ЖУРНАЛ СТА №1/1999

82 1/99 В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА CTA Введение С понятиями «температура», «измерение температуры», «термометр» мы постоянно сталкиваемся как при рас- смотрении физических или химических процессов в науке и производстве, так и в быту, когда ставим больному градус- ник или смотрим на спиртовой термометр за окном чтобы узнать, надевать ли теплое пальто. Однако обычно при этом под температурой мы понимаем просто степень нагретости тела и не задумываемся о том, что же такое температура с физической точки зрения. Между тем для точного измере- ния температуры в рамках какого-либо технологического процесса или научного эксперимента необходимо правиль- но построить измерительную систему с учетом всех влияю- щих факторов. Предметом данной статьи является техни- ка измерения температуры применительно к АСУ ТП и дру- гим контрольно-измерительным электронным системам. Немного теории Для корректного изложения вопросов измерения тем- пературы необходимо дать ее точное физическое опреде- ление. Итак, температура —физическая величина, количественно ха- рактеризующая меру средней кинетической энергии тепло- вого движения молекул какого-либо тела или вещества. Из определения температуры следует, что она не может быть измерена непосредственно и судить о ней можно по изменению других физических свойств тел (объема, дав- ления, электрического сопротивления, термоЭДС, интен- сивности излучения и т.д.). В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения), применяемые в основном для измерения очень высоких температур. В первую, более обширную группу входят жид- костные, манометрические, термоэлектрические термо- метры, термометры сопротивления и др. Для измерения криогенных температур используются также газовые, аку- стические и магнитные термометры. Кроме того, в систе- мах, не требующих высокой точности измерений, в определенном диапазоне температур широко используются по- лупроводниковые датчики температу- ры на диодах, транзисторах и специ- альных интегральных микросхемах. Немного истории Первое достоверно известное устрой- ство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явле- ние изменения объема газа при нагре- вании и охлаждении. Однако этот при- бор (и последующие аналоги) имел Измерение температуры: теория и практика Виктор Гарсия большой недостаток: его шкала была относительной и по- казания не могли быть выражены в численной форме. Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Г. Фаренгейтом (G. Fah- renheit) в начале 18 века первой температурной шкалы, на- званной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0°F) он использовал тем- пературу замерзания солевого раствора, самую низкую вос- производимую в то время, а в качестве верхней точки— тем- пературу тела человека (96°F—в старину было удобнее считать дюжинами). Сам изобретатель определял вторую эталонную точку как температуру под мышкой здорового англичанина. Привычная нам десятичная температурная шкала была предложена А. Цельсием (A. Celsius) в 1742 году. В качестве опорных точек для нее используются температура плавле- ния льда (0°C) и температура кипения воды (100°C). Нако- нец, в начале 19 века английским ученым лордом Кельви- ном (Kelvin) была предложена универсальная абсолютная термодинамическая температурная шкала, ставшая стан- дартной в современной термометрии. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля температу- ры. Перевести температуру из одной шкалы в другую мож- но с помощью следующих простых соотношений: T(°C)= 5 _ 9 (T(°F) - 32) T(K)=T(°C) + 273,15 Таким образом, 0°C соответствует 32°F и 273,15 К, а 100°C— 212°F и 373,15 К. Выбор между этими опорными точками 100 делений у шкалы Цельсия и 180 делений у шкалы Фа- ренгейта является чисто условным (как, впрочем, и выбор самих опорных точек). Для обеспечения единства измере- ний температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Темпе- ратурная Шкала МПТШ-68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS-90), использующая в качестве опорных точек темпера- туры изменения агрегатного состояния определенных ве- ществ, которые могут быть воспроизведены. Кроме того, стандарт определяет типы образцовых средств измере- ния во всем диапазоне температур. Перечень основных фиксированных точек МПТШ-68 приведен в таблице 1. Таблица 1. Перечень основных фиксированных точек МПТШ-68 Наименование Температура, К Образцовое средство измерения свыше 1337,58 К — Точка затвердевания золота 1337,58 спектральный пирометр от 903,89 К до 1337,58 К — Точка затвердевания серебра 1235,08 термопара платина/платина-родий (10% Rh) Точка затвердевания цинка 692,73 Точка кипения воды 373,15 Тройная точка воды 273,16 от 13,81 К до 903,89 К — Точка кипения кислорода 90,188 платиновый термометр Тройная точка кислорода 54,361 сопротивления Точка кипения неона 27,102 Точка кипения равновесного водорода20,28 Тройная точка равновесного водорода 13,81