термометр

ТЕРМОМЕТР (от греч. therme- тепло и metreo- измеряю)- прибор для измерения температуры. Действие Т. основано на зависимости различных аддитивных физ. величин от темп-ры. При измерении Т. приводится в тепловое равновесие с объектом, темп-ра к-рого определяется. Бесконтактные высокотемпературные Т., основанные на измерении параметров оптич. излучения, наз. пирометрами.

В каждом типе Т. непосредственно измеряется определ. физ. величина, связанная с темп-рой известной зависимостью, к-рая наз. температурной шкалой. Если эта зависимость является следствием второго начала термодинамики, то такой Т. измеряет темп-ру по термодинамич. температурной шкале и Т. наз. п е р в и ч н ы м. Среди первичных Т. наиб. значение имеет г а з о в ы й Т., действие к-рого основано на уравнении состояния идеального газа; для одного моля газа оно имеет вид

где p-давление газа, V-его объем, Т-темп-pa, R - универсальная газовая постоянная. Газовый Т.- осн. прибор при построении Международной практической температурной шкалы. Обычно применяют газовый Т. пост. объёма (рис.), для к-рого p₁/р₂ = T₁/Т₂. Этот Т. обеспечивает точность 2 · 10^-3 К в интервале темп-р от 2 до 400 К. Для учёта отклонений свойств реального газа (гелий) от идеального измеряют темп-ру при неск. давлениях заполнения, а затем экстраполируют к p=0 или применяют вириальное ур-ние состояния:

(В, С-вириальные коэф.). В точном газовом Т. учитывается наличие газа в трубке, соединяющей колбу с манометром (вредный объём), изменение объёма колбы с темп-рой, адсорбция газа и примесей в нём стенками колбы и перепад давлений на концах трубки, вызванный разностью темп-р колбы и манометра (термомолекулярное давление). Газовый Т. пост. объёма градуируется измерением давления р₁ в одной точке, темп-pa к-рой известна (обычно T₁=0 °С).

Первичным Т., в к-ром также применяется газ, может служить акустический Т. Скорость звука u₀ в неограниченном пространстве, заполненном идеальным газом, связана с термодинамич. темп-рой ф-лой

где g - отношение теплоёмкости газа при пост. давлении к теплоёмкости при пост. объёме, М - молекулярная масса газа. Отличие свойств реального газа от идеального учитывается таким же способом, как и в газовом Т. В реальном акустич. Т. измеряется скорость звука в трубе акустич. интерферометра ,учитываются вязкость газа, теплообмен, акустич. волны со стенками интерферометра и акустич. импеданс излучателя. Найти влияние этих факторов с нужной точностью не удаётся, и акустич. Т. при низких темп-рах (2-20 К) имеет точность на порядок меньшую, чем газовый. Она может быть повышена в неск. раз при использовании сферич. акустич. резонатора.

Схема простейшего газового термометра: 1 - баллон, заполненный газом; 2 - соединительная трубка; 3 - измеритель давления (манометр).

Первичным может служить Т., основанный на измерении шумового напряжения на электрич. сопротивлении r, обусловленного тепловыми флуктуациями в нём. Ср. значение квадрата напряжения шумов связано с темп-рой Найквиста формулой

где Df-полоса частот, в к-рой производится измерение напряжения. Точность шумового Т. обычно не превышает 0,1%, и его применяют при очень низких (ниже неск. К) или при высоких (св. 1000 К) темп-pax, а также в условиях высокого радиац, фона, когда происходит сравнительно быстрое разрушение любого Т. Акустич. и шумовой Т. не нуждаются в градуировке, т. к. кельвин входит в газовую постоянную R и в постоянную Больцмана k.

Для измерения темп-р ниже неск. К часто применяют первичный магнитный Т., основанный на Кюри законе для идеального парамагнетика .Магн. восприимчивость такого парамагнетика связана с темп-рой ф-лой

(С-константа Кюри). При очень низких темп-pax, когда тепловые возбуждения не могут воспрепятствовать магн. упорядочению диполей, модель идеального парамагнетика неприменима. Ограничения для использования магн. Т. при высоких темп-pax связаны в осн. с быстрым падением его. чувствительности (~1/T ²). К числу наиб. употребительных парамагн. материалов относятся церий-магниевый нитрат (в интервале темп-р 0,006-3 К), а также медь и платина (при темп-рах 10^-6 -0,1 К), в к-рых система диполей образована ядерными магн. моментами, к-рые на 3 порядка величины меньше, чем электронные магн. моменты.

В реальном магн. Т. применяется модифицированный закон Кюри:

он позволяет учесть взаимодействие магн. диполей (D, d), наличие составляющей восприимчивости, не зависящей от темп-ры (А), а также геом. факторы аппаратуры (А, В и D). Для нахождения всех констант магн. Т. приходится градуировать при 4 известных темп-рах.

Первичные Т., как правило, сложны и непригодны для практич. измерений, где применяются в т о р и ч н ы е Т., к-рые градуируют по показаниям первичных Т. К числу распространённых вторичных Т. относятся ж и д к о с тн ы е Т., в к-рых используется различие в величинах теплового расширения жидкости и прозрачной оболочки, к-рую она заполняет. Положение мениска жидкости в капилляре, припаянном к оболочке, определяется темп-рой, к-рая отсчитывается по делениям на шкале, расположенной вдоль капилляра. Для разных диапазонов жидкостные Т. заполняют пентаном (от -200 до 35 ''С), спиртом (от -80 до 80 °С), ртутью (от -35 до 600 °С). Оболочку изготовляют из спец. сортов стекла и подвергают старению, а для точных и высокотемпературных Т.- из кварцевого стекла. Высокотемпературные ртутные Т. заполняют азотом под давлением 1-20 атм - для предотвращения перегонки ртути в свободный более холодный конец капилляра. При точных измерениях учитывается темп-pa ртути в капилляре, для чего ртутные Т. погружают в измеряемую среду целиком или до уровня жидкости в капилляре или вводится поправка на выступающий столбик ртути, темп-ра к-рого измеряется отд. Т. Точность лучших ртутных Т. при измерениях темп-ры до 100 °С достигает неск. мК. Жидкостные Т. непригодны для автоматич. измерений и постепенно вытесняются электрическими.

Из э л е к т р и ч е с к и х Т. наиб. распространены Т. с оп р о т и в л е н и я. Их действие основано на зависимости сопротивления чистых металлов от темп-ры. В металлах она обусловлена рассеянием электронов проводимости на тепловых колебаниях решётки и в осн. линейна. При темп-pax ниже 20 К, где сказывается рассеяние электронов на дефектах структуры, и при высоких темп-pax, когда возникают дополнит. вакансии, зависимость сопротивления от темп-ры перестаёт быть линейной.

В м е т а л л и ч е с к о м Т. сопротивления чаще всего применяются высокочистые платина, медь и никель. Чувствительный элемент металлич. Т. изготовляют из проволоки, укреплённой на изолирующем каркасе, или из металлич. 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 Т., воспроизводящих Международную температурную шкалу, применяется проволока, в к-рой примеси не обнаруживаются при спектральном анализе, а отношение сопротивлений Т. при 100 °С и при 0 °С для таких Т. должно быть не менее 1,3925. Эталонные платиновые Т. имеют точность от 1 до 10 мК. В техн. металлич. Т. проволока закреплена жёстко, что обеспечивает прочность прибора, но приводит к падению точности до 0,1 - 1 К.

При низких темп-pax (до 0,5 К) наиб. точны Т. из сплавов, содержащих небольшое (0,5%) кол-во магн. металла (напр., сплав родия с железом или сплав платины с кобальтом). Зависимость от темп-ры у этих Т. связана с дополнит. рассеянием электронов проводимости на магн. примеси, при к-ром спин электрона меняет направление (Кондо эффект), и с постепенным упорядочением ориентации магн. моментов примеси при понижении темп-ры. Такие Т. в области темп-р 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.

Т., использующие температурную зависимость полупроводников, очень разнообразны и применяются при низких темп-pax. Часто используются Т. из германия, легированного сурьмой или мышьяком, с добавлением до 10% акцепторной примеси. При этом ширина запрещённой зоны снижается до сотых долей эВ и при темп-pax ниже 100 К все примесные атомы ионизованы. При понижении темп-ры число ионизов. атомов и соответственно электронов в зоне проводимости экспоненциально уменьшается и при 10 К становится пренебрежимо малым. При более низких темп-pax проводимость полупроводника не связана со свободными электронами, она продолжает падать экспоненциально, но по иному закону. Чувствительность германиевых Т. очень высока, их сопротивление меняется на десятки процентов при изменении темп-ры на 1 К вблизи 20 К и на сотни процентов вблизи 2 К. Полупроводниковые Т. различаются по осн. веществу, легирующим материалам, их концентрациям и способам легирования.

Широко распространены также Т. из углеродных материалов (для измерения темл-р от 0,01 до 10 К), термисторы из окисей магния, никеля и кобальта (для измерения ср. темп-р) и из окисей редкоземельных элементов (для темп-р до 1000 К). Сопротивление этих Т. растёт с понижением темп-ры. Их проводимость обусловлена преодолением электронами энергетич. барьера на границах зёрен. Углеродные Т. чувствительны к присутствию адсорбированного на границах зёрен атм. кислорода, поэтому чувствительные элементы таких Т, герметизируются.

Применяются также Т., основанные на температурной зависимости эдс термопар, электрич. ёмкости сегнетоэлек-трика, падения напряжения на полупроводниковом диоде, резонансной частоты пьезокварца, давления плавления ге-лия-3 (от 1 мК до 0,5 К) и т. д. Т. различаются по условиям их применения: метеорологические, медицинские, глубоководные, инкубаторные и др.

Лит.: Температурные измерения. Справочник, 2 изд., К., 1989; Куинн Т., Температура, пер. с англ., М., 1985. Д. Н. Астров.

   <<      Предметный указатель      >>