4.2 Термометры и их виды

Термометр – устройство, используемое для измерения температуры данного тела путем сравнения с опорными значениями, условно выбранными за точки отсчета и позволяющими установить шкалу измерений. При этом в разных термометрах используются разные связи между температурой и каким-то наблюдаемым свойством прибора, которое можно считать линейно зависящим от температуры.

В общеизвестном ртутном термометре значение температуры определяется по высоте подъема столбика ртути в капилляре. Градуировка этого термометра использует тот факт, что увеличение объема ртути прямо пропорционально температуре. Наиболее распространена в быту шкала Цельсия, в которой за начало отсчета температуры (0 °С) принимается температура тающего льда, а второй опорной точкой (100 °С) является температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Интервал между этими опорными точками делится на градусы.

В термопаре используется зависимость тока, проходящего через контакт двух металлов, от температуры контакта. Один из контактов погружается в тело с опорной температурой (например, в тающий лед, температура которого условно принята за нуль), другой – в исследуемое тело. По разности потенциалов между контактами можно судить о температуре исследуемого тела. По существу, аналогично действует термометр на сопротивлении, в котором используется зависимость сопротивления проводника от температуры.

Работа термометра используемого в работе основана на измерении электрического сопротивления чувствительного элемента датчика и последующем преобразовании его в значение температуры в соответствии с уравнением Каллендара - Ван Дусена:

R_t=R₀·[1+A·t+B·t²+C·(t-100ºC)·t³] (3)

где R_t и R₀ – значения сопротивлений чувствительного элемента датчика при измеряемой температуре и 0 °С соответственно; A, B, C – индивидуальные градуировочные коэффициенты, устанавливаемые предприятием-изготовителем в процессе градуировки термометра, могут модифицироваться поверителем при проведении периодической поверки.

При измерении положительных температур, то есть при R_t>R₀, коэффициент С принимается равным нулю и уравнение (3) приводится к виду:

R_t=R₀·(1+A·t+B·t²) (4)

В качестве чувствительного элемента датчика используется миниатюрный пленочный платиновый термометр сопротивления, нанесенный на керамическую подложку. Чувствительный элемент отличается хорошей воспроизводимостью температурной характеристики и долговременной стабильностью.

Результаты измерений выводятся на жидкокристаллический индикатор. Для регистрации результатов измерений во времени термометр может быть подключен к компьютеру посредством кабеля связи, входящего в комплект поставки термометра. Программное обеспечение, также входящее в комплект поставки термометра, позволяет фиксировать результаты измерений, как в графическом, так и в текстовом виде. Кроме этого, программное обеспечение позволяет корректировать градуировочные коэффициенты для уравнения (4), что может потребоваться при проведении периодической поверки.

Конструктивно термометр выполнен в виде переносного прибора, общий вид которого представлен на рисунке 2, где:

1 - пластиковый корпус электронного блока термометра;

2 - разъем датчика температуры;

3 - датчик температуры;

4 - жидкокристаллический индикатор;

5 - разъем для подключения кабеля связи с компьютером;

6 - кнопка включения питания термометра.

В пластиковом корпусе 1 находятся: электронные элементы измерительной схемы термометра, индикатор, соединительные разъемы и элементы питания.

Датчик температуры 3 выполнен в виде щупа из нержавеющей стали, подключаемого к электронному блоку через 4-х контактное разъемное соединение 2. Он может подключаться к электронному блоку как непосредственно, так и через кабель-удлинитель из комплекта поставки термометра.

Результаты измерений температуры выводится на жидко-кристаллический индикатор 4. Кроме этого, при разряде питающих элементов ниже допустимого уровня, в левом верхнем углу индикатора 4 появляется символ «LB» - сигнал к замене элементов питания.

Для подключения термометра к компьютеру служит разъем 5, к которому присоединяется соответствующий разъем кабеля связи.

При использовании программного обеспечения из комплекта поставки, термометр может применяться для регистрации температурных зависимостей с целью их последующей обработки сторонними средствами. Кнопка 6 предназначена для включения и выключения питания термометра.

В газовом термометре постоянного объема используется экспериментальный факт, заключающийся в том, что при постоянном объеме давление газа пропорционально температуре.

Сначала термометр, состоящий из герметичной колбы с газом, соединенной с манометром для измерения давления газа в колбе, приводится в тепловой контакт с системой 1. После установления теплового равновесия система 1 и термометр обладают общей температурой Т₁. В этот момент измеряется давление р₁ газа в колбе. Затем то же самое повторяется с системой 2. Так как температура пропорциональна давлению, то Т₂/Т₁ = р₂/р₁. Остается только выбрать шкалу, заключив соглашение, чему равна температура какого-то выделенного состояния конкретной системы, без труда допускающего воспроизведение. По договоренности за опорную точку принимают тройную точку воды. (см. п. 4.1)