Измерение температур с помощью термометров

До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как термометр, о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.

История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.

Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.

В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, - теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.

На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.

В 1714 году Д. Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32°F - температура замерзания солевого раствора, 96°F - температура тела человека, верхняя 212°F - температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.

Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5:1, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0° температуру таяния льда, а за 80° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0°, а температура таяния льда как 100°. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.

М.В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И.Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375°, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов.

К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19.

Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В начале 19 века английским ученым лордом Кельвином была предложена абсолютная термодинамическая шкала. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля, обозначив им температуру, при которой прекращается тепловое движение молекул. По Цельсию это -273,15°С.

Такова основная история возникновения термометра и термометрических шкал. На сегодняшний день используются термометры со шкалой Цельсия, Фаренгейта (в США), а также со шкалой Кельвина в научных исследованиях. В настоящее время температуру измеряют с помощью приборов, действие которых основано на различных термометрических свойствах жидкостей, газов и твердых тел. И если в 18 веке был настоящий «бум» открытий в области систем измерения температуры, то с прошлого века началась новая пора открытий в области способов измерения температуры. Сегодня существует множество устройств, применяемых в промышленности, в быту, в научных исследованиях - термометры расширения и термометры манометрические, термоэлектрические и термометры сопротивления, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.

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.

Все предлагаемы 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 связанно с температурой t:

,

где k - коэффициент пропорциональности;

E - термометрическое свойство; D - постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k, D и на этой основе построить температурную шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при чем 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.

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.

В начале XX века широко применялись шкалы Цельсия и Реомюра, а в научных работах - также шкалы Кельвина и водородная. Пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому в 1933 году было принято решение о введении Международной температурной шкалы (МТШ).

Опыт применения МТШ показал необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально приблизить ее к термодинамической шкале. Поэтому МТШ была пересмотрена и приведена в соответствие с состоянием знаний того времени. В 1960 году было утверждено новое "Положение о международной практической температурной шкале 1948 года. Редакция 1960 г.".

Методы измерения температуры

Обычные методы измерения температуры, основываются на двух главных принципах - контактной и бесконтактной термометрии (бесконтактные методы называют также радиационной пирометрией, поскольку температура тела определяется по его радиации - излучению). За исключением фотоэлектрического датчика температуры, все термометры основаны на передаче тепла к чувствительному элементу. В контактных термометрах эта передача обеспечивается теплопроводностью и конвекцией, а в бесконтактных - тепловым излучением. При этом тело, термические характеристики которого известны, приводят в калорическое (температурно-тепловое) равновесие с неизвестным телом и по достижении установившегося состояния делают выводы о температуре исследуемого тела. В зависимости от реализуемого выходного сигнала термометра различают механические и электрические контактные термометры. Впрочем, имеются и термометры, которые могли бы быть отнесены к обеим этим категориям одновременно, например механические контактные термометры, которые образуют единое целое с электрическими контактами или электрическими измерительными преобразователями.

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, для специальных целей.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.

Таблица 1

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 она находится (термометрического стекла или реже кварца). Расширение рассчитывают по формуле:

ДV=вV*Ди или V_и=V₀(1+в),

где V, V₀ ,V_и - объемы термометрической жидкости в первоначальном состоянии, при температуре 0⁵С и при температуре и⁵С; в-объемный коэффициент температурного расширения.

Жидкостный термометр состоит из стеклянных баллона 1, капиллярной трубки 3 и запасного резервуара 4 (рис. 1). 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. Запасной резервуар или выступающая за верхним делением шкалы часть капиллярной трубки служит для предохранения термометра о порчи при чрезмерном перегреве.

В качестве термометрического вещества чаще всего применяют химически чистую ртуть. Она не смачивает стекла и остается жидкой в широком интервале температур. Кроме ртути в качестве термометрического вещества в стеклянных термометрах применяются и другие жидкости, преимущественно органического происхождения. Например: метиловый и этиловый спирт, керосин, пентан, толуол, галлий, амальгама таллия.

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, передачи показаний на расстояние и ремонта.

Стеклянные жидкостные термометры имеют весьма широкое применение и выпускаются следующих основных разновидностей:

1. технические ртутные, с вложенной шкалой, с погружаемой в измеряемую среду нижней частью, прямые и угловые;

2. лабораторные ртутные, палочные или с вложенной шкалой, погружаемые в измеряемую среду до отсчитываемой температурной отметки, прямые, небольшого наружного диаметра;

3. жидкостные термометры (не ртутные);

4. повышенной точности и образцовые ртутные термометры;

5. электроконтактные ртутные термометры с вложенной шкалой, с впаянными в капиллярную трубку контактами для разрывания (или замыкания) столбиком ртути электрической цепи;

6. специальные термометры, в том числе максимальные (медицинские и другие), минимальные, метеорологические и другого назначения.

Дилатометрические и биметаллические термометры

Простейший принцип измерения температуры использует удлинение металлического стержня, рассчитываемое по уравнению:

Дl=бlДи или l_и=l₀(1+би),

где l, l₀ и l_и - длина стержня в первоначальном состоянии, при 0⁰ С и при температуре и(⁰С); б - коэффициент линейного расширения материала стержня. Этот коэффициент в той или иной степени (в зависимости от материала) зависит от температуры, т.е. непостоянен: б = f(и). Обычно в качестве чувствительного элемента дилатометрического термометра используют трубку из металла с возможно более высоким б (например, из латуни), внутри который концентрично располагается стержень 1 из материала с возможно более низким б, например, из инвара, фарфора, кварца (рис. 2).

Используемое перемещение - разность расширений обоих стержней - очень мало, поскольку длину стержня с учетом возможности его установки нельзя принимать слишком большой. Диапазон измерений составляет примерно 0-1000⁰С.

Дилатометрические термометры часто используют там, где требуются большие усилия в исполнительном механизме, например в регуляторах температуры прямого действия, поскольку для компенсации температурного расширения стержня его упругим сжатием согласно закону Гука требуется весьма большое усилие.

По такому же принципу можно использовать вместо растягиваемого стержня натянутые проволоки (проволочную «арфу») и измерять их удлинение при измерении температуры (рис. 2б).

Значительно чаще дилатометрических применяют биметаллические термометры, в которых для индикации температуры также используют различное температурное расширение двух разнородных материалов. Биметаллические термометры могут быть изготовлены весьма малых размеров, в чем состоит их существенное преимущество перед громоздкими дилатометрическими термометрами. Они просты при конструировании (поскольку у них мало движущихся частей).

Два или несколько слоев различных материалов прокатывают совместно (в пакете), причем в зависимости от назначения они могут иметь различные геометрические формы. На рис. 3 показаны наиболее распространенные конструктивные исполнения чувствительных элементов этих термометров. Варианты а и б используют главным образом в качестве температурных реле (например, реле максимального тока) и в механических приборах с компенсацией температурного влияния. Варианты в) и г) в виду большого отклонения свободного конца биметаллического элемента могут быть использованы в термометрах с непосредственным отсчетом температуры (рис. 4).

Манометрические термометры

Действие манометрических термометров основано на использовании зависимости давления вещества при постоянном объеме от температуры. Замкнутая измерительная система манометрического термометра состоит из (рис. 5) из чувствительного элемента, воспринимающего температуру измеряемой среды, металлического термобаллона 1, рабочего элемента манометра 2, измеряющего давление в системе, 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 бесшкальные устройства информации (датчики).

Манометрические термометры подразделяют на три основных разновидности:

1. жидкостные, в которых вся измерительная система (термобаллон, манометр и соединительный капилляр) заполнены жидкостью, основной рабочий элемент этих термометров - пружинная трубка, которая преобразует расширение объема жидкости во вращательное движение. Показания указателя является в основном линейной функцией температуры.

2. конденсационные, 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.

3. газовые, в которых вся измерительная система заполнена инертным газом. При этом методе измеряют изменение давления p или объема газа V в функции температуры Т (абсолютной) в соответствии с законом состояния идеального газа:

pV=mRT,

Причем масса m и величина R (универсальная газовая постоянная) здесь считаются константами.

Достоинствами манометрических термометров являются сравнительная простота конструкции и применения, возможность дистанционного измерения температуры и возможность автоматической записи показаний. К недостаткам манометрических термометров относятся: относительно невысокая точность измерения (класс точности 1.6; 2.5; 4.0 и реже 1.0); небольшое расстояние дистанционной передачи показаний (не более 60 метров) и трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы.