Методе и инструменти за мерење температуре

Шта је температура

Мерење температуре је предмет теоријске и експерименталне дисциплине — термометрије, чији се део, који покрива температуре изнад 500 °Ц, назива пирометрија.

Најопштија стриктна дефиниција појма температуре, пратећи други закон термодинамике, формулише се изразом:

Т = дК /дЦ,

где је Т апсолутна температура изолованог термодинамичког система, дК је прираст топлоте пренете том систему, а дС је повећање ентропије тог система.

Горњи израз се тумачи на следећи начин: температура је мера повећања топлоте која се преноси на изоловани термодинамички систем и која одговара повећању ентропије система који се јавља у овом случају, или, другим речима, повећању нарушавање њеног стања .

У статистичкој механици, која описује фазе система, узимајући у обзир микропроцесе који се дешавају у макросистемима, појам температуре се дефинише изражавањем расподеле честица молекуларног система између већег броја незаузетих енергетских нивоа (Гибсова расподела) .

Ова дефиниција (у складу са претходном) наглашава пробабилистички, статистички аспект појма температуре као главног параметра микрофизичког облика преноса енергије са једног тела (или система) на друго, тј. хаотично топлотно кретање.

Недостатак јасноће строгих дефиниција појма температуре, које важе и само за термодинамички уравнотежене системе, довео је до широке употребе „утилитарне“ дефиниције засноване на суштини феномена преноса енергије: температура је топлотно стање тела или система које карактерише његова способност размене топлоте са другим телом (или системом).

Ова формулација је применљива и на термодинамички неравнотежне системе и (са резервом) на психофизиолошки концепт „сензорне“ температуре, коју директно перципира особа помоћу органа топлотног додира.

„Сензорну“ температуру човек субјективно процењује директно, али само квалитативно и у релативно уском интервалу, док се физичка температура мери квантитативно и објективно, уз помоћ мерних уређаја, али само индиректно – кроз вредност неке физичке величине у зависности на измереној температури .

Стога се у другом случају успоставља неко референтно (референтно) стање температурно зависне физичке величине одабране за ову сврху и додељује јој се одређена нумеричка вредност температуре, тако да свака промена стања изабране физичке величине релативна према референци може се изразити у температурним јединицама.

Скуп температурних вредности које одговарају низу узастопних промена стања (тј. низа вредности) изабране температуре зависне величине формира температурну скалу. Најчешће температурне скале су Целзијус, Фаренхајт, Реаумур, Келвин и Ранкине.

Келвинове и Целзијусове температурне скале

В 1730. Француски природњак Рене Антоан Ремур (1683-1757), на основу Амотонове сугестије, означио је тачку топљења леда на термометру као 0, а тачку кључања воде као 80О. В 1742 НСведски астроном и физичар Андерс Целзијус (1701 — 1744), након две године тестирања Реаумуровог термометра, открио је грешку у степеновању скале.

Испоставило се да то у великој мери зависи од атмосферског притиска. Целзијус је предложио да се одреди притисак приликом калибрације скале, а ја сам цео температурни опсег поделио са 100, али сам ознаку 100 доделио тачки топљења леда. Касније су шведски Лине или немачки Стремер (према различитим изворима) променили ознаке контролних тачака.

Тако се појавила сада широко коришћена Целзијусова температурна скала. Његова калибрација се врши при нормалном атмосферском притиску од 1013,25 хПа.

Температурне скале су креирали Фаренхајт, Реаумур, Њутн (ови последњи су нехотице изабрали температуру људског тела као полазну тачку.Па, велики греше!) И многи други. Нису издржали тест времена.

Целзијусова температурна скала је усвојена на 1. Генералној конференцији за тегове и мере 1889. Тренутно је степен Целзијус званична јединица за мерење температуре коју је успоставио Међународни комитет за тегове и мере, али са неким појашњењима у дефиницији.

Према наведеним аргументима, лако је закључити да Целзијусова температурна скала није резултат активности једне особе. Целзиус је био само један од последњих истраживача и проналазача који су учествовали у његовом развоју. До 1946. скала се једноставно звала степенска скала. Тек тада је Међународни комитет за тегове и мере доделио назив степену Целзијуса степену Целзијуса.

Неколико речи о радном телу термометара. Први креатори уређаја су природно настојали да прошире свој опсег деловања. Једини течни метал у нормалним условима је жива.

Није било избора. Тачка топљења је -38,97 ° Ц, тачка кључања је + 357,25 ° Ц. Од испарљивих супстанци, вино или етил алкохол су се испоставили као најдоступнији. Тачка топљења — 114,2 ° Ц, тачка кључања + 78,46 ° Ц.

Креирани термометри су погодни за мерење температура од -100 до +300°Ц, што је довољно за решавање већине практичних проблема. На пример, минимална температура ваздуха је -89,2 ° Ц (станица Восток на Антарктику), а максимална је + 59 ° Ц (пустиња Сахара). Већина процеса термичке обраде водених раствора одвијала се на температурама не већим од 100 °Ц.

Основна јединица мерења термодинамичке температуре и уједно једна од основних јединица Међународни систем јединица (СИ) је Келвинов степен.

Величина (температурни јаз) од 1 степен Келвина одређена је чињеницом да је вредност термодинамичке температуре троструке тачке воде постављена тачно на 273,16 ° К.

Ова температура, на којој вода постоји у равнотежном стању у три фазе: чврстој, течној и гасовитој, узима се као главна полазна тачка због њене високе поновљивости, за ред величине боље од поновљивости тачака смрзавања и кључања воде. .

Мерење температуре воде у трострукој тачки је технички тежак задатак. Стога је као стандард одобрен тек 1954. године на Кс Генералној конференцији за тегове и мере.

Степен Целзијуса, у чијим јединицама се такође може изразити термодинамичка температура, је тачно једнак Келвину у смислу температурног опсега, али је нумеричка вредност било које температуре у Целзијусима за 273,15 степени већа од вредности исте температуре у Келвину .

Величина 1 степен Келвина (или 1 степен Целзијуса), одређена нумеричком вредношћу температуре троструке тачке воде, са савременом прецизношћу мерења не разликује се од њене величине одређене (која је раније прихваћена) као стоти део температурна разлика између тачке смрзавања и кључања воде.

Класификација метода и уређаја за мерење температуре

Мерење телесне или температуре околине може се обавити на два суштински различита индиректна начина.

Први начин води до мерења вредности једног од температурно зависних својстава или параметара стања самог тела или околине, други - до мерења вредности температурно зависних својстава или стања. параметри помоћног тела доведени (директно или индиректно) у стање топлотне равнотеже са телом или околином чија се температура мери...

Назива се помоћно тело које служи у ове сврхе и представља сензор комплетног уређаја за мерење температуре термометријска (пирометријска) сонда или термални детектор… Стога су све методе и уређаји за мерење температуре подељени у две суштински различите групе: без сондирања и сонде.

Термички детектор или било који додатни уређај уређаја може се довести у директан механички контакт са телом или медијумом чија се температура мери, или се између њих може остварити само „оптички“ контакт.

У зависности од тога, све методе и алати за мерење температуре се деле на контакт и бесконтакт. Од највећег практичног значаја су сонде контактне и бесконтактне методе и уређаји.

Грешке у мерењу температуре

Све контактне, углавном бушаће, методе мерења температуре, за разлику од других метода, карактерише тзв. термичке или термичке методолошке грешке због чињенице да комплетан сондни термометар (или пирометар) мери вредност температуре само осетљивог дела термичког детектора, усредњену по површини или запремини тог дела.

У међувремену, ова температура се, по правилу, не поклапа са измереном, пошто термички детектор неизбежно искривљује температурно поље у које је уведен. Приликом мерења стационарне константне температуре тела или средине између њега и термичког пријемника успоставља се одређени режим размене топлоте.

Константна температурна разлика између термичког детектора и измерене температуре тела или околине карактерише статичку топлотну грешку у мерењу температуре.

Ако се измерена температура промени, онда је топлотна грешка функција времена. Таква динамичка грешка се може сматрати да се састоји од константног дела, еквивалентног статичкој грешци, и променљивог дела.

Ово последње настаје јер се са сваком променом преноса топлоте између тела или средине чија се температура мери не успоставља одмах нови начин преноса топлоте. Преостало изобличење очитавања термометра или пирометра, које је функција времена, карактерише топлотна инерција термометра.

Термичке грешке и топлотна инерција термичког детектора зависе од истих фактора као размена топлоте између тела или околине и термичког детектора: од температуре термичког детектора и тела или околине, од њихове величине, састава (а самим тим и особина) и стање, по конструкцији, димензијама, геометријском облику, стању површине и својствима материјала термичког детектора и тела око њега, од њиховог распореда, по ком закону се мерена температура тела или средине мења током времена.

Термичке методолошке грешке у мерењу температуре по правилу су неколико пута веће од инструменталних грешака термометара и пирометара. Њихово смањење се постиже применом рационалних метода мерења температуре и конструкције термичких детектора и одговарајућом уградњом ових на местима употребе.

Побољшање преноса топлоте између термалног пријемника и околине или тела чија се температура мери постиже се форсирањем корисних и сузбијањем штетних фактора преноса топлоте.

На пример, када се мери температура гаса у затвореној запремини, конвективна размена топлоте топлотног детектора са гасом се повећава, стварајући брз проток гаса око термалног детектора ("усисни" термопар) и зрачење топлоте размена са зидовима запремине се смањује, штитећи термички детектор ("оклопљени" термоелемент).

Да би се смањила топлотна инерција у термометрима и пирометрима са електричним излазним сигналом, користе се и посебна кола која вештачки смањују време пораста сигнала брзом променом мерене температуре.

Бесконтактне методе мерења температуре

Могућност коришћења контактних метода у мерењима одређена је не само изобличењем мерене температуре контактним термичким детектором, већ и стварним физичко-хемијским карактеристикама материјала термичког детектора (корозиона и механичка отпорност, отпорност на топлоту, отпорност на корозију и механичку отпорност, отпорност на топлоту, отпорност на корозију и механичку отпорност на контактне детекторе). итд.).

Бесконтактне методе мерења немају ова ограничења. Међутим, најважнији од њих, тј.на основу закона температурног зрачења, посебне грешке су инхерентне због чињенице да коришћени закони тачно важе само за апсолутно црни емитер, од којег се сви реални физички емитери (тела и носиоци) мање или више разликују по својствима зрачења. .

Према Кирхофовим законима зрачења, свако физичко тело емитује мање енергије од црног тела загрејаног на истој температури као и физичко тело.

Стога ће уређај за мерење температуре калибрисан према црном емитеру, када мери температуру стварног физичког емитера, показати температуру нижу од стварне, односно температуру на којој је својство црног емитера коришћеног у калибрацији (енергија зрачења, његов сјај, његов спектрални састав, итд.), поклапа се по вредности са својством физичког радијатора на датој стварној температури коју треба одредити.Измерена потцењена псеудо температура назива се црна температура.

Различите методе мерења доводе до различитих, по правилу, неподударних црних температура: радијациони пирометар показује интегралну или радијацију, оптички пирометар - осветљеност, пирометар у боји - температуре црне боје.

Прелазак са измерених црних на стварне температуре се врши графички или аналитички ако је позната емисивност објекта чија се температура мери.

Емисивност је однос вредности физичког и црног емитера који се користи за мерење радијационих својстава који имају исту температуру: код радијативне методе, емисивност је једнака односу укупних (по целом спектру) енергија, оптичком методом способност спектралне емисивности једнака је односу спектралних густина сјаја. Под свим осталим једнаким условима, најмање грешке емитера које нису црне дају пирометар у боји.

Радикално решење проблема мерења стварне температуре нецрног емитера зрачећим методама уметност постиже стварањем услова да га претвори у црни емитер (на пример, смештањем у практично затворену шупљину) .

У неким посебним случајевима могуће је измерити стварну температуру нецрног емитера са конвенционалним радијационим пирометрима користећи посебне технике мерења температуре (на пример, осветљење, у сноповима троталасне дужине, у поларизованој светлости, итд.).

Општи инструменти за мерење температуре

Огроман опсег мерених температура и неисцрпан број различитих услова и објеката мерења одређују изузетну разноврсност и разноврсност метода и уређаја за мерење температуре.

Најчешћи инструменти за мерење температуре су:

• Термоелектрични пирометри (термометри);
• електрични отпорни термометри;
• Радијациони пирометри;
• Оптички апсорпциони пирометри;
• Пирометри оптичког осветљења;
• Пирометри у боји;
• Термометри за експанзију течности;
• Гауге тхермометерс;
• Парни термометри;
• Гасни кондензациони термометри;
• Штапни дилатометријски термометри;
• Биметални термометри;
• Акустични термометри;
• Калориметријски пирометри-пироскопи;
• Термалне боје;
• Парамагнетни термометри соли.

Најпопуларнији електрични уређаји за мерење температуре:

Отпорни термометри

Термистори

Такође видети: Предности и мане различитих температурних сензора

Многи типови инструмената који су горе наведени се користе за мерења различитим методама. На пример, користи се термоелектрични термометар:

• за контактно мерење температуре околине и тела, као и њихових површина, без или у комбинацији са уређајима који исправљају топлотни дисбаланс термичког детектора и мерног објекта;
• за бесконтактно мерење температуре зрачењем и неким спектроскопским методама;
• за мешовито (контактно-бесконтактно)-мерење температуре течног метала методом гасне шупљине (мерење температуре зрачења гасног мехурића удуваног у течни метал на крају цеви потопљене у њега зрачењем пирометар).

Истовремено, многе методе мерења температуре могу се применити са уређајима различитих типова.

На пример, спољна и унутрашња температура ваздуха могу се мерити уређајима од најмање 15 типова. На фотографији је биметални термометар.

Највећи термометар на свету у Бејкеру, Калифорнија

Примена инструмената за мерење температуре:

Мерење површинских температура термопаровима

Инфрацрвена термографија

Бесконтактно мерење температуре током рада електричне опреме

Карактеристике употребе ласерских термометара