додати матеріал


Загальні відомості про вимірювання температури

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИМІРІ ТЕМПЕРАТУР

Основні відомості про температуру і температурних шкалах
Температура є одним з найважливіших параметрів технологічних процесів. Вона володіє деякими принциповими особливостями, що обумовлює необхідність застосування великої кількості методів та технічних засобів для її вимірювання.
Температура може бути визначена як параметр теплового стану. Значення цього параметра обумовлюється середньої кінетичної енергією поступального руху молекул даного тіла. При зіткненні двох тіл, наприклад газоподібних, перехід тепла від одного тіла до іншого буде відбуватися до тих пір, поки значення середньої кінетичної енергії поступального руху молекул цих тіл не будуть рівні. Зі зміною середньої кінетичної енергії руху молекул тіла змінюється ступінь його нагретости, а разом з тим змінюються також фізичні властивості тіла. При даній температурі кінетична енергія кожної окремої молекули тіла може значно відрізнятися від його середньої кінетичної енергії. Тому поняття температури є статистичним і застосовується лише до тіла, що складається з досить великої кількості молекул; у застосуванні до окремої молекулі воно безглуздо.
До простору зі значно розрідженою матерією статистичні закони незастосовні. Температура в цьому випадку визначається потужністю потоків променистої енергії, що пронизує тіло, і дорівнює температурі абсолютно чорного тіла з такою ж потужністю випромінювання.
Відомо, що з розвитком науки і техніки поняття «температура» розширюється. Наприклад, при дослідженнях високотемпературної плазми було введено поняття «електронна температура», що характеризує потік електронів в плазмі.
Можливість вимірювати температуру термометром грунтується на явищі теплового обміну між тілами з різним ступенем нагретости й на зміні термометричних (фізичних) властивостей речовин при нагріванні. Отже, для створення термометра і побудови температурної шкали, здавалося б, можливо вибрати будь-яке термометричні властивості, що характеризує стан того чи іншого речовини і на підставі його змін побудувати шкалу температур. Проте зробити такий вибір не так легко, так як термометричні властивості має однозначно змінюватися зі зміною температури, не залежати від інших чинників і допускати можливість вимірювання його змін порівняно простим і зручним способом. Насправді немає жодного термометричної властивості, яке б повною мірою міг задовольнити цим вимогам у всьому інтервалі вимірюваних температур.
Скористаємося, наприклад, для вимірювання температури об'ємним розширенням тіл при нагріванні і візьмемо ртутний і спиртової термометри звичайного типу. Якщо шкали їх між точками, відповідними температур кипіння води і танення льоду при нормальному атмосферному тиску, розділити на 100 рівних частин (вважаючи за 0 точку танення льоду), то очевидно, що свідчення обох термометрів - ртутного і спиртового - будуть однакові в точках 0 і 100, тому що ці температурні точки були прийняті за вихідні для отримання основного інтервалу шкали. Якщо цими термометрами будемо вимірювати однакову температуру який-небудь середовища не в цих точках, то свідчення їх будуть різні, тому що коефіцієнти об'ємного теплового розширення ртуті та спирту різному залежать від температури.
У рідинно-скляних термометрах, вживаних в даний час, не доводиться стикатися з таким розбіжністю показань, так як на всіх сучасних термометрах нанесена єдина Міжнародна практична температурна шкала, яка будується за зовсім іншим принципом (спосіб побудови цієї шкали викладено нижче).
Ми зустрілися б з тими ж труднощами, якщо б спробували здійснити температурну шкалу на основі якої-небудь іншої фізичної величини, наприклад електричного опору металів і т. д.
Таким чином, вимірюючи температуру за шкалою, побудованої на довільному допущенні лінійної залежності між властивістю термометричної тіла і температурою, ми ще не досягаємо однозначного чисельного вимірювання температур. Тому так виміряну температуру (тобто за об'ємною розширенню деяких рідин, по електричному опору металів і т. д.) зазвичай називають умовною, а шкалу, по якій вона вимірюється - умовної шкалою.
Слід зазначити, що з числа старих умовних температурних шкал найбільшого поширення набула стоградусную температурна шкала Цельсія, градус якої дорівнює сотої частини основного температурного інтервалу. За основні точки цієї шкали прийняті точка плавлення льоду (0) і точка кипіння води (100) при нормальному атмосферному тиску.
З метою подальшого удосконалення умовної температурної шкали проводилися роботи з вивчення можливості використання для вимірювання температур газового термометра. Для виготовлення газових термометрів скористалися реальними газами (воднем, гелієм і іншими) і при цьому такими з них, які за своїми властивостями порівняно мало відрізняються від ідеального.
За допомогою газового термометра температура може бути виміряна зі спостереження або за зміною тиску газу в залежності від температури при постійному обсязі, або за зміною обсягу газу в залежності від температури при постійному тиску. Як показали всебічні дослідження, більшу точність забезпечує спосіб, що використовує зміни тиску газу в залежності від температури при постійному обсязі.
Шлях до створення єдиної температурної шкали, не пов'язаної з будь-якими приватними термометричні властивості і придатною в широкому інтервалі температур, був знайдений у використанні законів термодинаміки. Незалежною від властивостей термометричної речовини є шкала, заснована на другому законі термодинаміки. Вона запропонована в середині минулого століття Кельвіном і отримала назву термодинамічної температурної Шкали.
В основі побудови термодинамічної температурної шкали лежать наступні положення. Якщо в оборотному циклі Карно тіло, яке здійснює цикл, поглинає теплоту Q 1 при температурі T 1 і віддає тепло Q 2 при температурі Т 2, то ставлення термодинамічних (абсолютних) температур Т 1 / Т 2 дорівнює відношенню кількостей тепла Q 1 / Q 2. Згідно з положеннями термодинаміки значення цього відношення не залежить від властивостей робочого тіла.
Термодинамічна температурна шкала Кельвіна з'явилася вихідної шкалою для побудови температурних шкал, що не залежать від властивостей термометричної речовини. У цій шкалі інтервал, що полягає між точкою танення льоду і точкою кипіння води (для збереження наступності зі стоградусной температурною шкалою Цельсія), був розділений на 100 рівних частин.
Д. І. Менделєєв у 1874 р. вперше науково обгрунтував доцільність побудови термодинамічної температурної шкали не по двох реперним точкам, а по одній. Така шкала має значні переваги і дозволяє визначати термодинамічну температуру точніше, ніж шкала з двома реперними точками.
Однак термодинамічна температурна шкала, яка є суто теоретичною, не відкривала ще в перший час шляхів її практичного використання. Для цієї мети необхідно було встановити зв'язок термодинамічної шкали з реальними приладами для вимірювання температур. З числа вимірювачів температури найбільшу увагу заслуговують газові термометри, свідчення яких можуть бути пов'язані з термодинамічної температурної шкали за допомогою введення поняття шкали ідеального газу. Термодинамічна шкала, як відомо, збігається зі шкалою ідеального газу, якщо взяти при нормальному атмосферному тиску точку танення льоду за 0, а точку кипіння води за 100. Цією шкалою було присвоєно назву стоградусной термодинамічної температурної шкали.
Оскільки властивості реальних газів в широкому інтервалі температур порівняно мало відрізняються від властивостей ідеального газу, тому, знаючи відступу даного газу від законів ідеального газу, можна ввести поправки на відхилення даного газового термометра від термодинамічної стоградусной температурної шкали. Таким чином, для отримання температурної шкали, що не залежить від властивостей термометричної речовини, необхідно знати поправки до показань газових термометрів, для обчислення яких користуються залежностями, що випливають з другого закону термодинаміки. Ці поправки відносно невеликі і лежать в межах від 0,001 до 0,5 ° С.
Проте газові термометри можуть бути використані для відтворення термодинамічної стоградусной температурної шкали тільки до температур не вище 1200 ° С, що не може задовольнити сучасним вимогам науки і техніки. Використання ж газових термометрів для більш високих температур зустрічає великі технічні труднощі, які в даний час нездоланні. Крім того, газові термометри є досить громіздкими і складними приладами і для повсякденних практичних цілей дуже незручні і. Внаслідок цього для більш зручного відтворення термодинамічної стоградусной температурної шкали в 1927 р. була прийнята практична шкала, яка була названа Міжнародної температурної шкали 1927 р. (МТШ-27).
Положення про МТШ-27, прийняте сьомий Генеральною конференцією з мір та ваг як тимчасове, після деяких уточнень було прийнято остаточно в 1933 р. восьмий Генеральною конференцією з мір та ваг. У СРСР МТШ-27 введена з 1 жовтня 1934 Загальносоюзним стандартом (ОСТ ВКС 6954).
МТШ-27 заснована на шести постійних і відтворювальних температурах фазових рівноваг - реперних точках, яким присвоєні певні числові значення, і на інтерполяційних приладах і формулах, що визначають співвідношення між температурою і показаннями цих приладів, градуйованих у зазначених реперних точках. Числові значення реперних точок визначені за допомогою газових термометрів з урахуванням поправок на відхилення від термодинамічної шкали. Однак числові значення постійних точок, отримані в різних метрологічних лабораторіях ряду країн для однієї і тієї ж температури рівноваги, відрізнялися одна від одної, тому для кожної температури рівноваги було прийнято в результаті міжнародної угоди одне найбільш ймовірне числове значення. Внаслідок цього МТШ-27 повністю не збігається з термодинамічної і її слід вважати умовною, що підлягає перегляду і виправлення.
У наступні роки проводилися роботи з перегляду МТШ-27 з метою здійснення більш точного узгодження з термодинамічної шкалою в тому вигляді, як вона була прийнята, але з внесенням до неї деяких поліпшень, заснованих на уточнених і знову отриманих експериментальних даних. У результаті проведених робіт Консультативним комітетом з термометрії був вироблений проект Положення про Міжнародній практичній температурній шкалі 1948 р (МПТШ-48), затверджений дев'ятий Генеральною конференцією з мір та ваг.
Для шкали з одного реперної точкою необхідно приписати певне числове значення єдиною експериментально реалізованої її точці. Нижньою межею температурного інтервалу буде служити тоді точка абсолютного нуля.
Гранична похибка відтворення точки кипіння води становить 0,01 ° С, точки танення льоду 0,001 ° С. Потрійна ж точка води, що є точкою рівноваги води в твердій, рідкої і газоподібної фазі, може бути відтворена в спеціальних посудинах з граничною похибкою не більше 0,0001 ° С.
З огляду на все це і розглянувши ретельно все числові результати, отримані в різних метрологічних лабораторіях ряду країн, Консультативний комітет з термометрії визнав, що найкращим значенням для температури потрійної точки води, що лежить вище точки танення льоду на 0,01 ° С, є значення 273,16 К. Десята Генеральна конференція з мір та ваг в 1954 р. на підставі цього встановила термодинамічну температурну шкалу з однією реперної точкою - потрійною точкою води.
Нове визначення термодинамічної температурної шкали знайшло відображення в «Положенні про МПТШ-48. Редакція 1960 », прийнятому одинадцятий Генеральною конференцією з мір та ваг. Цією шкалою передбачається застосування двох температурних шкал: термодинамічної температурної шкали та практичної температурної шкали. Температура по кожній з цих шкал може бути виражена двояким способом: у градусах Кельвіна (К) і в градусах Цельсія (° С) залежно від початку відліку (положення нуля) за шкалою.
Методи реалізації МПТШ-48 по суті залишилися незмінними порівняно з методами реалізації шкали 1927 Однак дві зміни у визначенні шкали 1948 дають відчутні відмінності в числовому значенні вимірюваних температур. Для температури затвердіння срібла запропоновано значення 960,8 ° С замість раніше встановленого 960,5 ° С. Відтворення області шкали вище точки затвердіння золота (1063 ° С) запропоновано здійснювати не за наближеною формулою Вина, а по рівнянню Планка. Крім того, запропоновано уточнене значення константи випромінювання з 2, що входить в рівняння Планка.
Ділянка шкали від -182,97 ° С до +630,5 ° С, визначається еталонним термометром опору, залишається в основному без змін. В інтервалі від 630,5 до 1063 ° С числові значення температури за уточненою шкалою 1948 трохи вище таких за шкалою 1927 Завдяки цій зміні ділянку шкали, що визначається еталонним термоелектричним термометром, узгоджується більш надійно не тільки з ділянкою шкали, визначеним термометром опору в точці затвердіння сурми, але також з областю шкали вище точки затвердіння золота при застосуванні уточненого значення з 2. У СРСР МПТШ-48 була введена з 1 липня 1962 р. (ГОСТ 8550-61).
Зважаючи на великий потреби у вимірах низьких температур як у наукових дослідженнях, так і в техніці, тривалий час у ряді країн велися роботи по встановленню температурних шкал нижче 90 К. Дослідження в цій області низьких температур, виконані в СРСР та інших країнах, розглянуті в монографії М . П. Орлової. На базі цих робіт у ряді країн були встановлені національні шкали в області 13,8 - 90 К. У СРСР практична температурна шкала в області від потрійної точки водню до точки кипіння кисню введена з 1 / VII 1967 р. (ГОСТ 12442-66). Для реалізації практичних температурних шкал, що відтворюють одиницю температури в інтервалах від 1,5 до 4,2 K і від 4,2 до 13,81 К, у ВНИИФТРИ були створені, а Держстандартом СРСР затверджені Державні спеціальні еталони одиниць температури для діапазонів від 1,5 до 4,2 К і від 4,2 до 13,81 К (ГОСТ 8.078-73 і ГОСТ 8.084-73). В даний час в застосовуваних в СРСР практичних температурних шкалах область низьких температур розширена до 0,01 К.
Одночасно з проведенням досліджень в області низьких температур проводилися роботи з перегляду МПТШ-48.
Міжнародним комітетом мір і ваг в жовтні 1968 р. була прийнята нова Міжнародна практична температурна шкала 1968 р. (МПТШ-68). У ній розширена область низьких температур до потрійної точки водню і вироблені уточнення шкали МПТШ-48 в області від -182,97 до 1063 ° С.
У зарубіжній літературі поряд з виразом температури в Кельвіна (К) і градусах Цельсія (° С) використовується іноді градус Фаренгейта (° F) і градус Ренкіна (° Ra). Слід мати на увазі, що раніше градус Фаренгейта був характерний для шкал ртутно-скляних термометрів, а в даний час, так само як і градус Цельсія, він означає, що температура виражена по МПТШ, але з іншим числовим значенням. Перерахунок числових значень температури, вираженої в градусах однієї шкали, в градуси інший виробляють за наступними формулами:
n ° С = n К - 273,15 = 5 / 9 (n ° F - 32) = 5 / 9 n ° Ra -273,15;
n K = n ° C + 273,15 = 5 / 9 n ° F + 255,37 = 5 / 9 n ° Ra.
Практичні температурні шкали
У СРСР з 1 / I 1976 встановлені практичні температурні шкали, призначені для забезпечення єдності вимірювань температури від 0,01 до 100000K, і методи їх здійснення. Ці температурні шкали встановлені з урахуванням рекомендації Міжнародного комітету мір і ваг і його Консультативного комітету з термометрії.
Розглянуті нижче практичні температурні шкали утворюють єдину систему температурних шкал, безперервну від 0,01 до 1 × 10 5 K, реалізованих різними методами. При цьому вони встановлені таким чином, що температури, виміряні за ним, близькі до термодинамічних температур.
Одиницею температури по практичним температурним шкалами, встановленими ГОСТ 8.157-75, так само як і одиницею термодинамічної температури, є кельвін (К), замість колишнього найменування градус Кельвіна. Допускається застосування одиниці температури - градус Цельсія (° С). Між температурою T, вираженої в кельвінах, і температурою t, вираженої в градусах Цельсія, встановлено співвідношення
t = T - T 0,
де Т 0 = 273,15 К.
Одиниця кельвін визначена як 1 / 273, 16 частина термодинамічної температури трійкою точки води. Градус Цельсія дорівнює Кельвіном. Температурні різниці (інтервали) виражаються в кельвінах, але можуть бути виражені також у градусах Цельсія замість раніше застосовувався позначення град (deg).
Методи відтворення практичних температурних шкал, що розглядаються нижче, визначають вимоги до засобів вимірювань, які входять до складу державних еталонів для відповідних діапазонів температури.
Температурна шкала термометра магнітної сприйнятливості ТШТМВ. Ця температурна шкала, заснована на залежності магнітної сприйнятливості χ термометра з церій-магнієвого нітрату від температури Т, встановлюється для діапазону температур від 0,01 до 0,8 К. Залежність χ = f (T) виражається законом Кюрі:
χ = С / Т,
де С - константа, обумовлена ​​градуюванням магнітного термометра.
Температурна шкала 3 Не 1962р. Ця шкала, заснована на залежності тиску p насичених парів ізотопу гелію-3 від температури T, встановлюється для діапазону температур від 0,8 до 1,5 K. Ця залежність виражається рівнянням
1n p = 2,24846 - 2,49174 / T + 4,80386 - 0,286001 T + 0,198608 T 2 - 0,0502237 T 3 + +0,00505486 T 4,
де p - тиск в мм рт. ст. при 0 ° С і прискоренні вільного падіння, що дорівнює 9,80665 м / с 2.
Температурна шкала 4 Не 1958, заснована на залежності тиску p насичених парів ізотопу гелію-4 від температури Т, встановлюється для діапазону температур від 1,5 до 4,2 К. Ця залежність представлена ​​в табличній формі (ГОСТ 8.157-75).
Температурна шкала германієвого термометра опору ТШГТС. Шкала ТШГТС, заснована на залежності електричного опору R германієвого термометра від температури T, встановлюється для діапазону температур від 4,2 до 13,81 К. Залежність R = f (T) виражається співвідношенням

де A i - константи, які визначаються градуюванням германієвого термометра опору з газового термометра.
Міжнародна практична температурна шкала 1968 р. (МПТШ-68) встановлюється для температур від 13,81 до 6300 К. Температурна шкала МПТШ-68 заснована на ряді відтворюваних рівноважних станів, яким присвоєно точні значення температур - основних реперних (постійних) точок, і на еталонних приладах, градуйованих при цих температурах. В інтервалах між температурами постійних точок інтерполяцію здійснюють за формулами, що встановлює зв'язок між показниками еталонних приладів і значеннями температури. Основні реперні точки реалізуються як певні стани фазових рівноваг деяких чистих речовин.
Для температур від 13,81 до 903,89 К (від -259,34 до 630,74 ° С) в якості еталонного приладу застосовують платиновий термометр опору. Для області температур нижче 0 ° C співвідношення між опором термометра і температурою визначають стандартною функцією і спеціальними рівняннями для обчислення поправок до цієї функції згідно з ГОСТ 8.157-75. Для області від 0 до 630,74 ° C співвідношення між опором термометра і температурою виражається двома рівняннями у формі поліномів.
Для температур від 630,74 до 1064,43 ° C в якості еталонного приладу застосовують термоелектричний термометр з електродами з платинородій (10% родію) та платини. Співвідношення між термо-е. д. с. і температурою виражається рівнянням другого ступеня.
Для температур від 1337,58 К до 6300 К (від 1064,43 до 6026,85 ° С) температуру визначають відповідно до закону випромінювання Планка.
Температурна шкала пірометра мікрохвильового випромінювання (ТШПМІ). ТШПМІ, заснована на залежності спектральної густини енергії випромінювання L (Т) чорного тіла від температури Т в мікрохвильовому діапазоні випромінювання, встановлюється для діапазону температур від 6300 до 100000 К. Ця залежність виражається Рівнянням
L (T) / L [T (Au)] = Т / Т (Аu),
де L (T) і L [T (Au)] - спектральна щільність енергії випромінювання чорного тіла в діапазоні мікрохвильового радіовипромінювання при температурі T і в точці затвердіння золота Т (Au).
Для побудови температурної шкали по мікрохвильового випромінювання використовують теплове випромінювання з довжинами хвиль більше 1 мм.
Передача розміру одиниці температури, а разом з тим і практичних температурних шкал від еталонів зразковим засобам вимірювань і від них робочим засобам вимірювань із зазначенням похибок, проводиться відповідно до повірочними схемами (ГОСТ 8.082-73, ГОСТ 8.083-73 та ін.) У повірочних схемах вказані також основні методи повірки засобів вимірювань температури.

Література
1. Преображенський В. П. Теплотехнічні вимірювання та прилади: Підручник для вузів за фахом «Автоматизація теплоенергетичних процесів». - 3-е изд., Перераб. - М.: «Енергія», 1978.
2. Геращенко О. А., Федоров В. Г., «Теплові та температурні вимірювання»: Довідкове керівництво. Київ: «Наукова думка», 1965.
3. Бріндлі К. Вимірювальні перетворювачі: Довідковий посібник: Пер. з англ. - К.:. 1991.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Реферат
40.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Загальні відомості про 1СПредпріятіе
Загальні відомості про лічильники
Загальні відомості про повені
Загальні відомості про мінерали
Загальні відомості про монголів
Загальні відомості про клавіатурах
Загальні відомості про Internet
Загальні відомості про Дельвіг
Загальні відомості про Закарпатську область
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru