Температура вещества характеризует степень нагретости тела.
Температуру можно измерить косвенно по термометрическому свой-
ству, изменяющемуся с изменением температуры монотонно и одно-
значно. При изменении температуры твердого тела изменяются его
линейные размеры, плотность, твердость, модуль упругости, электро-
проводность, теплопроводность, теплоемкость и ряд других свойств.
Свойства газов, жидких тел (фазовые состояния, плотность, объем,
вязкость и др.) также являются функцией температуры вещества.
Температура вещества — это непрерывная физическая величина,
для ее измерения необходима шкала, на основе которой можно уста-
новить единицу измерения температуры — «градус». Для построения
температурной шкалы выбирают опорные (реперные) точки 9, харак-
теризующиеся неизменностью и воспроизводимостью температуры
вещества при определенных физических условиях. Такими опорными
точками обычно выбираются температуры кипения или затвердева-
ния чистых веществ; им присваиваются определенные числовые
значения Ɵ1 и Ɵ2. Тогда единица измерения температуры — градус —
определится как
где n — целое число, на которое разбивается температурный интервал
между опорными точками.
Такие температурные шкалы, построенные на основе термо-
метрических свойств веществ, появились в первой половине XVIII в.
Первым такую шкалу предложил Фаренгейт в 1723 г. В качестве
термометрического вещества он использовал спирт, а в качестве
нижней реперной точки взял температуру смеси снега с хлоридом
аммония и присвоил ей численное значение 0. Температуру своего
тела Фаренгейт принял за 100 градусов, а за верхнюю реперную точ-
ку — температуру кипения воды, присвоив ей численное значение
212. Температура таяния льда в этом случае оказалась равной 32. Весь
температурный диапазон между таянием льда и кипением воды Фа-
ренгейт разделил на 180 равных частей и получил масштаб шкалы в °F.
В настоящее время эта шкала используется в США, Англии, Канаде,
Индии. В 1736 г. свою шкалу предложил Реомюр. В качестве термо-
метрического вещества он использовал спирт, затем ртуть. За нижнюю
реперную точку Реомюр принял температуру плавления льда и при-
своил ей численное значение 0, а за верхнюю реперную точку —
температуру кипения воды, присвоив ей численное значение 80. Весь
температурный диапазон он разделил на 80 равных частей и получил
масштаб шкалы в °R. Сейчас эта шкала практически не используется,
хотя термометры с этой шкалой сохранились во Франции и в Квебе-
ке (Канада). С 1742 г. начала применяться привычная нам темпера-
турная шкала, предложенная Цельсием, в которой в качестве двух
реперных точек приняты температура таяния льда (0 °С) и темпера-
тура кипения воды (100 °С) при давлении 760 мм рт. ст. и ускорении
силы тяжести 9,80665 м/с2. Удобство этой шкалы, а также ее практи-
чески полное совпадение с Международной практической темпера-
турной шкалой МТШ-90 (в ней нижней реперной точкой является
тройная точка воды — точка равновесия воды в твердой, жидкой и
газообразной фазах, которая лежит выше точки таяния льда на 0,01 °С)
обусловило широкое использование шкалы Цельсия в СИ темпера-
туры.
Перевод °С в Т и в °R можно сделать по формуле
Цельсий, как и другие исследователи, полагал, что зависимость
между изменением температуры и объемным расширением жидкости
линейная. Однако в природе не существует жидкостей с линейной
зависимостью между объемным расширением и температурой. Поэ-
тому показания термометров совпадают только в реперных точках.
Рассмотренные температурные шкалы относятся к шкале ин-
тервалов (см. гл. 1), в которых начало отсчета выбирают ученые
по своему усмотрению. Кроме того, для установления шкалы тре-
буется две реперные точки. В гл. 1 была рассмотрена шкала от-
ношений, которая может быть установлена на основе одной ре-
перной точки. Ее построение возможно для физических величин,
которые имеют естественное (абсолютное) начало отсчета, т.е.
«0». В 1848 г. английский ученый Томсон (его псевдоним лорд
Кельвин) предложил температурную шкалу, в которой температу-
ра отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствую-
щее минимальной теоретически возможной внутренней энергии
тела). Шкала получила название абсолютной термодинамической
шкалы, основной единицей которой является кельвин. Градус
Кельвина определяется как 1/273,16 части температуры тройной
точки воды (температурой равновесия между жидкой, твердой
водой и ее паром). Для воспроизведения кельвина интервал меж-
ду абсолютным нулем и температурой тройной точки воды делит-
ся на 273,16 части.
В абсолютной термодинамической шкале температура Кельвина
Т{К) через температуру в градусах Цельсия, Фаренгейта и Реомюра
выразится как
По размеру кельвин равен градусу Цельсия.
В настоящее время используются следующие СИ температуры: тер-
мометры расширения, манометрические термометры, пирометры,
термопары (термоэлектрические преобразователи) и термометры со-
противления. Первые три вида термометров можно отнести к приборам,
а последние два — к преобразователям. Действие термометров расши-
рения основано на тепловом расширении жидкостей и твердых тел при
изменении температуры. В качестве примера можно привести ртутный
стеклянный термометр. Пирометры являются бесконтактными при-
борами и определяют температуру тел по их тепловому излучению.
Манометрические термометры
Принцип действия манометрических термометров (МТ) основан на
зависимости давления рабочего (термометрического) вещества в замкну-
том объеме (термосистеме) от температуры. В соответствии с агрегатным
состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термо-
метры подразделяют на газовые, жидкостные и конденсационные (па-
рожидкостные). По устройству термометры всех типов аналогичны.
Термосистема манометрического термометра (МТ) (рис. 3.1) состо-
ит из термобаллона 7, капилляра 2 и пружинного манометра 3. Чув-
ствительный элемент термометра (термобаллон) погружается в объект
измерения, и термометрическое вещество в термобаллоне достигает
температуры измеряемой среды. При изменении температуры рабоче-
го вещества в термобаллоне изменяется давление, которое через капил-
лярную трубку передается на пружинный манометр, шкала которого
отградуирована в градусах Цельсия. Термобаллон представляет собой
цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких
к химическому воздействию измеряемой среды. Диаметр термобаллона
находится в пределах от 5 до 30 мм, а его длина — 60... 500 мм. Капилляр
представляет собой медную или стальную трубку с внутренним диаме-
тром 0,1... 0,5 мм. Выпускаются также термометры с унифицированны-
ми пневматическими и электрическими выходными сигналами.
Газовые манометрические термометры заполняют газом, химиче-
ски инертным, с малой теплоемкостью, который легко получить в
чистом виде. Таким газом является азот или гелий. Принцип работы
этих термометров основан на использовании закона Гей-Люссака:
где Р () и Р 0 — давление газа при температурах 0 и 0 °С; β — термиче-
ский коэффициент давления газа, равный 1/273,15, или 0,00366 К-1.
Диапазон измерения от -150 до +600°С. Начальное давление в
газовых термометрах устанавливают в зависимости от пределов из-
мерения 0,98...4,7 МПа (10...50 кгс/см2). Это начальное давление
создается для увеличения чувствительности термометра и уменьшения
барометрической погрешности, возникающей при изменении давле-
ния окружающей среды. Для компенсации погрешностей от колеба-
ний температуры окружающей среды обычно применяется компен-
сационное устройство, представляющее собой биметаллическую
пружину, связанную с указателем прибора и действующую в направ-
лении, противоположном действию манометрической пружины.
Недостатком газовых манометрических термометров является
сравнительно большая тепловая инерция, обусловленная низким
коэффициентом теплообмена между стенками термобаллона и на-
полняющим его газом и малой теплопроводностью газа, а также
большие размеры термобаллона, что затрудняет установку его на
трубопроводах малого диаметра. Кроме того, в процессе эксплуатации
газовых термометров возможны случаи нарушения герметичности и
утечки газа, что не всегда можно заметить. Последнее обстоятельство
приводит к необходимости частой поверки этих приборов.
Манометрические ж и д к о с т н ы е термометры заполняют жид-
костью под некоторым начальным давлением. Жидкости, применяе-
мые для термометров, должны обладать возможно большим терми-
ческим коэффициентом объемного расширения, высокой теплопро-
водностью и должны быть химически инертными к материалу
термометра. В качестве таких жидкостей используются ртуть (диа-
пазон измерений от -30 до +600 °С), ксилол (диапазон измерений от
-40 до +200 °С), толуол, пропиловый спирт, силиконовые жидкости
(диапазон измерений от -150 до +300 °С). Чтобы жидкость не заки-
пела, в термометре создают начальное давление 1,47... 1,96 МПа
(15... 20 кгс/см2). Ввиду того что жидкость практически несжимаема,
объем термобаллона в жидкостных МТ в отличие от газовых должен
быть согласован со свойствами используемой манометрической пру-
жины. Давление окружающей среды не оказывает влияния на работу
термометра из-за большого рабочего давления; температурная ком-
пенсация осуществляется посредством биметаллической пружины.
Для этих термометров характерна гидростатическая погрешность,
возникающая в том случае, когда манометр и термобаллон оказыва-
ются расположены на разной высоте. Эта погрешность устраняется
после монтажа прибора смещением стрелки манометра.
В к о н д е н с а ц и о н н ы х (парожидкостных) манометрических
термометрах термобаллон заполняется на 2/з объема низкокипящей
жидкостью. В замкнутой системе термометра всегда существует ди-
намическое равновесие одновременно протекающих процессов ис-
парения и конденсации. При повышении температуры усиливается
испарение жидкости и увеличивается упругость пара, а в связи с этим
усиливается также процесс конденсации. В результате этого насы-
щенный пар достигает некоторого определенного давления, строго
отвечающего измеряемой температуре. Давление пара, изменяясь с
температурой, передается через среду, заполняющую капилляр, ма-
нометрической трубке. Жидкость, применяемая в этих приборах,
должна иметь точку кипения достаточно низкую, чтобы обеспечить
необходимое давление в пределах измеряемых температур (от -50 до
+350 °С). Термобаллон термометра заполняют с таким расчетом,
чтобы при наиболее низкой температуре в нем осталось некоторое
количество пара, а при наиболее высокой — некоторое количество
неиспарившейся жидкости, причем капилляр должен оставаться по-
груженным в жидкость во всем диапазоне измерения. В качестве
термометрического вещества в конденсационных МТ используются
легкокипящие жидкости, в частности: пропан, ацетон, толуол, эти-
ловый эфир и т. д.
Эти термометры наиболее чувствительны из всех МТ, так как
давление насыщенного пара резко изменяется с температурой. К до-
стоинствам парожидкостного термометра следует отнести и то, что
изменение температуры манометрической трубки и капилляра не
влияет на давление в системе. Это позволяет располагать вторичный
прибор на больших расстояниях (до 75 м) от термобаллона по срав-
нению с газовым и жидкостным термометрами (до 40 м). Гидроста-
тическая погрешность компенсируется так же, как в жидкостных
термометрах, а барометрическая имеется только на начальном участ-
ке шкалы.
К недостаткам парожидкостного термометра следует отнести Не-
линейность шкалы. В некоторых моделях для получения равномерной
шкалы используются специальные линеаризующие устройства.
Все манометрические термометры отличаются простотой конструк-
ции, возможностью дистанционной передачи показаний (либо по
капилляру, либо посредством унифицированного электрического или
пневматического сигнала). Основное достоинство этих термометров —
возможность их использования на взрывоопасных объектах.
Дата: 2019-04-23, просмотров: 263.
