Материал: U10sUZIsoo

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Методические указания к практическим занятиям

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

УДК 621.365.5

Методы и средства измерения температуры: метод. указания к практ. занятиям / сост.: А. Ю. Печенков, С. А. Галунин, К. Ю. Блинов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 48 с.

Рассматриваются методы и средства контактного измерения температур тел. Главный упор сделан на теоретические основы контактных методов измерения температур в диапазоне от комнатных до 2800 К, принципы работы измерительных средств, рассмотрение особенностей их эксплуатации в условиях воздействия дестабилизирующих факторов с целью возможного снижения возникающих погрешностей измерения. Приведены описания конструктивных особенностей приборов различных типов.

Предназначены для подготовки магистров по направлению 140400.62 – «Электроэнергетика и электротехника», также могут быть полезны инженер- но-техническим работникам и студентам других специальностей.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014

2

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Понятие температуры

Температура – важнейший параметр технологических процессов многих отраслей промышленности. По оценкам отечественных и зарубежных экспертов, технические измерения температуры составляют до 50 % от общего числа всяких измерений, поэтому качество температурного контроля часто обуславливает успех процесса производства. В связи с этим важнейшими задачами, стоящими перед современными специалистами, являются выбор надежного метода измерения температуры и измерительного прибора применительно к конкретному производству; понимание влияний на результат измерений всей совокупности факторов, сопутствующих измерительному процессу.

Свойство температуры наглядно проявляется в простом эксперименте. Если два тела – одно более нагретое, а второе менее – привести в тесный контакт и изолировать от внешних источников тепла, то температура первого тела начнет снижаться, а второго увеличиваться: одно тело отдает другому избыток имеющейся у него внутренней энергии. Процесс изменения температур будет проходить до тех пор, пока температуры тел не уравняются. Следовательно, температуры тел – уровни их внутренней энергий – определяют интенсивность теплообмена между ними и указывают направление передачи тепловой энергии.

Общее определение понятия температуры можно сформулировать следующим образом. Температура – статистически формирующаяся термодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела. Носителями внутренней энергии являются атомы и молекулы тела, кинетическая энергия движения которых определяет температуру.

В процессе соударений молекул происходит обмен их количества движения и выравнивание распределения энергии между ними, т. е. устанавливается равновесное состояние, при котором все формы кинетической энергии ансамбля молекул и атомов тела (поступательного, колебательного, вращательного движения) характеризуются одинаковым распределением температуры. Такую равновесную температуру T принято называть термодинамической.

Для данной температуры кинетическая энергия каждой отдельной молекулы может существенно отличаться от средней энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоя-

3

щему из очень большого числа молекул. В применении к отдельной молекуле понятие температуры не имеет смысла.

В пространстве с крайне разреженной материей температура не может быть определена статистическим распределением скоростей движения моле-

кул, поскольку в этих условиях статистические соотношения неприменимы.

Температура такого пространства определяется мощностью пронизывающих его потоков лучистой энергии. За его температуру принимают температуру

абсолютно черного тела с такой же мощностью излучения.

Точно так же не имеет физического смысла понятие температуры в не-

которой точке данного тела. Можно говорить только о температуре, характе-

ризующей состояние вещества внутри некоторого объема тела, точнее, тела

конечной массы.

Так как температура является мерой кинетической энергии, а следова-

тельно, и скорости движения материальных частиц, то должен существовать верхний предел температур, встречающихся в природе. Из теории относи-

тельности следует, что материальные частицы не могут обладать скоростями движения, превышающими скорость света. Выполненные в связи с этим рас-

четы показывают, что верхний предел возможных в природе температур со-

ставляет около 1012 К. Действительно, все наблюдаемые при различных про-

цессах температуры укладываются внутри интервала от 0 до 1012 К.

Термодинамическая температура входит в фундаментальные соотноше-

ния, определяющие либо характер протекания ряда физических процессов,

либо связь с другими физическими величинами. К таким фундаментальным соотношениям, использующимся для измерения термодинамической темпе-

ратуры, следует отнести:

1. Уравнение состояние идеального газа – уравнение Клайперона:

где p и V – давление и объем газа соответственно; Rг – универсальная газовая постоянная.

2. Закон Кюри:

µ = cT ,

где µ – магнитная восприимчивость парамагнитной соли; c – постоянная,

определяемая при градуировке.

4

3. Уравнение Найквиста, определяющее интенсивность тепловых шумов

на концах активного сопротивления R, названных флуктуациями носителей заряда в проводнике:

где с1 и с2 – первая и вторая постоянные Планка.

5. Уравнение, определяющее скорость звука νз в газе:

ν2з = γRT M ,

где M – молекулярная масса газа; γ = c p cν .

1.2. Единица температуры. Температурные шкалы

Для многих «экстенсивных» физических величин процесс их измерения заключается в экспериментальном определении числового соотношения между значением измеряемой величины и значением, условно принятым за единицу.

Температура, характеризующая внутреннюю энергию тела, относится к категории «интенсивных» физических величин и не обладает свойством аддитивности. Она требует для своего измерения наличия не только единицы, но и шкалы, по которой как бы «отсчитывается» значение измеряемого уровня температуры. За единицу температуры принят кельвин (К). Он определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды, представляющей собой температуру равновесия трех фаз – твердой, жидкой и газообразной, – чистой воды естественного изотопного состава.

Под термином «температурная шкала» принято понимать непрерывную совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями какоголибо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, представляющего собой однозначную и монотонную функцию температуры. На ранней стадии развития термометрии за измеряемое термометрическое свойство принималось объемное расширение рабочей жидкости. Такие шкалы, построенные с использованием выбранного свойства конкретного рабочего тела, принято называть эмпирическими.

5