Общие сведения об измерении температур

Температура является одним из важнейших параметров технологических процессов. Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обуславливается средней кинетической энергией поступательного движения молекул данного тела, которая может сильно отличаться от кинетической энергии каждой отдельной молекулы тела. Поэтому понятие температуры применимо только к телу, состоящего из большого числа молекул (в применении к отдельным молекулам оно бессмысленно).

Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении физических (термометрических) свойств вещества при нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной шкалы казалось бы, возможно выбрать любое термометрическое свойство, характеризующее состояние того или иного вещества и на основании его изменений построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как термометрическое свойство должно быть однозначно изменяться с изменением температуры, не зависеть от других факторов и допускать возможность измерение его изменений сравнительно простым и удобным методом.

В действительности нет ни одного термометрического свойство, которое в полной мере можно удовлетворить этим требованиям во всём интервале измеряемых температур.

Международным комитетом мер и весов 1968 г. была принята Международная практическая температурная шкала МПТИ-68 (первая международная шкала температур — МТИ — была принята в 1927 г.). Эта шкала основана на 2-х постоянных и воспроизводимых температурах фазовых равновесий — реперных точках, которым присвоены определённые числовые значения, а также на приборах и формулах, определяющих связь между температурой и показаниями этих приборах, градуированных в указанных реперных точках. Ниже приведены названия реперных точек и присвоенные им значения температур.

Реперная точка Обозначение Температура по МТШ-90, °С Тройная точка водорода — 259,43.

Тройная точка кислорода — 218,789.

Тройная точка воды TPW 0,01.

Точка плавления галлия Ga 29,7646.

Точка затвердевания индия In 156,5985.

Точка затвердевания олова Sn 231,928.

Например, равновесие между твёрдой, жидкой и парообразной фазами воды существуют при 0,01 °С, а точка кипения воды 100 °C, точка затвердения серебра 961,3 °С, а точка затвердения золота 1064,43 °С, равновесие между твёрдой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (тройная точка) — при (-259,43 °С) и т. д. В соответствии с решением XVIII Генеральной конференции по мерам и весам (1987) с 1990 введена новая Международная температурная шкала (МТШ-90), в которой значение температуры тройной точкой воды сохраняется, а значения других реперных точек уточнены и приближены к их истинным термодинамическим температурам; при этом °С меньше ⁰К на 3· 10^-4.

Процессы плавления и затвердевания металлов реализуются в специальных ячейках. Металл заплавляется в тигли, изготовленные из графита высокой плотности и чистоты. Тигли помещаются в капсулы из пирекса или кварца, заполненные инертным газом (обычно аргоном или гелием). При изготовлении ячейки важно не допустить попадания кислорода и паров воды в металл, обеспечить высокую чистоту инертного газа и всех, используемых при заплавке металла материалов. Повышение точности реализации реперной точки достигается применением ячеек открытого типа, в которых давление газа в капсуле может регулироваться и поддерживаться равным 101 325 Па в течение фазового перехода. Для реализации точки плавления галлия используется ячейка из фторопласта высокой чистоты.

Для осуществления плавления и затвердевания металлов применяются печи и термостаты. Основное требование — обеспечение равномерного температурного поля на длине тигля с металлом, что необходимо для правильного формирования и продвижения границы двух фаз. При температурах выше 600 °C рекомендуется использовать печи с тепловыми трубами, при более низких температурах могут использоваться печи с тремя нагревателями без тепловых труб.

Первичный эталон единицы температуры создан в период с 1955 по 1971 в ВНИИМ им. Д. И. Менделеева и утвержден в качестве Государственного эталона 28 декабря 1972 г. Изменение состава эталона проходило в 1992 г. В связи с введением новой международной температурной шкалы МТШ-90 состав эталона был изменен также в 1998 г.

Создание и совершенствование эталона единицы температуры является основной научной работой термометрической лаборатории ВНИИМ на протяжении всего периода существования лаборатории.

В период 1949 — 1960 г. г. с целью повышения точности реализации практической температурной шкалы разработаны и исследованы равноделенные ртутные стеклянные термометры с ценой деления 0,01 °С для диапазона 0… 300 °C.

В 1950 — 1954 г. г проводились работы по повышению точности воспроизведения и передачи единицы температуры в точке 0 °C. Вместо опорной точки таяния льда, применявшейся ранее, разработана, изготовлена и исследована ампула тройной точки воды.

В 1955 — 1964 г. г. исследовалась возможность повышения точности электрических измерений, применяемых в термометрии. Разработаны герметизированные золото-хромовые меры электрического сопротивления не кратные десяти, что исключило введение поправок на декады (сопротивления, кратные 10 ом) потенциометра. В качестве электроизмерительной аппаратуры применены специальные мосты (электрические).

В 1960 — 1970 г. г. для повышения точности воспроизведения и передачи размера единицы температуры в диапазоне 400 — 1100 °C вместо платинородий — платиновых термопар разработаны высокотемпературные платиновые термометры сопротивления.

В период с 1970 по 1977 г. г. с целью оснащения территориальных органов Госстандарта в лаборатории были разработаны, изготовлены и переданы для серийного производства термостатные установки с водяным, масляным и оловянными теплоносителями. Термостаты были предназначены для массовой поверки контактных термометров в диапазоне от 0 до 600 °C. В 1985;1990 г. г был разработан и выпущен в серийное производство автоматизированный комплекс для реализации реперных точек шкалы, включающий новые печи с тремя нагревателями и систему управления режимом их работы САУРТ. Такими печами начали оснащаться все региональные метрологические центры.

В 1990;1998 г. г. основным научным направлением являлась разработка и исследование эталонных платиновых термометров сопротивления. В зависимости от диапазона температур используются два типа эталонных термометров: термометры для средних температур (ПТС) от 0 °C до 660,323 °С и высокотемпературные термометры (ВТС) от 660,323 до 961,78 °С. ВТС отличаются от ПТС большим диаметром платиновой проволоки, меньшим номинальным сопротивлением, что снижает эффект влияния чувствительного элемента изоляцией каркаса при высоких температурах.

Были проведены Государственные приемочные испытания эталонных термометров ПТС-10М и ВТС, разработаны методики их применения и поверки, утверждены соответствующие стандарты. Ряд работ, проведенных в 1990;1992 г. г. во ВНИИМ и НИСТ, подтвердил возможность применения российских ВТС в диапазоне выше 961,78°С — установленного МТШ-90 предела для платиновых термометров. Были исследованы и внедрены методики аппроксимации (продления) шкалы до 1084 °C.

В последнее десятилетие постоянные работы ведутся по совершенствованию эталона: настройке аппаратуры для реализации реперных точек, подбору оптимальных температурных полей в печах и получению длительных фазовых переходов, проведению ключевых международных сличений. В 1999;2001 гг. была создана система для откачки ампул ГПЭ, заполнения их аргоном и точного регулирования давления в ампулах во время фазового перехода. В 2002;2006 гг. была проведена замена регуляторов температуры в эталонных печах на современные цифровые регуляторы.

В ряде стран (напр., Австралия, Великобритания, Канада, США) продолжают применять средства измерения температур, градуируемые в °F (градус Фаренгейта) или °R (градус Реомюра).

Пересчёт температуры между основными шкалами Т⁰К= Т⁰С + 273,15 = (Т⁰F +459,67)/1,8 Т⁰F= Т⁰К · 1,8 — 459,67= Т⁰C· 1,8+32.

Т⁰C= Т⁰К — 273,15 = (Т⁰F — 32)/1,8.

(Любопытно отметить, что температура ?40 °F соответствует температуре ?40 °C). Шкала Реомюра предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R); 1 °R = 1,25 °C. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.