Партнеры
Вход в систему
Яндекс.Метрика
on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 8 гостей.

Термометры. Виды. Принцип работы.

Термометр(от греч. therme − тепло и metreo − измеряю) − прибор для измерения температуры. Действие термометра основано на зависимости различных аддитивных физических величин от температуры. При измерении термометр приводится в тепловое равновесие с объектом, температура которого определяется. Бесконтактные высокотемпературные термометры, основанные на измерении параметров оптимального излучения, называются пирометрами.
 В каждом типе термометра непосредственно измеряется определенная физическая величина, связанная с температурой известной зависимостью. которая называется температурной шкалой. Если эта зависимость является следствием второго начала термодинамики, то такой термометр измеряет температуру по термодинамической температурной шкале и термометр называется первичным. Среди первичных термометров наибольшее значение имеет газовый термометр,


 Схема простейшего газового термометра: 1 − баллон, заполненный газом; 2 − соединительная трубка, 3 − измеритель давления (манометр).
действие которого основано на уравнении состояния идеального газа для одного моля газа оно имеет вид

где р − давление газа, V − его объем, Т − температура, R − универсальная газовая постоянная. Газовый термометр − основной прибор при построении Международной практической температурной шкалы. Обычно применяют газовый термометр постоянного объёма, для которого

 Этот термометр обеспечивает точность 2 × 10−5 К в интервале температур от 2 до 400 К. Для учёта отклонений свойств реального газа (гелий) от идеальною измеряют температуру при нескольких давлениях заполнения, а затем экстраполируют к p = 0 или применяют вириальное уравнение состояния:

(В, С − вириальные коэффициенты).
 В точном газовом термометре учитывается наличие газа в трубке, соединяющей колбу с манометром (вредный объём), изменение объёма колбы с температурой, адсорбция газа и примесей в нём стенками колбы и перепад давлений на концах трубки, вызванный разностью температур колбы и манометра (термомолекулярное давление). Газовый термометр постоянного объёма градуируется измерением давления p1 в одной точке, температура которой известна (обычно T1 = 0 °С).
 Первичным термометром, в котором также применяется газ, может служить акустический термометр. Скорость звука u0 в неограниченном пространстве, заполненном идеальным газом, связана с термодинамической температурой формулой

где γ − отношение теплоёмкости газа при постоянном давлении к теплоёмкости при постоянном объёме, М − молекулярная масса газа. Отличие свойств реального газа от идеального учитывается таким же способом, как и в газовом термометре. В реальном акустическом термометре

измеряется скорость звука в трубе акустического интерферометра, учитываются вязкость газа, теплообмен, акустические волны со стенками интерферометра и акустический импеданс излучателя. Найти влияние этих факторов с нужной точностью не удаётся, и акустический термометр при низких температурах (220 К) имеет точность на порядок меньшую, чем газовый. Она может быть повышена в несколько раз при использовании сферического акустического резонатора.
 Первичным может служить термометр, основанный на измерении шумового напряжения на электрическом сопротивлении r, обусловленного тепловыми флуктуациями в нём. Среднее значение квадрата напряжения шумов vср2 связано с температурой формулой Найквиста

где Δf − полоса частот, в которой производится измерение напряжения. Точность шумового термометра обычно не превышает 0,1 %, и его применяют при очень низких (ниже нескольких Кельвин) или при высоких (выше 1000 К) температурах, а также в условиях высокого радиационного фона, когда происходит сравнительно быстрое разрушение любого термометра акустический и шумовой термометр не нуждаются в градуировке, т. к. кельвин входит в газовую постоянную R и в постоянную Больцмана k.
 Для измерения температур ниже нескольких Кельвин часто применяют первичный магнитный термометр

основанный на законе Кюри для идеального парамагнетика. Магнитная восприимчивость такого парамагнетика связана с температурой формулой

(С − константа Кюри).
 При очень низких температурах, когда тепловые возбуждения не могут воспрепятствовать магнитному упорядочению диполей, модель идеального парамагнетика неприменима. Ограничения для использования магнитного термометра при высоких температурах связаны в основном с быстрым падением его чувствительности (~1/Т2).
 К числу наиболее употребительных парамагнитных материалов относятся церий-магниевый нитрат (в интервале температур 0,006 − 3 К), а также медь и платина (при температурах 10−6 − 0,1 К), в которых система диполей образована ядерными магнитными моментами, которые на 3 порядка величины меньше, чем электронные магнитные моменты.
 В реальном магнитном термометре применяется модифицированный закон Кюри:

он позволяет учесть взаимодействие магнитных диполей (Δ δ), наличие составляющей восприимчивости, не зависящей от температуры (А) также геометрические факторы аппаратуры (А, В и Δ). Для нахождения всех констант магнитный термометр приходится градуировать при 4 известных температурах.
 Первичные термометры, как правило, сложны и непригодны для практических измерений, где применяются вторичные термометры, которые градуируют по показаниям первичных термометров. К числу распространённых вторичных термометров относятся жидкостные термометры, в которых используется различие в величинах теплового расширения жидкости и прозрачной оболочки, которую она заполняет. Положение мениска жидкости в капилляре, припаянном к оболочке, определяется температурой, которая отсчитываем по делениям на шкале, расположенной вдоль капилляра.

 Фото с сайта rektor.ru
 Для разных диапазонов жидкостные термометры заполняют пентаном (от −200 до 35 °С), спиртом (от −80 до 80 °С), ртутью (от −35 до 600 °С). Оболочку изготавливают из специальных сортов стекла и подвергают старению, а для точных и высокотемпературных термометров − из кварцевого стекла.
 Высокотемпературные ртутные термометры заполняют азотом под давлением 120 атм. − для предотвращения перегонки ртути в свободный более холодный конец капилляра. При точных измерениях учитывается температура ртути в капилляре, для чего ртутные термометры погружают в измеряемую среду целиком или до уровня жидкости в капилляре или вводится поправка на выступающий столбик ртути, температура которого измеряется отдельным термометром. Точность лучших ртутных термометров при измерениях температуры до 100 °С достигает нескольких мК (10−3 К). Жидкостные термометры непригодны для автоматических измерений и постепенно вытесняются электрическими.
 Из электрических термометров наиболее распространены термометры сопротивления.

 Фото с сайта tonometr.apee.ru
 Их действие основано на зависимости сопротивления чистых металлов от температуры. В металлах она обусловлена рассеянием электронов проводимости на тепловых колебаниях решётки и в основном линейна. При температурах ниже 20 К, где сказывается рассеяние электронов на дефектах структуры, и при высоких температурах, когда возникают дополнит, вакансии, зависимость сопротивления от температуры перестаёт быть линейной.
В металлическом термометре сопротивления чаще всего при меняются высокочистые платина, медь и никель.

 Чувствительный элемент металлического термометра изготовляют из проволоки, укреплённой на изолирующем каркасе, или из металлической плёнки, нанесённой на подложку, и, как правило, помещают в защитный кожух. Для получения стабильных показаний проволока укладывается на каркасе свободно, с ТЕМ чтобы избежать её деформаций вследствие различий теплового расширения проволоки и каркаса. Чувствительный элемент отжигается, и проволока становится очень мягкой. Для платиновых эталонных термометров, воспроизводящих Международную температурную шкалу, применяется проволока, в которой примеси не обнаруживаются при спектральном анализе, а отношение сопротивлений термометра при 100 °С и при 0 °С для таких термометров должно быть не менее 1,3925. Эталонные платиновые термометры имеют точность от 1 до 10 мК. В технических металлических термометрах проволока закреплена жестко, что обеспечивает прочность прибора, но приводит к падению точности до 0,11 К.

 Эталонные платиновые термометры в кварцевом корпусе, мод. Fluke 5681.
 фото с сайта flukerussia.ru
 При низких температурах (до 0,5 К) наиболее точны термометры из сплавов, содержащих небольшое (0,5 %) количество магнитного металла (например, сплав родия с железом или сплав платины с кобальтом). Зависимость от температуры у этих термометров связана с дополнительным рассеянием электронов проводимости на магнитной примеси, при котором спин электрона меняет направление (эффект Кондо), и с постепенным упорядочением ориентации магнитных моментов примеси при понижении температуры. Такие термометры в области температур ниже 14 К обладают чувствительностью в сотни раз большей, чем платиновые. Стабильность их очень высока, поскольку прочность отожжённой проволоки из таких сплавов гораздо выше, чем прочность платиновой проволоки.
 Термометры использующие температурную зависимость полупроводников, очень разнообразны и применяются при низких температурах.

 фото с сайта mc-mutlu.de
 Часто используются термометры из германия, легированного сурьмой или мышьяком, с добавлением до 10 % акцепторной примеси. При этом ширина запрещённой зоны снижается до сотых долей эВ и при температурах ниже 100 К все примесные атомы ионизованы. При понижении температуры число ионизованных атомов и соответственно электронов в зоне проводимости экспоненциально уменьшается и при 10 К становится пренебрежимо малым. При более низких температурах проводимость полупроводника не связана со свободными электронами, она продолжает падать экспоненциально, но по иному закону. Чувствительность германиевых термометров очень высока, их сопротивление меняется на десятки процентов при изменении температуры на 1 К вблизи 20 К и на сотни процентов вблизи 2 К. Полупроводниковые термометры различаются по основному веществу, легирующим материалам, их концентрациям и способам легирования.
 Широко распространены также термометры из углеродных материалов (для измерения температур от 0,01 до 10 К), термисторы из окисей мaгния, никеля и кобальта, из окисей редкоземельных элементов (для температур до 1000 К). Сопротивление этих термометров растёт с понижением температуры. Их проводимость обусловлена преодолением электронами энергетического барьера на границах зёрен. Углеродные термометры чувствительны к присутствию адсорбированною на границах зёрен атмосферного кислорода, поэтому чувствительные элементы таких термометров герметизируются.
 Применяются также термометры, основанные на температурной зависимости ЭДС термопар, электрической ёмкости ceгнетоэлектрика, падения напряжения на полупроводниковом диоде, резонансной частоты пьезокварца, давления плавления гелия-3 (от 1 мК до 0,5 К) и т. д.

Рисунок с сайта zetlab.ru
 Термометры различаются по условиям их применения: метеорологические, медицинские, глубоководные, инкубаторные и др.
 Литература: Температурные измерения. Справочник, 2 изд. К., 1989; Куини Т. Температура, пер. с англ., М., 1985. Д. И. Астров.


Физические явления, интересные физические вопросы, о физике интересно
Качественные задачи и вопросы по физике
Электронный учебник физики для профильника
Нобелевские лауреаты по физике.