Что такое температура? Как правильно измерять температуру? Что выбрать: термосопротивление или термопару? Советы по применению
Измерение температурыИз четырёх величин Международной системы единиц (СИ), неразрывно связанных с человеческой деятельностью: массой, длиной, временем и температурой, последняя оставалась полной загадкой для человечества вплоть до 18 века. Но и сегодня немногие, пользующиеся различными средствами измерения температуры, понимают, что же они измеряют.
То же давление легко воспринимается, так как оно связано с силой и может быть без труда определено количественно. С температурой невозможно связать количественную величину. В быту мы оцениваем температуру по ощущениям: горячо, тепло, холодно. Казалось бы, если одно тело горячее другого, то и его температура должна быть больше. Но это не так.
Забегая вперёд можно сказать, что совершенно обратная ситуация творится с влажностью воздуха. Очень трудно определить влажность воздуха по своим ощущениям. В то же время эта характеристика прекрасно понимается в количественном выражении. Грубо — это количество молекул воды в единице объёма. (См. статью: Что такое влажность воздуха? Как правильно измерять влажность? Давление водяного пара. Таблицы и примеры расчета.)
Существуют несколько определений температуры. Но мы воспользуемся здесь одним, который наиболее близок людям, занимающимся практическими измерениями и исходит из нулевого закона термодинамики. По нему если два тела находятся в состоянии теплового равновесия, то они имеют одинаковую температуру. Таким образом, если мы обеспечим хороший тепловой контакт термометра с измеряемой средой, то по прошествии некоторого времени, необходимого для установления теплового равновесия, температуры термометра и среды будут одинаковы. Естественно, что данный вывод будет верен, только если наша система изолирована от других тел и не совершается никакой работы. Ну, а само понимание физической природы температуры приходит только после изучения статистической механики, где температура представлена как мера кинетической энергии тела.
Принято считать, что первый термометр, работающий на расширении воздуха, был изобретён Галилеем примерно в 1592 г. А в 1641 году появился первый, реально работающий спиртовой стеклянный термометр, созданный герцогом Тосканским. С этого момента началось быстрое развитие термометрии. В начале 18-ого века Фаренгейт первым изготовил ртутный стеклянный термометр и предложил температурную шкалу, в которой одной из фиксированных точек служила температура человеческого тела, которую он принял за 96 градусов, а другой — температура таяния льда -32 градуса. Ну, а кульминационной точкой в развитии практической термометрии явилось принятие в 1927 году Международной температурной шкалы МТШ-27. В дальнейшем температурная шкала совершенствовалась и расширялась практически до 0 К.
Температура — параметр, который можно измерить только косвенно, по изменению других физических параметров. Термометрию различают на первичную и вторичную. В первичной термометрии температура явно описывается через другие физические параметры, например для газовых термометров это давление и объём. Примерами вторичных термометров являются термометры сопротивления и термопары. В промышленности термометры сопротивления и термопары являются основными средствами контроля температуры, закрывая диапазон измерения от минус 200 до + 2500⁰С и более.
Термометры сопротивления
Основной стандарт в странах таможенного союза, устанавливающий общие технические требования к техническим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651–2009. Он практически полностью соответствует МЭК 60751. Ниже приведены некоторые параметры из этого документа.
Таблица 1.
| Тип ТС | Обозначение | Температурный коэффициент, a | Класс допуска | Сопротивление при 0⁰С, Ом |
| Платиновый | Pt | 0,00385 | АА, А, В, С | 10,50,100,500,1000 |
| П | 0,00391 | |||
| Медный | М | 0,00428 | А, В, С |
| Класс допуска | Допуск, ⁰С | Диапазон измерений (максимальный), ⁰С | ||
| Платиновый ТС | Медный ТС | |||
| Проволочный ЧЭ | Плёночный ЧЭ | - | ||
| АА | ±(0,1+0,0017Т) | -50…+250 | 0…+150 | |
| А | ±(0,15+0,002Т) | -100…+450 | -30…+300 | -50…+120 |
| В | ±(0,3+0,005Т) | -196…+660 | -50…+500 | -50…+200 |
| С | ±(0,6+0,01Т) | -196…+660 | -50…+600 | -180…+200 |
Также следует обращать внимание на максимальный измерительный ток. Например, для термометров сопротивления, изготовленных из проволоки диаметром 30 мкм уже при токе 0,2мА становится заметным явление саморазогрева от протекающего тока, а значит, использование таких термометров с большинством измерительных приборов становится невозможным. Обычно диаметр используемой проволоки определяется исходя из диаметра зонда, в который будет устанавливаться проволочный чувствительный элемент. Например, для зонда диаметром 2 мм используют проволоку диаметром 30 мкм, 4 мм — 40 мкм, 5…6 мм — 50 мкм, 8…10 мм- 80 мкм.
Большое значение имеет схема соединения проводников термосопротивления. Различают три основных схемы: 2-х, 3-х и 4-х проводную.
В трёхпроводной схеме подключения автоматически из полного сопротивления вычитается сопротивление внешних проводов. Но это только в случае, если сопротивление проводников 1 и 2 трёхпроводной схемы равны между собой. Тем не менее, 3-х проводная схема подключения термосопротивлений на сегодняшний момент является самой популярной. Практически все вторичные приборы (измерители, регуляторы) имеют входные цепи, рассчитанные под эту схему. Трёхпроводная схема позволяет увеличить расстояние от датчика до прибора до 50…100 метров. При этом не обязательно, чтобы сам термометр сопротивления был изготовлен по 3-х проводной схеме. Можно использовать и датчики с двумя клеммами, подключив к одной клемме один провод, а ко второй — два.
Четырёхпроводная схема используется в основном только для точных измерений и в эталонных приборах. Данная схема позволяет автоматически компенсировать влияние на результат измерения не только сопротивления проводников, но и ЭДС в местах контактов.
Советы при выборе и монтаже термометров сопротивления
При экспресс контроле температуры поверхности теплоёмкость датчика должна быть минимальной. Дело в том, что самое большое зло при контактном способе измерения температуры поверхности состоит в том, что датчик уменьшает температуру поверхности в месте установки. Процесс восстановления начальной температуры может идти очень долго, что зачастую приводит к неправильным результатам и выводам. Примером может служить ситуация с «занижением» показаний медицинских электронных термометров.
Термопары
По сравнению с термометрами сопротивления термопары обладают рядом очень больших преимуществ и таких же больших недостатков. По большому счёту эти два класса приборов очень органично дополняют друг друга. И задача киповца — определить, какой датчик температуры ему нужен для той или иной задачи.
Технические требования, классификация, методы испытаний преобразователей термоэлектрических приведены в ГОСТ 6616–94. Номинальные статические характеристики приведены в ГОСТ Р 8.585−2001. В Таблице 3 представлены технические параметры наиболее применяемых в России термопар.
Таблица 3.
| Тип ТП | Обозн. типа | Маркировка цветовая оболочки и жил +/- | Диап. измер., ⁰С | Класс допуска, пределы допускаемого отклонения для диапазона измерения,⁰С | Температура, ⁰С и чувствительность, мкВ/С | ||||
| IEC 584−3 | ANSI MC96−1 | ||||||||
| Медь-константан ТМКн | Т | Кор. красн/бел | Син. син/ красн | -200…+350 | 1 | ±0,5 | — 40…+125 | -200 0 100 | 15 39 46 |
| ±0,004Т | +125…+350 | ||||||||
| 2 | ±1,0 | — 40…+133 | |||||||
| ±0,0075Т | +133…+350 | ||||||||
| 3 | ±0,015Т | — 200… -67 | |||||||
| ±1,0 | -67…+40 | ||||||||
| Хромель-копель ТХК | L | - | - | -200… +800 | 2 | ±2,5 | — 40…+ 300 | -200 0 100 500 | 22 62 72 87 |
| ±0,0075Т | +300…+ 800 | ||||||||
| 3 | ±0,015Т | -200… — 100 | |||||||
| ±2,5 | -100… +100 | ||||||||
| Хромель-алюмель ТХА | K | Зел. зел/ бел | Жёл. жёл/ красн | -200…+1300 | 1 | ±1,5 | -40…+375 | -200 0 100 500 1000 | 15 39 41 42 39 |
| ±0,004Т | +375…+1000 | ||||||||
| 2 | ±2,5 | -40… + 333 | |||||||
| ±0,0075 | +333…+1200 | ||||||||
| 3 | ±0,015Т | -200…-167 | |||||||
| ±2,5 | -167…+ 40 | ||||||||
| Платинородий-платина ТПП13 ТПП 10 | R S | Жёл. жёл/ бел | Зел. чёрн/ красн | 0…+1600 | 1 | ±1,0 | 0…+1100 | 0 100 500 1000 | 5 7,5 11 13 |
| ±(1+0,003 (Т-1100)) | +1100…+1600 | ||||||||
| 2 | ±1,5 | 20…+600 | |||||||
| ±0,0025Т | +600…+1600 | ||||||||
| Платинородий-платинородий ТПР | B | _ | Чёрн. чёрн/ красн | +600… +1700 | 2 | ±0,0025Т | +600…+1700 | 0 100 500 1000 1500 | -0,2 1 5 9 11 |
| 3 | ±4,0 | — +600…+800 | |||||||
| ±0,005Т | +800…+1700 | ||||||||
| Вольфрамрений-вольфрамрений ТВР | А-1 А-2 А-3 | _ | _ | 0…+2500 | 2 | ±0,005Т | +1000…+2500 | 0 500 1000 1500 2000 | 12 17 15 13 10 |
| 3 | ±0,007Т | +1000…+2500 | |||||||
| Индивид. | 0…+1000 | ||||||||
Термопары имеют очень большой диапазон рабочих температур. При этом, чем больше максимальная рабочая температура термопары, тем меньше её чувствительность. С этим фактом связан большой ассортимент применяемых термопар. При помощи термопар можно измерять температуру очень маленьких объектов. Для этого достаточно сварить между собой две термоэлектродные проволоки маленького диаметра. Естественно, что такая термопара имеет и очень незначительную инерционность. Термопара из недрагоценных металлов малой длины дешевле термосопротивления. Однако при увеличении длины стоимость её значительно возрастает. В то же время термопары значительно уступают термосопротивлениям в точности измерения. Связано это с рядом причин. Сигнал с термопары значительно более нелинеен. Для получения абсолютной измеренной температуры необходимо знать температуру холодного спая термопары. А это означает, что общая погрешность измерения сложится из двух: погрешности измерения разности температур рабочего и холодного спая термопары и погрешности измерения температуры холодного спая. На практике же всё ещё сложнее. Очень непросто измерить с хорошей точностью температуру выводов термопары на входе вторичного прибора. На практике эта погрешность составляет около 1⁰С. При измерении высоких температур значение данной погрешности несколько нивелируется.
Советы по выбору и применению термопар
Для использования в диапазоне до +200⁰С лучше применять платиновые или медные термосопротивления. В случае контроля температуры очень небольшого объекта малой теплоёмкости можно использовать термопару медь-константан, которая замечательна тем, что очень легко сваривается над поверхностью раствора медного купороса, имеет самую высокую чувствительность и очень низкую стоимость.
Для измерения температуры вплоть до +1700⁰С применяют термопары, изготовленные из драгоценных металлов платиновой группы. Они отличаются высокой стабильностью параметров, но имеют крайне низкую чувствительность при низких температурах и очень высокую стоимость. Наиболее высокотемпературные термопары — вольфрам-рениевые. Но они не могут работать в окислительной атмосфере при температуре уже выше 500⁰С. Оболочку этих датчиков необходимо наполнять инертным газом. Так как герметичный корпус для высоких температур изготовить проблематично, то для продолжительной работы по внутренней полости этих термопар постоянно пропускают инертный газ.
Для контроля температуры поверхности или воздуха лучше применять гибкую термопару без защитного чехла. Для контроля поверхности нужно обеспечить хороший тепловой контакт с поверхностью не только рабочего конца термопары, но и термоэлектродов на расстоянии не менее 50 мм, чтобы уменьшить теплоотвод от места контроля. При использовании термопары при высокой температуре в окислительной или агрессивной атмосфере может наблюдаться деградация параметров, связанная с окислением и изменением химического состава термоэлектродов. Необходимо периодически контролировать качество термопары хотя бы по её полному сопротивлению постоянному току. Для использования в экстремальных условиях в течение непродолжительного времени существуют ТП разового применения и ТП кратковременного применения.