих высокой точности измерений, в определенном диапазоне температур широко используются полупроводниковые датчики температуры на диодах, транзисторах и специальных интегральных микросхемах.
Историческая справка.
Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объема газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор (и последующие аналоги) имел большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме.
Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Г.Фаренгейтом (G. Fahrenheit) в начале 18 века первой температурной шкалы, названной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0°F) он использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки температуру тела человека (96°F — в старину было удобнее считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина.
Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 году. В качестве опорных точек для нее используются температура плавления льда (0°C) и температура кипения воды (100°C).
Наконец, в начале 19 века английским ученым лордом Кельвином (Kelvin) была предложена универсальная абсолютная термодинамическая температурная шкала, ставшая стандартной в современной термометрии. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля температуры.
Перевести температуру из одной шкалы в другую можно с помощью следующих простых соотношений:
T(°C)= (T(°F) — 32)*5/9
T(K)=T(°C) + 273,15
Таким образом,
0°C соответствует 32°F и 273,15 К,
а 100°C — 212°F и 373,15 К.
Выбор между этими опорными точками 100 делений у шкалы Цельсия и 180 делений у шкалы Фаренгейта является чисто условным (как, впрочем, и выбор самих опорных точек).
Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS90), использующая в качестве опорных точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. Кроме того, стандарт определяет типы образцовых средств измерения во всем диапазоне температур.
Перечень основных фиксированных точек МПТШ68
| Наименование | Температура, К | Образцовое средство измерения |
| Точка затвердевания золота | 1337,58 | свыше 1337,58 К — спектральный пирометр |
| Точка затвердевания серебра | 1235,08 | от 903,89 К до 1337,58 К — термопара платина/платина%родий (10% Rh) |
| Точка затвердевания цинка | 692,73 | от 13,81 К до 903,89 К — платиновый термометр сопротивления |
| Точка кипения воды | 373,15 | |
| Тройная точка воды | 273,16 | |
| Точка кипения кислорода | 90,188 | |
| Тройная точка кислорода | 54,361 | |
| Точка кипения неона | 27,102 | |
| Точка кипения равновесного водорода | 20,28 |
Принято считать, что первый термометр, работающий на расширении воздуха, был изобретён Галилеем примерно в 1592 г. А в 1641 году появился первый, реально работающий спиртовой стеклянный термометр, созданный герцогом Тосканским. С этого момента началось быстрое развитие термометрии. В начале 18-ого века Фаренгейт первым изготовил ртутный стеклянный термометр и предложил температурную шкалу, в которой одной из фиксированных точек служила температура человеческого тела, которую он принял за 96 градусов, а другой – температура таяния льда -32 градуса. Ну а кульминационной точкой в развитии практической термометрии явилось принятие в 1927 году Международной температурной шкалы МТШ-27. В дальнейшем температурная шкала совершенствовалась и расширялась практически до 0 К.
Температура — параметр, который можно измерить только косвенно, по изменению других физических параметров. Термометрию различают на первичную и вторичную. В первичной термометрии температура явно описывается через другие физические параметры, например для газовых термометров это давление и объём. Примерами вторичных термометров являются термометры сопротивления и термопары. В промышленности термометры сопротивления и термопары являются основными средствами контроля температуры, закрывая диапазон измерения от минус 200 до + 2500⁰С и более.
В последнее время платиновые термосопротивления активно начали вытеснять медные и термопары. Связано это с появлением на рынке недорогих платиновых плёночных термочувствительных элементов, которые в отличие от медных являются более стабильными и работают в более широком диапазоне температур. А по сравнению с термопарами — обеспечивают более высокую точность измерения и не требуют использования дорогого термокомпенсационного кабеля.
Однако в России медные термометры до сих пор находят широкое применение. Одно из основных преимуществ меди — это очень хорошая линейная зависимость её сопротивления от температуры в диапазоне от минус 50 до + 200⁰С и более высокая чем у платины чувствительность. Свыше 200⁰С медь начинает очень быстро окисляться на воздухе, поэтому обычно верхний предел измерения для медных термосопротивлений устанавливается до 180⁰С. При производстве используется проволока диаметром от 30 до 80 мкм. При дальнейшем уменьшении диаметра стоимость проволоки резко возрастает, а изготовление термосопротивления с заданными параметрами становится проблематичным.
Также следует обращать внимание на максимальный измерительный ток. Например, для термометров сопротивления, изготовленных из проволоки диаметром 30 мкм уже при токе 0,2мА становится заметным явление саморазогрева от протекающего тока, а значит, использование таких термометров с большинством измерительных приборов становится невозможным. Обычно диаметр используемой проволоки определяется исходя из диаметра зонда, в который будет устанавливаться проволочный чувствительный элемент. Например, для зонда диаметром 2 мм используют проволоку диаметром 30 мкм, 4 мм – 40 мкм, 5…6 мм – 50 мкм, 8…10 мм- 80 мкм.
Большое значение имеет схема соединения проводников термосопротивления. Различают три основных схемы: 2-х, 3-х и 4-х проводную.
При двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавляется сопротивление внешних проводов, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерения. Ясно, что такой способ можно использовать только для ЧЭ с большим сопротивлением. Из наиболее употребляемых — это Pt1000. Легко подсчитать, что для обеспечения точности измерения 0,1⁰С общее сопротивление внешних проводников не должно быть больше 3,8 Ом.
В трёхпроводной схеме подключения автоматически из полного сопротивления вычитается сопротивление внешних проводов. Но это только в случае, если сопротивление проводников 1 и 2 трёхпроводной схемы равны между собой. Тем не менее, 3-х проводная схема подключения термосопротивлений на сегодняшний момент является самой популярной. Практически все вторичные приборы (измерители, регуляторы) имеют входные цепи, рассчитанные под эту схему. Трёхпроводная схема позволяет увеличить расстояние от датчика до прибора до 50…100 метров. При этом не обязательно, чтобы сам термометр сопротивления был изготовлен по 3-х проводной схеме. Можно использовать и датчики с двумя клеммами, подключив к одной клемме один провод, а ко второй – два.
Четырёхпроводная схема используется в основном только для точных измерений и в эталонных приборах. Данная схема позволяет автоматически компенсировать влияние на результат измерения не только сопротивления проводников, но и ЭДС в местах контактов.
Советы при выборе и монтаже термометров сопротивления
Есть банальные истины, которыми нужно руководствоваться при выборе подходящего датчика температуры. Конечно же, нужно в первую очередь обратить внимание на диапазон измерения и точность. Во-вторых, нужно решить вопрос с основным конструктивным исполнением: в клеммной головке, или с кабельным выводом. Датчики с кабельным выводом более миниатюрны и менее инерционны. Они уже полностью готовы к подключению к вторичному прибору. Но вышеперечисленные преимущества одновременно являются и их недостатками. Миниатюрный корпус – следовательно, небольшой размер чувствительного элемента и малый измерительный ток. Жёстко присоединённый кабель несёт за собой худшую, чем для датчиков в клеммной головке степень защиты от воды. Эти датчики заведомо дороже из-за высокой стоимости применяемого высокотемпературного кабеля. Они менее надёжны при механических воздействиях опять-таки из-за наличия кабеля. С термосопротивлением в клеммной головке не обязательно использовать высокотемпературный кабель. Минус этих датчиков в одном – габаритных размерах, что бывает важно в ряде случаем.
При монтаже датчика температуры нужно максимально увеличить его тепловой контакт с контролируемой средой и одновременно уменьшить отток тепла от места подключения. Необходимо помнить, что чувствительный элемент имеет конечную длину, поэтому глубина погружения датчика должна быть как минимум на несколько диаметров зонда больше, чем длина ЧЭ. При монтаже датчиков контроля поверхности очень важно место соединения предварительно смазать каким-либо вязким веществом. Также важно обеспечить тепловой контакт кабеля с контролируемым объектом, чтобы минимизировать отвод тепла от ЧЭ датчика по кабелю. Ещё лучше, если и датчик и подводящий кабель будут закрыты хорошим теплоизолятором, например пенополиуретаном, или пенополиэтиленом.
Датчики температуры воздуха лучше устанавливать в тех местах помещения, которые наиболее важны для контроля. При плохой конвекции воздуха в помещении градиент температуры может составить до 5-ти и более градусов.
При экспресс контроле температуры поверхности теплоёмкость датчика должна быть минимальной. Дело в том, что самое большое зло при контактном способе измерения температуры поверхности состоит в том, что датчик уменьшает температуру поверхности в месте установки. Процесс восстановления начальной температуры может идти очень долго, что зачастую приводит к неправильным результатам и выводам. Примером может служить ситуация с «занижением» показаний медицинских электронных термометров.
Термопары
По сравнению с термометрами сопротивления термопары обладают рядом очень больших преимуществ и таких же больших недостатков. По большому счёту эти два класса приборов очень органично дополняют друг друга. И задача киповца — определить, какой датчик температуры ему нужен для той или иной задачи.
Термопары имеют очень большой диапазон рабочих температур. При этом, чем больше максимальная рабочая температура термопары, тем меньше её чувствительность. С этим фактом связан большой ассортимент применяемых термопар. При помощи термопар можно измерять температуру очень маленьких объектов. Для этого достаточно сварить между собой две термоэлектродные проволоки маленького диаметра. Естественно, что такая термопара имеет и очень незначительную инерционность. Термопара из недрагоценных металлов малой длины дешевле термосопротивления. Однако при увеличении длины стоимость её значительно возрастает. В то же время термопары значительно уступают термосопротивлениям в точности измерения. Связано это с рядом причин. Сигнал с термопары значительно более нелинеен. Для получения абсолютной измеренной температуры необходимо знать температуру холодного спая термопары. А это означает, что общая погрешность измерения сложится из двух: погрешности измерения разности температур рабочего и холодного спая термопары и погрешности измерения температуры холодного спая. На практике же всё ещё сложнее. Очень непросто измерить с хорошей точностью температуру выводов термопары на входе вторичного прибора. На практике эта погрешность составляет около 1⁰С. При измерении высоких температур значение данной погрешности несколько нивелируется.
Советы по выбору и применению термопар
Для использования в диапазоне до +200⁰С лучше применять платиновые или медные термосопротивления. В случае контроля температуры очень небольшого объекта малой теплоёмкости можно использовать термопару медь-константан, которая замечательна тем, что очень легко сваривается над поверхностью раствора медного купороса, имеет самую высокую чувствительность и очень низкую стоимость.
Для диапазона до +800⁰С в России используется термопара ХК(L) хромель-копель. Данные термопары имеют очень высокую чувствительность в широком диапазоне начиная от -200⁰С. В других странах данный тип термопары не применяется. Самыми популярными в промышленности являются термопары типа ХА(К) хромель-алюмелевые. Теоретический диапазон их использования составляет от -200 до +1300⁰С. Термопары типа К замечательны хорошей линейностью характеристики от 0 до 1000⁰С. В реальности наиболее высокотемпературные термопары работают до 1100⁰С. Так как при высокой температуре от +800⁰С термоэлектродные проволоки начинают активно окисляться, то единственным путём увеличить срок службы термопары и температуру эксплуатации является увеличение диаметра термоэлектродных проволок до 2…3 мм. При температуре выше 800⁰С нержавеющую сталь кожуха меняют на специальную высокотемпературную сталь или керамику.
Для измерения температуры вплоть до +1700⁰С применяют термопары, изготовленные из драгоценных металлов платиновой группы. Они отличаются высокой стабильностью параметров, но имеют крайне низкую чувствительность при низких температурах и очень высокую стоимость. Наиболее высокотемпературные термопары – вольфрам-рениевые. Но они не могут работать в окислительной атмосфере при температуре уже выше 500⁰С. Оболочку этих датчиков необходимо наполнять инертным газом. Так как герметичный корпус для высоких температур изготовить проблематично, то для продолжительной работы по внутренней полости этих термопар постоянно пропускают инертный газ.
Для контроля температуры поверхности или воздуха лучше применять гибкую термопару без защитного чехла. Для контроля поверхности нужно обеспечить хороший тепловой контакт с поверхностью не только рабочего конца термопары, но и термоэлектродов на расстоянии не менее 50 мм, чтобы уменьшить теплоотвод от места контроля. При использовании термопары при высокой температуре в окислительной или агрессивной атмосфере может наблюдаться деградация параметров, связанная с окислением и изменением химического состава термоэлектродов. Необходимо периодически контролировать качество термопары хотя бы по её полному сопротивлению постоянному току. Для использования в экстремальных условиях в течение непродолжительного времени существуют ТП разового применения и ТП кратковременного применения.