Датчики измерения температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Измерения - единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Поэтому разработка новых приборов, машин, механизмов, аппаратов, а также непосредственное осуществление сложных технологических процессов в современной промышленности связанны с необходимостью измерения многочисленных физических величин. При этом число подлежащих измерению механических, тепловых, химических или акустических величин, т.е. так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, во много раз больше всех возможных электрических и магнитных величин.

Поэтому измерение неэлектрических величин достигло сейчас высокого развития и образует наиболее крупную и разветвленную область современной измерительной техники, а производство приборов для измерения различных физических величин составляет основную часть приборостроительной промышленности.

Понятие температуры возникло из ощущений человека, в какой мере нагреты, или, наоборот, охлаждены окружающие тела. И только в результате требований науки и техники о количественном определении температуры было сформулировано более четкое понятие температуры. По определению Максвелла, температура тела есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам. С другой стороны температуру можно определить как степень нагретости тела или объекта. Первые приборы для измерения температуры, появившиеся в XVI в., позволили выделить температуру как особую физическую величину, значение которой определялось по температурной зависимости какого-либо свойства тела, т. е. по шкале этого свойства.

Повышение эффективности промышленных объектов идет по пути совершенствования, как самих технологических процессов, так и процессов управления ими. Немаловажным фактором, затрудняющим построение систем управления, является то, что технологи, хорошо знающие, что следует измерять в объекте, как правило, плохо осведомлены о возможностях современной измерительной техники. Температура является одним из важнейших параметров, как лабораторных экспериментов, так и технологических процессов многих отраслей промышленности. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов технические измерения температуры составляют 40-50% общего числа всяких измерений. Поэтому качество температурного контроля часто обуславливает успех процесса производства.

Для того чтобы сделать краткий обзор способов измерения температуры, следует четко разграничить научные и производственные методы и практические приемы. Для измерения могут быть использованы любые свойства твердых, жидких и газообразных веществ, изменяющихся в зависимости от температуры физическое или химическое состояние, линейные размеры, электрические свойства, скорость звука в газах (акустическая термометрия), собственная частота кварцевых резонаторов и т. д. Многие из параметров объектов можно измерять только с применением сложной дорогостоящей аппаратуры или жесткой стабилизации параметров окружающей среды, что крайне не выгодно в технической или научной деятельности.

На практике утвердилось лишь ограниченное число методов, а с ними и аппаратуры, измерения температуры. Поэтому ниже будут рассмотрены только те методы и приборы измерения температуры, которые нашли применение в промышленности. В курсовом проекте описаны принципы действия термоэлектрических термометров и термометров сопротивления, их разновидности, принципиальные схемы, параметры работы, достоинства и недостатки. Также рассмотрено применение термоэлектрических термометров, пирометрических термометров, специальных индикаторных термометров при измерении температуры в промышленных условиях и приведен расчет устройства для измерения температуры в удаленных точках.

1. Основные характеристики и методы измерения температуры

датчик измерения температура

Повышение эффективности промышленных объектов идет по пути совершенствования, как самих технологических процессов, так и процессов управления ими. Немаловажным фактором, затрудняющим построение систем управления, является то, что технологи, хорошо знающие, что следует измерять в объекте, как правило, плохо осведомлены о возможностях современной измерительной техники.

Весьма важно, чтобы с новыми приборами и методами были хорошо знакомы как производственники, так и лица, занимающиеся исследовательской работой. При этом они должны совершенно отчетливо представлять себе, в каких областях эти новые приборы и методы наиболее целесообразно использовать, с какими это сопряжено затратами времени (и средств) и какова точность получаемых с их помощью результатов. Роль измерений при наблюдении за производственными процессами заметно отличается от роли измерений при проведении лабораторных опытов (физико-химических экспериментов). В первом случае задачей измерений является лишь получение численного значения наблюдаемой характеристики объекта измерений для контроля за правильностью осуществления известных операций производства.

При проведении же опытов результат измерений рассматривается как отклик на целенаправленное изменение условий эксперимента, проводимого с целью получения неизвестных ранее сведений об исследуемом объекте. Различие между двумя типами измерений отмечалось еще в "Кратком руководстве к физике", изданном в Санкт-Петербурге почти два столетия назад, в начале XIX века. В этом руководстве говорится: "Физика есть сколько приятная, столько и полезная наука, толкующая свойства тел или предметов, нас окружающих. Свойства тел познаются или через наблюдения, когда тело рассматривается в естественном состоянии, то есть так, как оно есть, или через опыты, когда тело доводят в такое состояние, до которого оно само дойти никогда не может".

Одним из важнейших параметров, как лабораторных экспериментов, так и технологических процессов многих отраслей промышленности является температура. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов технические измерения температуры составляют 40-50% общего числа всяких измерений, т.к. контроль этого параметра производства часто отвечает за безопасность и экологические нормы предприятия.

Поэтому качество температурного контроля часто обуславливает успех процесса производства. На современном этапе развития промышленности большое внимание уделяется и улучшению технологий и методов измерения температуры.

1.1 Средства и методы термометрии

Понятие температуры возникло из ощущений человека, в какой мере нагреты, или, наоборот, охлаждены окружающие тела. И только в результате требований науки и техники о количественном определении температуры было сформулировано более четкое понятие температуры. По определению Максвелла, температура тела есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам. С другой стороны температуру можно определить как степень нагретости тела или объекта. Первые приборы для измерения температуры, появившиеся в XVI в., позволили выделить температуру как особую физическую величину, значение которой определялось по температурной зависимости какого-либо свойства тела, т. е. по шкале этого свойства. Так возникла область измерений температуры, которую впоследствии назвали термометрией.

Термометрия - раздел технической физики, в котором изучаются методы и средства измерения температуры, теоретические основы способов построения термодинамической и практической температурных шкал и созданные на этой основе эталоны и образцовые средства измерений температуры.

Значения термодинамической температуры находятся в пределах от 0 К до таких высоких значений, которые получаются в реальных системах элементарных частиц, находящихся в тепловом равновесии. При этом абсолютный нуль температуры недостижим, так как любая частица в соответствии с квантовой теорией будет иметь одно низшее квантовой состояние и поэтому отсутствует возможность перехода в другое более низкое состояние, т.е. невозможна передача энергии другой частице или системе частиц. Однако система частиц не может иметь и бесконечное значение термодинамической температуры, так как в соответствии с теорией относительности скорость частиц не может превышать скорости распространения электромагнитного излучения. Таким образом, исходя из конечного значения скорости света, верхний предел температуры может быть оценен значением порядка 10 К.

Температура -- один из параметров состояния вещества: газа, жидкости или твердого тела. Температура определяет тепловое состояние тела и направление теплопередачи. Если привести в контакт два тела при различных температурах, то более нагретое тело (с более высокой температурой) будет охлаждаться, а менее нагретой - нагреваться. Процесс теплопередачи и изменения температур тел будет продолжаться до тех пор, пока их температуры не станут равными, т.е. не наступит температурное равновесие. Подобный процесс наблюдается в том случае, если оба тела в тепловом отношении изолированы от окружающей среды и не наблюдаются приток извне тепла или же потерь тепла.

Процесс измерения характеризуется с одной стороны восприятием и отображением физической величины, а с другой стороны - нормированием, т.е. присвоением ей определенного значения (размера). Размер х величины Х представляет собой отношение измеряемой величины к величине N, принимаемой за эталон (единицу измерения) (1):

X = x N (1)

Для проведения указанных операций измерения должны быть удовлетворены две основные предпосылки :

1) подлежащая измерению физическая величина должна быть

однозначно определена;

2) единицы измерения должны быть установлены соглашением.

Обе предпосылки не являются само собой разумеющимися. В то время как величины "длина", "вес", "время" воспринимаются всеми как вполне определенные из опыта, величина "коэффициент полезного действия" уже нуждается в конкретном определении. Такие величины как "степень комфортности" из области климатотехники или "коэффициент умственного развития" (I. Q.) до сих пор не имеют общепризнанного определения и поэтому не могут быть воспроизводимо измерены. Аналогично, понятие "температуры" возникло из весьма неопределенных понятий теплоты и холода, которые располагались в сознании человека где-то рядом с запахом и вкусом. Никто не пытался связать с этими понятиями какие-либо количественные соотношения : до сих пор не ставится вопрос, во сколько раз жареный окунь вкуснее манной каши. По-видимому, впервые необходимость применения количественной меры к тепловым ощущениям осознали древние медики. Они давно заметили, что здоровье человека как-то связано с теплотой его тела и что лекарства могут влиять на здоровье, принося с собой, в частности, теплоту или холод. Так, знаменитый врач Гален (II век н.э.) использовал классификацию лекарственных препаратов по "градусам" (латинское gradus - ступень): градус тепла, градус холода, градус влажности, градус сухости. Градусов было четыре, и каждый градус еще разбивали на три части. Препараты смешивались, и эти смеси имели разные градусы (при этом холод и тепло не считали противоположными качествами - тепло побеждалось влажностью, а холод - сухостью).

Для каждой болезни составлялось свое лекарство (надлежащая смесь препаратов), которое называлось "температура" (от лат. temperatura - надлежащее смешение, правильное соотношение ). Таким образом, в медицине впервые была сделана попытка установить 12-градусную шкалу теплового действия лекарств ("температур"). Однако задача теоретического определения градуса смеси по градусам компонент так и осталась нерешенной.

Отсутствовали также средства измерений теплового воздействия - приборы либо для качественного обнаружения изменений степени нагрева ("термоскопы"), либо для количественного измерения характеристик теплового состояния ("термометры").

Температура определяет внутреннюю энергию тела: потенциальная и кинетическая энергии молекул газа, жидкости и твердого тела зависят то температуры. Энергия отдельно взятой молекулы не совпадает со средней энергией тела, поэтому понятие температуры является статическим и применимо к телам, состоящим из очень большого числа молекул. Согласно кинетической теории средняя энергия Е поступательного движения молекул газа связанна с его температурой Т соотношением (2):

Е=Т, (2)

где - постоянная Больцмана, равная 1,38*10 Дж/К.

Распределение энергии поступательного движение между молекулами газа зависит от их скорости.

Для жидкостей и твердых тел функциональная связь температуры с внутренней энергией выражаются сложными аналитическими зависимостями. Температура определяет не только характеристики тепловых процессов, от нее зависят многие физические свойства: теплопроводность, температуропроводность, теплоемкость, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, кристаллические структуры веществ, электрические , магнитные, оптические и атомные свойства.

Температура -- физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Термодинамическими называют физические величины, характеризующие макроскопические состояния тел. Особенностью термодинамики является возможность вывода целого ряда таких соотношений между термодинамическими величинами, которые имеют место независимо от того, к каким конкретным телам эти величины относятся. При этом обычно пренебрегают флуктуациями, считая, что термодинамические величины меняются лишь при изменении макроскопического состояния тел.

Понятие температуры как термодинамической величины вводится при рассмотрении нескольких тел, находящихся в тепловом равновесии друг с другом и составляющих замкнутую систему. При этом доказывается, что показателем теплового равновесия является равенство для всех тел системы производных энтропии тела S = ln ?Г (?Г - статистический вес) по его энергии Е. Отсюда, учитывая традиционную качественную трактовку температуры как показателя теплового равновесия, вводят термодинамическую абсолютную температуру Т как величину, обратную упомянутой производной (3):

(3)

Так как энтропия S - безразмерная величина, то из данного определения следует, что температура имеет размерность энергии и может измеряться, например, в джоулях. Для обеспечения соответствия с существовавшими шкалами термометров (и эмпирическими уравнениями состояния), где единицей измерения "эмпирической температуры" является условный "градус" Цельсия (или "кельвин" [K], равный "градусу"), ввели постоянный переводной коэффициент (постоянную Больцмана), равный числу джоулей в "градусе" k = 1,38?10-23 Дж/К (4):

(4)

В последней формуле термодинамическая абсолютная температура Т измеряется в эмпирических единицах - кельвинах ("градусах"). Введение понятия термодинамической температуры позволяет (по крайней мере принципиально) построить теоретическую термодинамическую шкалу температур, для произвольного рабочее тела, не используя какой либо явной формы уравнения состояния. Впервые возможность построения термодинамической шкалы температур продемонстрировал Кельвин, в связи с чем вместо термина "термодинамическая шкала" часто используют наименование "шкала Кельвина" , а единица измерения температуры по этой шкале получила наименование "кельвин". Кельвин рассмотрел идеальную тепловую машину , работающую по циклу Карно, включающему два адиабатических процесса и два изотермических процесса - с получением количества тепла от "нагревателя", имеющего термодинамическую температуру , и с передачей количества тепла Qх "холодильнику" с термодинамической температурой . Он показал, что для любых рабочих тел отношение этих количеств тепла одинаково и равно отношению соответствующих термодинамических температур(5):

 (5)

Впоследствии было показано, как для произвольного рабочего тела можно установить зависимость T=T(?) между термодинамической абсолютной температурой T и чисто условной шкалой "температур" ? , определяемой произвольно градуированным "термометром". При выводе неявно предполагается наличие взаимно однозначного соответствия между T и ? т.е. то, что T(?) - монотонная непрерывная функция. Получаемое соотношение (6)

(6)

В правой стороне равенства (5) стоят величины, которые могут быть непосредственно измерены как функции условной температуры ? (7):

(7)

определяется количеством тепла, которое должно быть сообщено телу, для того, чтобы при расширении поддерживать его "температуру" (показание "термометра") постоянной, а производная определяется изменением объема тела при нагревании (8)

(8)

Таким образом, приведенная формула решает поставленную задачу, принципиально позволяя определить искомую зависимость (9)

T=T(?) (9)

В практическом смысле, однако, приведенные выше соотношения оказываются не очень полезными. Решаемая задача не становится ни легче, ни понятнее - вместо трактовки "температуры" теперь требуется не менее сложная трактовка "тепла" и нахождение способов измерения этого "тепла". Поэтому термодинамическая шкала осуществляется не непосредственно, а с использованием других термодинамических соотношений, выражаемых через однозначно измеряемые величины, и справедливых уже лишь для определенных типов рабочих тел с хорошо известными уравнениями состояния.

1.2 Температурные шкалы и единицы измерения

Температурные зависимости физических свойств веществ можно положить в основу методов измерения температуры и построения температурной шкалы.

Температурная шкала - это рад последовательных значений температуры, образуемый в соответствии с выбранным законом, определяющим взаимосвязь термометрического параметра (свойства) и температуры.

Для построения температурной шкалы выбирают две основные точки t₁ и t2, которым присваивают произвольные значения температуры. Интервал между этими точками (t2 - t₁ ) называют основным интервалом температурной шкалы. Разделив основной интервал на N равных частей, устанавливаем цену деления шкалы, другими словами размер единицы температуры (10):

М= (10)

Принимая линейную зависимость между температурой t и физическим параметром Е, можно найти уравнение шкалы в следующем виде (11):

t= t₁ + (t2 - t₁ ) = t₁ + MN (11)

Экспериментально установили, что уравнение (11) для различных термометрических веществ (или свойств), как правило, не имеет линейную зависимость t=f (E). На основе этого уравнения построены все известные нам температурные шкалы.

Изготовление первых практически применимых термоскопов обычно приписывают Галилею (около 1597 г.). Эти приборы состояли из стеклянного шара, наполненного воздухом. Тонкая трубка, выходящая из шара, была пущена в подкрашенную жидкость. Высота столбика жидкости в трубке была очень чувствительна к изменениям теплового состояния, но она зависела не только от температуры, но и от атмосферного давления, так что отсутствовала возможность установления воспроизводимой температурной шкалы и проведения количественных измерений.

Ньютон в 1701 г. предложил ввести температурную шкалу, разделенную на 12 градусов (как у древних медиков) и воспроизводимую по сопоставлению с характеристиками природных процессов (по реперным точкам). Ноль он отождествил с точкой замерзания воды, а 12 градусов - с температурой тела здорового человека.

Первые воспроизводимые термометры, аналогичные современным и градуируемые по природным реперным точкам, были изготовлены Габриелем Даниелем Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии. В 1714 г. он использовал шкалу, в которой за нуль принималась наинизшая температура смеси льда, поваренной соли и нашатыря, а за 12 градусов - температура человеческого тела. Полученная шкала оказалась слишком грубой для практических измерений, поэтому Фаренгейт в 1723 г. впоследствии приписал телу здорового человека температуру 96 градусов. Отсюда следует, что 1/180 часть интервала между точками плавления льда и точкой кипения воды составляет размер единицы температуры - градуса Фаренгейта (°F). В качестве термометрического вещества Фаренгейт использовал вначале спирт, а затем ртуть. В таком виде шкала Фаренгейта до сих пор используется в США и Великобритании (но сейчас за реперные точки принимают температуры замерзания и кипения воды - соответственно 32 и 212 градусов по шкале Фаренгейта).

Шкала Ранкина - температурная шкала с началом при абсолютном нуле , причем размер единицы температуры - градуса Ранкина (T) равен размеру единицы температуры Фаренгейта (t): 1°Rn=1°F . Соотношение между температурами T и t следующее: t= T-459,67.

Во Франции и некоторых других европейских странах имела широкое распространение (и до сих пор иногда используется) шкала Р. Реомюра (1730 - 1740 г.), с самого начала строившаяся на точках замерзания воды (ноль градусов) и ее кипения (80 градусов). Такое деление шкалы использовалось Реомюром так как его измерения показывали, что вода в жидкостном термометре расширяется между этими двумя реперными точками на 80 тысячных своего объема (современные измерения дают величину 84 тысячных).

Известная стоградусная шкала была введена в 1742 г. А. Цельсием . Для того, чтобы исключить появление отрицательных значений температуры в медицине и метеорологии, Цельсий поместил ноль градусов в точку кипения воды , а 100 градусов - в точку ее замерзания. Однако такая "перевернутая" шкала оказалась неудобной и вскоре она была приведена к современному виду.

Во всех последующих температурных шкалах, в том числе и в принятых в настоящее время в качестве стандартных, величина "градуса" в точности равна величине деления стоградусной шкалы Цельсия. Реперные же точки могут быть иными - так в "абсолютной" температурной шкале (Кельвина) имеется лишь одна основная реперная точка, а именно тройная точка воды, которой приписано значение 273,16 кельвин для обеспечения точного соответствия единицы этой шкалы - кельвина (К) градусу Цельсия (С). единице стоградусной шкалы уже получившей широкое распространение а науке и технике.

Связи между температурами Фаренгейта (t), Ремюра (t) и Цельсия (t) и их единицами выражаются следующим образом (12):

t°С = 5/4 t°R = 5/9(t°F-32); 1°С = 4/5 °R=9/5 °F (12)

В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960) в настоящее время можно применять только две температурные шкалы -- термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в кельвинах (К) и в градусах Цельсия (°С). Экспериментальные трудности измерения температуры по термодинамической шкале привели к установлению легко реализуемой и хорошо воспроизводимой Международной практической температурной шкалы (МПТШ). Эта шкала периодически уточняется таким образом, чтобы температура, измеряемая по ней, была, возможно, более близкой к термодинамической температуре.

В Международной практической шкале температура замерзания и кипения воды при давлении 1,01310⁵ Па соответственно 0 и 100°С (реперные точки).Международная практическая температурная шкала (МПТШ-68) обеспечивает единство воспроизведения как стандартной абсолютной шкалы температур Т(K), так и внесистемной шкалы Цельсия t (°С) учетом рекомендаций Консультативного комитета по термометрии 1984 г. МПТШ основывается :

А) на группе из 12 воспроизводимых температур фазовых переходов (реперных точек), перечисленных в таблице 1. Численные значения реперных точек получены по результатам измерений с помощью эталонного газового термометра.

Б) на интерполяционных приборах (термометрах), предназначенных для интерполирования значений температур между реперными точками

В) на интерполяционных формулах, значения коэффициентов в которых определяются по реперным точкам и из условий гладкости сшивания с интерполяционными кривыми соседних диапазонов.

Так, выше температуры затвердевания золота интерполяционным прибором является спектральный пирометр, а интерполяционной формулой -закон излучения Планка. Взаимосвязь между "спектральной" плотностью L(?, T) излучения твердого тела при длине волны ? и подлежащей измерению температурой Т с одной стороны и "спектральной" плотностью L(?, TAu ) при той же длине волны ? и исходной температуре TAu = 1337,58 К (точке затвердевания золота) воспроизводится следующим соотношением (13):

В области от 903,89 до 1337,58 К интерполяционным термометром является термопара с электродами из платины и платинородия (10% родия). Соотношение между термоэлектродвижущей силой Е и температурой Т выражается уравнением второй степени (14):

В качестве интерполяционного термометра в области от 13,81 К до 903,89 К принят платиновый термометр сопротивления с определенной спецификой. Эта область разбита на пять подобластей, для каждой из которых определены формулы интерполяции зависимости сопротивления от температуры в виде полиномов до 4-й степени. Температуры ниже 13,81 К (тройной точки водорода) в МПТШ-68 не были определены. Поэтому для температур от 0,5 К до 30 К в 1978г. Консультативным комитетом по термометрии была рекомендована Временная практическая температурная шкала (ВПТШ-76) , основанная на реперных точках, перечисленных в таблице 2.

Таблица 1

Реперные точки МПТШ-68

Реперные точки	T68 (К)	t68(°С)	P(Н/м2)
Тройная точка водорода	13,81	-259,34	--
Точка кипения водорода	17,042	-256,108	33330,6
Точка кипения водорода	20,23	-252,87	101325
Точка кипения неона	27,102	-246,048	101325
Тройная точка кислорода	54,361	-218,789	--
Точка кипения кислорода	90,188	-182,962	101325
Тройная точка воды	273,16	0,01	--
Точка кипения воды	373,15	100	101325
Точка затвердевания олова	505,1181
Точка затвердевания цинка	692,73	419,58	101325
Точка затвердевания серебра	1235,08	961,93	101325
Точка затвердевания золота	1337,58	1064,43	101325

Интерполирование значений температур между реперными точками ВПТШ-76 проводится следующими способами :

1) выше Т = 13,81 К используется МПТШ-68 с уточняющими поправками,

2) ниже Т = 13,81 К используются шкалы Национального бюро эталонов США "4Не 1958" и "3Не 1962" , основанные на изменении с температурой давления насыщенных паров изотопов гелия.

Таблица 2

Реперные точки ВПТШ-76

Реперные точки	Т , К
Точка перехода сверхпроводимости кадмия	0,159
Точка перехода сверхпроводимости цинка	0,851
Точка перехода сверхпроводимости алюминия	1,1796
Точка перехода сверхпроводимости индия	3,4145
Точка кипения гелия	4,2221
Точка перехода сверхпроводимости свинца	7,1999
Тройная точка водорода	13,8044
Точка кипения водорода при р= 33 330,6 Па	17,0373
Точка кипения водорода при р=101 325 Па	20,2735
Тройная точка неона	24,5591
Точка кипения неона	27,102

В России и Казахстане для реализации ВПТШ-76 используют также ГОСТ 8.157- 75 "Шкалы температурные практические" , которым для температур от 0,01 до 0,8 К установлена шкала, основанная на температурной зависимости магнитной восприимчивости термометра из церий- магниевого нитрата. Для Т = 0,8 - 1,5 К установлена шкала "3Не 1962" , а для Т = 1,5 - 4,2 К - шкала "4Не 1958" . В интервале Т = 4,2 - 13,81 К установлена шкала, основанная на зависимости сопротивления германиевого термометра от температуры.

Типичная относительная погрешность воспроизведения реперных точек составляет от 10-6 (при 0°С) до 10-3 ( при 1 К и при 4000 К). Считается, что температуры, полученные по МПТШ-68 и ВПТШ-76 отличаются от термодинамических температур не более чем на 0,001 К.

Термодинамическая температурная шкала определяется по одной реперной точке, в качестве которой взята тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии). Температура этой точки по термодинамической шкале равна 273,16 К (точно). Градус Цельсия равен кельвину. В термодинамической шкале температура замерзания воды равна 273,15 К (при том же давлении, что и в Международной практической шкале), поэтому, по определению, термодинамическая температура и температура по Международной практической шкале связаны соотношением (15)

Т = 273,15 + t. (15)

Температура T = 0 К называется нулем кельвин. Анализ различных процессов показывает, что 0 К недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

Используя различные теоретические свойства, можно построить множество температурных шкал, которые совпадают в одинаковых опорных точках, но расходятся вне интервала между точками и в самом интервале. Такие температурные шкалы называют условными, а масштабы этих шкал - условными градусами или условными единицами температуры. Условные температуры и условные температурные шкалы называют также практическими в отличие от термодинамической температуры (иначе действительной или истинной) и термодинамической температурной шкалы.

1.3 Методы получения и определения сверхнизких, низких, средних, высоких и сверхвысоких температур

Современная термодинамика, как мы уже отметили, определяет температуру как величину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы. Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия благодаря теплообмену с другими телами. Огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет 10 К) обусловил большое разнообразие методов их измерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры и области их применения приведены в таблице 3.

К сверхнизким, или «гелиевым», температурам относятся температуры, получаемые с помощью жидкого гелия (температура кипения около 4К). Специфика методов измерения температур ограничивает этот диапазон значениями от 0 до 10 К.

Существующие методы измерения сверхнизких температур распространяются лишь на отдельные участки этого диапазона. Так, для измерения температур от 1 до 4 К используются терморезисторы из фосфористой бронзы с мелкими включениями свинца. Свинец при температуре около 4 К переходит в состояние сверхпроводимости, сопротивление терморезистора изменяется. Такие терморезисторы имеют максимальную чувствительность при температурах от 1,5 до 4 К, но их показания зависят от величины рабочего тока, протекающего через терморезистор и внешних магнитных полей.

Для измерения температур ниже 1 К используются методы магнитной термометрии, основанные на зависимости объемной магнитной восприимчивости ряда парамагнитных солей от абсолютной температуры , описываемой законом Кюри - Вейса (16):

=С/ (-), (16)

где С и - постоянные , характерные для используемой соли.

Таблица 3

Методы измерения температур и области их применения

Средство или метод измерения температуры	Диапазон измеряемых температур, К
Гелиевые термометры	1-10
Термошумовые термометры	4-1300
Терморезисторы: угольные полупроводниковые из благородных металлов из неблагородных металлов	4-14 4-14 10-1300 4-1000
Газовые резонаторы	4-300
Кварцевые резонаторы	10-700
Ядерный квадрупольный резонанс	10-300
Термопары: из неблагородных металлов из благородных металлов из тугоплавких материалов	10-2500 1000-2500 1000-2500
Оптические пирометры: радиационные яркостные цветовые	400-4000 1000-10000 и выше 1500-10000 и выше
Спектральные методы	2900-10000 и выше

Термометр, осуществленный по этому принципу, представляет собой катушку индуктивности, внутри которой в достаточно однородном поле размещен образец из меднокалиевых или железоалюминиевых квасцов. Катушка включается в мостовую цепь, и изменение температуры, вызывающее изменение образца, приводит к изменению индуктивности катушки, пропорциональному измеряемой температуре.

Для измерения температуры выше 4 К используется термошумовые термометры. Область их применения простирается до 1300 К, и поэтому они

будут описаны далее.

Основной трудностью при измерениях в области сверхнизких температур, кроме осуществления теплового контакта термометра м с объектом измерения, являются методы градуировки используемой аппаратуры.

В диапазоне температур от 1 до 4К базовым прибором для воспроизведения температурной шкалы является гелиевый газовый термометр.

Примером такого термометра может служить прибор, созданный во ВНИИФТРИ (Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических и Радиотехнических Измерений) и имеющий строго постоянный объем, давление в котором, изменяющееся линейно с температурой, измеряется точным мембранным манометром. Кроме того в диапазоне от 1 до 5К применяется конденсационные термометры, в основе которых лежит хорошо изученная зависимость давления насыщенных паров жидких газов от температуры. Точность, достигаемая при измерении температуры с помощью конденсационные термометров, весьма велика. Так, при использовании жидкого гелия погрешность измерения не превышает 0,002 К.

Градуировка термометров в диапазоне температур от 4 до 10 К производится интерполяцией показаний платинового термометра, для чего используются угольные терморезисторы, изготовленные из специально обработанного каменного угля. Используя эмпирические зависимости сопротивления от температуры в области выше и 14 К и ниже 4 К и производя интерполяцию внутри того диапазона температур, получают выражения, описывающие температурную зависимость сопротивления угольных термометров для температур от 1 до 14 К, которая обеспечивает определение температуры с погрешностью, не превышающей +0,1 К. При это учитывают свойственную угольным термометрам нестабильность, и градуировку проводят перед каждым измерением.

Термин «низкие температуры» не имеет строго установленного значения. Обычно в понятие «низкие температуры» включают в себя область температур от 10 до 800 К. Для измерения таких температур используются полупроводниковые и металлические терморезисторы, термопары или термобатареи.

Достаточное точное измерение в этом диапазоне может быть основано на зависимости шумового напряжения на резисторе R от температуры . Средний квадрат напряжения шума по формуле Найквиста будет выражаться следующим образом (17):

= 4 R, (17)

где =1,38- постоянная Больцмана, Дж/К;

- полоса воспринимаемых частот.

Практическая реализация метода заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной, а другой - при измеряемой температуре. Сравнение шумов резисторов осуществляется двумя методами:

1) по величине шумового напряжения (усиленного выпрямленного), если уровень шумов достаточно высок. Датчик термометра выполняется из платиновой проволоки диаметром 2,5 мкм с платиновым экраном толщиной 50 мкм в кварцевой оболочке. Погрешность измерения = 1000 К составляет 1%.

2) по числу шумовых импульсов. Датчиком служит резистор типа УЛИ, МЛТ или БЛП, так как для увеличения уровня шума собственная емкость датчика должна быть минимальной, ибо она ограничивает частотную полосу шума . В практических конструкциях ее величина не превышает 3 пФ.

Также для измерения низких температур используются термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР), которые основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие ЯКР, зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения 100 кГц до 1000 Мгц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР понижается. Приближенно температурная зависимость описывается выражением (18):

= (1- a+ b/), (18)

где ,а и b - постоянные, характерные для данного вещества и определяемые экспериментально.

Датчик ядерного квадрупольного резонанса - термометра представляет собой ампулу с веществом, помещенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур LC-генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энергии от LC-генератора. Для периодического поглощения энергии электромагнитное поле модулируется напряжением низкой частоты. Полученные на контуре генератора периодические изменения напряжения подаются на указатель резонанса и служат сигналом в отсчету частоты генератора частотомером. Чувствительность в районе 300 К равна 4,8 кГц/К. Погрешность измерения температуры 10 К составляет +0,02 К, а при 300 К равна +0,002 К. Недостаток ЯКР-термометров - резкая нелинейность их характеристики, исключающая возможность прямого цифрового отсчета.

Средними в термометрии считаются температуры от 500 (начало свечения) до 1600 °С (белое каление), а высокими от 1600 до 2500°С, до которых удается распространить термоэлектрический метод с использованием высокотемпературных , жаростойких материалов. Основным вопросом при измерении средних и высоких температур является защита термоэлектронов от разрушающего термического и воздействия среды. Для этого термопары снабжают защитной арматурой в виде чехлов, трубок или колпачков из огнеупорных материалов. Главное требование к защитной оболочке - высокая плотность строения и температурная стойкость. При измерении температур ниже 1300°С используются фарфоровые чехлы, при более высоких температурах - колпачки из тугоплавких материалов (такие, как корунд, окиси алюминия, бериллия или тория), заполненные инертным газом. Зависимость срока службы термопары от пористости защитной оболочки показана на рисунке 1.



Рисунок 1 - Зависимость срока службы термопары от пористости защитной оболочки

При измерении температуры поверхности тел особенную трудность составляет контакт рабочего спая термопары с поверхностью нагретого тела. Для улучшения контакта используются термопары, рабочий пай которых выполнен в виде ленты или пластины. Такая конфигурация рабочего спая при деформации позволяет воспроизводить поверхность объекта измерения.

Для измерения температур до 2000 - 2500 °С используются вольфрамовые или иридиевые термопары. Особенностью их применения является измерение в вакууме, в инертной или восстановительной средах, так как на воздухе они окисляются. Чувствительность вольфрамово-молибденовой термопары составляет 7 мкВ/К, а вольфрамово-рениевой 13мкВ/К.

В условиях высоких температур применяются термопары из огнеупорных материалов (пары: карбид титана -графит, графит циркония - борид циркония и дисилицид молибдена - дисилицид вольфрама). В таких термопарах внутри цилиндрического электрода (диаметр около 15мм) имеется второй электрод - стержень, соединенный с первым электродом на одном конце трубки. Чувствительность термопар из огнеупорных материалов достигает 70 мкВ/К, однако их применение ограниченно инертными и восстановительными средами.

Для измерения температуры расплавленного металла термопарами из благородных металлов используется метод, заключающийся в погружении термопары в металл на время, безопасное для ее работоспособности. При этом термопара на короткое время (0,4-0,6 с) погружается в исследуемую среду, и измеряется скорость нарастания температуры рабочего спая. Зная зависимость между скоростью нагрева термопары (ее тепловую инертность) и температурной средой можно рассчитать значение измеряемой температуры. Этот метод применяется для измерения температуры расплавленного металла (2000-2500°С) и газового потока (1800°С).

2. Приборы и методы для измерения температуры и теплоты

Роль температурных и тепловых измерений настолько велика, что в настоящее время без них не может обойтись практически ни одна область знаний, ни одна отрасль промышленности.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков. Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

Во многих технических измерениях, не требующих высокой точности, считается допустимым использовать более простые и дешевые термометры - стеклянные жидкостные термометры, полупроводниковые термисторы, радиационные пирометры, термопары из неблагородных металлов и т.п.

В бытовых устройствах для измерения температур используют и другие разнообразные индикаторы температуры, такие как биметаллические пластины, светочувствительные краски. В отдельных областях промышленности разработаны нестандартные методы измерения температуры, приспособленные к требованиям конкретных производственных процессов. Так, например, для измерения поля температур в нефтегазовых «умных» скважинах все более широко используют термометрию, основанную на закономерностях комбинационного рассеяния света в стеклянных оптоволоконных кабелях.

По принципу действия промышленные приборы подразделяются на виды:

- Манометрические термометры - основаны на изменении давления среды в замкнутом объеме при изменении температуры.

- Термометры сопротивления - основаны на изменении сопротивления проводников и полупроводников при изменении температуры.

- Термопары - основаны на изменении термо-ЭДС при изменении температуры.

- Пирометры излучения - делятся на яркостные (основаны на измерении яркости нагретого тела), радиационные (основаны на изменении мощности излучения нагретого тела), оптические и цветовые.

2.1 Основные характеристики датчиков температуры

Среди широкого разнообразия измерительных параметров одним из основных является температура. Ее измерение необходимо во всех сложных технологических процессах. Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах - там, где другие параметры измерить невозможно. Так например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плотность, уровень теплоносителя и т.д.

В повседневной жизни, в быту также применяются датчики температуры, например для регулирования отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры; регулирование температуры нагрева воды в автоматических стиральных машинах; регулирование температуры электроплит, электрических духовок и т.п.

Температуру измеряют с помощью датчиков, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных датчиков применяемых в промышленности, при научных исследованиях, для специальных целей.

Перечислим наиболее распространенные термометрические свойства на основе которых функционируют датчики температуры:

- тепловое расширение;

- изменение давления;

- изменение электрического сопротивления;

- термоэлектрические эффекты;

- тепловое излучение.

Примеры устройств для измерения температуры в зависимости от используемого термоэлектрического свойства приведены в таблице 4.

Таблица 4

Устройства для измерения температуры

Термометрическое свойство	Наименование устройства
Тепловое расширение	Жидкостные стеклянные термометры
Изменение давления	Манометрические термометры
Изменение электрического сопротивления	Электрические термометры сопротивления.
	Полупроводниковые термометры сопротивления
Термоэлектрические эффекты	Термоэлектрические термометры (термопары) стандартизованные
	Термоэлектрические термометры (термопары) специальные
Тепловое излучение	Оптические пирометры.
	Радиационные пирометры.
	Фотоэлектрические пирометры.
	Цветовые пирометры

Любой датчик, в том числе и датчик температуры, может быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики между собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.

Перечислим основные из этих характеристик :

1) Функция преобразования (градировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины (19):

y = f(x) (19)

Зависимость представляется в именованных величинах: y - в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, x - в единицах измеряемой величины. Для датчиков температуры - Ом/С или мВ/К.

2) Чувствительность - отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины (20):

S = dy/dx (20)

Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительность датчика характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины.

3) Порог чувствительности - минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить. Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике.

4) Предел преобразования - максимальное значение измеряемой величины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования, по крайней мере, на 10%.

5) Метрологические характеристики - определяются конструктивно-технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом.

Метрологические характеристики, в свою очередь, определяют характер и величины погрешностей измерения датчиков. Часть погрешностей могут быть случайными и они учитываются методами математической статистики. Систематические погрешности могут быть аналитически описаны и исключены из результатов измерения.

Основными видами систематических погрешностей являются:

- погрешности, обусловленные нелинейностью функции преобразования, что характерно для полупроводниковых датчиков температуры;

- погрешности, обусловленные вариацией функции преобразования вследствие изменения направления действия входной величины (для датчиков температуры это нагрев-охлаждение);

- погрешности, обусловленные несоответствием динамических возможностей датчика скорости воздействия входной величины. Может быть учтено введением коэффициента термической инерции;

- дополнительные погрешности, обусловленные отличием условий работы датчика от тех, в которых определялась его функция преобразования;

- погрешности, обусловленные нестабильностью функции преобразования вследствие процессов старения материала.

6) Надежность - рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность.

7) Эксплуатационные характеристики - к их числу могут быть отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность электрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.

8) Стоимость и возможность серийного производства.

2.2 Основные типы полупроводниковых датчиков температуры

Влияние температуры на электрофизические параметры полупроводников в основном проявляются в изменении концентрации носителей заряда, что приводит к соответствующему изменению электрической проводимости. На этом принципе работают полупроводниковые терморезисторы. В качестве полупроводниковых датчиков температуры также используются диоды и транзисторы, где изменение концентрации носителей заряда приводит к изменению тока, протекающего через полупроводниковый прибор.

2.2.1 Датчики температуры на основе диодов и транзисторов

В датчиках температуры на основе диодов и транзисторов используют зависимость параметров p-n перехода в полупроводнике от температуры.

Исторически первым температуро зависимым параметром был обратный ток диодов и транзисторов. Значение тока растет с температурой по экспоненциальному закону со скоростью порядка 10%^.К^-1. Однако, диапазон температур, в пределах которых возможно использование обратных токов, весьма ограничен. Верхний температурный предел применения определяется температурой их теплового пробоя.

Наибольшее распространение получило использование прямых параметров диодов и транзисторов. Их существенными преимуществами перед обратными являются линейность температурной зависимости, широкий диапазон рабочих температур, высокая стабильность. Чаще всего для измерения температуры используется прямое напряжение на p-n переходе при почти постоянном токе эмиттера. Изменение прямого напряжения составляет порядка 2,5 мВ^.К^-1. При повышении температуры транзисторов p-n-p типа напряжение эмиттер-база из области положительных значений переходит в область отрицательных.

Так например, датчик TS-560, разработанный ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН (г.Санкт-Петербург) представляет собой полупроводниковый диод на основе арсенида галлия. Диапазон измерения такого датчика (4,2…500) К, основная погрешность 0,1%, чувствительность (2…3) мВ/К, габаритные размеры 33 мм .

Известны случаи использования в качестве температуро зависимого параметра коэффициента усиления по току на низких и высоких частотах. Однако невысокая чувствительность коэффициента усиления к температуре и его зависимость от предыстории, а также необходимость индивидуальной градуировки во всем диапазоне рабочих температур ограничивают применение этого параметра при создании термодатчиков.

На основе транзисторов, эмиттерный переход которых включен в одно из плеч моста, созданы термодатчики типа ТЭТ-1, ТЭТ-2. Первый тип используется для измерения температуры в полевых условиях в диапазоне (-10…+40) С с основной погрешностью не более 1 К, второй - в диапазоне (-40…+80) С с погрешностью не более (0,3…2) К.

Температурные пределы применимости транзисторов в термодатчиках значительно шире, чем при использовании транзисторов по прямому назначению. Ограничение применимости со стороны высоких температур наступает вследствие перехода примесного полупроводника в собственный, уменьшения пробивного напряжения и повышения генерации носителей в базовой области при отрицательных напряжениях. Применимость при низких температурах определяется уменьшением концентрации основных носителей из-за дезактивации легирующих примесей и уменьшения коэффициента усиления по току.

Основным недостатком рассматриваемых термодатчиков является сложность получения их номинальной статистической характеристики из-за разброса основных параметров транзисторов: коэффициента усиления по току, сопротивления базовой области, тока утечки и др. Анализ и оценка влияния разброса указанных параметров на точность измерения температуры при использовании номинальной статистической характеристики, выполненные в, показали, что для прямых параметров транзисторов с градуировкой при одной температуре погрешность измерения в схеме с общим эмиттером - не более 2 и 50% при коэффициенте усиления по току 30 и 200 соответственно.