Термометрія

Термометрія (від термо … і … метрія) — розділ прикладної фізики, присвячений розробці методів і засобів вимірювання температури. Термометрія є також розділом метрології, в її завдання входить забезпечення єдності і точності температурних вимірів: встановлення температурних шкал, створення еталонів, розробка методик градуювання та повірки приладів для вимірювання температури.

Способи і засоби вимірювання температури

Температура не може бути виміряна безпосередньо. Про її зміну судять по зміні інших фізичних властивостей тіл (об'єму, тиску, електричного опору, ерс, інтенсивності випромінювання тощо), пов'язаних з температурою певними закономірностями. Тому методи вимірювання температури є по суті методами вимірювання зазначених вище термометричних властивостей, які повинні однозначно залежати від температури і вимірюватися досить просто і точно. При розробці конкретного методу або приладу необхідно вибрати термометричну речовину, у якій відповідна властивість добре відтворюється і досить сильно змінюється з температурою.

Для вимірювання температури (при будь-якому методі) необхідно визначити температурну шкалу.

Методи вимірювання температури різноманітні, вони залежать від принципів дії використовуваних приладів, діапазонів вимірюваних температур, умов вимірювань і необхідної точності. Їх можна розділити на дві основні групи:

• контактні методи — власне термометрія,
• безконтактні методи — Термометрія випромінювання, або пірометрія.

Загальним і істотним для всіх контактних методів вимірювання температури є те, що всякий прилад, що вимірює температуру середовища, повинен перебувати з нею в тепловій рівновазі (див. Температура), тобто мати однакову з середовищем температуру.

Термометри

Основними вузлами всіх приладів для виміру температури є: чутливий елемент, де реалізується термометрична властивість, і пов'язаний з ним вимірювальний прилад, який вимірює чисельні значення цієї властивості.

У газовій термометрії термометричною властивістю є температурна залежність тиску газу (при постійному об'ємі) або об'єму газу (при постійному тиску), відповідно розрізняють — газовий термометр постійного об'єму і газовий термометр постійного тиску. Термометрична речовина в цих термометрах — газ, що наближається за своїми властивостями до ідеального. Рівняння стану ідеального газу pV = RT встановлює зв'язок абсолютної температури Т з тиском р (при постійному об'ємі V) або Т з об'ємом V (при постійному тиску). Газовим термометром вимірюють термодинамічну температуру. Точність приладу залежить від ступеня наближення використовуваного газу (азот, гелій) до ідеального.

У конденсаційних термометрах термометричною властивістю є температурна залежність тиску насиченої пари рідини. Чутливий елемент — резервуар з рідиною і знаходяться з нею в рівновазі насиченими парами — сполучений капіляром з манометром. Термометричні речовини — зазвичай низькокиплячі гази: кисень, аргон, неон, водень, гелій. Для обчислення температури по виміряному тиску користуються емпіричними співвідношеннями. Діапазон застосування конденсаційного термометра обмежений. Високоточні термометри (до 0,001 град) служать для реалізації реперних точок (див. Міжнародна практична температурна шкала).

У термометрах рідинних термометричною властивістю є теплове розширення рідин, термометричною речовиною — головним чином ртуть. При визначенні температури не виробляють вимірювань об'єму рідини; для цього при виготовленні калібрують капіляр термометра в ° С, тобто по його довжині наносять відмітки з інтервалами, відповідними зміні об'єму при заданій зміні температури. Точність термометра залежить від точності калібрування.

У термометрах манометричних, які є приладами технічного застосування, використовуються ті ж термометричні властивості, що і в рідинних або газових термометрах.

У термометрах опору термометричною властивістю є температурна залежність електричного опору чистих металів, сплавів, напівпровідників; термометричної речовини вибираються залежно від області температурних вимірювань і необхідної точності. Для визначення температури по виміряному електричному опору користуються емпіричними формулами або таблицями. Термометри для точних вимірювань (платина, легований германій) градуюються індивідуально.

У термометрах термоелектричних з термопарою чутливий елемент — термопара; термометричні речовини різноманітні і вибираються в залежності від області застосування і необхідної точності. Для визначення температури по виміряної едс також користуються емпіричними формулами або таблицями. У зв'язку зі специфікою термоелектричного термометра (диференціального приладу) його точність залежить від точності підтримки і виміру температури одного зі спаїв термопари («реперного» спаю).

Вторинні прилади

Вимірювальні прилади, якими визначають чисельні значення термометричних властивостей (манометри, потенціометри, логометри, мости вимірювальні, мілівольтметри і т. д.), називаються вторинними приладами. Точність вимірювання температури залежить від точності вторинних приладів. Термометри технічного застосування зазвичай індивідуально не градуюються і комплектуються відповідними вторинними приладами, шкала яких нанесена безпосередньо в ° С.

У діапазоні кріогенних (нижче 90 К) і наднизьких (нижче 1 К) температур, крім звичайних методів виміру температур, застосовуються специфічні — магнітна термометрія (діапазон 0,006-30 К; точність до 0,001 град); методи, засновані на температурній залежності ефекту Мессбауера і анізотропії g-випромінювання (нижче 1 К), термошумовий термометр з перетворювачем на ефекті Джозефсона (нижче 1 К). Особливою складністю термометрії в діапазоні наднизьких температур є здійснення теплового контакту між термометром і середовищем.

Для забезпечення єдності і точності температурних вимірів служить Державний еталон одиниці температури — кельвін, що дозволяє в діапазоні 1,5-2800 К відтворювати Міжнародну практичну температурну шкалу (МПТШ) з найвищою досяжною в даний час точністю. Шляхом порівняння з еталоном значення температур передаються зразковим приладам, по яких градуюються і перевіряються робочі прилади для вимірювання температури. Зразковими приладами є германієві (1,5 — 13,8 К) і платинові [13,8-903,9 К (630,7 ° С)] термометри опору, платинородій (90% Pt, 10% Rd) — платинова термопара (630,7-1064,4 ° С) і оптичний пірометр (вище 1064,4 ° С).

Приклади застосування у техніці

Термометричні методи слід використовувати, наприклад, для реєстрації змін температурного поля свердловини, які викликані перетіканнями газу:

— для визначення місця витікання газу в заколонний простір і вторинних газонакопичень в заколонному просторі;

— для оцінки працюючих інтервалів (визначення інтервалів припливу та поглинання газу);

— для визначення місць та інтервалів водоприпливу в стовбур свердловини;

— для визначення герметичності свердловинного обладнання (пакера).

Див. також

• Термометр

Джерела

• Термометрия

Інтернет-ресурси

• http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Thermography?uselang=uk