Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода.
Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях).
Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла).
Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.
Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его.
Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений, а ее единица — кельвин К — является одной из семи основных единиц, на которых основана Международная система единиц. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия[1].
На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C).
Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один Кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C. Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие. Согласно статистическим данным около 40 % всех измерений приходятся на температурные [1].
В некоторых отраслях народного хозяйства эта доля значительно выше. Так, в энергетике температурные измерения составляют до 70 % общего количества измерении. Огромное значение имеет температура при контроле, автоматизации и управлении технологическими процессами. Точность соблюдения температурного режима часто определяет не только качество, но и принципиальные возможности применения продукции в определенных целях, например при выращивании полупроводниковых монокристаллов. В современных условиях технологические требования к точности поддержания температуры.
Методы измерения температуры
... Понятие о температуре и об устройствах измерения температур Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Температура может быть определена как параметр теплового состояния. Значение этого параметра обусловливается средней кинетической энергией поступательного ...
Глава 1. Термопреобразователи для измерения криогенных температур
Характерной особенностью термоэлектрического метода измерения низких температур является то, что с убыванием температуры ухудшаются условия генерирования термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) [3].
1.1. Медь-константановый термопреобразователь
Медь-константановый термопреобразователь в практике измерения низких температур получил наиболее широкое применение. Условное обозначение номинальных статических характеристик (НСХ) преобразования в соответствии с ДСТУ 2837-94 [4]: МК (М) с термоэлектродами медь (М1) и сплав копель МНМц 43…0,5 (56 % Cu – 44 % Ni) для диапазона измеряемых температур -200…+400 ºС (70…670 К).
В отличие от электродов из чистых металлов сплавы часто выходят за рамки требований по однородности, предъявляемых к термоэлектродам. Особенно это относится к константану, выбор которого для измерения низких температур требует особой тщательности и внимания. Для термопреобразователей пригоден только термопарный константан. Обычная электротехническая медь удовлетворяет требованиям по однородности [5].
ТЭДС медь-константанового термопреобразователя убывает с температурой и при 20 К становится меньше 5 мкВ/К. При температурах ниже тройной точки водорода (13,81 К) используются сплавы Кондо, значительно более эффективные, чем медь-константановые термопреобразователи в диапазоне температур 2…20 К [6].
1.2. Термопреобразователи из сплавов Кондо в паре с обычными термоэлектродами
Такие термопреобразователи эффективны при измерениях температур ниже тройной точки водорода. Сплавы Кондо представляют твердые растворы, в которых в обыкновенном металле в очень небольших количествах растворены переходные или редкоземельные металлы. Молярное содержание растворов составляет от нескольких тысячных до нескольких десятых долей процента. Для них характерна очень большая по сравнению со всеми остальными металлами и сплавами ТЭДС. Наиболее исследованы растворы железа, кобальта, марганца, серебра, меди [7].
На рис. 1.1 и 1.2 представлены температурные зависимости полной и дифференциальной ТЭДС для термопар, которые составлены из термоэлектродов, изготовленных из сплава золота и кобальта (молярное содержание 2,1 %), и других металлов [8].
В соответствии с ДСТУ 3622-97 [9] при измерении «гелиевых» и «водородных» температур наиболее применим термопреобразователь, в котором один из термоэлектродов изготовлен из сплава золота и железа (молярное содержание 0,07 %).
На рис. 1.3 представлена температурная зависимость интегральной ТЭДС такого термоэлектрода в паре с медью и хромелем, на рис. 1.4 — температурная зависимость чувствительности этого термопреобразователя [8].
Невоспроизводимость значений Е(Т), связанная с повторением циклов охлаждения, не превышает ± 0,01 % при измерении «гелиевых» температур и уменьшается с повышением температуры [10].
Разброс значений ТЭДС для 15 произвольно выбранных термоэлектродов одной и той же катушки имеет наибольшее значение при 4,2 К и соответствует ± 0,2 % [11].
Для измерений в диапазоне температур 1…80 К рекомендуются термопреобразователи, у которых электроды изготовлены из сплавов серебро-золото (молярное содержание 0,37 %) и золото-железо (молярное содержание 0,03 %) в соответствии с ДСТУ 2857-94 [12].
Современные датчики температуры (отечественного производства)
... чего, передаётся электрический сигнал. Как частный случай, следует отметить кремниевые датчики температуры. Принцип их работы основан на способности кремния, как полупроводника, изменять собственное электрическое сопротивление вследствие ... частей. И почти не будет зависеть от абсолютных их значений. Диапазон измеряемых с их помощью температур, от -200 до 2200 градусов, и напрямую зависит от ...
С понижением температуры чувствительность повышается и составляет 10 мкВ/К при 2 К, 14 мкВ/К при 10 К и 8 мкВ/К при 40 К. При индивидуальном установлении номинальной статической характеристики ее погрешность достигает 0,1 К в соответствии с ДСТУ 2837-94 [4].
Для измерения низких температур разрабатываются термоэлектроды на основе сплавов из неблагородных металлов. Перспективным является термоэлектрод из сплава меди с железом. Термопреобразователи, имеющие такие термоэлектроды, по метрологическим характеристикам уступают термопреобразователям, у которых термоэлектроды изготовлены из сплава золота с железом, но более доступны. Кроме того, зарубежные фирмы выпускают термопреобразователи типа железо-константанового термопреобразователя с условным обозначением НСХ преобразования железо-константан (ЖК) с термоэлектродами железо и сплав константан (55 % Сu + 45 % Ni, Мn, Fе) для диапазона измеряемых температур -200…+700 ºС (73…973 К).
Для измерения температуры в промышленности широкое распространение получили преобразователи с условным обозначением НСХ преобразования хромель-копель (ХК) [13].
Глава 2. Государственная проверочная схема
Государственная поверочная схема средств измерений температуры в диапазоне от 13,8 К до 303 К изложена в соответствии с ДСТУ 3742-98 [14].
2.1. Эталоны
2.1.1. Государственный первичный эталон
В соответствии с ДСТУ 3194-95 [15] государственный первичный эталон единицы температуры Кельвина в диапазоне от 13,80 до 273,16 К предназначен для воспроизведения, хранения единицы температуры и передачи ее размера при помощи вторичных эталонов и рабочих эталонов рабочим средствам измерительной техники с целью обеспечения единства измерений в стране. В основу измерений температуры в диапазоне от 13,8 до 273,16 К должна быть положена единица, воспроизводимая указанным эталоном [16].
В соответствии с ДСТУ 3742-98 [14] государственный первичный эталон состоит из комплекса следующих средств измерительной техники:
- аппаратура для воспроизведения реперных точек МТШ-90 в диапазоне температур от 13,80 до 273,16 К;
- группа термопреобразователей сопротивления;
- криостат-компаратор;
- установка для измерений сопротивления термопреобраэователей;
- персональная электронно-вычислительная машина.
В соответствии с ДСТУ 3194-95 [15] для обеспечения воспроизведения единицы температуры с указанной точностью должны быть соблюдены правила хранения и применения эталона, утвержденные.
Государственный первичный эталон применяют для передачи размера единицы температуры вторичным рабочим эталонам методами непосредственного сличения, прямых измерений и градуировки в реперных точках температуры в соответствии с ДСТУ 2708-99 [16].
2.1.2. Вторичные эталоны
В соответствии с ДСТУ 3742-98 [14] в качестве вторичных эталонов применяют:
- родий-железные термопреобразователи сопротивления для диапазона от 13,8 до 303 К;
- платиновые термопреобразователи сопротивления для диапазонов от 13,8 до 303 К и от 234 до 303 К;
- аппаратуру для воспроизведения температуры тройной точки воды (273,16 К).
9 стр., 4453 слов
Измерительный преобразователь для датчика температуры
... курсовой работы: 1. Исходные данные: 1) тип датчика: термопара ТХК(L); 2) диапазон температуры для указанного датчика от 0 до 150 °С; 3) входной сигнал для этого типа датчика ... НСХ термопреобразователя. ... сопротивления от температуры Нелинейность преобразователя - это отклонение от прямой линии, проведенной через крайние точки характеристики преобразования для заданного диапазона работы. ... 1 разряда на ...
Среднее квадратическое отклонение результатов сличений вторичных эталонов с государственным первичным эталоном должно быть:
- в пределах (0,001—0,002) К — для вторичных эталонов — родий-железных и платиновых термопреобразователей сопротивления для диапазона температур от 13,8 до 303 К;
- не более 0,0005 К — для вторичного эталона — аппаратуры для воспроизведения температуры тройной точки воды;
- в пределах (0,001—0,002) К — для вторичного эталона — платиновых термопреобразователей сопротивления для диапазона температур от 234 до 303 К [14].
Вторичные эталоны применяют для передачи размера единицы температуры рабочим эталонам и рабочим средствам измерительной техники методами непосредственного сличения и градуировки в тройной точке воды.
2.2. Рабочие эталоны
2.2.1. Рабочие эталоны 1-го разряда
В качестве рабочих эталонов 1-го разряда применяют:
- полупроводниковые термопреобразователи сопротивления для диапазона от 13,8 до 30 К;
- родий-железные термопреобразователи сопротивления для диапазона от 13,8 до 303 К;
- платиновые термопреобразователи сопротивления для диапазонов от 13,8 до 303 К и от 77 до 303 К;
- ядерные квадрупольные термометры для диапазона от 77 до 303 К;
- аппаратуру для воспроизведения температуры тройной точки воды 273,16 К.
Рабочие эталоны 1-го разряда применяют для градуировки и поверки методами непосредственного сличения и градуировки в тройной точке воды рабочих эталонов 2-го разряда и рабочих средств измерительной техники.
2.2.2. Рабочие эталоны 2-го разряда
В качестве рабочих эталонов 2-го разряда применяют:
- полупроводниковые термопреобразователи сопротивления для диапазона от 13,8 до 303 К;
- родий-железные термопреобразователи сопротивления для диапазона от 13,8 до 303 К;
- платиновые термопреобразователи сопротивления для диапазонов от 13,8 до 303 К и от 77 до 303 К;
- пьезокварцевые термометры для диапазона от 77 до 303 К;
- медь-копелевые и медь-константановые термоэлектрические преобразователи для диапазона от 73 до 273 К;
- ртутные стеклянные термометры для диапазона от 243 до 303 К [14].
Рабочие эталоны 2-го разряда применяют для градуировки и поверки методами непосредственного сличения рабочих эталонов 3-го разряда и рабочих средств измерительной техники.
2.2.3. Рабочие эталоны 3-го разряда
В качестве рабочих эталонов 3-го разряда применяют:
- калибраторы температуры для диапазона от 228 до 303 К;
- ртутные стеклянные термометры для диапазона от 243 до 303 К.
Рабочие эталоны 3-го разряда применяют для градуировки и поверки методами прямых измерений и непосредственного сличения рабочих средств измерительной техники.
2.3. Рабочие средства измерительной техники.
В качестве рабочих средств измерительной техники применяют:
Виды газовых разрядов
... действие ионизатора, то и разряд прекращается. Подобные разряды, существующие только при действии внешнего ионизатора, получили название несамостоятельных газовых разрядов. Если продолжать уменьшать сопротивление цепи r , ... определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если ...
- полупроводниковые термопреобразователи сопротивления;
- полупроводниковые и угольные термопреобразователи сопротивления;
- родий-железные термопреобразователи сопротивления;
- платиновые термопреобразователи сопротивления;
- платиновые и платинокобальтовые термопреобразователи сопротивления;
- медные, никелевые и другие металлические термопреобразователи сопротивления;
- термоэлектрические преобразователи;
- ядерные квадрупольные термометры;
- медь-константановые термоэлектрические преобразователи;
- пьезокварцевые термометры;
- стандартные образцы сплава копель-медь;
- цифровые термометры;
- манометрические термометры;
- жидкостные термометры [14].
Рабочие средства измерительной техники градуируются и поверяются методами прямых измерений, непосредственного сличения и градуировки в тройной точке воды.
Пределы допускаемых абсолютных погрешностей рабочих средств измерительной техники (∆) составляют:
- для полупроводниковых термопреобразователей сопротивления в диапазоне от 13,8 до 30 К ∆=(0,05-0,2) К, в диапазоне от 13,8 до 303 К ∆= (0,04-0,3) К, в диапазоне от 200 до 303 К ∆= (0,3-1,0) К;
- для полупроводниковых и угольных термопреобразователей сопротивления в диапазоне от 13,8 до 303 К ∆= (0,15-5) К;
- для родий-железных термопреобразователей сопротивления в диапазоне от 13,8 до 303 К ∆= (0,005-0,05) К и ∆= (0,05-1,0) К;
- для платиновых термопреобразователей сопротивления в диапазоне от 13,8 до 303 К ∆ <
- 0,015 К, в диапазоне от 77 до 303 К ∆ ≤0,015 К , ∆ = (0,02-0,2) К, ∆=(0,15-3) К;
- для платиновых и платинокобальтовых термопреобразователей сопротивления в диапазоне от 13,8 до 303 К ∆= (0,05-3,0) К;
- для медных, никелевых и других металлических термопреобразователей в диапазоне от 13,8 до 303 К ∆= (0,1-3,0) К, в диапазоне от 73 до 303 К ∆= (0,15-3) К;
- для термоэлектрических преобразователей в диапазоне от 13,8 до 273 К ∆= (0,05-3) К, в диапазоне от 73 до 273 К ∆ = (0,5-3) К;
- для ядерных квадрупольных термометров в диапазоне от 77 до 303 К ∆ =(0,005-0,02) К и ∆=(0,02-0,05) К;
- для медь-константановых термоэлектрических преобразователей в диапазоне от 73 до 273 К ∆ ≤ 0,15 К;
- для пьезокварцевых термометров в диапазоне от 77 до 303 К ∆=(0,03-2,0) К;
- для стандартных образцов сплава копель-медь в диапазоне от 73 до 273 К ∆<0,3 К;
- для цифровых термометров в диапазоне от 73 до 303 К ∆= (0,05-5) К;
- для манометрических термометров в диапазоне от 73 до 273 К ∆= (0,25-5) К;
- для жидкостных термометров в диапазоне от 73 до 303 К ∆=(0,05-5) К, в диапазоне от 235 до 303 К ∆=(0,02-0,04) К [14].
Заключение
Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений, а ее единица — кельвин К — является одной из семи основных единиц, на которых основана Международная система единиц.
Существует несколько способов измерения температур:
Методы и средства измерения температуры
... процессами. Глава 1. Методы и технические средства измерения температуры 1 Измерение температуры Существуют два основных способа для измерения температур - контактные и бесконтактные. Контактные способы ... объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные 1.2 методы измерения температуры Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть ...
- термопреобразователи для измерения криогенных температур;
- Медь-константановый термопреобразователь;
- термопреобразователи из сплавов Кондо в паре с обычными термоэлектродами;
— Для измерения низких температур разрабатываются термоэлектроды на основе сплавов из неблагородных металлов. Перспективным является термоэлектрод из сплава меди с железом. Термопреобразователи, имеющие такие термоэлектроды, по метрологическим характеристикам уступают термопреобразователям, у которых термоэлектроды изготовлены из сплава золота с железом, но более доступны.
Список использованных источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/na-temu-temperatura-vozduha/
1. Куинн Т. Температура. / Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. – 420 с.
2. Приборы и методы температурных измерений / Б.Н. Олейник, С.И. Лаздина, В. П. Лаздин и др. — М.: Изд-во стандартов, 1987.–296 с.
3. Датчики теплотехнических и механических величин: Справочник / А.Ю. Кузин и др. — М.: Энергоатомиздат, 1996. — 128 с.
4. ДСТУ 2837-94 (ГОСТ 3044-94).
Преобразователи термоэлектрические. Номинальные статические характеристики преобразования. — К.: Держстандарт Украины, 1995. – 38 с.
5. Термоелектричні прилади контролю / В. П. Гондюл та інш. – К.: Либідь, 1994. — 198 с.
6. Енциклопедія термометрії / Я.Т. Луцик, Л.К. Буняк, Ю.К. Рудавський, Б.І. Стадник. — Львів: Львівська політехніка, 2003. — 428 с.
7. Абилов Г.С. Исследование термометров для измерения низких температур в магнитных полях // Труды ВНИИФТРИ. — 1975. — Вып. 21. – С. 49-55.
8. Температурные измерения: Справочник / Под ред. О.А. Геращенко. 2-е изд., перераб. и доп. – К.: Наук. думка, 1989. – 704 с.
9. ДСТУ 3622-97 (ГОСТ 30543-97).
Преобразователи термоэлектрические. Основные требования к вибору и использование. — К.: Держстандарт Украини, 1998. – 15 с.
10. Походун А.И. Новая международная температурная шкала и проблемы повышения точности измерения температуры // Измерительная техника, 1992, № 5. — С. 31 — 33.
11. Крамарухин Ю.Е. Приборы для измерения температуры. – М.: Машиностроение, 1990. — 208 с.
12. ДСТУ 2857-94 (ГОСТ 6616-94).
Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия. – К.: Держстандарт Украини, 1994. — 22 с.
13. Николаев Л.Л. Портативный цифровой измеритель температуры // Контрольно-измерительные приборы и системы. – 1998. — № 12. — С. 32 — 33.
14. ДСТУ 3742-98. Метрология. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры. Контактные средства измерений температуры. – К.: Держстандарт України, 1998. — 18 с.
15. ДСТУ 3194-95 Метрология. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры. Термометры излучения. — К.: Держстандарт Украини, 1995. – 24 с.
16. ДСТУ 2708-99. Метрология. Поверка средств измерительной техники. Организация и порядок проведения. – К.: Держстандарт Украини, 1999. – 17 с.
17. Закон України № 1765-iv “Про внесення змін до Закону України “Про метрологію та метрологічну діяльність” вiд 15.06.2004 р.ф.
