Общие сведения об измерении температуры (стр. 2 из 3)

В последующие годы производились работы по пересмотру МТШ-27 с целью осуществления более точного согласования с термодинамической шкалой в том виде, как она была принята, но с внесением в нее некоторых улучшений, основанных на уточненных и вновь полученных экспериментальных данных. В результате проведенных работ Консультативным комитетом по термометрии был выработан проект Положения о Международной практической температурной шкале 1948 г (МПТШ-48), утвержденный девятой Генеральной конференцией по мерам и весам.

Для шкалы с одной реперной точкой необходимо приписать определенное числовое значение единственной экспериментально реализуемой ее точке. Нижней границей температурного интервала будет служить тогда точка абсолютного нуля.

Предельная погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет 0,01°С, точки таяния льда 0,001 °С. Тройная же точка воды, являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазе, может быть воспроизведена в специальных сосудах с предельной погрешностью не больше 0,0001 °С.

Учитывая все это и рассмотрев тщательно все числовые результаты, полученные в различных метрологических лабораториях ряда стран, Консультативный комитет по термометрии признал, что наилучшим значением для температуры тройной точки воды, лежащей выше точки таяния льда на 0,01°С, является значение 273,16 К. Десятая Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 г. на основании этого установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды.

Новое определение термодинамической температурной шкалы нашло отражение в «Положении о МПТШ-48. Редакция 1960 г.», принятом одиннадцатой Генеральной конференцией по мерам и весам. Этой шкалой предусматривается применение двух температурных шкал: термодинамической температурной шкалы и практической температурной шкалы. Температура по каждой из этих шкал может быть выражена двояким способом: в градусах Кельвина (К) и в градусах Цельсия (°С) в зависимости от начала отсчета (положения нуля) по шкале.

Методы реализации МПТШ-48 по существу остались неизменными по сравнению с методами реализации шкалы 1927 г. Однако два изменения в определении шкалы 1948 г. дают ощутимые различия в числовом значении измеряемых температур. Для температуры затвердевания серебра предложено значение 960,8°С вместо ранее установленного 960,5°С. Воспроизведение области шкалы выше точки затвердевания золота (1063°С) предложено осуществлять не по приближенной формуле Вина, а по уравнению Планка. Кроме того, предложено уточненное значение константы излучения с₂, входящей в уравнение Планка.

Участок шкалы от –182,97°С до +630,5°С, определяемый эталонным термометром сопротивления, остается в основном без изменений. В интервале от 630,5 до 1063°С числовые значения температуры по уточненной шкале 1948 г. немного выше таковых по шкале 1927 г. Благодаря этому изменению участок шкалы, определяемый эталонным термоэлектрическим термометром, согласуется более надежно не только с участком шкалы, определяемым термометром сопротивления в точке затвердевания сурьмы, но также с областью шкалы выше точки затвердевания золота при применении уточненного значения с₂. В СССР МПТШ-48 была введена с 1 июля 1962 г. (ГОСТ 8550-61).

Ввиду большой потребности в измерениях низких температур как в научных исследованиях, так и в технике, длительное время в ряде стран велись работы по установлению температурных шкал ниже 90 К. Исследования в этой области низких температур, выполненные в СССР и других странах, рассмотрены в монографии М. П. Орловой. На базе этих работ в ряде стран были установлены национальные шкалы в области 13,8 — 90 К. В СССР практическая температурная шкала в области от тройной точки водорода до точки кипения кислорода введена с 1 /VII 1967 г. (ГОСТ 12442-66). Для реализации практических температурных шкал, воспроизводящих единицу температуры в интервалах от 1,5 до 4,2K и от 4,2 до 13,81К, во ВНИИФТРИ были созданы, а Госстандартом СССР утверждены Государственные специальные эталоны единиц температуры для диапазонов от 1,5 до 4,2К и от 4,2 до 13,81К (ГОСТ 8.078-73 и ГОСТ 8.084-73). В настоящее время в применяемых в СССР практических температурных шкалах область низких температур расширена до 0,01К.

Одновременно с проведением исследований в области низких температур проводились работы по пересмотру МПТШ-48.

Международным комитетом мер и весов в октябре 1968 г. была принята новая Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68). В ней расширена область низких температур до тройной точки водорода и произведены уточнения шкалы МПТШ-48 в области от –182,97 до 1063°С.

В зарубежной литературе наряду с выражением температуры в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С) используется иногда градус Фаренгейта (°F) и градус Ренкина (°Ra). Следует иметь в виду, что раньше градус Фаренгейта был характерен для шкал ртутно-стеклянных термометров, а в данное время, так же как и градус Цельсия, он обозначает, что температура выражена по МПТШ, но с другим числовым значением. Пересчет числовых значений температуры, выраженной в градусах одной шкалы, в градусы другой производят по следующим формулам:

n °С = n К – 273,15 = 5/9(n °F – 32) = 5/9 n°Ra–273,15;

nK = n °C + 273,15 = 5/9 n °F + 255,37 = 5/9 n °Ra.

Практическиетемпературныешкалы

В СССР с 1/I 1976 г. установлены практические температурные шкалы, предназначенные для обеспечения единства измерений температуры от 0,01 до 100000K, и методы их осуществления. Эти температурные шкалы установлены с учетом рекомендации Международного комитета мер и весов и его Консультативного комитета по термометрии.

Рассматриваемые ниже практические температурные шкалы образуют единую систему температурных шкал, непрерывную от 0,01 до 1×10⁵K, реализуемых различными методами. При этом они установлены таким образом, что температуры, измеренные по ним, близки к термодинамическим температурам.

Единицей температуры по практическим температурным шкалам, установленным ГОСТ 8.157-75, так же как и единицей термодинамической температуры, является кельвин (К), вместо прежнего наименования градус Кельвина. Допускается применение единицы температуры — градус Цельсия (°С). Между температурой T, выраженной в кельвинах, и температурой t, выраженной в градусах Цельсия, установлено соотношение

t = T – T₀,

где Т₀ = 273,15 К.

Единица кельвин определена как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройкой точки воды. Градус Цельсия равен Кельвину. Температурные разности (интервалы) выражаются в кельвинах, но могут быть выражены также в градусах Цельсия вместо ранее применявшегося обозначения град (deg).

Методы воспроизведения практических температурных шкал, рассматриваемых ниже, определяют требования к средствам измерений, входящим в состав государственных эталонов для соответствующих диапазонов температуры.

Температурная шкала термометра магнитной восприимчивости ТШТМВ. Эта температурная шкала, основанная на зависимости магнитной восприимчивости χ термометра из церий-магниевого нитрата от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 0,01 до 0,8 К. Зависимость χ = f (T) выражается законом Кюри:

χ = С/Т,

где С — константа, определяемая градуировкой магнитного термометра.

Температурная шкала ³Не 1962г. Эта шкала, основанная на зависимости давления p насыщенных паров изотопа гелия-3 от температуры T, устанавливается для диапазона температур от 0,8 до 1,5K. Эта зависимость выражается уравнением

1np= 2,24846 – 2,49174/T+ 4,80386 – 0,286001T + 0,198608T² – 0,0502237T³ + +0,00505486T⁴,

где p— давление в мм рт. ст. при 0°С и ускорении свободного падения, равном 9,80665 м/с².

Температурная шкала ⁴Не 1958 г., основанная на зависимости давления p насыщенных паров изотопа гелия-4 от температуры Т, устанавливается для диапазона температур от 1,5 до 4,2К. Эта зависимость представлена в табличной форме (ГОСТ 8.157-75).

Температурная шкала германиевого термометра сопротивления ТШГТС. Шкала ТШГТС, основанная на зависимости электрического сопротивления R германиевого термометра от температуры T, устанавливается для диапазона температур от 4,2 до 13,81 К. Зависимость R = f (T) выражается соотношением

где A_i — константы, определяемые градуировкой германиевого термометра сопротивления по газовому термометру.

Международная практическая температурная шкала 1968 г. (МПТШ-68) устанавливается для температур от 13,81 до 6300 К. Температурная шкала МПТШ-68 основана на ряде воспроизводимых равновесных состояний, которым присвоены точные значения температур — основных реперных (постоянных) точек, и на эталонных приборах, градуированных при этих температурах. В интервалах между температурами постоянных точек интерполяцию осуществляют по формулам, устанавливающим связь между показателями эталонных приборов и значениями температуры. Основные реперные точки реализуются как определенные состояния фазовых равновесий некоторых чистых веществ.

Для температур от 13,81 до 903,89 К (от –259,34 до 630,74°С) в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления. Для области температур ниже 0°C соотношение между сопротивлением термометра и температурой определяют стандартной функцией и специальными уравнениями для вычисления поправок к этой функции согласно ГОСТ 8.157-75. Для области от 0 до 630,74°C соотношение между сопротивлением термометра и температурой выражается двумя уравнениями в форме полиномов.