Методы и средства измерения температуры. Основы теории и расчета

Министерство  образования РФ     Казанский государственный  университет им.А.Н.Туполева Факультет Автоматики и Электронного приборостроения кафедра ПИИС   Дополнительные материалы  к лекциям по дисциплине: ПРИБОРЫ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ     ТЕТРАДЬ №                                                               Составитель: доц. каф. ПИИС                А.А. Порунов                     Казань 2007

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1.Первичные преобразователи температуры тепловых

       параметров состояния

1.1.Физические основы измерения температуры. Температура, как параметр    

      измерения и контроля тепловых процессов ..................................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Первичные преобразователи температуры

тепловых параметров состояния

1.1.Физические основы измерения  температуры. Температура, 

как параметр измерения и контроля тепловых процессов 

 

 

1. Температура. Основные термины и определения. температурные шкалы.
2. характеристика особенностей методов измерения температуры в различных её диапазонах.

 

 

 

1. Задача измерения температуры.
1. Тепловые процессы, их характеристики и параметры.

• актуальность измерения (оценки) и контроля параметров и характеристик тепловых процессов в авиации, медицине и в технике, вообще (контроль температур топочных процессов, контроль температур в металлургии, при реализации энергосберегающих технологий (контроль температуры теплоносителя) и т.п.)

2. Общие сведения о температуре, как о физической величине.

Температура – как измеренная физическая величина (есть мера процессов теплообмена). Температурные шкалы и их реперные точки. Взаимосвязь температурных шкал и области их применения.

3. Классификация первичных преобразователей температуры (ППТ).
4. Основные виды ППТ, характеристика базовых физико-технических эффектов, уравнение измерений, диапазон измерения и погрешность, область применения.

 

temperatura – латинское слово, обозначающая "смесь".

При взаимодействии двух равновесных  систем, находящихся в различных  энергетических состояниях, происходит переход энергии, от системы с  большим энергосодержанием с меньшим энергетическим содержанием, пока обе системы  не придут  в новое состояние равновесия. Общим свойством для всех видов частиц первоначально разделенных систем является температура.

Температура относится к классу физических величин непосредственное измерение, которых невозможно. Поэтому все существующие методы  её измерения основаны на измерении какой – либо физической величины (ФВ), однозначно связанной  с температурой.

     Например: Электрические сопротивления, ЭДС, объема, давления.

 

 

Все методы разделяются на контактные (зондовые) и бесконтактные (оптические).

Основные элементы измерительных  устройств, служащих для измерения  температуры:

• Термоприемник (Термочувствительный элемент (ТЧЭ));
• Промежуточный преобразователь, служащий для передачи первичного информативного сигнала, возникающего в ТЧЭ к элементу, устройству воспроизводящему этот сигнал в виде удобном для восприятия потребительской информации.

Температурные измерения, как и  измерения других физических величин, не является абсолютно точными и всегда выполняются с погрешностями. Эти погрешности зависят от выбранного метода измерения, от особенностей конструктивного и схемного построения измерителя температуры и от условий, при которых измеряется температура и ряд других величин (факторов).

Контактные ППТ

 

Под температурой понимается  мера нагретости вещества. Температура веществ  связана с запасом его внутренней  энергии, носителями  которой являются атомы и молекул.

• Поскольку средняя кинетическая и потенциальная энергия атомов и молекул веществ зависят от температуры, то практически  все физические свойства веществ зависят от его температуры.  Так например при изменении температуры твердого тела, изменяются его линейные размеры, плотность, твердость, модуль упругости, предельные напряжения, электропроводимость, теплоемкость, и ряд других свойств.

Свойства газов, жидких тел (фазовые  состояния, плотность, объем, вязкость и др.) является функцией температуры  вещества. Поэтому самые первые ППТ  были построены на использовании этой зависимости.

 

Температурные шкалы

 

Возможность измерения температур основана на теплообмене,  на передаче тепла от более нагретого вещества к менее нагретому.

Для того, чтобы иметь возможность  количественно определить значение измеряемой величины температуры, физики предложили установить единицу измерения.

=> Шкала температур представляет  собой совокупность чисел, линейно  связанных с численным значением  какого – либо достаточно  точно и удобно измеряемого  физического  свойства, представляющего  собой однозначную функцию температуры. Для построения температурной шкалы выбирают опорные (или реперные точки (РТ)) точки, характеризующиеся неизменностью и воспроизводимостью при определенных физических условиях.

Допустим, что такими РТ выбраны температура  кипения и затвердевания чистых веществ и им присвоены значения и (или ). Тогда единица измерения температуры:

 

 

где N – целое число, на которые разбивается температурный интервал между РТ (реперными точками).

Характеристика основных шкал

 

I. Шкала Цельсия:

> РТ: - Первая РТ –  температура таяния льда;

          - Вторая РТ – температура кипения  воды при p= 760 мм.рт.ст.

                                  q =980,665 см/с²;

> Допущения для этой шкалы:

• зависимость между изменениями температуры и объемным расширением жидкости принимаются линейными (это является недостатком);

Это допущение не верно, так как  в природе нет жидкостей с  линейной зависимостью объемного расширения от температуры (это является идеализацией жидкостей).

Поэтому показания таких термометров  зависят от природы  термометрического  вещества. Кроме того, эта шкала  оказалась с очень узким интервалом температур.

II. Шкала Кельвина (англ. ученый):

В 1848 году английский ученый Кельвин предложил построить температурную шкалу (ТШ) на основ второго начала  термодинамики,  причем эта ТШ нее связана  с каким – либо свойством термометрического вещества и пригодна в широком диапазоне температур.

см. (А1Т3)

см. (А1Т5)

Решением XI – генеральной конференции  по мерам и весам и ГОСТ 8850-61 предусмотрено 

Т3:

применение двух шкал:

• термодинамической с единицами измерения градус Кельвин (ТШТ);
• международная практическая ШТ с единицами измерения градус Цельсия

см (А5Т5)

 

А1:  В ТШТ:

• нижняя точка – точка абсолютного нуля температур "ОК".
• а единственная РТ – тройная точка воды, которой соответствует тепловое значение 273,16 К.

Тройная точка воды (ТТВ) – это  точка равновесия воды твердой, жидкой и газообразной фазах – лежит  она выше точки таяния льда на "0,01" К.

Термодинамическую температуру обозначают через "Т" далее см. (А2Т5).

Некоторые реальные газы (гелий, неон, водород) в широком интервале  температур по своим свойствам мало отличаются от идеального газа, поэтому  температурная шкала газового термометра, заполненного одним из этих газов, близка ТШТ.

(А3):

Создать точные газовые термометры сложно вследствие чего практическое решение воспроизведения ТШТ  весьма затруднительно.

Поэтому термодинамическая  ШТ по существу является теоретической.

см. (А2Т5).

Возникла необходимость  создания такой ТШ, отдельные РТ – 

1. постоянны,
2. легко воспроизводимы,
3. расстояния между которыми достаточно велики.

см. (А3Т2).

Такой шкалой стала МПТШ.

                               .

см.(А4Т2).

В настоящее время существует ПП для измерения температур основанная на эффектах связанных с изменением:

• объема термометрического тела (термометры расширения);
• давления термометрического вещества в замкнутой камере (ППТ манометрические);
• электрического сопротивления проводников;
• термоЭДС;
• лучеиспускательной способности.

(Т5А2):

Температурные шкалы

Абсолютная температура – это  термодинамический параметр который  согласно второго закона термодинамики  определяется независимо от свойств  какого-либо вещества.

Таким образом термодинамическая  шкала или шкала Кельвина совпадает  со шкалой газового термометра, заполненного идеальным газом, по которой для  давления 760 мм. рт. ст. принимает точку  кипения воды за 100 ⁰С, а точку плавления льда 0 ⁰С международной практической сто градусной шкалы.

Абсолютная шкала определяет степень  отклонения теплового состояния  системы от ее состояния при абсолютном нуле.

см. (А3Т4).

(А5Т5):

Связь между абсолютной международной  практической сто градусной шкалой имеет вид:

                   .

Шкала Реомюра – диапазон температур разделен на 80 частей.

Шкала Форенгейта:

    t = 0 ⁰С (плавление льда) = t_F = 32 ⁰F

    t = 100 ⁰С (кипение воды) = t_F = 212 ⁰F,

т.е. от 0 ⁰С до 100 ⁰С по Форенгейту Δt_F = 180 ⁰F, т.е. соотношение между сто градусной шкалой и шкалой Форенгейта:

,

где n_t – число делений по стоградусной шкале или

,

где n_F – число делений температурной шкалы по Форенгейту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эталон температуры – газовые  термометры. МПТШ – построена на получении газометрическим методом  значения температуры реперных точек (см табл.) путем ее интерполяции и  экстраполяции выше точки плавления (затвердевания золота). Эта шкала  по мере совершенствования воспроизводящих ее средств приближается к ТТШ.

Интерполяция температур реперных точек осуществляется по специальным  зависимостям, устанавливающим связь  между показаниями эталонов, аттестованных  по РТ и МПШТ. В качестве эталонов при низких температурах применяются платиновые ТС, а при высоких – температурные лампы и пирометры.

Весь температурный диапазон перекрывается  семью шкалами, которые воспроизводятся  различными методами, в зависимости  от области шкалы различают:

 

Таблица температурных диапазонов, воспроизводимых

различными методами

Таблица №1

Вид температуры	Диапазон температур	Метод воспроизведения
Сверхнизкие температуры	(1,5÷4,2) К	На основе измерения паров гелия - 4
Низкие	(4,2÷13,8) К	Германиевые терморезисторы
Средние1	(13,8÷273,16) К (273,16÷903,89) К	Платиновые терморезисторы
Средние2	(903,89÷1337,58) К	Термопары платинородий – платина
Высокие	(1337,58÷2800) К	Температурные лампы
Сверхвысокие температуры	(2800÷10000) К	Спектральные методы

 

 Огромный диапазон измеряемых  температур (температура Т=10¹² К) обусловил большое разнообразие методов и средств измерения температур. Наиболее распространенные методы измерения температур, реализованные в ППТ, представлены в таблице.