Шумовой термометр

Вводная глава книги содержит краткое обсуждение понятия температура , обзор истории термометрии и вскрывает важное различие между первичной и вторичной термометриями. В гл. 2 рассматриваются истоки известных международных соглашений о термометрии, обсуждаются развитие и современное состояние Международной практической температурной шкалы. В гл. 3 рассмотрены главные методы измерения термодинамических температур, к которым относится газовая термометрия, акустическая термометрия и шумовая термометрия. В гл. 4 описаны реперные точки температуры, тройные точки и точки кипения газов, точки затвердевания и сверхпроводящие точки металлов. Здесь же рассмотрены требования к однородности температуры при сравнении термометров. Три последующие главы посвящены основным методам практической термометрии, термометрам сопротивления, термопарам и термометрии по излучению. Во всех главах, в том числе и во вводной, даны не только физические основы методов высшей точности, применяемых в эталонных лабораториях, но и их подробное описание. Приведены также примеры измерений температуры в промышленных условиях. Книга завершается краткой главой о ртутной термометрии. Каждая глава дополнена обширной библиографией. [c.9]

Чтобы объяснить различие между первичной и вторичной термометрией, прежде всего укажем, в чем смысл первичной термометрии. Под первичной термометрией принято понимать термометрию, осуществляемую с помощью термометра, уравнение состояния для которого можно выписать в явном виде без привлечения неизвестных постоянных, зависящих от температуры. Выше было показано, каким образом постоянная Больцмана обеспечивает необходимое соответствие между численными значениями механических и тепловых величин и каким образом ее численное значение определяется фиксированием температуры 273,16 К для тройной точки воды. Таким же способом было найдено численное значение газовой постоянной. Таким образом, имеются три взаимосвязанные постоянные Т (тройная точка воды) или То (температура таяния льда), к и R. В принципе теперь можно записать уравнение состояния для любой системы и использовать ее в качестве термометра, смело полагая, что полученная таким способом температура окажется в термодинамическом и численном согласии с температурой, полученной при использовании любой другой системы и другого уравнения состояния. Примерами таких систем, пригодных для термометрии, могут служить упомянутые выше при обсуждении определения к н Я газовые, акустические, шумовые термометры и термометры полного излучения. Наличие не зависящих от температуры постоянных, таких, как геометрический фактор в термометре полного излучения, можно учесть, выполнив одно измерение при То Последующее измерение Е(Т) [c.33]

При температурах выше 630 °С как оптическая пирометрия, так и шумовая термометрия показали, что шкала, основанная на —10% РЬ/Р1 термопарах, заметно отклоняется от термодинамической шкалы при сушествующих значениях реперных точек, как показано на рис. 2.11. Пока еше отсутствуют измерения, которые соединили бы верхнюю границу [c.62]

Различия между T и другими шкалами показаны на рис. 2.13. Разница между T и НФЛ-75 была позже уточнена методом шумовой термометрии при измерениях до 4,2 К [40]. [c.66]

В этой главе, посвященной практическим вопросам измерения температуры, прежде всего рассматриваются три основных метода первичной термометрии. Это — классическая газовая термометрия, акустическая газовая термометрия и шумовая термометрия. Затем выясняется роль магнитной термометрии. Магнитная термометрия в обсуждаемом случае не применяется в качестве первичного метода, однако она тесно связана с первичной термометрией и поэтому ее роль выясняется ниже. То же самое можно сказать о газовых термометрах, основанных на коэффициенте преломления и диэлектрической проницаемости как тот, так и другой могут быть использованы в качестве интерполяционного прибора. Термометрия, основанная на определении характеристик теплового излучения, рассматривается отдельно в гл. 7. В данной главе в основном обсуждаются принципиальные основы каждого из методов, а не результаты измерений, поскольку последние были представлены в гл. 2, где говорилось о температурных шкалах. [c.76]

Шумовая термометрия 3.4.1. Введение [c.112]

Соотнощение между измеряемой величиной и термодинамической температурой оказывается очень простым, однако шумовая термометрия не используется в качестве основного метода первичной термометрии. Причина заключается в том, что не удается достаточно точно измерить напряжения порядка нескольких микровольт и при этом избежать посторонних источников шума, как теплового, так и нетеплового происхождения, а также сохранить постоянными полосу пропускания и коэффициент усиления измерительных приборов. В шумовой термометрии, несмотря на достигнутые за последние годы успехи, остается еще много нерешенных проблем. Точность измерения термодинамической температуры шумовым методом, кроме области очень низких температур, намного ниже точности других первичных термометров. По этой причине, не вдаваясь в подробности предмета шумовой термометрии, рассмотрим в общих чертах основные принципы тех приемов, которые применялись на практике. [c.113]

В шумовой термометрии условно можно выделить пять основных методов, которые рассмотрены ниже. [c.114]

Рие. 3.14. Схема шумового термометра с последовательным переключением [56]. Схема выполнена таким образом, что шумовые напряжения на сопротивлениях Л1 и Ла при температурах соответственно Т к Тг поочередно сравниваются друг с другом. I — усилитель 2 — фильтры 3 — детекторы 4 — преобразователь напряжения в частоту 5 — тактовый генератор 6 — счетчик 7 — коммутатор 8 — соленоид. [c.115]

Трудности прецизионного метода шумовой термометрии при получении точных отношений термодинамических температур были рассмотрены Пикапом, который применил блок-схему, приведенную на рис. 3.14. [c.115]

Полоса частот шумового термометра должна быть одной и той же для каждого сопротивления. [c.115]

Рнс. 3.15. Схема шумового термометра на основе метода равных сопротивлений [21]. 1 — усилитель с низким уровнем собственных шумов 2, 5 — фильтры 3 — аттенюатор 4 — частотная компенсация аттенюатора 6 — низкочастотный усилитель, демодулятор и преобразователь напряжения в частоту 7 — тактовый генератор 8 — детектирующая цепь и управляющий триггер 9 — устройство для отключения счетчика и остановки тактового генератора 10 — реверсивный счетчик Сь — запоминающие конденсаторы 51—5б — управляемые синхронные переключатели, аналогичный переключатель входит в низкочастотный усилитель. [c.116]

Третий метод шумовой термометрии заключается в том, что сигнал от единственного сопротивления одновременно подается на два усилителя, выходные сигналы которых сравниваются коррелятором. В этом случае некоррелированный собственный [c.117]

Рис. 3.16. Схема шумового термометра на основе метода корреляции [45]. —сопротивление при температуре Т V и У —

Рис. 3.18. Схема, поясняющая принцип действия шумового термометра с использованием контакта Джозефсона [37].

Рис. 3.19. Схема шумового термометра на основе резистивного СКИП-метода [37]. 1 — генератор 30 МГц 2, 3 — усилитель 4 — частотомер 5 — самописец 6 — контур, настроенный на 30 МГц 7 — точечный контакт, осциллирующий с частотой 5 кГц.

Шумовая термометрия. Тепловое хаотическое движение носителей зарядов в проводниках приводит к тому, что на концах проводника возникают случайные напряжения. Амплитуды этих напряжений подчиняются закону распределения Гаусса (нормальный закон), математическое ожидание которого равно нулю, а дисперсия зависит от температуры проводника. Среднеквадратичное значение напряжения щума определяется формулой Найквиста [c.88]

Принципиально новые сведения о термодинамической шкале при низких температурах были получены Берри с газовым термометром НФЛ в интервале от 2,6 до 27,1 К [4]. Эти данные были подтверждены при новых измерениях с шумовым термометром до 4,2 К [40], с акустическим термометром от 4,2 до 20К [20] и с новым типом газового термометра [28, 29], где использована температурная зависимость диэлектрической проницаемости. Применив диэлектрический газовый термометр в качестве интерполяционного прибора, Гьюген и Мичел подтвердили данные Берри в интервале от 4,2 до 27 К-Значения низкотемпературных реперных точек установленной Берри шкалы НФЛ-75 приведены в табл. 2.5. [c.63]

В шкалу ПТШ-76 введены реперные точки по температурам переходов пяти металлов в нулевом магнитном поле из сверхпроводящего в нормальное состояние. Эти металлы входят в прибор, разработанный в НБЭ под названием Стандартный справочный материал ЗКМ 767 . Некоторый недостаток ПТШ-76 состоит в том, что один из рекомендованных способов ее воспроизведения тесно связан с конкретным прибором, который изготавливается только в НБЭ. Можно надеяться, что в будущем удастся изготавливать наборы из пяти металлов с достаточно воспроизводимыми свойствами, с тем чтобы и температуры переходов имели одно и то же значение независимо от происхождения образца. Значения температур, приписанные сверхпроводящим переходам свинца, индия и алюминия, соответствуют среднему значению, полученному по шкалам различных лабораторий после согласования шкал с ТхАс- Неопределенность в этих значениях оценена величиной 0,5 мК- Значение температуры сверхпроводящего перехода цинка получено по магнитному термометру НФЛ, а для кадмия — по магнитному термометру НФЛ и шумовому термометру НБЭ. Детальное описание ПТШ-76, историю ее создания и построения можно найти в работе Дюрье и др. [22]. [c.68]

Шумовой термометрии присуща еще одна особенность, связанная со статистической природой измеряемой величины. Если сравнить два источника найквистовского шума при различных температурах, то для данной полосы пропускания стандартное отклонение величины К , а именно за время измерения t определяется соотношением [c.114]

Следующий метод шумовой термометрии основан на измерении произведения шумового напряжения и шумового тока, которые возникают в сопротивлении. Этот метод, разработанный Борковским и Блалоком [6], обладает существенным преимуществом. Для определения температуры Т не требуется знать величину сопротивления [3, 4]. На рис. 3.17 показана блок-схема измерительной системы Борковского и Блалока, позволяющая измерить мощность источника шума. Шумовой ток, возникающий в сопротивлении R, определяется соотношением [c.118]

Шумовой термометр Борковского и Блалока, в котором В качестве источника шума использовалась платиновая прово- [c.119]

Рис. 3.17. Схема шумового термометра на основе измерения мощности источника шума [6]. А — чувствительный предусилитель напряжения В—предусилитель тока высокой чувствительности С — дополнительный усилитель и фильтр О — квадратичный детектор Е — интегратор Ей О — запоминающие устройства для щумового напряжения и шумового тока соответственно Н — умножитель.

Пятый и последний метод шумовой термометрии может применяться только при низких температурах. Его принцип основан на включении в цепь с очень низкой индуктивностью и сопротивлением контакта Джозефсона для получения так называемого резистивного СКИПа (сверхпроводящего квантового интерференционного прибора). Существуют и другие способы применения контакта Джозефсона в щумовой термометрии, например использование магнетометра [34]. Однако резистивный СКИП в отличие от других подобных приборов позволяет [c.119]

Для абсолютной шумовой термометрии измерение Д/ оказывается затруднительным и поэтому предпочтение отдается измерению частоты. Для этого сигнал с джозефсоновского контакта, модулированный по частоте напряжением на сопротивлении R, регистрируется частотомером. В течение времени т выполняется п циклов измерений и определяется среднеквадра- [c.121]

Область применения шумового термометра со СКИПом может быть расширена до 20 К. Однако на практике большинство работ выполнено в области очень низких температур, ниже 0,5 К и вплоть до нескольких милликельвинов [67]. Для описанных шумовых и других первичных термометров в этом диапазоне очень низких температур не было найдено систематических расхождений результатов, превышающих 0,3 мК- [c.122]

Главная трудность, связанная с щумовой термометрией, использующей СКИП, обусловлена необходимостью очень большого времени измерения, если нужно получить удовлетворительную точность. Так, для обеспечения точности измерения Т в 1% необходимо произвести 2-10 отсчетов, откуда следует, что пх (полное время измерений) оказывается обычно порядка одного часа. Чем больше время измерений, тем труднее устранить влияние шумов от других источников. Однако при самых низких температурах желательная относительная точность измерений не слишком высока, и при 300 мК, например, вполне достаточно 10 , а шумовой термометр имеет мало источников погрешности. Нет необходимости ни вводить поправку на свойства образца, ни учитывать члены второго или более высоких порядков. Поэтому метод шумового термометра является одним из лучших для первичной термометрии ниже 1 К. С другой стороны, при высоких температурах желательная для первичной [c.122]

Измерение Н. т. Первичным прибором для измерения термодинамич. темп-ры вплоть до 1 К служит газовый термометр. Др. вариантами первичного терлюметра являются акустич. и шумовой термометры, действие к-рых основано на связи термодинамич. темп-ры соответственно со значением скорости звука в газе и с интенсивностью тепловых флуктуаций напряжения в электрич. цепи. Первичные прецизионные термометры используют в осн. для определения темп-р легко воспроизводимых фазовых равновесий в однокомпонентных системах (т. н. реперных точек), к-рые служат опорными температурными точками Международной практической температурной шкалы (МПТП1-68). [c.349]

Губский Б. И. Простой шумовой термометр непосредственной оценки.— Стандартизация и измер. техника, 1977, Л Ь 3, с. 33—38. [c.437]

Губский Б. И. Шумовой термометр, нечувствительный к температурному коэффициенту сопротивления термочувствительного элемента.— Изв. вузов. Приборостроение, 1977, вып. 20, № 8, с. 110—114. [c.437]

Длительности нестационарных процессов, в которых необходимо исследование температурной динамики, лежат в очень широком интервале, который можно грубо ограничить рамками от 10 до 10 с. В наиболее быстрых исследуемых процессах, дляш,ихся в течение фемто-и пикосекунд, само понятие температуры требует суш,ественных уточнений и оговорок, поскольку веш,ество в таких процессах не находится в состоянии термодинамического равновесия. Пространственное разрешение некоторых методов термометрии составляет 1 мкм (например, для диагностики биологических клеток созданы термопары, диаметр спс1Я которых 1 мкм), однако для решения ряда задач требуется намного более высокое разрешение. С помощью многочисленных методов измеряют температуры в диапазоне от 10 до 10 К. В области температур в ЮООч-1500 К наиболее распространенным методом измерения является в настоящее время радиационная термометрия. Для измерений при 0 1 К применяются главным образом методы, основанные на температурной зависимости парамагнитных свойств твердых тел [1.3]. В широком диапазоне температур может использоваться шумовая термометрия [1.4], для применения этого метода необходима качественная и чувствительная электронная аппаратура, а регистрируемый сигнал не должен содержать составляющих, происхождение которых имеет нетепловую природу. Расширение диапазона измеряемых температур, повышение точности, быстродействия и удобства применяемых методов и средств термометрии являются основным мотивом создания новых методов и измерительных приборов. [c.8]

Термошумовой термометр.Термометр, действие которого основано на Шумовой термометр зависимости уровня тепловых шумов резио- [c.32]

Термодинамические температуры всех реперных точек МПТШ-68 были получены только на основе газовой термометрии. Единственное исключение составляло значение точки кипения равновесного водорода е-Нг, выбранное с учетом измерений в НБЭ с акустическим термометром. Последние данные о численных значениях термодинамических температур выше 13,81 К также в основном опираются на измерения с газовым термометром, хотя и существуют довольно точные акустические данные вплоть до 20 К, а также сведения об отношениях температур, найденных оптическим и шумовым методами выше 630 °С, и результаты измерения полного излучения между 327 и 365 К- Различные уточнения были получены методом магнитной термометрии вплоть до 90 К, однако, как будет показано в гл. 3, магнитная термометрия не является первичной и не может существовать независимо. [c.61]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...