Методы и средства измерения неэлектрических величин

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная  точка воды. Эта точка соответствует  строго определенным значениям температуры  и давления, при которых вода может  одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической  системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная  точка может быть только одна. В  системе СИ температура тройной  точки воды принята равной 273,16 К  при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое  свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры  или термометрическим признаком. Это  свойство должно быть достаточно легко  воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной  физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Тело, с помощью измерения термометрического  признака которого осуществляется измерение  температуры, называется термометрическим телом.

Термометрическими признаками могут  быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т.д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения  температуры (термометры) будут: газовый  и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика  термосопротивление или термопару.

Приводя термометрическое тело (датчик термометра) в состояние теплового  контакта с тем телом, температуру  которого необходимо измерить, можно  на основании нулевого начала термодинамики  утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое  показывает термометр.

Другой метод измерения температуры  реализован в пирометрах - приборах для измерения яркостной температуры  тел по интенсивности их теплового  излучения. При этом достигается  равновесное состояние термодинамической  системы, состоящей из самого пирометра  и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее это явление рассмотрено  в разделе курса, посвящённом  квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения  температур) используется в металлургии  для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение  температуры нагретых газов, а также  при исследованиях плазмы.

Первый термометр был изобретён  Галилео Галилеем (1564 - 1642) и представлял  собой газовый термометр.

Газовый термометр постоянного  объёма состоит из термометрического  тела - порции газа, заключенной в  сосуд, соединенный с помощью  трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, - давление газа при некотором фиксированном  объёме. Постоянство объёма достигается  тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения  разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым  термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с  их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого  газа, а шкала газового термометра - хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе  мы подробнее опишем идеально-газовый  термометр, определяющий абсолютную шкалу  температур.

Газовые термометры используют для  градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более  удобны на практике, однако, шкала жидкостного  термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность  жидкостей нелинейным образом зависит  от их температуры.

Жидкостной термометр - это наиболее часто используемый в обыденной  жизни термометр, основанный на изменении  объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 C до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 C) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм. или 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 C.

Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -80 C до +80 C) и пентановый (от -200 C до +35 C). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.

С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых  термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.

В металлическом термометре сопротивления  измерение температуры основано на явлении роста сопротивления  металла с ростом температуры. Для  большинства металлов вблизи комнатной  температуры эта зависимость  близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение  их сопротивления при повышении  температуры на 1 К (температурный  коэффициент сопротивления) имеет  величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое  сопротивление термометрического  тела - металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или  их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.

В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры  основано на явлении уменьшения сопротивления  полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент  сопротивления полупроводников  по абсолютной величине может значительно  превосходить соответствующий коэффициент  металлов, то и чувствительность таких  термометров может значительно  превосходить чувствительность металлических  термометров.

Специально изготовленные полупроводниковые  термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в  обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные  воздействием низких температур. Это  приводит к ухудшению воспроизводимости  результатов измерений и требует  использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых  материалов.

Другой принцип измерения температуры  реализован в термопарах. Термопара  представляет собой электрический  контур, спаянный из двух различных  металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а  другой (свободный спай) - при известной  температуре, например, при комнатной  температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая  сила (термо-ЭДС), измерение которой  позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру  измерительного спая.

В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком - возникающая  в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен  мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры  жидкого азота) до полутора тысяч  градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных  металлов. Наибольшее применение нашли  термопары на основе спаев следующих  материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина.

Следует отметить, что термопара  способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому  для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной  температуры или систему компенсации  изменения температуры свободного спая.

В радиотехнике часто применяют  понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с  входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора  были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью  средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом  сопротивлении) абсолютной температуре  сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического  признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для  измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в  радиоастрономии для измерения  радиационной (яркостной) температуры  космических объектов

ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА БЕСКОНТАКТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ       ТЕМПЕРАТУРЫ

Thermopiles – это термоэлементы,  включенные последовательно, которые  используют известный Seebeck – эффект. Термоэлемент состоит из двух  электропроводных материалов, которые  расположены в виде проводящих  дорожек и которые в одной  точке (так называемой hot junction) контактируют  друг с другом. Если за счет  внешнего воздействия возникнет  разница температур между точкой  контакта (hot junction) и обеими открытыми  концами (cold junction), то на обоих  концах термоэлементов появится  напряжение в несколько милливольт.

Рисунок 1. Термоэлемент

При бесконтактном способе измерения  температуры повышение температуры  точки «hot junction» вызывается за счет абсорбирования попадающего в эту  точку инфракрасного излучения. Каждый объект излучает инфракрасный свет, причем энергия этого света  повышается с повышением температуры  объекта. Базируясь на этом эффекте Thermopile-модули измеряют излучаемую мощность и таким образом с высокой  точностью определяют температуру  объекта.

О температуре  нагретого тела можно судить на основании  измерения параметров его теплового  излучения, представляющего собой  электромагнитные волны различной  длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых основано на измерении  теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру  от 100 до 6000 ⁰С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании  законов излучения разработаны  пирометры следующих типов:

1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости  от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной  температурой реального тела Т_р называют температуру, при которой полная мощность равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Т_д.

Яркостной температурой реального тела Т_я называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Т_д.

Цветовой  температурой реального тела Т_ц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Т_д.

Пирометры частичного излучения

К данному  типу пирометров, измеряющих яркостную  температуру объекта, относятся  монохроматические оптические пирометры  и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком  диапазоне длин волн.

Оптические пирометры

Принцип действия оптических пирометров основан на использовании  зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры.

На (Рисунке 2.) представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.