Цель работы: Изучить способы измерения температуры и снять характеристики с помощью инфракрасного бесконтактного термометра «TESTO 835-T1»
Краткая теория.
Температура - это параметр теплового состояния, представляющий собой физическую величину, которая характеризует степень нагретости тела. Степень нагретости тела обусловлена его внутренней энергией, а именно, средней кинетической энергией хаотичного поступательного движения частиц, составляющих тело или среду. Непосредственно измерить температуру тела невозможно. Температура измеряется косвенным путем с использованием температурной зависимости какого-либо физического свойства термометрического тела. В качестве термометрического тела используются тела, у которых удобные для непосредственного измерения физические свойства однозначно зависят от температуры. Такими физическими свойствами являются, в частности, объемное расширение ртути, изменение давления газов, изменения электрического сопротивления, ЭДС, интенсивности излучения и т.д. Методы измерения температуры различны для различных диапазонов измеряемых температур, они зависят от условий измерений и требуемой точности. Их можно разделить на две основные группы: контактные и бесконтактные. Для контактных методов характерно то, что прибор, измеряющий температуру среды, должен находиться в тепловом равновесии с ней, т.е. иметь с ней одинаковую температуру. Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Из того, что температура — это мера кинетической энергии 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. Температуру, измеряемую термометром, шкала которого построена на допущении линейной температурной зависимости термометрических свойств какого либо тела, называют условной температурой, а шкалу – условной температурной шкалой. Примером условной температурной шкалы является известная стоградусная шкала Цельсия. В ней принят линейный закон температурного расширения ртути, а в качестве основных точек шкалы используются точка таяния льда (0°С) и точка кипения воды (100°С) при нормальном давлении. Термодинамическая температурная шкала, предложенная Кельвином, основана на втором законе термодинамики и не зависит от термометрических свойств тела. В шкале температур Кельвина начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля. Абсолютный ноль – наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию, т.е. тепловое движение прекращается. Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно -273,15 °C. Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К). В системе СИ термодинамическую шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина:
t(°С) = Т(К) — 273,15
т. е. цена одного деления в шкале Цельсия равна цене деления шкалы Кельвина. По шкале Цельсия температура тройной точки воды равна приблизительно 0,008 °C. Самая высокая теоретически возможная температура — планковская температура. Более высокая температура по современным физическим представлениям не может существовать, так как придание дополнительной энергии системе, нагретой до такой температуры, не увеличивает скорости частиц, а только порождает в столкновениях новые частицы, при этом число частиц в системе растёт, а также растёт и масса системы. Можно считать, что это температура «кипения» физического вакуума. Она примерно равна1,41679·1032 K.
Контактное измерение температуры.
По принципу действия контактные термометры делятся на:
1.Термометры, основанные на тепловом расширении вещества. Используются с термометрическим телом в жидком состоянии (например, ртутные жидко-стеклянные термометры) и в твердом состоянии -биметаллические, действие которых основано на различии коэффициентов линейного теплового расширения двух материалов (например, инвар -латунь, инвар - сталь).
2. Термометры, основанные на измерении давления вещества. Это манометрические термометры, которые представляют собой замкнутую герметичную термосистему, состоящую из термобаллона, манометрической пружины и соединяющего их капилляра. Действие термометра основано на температурной зависимости давления газа(например, азота) или паров жидкости, заполняющих герметичную термосистему. Изменение температуры термобаллона вызывает перемещение пружины, соответствующее измеряемой температуре. Манометрические термометры выпускаются как технические приборы для измерения температуры от -150°С до +600°С в зависимости от природы термометрического вещества.
3. Термометры, основанные на температурной зависимости термо-ЭДС. К ним относятся термоэлектрические термометры или термопары.
4.Термометры, основанные на температурной зависимости электрического сопротивления вещества. К ним относятся электрические термометры сопротивления.
Жидкостный стеклянный термометр представляет собой тонкостенный стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, с которым жестко связана температурная шкала. В резервуар с капилляром заливается термометрическая жидкость, на температурной зависимости теплового расширения которой основано действие термометра. В качестве термометрической жидкости используется ртуть и некоторые органические жидкости - толуол, этиловый спирт, керосин. Достоинствами жидкостных стеклянных термометров являются простота конструкции и обращения; низкая стоимость, достаточно высокая точность измерения. Эти термометры применяются для измерения температуры от минус 200°С до плюс 750°С.Недостатками жидкостных стеклянных термометров являются большаятепловая инерция, невозможность наблюдения и измерения температуры на расстоянии, хрупкость стеклянного резервуара.
Термоэлектрический термометр основан на температурной зависимости контактных термо-ЭДС в цепи из двух разнородных термоэлектродов. При этом происходит преобразование неэлектрической величины-температуры в электрический сигнал - ЭДС. Термоэлектрические термометры часто называют просто термопарами. Термоэлектрические термометры широко применяют в диапазоне температуры от -200°С до +2500°С, но в области низких температур (менее -50°С) они получили меньшее распространение, чем электрические термометры сопротивления. При температуре выше1300°С термоэлектрические термометры применяют в основном для кратковременных измерений. Достоинствами термоэлектрических термометров являются возможность измерения температуры с достаточной точностью в отдельных точках тела, малая тепловая инерция, достаточная простота изготовления в лабораторных условиях, выходной сигнал является электрическим.
Основные термопары для измерения температур:
-вольфрам-вольфрамрениевые (ВР5/20) до 2400...2500К;
-платино-платинородиевые (Pt/PtRh) до 1800... 1900 К;
-хромель-алюмелевые (ХА) до 1600...1700 К;
-хромель-копелевые (ХК) до 1100 К.
При подключении измерительного прибора к термопарной цепи возможны 2схемы:
1) с разрывом одного из термоэлектродных проводов;
2) с разрывом холодного спая термопары.
Для измерения малой разности температуры часто используется термобатарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных термопар. Такая термобатарея позволяет повысить точность измерения в результате увеличения выходного сигнала во столько раз, сколько термопар в термобатарее. Термо-ЭДС в термопарной цепи можно измерить милливольтметром по методу непосредственной оценки и потенциометром по методу сравнения. Электрические термометры сопротивления основаны на температурной зависимости электрического сопротивления термометрического вещества и широко применяются для измерения температуры от -260°С до +750°С, а в отдельных случаях до +1000°С. Чувствительным элементом термометра является терморезисторный преобразователь, который позволяет преобразовать изменение температуры (неэлектрической величины) в изменение сопротивления (электрической величины). Терморезистором может служить любой проводник с известной температурной зависимостью сопротивления. В качестве материала для терморезистора используют такие металлы как, платина, медь, никель, железо, вольфрам, молибден. Кроме них, в термометрах сопротивления могут быть использованы некоторые полупроводниковые материалы.
Достоинствами металлических термометров сопротивления являются высокая степень точности измерения температуры, возможность применения стандартной градуировочной шкалы во всем диапазоне измерения, электрическая форма выходного сигнала. Чистая платина, для которой отношение сопротивления при 100°С к сопротивлению при 0°С составляет 1,3925, в наибольшей степени удовлетворяет основным требованиям по химической стойкости, стабильности и воспроизводимости физических свойств и занимает особое место в терморезисторах для измерения температуры.
Платиновые термометры сопротивления используются для интерполяции Международной температурной шкалы в диапазоне от -259,34°С до +630,74°С. В этом диапазоне температур платиновый термометр сопротивления превосходит по точности измерения любой термоэлектрический термометр.
Недостатками термометров сопротивления являются невозможность измерения температуры в отдельной точке тела из-за значительных размеров его чувствительного элемента, необходимость постороннего источника электропитания для измерения электрического сопротивления, малое значение температурного коэффициента электрического сопротивления для металлических термометров сопротивления, которое требует для измерения небольших изменений сопротивления высокочувствительные и точные приборы.