Metoder og instrumenter til temperaturmåling
Hvad er temperatur
Temperaturmåling er genstand for en teoretisk og eksperimentel disciplin - termometri, hvoraf en del, der dækker temperaturer over 500 ° C, kaldes pyrometri.
Den mest generelle strenge definition af begrebet temperatur, efter termodynamikkens anden lov, er formuleret med udtrykket:
T = dQ /dC,
hvor T er den absolutte temperatur af et isoleret termodynamisk system, dQ er tilvæksten af varme, der overføres til det system, og dS er stigningen i entropi af dette system.
Ovenstående udtryk fortolkes som følger: temperatur er et mål for stigningen i varme, der overføres til et isoleret termodynamisk system og svarer til stigningen i systemets entropi, der opstår i dette tilfælde, eller med andre ord til stigningen i forstyrrelsen af dens tilstand.
I statistisk mekanik, som beskriver systemets faser under hensyntagen til de mikroprocesser, der forekommer i makrosystemerne, defineres begrebet temperatur ved at udtrykke fordelingen af partiklerne i et molekylært system mellem en række ubesatte energiniveauer (Gibbs-fordeling) .
Denne definition (i overensstemmelse med den foregående) understreger det sandsynlige, statistiske aspekt af begrebet temperatur som hovedparameteren for den mikrofysiske form for energioverførsel fra et legeme (eller system) til et andet, dvs. kaotisk termisk bevægelse.
Manglen på klarhed af strenge definitioner af begrebet temperatur, som også kun er gyldige for termodynamisk afbalancerede systemer, har ført til den udbredte brug af en "utilitaristisk" definition baseret på essensen af fænomenet energioverførsel: temperatur er den termiske tilstand af et legeme eller system karakteriseret ved dets evne til at udveksle varme med et andet legeme (eller system).
Denne formulering er anvendelig både til termodynamisk ikke-ligevægtssystemer og (med forbehold) til det psykofysiologiske koncept "sensorisk" temperatur, opfattet direkte af en person, der bruger organerne for termisk berøring.
"Sanselig" temperatur vurderes subjektivt af en person direkte, men kun kvalitativt og i et relativt snævert interval, mens fysisk temperatur måles kvantitativt og objektivt, ved hjælp af måleapparater, men kun indirekte - gennem værdien af en fysisk størrelse afhængig af på den målte temperatur.
Derfor etableres i det andet tilfælde en referencetilstand (reference) for den temperaturafhængige fysiske størrelse, der er valgt til dette formål, og en vis numerisk temperaturværdi tildeles den, således at enhver ændring i tilstanden af den valgte fysiske størrelse i forhold til til referencen kan udtrykkes i temperaturenheder.
Sættet af temperaturværdier, der svarer til en række på hinanden følgende ændringer i tilstanden (dvs. en sekvens af værdier) af en valgt temperaturafhængig mængde danner en temperaturskala. De mest almindelige temperaturskalaer er Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin og Rankine.
Kelvin og Celsius temperaturskalaer
V 1730 Den franske naturforsker René Antoine Reumour (1683-1757), baseret på Amotons forslag, markerede isens smeltepunkt på termometeret som 0 og kogepunktet for vand som 80O. V 1742 NSVedisk astronom og fysiker Anders Celsius (1701 — 1744) opdagede efter to års afprøvning af Reaumur-termometeret en fejl i skalaens inddeling.
Det viste sig, at dette i høj grad afhænger af det atmosfæriske tryk. Celsius foreslog at bestemme trykket ved kalibrering af skalaen, og jeg dividerede hele temperaturområdet med 100, men tildelte mærket 100 til isens smeltepunkt. Senere ændrede den svenske Linnaeus eller den tyske Stremmer (ifølge forskellige kilder) betegnelserne på kontrolpunkterne.
Således fremkom den nu meget anvendte Celsius-temperaturskala. Dens kalibrering udføres ved normalt atmosfærisk tryk på 1013,25 hPa.
Temperaturskalaer blev skabt af Fahrenheit, Reaumur, Newton (sidstnævnte valgte utilsigtet temperaturen på den menneskelige krop som udgangspunkt.Nå, de store tager fejl!) Og mange andre. De har ikke bestået tidens tand.
Celsius temperaturskalaen blev vedtaget på den 1. generalkonference om vægte og mål i 1889. I øjeblikket er graden Celsius den officielle enhed for temperaturmåling etableret af Den Internationale Komité for Vægte og Mål, men med nogle præciseringer i definitionen.
Ifølge ovenstående argumenter er det let at konkludere, at Celsius temperaturskalaen ikke er resultatet af én persons aktivitet. Celsius var kun en af de sidste forskere og opfindere, der var involveret i dens udvikling. Indtil 1946 blev skalaen blot kaldt en gradskala. Det var først da, at den internationale komité for vægte og mål tildelte navnet "grad Celsius" til grader Celsius.
Et par ord om termometres arbejdslegeme. De første skabere af enheder forsøgte naturligvis at udvide deres handlingsområde. Det eneste flydende metal under normale forhold er kviksølv.
Der var ikke noget valg. Smeltepunktet er -38,97 ° C, kogepunktet er + 357,25 ° C. Af de flygtige stoffer viste vin eller ethylalkohol sig at være den mest tilgængelige. Smeltepunkt - 114,2 ° C, kogepunkt + 78,46 ° C.
De skabte termometre er velegnede til at måle temperaturer fra -100 til + 300 ° C, hvilket er nok til at løse de fleste praktiske problemer. For eksempel er den mindste lufttemperatur -89,2 ° C (Vostok-stationen i Antarktis), og den maksimale er + 59 ° C (Sahara-ørkenen). De fleste af varmebehandlingsprocesserne af vandige opløsninger fandt sted ved temperaturer ikke højere end 100 °C.
Den grundlæggende måleenhed for termodynamisk temperatur og samtidig en af grundenhederne Internationalt system af enheder (SI) er Kelvin-graden.
Størrelsen (temperaturgabet) på 1 grad Kelvin bestemmes af det faktum, at værdien af den termodynamiske temperatur af vandets tredobbelte punkt er indstillet nøjagtigt til 273,16 ° K.
Denne temperatur, ved hvilken vand eksisterer i en ligevægtstilstand i tre faser: fast, flydende og gasformig, tages som udgangspunkt på grund af dens høje reproducerbarhed, en størrelsesorden bedre end reproducerbarheden af vands fryse- og kogepunkter. .
At måle vandets trepunktstemperatur er en teknisk vanskelig opgave. Derfor blev den som standard først godkendt i 1954 på X General Conference on Weights and Measures.
Graden Celsius, i enheder, hvoraf den termodynamiske temperatur også kan udtrykkes, er nøjagtigt lig med Kelvin med hensyn til temperaturområde, men den numeriske værdi af enhver temperatur i Celsius er 273,15 grader højere end værdien af den samme temperatur i Kelvin .
Størrelsen på 1 grad Kelvin (eller 1 grad Celsius), bestemt af den numeriske værdi af temperaturen på vandets tredobbelte punkt, med moderne målenøjagtighed adskiller sig ikke fra dens størrelse bestemt (som tidligere blev accepteret) som en hundrededel af temperaturforskel mellem vands fryse- og kogepunkt.
Klassificering af metoder og apparater til temperaturmåling
Måling af krops- eller omgivelsestemperatur kan udføres på to fundamentalt forskellige indirekte måder.
Den første måde fører til måling af værdierne af en af de temperaturafhængige egenskaber eller tilstandsparametre for selve kroppen eller miljøet, den anden - til måling af værdierne af de temperaturafhængige egenskaber eller tilstand hjælpelegemets parametre bragt (direkte eller indirekte) til en tilstand af termisk ligevægt med det legeme eller miljø, hvis temperatur måles...
Et hjælpelegeme kaldes, der tjener disse formål og er en sensor for en komplet temperaturmåler termometrisk (pyrometrisk) sonde eller termisk detektor… Derfor er alle metoder og apparater til temperaturmåling opdelt i to fundamentalt forskellige grupper: uden sondering og sondering.
Den termiske detektor eller en hvilken som helst yderligere anordning til apparatet kan bringes i direkte mekanisk kontakt med kroppen eller mediet, hvis temperatur måles, eller kun "optisk" kontakt mellem dem.
Afhængigt af dette er alle metoder og værktøjer til temperaturmåling opdelt i kontakt og ikke-kontakt. Probekontakt og kontaktløse metoder og enheder er af største praktiske betydning.
Temperaturmålingsfejl
Al kontakt, for det meste boring, metoder til temperaturmåling, i modsætning til andre metoder, er karakteriseret ved den såkaldte termiske eller termiske metodologiske fejl, der skyldes, at et komplet sondetermometer (eller pyrometer) kun måler temperaturværdien af den følsomme del af den termiske detektor, beregnet i gennemsnit over overfladen eller volumen af den del.
I mellemtiden falder denne temperatur som regel ikke sammen med den målte, da den termiske detektor uundgåeligt forvrænger temperaturfeltet, hvori den indføres. Ved måling af en stationær konstant temperatur i en krop eller et miljø etableres en bestemt varmeudvekslingsmåde mellem den og den termiske modtager.
Den konstante temperaturforskel mellem den termiske detektor og den målte temperatur i kroppen eller miljøet karakteriserer den statiske termiske fejl i temperaturmålingen.
Hvis den målte temperatur ændres, er den termiske fejl en funktion af tiden. En sådan dynamisk fejl kan betragtes som bestående af en konstant del, svarende til den statiske fejl, og en variabel del.
Sidstnævnte opstår, fordi der med hver ændring i varmeoverførsel mellem et legeme eller medium, hvis temperatur måles, ikke umiddelbart etableres en ny varmeoverførselsmåde. Den resterende forvrængning af termometer- eller pyrometeraflæsninger, som er en funktion af tiden, er karakteriseret ved termometerets termiske inerti.
Termiske fejl og termisk inerti af en termisk detektor afhænger af de samme faktorer som varmeudveksling mellem et legeme eller miljø og en termisk detektor: af temperaturerne på den termiske detektor og kroppen eller miljøet, af deres størrelse, sammensætning (og dermed egenskaber) og tilstand, efter design, dimensioner, geometrisk form, tilstand af overfladen og egenskaber af materialerne i den termiske detektor og legemerne omkring den, ud fra deres arrangement, ifølge hvilken lov den målte temperatur i kroppen eller miljøet ændres over tid.
Termiske metodologiske fejl i temperaturmåling er som regel flere gange højere end de instrumentelle fejl i termometre og pyrometre. Deres reduktion opnås ved at bruge rationelle metoder til temperaturmåling og konstruktioner af termiske detektorer og ved passende installation af sidstnævnte på brugsstederne.
Forbedringen af varmeoverførslen mellem den termiske modtager og miljøet eller den krop, hvis temperatur måles, opnås ved at tvinge gavnlige og undertrykke skadelige varmeoverførselsfaktorer.
Når man f.eks. måler temperaturen på en gas i et lukket volumen, øges den termiske detektors konvektivitetsudveksling med gassen, hvilket skaber en hurtig strøm af gas omkring den termiske detektor (et "suge" termoelement) og strålevarme udveksling med volumenets vægge reduceres, hvilket afskærmer den termiske detektor ("afskærmet" termoelement).
For at reducere termisk inerti i termometre og pyrometre med et elektrisk udgangssignal, anvendes også specielle kredsløb, der kunstigt reducerer signalstigningstiden med en hurtig ændring i den målte temperatur.
Berøringsfrie metoder til temperaturmåling
Muligheden for at bruge kontaktmetoder i målinger bestemmes ikke kun af forvrængning af den målte temperatur af den termiske kontaktdetektor, men også af de reelle fysisk-kemiske egenskaber af materialerne i den termiske detektor (korrosion og mekanisk modstand, varmebestandighed, etc.).
Berøringsfrie målemetoder er fri for disse begrænsninger. Den vigtigste af dem, dvs.baseret på lovene for temperaturstråling, er særlige fejl iboende på grund af det faktum, at de anvendte love kun er gyldige for en absolut sort emitter, hvorfra alle virkelige fysiske emittere (legemer og bærere) adskiller sig mere eller mindre med hensyn til stråling. .
Ifølge Kirchhoffs strålingslove udsender enhver fysisk krop mindre energi end en sort krop opvarmet til samme temperatur som den fysiske krop.
Derfor vil en temperaturmåler, der er kalibreret mod en sort emitter, når den måler temperaturen på en reel fysisk emitter, vise en temperatur, der er lavere end den faktiske, nemlig den temperatur, hvor den sorte emitters egenskab anvendes til kalibrering (strålingsenergi, dens lysstyrke, dens spektrale sammensætning osv.), stemmer i værdi med egenskaben af en fysisk radiator ved en given faktisk temperatur, der skal bestemmes.Den målte undervurderede pseudotemperatur kaldes den sorte temperatur.
Forskellige målemetoder fører til forskellige, som regel, ikke-matchende sorte temperaturer: et strålingspyrometer viser integral eller stråling, et optisk pyrometer - lysstyrke, et farvepyrometer - farvesort temperaturer.
Overgangen fra målte sorte til faktiske temperaturer sker grafisk eller analytisk, hvis emissiviteten af det objekt, hvis temperatur måles, er kendt.
Emissiviteten er forholdet mellem værdierne af de fysiske og sorte emittere, der bruges til at måle de strålingsegenskaber, der har samme temperatur: med strålingsmetoden er emissiviteten lig med forholdet mellem de samlede (på tværs af spektret) energier, med den optiske metode er den spektrale emissivitetsevne lig med forholdet mellem glødens spektrale tætheder. Alt andet lige er de mindste emitter-ikke-sortfejl givet af et farvepyrometer.
En radikal løsning på problemet med at måle den faktiske temperatur af en ikke-sort emitter ved strålingsmetoder opnås af kunsten ved at skabe betingelser for, at den kan omdanne den til en sort emitter (for eksempel ved at placere den i et praktisk talt lukket hulrum) .
I nogle specielle tilfælde er det muligt at måle den faktiske temperatur på en ikke-sort emitter med konventionelle strålingspyrometre ved hjælp af specielle temperaturmålingsteknikker (for eksempel belysning, i tre-bølgelængde stråler, i polariseret lys osv.).
Generelle instrumenter til temperaturmåling
Det enorme udvalg af målte temperaturer og et uudtømmeligt antal forskellige forhold og måleobjekter bestemmer en ekstraordinær variation og mangfoldighed af metoder og anordninger til temperaturmåling.
De mest almindelige instrumenter til temperaturmåling er:
- Termoelektriske pyrometre (termometre);
- elektriske modstandstermometre;
- Strålingspyrometre;
- Optiske absorptionspyrometre;
- Optiske lysstyrkepyrometre;
- Farve pyrometre;
- Væskeekspansionstermometre;
- Måletermometre;
- Damptermometre;
- Gaskondensationstermometre;
- Stick dilatometriske termometre;
- Bimetalliske termometre;
- Akustiske termometre;
- Kalorimetriske pyrometre-pyroskoper;
- Termisk maling;
- Paramagnetiske salttermometre.
De mest populære elektriske enheder til temperaturmåling:
Se også: Fordele og ulemper ved forskellige temperaturfølere
De mange typer instrumenter, der er anført ovenfor, bruges til målinger med forskellige metoder. For eksempel bruges et termoelektrisk termometer:
- til kontaktmåling af temperaturen i miljøer og kroppe, samt overflader af sidstnævnte, uden eller i kombination med anordninger, der korrigerer den termiske ubalance af den termiske detektor og måleobjektet;
- til berøringsfri temperaturmåling ved stråling og nogle spektroskopiske metoder;
- til blandet (kontaktfri)-måling af det flydende metals temperatur ved hjælp af gashulrumsmetoden (måling af strålingstemperaturen af en gasboble, der blæses ind i det flydende metal for enden af et rør nedsænket i det med en stråling pyrometer).
Samtidig kan mange temperaturmålingsmetoder anvendes med enheder af forskellige typer.
For eksempel kan udendørs og indendørs lufttemperatur måles med enheder af mindst 15 typer. Billedet viser et bimetallisk termometer.
Verdens største termometer i Baker, Californien
Anvendelse af temperaturmåleinstrumenter:
Måling af overfladetemperaturer med termoelementer
Berøringsfri temperaturmåling under drift af elektrisk udstyr