Положение о международной температурной шкале и установление основных реперных точек. Методы измерения и стабилизации температуры. Построение принципиальной электрической схемы и описание термостатируемого блока. Строение платинового терморезистора.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Курсовая работа

Прецизионный двухконтурный термостат

Радиофизика

Оглавление

• Введение
• 1. Измерение и стабилизация температуры
• 1.1 МТШ-90
• 1.2 Платиновый терморезистор
• 1.3 Измерение температуры
• 1.4 ПИД-регулятор
• 1.5 Настройка регуляторов
• 1.6 Постановка задачи и выбор метода исследования
• 2. Экспериментальная установка
• 2.1 Структурная схема
• 2.2 Принципиальная электрическая схема
• 2.3 Описание термостатируемого блока

Введение

Одним из важнейших параметров как лабораторных экспериментов, так и технологических процессов многих отраслей промышленности является температура. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов технические измерения температуры составляют 40-50% общего числа всяких измерений.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура одинакова для всех частей изолированной системы, находящейся в термодинамическом равновесии. Если изолированная система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии (теплопередача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к выравниванию температуры во всей системе. Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии и распределение частиц по скоростям; степень ионизации вещества; свойства равновесного электромагнитного излучения тел -- спектральную плотность излучения, полную объёмную плотность излучения и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла -- кинетической температурой, в формулу Саха -- ионизационной температурой, в закон Стефана -- Больцмана -- радиационной температурой. Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы. В кинетической теории газов и других разделах статистической механики температуру количественно определяется так, что средняя кинетическая энергия поступательного движения частицы (обладающей тремя степенями свободы) равна 3/2кТ, где k -- Больцмана постоянная, Т -- температура тела. В общем случае температура определяется как производная от энергии тела в целом по его энтропии. Такая температура всегда положительна, её называют абсолютной температурой. За единицу абсолютной температуры в Международной системе единиц (СИ) принят кельвин (К) [1].

Строго определённой температурой характеризуется лишь равновесное состояние тел. Существуют, однако, системы, состояние которых можно приближённо охарактеризовать несколькими не равными друг другу температурами. Например, в плазме, состоящей из лёгких (электроны) и тяжёлых (ионы) заряженных частиц, при столкновении частиц энергия быстро передаётся от электронов к электронам и от ионов к ионам, но медленно от электронов к ионам и обратно. Существуют состояния плазмы, в которых системы электронов и ионов в отдельности близки к равновесию, и можно ввести температуру электронов и температуру ионов, не совпадающие между собой [2].

В телах, частицы которых обладают магнитным моментом, энергия обычно медленно передаётся от поступательных к магнитным степеням свободы, связанным с возможностью изменения направления магнитного момента. Благодаря этому существуют состояния, в которых система магнитных моментов характеризуется температурой, не совпадающей с кинетической температурой, соответствующей поступательному движению частиц. Магнитная температура определяет магнитную часть внутренней энергии и может быть как положительной, так и отрицательной. В процессе выравнивания температуры энергия передаётся от частиц (степеней свободы) с большей температурой к частицам (степеням свободы) с меньшей температурой, если они одновременно положительны или отрицательны, но в обратном направлении, если одна из них положительна, а другая отрицательна. В этом смысле отрицательная температура "выше" любой положительной [2].

1. Измерение и стабилизация температуры

1.1 МТШ-90

Положение о международной температурной шкале - это главный законодательный документ в области термометрии. Он устанавливает значения температур основных реперных точек (фазовых переходов чистых веществ) и способ интерполяции между точками. Каждое изменение шкалы - результат научных исследований метрологических центров всего мира. Цель изменения - максимальное приближение к термодинамической температурной шкале, которая реализуется через основные физические законы, связывает температуру с другими основными физическими величинами и универсальными постоянными, но реализация которой очень трудоемка и не может быть воспроизведена с достаточной точностью и стабильностью во всех национальных метрологических центрах - хранителях государственных эталонов. Введение новой редакции температурной шкалы сказывается на градуировках всех средств измерения температуры [3].

Для обеспечения единства и точности температурных измерений служит Государственный эталон единицы температуры -- кельвин, что позволяет в диапазоне 1,5--2800 К воспроизводить международную практическую шкалу с наивысшей достижимой в настоящее время точностью. Дадим определение кельвина. Единицей фундаментальной физической величины, термодинамической температуры, обозначаемой символом Т, является кельвин, обозначение К, который по определению равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Таким образом, единица температуры оказывается в зависимости от качества производства тройной точки воды. Исследования последних лет показали, что на стабильность температуры тройной точки воды влияет состав стекла ампулы, степень очистки воды и изотопный состав воды. Исследования, включающие сличения ампул с различным изотопным составом воды показали, что расхождения в значениях температур могут достигать нескольких десятых мК [3].

Международная температурная шкала (МТШ-90) введена в соответствии с решением XVIII Генеральной конференции по мерам и весам. МТШ-90 по сути является практической температурной шкалой и заменяет собой предыдущую Международную практическую температурную шкалу МПТШ-68. Основные изменения в шкале связаны с изменением температур реперных точек, расширением диапазона определения шкалы, введением новых интерполяционных приборов и новых методик построения интерполяционных зависимостей для платиновых термометров сопротивления. Шкала считается очень близко аппроксимирующей термодинамическую шкалу температур, поэтому слово "практическая" было опущено в ее названии [4].

Температура не может быть измерена непосредственно. Об её изменении судят по изменению других физических свойств тел (объёма, давления, электрического сопротивления, эдс, интенсивности излучения и др.), связанных с температурой определёнными закономерностями. Поэтому методы измерения температуры являются по существу методами измерения указанных выше термометрических свойств, которые должны однозначно зависеть от температуры и измеряться достаточно просто и точно. При разработке конкретного метода или прибора необходимо выбрать термометрическое вещество, у которого соответствующее свойство хорошо воспроизводится и достаточно сильно изменяется с температурой. Для измерения температуры (при любом методе) необходимо определить температурную шкалу [1].

Методы измерения температуры разнообразны; они зависят от принципов действия используемых приборов, диапазонов измеряемых температур, условий измерений и требуемой точности. Их можно разделить на две основные группы: контактные методы -- собственно термометрия, и бесконтактные методы -- термометрия излучения, или пирометрия.

Общим и существенным для всех контактных методов измерения температуры является то, что всякий прибор, измеряющий температуру среды, должен находиться с ней в тепловом равновесии. Основными узлами всех приборов для измерения температуры являются: чувствительный элемент, где реализуется термометрическое свойство, и связанный с ним измерительный прибор, который измеряет численные значения этого свойства. В газовой термометрии термометрическим свойством является температурная зависимость давления газа (при постоянном объёме) или объёма газа (при постоянном давлении), соответственно различают -- газовый термометр постоянного объёма и газовый термометр постоянного давления. Термометрическое вещество в этих термометрах -- газ, приближающийся по своим свойствам к идеальному. Уравнение состояния идеального газа pV = RT устанавливает связь абсолютной температуры Т с давлением р (при постоянном объёме V) или Т с объёмом V (при постоянном давлении). Газовым термометром измеряют термодинамическую температуру. Точность прибора зависит от степени приближения используемого газа (азот, гелий) к идеальному [2]. В конденсационных термометрах термометрическим свойством является температурная зависимость давления насыщенных паров жидкости. Чувствительный элемент -- резервуар с жидкостью и находящимися с ней в равновесии насыщенными парами -- соединён капилляром с манометром. Термометрические вещества -- обычно низкокипящие газы: кислород, аргон, неон, водород, гелий. Для вычисления температуры по измеренному давлению пользуются эмпирическими соотношениями. Диапазон применения конденсационного термометра ограничен. Высокоточные термометры (до 0,001 град) служат для реализации реперных.

В термометрах жидкостных термометрическим свойством является тепло...