Приборы для измерения температуры

Приборы для измерения температуры

Федеральное Агентство по Образованию 

Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования

“Братский Государственный Университет”

Кафедра “Строительное Материаловедение и Технологии”

Факультатив

Реферат

Приборы для измерения температуры

Выполнила

 ст. гр. СТ-01-2:                                                                                           Рожнев С.В.

Проверил:

                                                                                                                      Шиманов Н.Н.

Братск 2004

Содержание

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ...................................................................... - 3 -

Понятие о температуре и о температурных шкалах...................................................... - 3 -

Современная Международная температурная шкала................................................... - 6 -

Устройства для измерения температур......................................................................... - 8 -

Контактные методы измерения температуры................................................................... - 9 -

Термометры расширения............................................................................................ - 9 -

Жидкостные стеклянные термометры....................................................................... - 9 -

Погрешности и поверка жидкостных стеклянных термометров........................... - 11 -

Биметаллические и дилатометрические термометры............................................ - 12 -

Манометрические термометры................................................................................ - 14 -

Термометры сопротивления......................................................................................... - 16 -

Общие сведения о термометрах сопротивления.................................................... - 16 -

Платиновые термометры сопротивления............................................................... - 17 -

Медные термометры сопротивления...................................................................... - 19 -

Термоэлектрические преобразователи........................................................................ - 21 -

Бесконтактные методы...................................................................................................... - 25 -

Яркостные (оптические) пирометры....................................................................... - 35 -

Радиационные пирометры....................................................................................... - 38 -

Цветовые пирометры.............................................................................................. - 43 -

Список литературы:........................................................................................................... - 45 -

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ПОНЯТИЯ

 Понятие о температуре и о температурных шкалах

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистиче­скую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.

По второму закону термодинамики температуру Т можно опре­делить из отношения температур Т1 и Т2 и отношения соответствую­щих количеств тепла Q1 и Q2, полученного и отданного в цикле Карно:

Отсюда можно установить численные значения температуры, если принять некоторые значения ее для двух основных реперных точек. Поэтому температурой можно назвать меру отклонения тер­модинамического состояния тела от произвольно выбранного состоя­ния теплового равновесия.

Температура не поддается непосредственному измерению. По­этому о состоянии теплового равновесия и о значении температуры судят по изменению физических свойств тел.

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 со шкалой, имеющей произвольные деления. Спустя еще полвека Ренальдини впервые предложил принять в качестве постоянных точек, характеризующих тепловое равновесие, точки плавления льда и кипения воды. При этом температурной шкалы еще не существовало. Первая температурная шкала была предложена и осуществлена Д. Г. Фаренгейтом (1724 г.). Температурные шкалы устанавливались произвольным выбором нулевой и других постоянных точек и произвольным принятием интервала температуры в качестве единицы.

Фаренгейт не был ученым. Он занимался изготовлением стеклянных прибо­ров. Ему стало известно, что высота столба ртутного барометра зависит от температуры. Это навело его на мысль создать стеклянный ртутный термометр с градусной шкалой. В основу своей шкалы он положил три точки: 1 — «точка сильнейшего холода (абсолютный нуль)», 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, обозначенная им +32°, и 3 — нормальная температура человеческого тела, обо­значенная +96° (по нашей шкале +35,6°С). Температура кипения воды перво­начально не нормировалась и лишь позднее была установлена +212° (при нор­мальном атмосферном давлении).

Через несколько лет, в 1731 г. Р. А. Реомюр предложил использовать для стеклянных термометров спирт такой концентрации, который при температуре плавления льда заполнял бы объем в 1000 объемных единиц, а при температуре кипения расширялся бы до 1080 единиц. Соответственно температуру плавления льда Реомюр предложил первоначально обозначить 1000°, а кипения 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 и спустя 3 года Штремер (или возможно К. Линней) предло­жил изменить обозначения, принятые вначале Цельсием, изменить на обратные.

Был предложен и ряд других шкал. М. В. Ломоносов предложил жидкостный термометр со шкалой 150° в интервале от точки плавления льда до точки кипения, воды. И, Г. Ламберт (1779 г.) предлагал воздушный термометр со шкалой 375°, принимая за 1° одну тысячную часть расширения объема воздуха. Известны так­же попытки 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 числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связано с темпера­турой t:

где k— коэффициент пропорциональности;

Е — термометрическое свойство;

D — постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k и D и на этой основе построить температурную шкалу. К сожалению, как выяснилось позднее, коэффициент k нельзя было считать постоянным. При изменении температуры коэффициент k меняется, причем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, по­строенные на базе различных термометрических веществ с равно­мерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах.

В 1848 г. Кельвин (У. Томсон) предложил построить темпера­турную шкалу на термодинамической основе, приняв за нулевое значение температуру 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. Один градус по термодинамической шкале соответствует такому повышению температуры, которое отвечает 1/100 части работы по циклу Карно между точками плав­ления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давле­нии.

Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на 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 установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодина­мической шкале.

По мере расширения научных наблюдений и развития промышленного произ­водства возникла естественная необходимость установить какую-то единую темпе­ратурную шкалу. Первая попытка в этом направлении была предпринята в 1877 г., когда Международный комитет мер и весов принял в качестве основной темпера­турной шкалы стоградусную водородную шкалу. За нулевую отметку была при­нята точка таяния льда, а за 100°- точка кипения воды при нормальном атмо­сферном давлении 760 мм. рт. ст. Температура определялась по давлению водо­рода в постоянном объеме. Нулевая отметка соответствовала давлению 1000 мм. рт. ст. Градусы температуры по этой шкале очень близко совпадали с градусами термодинамической шкалы, однако практическое применение водородного термо­метра ограничивалось из-за небольшого интервала температур примерно от -25 до +100°

В начале XX в. широко применялись шкалы Цельсия (или Фа­ренгейта — в англо-американских странах) и Реомюра, а в научных работах — также шкалы Кельвина и водородная. При резко возрос­ших потребностях в точной оценке температуры пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому после нескольких лет подготовки и пред­варительных временных решений VIII Генеральная конференция мер и весов приняла в 1933 г. решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ). Это решение было в законодатель­ном порядке утверждено большинством развитых стран мира. В СССР Международная температурная шкала была введена с 1 ок­тября 1934 г. (Общесоюзный стандарт ОСТ ВКС 6954).

Международная  температурная шкала является  практическим осуществлением   термодинамической  стоградусной температурной шкалы, у которой температура плавления льда и температура ки­пения воды при нормальном атмосферном давлении соответственно-обозначены через 0° и 100°.

МТШ основывается на системе постоянных, точно воспроизво­димых температур равновесия (постоянных точек), которым при­своены числовые значения. Для определения промежуточных температур служат интерполяционные приборы, градуированные по этим постоянным точкам.

Температуры, измеряемые по международной шкале, обозна­чаются через СС. В отличие от градусов шкалы Цельсия — базиру­ющейся также на точках плавления льда и кипения воды при нор­мальном атмосферном давлении и имеющей обозначения 0° и 100°С, но построенной на иной основе (на линейной зависимости между температурой и расширением ртути в стекле), градусы по международной шкале стали называть «градусами международ­ными» или «градусами стоградусной шкалы».

Основные постоянные точки МТШ и присвоенные им числовые значения температур при нормальном атмосферном давлении приводятся ниже:

а) температура равновесия между жидким и газооб­разным кислородом (точка кипения   кислорода -182,97

б) температура равновесия между льдом и   водой,  насыщенной воздухом (точка плавления льда) 0.000°

в) температура равновесия между жидкой водой и ее паром (точка кипения воды) 100,000

г) температура равновесия между жидкой серой и ее паром  (точка кипения серы) 414,60°

д) температура равновесия между твердым и жидким серебром (точка затвердевания серебра)  960.50

е) температура равновесия  между твердым и жидким золотом (точка затвердевания золота) 1063,0°

Для постоянных точек по пунктам а, в, г, в ОСТ ВКС 6954 даются формулы определения значений температур при атмосфер­ных давлениях, отличающихся от нормальных. Там же приведены формулы и правила интерполяции и экстраполяции температур от —190° и до неограниченно высоких.

Чтобы наглядно представить расхождения между МТШ и шка­лой Цельсия, приведем сравнительную таблицу значений темпе­ратуры для одинаковых условий измерения по данным М. М. По­пова . Как видно из табл. 1, эти расхождения при высоких температурах (более 200°С) имеют весьма большие значения.

Таблица   1

Значения температур в одинаковых условиях измерения

Современная Международная температурная шкала

Опыт применения Международной температурной шкалы пока­зал на необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально приблизить ее к термодинами­ческой шкале.

В 1948 г. МТШ была пересмотрена и приведена в соответствие •с состоянием знаний того времени. В 1960 г. Международный коми­тет мер и весов принял исправленные числовые значения 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 — точка кипения воды

Международная практическая температурная шкала    (МПТШ), так же как   и МТШ,  базируется на  шести постоянных  первичных точках.   Однако   в   МПТШ были внесены следующие уточнения;

1)  вместо точки плавления льда рекомендуется в качестве постоянной точки использовать лучше воспроизводимую точку равновесия между льдом, жидкой водой и водяным паром  (тройную точку воды), которой присваива­лось численное значение +0,01° (рис. 1); точка плавления льда

с присвоенным ей числовым значением 0,000° была отнесена  к ка­тегории вторичных постоянных точек;

2)          температуре равновесия между твердым и жидким серебром (точке затвердевания серебра) присваивалось новое  числовое зна­чение 960,8°;

3)          все постоянные точки  (кроме тройной точки воды)  определяются в состоянии равновесия при одной нормальной атмосфере, равной давлению 101 325 н/м2;

4)          вместо точки 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 особо подчеркнуть, что темпера­туры даются по МПТШ — °С (межд. 1948), что соответственно обо­значается символами t и tмежд. Для термодинамической шкалы Кельвина температуры обозначаются символом Т, а числовые зна­чения сопровождаются значком °К. Температура тройной точки принимается равной 273,16°К.

За 25 лет применения Международной температурной шкалы (МТШ), старая шкала Цельсия, основанная на использовании ли­нейной зависимости между температурой и видимым расширением ртути, вышла из употребления. Это позволило градусы по МПТШ называть градусами Цельсия, хотя от старой шкалы Цельсия в МПТШ остались лишь две постоянные точки: плавления льда и кипения воды с присвоенными им значениями 0 и 100°С.

Таблица   2

Некоторые определяющие постоянные точки МПТШ-68

В 1968.г. Международный комитет мер и весов, в соответствии с решением XIII Генеральной конференции по мерам и весам, при­нял новую Международную практическую шкалу 1968 г. — МПТШ-68, заменяющую действующую шкалу МПТШ (1948 г.).

МПТШ-68 выбрана таким образом, чтобы температура, изме­ренная по этой шкале, была близка к термодинамической температуре, и разности между ними оставались в пределах современной точности измерений.

Основная единица термодинамической температуры Т названа кельвин и обозначается символом К – Кельвин есть 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Единица, применяемая для выражения температуры 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 на значениях температур, присвоенных оп­ределенному числу воспроизводимых состояний (определяющих постоянных точек), часть которых приведена в табл. 2. По МПТШ-68 значительно расширен диапазон измерения низких тем­ператур—до 13,81 К. Уточнен порядок воспроизводства постоян­ных точек, интерполяции между постоянными точками и определе­ния температурной шкалы выше последней постоянной точки (про­ект ГОСТа «Единицы физических величин»).

МПТШ-68 введена, как обязательная, с 1 января 1971 г.

Устройства для измерения температур

Температуру измеряют с помощью 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 распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их примене­ния.

До последнего времени узаконенных терминов и их определении для устройств измерения температуры не существовало. Только в июле 1968 г. был введен в действие новый ГОСТ 13417—67, уста­навливающий такие понятия. Приведем некоторые из них.

Таблица   3

Практические пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерении температур

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5