Температура і різниця температур

Знання про температуру потрібні всім. І багато хто хоче знати температуру якомога точніше. «Підкажіть, який прилад придбати для вимірювання температури з точністю 0,001 ° С?» - це питання ми в нашому Інформаційному центрі «ТЕМПЕРАТУРА» і в метрологічному інституті чуємо часто. Якщо відповісти різко, не вдаючись у подробиці, то відповідь буде - ніякої! Навіть еталонний термометр першого розряду має похибка 0,002 ° С при 0 ° С. До того ж він дуже незручний для вимірів, крихкий і не терпить ніяких вібрацій. Використовується в основному для повірки термометрів нижчих розрядів.

Якщо поставитися до замовника з увагою і задати навідні запитання, то швидше за все виявиться, що він і не мав наміру отримати 0,001 ° С для абсолютного значення температури. Йому хотілося б точно вимірювати різницю температур, в часі або просторі. Нещодавно я бачила в телевізійній передачі «фабрика думки», що один винахідник, який, до речі, і переміг в конкурсі, розробив прилад, який може краще, ніж ультразвукові апарати здійснювати медичну діагностику молочних залоз, вимірюючи точний розподіл температури всередині тіла. Що за саморобні датчики він використовував озвучено не було, але звучала фраза: «Вимірювання температури проводиться з точністю 0,0005 ° С». Це не коректно. Звичайно, він вимірював просторову різницю температур. Можу стверджувати, що понад 80% вимірювань температури в науці і промисловості - це саме різниця температур, або чутливість до зміни температури. А це вже велика різниця з вимірюванням абсолютного значення температури. І похибки тут зовсім інші. І методи повірки повинні бути інші.

Що ж обмежує наше знання точного значення температури? Точне значення, це те значення, яке існує незалежно від нас і наших вимірювальних інструментів, яке є характеристикою термодинамічної рівноваги системи і входить в термодинамічні формули. Прив'язка до реального світу в нашій області вимірювань здійснюється, використовуючи таке фізичне явище, як зміна фазового стану речовини (плавлення, затвердіння), при якому відзначається стабілізація температури. Для точок плавлення і затвердіння були визначені термодинамічні температури, але не дуже точно, звичайно. І для того, щоб забезпечити єдність вимірювань в світі, за міжнародною угодою (МТШ-90) фазових переходів ряду речовин були приписані певні значення температур. Вони то і грають роль істинного значення, коли ми говоримо про точність вимірювання температури. Якщо Ви за допомогою свого вимірювального приладу отримуєте значення фазового переходу, відповідне МТШ-90, то Ваш прилад точний. Але для цього треба вимірювати еталонну ампулу з максимально чистою речовиною і при тиску в точності дорівнює 1 атм. Жоден робочий прилад до еталонної ампулі не допустять. Еталон температури зберігають в еталонної лабораторії інституту метрології. В еталонних ампулах градуируют тільки еталонні термометри, які потім використовують для передачі розміру одиниці температури зразковим і робочим СІ. Вимірювання значення температури передбачає безперервний ланцюг калібрувань від Державного первинного еталона, і кожна ланка в ланцюзі вносить свій внесок в похибка. Навіть якщо сам датчик сверхстабільний, передача розміру одиниці температури при переході від еталону, через зразковий термометр першого розряду до робочого термометру допомогою звірень термометрів в термостатах дасть кілька сотих градуса. Якщо датчик не дуже стабільний, до того ж короткий, і контакт з об'єктом поганий, то мова може йти тільки про десятих градуса або навіть градусах.

Інша справа - різниця температур. Різниця можна вимірювати одним датчиком, пересуваючи його по об'єкту, або фіксуючи його показання в різні моменти часу. Можна використовувати два або кілька однотипних датчиків, встановлених в різних точках об'єкта. Іноді використовують спеціальні пристрої, типу диференціальних термопар, які по суті теж є набором з'єднаних разом датчиків. У першому випадку, коли для вимірювання різниці температур використовують один і той же термометр, на перший план виходить чутливість самого термометра, чутливість вимірювальної апаратури, а також стабільність термометра і стабільність електричного сигналу за той короткий проміжок часу, який проходить від вимірювання в одній точці об'єкта до переміщення датчика в іншу точку. Припустимо, що вимірювання опору проводяться за допомогою середнього по точності моста з чутливістю 0,001 Ом. (Це залежить вже тільки від нас самих, більш точні мости вже доступні і вУкаіни і за кордоном). Тоді при температурі в районі 50 ° С для стандартного платинового чутливого елемента з коефіцієнтом 0,00385 ° С -1 отримаємо на кожні 0,001 Ом відповідну різницю температур в 0,00258 ° С. Виникає питання: а чи потрібно повіряти датчик, яким будуть вимірювати різницю температур, в тому обсязі, в якому поверяются звичайні прецизійні термометри і термопари? Чи потрібна індивідуальна градуювання в повірочної лабораторії, якщо ми хочемо отримати похибка вимірювання різниці, скажімо в одну соту градуса? Тим більше, що під час градуювання стабільність датчика, як правило, не перевіряється. Питання про градуировке фактично зводиться до визначення індивідуальної чутливості термометра. Замислимося, а на скільки вона, ця чутливість індивідуальна? Дуже короткий розрахунок. Термометр 100 Ом. Візьмемо два крайніх випадку. Стандартна дріт з коефіцієнтом 0,00385 ° С -1. або еталонна дріт 0,003925 ° С -1. У першому випадку на 0,001 Ом отримуємо 0,00258 ° С, в другому - 0,00264 ° С. Тобто при вимірюванні малих різниць температур не суттєво навіть якийсь платиновий термометр Ви використовуєте. Однак при вимірі різниць температур понад 10 ° С чутливість має важливе значення. Помилка від незнання типу досягає вже 0,8 ° С. Хоча, якщо Ви використовуєте типовий термометр, а не саморобний, то даних первинної градуювання, наведених в паспорті, цілком достатньо, для визначення чутливості термометра. При експлуатації чутливість термометрів змінюється дуже мало, а зміна опору R (0) не позначається на вимірі різниці температур. Фактично, періодична повірка не потрібна.

Напевно така ж ситуація спостерігається і для інших СІ. Вимоги до повірки СІ для вимірювання абсолютної величини і різниці величин повинні бути різними.

Статті, зв'язковий тематики: