В сучасному промисловому виробництві, наукових дослідах, при дослідженнях матеріалів і зразків найбільш розповсюдженими є виміри температури. Широкий діапазон вимірювальних температур, різноманітність умов використання засобів вимірювання і вимог до них визначають, з одного боку, різноманітність використовування засобів вимірювальної температури, а з другої сторони, необхідність розробки нових типів первинних перетворювачів.

Температура поряд з тиском і обсягом являє собою одну з трьох основних величин, що характеризують термодинамічний стан речовини, і безпосередньо пов'язана з його внутрішньою енергією. Практично немає жодної галузі діяльності людини, де б не вимагалося вимірювати і регулювати температуру, тому вона є однією з найбільш часто вимірюваних фізичних величин. Температура - це статистичне поняття, яке приміняється до систем, які складаються з великого числа часток, що знаходяться в тепловій рівновазі. Енергія часток, усереднена по їхньому числу, і визначає температуру системи (об'єкту).

Температура (temperature) латинське слово, що означає "суміш". При взаємодії двох рівно зважених систем, що мають різні температури, відбувається перехід енергії від системи з більшим енерговмістом в систему з меншим енерговмістом, доки обидві системи не приймуть новий стан рівноваги. Спільним для усіх видів часток первісно поділених систем є температура.

Діапазон температур, що вимірюється надто великий. Шляхом розчинення гелію ³Не в звичайному рідкому гелії ⁴Не досягнута температура 0.001 К. Методами магнітного охолоджування одержана температура 0.000016 К. Верхня межа існуючих температур практичні не обмежена. Як припускають, на початку розвитку Всесвіту існувала надто гаряча плазма з температурою 4 10³¹ К. Зараз практично необхідно вимірювати температури порядку 10⁸ К і більше, що мають місце в гарячій плазмі та при термоядерних реакціях.

Діапазон існуючих температур можна поділити на ряд характерних піддіапазонів: наднизькі температури (0-4,2 К), низькі (4.2-273 К), середні (273-1300 К), високі (1300-5000К) та надвисокі (від 5000 К і вище). Наднизькі і низькі температури необхідно вимірювати при проведенні різноманітних фізичних експериментів, і особливо при дослідженні надпровідності та її технічному застосуванні, у криогенній техніці та ін. За верхню межу надто низьких температур умовно прийнята температура, при якій провідники переходять у надпровідний стан. Найбільш часто температури, що вимірюються лежать в області низьких, середніх та високих температур. Такі виміри мають місце у різноманітних галузях народного господарства, при наукових дослідженнях, в медицині та ін.

Потреба у вимірі надто високих температур безупинно зростає, особливо у зв'язку з розвитком плазмених методів обробки матеріалів, ракетної та космічної техніки, а також при дослідженні управляємих термоядерних реакцій. Діапазон надвисоких температур починається приблизно з 4000-5000 К, тобто з температур, при яких всі речовини при нормальному тиску переходять у газоподібний стан. Температури, які находяться на початку діапазону надвисоких температур (4000-20000К), мають місце при слаботочних електричних дугових розрядах, в газорозрядних лампах, у ракетних двигунах, на поверхні Сонця (приблизно 6000 К), на тепловому щиті космічних апаратів, в плазмотронах для обробки матеріалів (5000-20 000 К) і т. ін.

Температури порядку 5×10⁴-10⁵ К мають місце в стаціонарних електричних дугах і надзвукових потоках плазми, при короткочасних електричних розрядах у фокусі плазми. При ядерних реакціях, всередині Сонця та зірок температури досягають 10⁸ К. Ще більш високі температури спостерігаються при неконтрольованих термоядерних реакціях (воднева бомба).

Необхідно відзначити, що температура належить до фізичних величин, точність виміру яких ще невелика. При проведенні наукових досліджень, в частковості при визначенні фундаментальних фізичних констант, необхідно вимірювати температуру з похибкою 10^-2-10^-4%. У промисловості також існує потреба у підвищенні точності виміру температури. Зараз промислові прилади забезпечують вимір температури з похибкою 0.5-1% і більше. Підвищення точності виміру температури, наприклад, при розливі стали на 0.1% дасть можливість поліпшити на 5-10% якісні показники сталі.

Різноманітні засоби вимірювання температури можна поділити за типом первинних вимірюючих перетворювачів.

В діапазоні низьких і середніх температур використовуються в основному контактні методи вимірювання, причому найбільш широко на практиці використовуються первинні перетворювачі в виді термометрів опору і термопар. При цьому необхідно враховувати, що в більшості випадків температуру необхідно вимірювати в багатьох точках об’єкту і дистанційно, тобто первинні перетворювачі можуть бути віддалені від вторинного вимірювального приладу на великі відстані.

Частіше всього включаються в зрівноважену мостову схему. Зрівноваження моста здійснюється за допомогою потенціометра. При вимірюванні опір резистора R_t, відповідно змінюється положенням потенціометра R і на його шкалі формуються показання мостового термометру

 (1.7)

де R₁, R₂ - опори одинарного мосту.

Недоліком такої (двохдротової) схеми включення термометра опору є суттєва похибка, що вноситься опорами R_л1,R_л2 провідників, якими він підключений до мостової схеми.

При вимірюванні температури навколишнього середовища проходить зміна опорів проводів, що робить неможливим компенсацію вказаної похибки. Для зниження цієї похибки використовують трипровідну схему підключення термометрів опору. В цьому випадку опори проводів R_л1,R_л2 виявляються не в одній, а в різних (сусідніх) плечах моста і тому їх вплив суттєво зменшується. При симетрії моста їх опори віднімаються. Опір R_л3, третього провідника виявляється ввімкненим в коло джерела живлення і на результат вимірювання не впливає.

При збільшенні довжини лінії зв’язку, описані методи часто не дозволяють забезпечити високу точність вимірювання температури і виникає необхідність в попередньому перетворенні опору терморезистора в який-небудь параметр електричного сигналу, що забезпечує точну і завадостійку передачу вимірювальної інформації.

При використанні термоелектричних перетворювачів (термопар) виникає необхідність вимірів значення термо-ЕРС на виході термопари. Під час вимірювання температури вільні кінці термопари повинні бути при постійній температурі. Вільні кінці термопари конструктивно виведено на клеми для розміщення їх поблизу до об’єктів, тобто в зоні вимірюваної температури. Щоб віднести ці кінці в зону постійної температури, використовуються подовжувальні провідники, що складаються з двох жил, які виготовлено з металів чи сплавів і які мають однакові термоелектричні властивості з термоелектродами термопари. В лабораторних умовах температура вільних кінців термопари підтримується рівною 0 ⁰С шляхом розміщення їх в ємності Д'юара, наповненій потовченим льодом з водою. В промислових умовах температура вільних кінців термопари звичайно відрізняється від 0 ⁰С. Оскільки градуювання термопар виконується при температурі вільних кінців 0 ⁰С, то ця різниця може бути джерелом суттєвої похибки. Для зменшення цієї похибки необхідно ввести поправку в покази термометра. Проте необхідно мати на увазі, що функція перетворення термопари нелінійна, а відповідно, значення поправки повинно залежати не тільки від температури вільних кінців термопари, але і від значення вимірюваної температури. Ця обстава ускладнює точну корекцію вказаної похибки шляхом введення поправки. Широке застосування на практиці має автоматичне введення поправки на температуру вільних кінців термопари, що наведено на рис.1 В коло термопари ТП і мілівольтметра включено міст, одним з плечей якого є терморезистор R_t (мідний), який розміщено біля вільних кінців термопари.

Інші плечі моста створено низькоомними резисторами R₂, R₃, R₄. При температурі вільних кінців термопари, рівній 0 ⁰С, міст зрівноважений (U_ab = 0). При відхиленні температури вільних кінців термопари від 0 ⁰С напруга U_ab не дорівнює нулю і сумується з ЕРС термопари, що вносить поправку d в показання приладу.

Значення поправки регулюється резистором R_S. В наслідок нелінійності функцій перетворення термопари повної компенсації похибки не виконується, але вказана похибка значно зменшується.

В даному випадку автоматична корекція похибки здійснюється методом допоміжних вимірювань, причому термометр опору є допоміжним вимірювальним перетворювачем, а поправка вводиться шляхом сумування напруг.

Останнім часом для виміру температур все більшого розповсюдження набувають кварцові термоперетворювачі, які мають високу розрізнювальну здатність і широкий частотний діапазон, добре захищені від завад і легко перетворюються в цифровий двійковий код.

Такі перетворювачі засновані на використанні прямого єзоелектричного ефекту, що полягає у виникненні електричних зарядів на поверхні деяких кристалів (кварцу, сегнетової солі і ін.) під дією механічних напруг.

З кристалу кварцу вирізається пластина, грані якої повинні бути перпендикулярні оптичній осі Z, механічній Y і електричній X (рис.2)

Під дією на пластину зусилля F_X на гранях Х ç¢являються заряди

, (1.7)

де к - єзоелектричний коефіцієнт.

Під час дії на пластину зусилля F_Y вздовж механічної осі, на тих же гранях виникають заряди

Q_Y = (a/b) k F_{Y, (}1.8)

де а,b - розміри граней пластини.

Механічна дія на пластину вздовж оптичної осі не викликає появи зарядів.

При вимірювані температури, знаходять застосування п'єзорезонатори, в яких використовується одночасно прямий і зворотній п'єзоефекти. Останній полягає в тому, що якщо на електроди перетворювача подати змінну напругу, то в єзочутливому елементі (пластині) виникнуть механічні коливання, частота яких f_Р (резонансна частота) залежить від товщини h пластини, модуля пружності Е, густини r її матеріалу. При включенні такого перетворювача в резонансний контур генератора частоти, частота генерованих електричних коливань визначається як f_Р. Рівняння перетворення кварцового перетворення має вигляд

f_t = f_p + S t_x^o, (1.9)

де f_p, f_t - відповідно частоти генерованих коливань при температурах t⁰ = 0

⁰C і вимірюваній температурі t_х ⁰;

S - чутливість термоперетворювача.

Чутливість кварцових термоперетворювачів досягає 200-1000 Гц/К, що дозволяє з їх допомогою визначати зміни температури порядку 0,001 - 0,01 ⁰С. Кварцові термометри можуть функціонувати в діапазоні температур від - 200 ⁰С до +600 ⁰С.

Висока точність кварцових термометрів пояснюється високою стабільністю параметрів перетворювача і високими метрологічними характеристиками вимірювачів частоти. Недоліком таких перетворювачів є обмежена взаємозамінюваність, що пояснюється розкидом параметрів f₀ і S.

Контактні методи і засоби вимірів застосовуються для виміру температур в діапазоні від значень, близьких до абсолютного нуля, до 1500 ^оС. В окремих випадках, використовуючи термоперетворювачі з тугоплавких матеріалів або квазідотиковий метод виміру, при якому термоперетворювач на короткий час поміщується в середовище, що вимірюється, можна підвищити верхню межу вимірів до 2500-3000 ^оС.

З контактних методів виміру найбільш широке застосування одержали термоелектричний і терморезистивний методи. Інші контактні термометричні методи головним чином використовуються при наукових дослідженнях чи для відтворення температурної шкали. Термоелектричні та терморезистивні термометри широко застосовуються для виміру температури у виробничих умовах, при наукових дослідженнях. Переваги цих методів і відповідних засобів вимірів полягають в їхній простоті, надійності, низької вартості і можливості отримання високої точності вимірів. Крім Того, використовуючи контактні методи, можна легко створити багатоканальні вимірювальні системи для безупинного виміру параметрів температурного поля складних об'єктів, в тому числі при високих тисках і в труднодоступних місцях. Основні характеристики промислових терморезисторів і термопар, а також вимірювальні ланцюга термометрів опору та термоелектричних термометрів розглянуті в роботі [5].

При використанні термоелектричного та терморезистивного методів задача виміру температури зводиться до точного виміру відповідно ЕРС в діапазоні 0.1-200 мВ або опорі від часток Ома до десятків і сотень Ом. Ці задачі успішно вирішуються застосуванням сучасних засобів вимірів означених величин. Використання серійно підсилювачів, що випускаються вимірювальних й автоматичних реєструючих мостів та компенсаторів з покращеними характеристиками, цифрових мілівольтметрів, перетворювачів опору в цифровий код, а також мікропроцесорних приладів для корегування похибки термоперетворювачів забезпечує утворення засобів вимірів температури з надто низькими інструментальними похибками (0.1-0.5%). Так, відомі цифрові термоелектричні термометри з здібністю 0.1 К, що є основну похибки ±1% в діапазоні 4-2000 К і ±0,2% в діапазоні 73-2000 К. При відтворенні МПТШ застосовуються зразкові термометри, що забезпечують вимір температури між реперними точками з похибкою ±0, 001%. Однак навіть при використанні точних приладів похибка вимірів температури можуть сягати більших значень з-за наявності методичних похибок, спричинених самою суттю та принциповими особливостями контактних методів вимірів температури. Головне полягає в тому, що всі контактні методи засновані на перетворенні в сигнал вимірювальної інформації будь-якої термометричної властивості термоперетворювача, а не об'єкту дослідження. Тому всі засоби вимірів, основані на цих методах, принципово вимірюють температуру термоперетворювача (вірніше, його дошкульного елементу), що в загальному випадку не рівна температурі об'єкту.

Крім того, при контактних методах вимірів температури вагоме значення має похибка, спричинена взаємодією об'єкту та засобу виміру, особливо якщо останнє використовується лише для періодичних вимірів та не є штатним приладом даного об'єкту. При поміщенні термоперетворювача в досліджуєме середовище, або у поверхні об'єкту завідомо порушується їхнє температурне поле як за рахунок власного споживання (чи віддання) теплової енергії термоперетворювачем, так і за рахунок теплообміну між об'єктом і навколишньою середою через термоперетворювач.

Як недолік контактних методів можна відмітити відносно великі динамічні похибки, спричинені значною тепловою інерційністю термоперетворювачів, постійні часу яких складають 10-60 та понад. Іншими недоліками є обмежена зверху межа виміру (1500-2500 ^оС), труднощі при вимірі температури рухомих об'єктів, а також порушення теплового та технічного стану поверхні, що досліджується. Від цих недоліків хвилі пірометричні та спектрометричні методи виміру температури.

Термомагнітний метод заснований на залежності магнітної сприйнятливості парамагнітних речовин або ядерної магнітної сприйнятливості від температури. У відповідності з законом Кюрі-Вейса магнітна сприйнятливість зворотньо пропорційна абсолютній температурі:

, (1.10)

де С-коефіціент, пропорційний константі Кюрі;

а-поправка, що залежить від форми зразка, щільності і взаємодії іонів,

d  - поправка, що враховує штарковське розчіплення та диполь-дипольну взаємодію.

Вимір температури термочастотними методами оснований на використанні залежності від температури частоти власних коливань різного роду резонаторів, швидкості розповсюдження звукових та ультразвукових коливань та параметрів частотно-залежних RC - або RL-цепей з терморезистором.

Найбільш розвинуті резонансні термочастотні методи, основані на застосуванні резонаторних датчиків, що являють собою автогенератори чи генератори з вимушеними коливаннями, частота яких настроюється в резонанс з частотою власних коливань резонатора, що змінюється з температурою.

Для виміру температури застосовуються механічні, газові та ядерні резонатори. Характеристика перетворення температури в частоту у таких резонаторів нелинійна. Рівняння перетворення термометрів з резонаторними перетворювачами на робочій ділянці характеристики можна представити у вигляді полиному

, (1.11)

де коефіцієнти a, b та g вибираються в залежності від виду і характеристик резонаторів. При використанні кварцевих резонаторов похибка линійності надто незначна. У інших випадках для лінеаризації характеристики приладу необхідні додаткові прилади з функціональними перетворювачами. Розвиток мікропроцесорної техніки дозволяє створювати точні частотні термометри з похибкою лінійності не більш 10^-5.

Пірометричні методи вимірів температури охоплюють широкий діапазон температур - від 173 до 6000 К, включаючий в себе низькі, середні та високі температури. Ці методи засновані на визначенні параметрів теплового випромінювання об'єкту без порушення його температурного поля. Теплове випромінювання являє собою электромагнітне випромінювання, збуджуване тепловим рухом атомів і молекул в твердих, рідких та газоподібних речовинах. При температурах вище 4000 К випромінювання викликається процесами дисоціації, та іонізації.

Спектрометричні методи застосовуються для вимірів надвисоких температур - вище 4000 К, при яких всі речовини знаходяться в стані плазми. Тому спектрометричні методи тісно пов'язані з фізикою та діагностикою плазми.

Спектрометричні методи можна поділити на пасивні та активні. Пасивні методи засновані на визначенні різних параметрів спектру випромінювання плазми, при якому процес виміру не впливає на величину, що вимірюється.

При використанні активних методів плазма облучається зовнішнім электромагнітним випромінюванням та її температура визначається по абсорбції, розсіюванню або швидкості розповсюдження зовнішнього випромінювання в середовищі що досліджується. Впливом зовнішнього випромінювання не завжди можна зневажити.

Плазма, полягати в основному з молекул, атомів, іонів та вільних электронів, характеризується рядом температур: молекулярною, атомною, іонною, електронною, температурою збудження та ін. Перші три температури тісно зв'язані та характеризують температуру газу.

Випромінювання плазми складається здебільшого з ліній, та лише дуже малу частину складає безперервний спектр; тому пряма пірометрія для виміру температури плазми не може бути застосована. Вирішити, чи є зміряна температура газової або електронною, можна тільки, якщо відомий механізм випромінювання на даній довжині хвилі l та яким часткам - тяжким чи легким - належить випромінювання.

Найбільш розповсюджений пасивний метод визначення температури плазми заснований на вимірі інтенсивності молекулярних, атомних або іонних спектральних ліній, для яких відомі теоретичні залежності між інтенсивністю спектральних ліній та температурою.

В теперішній час все більшого розповсюдження набувають інтегральні первинні вимірювальні перетворювачі температури, які як правило використовуються для діапазону температур від - 80⁰ до +250⁰ С.

Ці перетворювачі виготовляються такими провідними світовими виробниками як Analog Devices, Motorola, Intersil (Harris), та інші. Вихідним сигналом таких перетворювачів є напруга, яка лінійно залежить від вимірюваної температури, або імпульсний сигнал, інформативним параметром якого є частота або шпаруватість імпульсів.

Для контролю температури віддалених об’єктів доцільно використовувати термоперетворювачі з імпульсним вихідним сигналом. Це зумовлене наступними причинами:

аналоговий вихідний сигнал термоперетворювача для передачі на великі відстані необхідно перетворювати в цифровий код, тому як цифровий сигнал має набагато більшу завадостійкість, ніж аналоговий;

цифровий сигнал зручно перетворювати у сигнал інтерфейсу RS-485 або RS-422, які призначені для передачі даних на великі відстані;

інтегральні напівпровідникові термоперетворювачі як правило виконуються у невеликих за розмірами корпусами і легко встановлюються на об’єкті;

інтегральні напівпровідникові термоперетворювачі мають мале енергоспоживання, що дозволяє використовувати їх локальне акумуляторне живлення.