Metody i przyrządy do pomiaru temperatury

Co to jest temperatura

Pomiar temperatury jest przedmiotem dyscypliny teoretycznej i eksperymentalnej — termometrii, której część obejmująca temperatury powyżej 500°C nazywana jest pirometrią.

Najbardziej ogólna ścisła definicja pojęcia temperatury, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jest sformułowana za pomocą wyrażenia:

T = dQ/dC,

gdzie T to temperatura bezwzględna izolowanego układu termodynamicznego, dQ to przyrost ciepła przekazywanego do tego układu, a dS to wzrost entropii tego układu.

Powyższe wyrażenie interpretuje się następująco: temperatura jest miarą przyrostu ciepła przekazywanego izolowanemu układowi termodynamicznemu i odpowiadającemu wzrostowi entropii układu, który występuje w tym przypadku, czyli inaczej mówiąc, wzrostowi zakłócenie jego stanu.

W mechanice statystycznej opisującej fazy układu z uwzględnieniem mikroprocesów zachodzących w makroukładach pojęcie temperatury definiuje się wyrażając rozkład cząstek układu molekularnego pomiędzy pewną liczbą niezajętych poziomów energii (rozkład Gibbsa) .

Definicja ta (zgodnie z poprzednią) podkreśla probabilistyczny, statystyczny aspekt pojęcia temperatury jako głównego parametru mikrofizycznej formy przekazywania energii z jednego ciała (lub układu) do drugiego, tj. chaotyczny ruch termiczny.

Brak jasności ścisłych definicji pojęcia temperatury, które obowiązują również tylko dla układów zrównoważonych termodynamicznie, doprowadził do rozpowszechnienia się definicji „utylitarnej”, opartej na istocie zjawiska przenoszenia energii: temperatura to stan termiczny ciała lub układu charakteryzujący się zdolnością do wymiany ciepła z innym ciałem (lub układem).

Sformułowanie to ma zastosowanie zarówno do układów termodynamicznie nierównowagowych, jak i (z zastrzeżeniami) do psychofizjologicznej koncepcji temperatury „zmysłowej”, odczuwanej bezpośrednio przez osobę posługującą się narządami dotyku termicznego.

Temperatura „zmysłowa” jest subiektywnie oceniana przez człowieka bezpośrednio, ale tylko jakościowo i we względnie wąskim przedziale, podczas gdy temperatura fizyczna jest mierzona ilościowo i obiektywnie, za pomocą przyrządów pomiarowych, ale tylko pośrednio – poprzez wartość jakiejś wielkości fizycznej zależnej od na mierzonej temperaturze.

Dlatego też w drugim przypadku ustala się pewien stan odniesienia (odniesienia) wybranej w tym celu wielkości fizycznej zależnej od temperatury i przypisuje się jej pewną liczbową wartość temperatury, tak aby jakakolwiek zmiana stanu wybranej wielkości fizycznej względem odniesienia można wyrazić w jednostkach temperatury.

Zbiór wartości temperatury odpowiadający szeregowi kolejnych zmian stanu (tj. ciągowi wartości) wybranej wielkości zależnej od temperatury tworzy skalę temperatury. Najpopularniejsze skale temperatury to Celsjusza, Fahrenheita, Reaumur, Kelvina i Rankine'a.

Skale temperatury Kelvina i Celsjusza

V 1730 Francuski przyrodnik René Antoine Reumour (1683-1757), opierając się na sugestii Amotona, zaznaczył na termometrze temperaturę topnienia lodu jako 0, a temperaturę wrzenia wody jako 80°. V 1742 NSWedyjski astronom i fizyk Anders Celsjusza (1701 — 1744), po dwóch latach testowania termometru Reaumura, odkrył błąd w podziałce skali.

Okazało się, że zależy to w dużej mierze od ciśnienia atmosferycznego. Celsjusz zaproponował określenie ciśnienia podczas kalibracji skali, a ja podzieliłem cały zakres temperatur przez 100, ale przypisałem znak 100 do temperatury topnienia lodu. Później szwedzki Linneusz czy niemiecki Stremmer (według różnych źródeł) zmienili oznaczenia punktów kontrolnych.

W ten sposób pojawiła się powszechnie stosowana skala temperatur Celsjusza. Jego kalibrację przeprowadza się przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym 1013,25 hPa.

Skale temperatur stworzyli Fahrenheit, Reaumur, Newton (ten ostatni nieumyślnie wybrał temperaturę ludzkiego ciała jako punkt wyjścia.Cóż, wielcy się mylą!) I wielu innych. Nie wytrzymały próby czasu.

Skala temperatury Celsjusza została przyjęta na I Generalnej Konferencji Miar i Wag w 1889 roku. Obecnie stopień Celsjusza jest oficjalną jednostką miary temperatury ustanowioną przez Międzynarodowy Komitet Miar i Wag, ale z pewnymi wyjaśnieniami w definicji.

Zgodnie z powyższymi argumentami łatwo dojść do wniosku, że skala temperatur Celsjusza nie jest wynikiem działalności jednej osoby. Celsjusza był tylko jednym z ostatnich badaczy i wynalazców zaangażowanych w jego rozwój. Do 1946 roku skalę nazywano po prostu skalą stopniową. Dopiero wtedy Międzynarodowy Komitet Miar i Wag nadał stopniom Celsjusza nazwę „stopień Celsjusza”.

Kilka słów o korpusie roboczym termometrów. Pierwsi twórcy urządzeń w naturalny sposób dążyli do poszerzenia zakresu ich działania. Jedynym ciekłym metalem w normalnych warunkach jest rtęć.

Nie było wyboru. Temperatura topnienia wynosi -38,97 ° C, temperatura wrzenia wynosi + 357,25 ° C. Spośród substancji lotnych najbardziej dostępne okazało się wino lub alkohol etylowy. Temperatura topnienia — 114,2 ° C, temperatura wrzenia + 78,46 ° C.

Stworzone termometry nadają się do pomiaru temperatur od -100 do +300°C, co wystarcza do rozwiązania większości praktycznych problemów. Na przykład minimalna temperatura powietrza wynosi -89,2 ° C (stacja Wostok na Antarktydzie), a maksymalna to + 59 ° C (pustynia Sahara). Większość procesów obróbki cieplnej roztworów wodnych odbywała się w temperaturach nie wyższych niż 100°C.

Podstawowa jednostka miary temperatury termodynamicznej i jednocześnie jedna z podstawowych jednostek Międzynarodowy układ jednostek (SI) jest stopniem Kelvina.

Wielkość (różnica temperatur) 1 stopnia Kelvina jest określona przez fakt, że wartość temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody jest ustalona dokładnie na 273,16 ° K.

Ta temperatura, w której woda istnieje w stanie równowagi w trzech fazach: stałej, ciekłej i gazowej, jest przyjmowana jako główny punkt wyjścia ze względu na jej wysoką powtarzalność, o rząd wielkości lepszą niż odtwarzalność temperatur zamarzania i wrzenia wody .

Pomiar temperatury punktu potrójnego wody jest technicznie trudnym zadaniem. Dlatego jako standard został zatwierdzony dopiero w 1954 roku na X Generalnej Konferencji Miar i Wag.

Stopień Celsjusza, w jednostkach, w których można również wyrazić temperaturę termodynamiczną, jest dokładnie równy kelwinowi pod względem zakresu temperatur, ale wartość liczbowa dowolnej temperatury w stopniach Celsjusza jest o 273,15 stopnia wyższa niż wartość tej samej temperatury w kelwinach .

Wielkość 1 stopnia Kelvina (lub 1 stopnia Celsjusza), określona liczbową wartością temperatury punktu potrójnego wody, przy współczesnej dokładności pomiaru nie różni się od jej wielkości określanej (co wcześniej było akceptowane) jako jedna setna części różnica temperatur między punktami zamarzania i wrzenia wody.

Klasyfikacja metod i urządzeń do pomiaru temperatury

Pomiar temperatury ciała lub otoczenia można przeprowadzić na dwa zasadniczo różne pośrednie sposoby.

Pierwszy sposób prowadzi do pomiaru wartości jednej z zależnych od temperatury właściwości lub parametrów stanu samego ciała lub otoczenia, drugi – do pomiaru wartości zależnych od temperatury właściwości lub stanu parametry ciała pomocniczego doprowadzone (bezpośrednio lub pośrednio) do stanu równowagi termicznej z ciałem lub otoczeniem, którego temperatura jest mierzona...

Nazywa się ciało pomocnicze, które służy tym celom i jest czujnikiem kompletnego urządzenia do pomiaru temperatury sonda termometryczna (pirometryczna) lub detektor termiczny… Dlatego wszystkie metody i urządzenia do pomiaru temperatury dzielą się na dwie zasadniczo różne grupy: bez sondowania i sondowania.

Detektor termiczny lub dowolne dodatkowe urządzenie urządzenia może być doprowadzone do bezpośredniego kontaktu mechanicznego z ciałem lub medium, którego temperatura jest mierzona, lub może być między nimi tylko kontakt „optyczny”.

W zależności od tego wszystkie metody i narzędzia do pomiaru temperatury są podzielone kontaktowe i bezkontaktowe. Sonda i metody i urządzenia bezkontaktowe mają największe znaczenie praktyczne.

Błędy pomiaru temperatury

Wszystkie kontaktowe, głównie wiercące, metody pomiaru temperatury, w odróżnieniu od innych metod, charakteryzują się tzw termiczne lub termiczne błędy metodyczne wynikające z faktu, że kompletny termometr z sondą (lub pirometr) mierzy wartość temperatury tylko czułej części detektora termicznego, uśrednionej po powierzchni lub objętości tej części.

Tymczasem temperatura ta z reguły nie pokrywa się ze zmierzoną, ponieważ detektor termiczny nieuchronnie zniekształca pole temperatury, w które jest wprowadzany. Podczas pomiaru stacjonarnej stałej temperatury ciała lub otoczenia ustala się pewien tryb wymiany ciepła między nim a odbiornikiem ciepła.

Stała różnica temperatur między detektorem termicznym a zmierzoną temperaturą ciała lub otoczenia charakteryzuje statyczny błąd termiczny pomiaru temperatury.

Jeśli zmierzona temperatura zmienia się, wówczas błąd termiczny jest funkcją czasu. Taki błąd dynamiczny można uznać za składający się z części stałej, równoważnej błędowi statycznemu, oraz części zmiennej.

To ostatnie powstaje, ponieważ przy każdej zmianie wymiany ciepła między ciałem lub ośrodkiem, którego temperatura jest mierzona, nowy sposób wymiany ciepła nie jest natychmiast ustalany. Resztkowe zniekształcenie wskazań termometru lub pirometru, które jest funkcją czasu, charakteryzuje się bezwładnością cieplną termometru.

Błędy termiczne i bezwładność cieplna detektora termicznego zależą od tych samych czynników, co wymiana ciepła między ciałem lub otoczeniem a detektorem termicznym: od temperatur detektora termicznego i ciała lub otoczenia, od ich wielkości, składu (a tym samym właściwości) i stan, z założenia, wymiary, kształt geometryczny, stan powierzchni i właściwości materiałów detektora termicznego i otaczających go ciał, z ich rozmieszczenia, zgodnie z którym prawem mierzona temperatura ciała lub otoczenia zmienia się w czasie.

Termiczne błędy metodologiczne w pomiarze temperatury są z reguły kilkakrotnie wyższe niż błędy instrumentalne termometrów i pirometrów. Ich redukcję uzyskuje się poprzez zastosowanie racjonalnych metod pomiaru temperatury i konstrukcji czujek termicznych oraz poprzez odpowiednią instalację tych ostatnich w miejscach użytkowania.

Poprawa wymiany ciepła pomiędzy odbiornikiem ciepła a otoczeniem lub ciałem, którego temperatura jest mierzona, uzyskuje się poprzez wymuszenie korzystnych i tłumienie szkodliwych czynników wymiany ciepła.

Na przykład podczas pomiaru temperatury gazu w zamkniętej objętości zwiększa się konwekcyjna wymiana ciepła detektora termicznego z gazem, powodując szybki przepływ gazu wokół detektora termicznego (termopara „ssąca”) i promieniowanie cieplne wymiana ze ściankami objętości jest zmniejszona, osłaniając detektor termiczny (termoelement „ekranowany”).

Aby zmniejszyć bezwładność cieplną w termometrach i pirometrach z elektrycznym sygnałem wyjściowym, stosuje się również specjalne obwody, które sztucznie skracają czas narastania sygnału przy gwałtownej zmianie mierzonej temperatury.

Bezkontaktowe metody pomiaru temperatury

O możliwości zastosowania metod kontaktowych w pomiarach decyduje nie tylko zniekształcenie mierzonej temperatury przez kontaktowy detektor termiczny, ale również rzeczywiste właściwości fizykochemiczne materiałów detektora termicznego (korozja i odporność mechaniczna, odporność na ciepło, itp.).

Bezkontaktowe metody pomiarowe są wolne od tych ograniczeń. Jednak najważniejsze z nich, tj.w oparciu o prawa promieniowania temperaturowego, nieodłączne są błędy specjalne, ponieważ zastosowane prawa są dokładnie ważne tylko dla absolutnie czarnego emitera, od którego wszystkie rzeczywiste fizyczne emitery (ciała i nośniki) różnią się mniej więcej pod względem promieniowania. Właściwości .

Zgodnie z prawami promieniowania Kirchhoffa każde ciało fizyczne emituje mniej energii niż ciało doskonale czarne ogrzane do tej samej temperatury co ciało fizyczne.

Dlatego przyrząd do pomiaru temperatury skalibrowany względem czarnego emitera, mierząc temperaturę rzeczywistego fizycznego emitera, wskaże temperaturę niższą od rzeczywistej, a mianowicie temperaturę, przy której właściwość czarnego emitera użyta do kalibracji (energia promieniowania, jego jasność, skład widmowy itp.), dopasowuje wartość do właściwości fizycznego promiennika w danej rzeczywistej temperaturze, którą należy określić. Zmierzona niedoszacowana pseudotemperatura nazywana jest temperaturą czerni.

Różne metody pomiarowe prowadzą z reguły do ​​różnych, niepasujących do siebie temperatur czerni: pirometr radiacyjny pokazuje całkę lub promieniowanie, pirometr optyczny - jasność, pirometr kolorowy - temperatury barwowej czerni.

Przejście od zmierzonych czerni do rzeczywistych temperatur odbywa się graficznie lub analitycznie, jeśli znana jest emisyjność obiektu, którego temperatura jest mierzona.

Emisyjność to stosunek wartości emiterów fizycznych i czarnych używanych do pomiaru właściwości radiacyjnych, które mają tę samą temperaturę: przy metodzie radiacyjnej emisyjność jest równa stosunkowi całkowitych (w całym widmie) energii, przy metodzie optycznej zdolność emisyjności widmowej jest równa stosunkowi gęstości widmowych poświaty. Wszystkie inne rzeczy są równe, najmniejsze błędy emitera niezwiązane z czernią są podawane przez pirometr kolorowy.

Radykalne rozwiązanie problemu pomiaru rzeczywistej temperatury emitera nieczarnego metodami promienistymi sztuka osiąga poprzez stworzenie warunków do przekształcenia go w emiter czarny (na przykład poprzez umieszczenie go w praktycznie zamkniętej wnęce) .

W niektórych szczególnych przypadkach możliwy jest pomiar rzeczywistej temperatury emitera innego niż czarny za pomocą konwencjonalnych pirometrów radiacyjnych przy użyciu specjalnych technik pomiaru temperatury (na przykład oświetlenie, wiązki o trzech długościach fali, światło spolaryzowane itp.).

Ogólne przyrządy do pomiaru temperatury

Ogromny zakres mierzonych temperatur oraz niewyczerpana liczba różnych warunków i obiektów pomiaru determinują niezwykłą różnorodność i różnorodność metod i urządzeń do pomiaru temperatury.

Najpopularniejszymi przyrządami do pomiaru temperatury są:

• Pirometry termoelektryczne (termometry);
• elektryczne termometry oporowe;
• pirometry radiacyjne;
• Optyczne pirometry absorpcyjne;
• Pirometry jasności optycznej;
• Pirometry kolorowe;
• Cieczowe termometry rozszerzalnościowe;
• termometry manometrowe;
• Termometry parowe;
• Termometry kondensacyjne;
• Termometry dylatometryczne w sztyfcie;
• Termometry bimetaliczne;
• Termometry akustyczne;
• Pirometry kalorymetryczne-piroskopy;
• farby termiczne;
• Paramagnetyczne termometry solne.

Najpopularniejsze urządzenia elektryczne do pomiaru temperatury:

Termometry rezystancyjne

termistory

Zobacz też: Zalety i wady różnych czujników temperatury

Wiele rodzajów przyrządów wymienionych powyżej jest używanych do pomiarów różnymi metodami. Na przykład stosuje się termometr termoelektryczny:

• do stykowego pomiaru temperatury otoczenia i ciał oraz powierzchni tych ostatnich, bez lub w połączeniu z urządzeniami korygującymi nierównowagę termiczną detektora termicznego i mierzonego obiektu;
• do bezkontaktowego pomiaru temperatury za pomocą promieniowania i niektórych metod spektroskopowych;
• do mieszanego (kontaktowo-bezkontaktowego) pomiaru temperatury ciekłego metalu metodą wnęki gazowej (pomiar temperatury promieniowania pęcherzyka gazu wdmuchiwanego do ciekłego metalu na końcu zanurzonej w nim rurki promieniowaniem pirometr).

Jednocześnie wiele metod pomiaru temperatury może być zastosowanych za pomocą urządzeń różnego typu.

Na przykład temperaturę powietrza zewnętrznego i wewnętrznego można mierzyć za pomocą urządzeń co najmniej 15 typów. Na zdjęciu termometr bimetaliczny.

Największy na świecie termometr w Baker w Kalifornii

Zastosowanie przyrządów do pomiaru temperatury:

Pomiar temperatury powierzchni za pomocą termopar

Termografia w podczerwieni

Bezkontaktowy pomiar temperatury podczas pracy urządzeń elektrycznych

Cechy zastosowania termometrów laserowych