Измерение температуры. Жидкостный термометр - прибор для измерения температуры, основанный на тепловом расширении жидкости

Жидкостный термометр - прибор для измерения температуры, основанный на тепловом расширении жидкости. Явление теплового расширения жидкости описывается уравнением:

DV = bVDT, (8.4)

где b - коэффициент объемного расширения жидкости; DV - изменение объема; DT - изменение температуры.

Жидкость в термометре поднимается благодаря тому, что коэффициенты объемного расширения b жидкости и стекла существенно отличаются: 1,81×10^-4 (⁰С)^-1 - ртути; 10,6×10^-4 (⁰С)^-1 - спирта; 9,16×10^-4 (⁰С)^-1 - толуола; 0,25×10^-4 (⁰С)^-1 - стекла.

Жидкостный термометр состоит из тонкостенного стеклянного резервуара, соединенного со стеклянным капилляром; для измерения температуры термометр оборудован шкалой. Часть пространства в капилляре, не занятая жидкостью, заполнена сухим инертным газом, во избежание разрыва жидкости. В капилляре может иметь место внутреннее расширение (сократительная камера), которое дает возможность сократить длину капилляра; еще одно расширение капилляра (расширительная камера) в конце защищает термометр от перегревания. Внешний вид жидкостного термометра представлен на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Внешний вид жидкостного термометра

В качестве рабочей жидкости термометра выбирают такие вещества:

• Ртуть - диапазон температур, в пределах которых ртуть еще жидкая: от температуры замерзания -38,83 до +356,7 ⁰С. Именно поэтому ртутные термометры используют для измерения высоких температур. Ртуть используют чаще всего и потому, что она существует в чистой форме, не разрушается со временем, не взаимодействует со стеклом. Ртуть, в отличие от воды, не расширяется во время затвердевания и не портит стеклянный капилляр; очень тяжело заметить, когда она замерзает.

• Ртуть+таллий - этот сплав позволяет увеличить нижний предел измерения температуры до -61,1 ⁰С.

• Спирт - этиловый имеет температуру замерзания -114 ⁰С, а метиловый -97,7 ⁰С; то-есть термометры со спиртом целесообразно использовать для измерения низких температур.

• Галлий, который имеет температуру плавления 30 ⁰С, а температуру кипения +2204 ⁰С, может быть использован в термометрах, предназначенных для измерения высоких температур. Сплав галлия, индия и олова (галистан) имеет температуру замерзания -20 ⁰С; его используют во время изготовления бытовых градусников.

• Толуол - имеет температуру плавления –95,1 ⁰С, а температуру кипения 110,5 ⁰С. Однако галлий и толуол не такие стойкие как ртуть и могут постепенно разлагаться на солнце.

Термометры сопротивления - приборы, принцип которых основанный на способности материалов изменять электрическое сопротивление под влиянием температуры. Проводники в таких измерениях называются терморезисторами, а полупроводники – термисторами.

Для проводников зависимость сопротивления от температуры имеет вид:

R = R₀ (1 + aDT), (8.5)

где R - сопротивление проводника при температуре Т; R₀ - сопротивление при температуре Т₀; a - температурный коэффициент сопротивления проводник; DT = Т - Т₀ ( где Т₀ = 273,15 К = 0 ⁰С).

Для терморезисторов используют такие металлы: платину, медь, никель. Платина характеризуется стабильностью параметров в условиях коррозии, действия химических соединений. Она не окисляется, поддается механической обработке, имеет высокую температуру плавления и выделяется высоким уровнем чистоты. Все эти факторы влияют на стабильность зависимости сопротивления платинового проводника от температуры. Преимуществом медных терморезисторов является широкие изменения сопротивления в процессе изменения температуры и практически линейный отклик на температуру. Никель имеет нелинейный характер зависимости сопротивления от температуры. Никель и медь характеризуются меньшей стоимостью по сравнению с платиной.

Для полупроводников сопротивление уменьшается с увеличением температуры по формуле:

R = ae^b/T, (8.6)

где a и b – постоянные, зависящие от полупроводника; Т - температура.

Типичными полупроводниками, которые используются как термисторы, являются кремний и германий. Размеры термисторов могут достигать 0,2 мм. Термисторы более чувствительные к изменению температуры по сравнению с терморезисторами: они способны реагировать на изменение температуры порядка 10^{-3 0}С. Интервал температур, измеряемых термисторами, составляет от –50 до +100 ⁰С.

Термоэлектрические термометры используют термоэлектрические явления, которые проявляются во взаимосвязи тепловых и электрических процессов в твердых телах. Одним из таких термоэлектрических явлений является эффект Зеебека – возникновение электродвижущей силы (э.д.с.) в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты которых имеют разную температуру (рис. 8.6). Детально это явление будет рассмотрено в разделе 9.2.5.

Рис. 8.6. Замкнутая цепь, состоящая из двух разнородных проводников, контакты которых имеют разные температуры

Биметаллический термометр основан на тепловом расширении твердых тел, в частности, на деформации биметаллической пластины (например, инвар и сталь) под влиянием температуры. Поскольку металлы имеют разные значения коэффициентов объемного расширения, пластина в процессе изменения температуры будет деформироваться (рис. 8.7). Перемещение свободного конца DХ при изменении температуры Dt описывается формулой:

DХ = КDt, (8.7)

где К – коэффициент пропорциональности, который зависит от размеров пластины и коэффициентов объемного расширения металлов.

	в)
Рис. 8.7. Биметаллический термометр, основанный на тепловом расширении твердых тел, в частности, на деформации биметаллической пластины под действием температуры: а – биметаллическая пластина; б – деформационный термометр; в – биметаллический термограф

Видно, что зависимость перемещения конца биметаллической пластины от температуры линейная, а шкала прибора равномерная.

Оптическая пирометрия основывается на использовании зависимости излучательной способности разогретого тела от температуры. То-есть, определить температуру какого-либо тела можно путем сравнения интенсивности его излучения на определенной длине волны с интенсивностью стандартного излучения.

Оптический пирометр состоит из источника излучения и оптической системы, в которую входит микроскоп, калибровочная лампа и фильтр с узкой полосой пропускания (рис. 8.8).

Процедура измерения температуры предусматривает сравнение яркости исследуемого тела и калибровочной лампы. Измерение проводят на длине волны 655 нм. Регулировкой тока, проходящего через нить накаливания, уравновешивают яркости тела и лампы. Вследствие этого изображение нитки исчезает на фоне яркости тела. Ручка потенциометра, регулирующая величину тока, прокалибрована в единицах температуры.

Рис. 8.8. Схема оптического пирометра: а) 1 – источник света; 2 – линза; 3 – диафрагма; 4 – фильтр; 5 – лампа пирометра; 6 – красный фильтр; 7 – линза; 8 – диафрагма; 9 – окуляр; 10 – глаз наблюдателя; 11 – амперметр; б) изображение нити электролампы пирометра и исследуемого тела в зависимости от соотношения температуры tнр нити и температуры tm тела.

Радиотермометры используются для измерения температуры природных поверхностей. Известно, что энергетическая яркость природной поверхности определяется выражением:

L_e = , (8.8)

где e - излучательная способность поверхности (0< e <1); s - постоянная Стефана-Больцмана (5,67×10^-8 Вт×м^-2 ×К^-4); Т_s – температура поверхности.

Таким образом, измерение энергетической яркости природной поверхности дает возможность оценить ее температуру. На практике измеряют энергетическую яркость в полосе длин волн, обычно в области 8-13 мкм, где наблюдается окно прозрачности атмосферы и излучательная способность тел максимальна. Вследствие этого температура атмосферы не влияет на результаты измерений температуры поверхности, а излучение Солнца целиком поглощается атмосферой и также не мешает измерениям. Обычно радиометры состоят из оптической системы (линзы, зеркала, фильтры), которая фокусирует поток излучения определенной длины волны на детектор – термистор или термобатарею. Этот поток повышает температуру детектора, выходной электрический сигнал которого проградуирован в единицах температуры. Использование инфракрасной видеокамеры, способной регистрировать спектральное распределение температуры, дает возможность создать тепловые изображения исследуемого объекта.

Пирометры используют для излучения температуры большей, чем 600 ⁰С.

Кварцевый пьєзоэлектрический термометр представляет собой цифровой прибор, в основе которого лежит измерение резонансной частоты пьезокристалла. Каждый кристалл имеет свою собственную резонансную частоту, зависящую от температуры. Приборы такого типа характеризуются высокой чувствительностью и разрешающей способностью (10^{-4 0}С). Диапазон измеряемых температур составляет от -40 до +230 ⁰С. К недостаткам можно отнести сложность электронной системы этих приборов и более высокую по сравнению с обычными термометрами стоимость.

П.Л. КАПИЦА (1894-1984) Российский физик, известный своими работами в области физики магнитных явлений, физики и техники низких температур, квантовой физики конденсированного состояния, электроники и физики плазмы. В 1937 г. открыл сверхтекучесть жидкого гелия. Лауреат Нобелевской премии по физике 1979 года.

Ú Для любознательных