Измерение температуры
Из четырёх величин Международной системы единиц (СИ), неразрывно связанных с человеческой деятельностью: массой, длиной, временем и температурой, последняя оставалась полной загадкой для человечества вплоть до 18 века. Но и сегодня немногие, пользующиеся различными средствами измерения температуры, понимают, что же они измеряют.

То же давление легко воспринимается, так как оно связано с силой и может быть без труда определено количественно. С температурой невозможно связать количественную величину. В быту мы оцениваем температуру по ощущениям: горячо, тепло, холодно. Казалось бы, если одно тело горячее другого, то и его температура должна быть больше. Но это не так.

Попробуйте взять в разогретой сауне в руку деревянный ковшик и металлический ковшик. Совершенно разные ощущения, хотя температура одна. Но если мы хотим сравнить температуру одинаковых по своей природе объектов, то можем сделать это с высокой точностью.

Рукой можно определить, повышена ли температура другого человека, т. е. фактически измерить её с точностью ±0,5⁰С. Также находясь в помещении можно с точностью до 1…2⁰С определить её температуру. Человек хорошо чувствует этот физический параметр и в то же время мало кто сможет чётко сказать, что же это такое — температура.

Забегая вперёд можно сказать, что совершенно обратная ситуация творится с влажностью воздуха. Очень трудно определить влажность воздуха по своим ощущениям. В то же время эта характеристика прекрасно понимается в количественном выражении. Грубо — это количество молекул воды в единице объёма. (См. статью: Что такое влажность воздуха? Как правильно измерять влажность? Давление водяного пара. Таблицы и примеры расчета.)

Существуют несколько определений температуры. Но мы воспользуемся здесь одним, который наиболее близок людям, занимающимся практическими измерениями и исходит из нулевого закона термодинамики. По нему если два тела находятся в состоянии теплового равновесия, то они имеют одинаковую температуру. Таким образом, если мы обеспечим хороший тепловой контакт термометра с измеряемой средой, то по прошествии некоторого времени, необходимого для установления теплового равновесия, температуры термометра и среды будут одинаковы. Естественно, что данный вывод будет верен, только если наша система изолирована от других тел и не совершается никакой работы. Ну, а само понимание физической природы температуры приходит только после изучения статистической механики, где температура представлена как мера кинетической энергии тела.

Принято считать, что первый термометр, работающий на расширении воздуха, был изобретён Галилеем примерно в 1592 г. А в 1641 году появился первый, реально работающий спиртовой стеклянный термометр, созданный герцогом Тосканским. С этого момента началось быстрое развитие термометрии. В начале 18-ого века Фаренгейт первым изготовил ртутный стеклянный термометр и предложил температурную шкалу, в которой одной из фиксированных точек служила температура человеческого тела, которую он принял за 96 градусов, а другой — температура таяния льда -32 градуса. Ну, а кульминационной точкой в развитии практической термометрии явилось принятие в 1927 году Международной температурной шкалы МТШ-27. В дальнейшем температурная шкала совершенствовалась и расширялась практически до 0 К.

Температура — параметр, который можно измерить только косвенно, по изменению других физических параметров. Термометрию различают на первичную и вторичную. В первичной термометрии температура явно описывается через другие физические параметры, например для газовых термометров это давление и объём. Примерами вторичных термометров являются термометры сопротивления и термопары. В промышленности термометры сопротивления и термопары являются основными средствами контроля температуры, закрывая диапазон измерения от минус 200 до + 2500⁰С и более.

Термометры сопротивления

Основной стандарт в странах таможенного союза, устанавливающий общие технические требования к техническим термометрам сопротивления: ГОСТ 6651–2009. Он практически полностью соответствует МЭК 60751. Ниже приведены некоторые параметры из этого документа.

Таблица 1.

Тип ТС	Обозначение	Температурный коэффициент, a	Класс допуска	Сопротивление при 0⁰С, Ом
Платиновый	Pt	0,00385	АА, А, В, С	10,50,100,500,1000
	П	0,00391
Медный	М	0,00428	А, В, С

Таблица 2.

Класс допуска	Допуск, ⁰С	Диапазон измерений (максимальный), ⁰С
		Платиновый ТС		Медный ТС
		Проволочный ЧЭ	Плёночный ЧЭ	-
АА	±(0,1+0,0017Т)	-50…+250	0…+150
А	±(0,15+0,002Т)	-100…+450	-30…+300	-50…+120
В	±(0,3+0,005Т)	-196…+660	-50…+500	-50…+200
С	±(0,6+0,01Т)	-196…+660	-50…+600	-180…+200

В последнее время платиновые термосопротивления активно начали вытеснять медные и термопары. Связано это с появлением на рынке недорогих платиновых плёночных термочувствительных элементов, которые в отличие от медных являются более стабильными и работают в более широком диапазоне температур. А по сравнению с термопарами — обеспечивают более высокую точность измерения и не требуют использования дорогого термокомпенсационного кабеля. Однако в России медные термометры до сих пор находят широкое применение. Одно из основных преимуществ меди — это очень хорошая линейная зависимость её сопротивления от температуры в диапазоне от минус 50 до + 200⁰С и более высокая чем у платины чувствительность. Свыше 200⁰С медь начинает очень быстро окисляться на воздухе, поэтому обычно верхний предел измерения для медных термосопротивлений устанавливается до 180⁰С. При производстве используется проволока диаметром от 30 до 80 мкм. При дальнейшем уменьшении диаметра стоимость проволоки резко возрастает, а изготовление термосопротивления с заданными параметрами становится проблематичным.

Также следует обращать внимание на максимальный измерительный ток. Например, для термометров сопротивления, изготовленных из проволоки диаметром 30 мкм уже при токе 0,2мА становится заметным явление саморазогрева от протекающего тока, а значит, использование таких термометров с большинством измерительных приборов становится невозможным. Обычно диаметр используемой проволоки определяется исходя из диаметра зонда, в который будет устанавливаться проволочный чувствительный элемент. Например, для зонда диаметром 2 мм используют проволоку диаметром 30 мкм, 4 мм — 40 мкм, 5…6 мм — 50 мкм, 8…10 мм- 80 мкм.

Большое значение имеет схема соединения проводников термосопротивления. Различают три основных схемы: 2-х, 3-х и 4-х проводную.

При двухпроводной схеме к сопротивлению ЧЭ добавляется сопротивление внешних проводов, что приводит к появлению дополнительной погрешности измерения. Ясно, что такой способ можно использовать только для ЧЭ с большим сопротивлением. Из наиболее употребляемых — это Pt1000. Легко подсчитать, что для обеспечения точности измерения 0,1⁰С общее сопротивление внешних проводников не должно быть больше 3,8 Ом.

В трёхпроводной схеме подключения автоматически из полного сопротивления вычитается сопротивление внешних проводов. Но это только в случае, если сопротивление проводников 1 и 2 трёхпроводной схемы равны между собой. Тем не менее, 3-х проводная схема подключения термосопротивлений на сегодняшний момент является самой популярной. Практически все вторичные приборы (измерители, регуляторы) имеют входные цепи, рассчитанные под эту схему. Трёхпроводная схема позволяет увеличить расстояние от датчика до прибора до 50…100 метров. При этом не обязательно, чтобы сам термометр сопротивления был изготовлен по 3-х проводной схеме. Можно использовать и датчики с двумя клеммами, подключив к одной клемме один провод, а ко второй — два.

Четырёхпроводная схема используется в основном только для точных измерений и в эталонных приборах. Данная схема позволяет автоматически компенсировать влияние на результат измерения не только сопротивления проводников, но и ЭДС в местах контактов.

Советы при выборе и монтаже термометров сопротивления

Есть банальные истины, которыми нужно руководствоваться при выборе подходящего датчика температуры. Конечно же, нужно в первую очередь обратить внимание на диапазон измерения и точность. Во-вторых, нужно решить вопрос с основным конструктивным исполнением: в клеммной головке, или с кабельным выводом. Датчики с кабельным выводом более миниатюрны и менее инерционны. Они уже полностью готовы к подключению к вторичному прибору. Но вышеперечисленные преимущества одновременно являются и их недостатками. Миниатюрный корпус — следовательно, небольшой размер чувствительного элемента и малый измерительный ток. Жёстко присоединённый кабель несёт за собой худшую, чем для датчиков в клеммной головке степень защиты от воды. Эти датчики заведомо дороже из-за высокой стоимости применяемого высокотемпературного кабеля. Они менее надёжны при механических воздействиях опять-таки из-за наличия кабеля. С термосопротивлением в клеммной головке не обязательно использовать высокотемпературный кабель. Минус этих датчиков в одном — габаритных размерах, что бывает важно в ряде случаем.

При монтаже датчика температуры нужно максимально увеличить его тепловой контакт с контролируемой средой и одновременно уменьшить отток тепла от места подключения. Необходимо помнить, что чувствительный элемент имеет конечную длину, поэтому глубина погружения датчика должна быть как минимум на несколько диаметров зонда больше, чем длина ЧЭ. При монтаже датчиков контроля поверхности очень важно место соединения предварительно смазать каким-либо вязким веществом. Также важно обеспечить тепловой контакт кабеля с контролируемым объектом, чтобы минимизировать отвод тепла от ЧЭ датчика по кабелю. Ещё лучше, если и датчик и подводящий кабель будут закрыты хорошим теплоизолятором, например пенополиуретаном, или пенополиэтиленом.

Датчики температуры воздуха лучше устанавливать в тех местах помещения, которые наиболее важны для контроля. При плохой конвекции воздуха в помещении градиент температуры может составить до 5-ти и более градусов.

При экспресс контроле температуры поверхности теплоёмкость датчика должна быть минимальной. Дело в том, что самое большое зло при контактном способе измерения температуры поверхности состоит в том, что датчик уменьшает температуру поверхности в месте установки. Процесс восстановления начальной температуры может идти очень долго, что зачастую приводит к неправильным результатам и выводам. Примером может служить ситуация с «занижением» показаний медицинских электронных термометров.

Термопары

По сравнению с термометрами сопротивления термопары обладают рядом очень больших преимуществ и таких же больших недостатков. По большому счёту эти два класса приборов очень органично дополняют друг друга. И задача киповца — определить, какой датчик температуры ему нужен для той или иной задачи.

Технические требования, классификация, методы испытаний преобразователей термоэлектрических приведены в ГОСТ 6616–94. Номинальные статические характеристики приведены в ГОСТ Р 8.585−2001. В Таблице 3 представлены технические параметры наиболее применяемых в России термопар.

Таблица 3.

Тип ТП	Обозн. типа	Маркировка цветовая оболочки и жил +/-		Диап. измер., ⁰С	Класс допуска, пределы допускаемого отклонения для диапазона измерения,⁰С			Температура, ⁰С и чувствительность, мкВ/С
		IEC 584−3	ANSI MC96−1
Медь-константан ТМКн	Т	Кор. красн/бел	Син. син/ красн	-200…+350	1	±0,5	— 40…+125	-200 0 100	15 39 46
						±0,004Т	+125…+350
					2	±1,0	— 40…+133
						±0,0075Т	+133…+350
					3	±0,015Т	— 200… -67
						±1,0	-67…+40
Хромель-копель ТХК	L	-	-	-200… +800	2	±2,5	— 40…+ 300	-200 0 100 500	22 62 72 87
						±0,0075Т	+300…+ 800
					3	±0,015Т	-200… — 100
						±2,5	-100… +100
Хромель-алюмель ТХА	K	Зел. зел/ бел	Жёл. жёл/ красн	-200…+1300	1	±1,5	-40…+375	-200 0 100 500 1000	15 39 41 42 39
						±0,004Т	+375…+1000
					2	±2,5	-40… + 333
						±0,0075	+333…+1200
					3	±0,015Т	-200…-167
						±2,5	-167…+ 40
Платинородий-платина ТПП13 ТПП 10	R S	Жёл. жёл/ бел	Зел. чёрн/ красн	0…+1600	1	±1,0	0…+1100	0 100 500 1000	5 7,5 11 13
						±(1+0,003 (Т-1100))	+1100…+1600
					2	±1,5	20…+600
						±0,0025Т	+600…+1600
Платинородий-платинородий ТПР	B	_	Чёрн. чёрн/ красн	+600… +1700	2	±0,0025Т	+600…+1700	0 100 500 1000 1500	-0,2 1 5 9 11
					3	±4,0	— +600…+800
						±0,005Т	+800…+1700
Вольфрамрений-вольфрамрений ТВР	А-1 А-2 А-3	_	_	0…+2500	2	±0,005Т	+1000…+2500	0 500 1000 1500 2000	12 17 15 13 10
					3	±0,007Т	+1000…+2500
						Индивид.	0…+1000

*У российских термопар маркировка наносится на положительный термоэлектрод.

Термопары имеют очень большой диапазон рабочих температур. При этом, чем больше максимальная рабочая температура термопары, тем меньше её чувствительность. С этим фактом связан большой ассортимент применяемых термопар. При помощи термопар можно измерять температуру очень маленьких объектов. Для этого достаточно сварить между собой две термоэлектродные проволоки маленького диаметра. Естественно, что такая термопара имеет и очень незначительную инерционность. Термопара из недрагоценных металлов малой длины дешевле термосопротивления. Однако при увеличении длины стоимость её значительно возрастает. В то же время термопары значительно уступают термосопротивлениям в точности измерения. Связано это с рядом причин. Сигнал с термопары значительно более нелинеен. Для получения абсолютной измеренной температуры необходимо знать температуру холодного спая термопары. А это означает, что общая погрешность измерения сложится из двух: погрешности измерения разности температур рабочего и холодного спая термопары и погрешности измерения температуры холодного спая. На практике же всё ещё сложнее. Очень непросто измерить с хорошей точностью температуру выводов термопары на входе вторичного прибора. На практике эта погрешность составляет около 1⁰С. При измерении высоких температур значение данной погрешности несколько нивелируется.

Советы по выбору и применению термопар

Для использования в диапазоне до +200⁰С лучше применять платиновые или медные термосопротивления. В случае контроля температуры очень небольшого объекта малой теплоёмкости можно использовать термопару медь-константан, которая замечательна тем, что очень легко сваривается над поверхностью раствора медного купороса, имеет самую высокую чувствительность и очень низкую стоимость.

Для диапазона до +800⁰С в России используется термопара ХК (L) хромель-копель. Данные термопары имеют очень высокую чувствительность в широком диапазоне начиная от -200⁰С. В других странах данный тип термопары не применяется. Самыми популярными в промышленности являются термопары типа ХА (К) хромель-алюмелевые. Теоретический диапазон их использования составляет от -200 до +1300⁰С. Термопары типа К замечательны хорошей линейностью характеристики от 0 до 1000⁰С. В реальности наиболее высокотемпературные термопары работают до 1100⁰С. Так как при высокой температуре от +800⁰С термоэлектродные проволоки начинают активно окисляться, то единственным путём увеличить срок службы термопары и температуру эксплуатации является увеличение диаметра термоэлектродных проволок до 2…3 мм. При температуре выше 800⁰С нержавеющую сталь кожуха меняют на специальную высокотемпературную сталь или керамику.

Для измерения температуры вплоть до +1700⁰С применяют термопары, изготовленные из драгоценных металлов платиновой группы. Они отличаются высокой стабильностью параметров, но имеют крайне низкую чувствительность при низких температурах и очень высокую стоимость. Наиболее высокотемпературные термопары — вольфрам-рениевые. Но они не могут работать в окислительной атмосфере при температуре уже выше 500⁰С. Оболочку этих датчиков необходимо наполнять инертным газом. Так как герметичный корпус для высоких температур изготовить проблематично, то для продолжительной работы по внутренней полости этих термопар постоянно пропускают инертный газ.

Для контроля температуры поверхности или воздуха лучше применять гибкую термопару без защитного чехла. Для контроля поверхности нужно обеспечить хороший тепловой контакт с поверхностью не только рабочего конца термопары, но и термоэлектродов на расстоянии не менее 50 мм, чтобы уменьшить теплоотвод от места контроля. При использовании термопары при высокой температуре в окислительной или агрессивной атмосфере может наблюдаться деградация параметров, связанная с окислением и изменением химического состава термоэлектродов. Необходимо периодически контролировать качество термопары хотя бы по её полному сопротивлению постоянному току. Для использования в экстремальных условиях в течение непродолжительного времени существуют ТП разового применения и ТП кратковременного применения.