Измерение температуры. 
Технические измерения и приборы

Температура (лат. temperature1 — надлежащее смешение, нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Размерность температуры.

Температуру измеряют в градусах Кельвина (К).

Температура является важной величиной, играющей в науке, промышленности, жизни людей иногда определяющую роль. До 40% от всех измерений составляют измерения температуры. При этом возрастают требования к точности температурных измерений.

Температура одинакова для всех частей изолированной системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. Если изолированная система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии (теплопередача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к выравниванию температуры во всей системе (первый постулат, или нулевое начало термодинамики).

В равновесных условиях температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (статистика Больцмана, L. Boltzmann — австрийский физик XIX века) и распределение частиц по скоростям (распределение Максвелла, J. Maxwell — английский физик XIX века), степень ионизации вещества (формула Саха, М. Саха — индийский физик и астрофизик XX века), спектральную плотность излучения (закон излучения Планка, М. Plank — немецкий физик XIX — XX веков), полную объёмную плотность излучения (закон излучения Стефана-Больцмана, I. Stefan — австрийский физик XIX века) и многое другое.

В общем случае температура определяется как производная от энергии тела в целом от его энтропии (от греч. evxponia — поворот, превращение). Так, определяемая температура всегда положительна, поскольку кинетическая энергия всегда положительна, её называют абсолютной температурой или температурой по термодинамической шкале и обозначают Т.

Измерение температуры со времён термоскопа Галилея (G. Galilei — итальянский естествоиспытатель, 1564 — 1642), сделанного им в 1598 году, основывается на применении соответствующего термометрического вещества, изменяющего свой объём или давление при изменении температуры — термометры Фаренгейта (G. Fahrenheit, немецкий физик, 1686 — 1736), Реомюра (R. Reaumur — французский естествоиспытатель, 1683 — 1757), Цельсия (A. Celsius — шведский астроном и физик, 1701 — 1744), Ранкина (Y.J. Rankine — шотландский инженер и физик, 1820 — 1872). Указанные термометры и соответствующие температурные шкалы были созданы в основном в XVIII веке.

Абсолютная шкала температур была предложена Ранкиным в 1842 году. Началом отсчёта по шкале был выбран абсолютный нуль, а размер градуса (лат. gradus — ступень, степень) Ранкина равнялся градусу Фаренгейта.

В 1848 году У. Томсон (Кельвин) разработал термодинамическую температурную шкалу, не зависящую от рода термодинамического вещества. Шкала в честь автора названа температурной шкалой Кельвина. Она основывается на втором законе термодинамики. Одно из следствий этого закона гласит, что отношение количества теплоты О/, получаемой от нагревателя любым телом, к количеству теплоты Q₂, отдаваемой этим телом холодильнику при обратном цикле Карно (N.L.S. Carnot — французский физик и инженер, 1796 — 1832), равно отношению температур ТI нагревателя и 73 холодильника, т. е.

Если установлена температура одного из тепловых процессов, то, определив измерением или расчётным соотношением е,.

—^L, можно наити значение температуры другого теплового Qi

процесса. Полученная шкала температур не зависит от свойств рабочего (термометрического вещества), поэтому сё назвали абсолютной.

Термодинамическая шкала определяется с помощью одной реперной точки — тройной точки воды, в которой находятся в равновесии все три фазы (от 1реч. лрастге — проявление): твёрдая (лёд), жидкая (вода) и газообразная (насыщенный пар). При стоградусной шкале Цельсия тройная точка воды равна +0,01 °С. Используемая для образования тройной точки чистая вода должна иметь такой же изотопный состав, который имеет океанская вода. Такая же вода используется для образования точки кипения. Значение термодинамической температуры тройной точки воды принято равным 273,16 К (точно).

Температура по шкале Цельсия t связана с температурой по Кельвину Т равенством.

причём 1 °C = 1 К.

Итак, тройная точка воды (273,16 К) задана самим определением термодинамической температуры. Остальные точки шкалы устанавливают с помощью тщательных измерений температуры фазовых переходов различных веществ.

Основой повышения точности национальных эталонов единицы температуры является совершенствование Международной температурой шкалы (МТШ). МТШ-90, принятая в 1990 году, имеет следующие реперные точки (табл. 3.1).

Совершенствование Международной температурной шкалы происходит примерно через каждые 20 лет и направлено в основном па решение трёх задач:

• — расширение диапазона охватываемых ею температур;
• — приближение к термодинамической температурной шкале;
• — повышение гладкости.

По своей сути международные температурные шкалы являются аппроксимацией термодинамической температурной шкалой с помощью средств, обеспечивающих простоту её реализации и высокую воспроизводимость.

Таблица 3.1.

Международная температурная шкала-90_.

Каждая новая международная температурная шкала отражает наивысшие, на момент её внедрения, знания, достижения в области физики и технические возможности.

В настоящее время заканчивается очередной 20-летний период, по истечении которого происходит совершенствование МТШ. Сейчас можно с уверенностью говорить только о том, что новая шкала будет расширена в область низких температур до 1 мК, включив в себя временную низкотемпературную шкалу 2000 года (PLTS-2000).

Активная работа ведётся в направлении совершенствования МТШ в области высоких температур. С этой целью проводятся исследования возможности использования высокотемпературных реперных точек на основе фазовых переходов эвтектических (от греч. еитектос — легко плавящийся) сплавов металлуглерод.

В табл. 3.2 приведены основные технические характеристики средств измерений температуры, используемых в промышленности.

Таблица 3.2.

Пределы измерения температуры различными термометрами.

РФ имеет два государственных первичных эталона: один (ТЭТ 35−91) в диапазоне температур 0,8 — 273,16 К хранится в ВНИИФТРИ (п. Менделеево Московской области) и другой (ТЭТ 34—92) — в диапазоне температур 0 — 2.500 °С (ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, г. Санкт-Петербург).

В качестве рабочих средств измерений в диапазоне 0,8 — 303 К применяют:

• — полупроводниковые и металлические термометры сопротивления;
• — термоэлектрические, пьезокварцевые, манометрические и жидкостные термометры;
• — полупроводниковые, платиновые и железо-родиевые терморсзисторы повышенной точности и термометры других принципов действия.

Пределы допускаемых абсолютных погрешностей (А) рабочих средств измерений составляют от 0,005 до 5 К.

В качестве рабочих средств измерений температуры в диапазоне 0 — 2.500 °С применяют термометры для измерения разности температур, температур поверхности, а также различные типы термометров и тсрмопрсобразователсй, используемых для статистических измерений температуры методом погружения.

Пределы допускаемых абсолютных погрешностей рабочих средств измерений составляют от 0,003 до 25 °C в зависимости от значения измеряемой величины.

В качестве рабочих средств измерений при измерении температуры радиационными пирометрами применяют пирометры полного и частичного излучения, в том числе сканирующие, пирометры спектрального отношения и монохроматические, в том числе с исчезающей нитью, тепловизоры и радиопиромстры для микроволнового излучения.

Пределы допускаемых погрешностей рабочих средств измерений составляют:

• — в диапазоне температур 220 — 353 К — от 2 до 4 К;
• — в диапазоне температур 0 — 2.800 °С — от 1 до 35 °C;
• — в диапазоне температур 400 — 100.000 °С — от 5 до 600 °C для монохроматических пирометров;
• — в диапазоне температур 1.000 — 100.000 °С — от 120 до 12.000 °С для радиопирометров в микроволновой области спектра.

Температурный диапазон физических явлений исключительно широк и теоретически не ограничен: практически от абсолютного нуля до 10^м К и выше.

Следует отметить, что измерения температуры являются одними из наиболее востребованных в науке и промышленности. Причём возрастает не только количество и номенклатура используемых средств измерений, но и неуклонно увеличиваются требования к точности измерений.

Прогнозируемые требования к точности измерения температуры к 2010 году приведены в табл. 3.3.

Прогнозируемые требования к точности измерения температуры к 2010 году.

Можно предположить, что эти требования не всегда обоснованны, однако тенденция их роста очевидна.

Значительный прогресс в развитии средств измерений температуры в последние десятилетия достигнут преимущественно за счёт развития электроники. Современные средства измерений сопротивления и напряжения позволили в значительной степени реализовать возможности терморезисторов и термопар. При этом положительный эффект достигается нс только за счёт повышения точности измерения сопротивления и эдс, по также за счёт статистической обработки результатов измерений и повышения точности расчёта температуры по измеренным электрическим параметрам.

Развитие электроники послужило основой существенного прогресса и в области радиационной термометрии измерительного тепловидения. Современные пирометры намного превосходят, но своим метрологическим и эксплуатационным характеристикам радиационные пирометры 90-х годов.