Metoder och instrument för att mäta temperatur

Vad är temperatur

Temperaturmätning är föremål för en teoretisk och experimentell disciplin - termometri, vars del, som täcker temperaturer över 500 ° C, kallas pyrometri.

Den mest allmänna strikta definitionen av begreppet temperatur, efter termodynamikens andra lag, formuleras med uttrycket:

T = dQ /dC,

där T är den absoluta temperaturen för ett isolerat termodynamiskt system, dQ är ökningen av värme som överförs till det systemet, och dS är ökningen i entropi för det systemet.

Ovanstående uttryck tolkas enligt följande: temperatur är ett mått på ökningen av värme som överförs till ett isolerat termodynamiskt system och som motsvarar ökningen av systemets entropi som uppstår i detta fall, eller, med andra ord, ökningen av störningen av dess tillstånd.

Inom statistisk mekanik, som beskriver systemets faser, med hänsyn till de mikroprocesser som förekommer i makrosystemen, definieras begreppet temperatur genom att uttrycka fördelningen av partiklarna i ett molekylärt system mellan ett antal lediga energinivåer (Gibbs distribution) .

Denna definition (i enlighet med den föregående) betonar den probabilistiska, statistiska aspekten av begreppet temperatur som huvudparametern för den mikrofysiska formen av energiöverföring från en kropp (eller system) till en annan, dvs. kaotisk termisk rörelse.

Bristen på klarhet i strikta definitioner av begreppet temperatur, som också är giltiga endast för termodynamiskt balanserade system, har lett till den utbredda användningen av en "utilitaristisk" definition baserad på kärnan i fenomenet energiöverföring: temperatur är det termiska tillståndet hos en kropp eller ett system som kännetecknas av dess förmåga att utbyta värme med en annan kropp (eller system).

Denna formulering är tillämpbar både på termodynamiskt icke-jämviktssystem och (med reservationer) på det psykofysiologiska konceptet "sensorisk" temperatur, uppfattad direkt av en person som använder organen för termisk beröring.

"Sensorisk" temperatur bedöms subjektivt av en person direkt, men endast kvalitativt och i ett relativt snävt intervall, medan fysisk temperatur mäts kvantitativt och objektivt, med hjälp av mätanordningar, men endast indirekt - genom värdet av någon fysisk storhet beroende på på den uppmätta temperaturen.

Därför, i det andra fallet, upprättas ett referenstillstånd (referens) för den temperaturberoende fysiska storheten som valts för detta ändamål och ett visst numeriskt temperaturvärde tilldelas den, så att varje förändring i tillståndet för den valda fysiska kvantiteten relativt till referensen kan uttryckas i temperaturenheter.

Uppsättningen av temperaturvärden som motsvarar en serie på varandra följande förändringar i tillstånd (dvs en sekvens av värden) för en vald temperaturberoende kvantitet bildar en temperaturskala. De vanligaste temperaturskalorna är Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin och Rankine.

Kelvin och Celsius temperaturskalor

V 1730 Den franske naturforskaren René Antoine Reumour (1683-1757), baserad på Amotons förslag, markerade isens smältpunkt på termometern som 0 och kokpunkten för vatten som 80O. V 1742 NSVedisk astronom och fysiker Anders Celsius (1701 — 1744) upptäckte efter två års testning av Reaumur-termometern ett fel i skalans gradering.

Det visade sig att detta till stor del beror på atmosfärstrycket. Celsius föreslog att man skulle bestämma trycket vid kalibrering av skalan, och jag delade hela temperaturområdet med 100, men tilldelade märket 100 till isens smältpunkt. Senare ändrade svenska Linné eller tyska Stremmer (enligt olika källor) beteckningarna på kontrollpunkterna.

Så dök den nu allmänt använda Celsius-temperaturskalan upp. Dess kalibrering utförs vid normalt atmosfärstryck på 1013,25 hPa.

Temperaturskalor skapades av Fahrenheit, Reaumur, Newton (den senare valde oavsiktligt temperaturen på människokroppen som utgångspunkt.Tja, de stora har fel!) Och många andra. De har inte bestått tidens tand.

Celsiustemperaturskalan antogs vid den första allmänna konferensen om vikter och mått 1889. För närvarande är graden Celsius den officiella enhet för temperaturmätning som fastställts av Internationella kommittén för vikter och mått, men med vissa förtydliganden i definitionen.

Enligt ovanstående argument är det lätt att dra slutsatsen att Celsius temperaturskalan inte är resultatet av en persons aktivitet. Celsius var bara en av de sista forskarna och uppfinnarna som var involverade i dess utveckling. Fram till 1946 kallades skalan helt enkelt en gradskala. Det var först då som Internationella kommittén för vikter och mått tilldelade namnet "grad Celsius" till graden av Celsius.

Några ord om termometrarnas arbetskropp. De första skaparna av enheter försökte naturligtvis utöka sitt handlingsområde. Den enda flytande metallen under normala förhållanden är kvicksilver.

Det fanns inget val. Smältpunkten är -38,97 ° C, kokpunkten är + 357,25 ° C. Av de flyktiga ämnena visade sig vin eller etylalkohol vara den mest tillgängliga. Smältpunkt - 114,2 ° C, kokpunkt + 78,46 ° C.

De skapade termometrarna är lämpliga för att mäta temperaturer från -100 till + 300 ° C, vilket är tillräckligt för att lösa de flesta praktiska problem. Till exempel är den lägsta lufttemperaturen -89,2 ° C (Vostok-stationen i Antarktis), och den maximala är + 59 ° C (Saharaöknen). De flesta av värmebehandlingsprocesserna för vattenlösningar ägde rum vid temperaturer som inte översteg 100 °C.

Den grundläggande måttenheten för termodynamisk temperatur och samtidigt en av grundenheterna International System of Units (SI) är Kelvin-graden.

Storleken (temperaturgapet) på 1 grad Kelvin bestäms av det faktum att värdet på den termodynamiska temperaturen för vattnets trippelpunkt är inställt exakt på 273,16 ° K.

Denna temperatur, vid vilken vatten existerar i ett jämviktstillstånd i tre faser: fast, flytande och gasformig, tas som huvudutgångspunkt på grund av dess höga reproducerbarhet, en storleksordning bättre än reproducerbarheten av frys- och kokpunkterna för vatten .

Att mäta trepunktstemperaturen för vatten är en tekniskt svår uppgift. Därför godkändes den som standard först 1954 vid X General Conference on Weights and Measures.

Graden Celsius, i enheter av vilka den termodynamiska temperaturen också kan uttryckas, är exakt lika med Kelvin i termer av temperaturområde, men det numeriska värdet för en temperatur i Celsius är 273,15 grader högre än värdet för samma temperatur i Kelvin .

Storleken på 1 grad Kelvin (eller 1 grad Celsius), bestämt av det numeriska värdet för temperaturen på vattnets trippelpunkt, med modern mätnoggrannhet skiljer sig inte från dess storlek fastställd (som tidigare accepterades) som en hundradel av temperaturskillnaden mellan frys- och kokpunkten för vatten.

Klassificering av metoder och anordningar för temperaturmätning

Mätning av kropps- eller omgivningstemperatur kan göras på två fundamentalt olika indirekta sätt.

Det första sättet leder till mätning av värdena för en av de temperaturberoende egenskaperna eller tillståndsparametrarna för kroppen själv eller miljön, det andra - till mätningen av värdena för de temperaturberoende egenskaperna eller tillståndet hjälpkroppens parametrar bringas (direkt eller indirekt) till ett tillstånd av termisk jämvikt med kroppen eller miljön vars temperatur mäts...

En hjälpkropp kallas som tjänar dessa syften och är en sensor för en komplett temperaturmätare termometrisk (pyrometrisk) sond eller termisk detektor… Därför är alla metoder och enheter för temperaturmätning indelade i två fundamentalt olika grupper: utan sondering och sondering.

Den termiska detektorn eller någon ytterligare anordning i anordningen kan bringas i direkt mekanisk kontakt med kroppen eller mediet vars temperatur mäts, eller så får endast "optisk" kontakt göras mellan dem.

Beroende på detta är alla metoder och verktyg för att mäta temperatur indelade i kontakt och icke-kontakt. Sondkontakt och kontaktlösa metoder och anordningar är av största praktiska betydelse.

Temperaturmätningsfel

All kontakt, mestadels borrning, metoder för temperaturmätning, till skillnad från andra metoder, kännetecknas av s.k. termiska eller termiska metodologiska fel på grund av att en komplett sondtermometer (eller pyrometer) mäter temperaturvärdet för endast den känsliga delen av den termiska detektorn, i medeltal över ytan eller volymen av den delen.

Under tiden sammanfaller denna temperatur som regel inte med den uppmätta, eftersom den termiska detektorn oundvikligen förvränger temperaturfältet i vilket den introduceras. Vid mätning av en stationär konstant temperatur hos en kropp eller miljö etableras ett visst sätt för värmeväxling mellan den och den termiska mottagaren.

Den konstanta temperaturskillnaden mellan den termiska detektorn och den uppmätta temperaturen hos kroppen eller miljön kännetecknar det statiska termiska felet vid temperaturmätning.

Om den uppmätta temperaturen ändras, är det termiska felet en funktion av tiden. Ett sådant dynamiskt fel kan anses bestå av en konstant del, ekvivalent med det statiska felet, och en variabel del.

Det senare uppstår på grund av att med varje förändring i värmeöverföring mellan en kropp eller ett medium vars temperatur mäts, etableras inte ett nytt sätt för värmeöverföring omedelbart. Den kvarvarande distorsionen av termometer- eller pyrometeravläsningar, som är en funktion av tiden, kännetecknas av termometerns termiska tröghet.

Termiska fel och termisk tröghet hos en termisk detektor beror på samma faktorer som värmeväxling mellan en kropp eller miljö och en termisk detektor: på temperaturerna hos den termiska detektorn och kroppen eller miljön, på deras storlek, sammansättning (och därmed egenskaper) och tillstånd, genom konstruktion, dimensioner, geometrisk form, ytans tillstånd och egenskaper hos materialen i den termiska detektorn och kropparna runt den, från deras arrangemang, enligt vilken lag den uppmätta temperaturen hos kroppen eller miljön förändras över tiden.

Termiska metodiska fel vid temperaturmätning är som regel flera gånger högre än instrumentfelen hos termometrar och pyrometrar. Deras minskning uppnås genom att använda rationella metoder för temperaturmätning och konstruktioner av termiska detektorer och genom lämplig installation av de senare på användningsplatserna.

Förbättringen av värmeöverföringen mellan den termiska mottagaren och miljön eller kroppen vars temperatur mäts uppnås genom att framtvinga fördelaktiga och undertrycka skadliga värmeöverföringsfaktorer.

Till exempel, när man mäter temperaturen på en gas i en stängd volym, ökas det konvektiva värmeutbytet av den termiska detektorn med gasen, vilket skapar ett snabbt flöde av gas runt den termiska detektorn (ett "sug"-termoelement) och strålningsvärme utbyte med volymens väggar reduceras, vilket skyddar den termiska detektorn ("avskärmat" termoelement).

För att minska termisk tröghet i termometrar och pyrometrar med en elektrisk utsignal används även speciella kretsar som på konstgjord väg minskar signalens stigtid med en snabb förändring av den uppmätta temperaturen.

Beröringsfria metoder för temperaturmätning

Möjligheten att använda kontaktmetoder i mätningar bestäms inte bara av förvrängningen av den uppmätta temperaturen av den termiska kontaktdetektorn, utan också av de verkliga fysikalisk-kemiska egenskaperna hos materialen i den termiska detektorn (korrosion och mekanisk resistans, värmebeständighet, etc.).

Beröringsfria mätmetoder är fria från dessa begränsningar. Den viktigaste av dem, dvs.baserat på lagarna för temperaturstrålning, är speciella fel inneboende på grund av det faktum att de använda lagarna är exakt giltiga endast för en absolut svart sändare, från vilken alla verkliga fysiska sändare (kroppar och bärare) skiljer sig mer eller mindre i termer av strålningsegenskaper. .

Enligt Kirchhoffs strålningslagar avger varje fysisk kropp mindre energi än en svart kropp som värms upp till samma temperatur som den fysiska kroppen.

Därför kommer en temperaturmätanordning som är kalibrerad mot en svart sändare, när den mäter temperaturen på en verklig fysisk sändare, att visa en temperatur som är lägre än den faktiska, nämligen den temperatur vid vilken egenskapen hos den svarta sändaren används vid kalibrering (strålningsenergi, dess ljusstyrka, dess spektrala sammansättning, etc.), överensstämmer i värde med egenskapen hos en fysisk radiator vid en given faktisk temperatur som ska bestämmas.Den uppmätta underskattade pseudotemperaturen kallas svarttemperaturen.

Olika mätmetoder leder till olika, som regel, icke-matchande svarta temperaturer: en strålningspyrometer visar integral eller strålning, en optisk pyrometer - ljusstyrka, en färgpyrometer - färgsvarta temperaturer.

Övergången från uppmätta svärta till faktiska temperaturer görs grafiskt eller analytiskt om emissiviteten för objektet vars temperatur mäts är känd.

Emissiviteten är förhållandet mellan värdena för de fysikaliska och svarta sändare som används för att mäta strålningsegenskaperna som har samma temperatur: med strålningsmetoden är emissiviteten lika med förhållandet mellan de totala (över hela spektrumet) energier, med den optiska metoden är den spektrala emissionsförmågan lika med förhållandet mellan glödens spektrala tätheter. Allt annat lika ges de minsta emitter-icke-svartfelen av en färgpyrometer.

En radikal lösning på problemet med att mäta den faktiska temperaturen hos en icke-svart sändare med strålningsmetoder uppnås av konsten genom att skapa förutsättningar för den att förvandla den till en svart sändare (till exempel genom att placera den i en praktiskt taget sluten hålighet) .

I vissa speciella fall är det möjligt att mäta den faktiska temperaturen för en icke-svart sändare med konventionella strålningspyrometrar med hjälp av speciella temperaturmätningstekniker (till exempel belysning, i trevågsstrålar, i polariserat ljus, etc.).

Allmänna instrument för temperaturmätning

Det enorma utbudet av uppmätta temperaturer och ett outtömligt antal olika förhållanden och mätobjekt bestämmer en extraordinär variation och mångfald av metoder och anordningar för att mäta temperatur.

De vanligaste instrumenten för att mäta temperatur är:

• Termoelektriska pyrometrar (termometrar);
• elektriska motståndstermometrar;
• Strålningspyrometrar;
• Optiska absorptionspyrometrar;
• Optiska ljusstyrkepyrometrar;
• Färgpyrometrar;
• Termometrar för vätskeexpansion;
• Mättermometrar;
• Ångtermometrar;
• Gaskondensationstermometrar;
• Stick dilatometriska termometrar;
• Bimetalltermometrar;
• Akustiska termometrar;
• Kalorimetriska pyrometrar-pyroskop;
• Termiska färger;
• Paramagnetiska salttermometrar.

De mest populära elektriska enheterna för att mäta temperatur:

Motståndstermometrar

Termistorer

Se även: För- och nackdelar med olika temperaturgivare

De många typerna av instrument som anges ovan används för mätningar med olika metoder. Till exempel används en termoelektrisk termometer:

• för kontaktmätning av temperaturen på miljöer och kroppar, såväl som ytor på de senare, utan eller i kombination med anordningar som korrigerar den termiska obalansen hos den termiska detektorn och mätobjektet;
• för beröringsfri temperaturmätning genom strålning och vissa spektroskopiska metoder;
• för blandad (kontaktfri)-mätning av temperaturen hos den flytande metallen med gashålighetsmetoden (mätning av strålningstemperaturen för en gasbubbla som blåses in i den flytande metallen i änden av ett rör nedsänkt i den med en strålning pyrometer).

Samtidigt kan många temperaturmätningsmetoder tillämpas med enheter av olika slag.

Till exempel kan utomhus- och inomhuslufttemperaturen mätas med enheter av minst 15 typer. Bilden visar en bimetalltermometer.

Världens största termometer i Baker, Kalifornien

Användning av temperaturmätningsinstrument:

Mätning av yttemperaturer med termoelement

Infraröd termografi

Beröringsfri temperaturmätning under drift av elektrisk utrustning

Funktioner för användningen av lasertermometrar