Metode in instrumenti za merjenje temperature
Kaj je temperatura
Merjenje temperature je predmet teoretične in eksperimentalne discipline - termometrije, katere del, ki zajema temperature nad 500 °C, se imenuje pirometrija.
Najsplošnejša stroga definicija pojma temperature, ki sledi drugemu zakonu termodinamike, je formulirana z izrazom:
T = dQ /dC,
kjer je T absolutna temperatura izoliranega termodinamičnega sistema, dQ je prirast toplote, prenesene na ta sistem, in dS je povečanje entropije tega sistema.
Zgornji izraz se razlaga na naslednji način: temperatura je merilo povečanja toplote, ki se prenese na izoliran termodinamični sistem in ustreza povečanju entropije sistema, ki se pojavi v tem primeru, ali, z drugimi besedami, povečanju motnja njenega stanja.
V statistični mehaniki, ki opisuje faze sistema ob upoštevanju mikroprocesov, ki se pojavljajo v makrosistemih, je koncept temperature definiran z izražanjem porazdelitve delcev molekularnega sistema med številnimi nezasedenimi energijskimi nivoji (Gibbsova porazdelitev) .
Ta definicija (v skladu s prejšnjo) poudarja verjetnostni, statistični vidik koncepta temperature kot glavnega parametra mikrofizične oblike prenosa energije iz enega telesa (ali sistema) v drugega, tj. kaotično toplotno gibanje.
Pomanjkanje jasnosti strogih definicij pojma temperature, ki prav tako veljajo samo za termodinamično uravnotežene sisteme, je povzročilo široko uporabo "utilitaristične" definicije, ki temelji na bistvu pojava prenosa energije: temperatura je toplotno stanje telesa ali sistema, za katerega je značilna njegova sposobnost izmenjave toplote z drugim telesom (ali sistemom).
Ta formulacija je uporabna tako za termodinamično neravnovesne sisteme kot (z zadržki) za psihofiziološki koncept "senzorične" temperature, ki jo oseba zazna neposredno s pomočjo organov toplotnega dotika.
»Senzorično« temperaturo človek subjektivno oceni neposredno, vendar le kvalitativno in v razmeroma ozkem intervalu, medtem ko fizično temperaturo meri kvantitativno in objektivno, s pomočjo merilnih naprav, vendar le posredno – preko vrednosti neke fizikalne količine, odvisno od na izmerjeno temperaturo.
Zato se v drugem primeru vzpostavi neko referenčno (referenčno) stanje za ta namen izbrane temperaturno odvisne fizikalne veličine in ji pripiše določena številčna temperaturna vrednost, tako da morebitna sprememba stanja izbrane fizikalne veličine relativno na referenco se lahko izrazi v temperaturnih enotah.
Niz temperaturnih vrednosti, ki ustreza nizu zaporednih sprememb stanja (tj. zaporedju vrednosti) izbrane količine, odvisne od temperature, tvori temperaturno lestvico. Najpogostejše temperaturne lestvice so Celzijeva, Fahrenheitova, Reaumurjeva, Kelvinova in Rankinova.
Kelvinova in Celzijeva temperaturna lestvica
V 1730 je francoski naravoslovec René Antoine Reumour (1683-1757) na podlagi Amotonovega predloga označil tališče ledu na termometru za 0, vrelišče vode pa za 80O. V 1742 NSVedski astronom in fizik Anders Celsius (1701 — 1744) je po dveh letih testiranja Reaumurjevega termometra odkril napako v razdelitvi lestvice.
Izkazalo se je, da je to v veliki meri odvisno od atmosferskega tlaka. Celzij je predlagal določitev tlaka pri kalibraciji lestvice, jaz pa sem celotno temperaturno območje razdelil s 100, vendar sem oznako 100 pripisal tališču ledu. Kasneje sta švedski Linnaeus ali nemški Stremmer (po različnih virih) spremenila oznake kontrolnih točk.
Tako se je pojavila danes široko uporabljana temperaturna lestvica Celzija. Njegova kalibracija se izvaja pri normalnem atmosferskem tlaku 1013,25 hPa.
Temperaturne lestvice so ustvarili Fahrenheit, Reaumur, Newton (slednji je za izhodišče nenamerno izbral temperaturo človeškega telesa.No, veliki se motijo!) In mnogi drugi. Niso prestale preizkusa časa.
Celzijeva temperaturna lestvica je bila sprejeta na 1. generalni konferenci za uteži in mere leta 1889. Trenutno je stopinja Celzija uradna merska enota za temperaturo, ki jo je določil Mednarodni odbor za uteži in mere, vendar z nekaterimi pojasnili v definiciji.
Glede na zgornje argumente je enostavno sklepati, da temperaturna lestvica Celzija ni rezultat dejavnosti ene osebe. Celsius je bil le eden zadnjih raziskovalcev in izumiteljev, ki so sodelovali pri njegovem razvoju. Do leta 1946 se je lestvica preprosto imenovala stopenjska lestvica. Šele takrat je Mednarodni odbor za uteži in mere stopinjam Celzija dodelil ime "stopinja Celzija".
Nekaj besed o delovnem telesu termometrov. Prvi ustvarjalci naprav so seveda želeli razširiti njihov obseg delovanja. Edina tekoča kovina v normalnih pogojih je živo srebro.
Ni bilo izbire. Tališče je -38,97 ° C, vrelišče je + 357,25 ° C. Od hlapnih snovi se je izkazalo, da je vino ali etilni alkohol najbolj dostopen. Tališče - 114,2 ° C, vrelišče + 78,46 ° C.
Ustvarjeni termometri so primerni za merjenje temperatur od -100 do + 300 ° C, kar je dovolj za reševanje večine praktičnih problemov. Na primer, najnižja temperatura zraka je -89,2 ° C (postaja Vostok na Antarktiki), najvišja pa + 59 ° C (puščava Sahara). Večina procesov toplotne obdelave vodnih raztopin je potekala pri temperaturah, ki niso višje od 100 °C.
Osnovna merska enota termodinamične temperature in hkrati ena izmed osnovnih enot Mednarodni sistem enot (SI) je Kelvinova stopnja.
Velikost (temperaturna vrzel) 1 stopinje Kelvina je določena z dejstvom, da je vrednost termodinamične temperature trojne točke vode nastavljena točno na 273,16 °K.
Ta temperatura, pri kateri je voda v ravnotežnem stanju v treh fazah: trdni, tekoči in plinasti, je vzeta kot glavno izhodišče zaradi njene visoke ponovljivosti, za red velikosti boljše od ponovljivosti zmrziščnih in vrelišč vode. .
Merjenje temperature trojne točke vode je tehnično zahtevna naloga. Zato je bil kot standard odobren šele leta 1954 na X generalni konferenci za uteži in mere.
Stopnja Celzija, v enotah katere lahko izrazimo tudi termodinamično temperaturo, je glede na temperaturno območje popolnoma enaka Kelvinu, vendar je številčna vrednost katerekoli temperature v Celziju za 273,15 stopinj višja od vrednosti iste temperature v Kelvinih. .
Velikost 1 stopinje Kelvina (ali 1 stopinje Celzija), določene s številčno vrednostjo temperature trojne točke vode, se s sodobno merilno natančnostjo ne razlikuje od njene velikosti, določene (ki je bila prej sprejeta) kot stotinka temperaturna razlika med zmrziščem in vreliščem vode.
Razvrstitev metod in naprav za merjenje temperature
Merjenje telesne ali okoljske temperature je mogoče izvesti na dva bistveno različna posredna načina.
Prvi način vodi do merjenja vrednosti ene od temperaturno odvisnih lastnosti ali parametrov stanja samega telesa ali okolja, drugi - do merjenja vrednosti temperaturno odvisnih lastnosti ali stanja parametrov pomožnega telesa (neposredno ali posredno) v stanje toplotnega ravnovesja s telesom ali okoljem, katerega temperaturo merimo...
Imenuje se pomožno telo, ki služi tem namenom in je senzor celotne naprave za merjenje temperature termometrična (pirometrična) sonda ali toplotni detektor… Zato so vse metode in naprave za merjenje temperature razdeljene v dve bistveno različni skupini: brez tipanja in sonde.
Termični detektor ali katera koli dodatna naprava naprave je lahko v neposrednem mehanskem stiku s telesom ali medijem, katerega temperaturo merimo, ali pa se med njima vzpostavi le »optični« stik.
Glede na to so vse metode in orodja za merjenje temperature razdeljene na kontaktne in brezkontaktne. Največji praktični pomen imajo sondne kontaktne in brezkontaktne metode in naprave.
Napake pri merjenju temperature
Za vse kontaktne, največkrat vrtalne, metode merjenja temperature so za razliko od drugih metod značilne t.i toplotne ali termične metodološke napake zaradi dejstva, da celoten sondni termometer (ali pirometer) meri temperaturno vrednost le občutljivega dela termičnega detektorja, povprečno na površino ali prostornino tega dela.
Medtem pa ta temperatura praviloma ne sovpada z izmerjeno, saj toplotni detektor neizogibno izkrivlja temperaturno polje, v katerem je vnesen. Pri merjenju stacionarne konstantne temperature telesa ali okolja se med njim in toplotnim sprejemnikom vzpostavi določen način izmenjave toplote.
Stalna temperaturna razlika med termičnim detektorjem in izmerjeno temperaturo telesa ali okolja označuje statično toplotno napako pri merjenju temperature.
Če se izmerjena temperatura spremeni, je toplotna napaka funkcija časa. Takšno dinamično napako lahko obravnavamo kot sestavljeno iz konstantnega dela, ki je enakovreden statični napaki, in spremenljivega dela.
Slednje nastane zato, ker se ob vsaki spremembi prehoda toplote med telesom ali medijem, katerega temperaturo merimo, ne vzpostavi takoj nov način prenosa toplote. Za preostalo popačenje odčitkov termometra ali pirometra, ki je funkcija časa, je značilna toplotna vztrajnost termometra.
Toplotne napake in toplotna vztrajnost termičnega detektorja so odvisne od istih dejavnikov kot izmenjava toplote med telesom ali okoljem in termičnim detektorjem: od temperatur termičnega detektorja in telesa ali okolja, od njihove velikosti, sestave (in s tem lastnosti) in pogoj glede na obliko, dimenzije, geometrijsko obliko, stanje površine in lastnosti materialov toplotnega detektorja in teles okoli njega, od njihove razporeditve, po kateri zakonitosti se izmerjena temperatura telesa ali okolja spreminja skozi čas.
Toplotne metodološke napake pri merjenju temperature so praviloma nekajkrat večje od instrumentalnih napak termometrov in pirometrov. Njihovo zmanjšanje dosežemo z uporabo racionalnih metod merjenja temperature in konstrukcij toplotnih detektorjev ter z ustrezno namestitvijo slednjih na mestih uporabe.
Izboljšanje prenosa toplote med toplotnim sprejemnikom in okoljem oziroma telesom, katerega temperaturo merimo, dosežemo s prisiljevanjem koristnih in zatiranjem škodljivih dejavnikov prenosa toplote.
Na primer, pri merjenju temperature plina v zaprti prostornini se poveča konvekcijska izmenjava toplote termičnega detektorja s plinom, kar ustvari hiter pretok plina okoli termičnega detektorja ("sesalni" termoelement) in sevalno toploto izmenjava s stenami prostornine se zmanjša, kar ščiti toplotni detektor ("zaščiten" termočlen).
Za zmanjšanje toplotne vztrajnosti pri termometrih in pirometrih z električnim izhodnim signalom se uporabljajo tudi posebna vezja, ki umetno skrajšajo čas vzpona signala s hitro spremembo izmerjene temperature.
Brezkontaktne metode merjenja temperature
Možnost uporabe kontaktnih metod pri meritvah ni določena le z izkrivljanjem izmerjene temperature s kontaktnim termičnim detektorjem, temveč tudi z dejanskimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi materialov termičnega detektorja (korozijska in mehanska odpornost, toplotna odpornost, itd.).
Brezkontaktne merilne metode so brez teh omejitev. Vendar pa najpomembnejši med njimi, tj.na podlagi zakonov temperaturnega sevanja so značilne posebne napake zaradi dejstva, da uporabljeni zakoni natanko veljajo le za absolutno črni sevalnik, od katerega se vsi realni fizični sevalci (telesa in nosilci) bolj ali manj razlikujejo glede na lastnosti sevanja. .
Po Kirchhoffovih zakonih sevanja vsako fizično telo oddaja manj energije kot črno telo, segreto na enako temperaturo kot fizično telo.
Zato bo merilnik temperature, kalibriran proti črnemu sevalcu, pri merjenju temperature realnega fizikalnega sevalca pokazal temperaturo, nižjo od dejanske, in sicer temperature, pri kateri se lastnost črnega sevalca, uporabljenega pri kalibraciji (sevalna energija, njegova svetlost, njegova spektralna sestava itd.), se po vrednosti ujema z lastnostjo fizičnega radiatorja pri dani dejanski temperaturi, ki jo je treba določiti. Izmerjena podcenjena psevdo temperatura se imenuje črna temperatura.
Različne metode merjenja vodijo do različnih, praviloma neujemajočih se temperatur črne barve: sevalni pirometer kaže integral ali sevanje, optični pirometer - svetlost, barvni pirometer - barvno črne temperature.
Prehod iz izmerjenih črn na dejanske temperature se izvede grafično ali analitično, če je znana emisijska sposobnost predmeta, katerega temperaturo merimo.
Emisivnost je razmerje med vrednostmi fizičnih in črnih sevalcev, ki se uporabljajo za merjenje sevalnih lastnosti, ki imajo enako temperaturo: pri sevalni metodi je emisivnost enaka razmerju skupnih (čez spekter) energij, pri optični metodi je spektralna emisivnost enaka razmerju spektralnih gostot sijaja. Ob drugih enakih pogojih daje najmanjše napake nečrnosti sevalca barvni pirometer.
Radikalno rešitev problema merjenja dejanske temperature nečrnega sevalca s sevalnimi metodami umetnost doseže tako, da ustvari pogoje, da ga spremeni v črni sevalec (na primer tako, da ga postavi v praktično zaprto votlino) .
V nekaterih posebnih primerih je mogoče izmeriti dejansko temperaturo nečrnega sevalca z običajnimi sevalnimi pirometri s posebnimi tehnikami merjenja temperature (na primer osvetlitev, v žarkih treh valovnih dolžin, v polarizirani svetlobi itd.).
Splošni instrumenti za merjenje temperature
Ogromen razpon izmerjenih temperatur in neizčrpno število različnih pogojev in objektov merjenja določajo izjemno pestrost in pestrost metod in naprav za merjenje temperature.
Najpogostejši instrumenti za merjenje temperature so:
- Termoelektrični pirometri (termometri);
- električni uporovni termometri;
- Radiacijski pirometri;
- Optični absorpcijski pirometri;
- Optični pirometri svetlosti;
- Barvni pirometri;
- Ekspanzijski termometri za tekočine;
- Merilni termometri;
- Parni termometri;
- Plinski kondenzacijski termometri;
- Palični dilatometrični termometri;
- Bimetalni termometri;
- Akustični termometri;
- Kalorimetrični pirometri-piroskopi;
- Termične barve;
- Paramagnetni solni termometri.
Najbolj priljubljene električne naprave za merjenje temperature:
Poglej tudi: Prednosti in slabosti različnih temperaturnih senzorjev
Številne zgoraj navedene vrste instrumentov se uporabljajo za meritve z različnimi metodami. Na primer, uporablja se termoelektrični termometer:
- za kontaktno merjenje temperature okolij in teles ter površin le-teh, brez ali v kombinaciji z napravami, ki popravljajo toplotno neravnovesje termičnega detektorja in merilnega objekta;
- za brezkontaktno merjenje temperature s sevanjem in nekaterimi spektroskopskimi metodami;
- za mešano (kontaktno-brezkontaktno) merjenje temperature tekoče kovine z metodo plinske votline (merjenje temperature sevanja plinskega mehurčka, vpihanega v tekočo kovino na koncu cevi, potopljene vanjo s sevanjem pirometer).
Hkrati je mogoče uporabiti številne metode merjenja temperature z napravami različnih vrst.
Zunanjo in notranjo temperaturo zraka lahko na primer merimo z napravami najmanj 15 vrst. Na fotografiji je bimetalni termometer.
Največji termometer na svetu v Bakerju v Kaliforniji
Uporaba instrumentov za merjenje temperature:
Merjenje površinskih temperatur s termočleni
Brezkontaktno merjenje temperature med delovanjem električne opreme