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. Мушенбрук, 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°

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

1. Современная Международная температурная шкала

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. 1-2 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 2

Практические пределы применения наиболее распространенных устройств для промышленных измерений температур

Термометром называют устройство (прибор), служащее для измерения температуры путем преобразования ее в показания или сигнал, являющийся известной функцией температуры.

Чувствительным элементом термометра называют часть термометра, преобразующую тепловую энергию в другой вид энергии для получения информации о температуре.

Различают термометры контактные и бесконтактные. Чувствительный элемент контактного термометра входит в непосредственное соприкосновение с измеряемой средой.

Пирометром называют бесконтактный термометр, действие которого основано на использовании теплового излучения нагретых тел.

Термокомплектом называют измерительную установку, состоящую из термометра, не имеющего собственной шкалы, и вторичного прибора, преобразующего выходной сигнал термометра в численную величину.

3. Контактные методы измерения температуры

3.1 Термометры расширения

Жидкостные стеклянные термометры

Самые старые устройства для измерения температуры -- жидкостные стеклянные термометры -- используют термометрическое свойство теплового расширения тел. Действие термометров основано на различии коэффициентов 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: стеклянного баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 2). Термометрическое вещество 2 заполняет баллон 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 по величине видимого изменения объема термометрического вещества. Температуру отсчитывают по высоте уровня в капиллярной трубке. Градусная шкала наносится либо непосредственно на внешнюю поверхность массивного толстостенного капилляра (палочный термометр), либо на специальную шкальную пластинку, располагаемую внутри внешней стеклянной оболочки термометра (термометр с вложенной шкалой), либо на прикладную шкальную пластинку, к которой прикрепляется капиллярная трубка.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Некоторым недостатком ртути является малое значение ее коэффициента расширения. Нижний предел измерения ограничивается температурой затвердевания ртути и равен минус 35°С. Верхний предел измерения ртутным термометром определяется допустимыми температурами для стекла: 600°С у образцовых термометров и 500°С у технических (ГОСТ 2823--59). При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько увеличивается.

Так как температура кипения ртути при нормальном атмосферном давлении равна 35б,58°С, то для термометров, предназначенных для измерения высоких температур, пространство над ртутью в капиллярной трубке заполняется инертным газом под давлением. Для термометров со шкалой до 500°С давление газа достигает 20 бар (20- 10⁵ н/м²).

Основные достоинства стеклянных жидкостных термометров -- простота употребления и достаточно высокая точность измерения даже для термометров серийного изготовления.

К недостаткам стеклянных термометров можно отнести: плохую видимость шкалы (если не применять специальной увеличительной оптики) и невозможность автоматической записи показаний (если исключить применение замедленной киносъемки), передачи показаний на расстояние (если не пользоваться средствами телевидения) и ремонта (разбитый термометр восстановить нельзя!).

3.2 Биметаллические и дилатометрические термометры

Действие биметаллических и дилатометрических термометров основано на термометрическом свойстве теплового расширения различных твердых тел.

В биметаллических термометрах в качестве чувствительного элемента используют пластинки или ленты, состоящие из двух слов разнородных металлов, характеризуемых различными коэффициентами теплового расширения. Чаще всего применяют медно-цинковый сплав -- латунь (70% Cu + 30% Zn) и сплав железа с никелем --инвар (64% Fe + 36% Ni), с существенно различными коэффициентами теплового расширения: порядка 0,000019 град^-1 для латуни и 0,000001 град^-1 для инвара. При изменении температуры биметаллической пластинки она деформируется (рис.4) вследствие неодинакового расширения отдельных слоев пластинки. Если закрепить неподвижно один конец пластинки, то по перемещению другого конца, соединенного с указателем, можно судить об изменении температуры.

Чувствительные элементы биметаллических термометров обычно выполняют в форме спиралей, соединяемых со стрелочным указателем. Такие термометры класса точности 2,0 или 2,5 применяют для измерения температуры атмосферного воздуха.

Биметаллические элементы используют иногда для корректировки показаний измерительных приборов при изменении температуры окружающей среды (см. рис. 10-9).

Рис. 4. Схема чувствительного элемента биметаллического термометра:

а -- при нормальной температуре; б -- при повышенной; 1 -- латунь; 2 -- инвар

Дилатометрические термометры как указатели температуры обычно не применяют. Их используют в качестве устройств информации (датчиков) в системах автоматического регулирования.

Рис. 5. Схема дилатометрического устройства измерения температуры.

На рис. 5 показано одно из таких устройств. Чувствительный элемент выполнен из металлической оболочки 1 и кварцевого или фарфорового стержня 2. Рычаги 3 и 4 пропорционально увеличивают разность расширения оболочки и стержня и создают входной сигнал для гидравлического усилительного устройства 5 автоматического регулятора температуры в трубопроводе 6.

Биметаллические и дилатометрические термометры на практике применяют сравнительно редко.

3.3 Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит (рис. 6) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, -- металлического термобаллона /, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, и длинного соединительного металлического капилляра 3. При изменении температуры 'измеряемой среды давление в системе изменяется, в результате чего чувствительный элемент перемещает стрелку или перо по шкале манометра, отградуированного в градусах температуры. Манометрические термометры часто используют в системах автоматического регулирования температуры, как бес шкальные устройства информации (датчики).

Рис 6. Схема манометрического термометра

Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнена жидкостью;

конденсационные (по старым терминологиям: паровые или парожидкостные), в которых термобаллон заполнен частично жидкостью с низкой температурой кипения и частично -- ее насыщенными парами, а соединительный капилляр и манометр -- насыщенными парами жидкости или, чаще, специальной передаточной жидкостью;

газовые, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и капилляр) заполнена инертным газом.

Достоинствами манометрических термометров являются: сравни тельная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры (передачи показаний на расстояние) и возможность автоматической записи показаний.

К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1,6; 2,5 или 4,0 и реже 1,0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 м) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.

4. Термометры сопротивления

4.1 Общие сведения о термометрах сопротивления

Измерение температуры по электрическому сопротивлению тел / / (обычно металлических) основывается на зависимости их сопротивления от температуры. У большинства чистых металлов с ростом температуры сопротивление увеличивается приблизительно на 0,4% -град^-1, а у металлов ферромагнитной группы (железо, никель, кобальт) -- приблизительно на 0,65% -град"1. Металлические сплавы имеют более низкие температурные коэффициенты вплоть до значений, близких к нулю. Очень большие отрицательные температурные коэффициенты, когда сопротивление уменьшается с увеличением температуры, наблюдаются у некоторых полупроводниковых соединений.

Электрические термометры сопротивления практически позволяют измерять температуру с высокой степенью точности -- до 0,02°С, а при измерениях небольшой разности температур -- до 0,0005°С. Обязательное наличие источника тока, а также большие размеры чувствительного элемента у термометров сопротивления ограничивают их применение. Если у термопар температура определяется в точке соединения двух термоэлектродов, то у термометров сопротивления -- на участке некоторой длины.

Чаще применяют металлические термометры сопротивления. Материалы для термометров сопротивления должны обладать следующими свойствами: а) высоким удельным сопротивлением; б) высоким температурным коэффициентом; в) химической инертностью; г) легкой технологической воспроизводимостью; д) дешевизной; е) постоянством физических свойств во времени.

Металлические сплавы, обладающие обычно высоким удельным сопротивлением, но небольшим температурным коэффициентом, непригодны в качестве материала для термометров сопротивления. Неоднократные попытки широкого использования никеля и железа, обладающих большим температурным коэффициентом и высоким удельным сопротивлением, практически потерпели неудачу. Эти металлы в чистом виде получить трудно. Кроме того, они крайне слабо сопротивляются химическим воздействиям. По разным причинам отпала возможность использовать и многие другие металлы. Наиболее подходящими материалами для термометров сопротивления оказались платина (для измерений в интервале от --200 до 650°С) и медь (в интервале от --50 до +180°С).

4.2 Платиновые термометры сопротивления

Технические термометры (тип ТСП) чаще всего выполняются в конструктивной форме, показанной на рис. 7.

Неизолированную платиновую проволоку 1 диаметром 0,07 мм бифилярно наматывают на слюдяную пластинку 2 с зубчатыми краями. Бифилярная намотка необходима для того, чтобы исключить появление индуктивного сопротивления. Пластинка с намотанной на ней платиновой проволокой покрывается с двух сторон слюдяными пластинками таких же размеров. Все три пластинки скрепляются серебряной лентой 4 в пакет. К каждому концу платиновой проволоки приваривается подводящий провод 3 из серебра диаметром 1 мм. Подводящие провода изолируются фарфоровыми бусами 5 и присоединяются к зажимам на головке термометра. Такой чувствительный элемент помещают в тонкостенную алюминиевую трубку 6 (рис. 7), в нижней части которой расположен массивный вкладыш 7 с плоской прорезью для чувствительного элемента. Вкладыш улучшает условия теплопередачи от трубки к чувствительному элементу. Алюминиевую трубку вместе с подводящими проводами помещают во внешний защитный чехол 8, выполняемый обычно из стальной трубы.

Внешний вид и размеры термометров такие же, как и у термоэлектрических термометров. Длина чувствительного элемента во всех конструкциях обычно не меньше 90--100 мм.

Рис. 7. Конструктивная схема платиновых термометров сопротивления: а -- схема бифилярной намотки проволоки / на слюдяную пластинку 2; б--чувствительный элемент термометра в арматуре

У термометров с уменьшенной тепловой инерцией массивный вкладыш не применяется и пакет из трех слюдяных пластин помещается между двумя пружинящими лепестками из тонкого (0,1 мм) дюралюминия.

Термометры малоинерционные (с постоянной времени менее 9 сек) имеют чувствительный элемент иной конструкции: платиновая проволока, намотанная на стеклянный стержень, оплавляется стеклом и помещается во внешний защитный чехол с наружным диаметром 10 мм.

У термометров, предназначенных для измерения отрицательных температур, алюминиевая трубка с чувствительным элементом заливается парафином для защиты от образования конденсата.

Термометры могут быть выполнены также двойными (с двумя электрически изолированными друг от друга чувствительными элементами и с четырьмя зажимами на головке термометра).

Платиновые технические термометры сопротивления (по ГОСТ 6651--59) выпускаются трех градуировок, отличающихся величиной сопротивления R₀ при 0°С и пределами применения:

Для измерения низких температур от 12 до 95К. (приблизительно от --261 до -- 178°С) применяются специальные образцовые и лабораторные термометры сопротивления (ГОСТ 12877--67). Зависимость между сопротивлением и температурой устанавливается в этом случае по ГОСТ 12442--66.

Технические термометры поверяют обычно в двух точках: при 0°С в ледяном термостате и приблизительно при 100°С в паровом термостате. Критериями оценки качества термометров служат значения сопротивления R0 и отношения сопротивлений R₁₀₀:R₀

4.3 Медные термометры сопротивления

Медные термометры изготовляют только технические (тип ТСМ) по ГОСТ 6651--59 и имеют обычно следующую конструктивную форму.

Медная изолированная проволока диаметром 0,1 мм наматывается, обычно бифилярно, в несколько слоев на цилиндрическую пластмассовую колодку и покрывается глифталевым лаком. Концы проволоки припаиваются к подводящим медным проводам диаметром 1,0--1,5 мм, которые присоединяются к зажимам головки термометра. Чувствительный элемент помещают в тонкостенную металлическую гильзу (рис. 8), а затем -- во внешний защитный чехол с наружным диаметром 10, 14 или 21 мм в рабочей части (рис. 9), общей длиной до 2000 мм.

Термометры, предназначенные для измерения температуры воздуха при атмосферном давлении, имеют перфорированный внешний защитный чехол (рис 9,б).

Рис. 8. Чувствительный элемент медного термометра сопротивления: а -- без защитной гильзы; б -- в защитной гильзе

Заключение