Temperatūras mērīšanas metodes un instrumenti

Kas ir temperatūra

Temperatūras mērīšana ir teorētiskas un eksperimentālas disciplīnas priekšmets - termometrija, kuras daļu, kas aptver temperatūru virs 500 ° C, sauc par pirometriju.

Vispārīgākā stingrākā temperatūras jēdziena definīcija, ievērojot otro termodinamikas likumu, tiek formulēta ar izteiksmi:

T = dQ/dC,

kur T ir izolētas termodinamiskās sistēmas absolūtā temperatūra, dQ ir šai sistēmai nodotā ​​siltuma pieaugums, un dS ir šīs sistēmas entropijas pieaugums.

Iepriekšminētā izteiksme tiek interpretēta šādi: temperatūra ir siltuma pieauguma mērs, kas pārnests uz izolētu termodinamisko sistēmu un atbilst sistēmas entropijas pieaugumam, kas notiek šajā gadījumā, vai, citiem vārdiem sakot, siltuma pieaugumam. tās stāvokļa traucējumi.

Statistiskajā mehānikā, kas apraksta sistēmas fāzes, ņemot vērā makrosistēmās notiekošos mikroprocesus, temperatūras jēdziens tiek definēts, izsakot molekulārās sistēmas daļiņu sadalījumu starp vairākiem neaizņemtiem enerģijas līmeņiem (Gibsa sadalījums). .

Šī definīcija (saskaņā ar iepriekšējo) akcentē temperatūras jēdziena varbūtības, statistisko aspektu kā galveno parametru mikrofizikālās enerģijas pārneses formā no viena ķermeņa (vai sistēmas) uz otru, t.i. haotiska termiskā kustība.

Temperatūras jēdziena stingru definīciju skaidrības trūkums, kas ir spēkā tikai termodinamiski līdzsvarotām sistēmām, ir novedis pie tā, ka plaši tiek izmantota "utilitāra" definīcija, kuras pamatā ir enerģijas pārneses fenomena būtība: temperatūra ir ķermeņa vai sistēmas termiskais stāvoklis, ko raksturo tā spēja apmainīties ar siltumu ar citu ķermeni (vai sistēmu).

Šis formulējums ir piemērojams gan termodinamiski nelīdzsvarotām sistēmām, gan (ar atrunām) psihofizioloģiskajam "sensorās" temperatūras jēdzienam, ko tieši uztver cilvēks, izmantojot termiskā pieskāriena orgānus.

"Sensoro" temperatūru cilvēks subjektīvi novērtē tieši, bet tikai kvalitatīvi un salīdzinoši šaurā intervālā, savukārt fizisko temperatūru mēra kvantitatīvi un objektīvi, ar mērierīču palīdzību, bet tikai netieši - caur kāda fiziska lieluma vērtību atkarībā no uz izmērīto temperatūru.

Tāpēc otrajā gadījumā tiek noteikts kāds šim nolūkam izvēlētā no temperatūras atkarīgā fizikālā lieluma atskaites (references) stāvoklis un tam tiek piešķirta noteikta skaitliskā temperatūras vērtība, lai jebkuras izmaiņas izvēlētā fizikālā lieluma stāvoklī relatīvi. uz atsauci var izteikt temperatūras vienībās.

Temperatūras vērtību kopa, kas atbilst secīgu stāvokļa izmaiņu sērijai (ti, vērtību secībai) atlasītajam no temperatūras atkarīgam daudzumam, veido temperatūras skalu. Visizplatītākās temperatūras skalas ir Celsija, Fārenheita, Reaumur, Kelvin un Rankine.

Kelvina un Celsija temperatūras skalas

V 1730 Franču dabaszinātnieks Renē Antuāns Reumors (1683-1757), pamatojoties uz Amotona ieteikumu, ledus kušanas temperatūru termometrā atzīmēja kā 0, bet ūdens viršanas temperatūru - 80O. V 1742 NSVēdu astronoms un fiziķis Anderss Celsijs (1701–1744) pēc divus gadus ilgas Reaumur termometra pārbaudes atklāja kļūdu skalas gradācijā.

Izrādījās, ka tas lielā mērā ir atkarīgs no atmosfēras spiediena. Pēc Celsija skalas kalibrēšanas laikā ierosināja noteikt spiedienu, un es visu temperatūras diapazonu sadalīju ar 100, bet ledus kušanas temperatūrai piešķīru atzīmi 100. Vēlāk zviedru Linnejs vai vācu Stremmers (pēc dažādiem avotiem) mainīja kontrolpunktu apzīmējumus.

Tādējādi parādījās tagad plaši izmantotā Celsija temperatūras skala. Tā kalibrēšana tiek veikta pie normāla atmosfēras spiediena 1013,25 hPa.

Temperatūras skalas izveidoja Fārenheits, Reamurs, Ņūtons (pēdējais par sākumpunktu netīšām izvēlējās cilvēka ķermeņa temperatūru.Nu, lielie kļūdās!) Un daudzi citi. Viņi nav izturējuši laika pārbaudi.

Celsija temperatūras skala tika pieņemta 1. Ģenerālajā svaru un mēru konferencē 1889. gadā. Pašlaik Celsija grāds ir oficiālā temperatūras mērvienība, ko noteikusi Starptautiskā Svaru un mēru komiteja, taču definīcijā ir daži precizējumi.

Saskaņā ar iepriekš minētajiem argumentiem ir viegli secināt, ka Celsija temperatūras skala nav vienas personas darbības rezultāts. Celsius bija tikai viens no pēdējiem pētniekiem un izgudrotājiem, kas piedalījās tā izstrādē. Līdz 1946. gadam skalu sauca vienkārši par grādu skalu. Tikai toreiz Starptautiskā svaru un mēru komiteja piešķīra Celsija grādu pakāpei nosaukumu "grāds pēc Celsija".

Daži vārdi par termometru darba korpusu. Pirmie ierīču radītāji, protams, centās paplašināt savu darbību klāstu. Vienīgais šķidrais metāls normālos apstākļos ir dzīvsudrabs.

Nebija izvēles. Kušanas temperatūra ir -38,97 ° C, viršanas temperatūra ir + 357,25 ° C. No gaistošajām vielām vispieejamākais izrādījās vīns vai etilspirts. Kušanas temperatūra - 114,2 ° C, viršanas temperatūra + 78,46 ° C.

Izveidotie termometri ir piemēroti temperatūras mērīšanai no -100 līdz + 300 ° C, kas ir pietiekami, lai atrisinātu lielāko daļu praktisko problēmu. Piemēram, minimālā gaisa temperatūra ir -89,2 ° C (Vostok stacija Antarktīdā), bet maksimālā ir + 59 ° C (Sahāras tuksnesis). Lielākā daļa ūdens šķīdumu termiskās apstrādes procesu notika temperatūrā, kas nav augstāka par 100 °C.

Termodinamiskās temperatūras mērvienība un vienlaikus viena no pamatvienībām Starptautiskā mērvienību sistēma (SI) ir Kelvina grāds.

1 Kelvina grādu lielumu (temperatūras spraugu) nosaka fakts, ka ūdens trīskāršā punkta termodinamiskās temperatūras vērtība ir iestatīta precīzi 273,16 ° K.

Šī temperatūra, kurā ūdens pastāv līdzsvara stāvoklī trīs fāzēs: cietā, šķidrā un gāzveida, tiek uzskatīta par galveno sākumpunktu tās augstās reproducējamības dēļ, kas ir par kārtu labāka nekā ūdens sasalšanas un viršanas temperatūras atkārtojamība. .

Ūdens trīskāršā punkta temperatūras mērīšana ir tehniski sarežģīts uzdevums. Tāpēc kā standarts tas tika apstiprināts tikai 1954. gadā X ģenerālkonferencē par svariem un mēriem.

Celsija grāds, kura mērvienībās var izteikt arī termodinamisko temperatūru, temperatūras diapazona izteiksmē ir precīzi vienāds ar Kelvinu, bet jebkuras temperatūras skaitliskā vērtība pēc Celsija ir par 273,15 grādiem lielāka nekā tās pašas temperatūras vērtība Kelvinos. .

1 grāda Kelvina (vai 1 grāda pēc Celsija) lielums, ko nosaka pēc ūdens trīskāršā punkta temperatūras skaitliskās vērtības, ar mūsdienu mērījumu precizitāti neatšķiras no tā lieluma, kas noteikts (kas iepriekš tika pieņemts) kā simtdaļa no ūdens. temperatūras starpība starp ūdens sasalšanas un viršanas temperatūru.

Temperatūras mērīšanas metožu un ierīču klasifikācija

Ķermeņa vai apkārtējās vides temperatūras mērīšanu var veikt divos būtiski atšķirīgos netiešos veidos.

Pirmais veids noved pie vienas no temperatūras atkarīgo īpašību vai paša ķermeņa vai vides stāvokļa parametru vērtību mērīšanas, otrais - no temperatūras atkarīgo īpašību vai stāvokļa vērtību mērīšanas. palīgķermeņa parametri, kas (tieši vai netieši) nonāk termiskā līdzsvara stāvoklī ar ķermeni vai vidi, kuras temperatūra tiek mērīta...

Tiek saukts palīgķermenis, kas kalpo šiem mērķiem un ir pilnīgas temperatūras mērīšanas ierīces sensors termometriskā (pirometriskā) zonde vai termiskais detektors… Tāpēc visas temperatūras mērīšanas metodes un ierīces ir sadalītas divās principiāli atšķirīgās grupās: bez zondēšanas un zondes.

Termisko detektoru vai jebkuru ierīces papildu ierīci var novest tiešā mehāniskā kontaktā ar ķermeni vai vidi, kuras temperatūra tiek mērīta, vai arī starp tiem var izveidot tikai "optisku" kontaktu.

Atkarībā no tā visas temperatūras mērīšanas metodes un instrumenti tiek sadalīti kontakts un bezkontakts. Vislielākā praktiskā nozīme ir zondes kontakta un bezkontakta metodēm un ierīcēm.

Temperatūras mērīšanas kļūdas

Visas saskares, pārsvarā urbšanas, temperatūras mērīšanas metodes atšķirībā no citām metodēm raksturo t.s termiskās vai termiskās metodoloģiskās kļūdas, kas saistītas ar to, ka pilns zondes termometrs (vai pirometrs) mēra tikai termiskā detektora jutīgās daļas temperatūras vērtību, kas aprēķināta vidēji virs šīs daļas virsmas vai tilpuma.

Tikmēr šī temperatūra, kā likums, nesakrīt ar izmērīto, jo termiskais detektors neizbēgami izkropļo temperatūras lauku, kurā tas tiek ievadīts. Mērot ķermeņa vai vides stacionāru nemainīgu temperatūru, starp to un siltuma uztvērēju tiek izveidots noteikts siltuma apmaiņas režīms.

Pastāvīgā temperatūras starpība starp termisko detektoru un izmērīto ķermeņa vai vides temperatūru raksturo statisko termisko kļūdu temperatūras mērījumos.

Ja izmērītā temperatūra mainās, tad termiskā kļūda ir laika funkcija. Šādu dinamisku kļūdu var uzskatīt par tādu, kas sastāv no nemainīgas daļas, kas ir ekvivalenta statiskajai kļūdai, un mainīgās daļas.

Pēdējais rodas tāpēc, ka ar katru siltuma pārneses izmaiņu starp ķermeni vai vidi, kuras temperatūra tiek mērīta, netiek nekavējoties izveidots jauns siltuma pārneses veids. Termometra vai pirometra rādījumu atlikušo kropļojumu, kas ir laika funkcija, raksturo termometra termiskā inerce.

Termiskās detektora termiskās kļūdas un termiskā inerce ir atkarīga no tiem pašiem faktoriem kā siltuma apmaiņa starp ķermeni vai vidi un termisko detektoru: no termiskā detektora un ķermeņa vai vides temperatūras, no to izmēra, sastāva (un līdz ar to īpašībām). un stāvoklis, pēc konstrukcijas, izmēriem, ģeometriskās formas, virsmas stāvokļa un termiskā detektora un ap to esošo ķermeņu materiālu īpašībām, no to izvietojuma, saskaņā ar kuru likumu mainās ķermeņa vai vides izmērītā temperatūra laika gaitā.

Termiskās metodoloģiskās kļūdas temperatūras mērījumos, kā likums, ir vairākas reizes lielākas nekā termometru un pirometru instrumentālās kļūdas. To samazināšana tiek panākta, izmantojot racionālas temperatūras mērīšanas metodes un termodetektoru konstrukcijas un tos atbilstoši uzstādot lietošanas vietās.

Siltuma pārneses uzlabošana starp termisko uztvērēju un vidi vai ķermeni, kuras temperatūra tiek mērīta, tiek panākta, piespiežot labvēlīgos un nomācot kaitīgos siltuma pārneses faktorus.

Piemēram, mērot gāzes temperatūru slēgtā tilpumā, tiek palielināta termiskā detektora konvektīvā siltuma apmaiņa ar gāzi, radot ātru gāzes plūsmu ap termodetektoru ("iesūkšanas" termopāri) un izstarojošo siltumu. tiek samazināta apmaiņa ar tilpuma sienām, pasargājot siltuma detektoru ("ekranēts" termopāris).

Lai samazinātu termisko inerci termometros un pirometros ar elektrisko izejas signālu, tiek izmantotas arī īpašas shēmas, kas mākslīgi samazina signāla pieauguma laiku, strauji mainoties izmērītajai temperatūrai.

Bezkontakta temperatūras mērīšanas metodes

Kontaktmetožu izmantošanas iespēju mērījumos nosaka ne tikai kontakta termiskā detektora izmērītās temperatūras kropļojumi, bet arī termiskā detektora materiālu reālās fizikāli ķīmiskās īpašības (korozijas un mehāniskā izturība, karstumizturība, utt.).

Bezkontakta mērīšanas metodēm šie ierobežojumi neattiecas. Tomēr svarīgākais no tiem, t.i.pamatojoties uz temperatūras starojuma likumiem, īpašas kļūdas ir raksturīgas tam, ka izmantotie likumi ir precīzi spēkā tikai absolūti melnam emitentam, no kura visi reālie fiziskie emitētāji (ķermeņi un nesēji) vairāk vai mazāk atšķiras pēc starojuma īpašībām. .

Saskaņā ar Kirhhofa radiācijas likumiem jebkurš fiziskais ķermenis izstaro mazāk enerģijas nekā melns ķermenis, kas uzkarsēts līdz tādai pašai temperatūrai kā fiziskais ķermenis.

Tāpēc temperatūras mērierīce, kas kalibrēta pret melno emitētāju, mērot reālā fiziskā emitētāja temperatūru, rādīs temperatūru, kas ir zemāka par faktisko, proti, temperatūru, kurā kalibrēšanā izmantota melnā emitētāja īpašība (starojuma enerģija, tā spilgtums, spektrālais sastāvs utt.), pēc vērtības sakrīt ar fizikālā radiatora īpašību noteiktā faktiskajā temperatūrā, kas jānosaka. Izmērīto par zemu novērtēto pseido temperatūru sauc par melno temperatūru.

Dažādas mērīšanas metodes parasti noved pie atšķirīgām melnās krāsas temperatūrām: radiācijas pirometrs rāda integrālo jeb starojumu, optiskais pirometrs - spilgtumu, krāsu pirometrs - melnās krāsas temperatūru.

Pāreja no izmērītās melnās krāsas uz faktisko temperatūru tiek veikta grafiski vai analītiski, ja ir zināma objekta, kura temperatūra tiek mērīta, izstarojuma koeficients.

Izstarojuma koeficients ir fizikālo un melno izstarotāju vērtību attiecība, ko izmanto, lai izmērītu radiācijas īpašības, kurām ir vienāda temperatūra: ar starojuma metodi emisijas koeficients ir vienāds ar kopējo (visā spektrā) enerģiju attiecību, ar optisko metodi spektrālās emisijas spēja ir vienāda ar mirdzuma spektrālo blīvumu attiecību. Ja visas pārējās lietas ir vienādas, mazākās emitētāja ne-melnuma kļūdas uzrāda krāsu pirometrs.

Radikāls risinājums problēmai par ne-melnā emitētāja faktiskās temperatūras mērīšanu ar starojuma metodēm tiek panākts ar mākslu, radot apstākļus, lai tas pārvērstos par melno emitētāju (piemēram, ievietojot to praktiski slēgtā dobumā) .

Dažos īpašos gadījumos ir iespējams izmērīt ne-melnā emitētāja faktisko temperatūru ar parastajiem starojuma pirometriem, izmantojot īpašus temperatūras mērīšanas paņēmienus (piemēram, apgaismojumu, trīs viļņu garuma staros, polarizētā gaismā utt.).

Vispārīgi instrumenti temperatūras mērīšanai

Milzīgais izmērīto temperatūru diapazons un neizsmeļams dažādu apstākļu un mērīšanas objektu skaits nosaka temperatūras mērīšanas metožu un ierīču ārkārtīgi daudzveidīgu un daudzveidību.

Visizplatītākie temperatūras mērīšanas instrumenti ir:

• Termoelektriskie pirometri (termometri);
• elektriskās pretestības termometri;
• Radiācijas pirometri;
• Optiskās absorbcijas pirometri;
• Optiskie spilgtuma pirometri;
• Krāsu pirometri;
• Šķidruma izplešanās termometri;
• Termometri;
• Tvaika termometri;
• Gāzes kondensācijas termometri;
• Piespraust dilatometriskos termometrus;
• Bimetāla termometri;
• Akustiskie termometri;
• Kalorimetriskie pirometri-piroskopi;
• Termiskās krāsas;
• Paramagnētiskie sāls termometri.

Populārākās elektriskās ierīces temperatūras mērīšanai:

Pretestības termometri

Termistori

Skatīt arī: Dažādu temperatūras sensoru priekšrocības un trūkumi

Mērījumiem ar dažādām metodēm tiek izmantoti daudzi iepriekš uzskaitītie instrumentu veidi. Piemēram, tiek izmantots termoelektriskais termometrs:

• vides un ķermeņu, kā arī to virsmu temperatūras kontaktmērīšanai bez vai kombinācijā ar ierīcēm, kas koriģē termiskā detektora un mērīšanas objekta termisko disbalansu;
• bezkontakta temperatūras mērīšanai ar starojumu un dažām spektroskopiskām metodēm;
• jauktai (kontakta bezkontakta) šķidrā metāla temperatūras mērīšanai ar gāzes dobuma metodi (gāzes burbuļa starojuma temperatūras mērīšana šķidrajā metālā tajā iegremdētas caurules galā ar starojumu pirometrs).

Tajā pašā laikā ar dažāda veida ierīcēm var pielietot daudzas temperatūras mērīšanas metodes.

Piemēram, āra un iekštelpu gaisa temperatūru var izmērīt ar vismaz 15 veidu ierīcēm. Fotoattēlā redzams bimetāla termometrs.

Pasaulē lielākais termometrs Beikerā, Kalifornijā

Temperatūras mērīšanas instrumentu pielietojums:

Virsmas temperatūru mērīšana ar termopāriem

Infrasarkanā termogrāfija

Bezkontakta temperatūras mērīšana elektroiekārtu darbības laikā

Lāzera termometru izmantošanas iezīmes