Измерение температуры: теория и практика

Введение

С понятиями «температура», «измерение температуры», «термометр» мы постоянно сталкиваемся как при рассмотрении физических или химических процессов в науке и производстве, так и в быту, когда ставим больному градусник 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 измерения температуры в рамках какого-либо технологического процесса или научного эксперимента необходимо правильно построить измерительную систему с учетом всех влияющих факторов. Предметом данной статьи является техника измерения температуры применительно к АСУ ТП и другим контрольно-измерительным электронным системам.

Немного теории

Для корректного изложения вопросов измерения температуры необходимо дать ее точное физическое определение. Итак, температура — физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового 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, давления, электрического сопротивления, термоЭДС, интенсивности 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 жидкостные, манометрические, термоэлектрические термометры, термометры сопротивления и др. Для измерения криогенных температур используются также газовые, акустические магнитные термометры. Кроме того, в системах, не требующих высокой точности измерений, в определенном диапазоне температур широко используются полупроводниковые датчики температуры на диодах, транзисторах и специальных интегральных микросхемах.

Немного истории

Первое достоверно известное устройство для измерения температуры было создано Г. Галилеем около 1595 г. Этот прибор (термоскоп) использовал явление изменения объема газа при нагревании и охлаждении. Однако этот прибор (и последующие аналоги) имел практика большой недостаток: его шкала была относительной и показания не могли быть выражены в численной форме.

Крупным шагом в развитии термометрии было введение изобретателем ртутного термометра Г.Фаренгейтом (G. Fahrenheit) в начале 18 века первой температурной шкалы, названной его именем, опирающейся на две опорные точки. В качестве нижней опорной точки (0°F) он использовал температуру замерзания солевого раствора, самую низкую воспроизводимую в то время, а в качестве верхней точки - температуру 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 плавления льда (0°C) и температура кипения воды (100°C). Наконец, в начале 19 века английским ученым лордом Кельвином (Kelvin) была предложена универсальная абсолютная термодинамическая температурная шкала, ставшая стандартной в современной термометрии. Одновременно Кельвин обосновал понятие абсолютного нуля температуры. Перевести температуру из одной шкалы в другую можно с помощью следующих простых соотношений:



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 Фаренгейта является чисто условным (как, впрочем, и выбор самих опорных точек). Для обеспечения единства измерений температуры в качестве международного стандарта в 1968 году принята Международная Практическая Температурная Шкала МПТШ-68 (в настоящее время в качестве стандарта принята уточненная в 1990 году версия шкалы ITS-90), использующая в качестве опорных точек температуры изменения агрегатного состояния определенных веществ, которые могут быть воспроизведены. Кроме того, стандарт определяет типы образцовых средств измерения во всем диапазоне температур. Перечень основных фиксированных точек МПТШ-68 приведен в таблице 1.

Термопары

Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т. Зеебеком (T. Seebeck) в 1821 г. и состоит в следующем. Если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (рис. 1), и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток.

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0°С) и измеряя этот ток или напряжение, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.

На практике не обязательно устраивать ледяную ванну рядом с каждой термопарой. Существует несколько программных и аппаратных способов обеспечения точности измерений с помощью термопар, из которых наибольшее распостранение получил метод схемы компенсации холодного спая. Суть его заключается во введении в измерительную цепь источника напряжения с ЭДС равной по величине и противоположной по знаку термоЭДС.

Обычно такие устройства уже входят в состав готовых измерительных модулей и контроллеров для подключения термопар, и у пользователя не возникает необходимости создавать и настраивать их самому. Итак, мы точно измерили термоЭДС нашей термопары. Теперь остался последний шаг: преобразовать эту термоЭДС в температуру. К сожалению, у большинства термопар зависимость термоЭДС от температуры в некоторых диапазонах имеет нелинейный характер (рис. 12).

Основная причина этого — зависимость коэффициента Зеебека от температуры, примерный вид которой показан на рис. 13.

Для достижения высокой точности измерений термопарного термометра во всем диапазоне рабочих температур необходима его калибровка. Простейший (и, кстати, наиболее точный) метод калибровки заключается в составлении и размещении в памяти ЭВМ таблицы соответствия значений термоЭДС и температуры, измеренной с помощью образцового термометра. Единственным серьезным недостатком табличного метода является его высокая ресурсоемкость (при широком температурном диапазоне требуется очень большой объем таблицы). Наряду с табличной используется также полиномиальная апроксимация Т = A0 + A1X + A2X2 + A3X3+…+ AnXn Здесь Т — температура, Х — выходное напряжение термопары. Коэффициенты Аj и порядок полинома n определяются по градуировочным таблицам для каждого типа термопары.