Metoder og instrumenter for å måle temperatur

Hva er temperatur

Temperaturmåling er gjenstand for en teoretisk og eksperimentell disiplin - termometri, hvorav en del, som dekker temperaturer over 500 ° C, kalles pyrometri.

Den mest generelle strenge definisjonen av begrepet temperatur, etter termodynamikkens andre lov, er formulert med uttrykket:

T = dQ /dC,

der T er den absolutte temperaturen til et isolert termodynamisk system, dQ er økningen av varme som overføres til det systemet, og dS er økningen i entropien til det systemet.

Ovennevnte uttrykk tolkes som følger: temperatur er et mål på økningen i varme som overføres til et isolert termodynamisk system og tilsvarer økningen i systemets entropi som oppstår i dette tilfellet, eller med andre ord, til økningen i forstyrrelsen av statens tilstand.

I statistisk mekanikk, som beskriver fasene i systemet, tar hensyn til mikroprosessene som forekommer i makrosystemene, defineres begrepet temperatur ved å uttrykke fordelingen av partiklene i et molekylært system mellom en rekke ledige energinivåer (Gibbs-fordeling) .

Denne definisjonen (i samsvar med den forrige) understreker det sannsynlige, statistiske aspektet ved begrepet temperatur som hovedparameteren for den mikrofysiske formen for energioverføring fra en kropp (eller system) til en annen, dvs. kaotisk termisk bevegelse.

Mangelen på klarhet i strenge definisjoner av begrepet temperatur, som også er gyldige bare for termodynamisk balanserte systemer, har ført til utbredt bruk av en "utilitaristisk" definisjon basert på essensen av fenomenet energioverføring: temperatur er den termiske tilstanden til et legeme eller system karakterisert ved dets evne til å utveksle varme med et annet legeme (eller system).

Denne formuleringen er anvendelig både for termodynamisk ikke-likevektssystemer og (med forbehold) til det psykofysiologiske konseptet «sensorisk» temperatur, oppfattet direkte av en person som bruker organene for termisk berøring.

"Sensorisk" temperatur vurderes subjektivt av en person direkte, men kun kvalitativt og i et relativt smalt intervall, mens fysisk temperatur måles kvantitativt og objektivt, ved hjelp av måleapparater, men bare indirekte - gjennom verdien av en eller annen fysisk mengde avhengig av på den målte temperaturen.

Derfor, i det andre tilfellet, etableres en referanse (referanse) tilstand for den temperaturavhengige fysiske mengden valgt for dette formålet, og en viss numerisk temperaturverdi tildeles den, slik at enhver endring i tilstanden til den valgte fysiske mengden relativ til referansen kan uttrykkes i temperaturenheter.

Settet med temperaturverdier som tilsvarer en serie påfølgende endringer i tilstand (dvs. en sekvens av verdier) av en valgt temperaturavhengig mengde danner en temperaturskala. De vanligste temperaturskalaene er Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin og Rankine.

Kelvin og Celsius temperaturskalaer

V 1730 Den franske naturforskeren René Antoine Reumour (1683-1757), basert på Amotons forslag, markerte smeltepunktet for is på termometeret som 0, og kokepunktet for vann som 80O. V 1742 NSVedisk astronom og fysiker Anders Celsius (1701 — 1744), etter to år med testing av Reaumur-termometeret, oppdaget en feil i graderingen av skalaen.

Det viste seg at dette i stor grad avhenger av atmosfærisk trykk. Celsius foreslo å bestemme trykket ved kalibrering av skalaen, og jeg delte hele temperaturområdet med 100, men tildelte merket 100 til isens smeltepunkt. Senere endret svenske Linné eller tyske Stremmer (ifølge ulike kilder) betegnelsene på kontrollpunktene.

Slik dukket den nå mye brukte Celsius-temperaturskalaen opp. Kalibreringen utføres ved normalt atmosfærisk trykk på 1013,25 hPa.

Temperaturskalaer ble laget av Fahrenheit, Reaumur, Newton (sistnevnte valgte utilsiktet temperaturen på menneskekroppen som utgangspunkt.Vel, de flotte tar feil!) Og mange andre. De har ikke tålt tidens tann.

Celsius-temperaturskalaen ble vedtatt på den 1. generalkonferansen om vekter og mål i 1889. Foreløpig er graden Celsius den offisielle enheten for temperaturmåling etablert av Den internasjonale komiteen for vekter og mål, men med noen presiseringer i definisjonen.

I følge argumentene ovenfor er det lett å konkludere med at Celsius-temperaturskalaen ikke er et resultat av aktiviteten til en person. Celsius var bare en av de siste forskerne og oppfinnerne som var involvert i utviklingen. Frem til 1946 ble skalaen ganske enkelt kalt en gradskala. Det var først da den internasjonale komiteen for vekter og mål tildelte navnet "grad Celsius" til graden av grader Celsius.

Noen få ord om arbeidskroppen til termometre. De første skaperne av enheter søkte naturligvis å utvide handlingsområdet. Det eneste flytende metallet under normale forhold er kvikksølv.

Det var ikke noe valg. Smeltepunktet er -38,97 ° C, kokepunktet er + 357,25 ° C. Av de flyktige stoffene viste det seg at vin eller etylalkohol var den mest tilgjengelige. Smeltepunkt - 114,2 ° C, kokepunkt + 78,46 ° C.

De opprettede termometrene er egnet for å måle temperaturer fra -100 til + 300 ° C, noe som er nok til å løse de fleste praktiske problemer. For eksempel er minimum lufttemperatur -89,2 ° C (Vostok-stasjon i Antarktis), og maksimum er + 59 ° C (Sahara-ørkenen). De fleste varmebehandlingsprosessene for vandige løsninger fant sted ved temperaturer ikke høyere enn 100 °C.

Den grunnleggende måleenheten for termodynamisk temperatur og samtidig en av grunnenhetene International System of Units (SI) er Kelvin-graden.

Størrelsen (temperaturgapet) på 1 grad Kelvin bestemmes av det faktum at verdien av den termodynamiske temperaturen til trippelpunktet for vann er satt nøyaktig til 273,16 ° K.

Denne temperaturen, ved hvilken vann eksisterer i en likevektstilstand i tre faser: fast, flytende og gassformig, tas som hovedutgangspunktet på grunn av sin høye reproduserbarhet, en størrelsesorden bedre enn reproduserbarheten til fryse- og kokepunktene til vann .

Å måle trippelpunktstemperaturen til vann er en teknisk vanskelig oppgave. Derfor ble den som standard godkjent først i 1954 på X General Conference on Weights and Measures.

Graden Celsius, i enheter som den termodynamiske temperaturen også kan uttrykkes av, er nøyaktig lik Kelvin når det gjelder temperaturområde, men den numeriske verdien av enhver temperatur i Celsius er 273,15 grader høyere enn verdien av den samme temperaturen i Kelvin .

Størrelsen på 1 grad Kelvin (eller 1 grad Celsius), bestemt av den numeriske verdien av temperaturen til trippelpunktet for vann, med moderne målenøyaktighet skiller seg ikke fra størrelsen bestemt (som tidligere ble akseptert) som en hundredel av temperaturforskjell mellom fryse- og kokepunkt for vann.

Klassifisering av metoder og enheter for måling av temperatur

Måling av kropps- eller omgivelsestemperatur kan gjøres på to fundamentalt forskjellige indirekte måter.

Den første måten fører til måling av verdiene til en av de temperaturavhengige egenskapene eller tilstandsparametrene til selve kroppen eller miljøet, den andre - til måling av verdiene til de temperaturavhengige egenskapene eller tilstanden parametere for hjelpelegemet brakt (direkte eller indirekte) til en tilstand av termisk likevekt med kroppen eller miljøet hvis temperatur måles ...

Et hjelpelegeme kalles som tjener disse formålene og er en sensor for en komplett temperaturmåleenhet termometrisk (pyrometrisk) sonde eller termisk detektor… Derfor er alle metoder og enheter for måling av temperatur delt inn i to fundamentalt forskjellige grupper: uten sondering og sondering.

Den termiske detektoren eller en hvilken som helst tilleggsanordning til enheten kan bringes i direkte mekanisk kontakt med kroppen eller mediet hvis temperatur måles, eller bare "optisk" kontakt kan gjøres mellom dem.

Avhengig av dette er alle metoder og verktøy for å måle temperatur delt inn i kontakt og ikke-kontakt. Probekontakt og kontaktløse metoder og enheter er av størst praktisk betydning.

Temperaturmålingsfeil

All kontakt, for det meste boring, metoder for temperaturmåling, i motsetning til andre metoder, er preget av den s.k. termiske eller termiske metodologiske feil på grunn av det faktum at et komplett sondetermometer (eller pyrometer) måler temperaturverdien til kun den sensitive delen av den termiske detektoren, gjennomsnittlig over overflaten eller volumet til den delen.

I mellomtiden faller denne temperaturen som regel ikke sammen med den målte, siden den termiske detektoren uunngåelig forvrenger temperaturfeltet der den introduseres. Ved måling av en stasjonær konstant temperatur i en kropp eller et miljø, etableres en viss modus for varmeveksling mellom den og den termiske mottakeren.

Den konstante temperaturforskjellen mellom den termiske detektoren og den målte temperaturen til kroppen eller miljøet karakteriserer den statiske termiske feilen i temperaturmålingen.

Hvis den målte temperaturen endres, er den termiske feilen en funksjon av tiden. En slik dynamisk feil kan betraktes som å bestå av en konstant del, tilsvarende den statiske feilen, og en variabel del.

Sistnevnte oppstår fordi med hver endring i varmeoverføring mellom et legeme eller medium hvis temperatur måles, etableres ikke en ny modus for varmeoverføring umiddelbart. Den gjenværende forvrengningen av termometer- eller pyrometeravlesninger, som er en funksjon av tid, er preget av termometerets termiske treghet.

Termiske feil og termisk treghet til en termisk detektor avhenger av de samme faktorene som varmeveksling mellom en kropp eller et miljø og en termisk detektor: av temperaturene til den termiske detektoren og kroppen eller miljøet, av deres størrelse, sammensetning (og dermed egenskaper) og tilstand, etter design, dimensjoner, geometrisk form, tilstanden til overflaten og egenskapene til materialene til den termiske detektoren og kroppene rundt den, fra deres arrangement, i henhold til hvilken lov den målte temperaturen til kroppen eller miljøet endres over tid.

Termiske metodologiske feil ved temperaturmåling er som regel flere ganger høyere enn instrumentfeilene til termometre og pyrometre. Deres reduksjon oppnås ved å bruke rasjonelle metoder for temperaturmåling og konstruksjoner av termiske detektorer og ved passende installasjon av sistnevnte på bruksstedene.

Forbedringen av varmeoverføringen mellom den termiske mottakeren og miljøet eller kroppen hvis temperatur måles oppnås ved å tvinge frem gunstige og undertrykke skadelige faktorer for varmeoverføring.

For eksempel, når man måler temperaturen til en gass i et lukket volum, økes den konvektive varmevekslingen av den termiske detektoren med gassen, og skaper en rask strøm av gass rundt den termiske detektoren (et "suge" termoelement), og strålevarme utveksling med veggene i volumet reduseres, og skjermer den termiske detektoren ("skjermet" termoelement).

For å redusere termisk treghet i termometre og pyrometre med et elektrisk utgangssignal, brukes også spesielle kretser som kunstig reduserer signalets stigetid med en rask endring i den målte temperaturen.

Berøringsfrie metoder for temperaturmåling

Muligheten for å bruke kontaktmetoder i målinger bestemmes ikke bare av forvrengningen av den målte temperaturen av den termiske kontaktdetektoren, men også av de virkelige fysisk-kjemiske egenskapene til materialene til den termiske detektoren (korrosjon og mekanisk motstand, varmebestandighet, etc.).

Berøringsfrie målemetoder er fri fra disse begrensningene. Imidlertid er den viktigste av dem, dvs.basert på lovene for temperaturstråling, er spesielle feil iboende på grunn av det faktum at lovene som brukes er nøyaktig gyldige bare for en absolutt svart emitter, fra hvilken alle virkelige fysiske emittere (kropper og bærere) avviker mer eller mindre når det gjelder strålingsegenskaper. .

I følge Kirchhoffs strålingslover avgir ethvert fysisk legeme mindre energi enn et svart legeme oppvarmet til samme temperatur som den fysiske kroppen.

Derfor vil en temperaturmåleenhet som er kalibrert mot en svart emitter, når den måler temperaturen til en reell fysisk emitter, vise en temperatur som er lavere enn den faktiske, nemlig temperaturen ved hvilken egenskapen til den svarte emitteren brukes i kalibrering (strålingsenergi, dens lysstyrke, dens spektrale sammensetning, etc.), samsvarer i verdi med egenskapen til en fysisk radiator ved en gitt faktisk temperatur som skal bestemmes. Den målte underestimerte pseudotemperaturen kalles svarttemperaturen.

Ulike målemetoder fører til forskjellige, som regel, ikke-matchende svarte temperaturer: et strålingspyrometer viser integral eller stråling, et optisk pyrometer - lysstyrke, et fargepyrometer - fargesort temperaturer.

Overgangen fra målte svarte til faktiske temperaturer gjøres grafisk eller analytisk hvis emissiviteten til objektet hvis temperatur måles er kjent.

Emissiviteten er forholdet mellom verdiene til de fysiske og svarte emitterne som brukes til å måle strålingsegenskapene som har samme temperatur: med strålingsmetoden er emissiviteten lik forholdet mellom de totale (over spekteret) energier, med den optiske metoden er den spektrale emissivitetsevnen lik forholdet mellom glødens spektrale tettheter. Alt annet likt, er de minste emitter-ikke-sorthetsfeilene gitt av et fargepyrometer.

En radikal løsning på problemet med å måle den faktiske temperaturen til en ikke-svart emitter ved strålingsmetoder oppnås av kunsten ved å skape forhold for at den kan gjøre den om til en svart emitter (for eksempel ved å plassere den i et praktisk talt lukket hulrom) .

I noen spesielle tilfeller er det mulig å måle den faktiske temperaturen til en ikke-svart emitter med konvensjonelle strålingspyrometre ved bruk av spesielle temperaturmålingsteknikker (for eksempel belysning, i trebølgelengdestråler, i polarisert lys, etc.).

Generelle instrumenter for temperaturmåling

Det enorme spekteret av målte temperaturer og et uuttømmelig antall forskjellige forhold og måleobjekter bestemmer en ekstraordinær variasjon og variasjon av metoder og enheter for å måle temperatur.

De vanligste instrumentene for å måle temperatur er:

• Termoelektriske pyrometre (termometre);
• elektriske motstand termometre;
• Strålingspyrometre;
• Optiske absorpsjonspyrometre;
• Optiske lysstyrkepyrometre;
• Farge pyrometre;
• Termometre for flytende ekspansjon;
• Gauge termometre;
• Damp termometre;
• Gass kondensasjon termometre;
• Stick dilatometriske termometre;
• Bimetall termometre;
• Akustiske termometre;
• Kalorimetriske pyrometre-pyroskoper;
• Termisk maling;
• Paramagnetiske salttermometre.

De mest populære elektriske enhetene for måling av temperatur:

Motstandstermometre

Termistorer

Se også: Fordeler og ulemper med forskjellige temperatursensorer

De mange typene instrumenter som er oppført ovenfor, brukes til målinger med forskjellige metoder. For eksempel brukes et termoelektrisk termometer:

• for kontaktmåling av temperaturen til miljøer og kropper, samt overflater til sistnevnte, uten eller i kombinasjon med enheter som korrigerer den termiske ubalansen til den termiske detektoren og måleobjektet;
• for berøringsfri temperaturmåling ved stråling og noen spektroskopiske metoder;
• for blandet (kontaktfri)-måling av temperaturen til det flytende metallet ved hjelp av gasshulromsmetoden (måling av strålingstemperaturen til en gassboble som blåses inn i det flytende metallet i enden av et rør nedsenket i det med en stråling pyrometer).

Samtidig kan mange temperaturmålingsmetoder brukes med enheter av ulike typer.

For eksempel kan ute- og innelufttemperatur måles med enheter av minst 15 typer. Bildet viser et bimetalltermometer.

Verdens største termometer i Baker, California

Bruk av temperaturmåleinstrumenter:

Måling av overflatetemperaturer med termoelementer

Infrarød termografi

Berøringsfri temperaturmåling under drift av elektrisk utstyr

Funksjoner ved bruk av lasertermometre