Приборы для измерения температуры

ФедеральноеАгентство по Образованию 
ГосударственноеОбразовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования
“БратскийГосударственный Университет”
Кафедра“Строительное Материаловедение и Технологии”
Факультатив
РефератПриборыдля измерения температуры
Выполнила
 ст. гр. СТ-01-2:                                                                                          Рожнев С.В.
Проверил:
                                                                                                                     ШимановН.Н.
Братск 2004
Содержание
 TOC o «1-7» u ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ… PAGEREF_Toc29973809 h — 3 -
Понятие о температуре и о температурных шкалах… PAGEREF_Toc29973810 h — 3 -
Современная Международная температурная шкала… PAGEREF_Toc29973811 h — 6 -
Устройства для измерения температур… PAGEREF_Toc29973812 h — 8 -
Контактные методы измерения температуры… PAGEREF_Toc29973813 h — 9 -
Термометры расширения… PAGEREF_Toc29973814 h — 9 -
Жидкостные стеклянные термометры… PAGEREF_Toc29973815 h — 9 -
Погрешности и поверка жидкостных стеклянных термометров… PAGEREF_Toc29973816 h — 11 -
Биметаллические и дилатометрические термометры… PAGEREF_Toc29973817 h — 12 -
Манометрические термометры… PAGEREF_Toc29973818 h — 14 -
Термометры сопротивления… PAGEREF_Toc29973819 h — 16 -
Общие сведения о термометрах сопротивления… PAGEREF_Toc29973820 h — 16 -
Платиновые термометры сопротивления… PAGEREF_Toc29973821 h — 17 -
Медные термометры сопротивления… PAGEREF_Toc29973822 h — 19 -
Термоэлектрические преобразователи… PAGEREF_Toc29973823 h — 21 -
Бесконтактные методы… PAGEREF_Toc29973824 h — 25 -
Яркостные (оптические) пирометры… PAGEREF_Toc29973825 h — 35 -
Радиационные пирометры… PAGEREF_Toc29973826 h — 38 -
Цветовые пирометры… PAGEREF_Toc29973827 h — 43 -
Список литературы:… PAGEREF_Toc29973828 h — 45 -ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ Понятие отемпературе и о температурных шкалах
Температурой называют величину, характеризующуютепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергиипоступательного движения молекул.Отсюда температурой называют условную статистиче­скую величину, прямо пропорциональнуюсредней кинетической энергии молекул тела.
По второму законутермодинамики температуру Т можно опре­делить из отношения температур Т1и Т2 и отношения соответствую­щих количеств тепла Q1и Q2, полученного и отданного в цикле Карно:

Отсюда можно установитьчисленные значения температуры, если принять некоторые значения ее для двух основных реперных точек. Поэтому температурой можноназвать меру отклонения тер­модинамического состояния тела от произвольно выбранного состоя­ния теплового равновесия.
Температура не поддаетсянепосредственному измерению. По­этому о состоянии теплового равновесия и о значении температуры судят по изменению физических свойствтел.
Первым устройством,созданным для измерения температуры, считают водя­ной термометр Галилея (1597 г.)Термометр Галилея не имел шкалы и был, по существу,лишь индикатором температуры. Полвека спустя, в 1641 г., неизвестным для нас автором был изготовлен термометр сошкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдинивпервые предложил принять в качестве постоянныхточек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще несуществовало. Первая температурнаяшкала была предложена и осуществлена Д. Г. Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливалисьпроизвольным выбором нулевой и другихпостоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качествеединицы.
Фаренгейт не был ученым.Он занимался изготовлением стеклянных прибо­ров. Ему стало известно, что высота столба ртутногобарометра зависит от температуры. Это навелоего на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 — «точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)», получаемая присмешениях в определенных пропорцияхводы, льда и нашатыря, и принятая им за нулевую отметку (по на­шей современной шкале, равная примерно -17,8°С);2— точка плавления льда, обозначеннаяим +32°, и 3 — нормальная температура человеческого тела, обо­значенная +96°(по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды перво­начально не нормировалась и лишь позднее былаустановлена +212° (при нор­мальном атмосферном давлении).
Через несколько лет, в1731 г. Р. А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, которыйпри температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а притемпературе кипения расширялсябы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, акипения воды 1080* (позднее 0° и 80°).
В 1742 г. А. Цельсий,используя ртуть в стеклянных термометрах, обозначил точку плавления льда за 100°, а точку кипения воды за 0°.Такое обозначение ока­залось неудобным испустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предло­жил изменить обозначения, принятые вначалеЦельсием, изменить на обратные.
Был предложен и ряд других шкал. М. В.Ломоносов предложил жидкостный термометр со шкалой 150° в интервале от точкиплавления льда до точки кипения, воды. И, Г.Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширенияобъема воздуха. Известны так­жепопытки создать термометры на основе расширения твердых тел (П. Мушен-брук, 1725 г.).
Все предлагаемые температурные шкалы строились(за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) посто­янным точкам присваивались определенные числовыезначения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемогов термометре вещества линейно связано с темпера­турой t:

где k— коэффициент пропорциональности;
Е —термометрическое свойство;
D— постоянная.
Принимая для двухпостоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные kи Dи на этой основе построить температурную шкалу. Ксожалению, как выяснилось позднее,коэффициент kнельзябыло считать постоянным. Приизменении температуры коэффициент kменяется, причем различно для разных термометрических веществ.Поэтому термометры, по­строенные на базеразличных термометрических веществ с равно­мерной градусной шкалой, давали притемпературах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания.Последние становились особенно заметнымипри высоких (много больших температурыкипения воды) и очень низких температурах.
В 1848 г. Кельвин (У.Томсон) предложил построить темпера­турную шкалу на термодинамической основе,приняв за нулевое значениетемпературу абсолютного нуля и обозначив температуру плавления льда +273,1°.Термодинамическая температурная шкала базируется на втором законе термодинамики. Как известно,работа в цикле Карно пропорциональна разности температур и не зависит от термометрического вещества. Одинградус по термодинамической шкале соответствует такому повышению температуры, которое отвечает 1/100 части работы по циклу Карно между точкамиплав­ления льда и кипения воды при нормальноматмосферном давле­нии.
Термодинамическая шкалатождественна шкале идеального газа, построеннойна зависимости давления идеального газа от температуры.Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на откло­нения реальных газов невелики и могут быть установленыс высокой степенью точности. Поэтому,наблюдая за расширением реальных газови вводя поправки, можно оценить температуру по термодина­мической шкале.
По мере расширениянаучных наблюдений и развития промышленного произ­водства возникла естественная необходимостьустановить какую-то единую темпе­ратурную шкалу.Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когдаМеждународный комитет мер и весов принял в качестве основной темпера­турной шкалы стоградусную водородную шкалу. Занулевую отметку была при­нята точка таяния льда, а за 100°- точка кипения водыпри нормальном атмо­сферном давлении760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водо­рода в постоянном объеме. Нулевая отметкасоответствовала давлению 1000 мм. рт. ст. Градусы температурыпо этой шкале очень близко совпадали с градусами термодинамическойшкалы, однако практическое применение водородного термо­метра ограничивалось из-за небольшого интервала температур примерно от -25 до +100°
В начале XXв. широко применялись шкалы Цельсия(или Фа­ренгейта — вангло-американских странах) и Реомюра, а в научных работах — также шкалы Кельвина и водородная.При резко возрос­ших потребностяхв точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большиетрудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких летподготовки и пред­варительныхвременных решений VIIIГенеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ). Это решениебыло в законодатель­номпорядке утверждено большинством развитых стран мира. В СССР Международная температурнаяшкала была введена с 1 ок­тября1934 г. (Общесоюзный стандарт ОСТ ВКС 6954).
Международная  температурная шкала является  практическим осуществлением   термодинамической  стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда итемпература ки­пения воды принормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°.
МТШ основывается насистеме постоянных, точно воспроизво­димых температур равновесия (постоянных точек), которымпри­своены числовыезначения. Для определения промежуточных температур служат интерполяционные приборы, градуированныепо этим постояннымточкам.
Температуры, измеряемые помеждународной шкале, обозна­чаются через СС. В отличие от градусов шкалы Цельсия — базиру­ющейся также на точках плавления льдаи кипения воды при нор­мальноматмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на линейнойзависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть«градусами международ­ными» или «градусамистоградусной шкалы».
Основные постоянные точкиМТШ и присвоенные им числовые значения температур при нормальном атмосферном давлении приводятся ниже:
а)температура равновесиямежду жидким и газооб­разным кислородом (точка кипения   кислорода -182,97
б)температураравновесия между льдом и   водой,  насыщенной воздухом (точка плавленияльда) 0.000°
в)температура равновесиямежду жидкой водой и ее паром (точкакипения воды) 100,000
г)температура равновесиямежду жидкой серой и ее паром  (точка кипения серы) 414,60°
д)температура равновесиямежду твердым и жидким серебром(точка затвердевания серебра)  960.50
е)температураравновесия  между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1063,0°
Для постоянных точек попунктам а, в, г, в ОСТ ВКС 6954 даются формулы определения значений температур приатмосфер­ных давлениях,отличающихся от нормальных. Там же приведены формулы и правила интерполяции и экстраполяции температур от —190° и до неограниченно высоких.
Чтобы нагляднопредставить расхождения между МТШ и шка­лой Цельсия, приведем сравнительнуютаблицу значений темпе­ратуры для одинаковых условий измерения по данным М. М.По­пова. Как видно из табл. 1, этирасхождения при высоких температурах (более200°С) имеют весьма большие значения.
Таблица   1
Значения температур в одинаковых условиях измерения
Градусы между­народные, «С
Градусы Цельсия. °Ц
По ртутным термометрам» палочным из Иенского стекла, марки
16»
59"
1565"
— 30
— 30,28
— 30,13
—
0,00
0,00
0,00
+ 50
+ 50,12
+ 50,03
+ 50,05
100
100,00
100,00
100,00
200
200,29
200,84
200,90
300
302,7
304,4
303,9
500
—
526,9
523,1
700
—
—
775 Современная Международная температурная шкала
Опыт примененияМеждународной температурной шкалы пока­зал на необходимость внесения в нее ряда уточнений идополнений, чтобы повозможности максимально приблизить ее к термодинами­ческой шкале.
В 1948 г. МТШ былапересмотрена и приведена в соответствие •ссостоянием знаний того времени. В 1960 г. Международный коми­тет мер и весов принял исправленные числовыезначения темпера­тур шкалы 1948 г. и утвердил но­вое  «Положение  о  международ­ной практической температурной шкале  1948 г. Редакция 1960 г.».
 
Рис. 1. Схема   фазовых   состоя­ний воды   (в  безмасштабном изо­бражении): ж _зона жидкой фазы; П — зона па­ровой фазы; К — зона кристаллической фазы; 1 — тройная точка; 2 — точка плавления льда; 3 — точкакипения воды
Международная практическаятемпературная шкала    (МПТШ), так же как   и МТШ, базируется на  шести постоянных  первичных точках.   Однако  в   МПТШ были внесены следующиеуточнения;
1) вместо точкиплавления льдарекомендуется в качестве постоянной точкииспользовать лучше воспроизводимую точку равновесия между льдом, жидкой водой и водяным паром  (тройную точку воды), которой присваива­лосьчисленное значение +0,01° (рис. 1);точка плавления льда
с присвоенным ей числовымзначением 0,000° была отнесена  к ка­тегории вторичных постоянных точек;
2)         температуреравновесия между твердым и жидким серебром (точке затвердевания серебра) присваивалосьновое  числовое зна­чение 960,8°;
3)         всепостоянные точки  (кроме тройной точкиводы)  определяются в состоянии равновесия при однойнормальной атмосфере, равнойдавлению 101 325 н/м2;
4)         вместоточки кипения серы рекомендуется применять точку равновесия между твердым и жидким цинком   (точка затвердева­ния цинка), которой присваивается значение 419,505°С.
Температуры по МПТШ выражаются в градусах Цельсия,обо­значаемых °С или, когда требуется особоподчеркнуть, что темпера­туры даютсяпо МПТШ — °С (межд. 1948), что соответственно обо­значается символами t и tмежд. Для термодинамической шкалы Кельвина температуры обозначаются символом Т, а числовыезна­чения сопровождаются значком °К.Температура тройной точки принимается равной 273,16°К.
За 25 лет примененияМеждународной температурной шкалы (МТШ), старая шкала Цельсия, основанная наиспользовании ли­нейнойзависимости между температурой и видимым расширениемртути, вышла из употребления. Этопозволило градусы по МПТШ называтьградусами Цельсия, хотя от старой шкалы Цельсия в МПТШ остались лишь две постоянные точки: плавления льдаи кипения воды с присвоеннымиим значениями 0 и 100°С.
Таблица   2
Некоторые определяющиепостоянные точки МПТШ-68
№ точки
Состояния равновесия
Присвоенные значения температуры
К
0С
 1
Между твердой, жидкой и газообразной  фа­зами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода)
13,81
-59,34
 6
Между жидкой и газообразной фазами кисло­рода (точка кипения кислорода)
90,188
-182,962
7
Между твердой, жидкой и парообразной фа­зами воды (тройная точка воды)
273,16
0,01
 8
Между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды)
373,15
100
 9
Между твердой    и    жидкой    фазами    цинка (точка затвердевания цинка)
692,73
419,58
10
Между твердой    и жидкой    фазами    серебра (точка затвердевания серебра)
1235,08
961,93
11
Между твердой    и   жидкой    фазами    золота (точка затвердевания золота)
1337,58
1064,43
В 1968.г. Международныйкомитет мер и весов, в соответствии с решением XIIIГенеральной конференции по мерам и весам, при­нял новую Международную практическую шкалу1968 г. — МПТШ-68,заменяющую действующую шкалу МПТШ (1948 г.).
МПТШ-68 выбрана такимобразом, чтобы температура, изме­ренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре, и разности между ними оставались в пределах современнойточности измерений.
Основная единица термодинамической температурыТ названа кельвин и обозначается символом К– Кельвин есть 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.Единица, применяемая для выражениятемпературы Цельсия, градус Цель­сия(°С), равна кельвину. Разность температур может быть выра­жена либо вКельвинах, либо в градусах Цельсия.
Температура Цельсия / =Т — 273,15К.
МПТШ-68 основана назначениях температур, присвоенных оп­ределенному числу воспроизводимыхсостояний (определяющих постоянныхточек), часть которых приведена в табл. 2. По МПТШ-68 значительно расширен диапазон измерения низкихтем­ператур—до 13,81 К.Уточнен порядок воспроизводства постоян­ныхточек, интерполяции между постоянными точками и определе­ния температурнойшкалы выше последней постоянной точки (про­ектГОСТа «Единицы физических величин»).
МПТШ-68 введена, как обязательная,с 1 января 1971 г.Устройства для измерения температур
Температуру измеряют спомощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различныхустройств, применяемых в про­мышленности, при научных исследованиях и для специальных це­лей. В табл. 2-3 приведены наиболее распространенныеустройства для измерениятемпературы и практические пределы их примене­ния.
До последнего времениузаконенных терминов и их определении для устройств измерения температуры не существовало.Только в июле 1968 г. былвведен в действие новый ГОСТ 13417—67, уста­навливающий такие понятия. Приведем некоторые из них.
Таблица   3
Практические пределыприменения наиболее распространенных устройств для промышленных измерении температур
Термометрическое свойство
Наименование устройства
Пределы длительного применения, °С
нижний
верхний
Тепловое расширение
Жидкостные   стеклянные  тер­мометры
-190
600
Изменение давления
Манометрические   термометры
-160
600
Изменение    электриче­ского  сопротивления
Электрические      термометры сопротивления
-200
500
Полупроводниковые термомет­ры сопротивления    (термисторы, терморезисторы)
-90
+ 180
Термоэлектрические эффекты (термо-э.д.с.)
Термоэлектрические  термомет­ры     (термопары)    стандартизо­ванные
-50
1600
Термоэлектрические        термо­метры    (термопары)     специаль­ные
1300
2500
Тепловое излучение
Оптические  пирометры
700
6000
Радиационные  пирометры
20
3000
Фотоэлектрические      пиромет­ры
600
4000
Цветовые пирометры
1400
2800
Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температурыпутем преобразования ее в показания или сигнал,являющийся известной функцией температуры.
Чувствительнымэлементом термометраназывают часть термо­метра,преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.
Различают термометры контактныеи бесконтактные. Чувстви­тельный элемент контактного термометра входит в непосредствен­ное соприкосновение с измеряемойсредой-
Пирометром называют бесконтактный термометр, действиеко­торого основано на использованиитеплового излучения нагретых тел.
Термокомплектом называют измерительную установку, состоя­щую из термометра, не имеющего собственной шкалы,и вторич­ного прибора, преобразующеговыходной сигнал термометра в чис­ленную величину.
Контактные методы измерения температурыТермометры расширенияЖидкостные стеклянные термометры
Самые старые устройства для измерениятемпературы — жидко­стные стеклянные термометры — используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действиетермометров осно­вано на различиикоэффициентов теплового расширения термомет­рического вещества и оболочки, в которой оно находится (термо­метрического стекла или реже кварца).

Рис. 2. Схема жидкост­ного стеклян­ного тер­мометра
Жидкостной термометр состоит из: стеклянногобаллона 1, ка­пиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 2).Термомет­рическое вещество 2 заполняетбаллон и частично капиллярную трубку. Свободное пространство в капил­лярной трубке и в запасном резервуаре заполняется инертным газом или может находиться под вакуумом(при температурах меньше +ЮО°С).Запасный резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капил­лярной трубки служит для предохранения термометра от порчи при чрезмерном перегреве.
О температуре судят повеличине видимого измене­нияобъема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня вкапиллярной трубке. Градуснаяшкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капил­ляра (палочный термометр), либо наспециальную шкальнуюпластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложен­ной шкалой), либо на прикладнуюшкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.
В качестветермометрического вещества чаще всего применяютхимически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широкоминтервале темпера­тур. Некоторым недостаткомртути является малое зна­чение еекоэффициента расширения. Нижний предел из­мерения ограничивается температурой затвердевания ртути и ра­вен минус 35°С. Верхний предел измерения ртутнымтермометром определяется допустимымитемпературами для стекла: 600°С у об­разцовыхтермометров и 500°С у технических (ГОСТ 2823—59). При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколькоуве­личивается.
Так как температуракипения ртути при нормальном атмо­сферном давлении равна 35б,58°С, то для термометров, предназна­ченных для измерения высоких температур,пространство над ртутью в капиллярной трубкезаполняется инертным газом под дав­лением.Для термометров со шкалой до 500°С давление газа дости­гает 20 бар (20-105 н/м2).
Основные достоинствастеклянных жидкостных термометров — простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления.
К недостаткам стеклянныхтермометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применятьспециальной увеличительной оптики) иневозможность автоматической записи показаний (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи пока­заний на расстояние (если не пользоватьсясредствами телевиде­ния) и ремонта(разбитый термометр восстановить нельзя!).
Стеклянные жидкостные термометрыимеют весьма широкое применениеи выпускаются следующих основных разновидностей.
1. Технические (ГОСТ 2823—59) ртутные,с вложенной шкалой, спогружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые (рис. 3-2, а) и угловые (рис.3-2, б, в). Термометры изготовляются со шкалами от -35 до + 50°С и от0°С до 50; 100; 150;.. .; 500°С. Цена наименьшего деления шкалы в пределах измерениядо +50°С

Рис  3.-2. Основные разновидности   жидкостных  стеклянных  термо­метров:
а— технический,ртутный, с вложенной шкалой, прямой; бив— угловые; е — лабораторный, ртутный, палочный; д — то же, с вложенной шкалой;е — спиртовой, для наружного воздуха, сприкладной шкальной пластинкой; ж —ртутный,электроконтактный, с неподвижными контактами.
составляет 0,5 или 1°С и, постепенновозрастая,  достигает  5   или10°С при верхних пределах измерений 450 и500°С.
2.       Лабораторные (ГОСТ 215—57) ртутные,палочные или с вложеннойшкалой (рис. 3-2, г и д), погружаемыев измеряемую среду доотсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра  (5—11 мм). Термометры по пределамизмерения и цене деленияшкалы подразделяются на четыре группы. Наиболее точные термометры с ценой деления шкалы 0,1°С имеютинтервал  измерения   50°С,  например  от   +150  до  +200°С   (не   выше +350°С). Верхний предел измерения для шкал, начинающихся  от 0°С, равен 500°С при цене деленияшкалы 2°С.
3.       Жидкостные   (не  ртутные)    термометры    (ГОСТ   9177—59) выпускаютсяв различном конструктивном оформлении, в том числе с прикладной  шкальной  пластинкой   (рис.  3-2, в), для  измерения температур от — 190 до + 100°С.
4.       Повышенной   точности  и  образцовые   ртутные термометры с   верхним   пределом  измерения   600°С    характеризуются   малой ценой деления шкалы — до 0,01°С.
5.       Электроконтактные ртутные термометры свложенной  шкалой, с впаянными в капиллярную трубкуконтактами для  разрывания (или замыкания) столбиком ртутиэлектрической цепи. Изготовляютсядля измерения либо постоянной температуры контактирования  (рис. 3-2, ж), либо произвольно изменяемойв пределах от 0 до 300°С(ГОСТ 9871—61).
6.       Специальные термометры, в том числемаксимальные (медицинские и др.), минимальные, метеорологические и другого назначения. Погрешности иповерка жидкостных стеклянных термометров
Допустимые погрешностиизмерения технических термометров не должны превышать одного деления (цены деления) шкалы. Так, для пределов измерения от 0 до 100°Спри цене деления в 1 или 2°С допустимая погрешность составляет ±1 или ±2°С
Для остальныхразновидностей термометров допустимые погреш­