ный термометр со своей собственной калибровкой. Погрешность термометра достигает 10 %, но может быть уменьшена до 1 %. В качестве излучателей используются изотопы Fe (AbJU = 4 мК), Sn, Dy, Eu. Недостатками таких термометров являются большая продолжительность измерений (часы), а также сложность аппаратуры.

2.15. Тепловизоры

Тепловизоры преобразуют инфракрасное излучение в видимое в реальном масштабе времени при скорости смеиы информации, сравнимой с применяемой в телевидении. Тепловое изображение формируется следующим образом. Оптическая система собирает инфракрасное излучение объекта, осуществляет спектральную фильтрацию и фокусирует его иа миогозлемент-иую мозаику чувствительных площадок приемника излучения, которая ска-

Таблица 2.1. Некоторые отечественные и зарубежные тепловизоры

680 , Термовьювэ-МВ

(JTQ-MB)

0...1500 °С -30...+2000 °С

Микрон термо -50...+200 X трасер 6Т61 120...800°С 700...2000 °С

Термовижн- -20...+ 1600°С 782

InSb (ФД) или

CdHgTe HgCdTe

InSb иЛи

HgCdTe

0,3 °С/0,05 °С на уровне 35 °С

0,4 °С/0,07 °С иа уровне 30 °С 0,1 °С иа уровне 30 °С (погрешность ±0,5 %) 0,1°Сна уровне 30 °С

300 248

100 280

нирует пространство.-Чувствительные элементы приемника излучения преобразуют оптические сигналы в электрические, которые усиливаются и воспроизводятся на видеоконтрольном устройстве Тепловизоры находят применение в медицине, пожарном деле, криминалистике, военном деле, авиации и т. п. [587]. Достоинством тепловизоров является их способностьфуик-циоиировать в любое время суток при неблагоприятных условиях и давать наглядное представление о распределении температуры на исследуемом объекте. Совремеиный тепловизор - это достаточно сложный прибор (рис. 2.7), базирующийся на сканирующем устройстве и дисплее, которые могут дополняться преобразователем черно-белого изображения в цветное, систе-

МОЙ цифровой обработки, цветным графическим печатным устройством, термическим компьютером с комплектом программ, набором сменных фильтров (табл. 2.1).

2.16. Обзор АРУгих приборов для температурных измерений

Изложенные методы и средства измерений не охватывают всей совокупности 1)изических явлений, которые можно исно.тьзоиать в термометрии [580, 635]. Огромное мш)Гообразие объектов, треб)чощ))Х измерений температуры, приводит к необходимости наличия широкой номенклатуры приборов температурного контроля и создания мовы.:, построенных на известных, но не используемых или мало используемых в термометрии физических

Рис. 2.7. Блок-схема сканирующей системы тепловидения: / - собирающая оптика и с{)Е1Льтры; 2 - устройство сканирования; 3 - датчик К0Д0В1.1.Ч нмпульсоп сканирования; 4 - синхронизатор: 5 - система стабилизации и поворотное устройство; 6 - приемник; 7 - система охлаждения; S - предусилнтель; 9 - устройство обработки и усиления сигналов; 10 - видеоконтрольное устройство; - окулярная оптика; 12 - наблюдатель; 13 - система регулирования

явлениях. Ниже приводится перечень некоторых специальных термометров, уже известных и еще разрабатываемых.

Конденсационные термометры для сверхнизких температур основаны на измерении упругости насыщенного пара Не.

Кристаллизационные термометры для сверхнизких температур основаны на измерении равновесного давления в двухфазной смеси твердого и жидкого Не.

Осмотические термометры для сверхнизких температур основаны на измерении разности давлений, существующей между чистым сверхтекучим *Не и растворо.м Не ~ *Не, когда они разделены так называемым сверхтекучим фильтром, представляющим собой систему узких каналов.

Термоэлектрические термометры -для сверхнизких температур со сквидом (сверхпроводящим квантовым интерференционным прибором) в качестве амперметра для регистрации термоЭДС.

Твердоэлектролитные термометры основаны либо иа температурной зависимости ЭДС на электродах первичного преобразователя при создании на них различных парциальных давлений кислорода, описываемой законом Нернста, либо на возиикиовении термоЭДС на электродах при создании на них градиента температур. Чувствительные элементы могут быть объемными

(трубки или таблетки из стабилизированного диоксида циркония или тория) или пленочными.

Волоконно-оптические термометры (одна из разновидностей) осниваны на температурной зависимости положения края спектра пропускания цветного стекла, окрашенного сульфидами или суль<[юселенидамн металлов.

Термометры для измерения температуры в термоядерных установках, использующие СВЧ-нзлумение плазмы иа второй гармонике электронной циклотронной частоты.

Шумовые пирометры, ооюваипые на использовании информации о мощности фотонного шума потока теплового излучения.

Фотоэмиссионные термометры - используется завнслмость распределения фотоэлектронов по энергиям в катодной камере фотоэлектрон 1Юго умножителя от спектрального состава регистрируемого излучения от объекта измерения.

Оптико-акустические термометры основаны на модуляции светового потока ультразвуковыми волнами, про,чодящими через объект измерения (газовую среду), с последующим определением локального значения длины волны ультразвуковых колебаний.

Термометры катодолюминесцентного излучения основаны на температурной зависимости спектра катодолюминесцентного излучения при падении электронного пучка на объект измерения (твердое тело).

Оптико-акустические пирометры основаны иа способе измерения температуры газовых сред с промежуточным преобразованием энергии излучения в переменное давление газа в объекте.

Кристаллооптические термометры основаны на использовании тем- пературной зависимости интерференционных явлений в анизотропных средах.

ГЛАВА 3

МЕЖДУНАРОДНАЯ ПРАКТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА

3.1. Основные положения

Сложность аппаратуры газового термометра, необходимость тщательной постановки каждого измерения (с целью возможно более полного учета возникающих погрешностей) и недостаточно хорошая воспроизводимость гаэотермических измерений - все это уже в начале XX в. заставило искать другие способы воспроизведения термодинамической температурной шкалы. К этому времени в ряде крупнейших метрологических лабораторий мира накопился большой материал по определению с помощью газовых термометров термодинамических температур фазовых переходов веществ, Обобщение этого материала позволило разработать рекомендации, формулирующие условия эксперимента, обеспечивающие наилучшую воспроизводимость температур фазовых переходов.

В качестве опорных точек для построения практической температурной шкалы были найдены средние значения температур фазовых переходов, полученные по недостаточно надежным данным. Эти значения могли существенно отличаться от действительных термодинамических температур. Были выбраны также приборы, которые целесообразно было рекомендовать для интерполирования между опорными точками и разработаны способы реализации таких приборов. Наконец, были выбраны принципы и приборы, позволяющие расширить практическую температурную шкалу за пределы рабочего диапазона газовых термометров.

Было принято решение, что практическая температурная шкала должна быть единой для всех стран и настолько близкой к термодинамической, насколько это позволяет уровень знаний; по мере совершенствования наших знаний в практическую температурную шкалу должны вноситься изменения, все более приближающие ее к термодинамической.

Первое положение о Международной практической температурной шкале (МПТШ) было принято как временное в 1927 г, на VII Генеральной конференции по мерам и весам. Оно подвергалось обсуждению и окончательно было принято в 1933 г. на VIII Генеральной конференции по мерам и весам. В 1936, 1948, 1960 гг, в положение о МПТШ вносились измерения. Последним, наиболее существенным изменениям положение о МПТШ подверглось в 1968 г.

Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68) разработана таким образом, чтобы температура, измеряемая по ней, была насколько возможно близкой к термодинамической. Измерения по этой шкале могут быть выполнены достаточно легко и с высокой воспроизводимостью, в то время как прямые измерения термодинамической температуры весьма трудоемки и недостаточно точны.

Международную практическую температурную шкалу можно градуировать и в Кельвинах (К), и в градуеах Цельсия (°С). Соотношение между температурами по любой из этих шкал

68 = 68 + 273,15, где Грд - абсолютная температура, К; t - температура, °С.

Размер Кельвина н градуса Цельсия одни и тот же для разности температур.

Определешй! Международной практической тё/лпературной шкалы 1968 г.

МГЛШ--68 * основана на ряде воспроизводимых равновесных состоя iHiii, которым приписаны определенные значения температур (основные ре перные точки), и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. Равновесные состояния и приписанные им значения термодинамической температуры Приведены в табл. 3.1. В диапазонах между реперными г<)чкг1ми ннтериоляито осу\цеств.чяют по фо1>мулам, устанавливающим С15Я31. между показа1Ш5;ми эталонных приборов и значениями термодинамической температуры.

Эталонным прибо)ом, используемым в днаназоис 1емператур oi 13,81 К до ()30,74 С, является платиновый термометр сопротивления. Его чувствительный элемент должен быть изготовлен из свободной от напряжений отожженной- чистой платиновой проволоки. Относительное сопротивление W (Tgs) термометра, определяемое как

\V{T )=R{T,s)/R (273,1510, где R - сопротивление термометра (не должно быть меньше 1,39250 Ом) при Т 5 = 373,15 К. Для температур ниже О °С соотношение между сопротивлением термометра и температурой определяется с помощью стандар;-ной функции и специальных уравнений для вычисления поправок к этой функции; в диапазоне температур 0...630,74 °С - двумя уравнениями н форме полиномов.

Эталонным прибором, используемым в диапазоне температур 630,74... 1064,43 °С, является термоэлектрический термометр с электродами из платинородия (10 % родия) и платины, соотношение между ЭДС и температурой которого выражается уравнением второй степени.

Для температур выше 1064 , 43 °С (1337,58 К) термодинамическая температура (1968 г.) определяется в соответствии с законом излучения Планка при использовании в качестве опорной температуры значения 1064,43 С (1337,58 К) и принятого значения константы - 0,014388 м К.

Определим Г, для различных температурных диапазонов.

1. В диапазоне 13,81...273,15 К

где ttcCT-68 ( я) - относительное сопротивление, определяемое стандартной функцией

П Исст-68 (Tes) + 3,28

3,28

(3.1)

Коэффициенты а,- этой стандартной функцци даны в табл. 3.2. При Гв5= 373,15 К значение Гст-б8 (es) = 1.39259668. Стандартная функция йсст-68 CBs) Р Tjg= 273,15 К непрерывно переходит в функцию W ((ее), определяемую уравнениями (3.5) и (3.6) для а = = 3,9259668 ЮХ и 5 = 1,496 334 °С. При этой температуре совпадают значения функций, а также их первых и вторых производгых (табл. 3.3). Поправки Лй7, (Ts) при различных температурах основных пе-перных точек получают из измеренных значений tt7 (Teg) и соответствую-

* В этой шкале, как правило, используются температуры Кельвина ниже О °С и температуры Цельсия выше О °С. Это позволяет избежать употребления отрицательных значений и совпадает с общепринятой практикой,

Таблиц

3.1. Основные) реперные (постоянные) ючки МПТШ-68

Состояние фазового равновесия

Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами равновесного водорода (тройная точка равновесного водорода) 2) Равновесие между жидкой и парообразной фазами равновесного водорода при давлении

ЗЗЗЗО.б Па (25/7G атм) ), ) Равновесие между жидкой и парообразной фазами равпоиес1ЮГО водорода (точка кипения равновесного водорода) =), з) Равновесие между жидкой и парообразной фазами неона (точка кипения неона) З) Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами кислорода (тройная точка кислорода)

Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами аргона (тройная точка аргона) ) Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фа!?1М11 кислорода (точка росы кислорода) ,))

Равновесие между твердой, жидкой и парообразной фазами воды (тройная точка воды) Раюювесие мел<ду жидкой н парообразной фазами воды (точка кипения воды) ) Равновесие между твердой и жидкой фазами олова (точка затвердевания олова) °) Равновесие между твердой и жидкой фазами ЦИвка (точка затвердевания цинка) Равновесие между твердой и жидкой фазами се )ебра (точка затвердевания серебра) Равновесие между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота)

13,81

17,042

20,28

27,102 54,361

83,798 90,188

273,16 373,15 505,1181 692,73 1235,08 1337,58

-259 34

-2,56,108

-252,87

-246,048 -218,789

- 189,352

- 182,962

0,01 100 231,9681 419,58 961,93 1064,43

) За исключением тройных точек и одной точки равновесного подорода (17.042 К) принятые значения температур даны для состояния равновесия при давлении Рц = ss= 101 325 Па (I атм). Влияние небольших отклонений or этого давления показано в ,табл. .4.5. В тех случаях когда изотопный состав может существенно влиять на тем-7 пературу реперной точки, следует использовать тот изотопный состав, который ука-,f зш в 3.3.

I Термин равновесный водород определен в 3.5.

I ) Неопределенность состава, связанная с наличием различных изотопов и при-

I месей, вызывает необходимость использовать точки кипения (нсчезающе малая доля

жидкости) для кислорода (см. 3.6). ; *) Тройную точку аргона можно использовать наряду с точкой росы кислорода.

) Точку затвердевания олова (< = 231,9681 °С) можно использовать наряду с

точкой кипения воды

Ш,их значений WccT-68 (es) (см. табл.-3.4). При промежуточных температурах используют интерполяционные формулы. Диапазон 13,81 ...273,15 К разделен на четыре участка, в каждом из которых ДИ (Tg) определяется полиномом от Tgg. Коэффициенты полиномов находят из значений Д W( (Tej) в реперных точках и нз условий равенства производных dAH7, {Тцз)1ЛТвв на границах соседних температурных участков.

2 9-491