Министерствообразования Российской Федерации
МагнитогорскийГосударственный Технический Университет им Г.И. Носова
Факультет АиВТ
КафедраПромышленной Кибернетики и Систем Управления
РЕФЕРАТ
По дисциплине:Технические измерения и приборы
На тему: Измерение температур
Выполнила студентка группы ЭМ-00-1:
Остапенко Д.В.
Проверил:
Сергеев А.И.
Магнитогорск 2002
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 Ти 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 — «точкасильнейшего холода (абсолютныйнуль)», получаемая при смешениях в определенных пропорциях воды, 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, 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 температурнуюшкалу. 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 при-; водятсяниже:
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 жидкимсеребром(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; / — 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 в Кельвинах,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, какобязательная, с 1 января 1971 г.Устройства для измерения температур
Температуру измеряют спомощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств,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 стеклянныхбаллона /, 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 вло женнойшкалой (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 термо'метры 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 О 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 погрешности при одной и той же цене деления устанавливаютсяразличными для разныхтемпературных интервалов. Так, например, у лабораторных термометров с ценойделения шкалы О, ГС и пределами измерения от 0 до +50°С допустимая погрешность составляет ±0,2°С, а для пределов измерения от+250 до +300ЪС возрастает до ±0,8°С.
Допуст