Основы термометрии

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Определение гласит: температура есть мера внутренней энергии тела. Мельчайшие частицы (атомы и молекулы), составляющие физические тела, все время движутся либо по некоторым траекториям в пространстве (в жид­костях и газах), либо колеблются около своего положения (в твердых телах). Чем интенсивнее они движутся, тем выше температура. Если в твердом телеона достигает некоторого критического значения, то атомы-молекулы сры­ваются со своих мест, структура тела нарушается, и оно плавится, превраща­ясь в жидкость. Если повышать температуру дальше, то связи между части­цами уже не могут победить возросшую интенсивность их движения и жидкость начинает испаряться, превращаясь в газ. При высокой температуре нарушаются уже связи внутри молекул, и образуется т. н. холодная плазма (например, пламя), при очень высокой — и внутри атомов, и вещество пре­вращается в высокотемпературную плазму.

В реальности на эту упрощенную модель накладываются некоторые нюансы. Скажем, вещество может существовать при одних и тех же условиях в не­скольких состояниях, например, как твердое тело в равновесии с жидкой и газообразной фазой — это так называемая «тройная точка». Но нам сейчас важнее другое: из нарисованной картины следует, что должно быть такое со­стояние вещества, когда движения нет, все частицы стоят на месте и, следо­вательно, внутренняя энергия равна нулю. Это состояние существует и носит название «абсолютного нуля температуры». Чему она равна при этом, вычис­лил теоретически еще в середине позапрошлого века ученый-физик лорд КелБвин. Оказалось, что абсолютный ноль, он же ноль абсолютной темпера­турной шкалы (шкалы Кельвина), отстоит от точки замерзания воды на -273,15 °С, При этом градусы в шкале Кельвина (°К) равны градусам в при­вычной шкале Цельсия (°С), где за ноль принята точка замерзания воды. Так что перевод очень прост: чтобы получить температуру в градусах Цельсия, надо из градусов Кельвина вычесть величину 273. Чтобы подчеркнуть разни­цу между °К и °С, первые часто обозначают большой буквой Г, а вторые — маленькой /. В англоязычных странах в быту традиционно используют шкалу Фаренгейта (обозначается заглавной F), в которой и ноль другой, и градусы

меньше, поэтому пересчет относительно сложен:clip_image002

Подробности

Так как на практике измерить внутреннюю энергию саму по себе невозможно, температуру измеряют по каким-то ее внешним проявлениям. Логично для это­го использовать точки фазового перехода (плавления и кипения) химически чистых веществ. Эти точки стабильны и хорошо воспроизводятся. В настоя­щее время принята международная практическая температурная шкала, уточ­ненная в 1968 году (МПТШ-68), в которой около двух десятков таких опорных точек, охватывающих диапазон от -259,34 ”С (тройная точка водорода) до 1064,43 (точка плавления золота). Входят туда, в том числе, и точки замер­зания и кипения воды. Между опорными точками температуру в этой шкале определяют платиновым термометром, имеющим сопротивление ровно 100

или 10 Ом при температуре О ”С. Сопротивление платины при повышении тем­пературы возрастает с наклоном 0,39250 Уо/^’С, и, хотя зависимость эта не очень линейна, она очень хорошо воспроизводится. По методике МПТШ изго­тавливают эталоны температуры — на14иональные, первичные, вторичные и т. д. Средства измерения, сертифицированные путем непосредственного сравне­ния с эталоном, называют образцовыми.

Все пользовательские измерительные инструменты (и не только температу­ры), поступающие на прилавок, на каком-то этапе сравнивались с образцовы­ми средствами. Сравнение вновь изготовленного измерителя с каким-то сред­ством измерения, которое мы принимаем за образцовое, называется градуировкой или калибровкой. Строго говоря, это одно и то же, однако под градуировкой чаще понимают создание градуировочной таблицы или форму­лы, по которой показания прибора пересчитываются в соответствующую фи­зическую величину, а под калибровкой — подстройку самого прибора так, что­бы он непосредственно показывал эту физическую величину. С появлением компьютерных те)енологий разница между градуировкой и калибровкой практи­чески исчезла. Процедура проверки уже готового средства измерения на соот­ветствие образцовому средству измерения называется поверкой.

Датчики

На практике для измерения температуры электронными методами использу­ют в основном две разновидности датчиков: металлические термометры со­противления и полупроводниковые датчики. Термисторы (терморезисторы) для измерения температуры применяют редко, в некоторых специфических случаях, так как их единственное достоинство в этом плане — высокая чув­ствительность — не перевешивает многочисленные недостатки, среди кото­рых в первую очередь нелинейность и, кроме того, невысокая стабильность. Правда, существуют специальные высокостабильные миниатюрные алмаз­ные термисторы (выполненные на основе монокристаллов искусственного алмаза), которые могут работать при температурах до 600 °С, но их темпера­турный коэффициент всего раза в полтора выше, чем у металлов, и они ис­пользуются также в специфических случаях: например, в печках лазерных принтеров. Термисторы чаще применяют в схемах регуляторов температуры (см. главу 12% где их нелинейность не имеет значения.

Еще один способ очень точного измерения температуры предполагает ис­пользование специальных термочувствительных кварцевых резонаторов. О них мы еще будем говорить в главе 16, а здесь остановимся лишь на металличе­ских и полупроводниковых датчиках.

ФирТиенные термометры сопротивления представляют собой обычный рези­стор из металлической — медной или платиновой^ — проволоки. Платино­вые датчики (ТСП— «термометр сопротивления платиновый») наиболее стабильны и употребляются для высокоточных измерений, но они обладают заметной нелинейностью, поэтому приходится рассчитывать значения темпе­ратуры по таблицам (см., например, [5]). Использование меди более практич­но: у нее зависимость сопротивления от температуры наиболее близка к ли­нейной в широком диапазоне температур. В диапазоне от -50 до +100 °С погрешность за счет, нелинейности в пересчете на температуру не превысит 0,1 °С. Сопротивление датчиков промышленного изготовления точно подог­нано под стандартные 10, 50 или 100 Ом. Платиновые датчики используют в диапазоне от -260 до +1100 °С, а медные (ТСМ) от -200 до +200 °С. Доступ­ность меди приводит к искушению изготовить такой датчик самому, и в большинстве случаев это совершенно не возбраняется, хотя прецизионный термометр на самодельном датчике, конечно, не получится (это тот случай, когда структура металла имеет значение — в отличие от аудиокабелей, см. главу 8).

Полупроводниковые датчики удобно использовать во всех случаях, когда не требуется высокая точность. Простейший полупроводниковый датчик температуры— обычный кремниевый диод или транзистор в диодном включении (когда коллектор соединен с базой). Пресловутое прямое паде­ние напряжения на диоде, равное 0,6 В, имеет почти линейный отрицатель­ный температурный коэффициент, равный приблизительно 2,3 мВЛС. Все промышленные полупроводниковые датчики тем или иным способом ис­пользуют этот эффект.

Фирменные полупроводниковые датчики делятся на две разновидности: с аналоговым и цифровым выходом. Аналоговые датчики (DS60, МАХ6605) имеют обычно три вывода (питание, общий и выход), а цифровые иногда всего два (DS1721), питаясь от сигналов запроса, поступающих с внешнего контроллера (см. главу 77). Следует особо отметить довольно точный датчик LM235 (1019ЕМ1), который включается подобно диоду, но имеет третий вы­вод для подстройки величины температурного коэффициента, имеющего ве­личину аж 10 мВ/°С, причем с положительным наклоном. Все полупровод­никовые датчики имеют погрешности заводской установки порядка 1—2 °С, и иногда встречающееся в характеристиках определение «прецизионный», видимо, относится к повышенной их стабильности: после соответствующей калибровки они могут иметь погрешности порядка долей градуса.

Средства калибровки

в домашней практике для поверки разрабатываемых самостоятельно прибо­ров лучше всего использовать ртутный лабораторный термометр с делениями не крупнее одной-двух десятых градуса (погрешность таких термометров, однако, может быть выше и составлять 0,2 и даже 0,5 ^С). Основной диапа­зон — от О до 50 ^С, поэтому может потребоваться еще один термометр для диапазона до 100 ^С, а также в отрицательной области. Но за неимением та­ковых, конечно, можно обойтись и бытовыми спиртовыми или цифровыми термометрами (последние должны иметь выносной датчик), только не следу­ет забывать про их достаточно высокую погрешность, которая во всем диапа­зоне может составлять 1—2 °С.

Категорически не рекомендуется применять для калибровки бытовые метал­лические термометры расширения (с такой спиралькой, соединенной со стрелочкой, они всем знакомы по бытовым газовым или электрическим ду­ховкам) — они могут ошибаться на десятки градусов. Если требуется калиб­ровка при повышенных температурах, то лучше использовать термометры на основе термопары, которыми комплектуются некоторые мультиметры. Прав­да, последние также решительно не годятся для обычного диапазона темпе­ратур, по причине, которую мы рассмотрим далее.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты