Практические основы термометрии

Учебное пособие

Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования  
«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана  
(национальный исследовательский университет)»

Практические основы термометрии  

УДК 536.51
ББК 22.317
П69

ISBN 978-5-7038-5432-7

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2020

Издание доступно в электронном виде по адресу
https://bmstu.press/catalog/item/6906/

Факультет «Энергомашиностроение»
Кафедра «Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования 
и жизнеобеспечения»
Рекомендовано Научно-методическим советом  

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Авторы:
Е.М. Стриженов, А.В. Шакуров, А.С. Кротов, А.В. Пушкарев
 
 
 
Практические основы термометрии : учебное пособие / [Е. М. Стриженов  

и др.]. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 66, [10] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-5432-7
Приведены основы термометрии, последовательность подготовки к измерению 
температуры на практике, а также рекомендации к определению и коррекции погрешности измерений. Предназначено для формирования у обучающихся системных знаний по проведению измерений температуры и обработке полученных данных.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 16.03.03, 
16.04.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения», 16.05.01 
«Специальные системы жизнеобеспечения», изучающих курсы «Приборы и техника 
измерений», «Приборы и техника измерений специальных систем жизнеобеспечения», 
«Приборы и техника эксперимента», «Приборы и техника эксперимента систем жизнеобеспечения», «Техника низкотемпературного эксперимента», «Средства измерения параметров низкотемпературных систем», а также для широкого круга читателей, стремящихся повысить свою квалификацию по вопросам проведения измерений температуры.

УДК 536.51
ББК 22.317

П69

Учебное издание

Стриженов Евгений Михайлович 
Шакуров Алексей Валерьевич 
Кротов Александр Сергеевич 
Пушкарев Александр Васильевич
Практические основы термометрии 

Оригинал-макет подготовлен в Издательстве МГТУ им. Н.Э. Баумана.
В оформлении использованы шрифты Студии Артемия Лебедева.
Подписано в печать 26.11.2020. Формат 70×100/16. 
Усл. печ. л. 6,175. Тираж 140 экз. Изд. 759-20
. Заказ   
19
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул.,  
д. 5, стр. 1. press@baumanpress.ru  https://bmstu.press

Отпечатано в типографии МГТУ им. Н.Э. Баумана. 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 
д. 5, стр. 1. baumanprint@gmail.com

Предисловие

Современная практика разработки и эксплуатации как низкотемпературных техники и технологий, так и многих других видов технического обеспечения технологических процессов требует практико-ориентированных знаний 
и умений в области определения и непрерывного мониторинга температуры 
различных объектов.
Цель данного пособия — сформировать у обучающихся системные знания 
по теоретическим и практическим основам измерения температуры с использованием современных средств измерений и информационных технологий.
Пособие соответствует программе учебных дисциплин «Приборы и техника измерений», «Приборы и техника измерений специальных систем жизнеобеспечения», «Приборы и техника эксперимента», «Приборы и техника 
эксперимента систем жизнеобеспечения», «Техника низкотемпературного 
эксперимента», «Средства измерения параметров низкотемпературных систем» и предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 16.03.03, 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника 
и системы жизнеобеспечения», 16.05.01 «Специальные системы жизнеобеспечения».
Освоение материала данного учебного пособия позволит:

 
• применять полученные знания и умения для разработки экспериментальных стендов и низкотемпературного оборудования, корректного подбора 
и установки приборов (средств измерения);

 
• непосредственно проводить измерения температуры на практике;

 
• использовать современные технологии измерения температуры;

 
• применять на практике методы оценки погрешности измерений;

 
• создавать (разрабатывать) решения научно-технических задач в рамках 
экспериментальных исследований или испытаний.

Введение

Температура — физическая величина, характеризующая состояние макроскопической системы. Понятие температуры используется для упрощенного 
описания сложного энергетического состояния системы, состоящей из огромного количества частиц. Температура носит статистический характер и не является свойством отдельных частиц в системе. В зависимости от рассматриваемой системы и ее энергетического состояния различают термодинамическую, 
кинетическую, радиационную (излучательную), цветовую, электронную температуру, а также ряд специфических понятий наподобие «температуры торможения». 
Наиболее часто используют термодинамическую температуру, характеризующую состояние термодинамического равновесия макроскопической системы и направление самопроизвольного теплообмена между телами (системами). Данная температура одинакова для всех частей изолированной 
системы, находящейся в термодинамическом равновесии. Термодинамическая 
температура представляет собой сочетание кинетической температуры для системы атомов, молекул (пропорциональна средней кинетической энергии поступательного теплового движения частиц) и радиационной (излучательной) 
температуры, характеризующей теплообмен излучением. Чаще всего эти температуры совпадают, в связи с чем и возникло «обыденное» восприятие температуры как некоторого абсолютного (независимого от наблюдателя и способа теплообмена) свойства тела или системы. Однако это представление 
неверно. В ряде случаев, например в сильно разреженном газе (вакуум, космическое пространство и т. п.), возникает дуализм понятия «температура» и 
указанные выше температуры могут сильно расходиться или совсем терять 
физический смысл при малом числе частиц или при отсутствии взаимодействия между ними. На практике широко применяется именно термодинамическая температура, поэтому слово «термодинамическая» в названии чаще 
всего опускается и используется понятие «температура» (здесь и далее речь 
будет идти именно о термодинамической температуре). 
Измерение — процесс экспериментального получения одного или нескольких значений физической величины, которые могут быть обоснованно приписаны измеряемой величине. 
Термометрия — раздел прикладной физики и метрологии, посвященный 
разработке методов и средств измерения температуры. Принцип измерения 
температуры основан на определении значений различных зависимых от температуры свойств тел (объема, давления, электрического сопротивления, термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) и т. п.) с использованием чувствительных элементов термометров либо на определении теплового потока между 
телами (пирометрия). 

Введение 

Датчик — элемент измерительной системы, на который непосредственно 
действует процесс, физическое тело или вещество, несущие информацию об 
измеряемой физической величине. Это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он 
«дает» информацию). Для измерения температуры в низкотемпературной технике наиболее часто применяют следующие типы датчиков: термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи. 
Датчики работают в комплекте с вторичными приборами, которые преобразуют сигнал в форму, удобную для восприятия информации. Современная практика проведения измерений в технике требует сбора и анализа данных с большого числа датчиков. Для этого организуют каналы связи между 
приборами и компьютерами (промышленная сеть). Данные собираются в 
специализированном программном обеспечении, ориентированном для работы в режиме реального времени систем сбора, обработки, отображения и 
архивирования информации об объекте мониторинга или управления. Такие 
программы имеют человеко-машинный интерфейс, с помощью которого оператор может наблюдать за результатами измерений.
Однако всегда существует неопределенность измерений — параметр, связанный с результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, 
которые можно приписать измеряемой величине. Необходимо грамотно определять погрешность результата измерения — отклонение результата измерения 
от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Чем меньше погрешность измерения, тем больше его точность. Следует учитывать, что 
в большинстве случаев истинное значение неизвестно и не может быть измерено, а определение погрешностей носит «оценочный» характер. Истинное 
значение физических величин известно только в ряде специфических случаев: например, выделение теплоты на выключенном нагревателе однозначно 
равно «нулю». В различных исследованиях проводят также, несмотря на кажущуюся нецелесообразность, измерение величин с известным истинным 
значением и определение погрешностей. Наиболее ярким примером служит 
проверка закона сохранения энергии (теплового баланса) или массы, основанная на измерении «нулевой» разности между входящим и выходящим 
энергетическими или материальными потоками. В этом случае определенные 
погрешности характеризуют качество экспериментального оборудования и 
методологии. 
Специалист должен иметь в своем арсенале не только знания и умения 
по организации всей цепочки проведения измерений температуры, но и навыки по корректировке полученных данных и определению точности выполненных измерений. 

1. Основы измерения температуры

1.1. Термопреобразователи  сопротивления

Конструкция и принцип действия

Термопреобразователь сопротивления, или термометр сопротивления  
(ТС) — средство измерения температуры, состоящее из одного или нескольких термочувствительных элементов электрического сопротивления (резисторов с известной зависимостью электрического сопротивления от температуры) и внутренних соединительных проводов, помещенных в герметичный 
защитный корпус, а также внешних клемм или выводов, предназначенных 
для подключения к измерительному прибору.
Действие ТС основано на свойстве материалов изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Данное свойство в разной степени проявляется у всех материалов. Например, у абсолютного большинства 
м е т а л л о в   электрическое сопротивление изменяется на 0,23…0,65 % при 
изменении температуры на 1 K (1 °С), причем большее значение соответствует 
металлам ферромагнитной группы: железу, никелю, кобальту. У  с п л а в о в 
температурный коэффициент α электрического сопротивления ниже, чем у 
чистых металлов, поэтому сплавы редко применяют в качестве материалов 
ТС. Электрическое сопротивление металлов увеличивается с повышением 
температуры в силу возрастающего рассеяния электронов (носителей заряда 
в металлах) на неоднородностях кристаллической решетки.
У  п ол упроводников,  отличающихся иным механизмом электропроводности («электронной» или «дырочной»), число носителей заряда значительно увеличивается с ростом температуры, что и приводит к быстрому (экспоненциальному) уменьшению сопротивления, т. е. к отрицательному 
температурному коэффициентуαα. Такие терморезисторы называются термисторами. Существуют также и позисторы — полупроводниковые терморезисторы с положительным температурным коэффициентом αα. Температурный 
коэффициент электрического сопротивления у полупроводников значительно больше (до 2…8 % на 1 K), чем у металлов, однако он существенно нелинейный.
Для измерения сверхнизких температур (от 25 мK до 4 K) применяют  
неметаллические термометры сопротивления на основе диоксида рутения 
(RuO2). 
Небольшое число материалов (например, сплавы манганин, константан; 
чистые металлы — титан, стронций и т. п.) отличаются очень низким температурным коэффициентом электрического сопротивления, что открывает 

1.1. Термопреобразователи  сопротивления

большие возможности их применения в качестве образцовых резисторов, но 
полностью исключает возможность использования в качестве ТС.
Для того чтобы измерить электрическое сопротивление, на объект измерения подают электрический ток. Именно необходимость подачи тока и обусловливает большинство недостатков ТС, поскольку «идеальное» (невозможное в действительности) измерение температуры возможно только при 
отсутствии воздействия со стороны наблюдателя. 
Термометры сопротивления корректнее называть термопреобразователями сопротивления, поскольку они напрямую не измеряют и не показывают 
температуру: в зависимости от температуры изменяются их свойства, и определение температуры возможно только с помощью дополнительного электроизмерительного оборудования. 
Конструкции ТС разнообразны, но наиболее распространены следующие:
а) проволочные каркасные (рис. 1.1) — классические ТС, в которых чувствительный элемент представляет собой проволоку, намотанную на изоляционный каркас бифилярно (когда ток по соседним виткам идет навстречу 

Рис. 1.1. Наружная (а) и внутренняя (б) конструкции платинового проволочного каркасного ТС и упрощенная конструкция его чувствительного элемента с указанием направления движения тока (в): 
1 — головка для присоединения термометра к электроизмерительному прибору; 2 — штуцер для установки термометра; 3 — стальной чехол; 4 — выводы; 5 — изоляционная накладка;  
6 — металлическая лента для экранирования; 7 — бифилярная обмотка платиновой проволоки 
(чувствительный элемент); 8 — изоляционный каркас 

1. Основы измерения температуры 

друг другу во избежание наводок). Возможны различные варианты исполнения: без наружного кожуха; на металлическом каркасе (конструкция hollow 
annulus, в которой в качестве материала полого каркаса используется металл 
со свойствами (в частности, с температурным коэффициентом линейного расширения), близкими к свойствам проволоки чувствительного элемента) и др.;
б) проволочные со спиралью, «свободной от напряжения» (strain-free) (рис. 1.2). 

Чувствительный элемент представляет собой металлическую проволочную 
спираль, несколько отрезков (обычно четыре) которой укладывают в специальные каналы внутри изоляционного материала и засыпают мелкодисперсным порошком того же изоляционного материала (чаще всего керамики, например, на основе оксида алюминия). 
Таким образом обеспечивают изоляцию 
витков спирали друг от друга, амортизацию спирали при термическом расширении и вибропрочность;
в) тонкопленочные (thin-film) (рис. 1.3). 
В данной конструкции тонкая металлическая (обычно из платины) проволока 
напыляется на керамическую подложку, 
а затем покрывается изоляционным материалом (эпоксидным, стеклянным и т. п.). 
Тонкопленочные ТС — наиболее дешевые датчики температуры. Их преимущество перед другими конструкциями — 
очень малые размеры и масса и, соответственно, малая тепловая инерция датчиков. Кроме того, тонкопленочные ТС 
могут изготовляться с высоким сопротивлением (до 1000 Ом) без значительного изменения в размерах;

Рис. 1.2. Конструкция проволочного ТС  
со «свободной от напряжения» спиралью: 
1 — проволока чувствительного элемента; 2 — порошок 
оксида алюминия; 3 — четырехканальная трубка из оксида алюминия; 4 — выводы

Рис. 1.3. Конструкция тонкопленочного ТС: 
1 — область подгонки сопротивления; 
2 — резистивные дорожки из осажденной 
платины (чувствительный элемент); 3 — 
керамическая подложка; 4 — стеклянная 
оболочка; 5 — выводы