Temperatuuri mõõtmise meetodid ja instrumendid
Mis on temperatuur
Temperatuuri mõõtmine on teoreetilise ja eksperimentaalse distsipliini – termomeetria – teema, millest osa, mis hõlmab temperatuure üle 500 °C, nimetatakse püromeetriaks.
Temperatuuri mõiste kõige üldisem range määratlus, järgides termodünaamika teist seadust, on sõnastatud avaldisega:
T = dQ/dC,
kus T on isoleeritud termodünaamilise süsteemi absoluutne temperatuur, dQ on sellesse süsteemi ülekantava soojuse juurdekasv ja dS on selle süsteemi entroopia suurenemine.
Ülaltoodud väljendit tõlgendatakse järgmiselt: temperatuur on isoleeritud termodünaamilisele süsteemile ülekantud soojuse suurenemise mõõt, mis vastab sel juhul toimuvale süsteemi entroopia suurenemisele või teisisõnu soojuse suurenemisele. selle seisundi häirimine.
Statistilises mehaanikas, mis kirjeldab süsteemi faase, võttes arvesse makrosüsteemides toimuvaid mikroprotsesse, defineeritakse temperatuuri mõiste, väljendades molekulaarsüsteemi osakeste jaotust mitmete hõivamata energiatasemete vahel (Gibbsi jaotus) .
See definitsioon (kooskõlas eelnevaga) rõhutab temperatuuri mõiste tõenäosuslikku, statistilist aspekti kui ühest kehast (või süsteemist) teise energia ülekande mikrofüüsikalise vormi peamist parameetrit, s.t. kaootiline termiline liikumine.
Temperatuuri mõiste rangete definitsioonide ebaselgus, mis kehtivad ka ainult termodünaamiliselt tasakaalustatud süsteemide puhul, on viinud energiaülekande nähtuse olemusel põhineva "utilitaarse" määratluse laialdasele kasutamisele: temperatuur on keha või süsteemi termiline seisund, mida iseloomustab selle võime vahetada soojust teise kehaga (või süsteemiga).
See formulatsioon on rakendatav nii termodünaamiliselt mittetasakaalusüsteemidele kui ka (reservatsioonidega) "sensoorse" temperatuuri psühhofüsioloogilisele kontseptsioonile, mida tajub termilise puudutuse organeid kasutav inimene vahetult.
"Sensoorset" temperatuuri hindab inimene subjektiivselt otseselt, kuid ainult kvalitatiivselt ja suhteliselt kitsa intervalliga, samas kui füüsikalist temperatuuri mõõdetakse kvantitatiivselt ja objektiivselt, mõõteseadmete abil, kuid ainult kaudselt - mõne füüsikalise suuruse väärtuse kaudu sõltuvalt mõõdetud temperatuuril.
Seetõttu kehtestatakse teisel juhul selleks valitud temperatuurist sõltuva füüsikalise suuruse mingi referentsolek (referents) ja omistatakse sellele teatud arvuline temperatuuriväärtus, nii et kõik muutused valitud füüsikalise suuruse suhtelises olekus võib väljendada temperatuuriühikutes.
Temperatuuriväärtuste kogum, mis vastab valitud temperatuurist sõltuva suuruse järjestikustele olekumuutustele (st väärtuste jadale), moodustab temperatuuriskaala. Kõige tavalisemad temperatuuriskaalad on Celsiuse, Fahrenheiti, Reaumur, Kelvin ja Rankine.
Kelvini ja Celsiuse temperatuuriskaalad
V 1730 Prantsuse loodusteadlane René Antoine Reumour (1683-1757) märkis Amotoni ettepaneku põhjal termomeetril jää sulamistemperatuuriks 0 ja vee keemistemperatuuriks 80O. V 1742 NSVedic astronoom ja füüsik Anders Celsius (1701–1744) avastas pärast kaks aastat kestnud Reaumuri termomeetri katsetamist vea skaala skaalal.
Selgus, et see sõltub suuresti õhurõhust. Celsius tegi ettepaneku määrata rõhk skaala kalibreerimisel ja jagasin kogu temperatuurivahemiku 100-ga, kuid jää sulamistemperatuurile määrasin märgiks 100. Hiljem muutsid Rootsi Linnaeus või Saksa Stremmer (erinevatel andmetel) kontrollpunktide tähistusi.
Nii ilmus nüüd laialdaselt kasutatav Celsiuse temperatuuriskaala. Selle kalibreerimine toimub normaalsel atmosfäärirõhul 1013,25 hPa.
Temperatuuriskaalad lõid Fahrenheit, Reaumur, Newton (viimane valis tahtmatult lähtepunktiks inimkeha temperatuuri.Noh, suured on valed!) Ja paljud teised. Nad pole ajaproovile vastu pidanud.
Celsiuse temperatuuriskaala võeti vastu 1. kaalude ja mõõtude peakonverentsil 1889. aastal. Praegu on Celsiuse kraad Rahvusvahelise Kaalude ja Mõõtude Komitee kehtestatud ametlikuks temperatuuri mõõtühikuks, kuid määratluses on mõningaid täpsustusi.
Eeltoodud argumentide põhjal on lihtne järeldada, et Celsiuse temperatuuriskaala ei ole ühe inimese tegevuse tulemus. Celsius oli vaid üks viimaseid teadlasi ja leiutajaid, kes selle väljatöötamisega tegelesid. Kuni 1946. aastani nimetati skaalat lihtsalt kraadiskaalaks. Alles siis määras Rahvusvaheline Kaalude ja Mõõtude Komitee Celsiuse kraadidele nimetuse "Celsiuse kraad".
Paar sõna termomeetrite töökorpuse kohta. Esimesed seadmete loojad püüdsid loomulikult oma tegevusulatust laiendada. Ainus vedel metall tavatingimustes on elavhõbe.
Ei olnud valikut. Sulamistemperatuur on -38,97 ° C, keemistemperatuur on + 357,25 ° C. Lenduvatest ainetest osutus kõige kättesaadavamaks vein või etüülalkohol. Sulamistemperatuur - 114,2 ° C, keemistemperatuur + 78,46 ° C.
Loodud termomeetrid sobivad temperatuuride mõõtmiseks vahemikus -100 kuni + 300 ° C, mis on piisav enamiku praktiliste probleemide lahendamiseks. Näiteks minimaalne õhutemperatuur on -89,2 ° C (Vostoki jaam Antarktikas) ja maksimaalne + 59 ° C (Sahara kõrb). Enamik vesilahuste kuumtöötlusprotsesse toimus temperatuuril mitte üle 100 °C.
Termodünaamilise temperatuuri põhimõõtühik ja samal ajal üks põhiühikutest Rahvusvaheline mõõtühikute süsteem (SI) on Kelvini kraad.
1 Kelvini kraadi suuruse (temperatuuri vahe) määrab asjaolu, et vee kolmikpunkti termodünaamilise temperatuuri väärtuseks on seatud täpselt 273,16 ° K.
Seda temperatuuri, mille juures vesi eksisteerib tasakaaluolekus kolmes faasis: tahke, vedel ja gaasiline, peetakse peamiseks lähtepunktiks selle suure reprodutseeritavuse tõttu, mis on suurusjärgu võrra parem kui vee külmumis- ja keemistemperatuuri reprodutseeritavus. .
Vee kolmikpunkti temperatuuri mõõtmine on tehniliselt keeruline ülesanne. Seetõttu kiideti see standardina heaks alles 1954. aastal kaalude ja mõõtude X peakonverentsil.
Celsiuse kraad, mille ühikutes saab väljendada ka termodünaamilist temperatuuri, on temperatuurivahemiku poolest täpselt võrdne kelviniga, kuid mis tahes temperatuuri arvväärtus Celsiuse järgi on 273,15 kraadi kõrgem sama temperatuuri väärtusest kelvinites .
Kaasaegse mõõtmistäpsusega vee kolmikpunkti temperatuuri numbrilise väärtusega määratud 1 Kelvini kraadi (või 1 Celsiuse kraadi) suurus ei erine selle suurusest, mis on määratud (mida varem aktsepteeriti) sajandik temperatuuride erinevus vee külmumis- ja keemistemperatuuri vahel.
Temperatuuri mõõtmise meetodite ja seadmete klassifikatsioon
Keha või ümbritseva keskkonna temperatuuri saab mõõta kahel põhimõtteliselt erineval kaudsel viisil.
Esimene viis viib keha enda või keskkonna ühe temperatuurist sõltuva omaduse või olekuparameetri väärtuste mõõtmiseni, teine - temperatuurist sõltuvate omaduste või oleku väärtuste mõõtmiseni. abikeha parameetrid, mis on viidud (otseselt või kaudselt) termilise tasakaalu seisundisse keha või keskkonnaga, mille temperatuuri mõõdetakse...
Nimetatakse abikeha, mis täidab neid eesmärke ja on tervikliku temperatuuri mõõteseadme andur termomeetriline (püromeetriline) sond või termodetektor… Seetõttu on kõik temperatuuri mõõtmise meetodid ja seadmed jagatud kahte põhimõtteliselt erinevasse rühma: ilma sondeerimise ja sondita.
Termodetektori või seadme mis tahes lisaseadme võib viia otsesesse mehaanilisse kontakti keha või keskkonnaga, mille temperatuuri mõõdetakse, või nende vahel võib olla ainult "optiline" kontakt.
Sõltuvalt sellest jagunevad kõik temperatuuri mõõtmise meetodid ja tööriistad kontakt ja mittekontaktne. Suurima praktilise tähtsusega on sondikontakt ja kontaktivabad meetodid ja seadmed.
Temperatuuri mõõtmise vead
Kõiki kontakt-, enamasti puurimis-, temperatuuri mõõtmise meetodeid iseloomustavad erinevalt teistest meetoditest nn termilised või termilised metoodilised vead, mis tulenevad asjaolust, et täielik sonditermomeeter (või püromeeter) mõõdab ainult termodetektori tundliku osa temperatuuri väärtust, mis on keskmistatud selle osa pinna või ruumala kohta.
Samal ajal ei kattu see temperatuur reeglina mõõdetud temperatuuriga, kuna termodetektor moonutab paratamatult temperatuurivälja, milles see sisestatakse. Keha või keskkonna statsionaarse konstantse temperatuuri mõõtmisel luuakse selle ja soojusvastuvõtja vahel teatud soojusvahetuse režiim.
Konstantne temperatuuride erinevus termodetektori ja keha või keskkonna mõõdetud temperatuuri vahel iseloomustab temperatuuri mõõtmise staatilist termilist viga.
Kui mõõdetud temperatuur muutub, on termiline viga aja funktsioon. Sellist dünaamilist viga võib pidada koosnevaks konstantsest osast, mis on võrdväärne staatilise veaga, ja muutuvast osast.
Viimane tekib seetõttu, et iga keha või keskkonna vahelise soojusülekande muutusega, mille temperatuuri mõõdetakse, ei kehtestata kohe uut soojusülekande viisi. Termomeetri või püromeetri näitude jääkmoonutust, mis on aja funktsioon, iseloomustab termomeetri termiline inerts.
Termodetektori termilised vead ja termiline inerts sõltuvad samadest teguritest nagu soojusvahetus keha või keskkonna ja termodetektori vahel: termodetektori ja keha või keskkonna temperatuuridest, nende suurusest, koostisest (ja seega ka omadustest). ning soojusdetektori ja seda ümbritsevate kehade konstruktsiooni, mõõtmete, geomeetrilise kuju, pinnaseisundi ja materjalide omaduste ning nende paigutuse järgi seisund, millise seaduse järgi keha või keskkonna mõõdetud temperatuur ajas muutub.
Temperatuuri mõõtmise termilised metoodilised vead on reeglina mitu korda suuremad kui termomeetrite ja püromeetrite instrumentaalsed vead. Nende vähendamine saavutatakse ratsionaalsete temperatuurimõõtmismeetodite ja termodetektorite konstruktsioonide ning viimaste asjakohase paigaldamisega kasutuskohtadesse.
Soojusülekande paranemine soojusvastuvõtja ja keskkonna või keha vahel, mille temperatuuri mõõdetakse, saavutatakse soojusülekande kasulike ja kahjulike tegurite pealesurumisega.
Näiteks gaasi temperatuuri mõõtmisel suletud mahus suurendatakse termodetektori konvektiivset soojusvahetust gaasiga, tekitades termilise detektori ümber kiire gaasivoolu ("imemis" termopaar) ja kiirgussoojust. vahetus mahu seintega väheneb, varjestades termodetektorit ("varjestatud" termopaar).
Elektrilise väljundsignaaliga termomeetrite ja püromeetrite termilise inertsi vähendamiseks kasutatakse ka spetsiaalseid ahelaid, mis vähendavad kunstlikult signaali tõusu aega mõõdetud temperatuuri kiire muutumisega.
Kontaktivabad temperatuuri mõõtmise meetodid
Kontaktmeetodite kasutamise võimaluse mõõtmisel ei määra mitte ainult kontakttermodetektori mõõdetud temperatuuri moonutamine, vaid ka termodetektori materjalide tegelikud füüsikalis-keemilised omadused (korrosiooni- ja mehaaniline vastupidavus, kuumakindlus, jne.).
Kontaktivabad mõõtmismeetodid on nendest piirangutest vabad. Neist olulisim, s.o.temperatuuri kiirguse seaduspärasustest lähtuvalt on omased erivead, mis tulenevad sellest, et kasutatud seadused kehtivad täpselt ainult absoluutselt musta emitteri puhul, millest kõik tegelikud füüsikalised emitterid (kehad ja kandjad) erinevad kiirguse omaduste poolest enam-vähem. .
Kirchhoffi kiirgusseaduste kohaselt kiirgab iga füüsiline keha vähem energiat kui must keha, mis on kuumutatud füüsilise kehaga sama temperatuurini.
Seetõttu näitab musta emitteri suhtes kalibreeritud temperatuurimõõteseade tegeliku füüsilise emitteri temperatuuri mõõtmisel tegelikust madalamat temperatuuri, nimelt temperatuuri, mille juures kalibreerimisel kasutatud musta emitteri omadus (kiirgusenergia, selle heledus, spektraalne koostis jne), kattub väärtuselt füüsilise radiaatori omadusega antud tegelikul määrataval temperatuuril.Mõõdetud alahinnatud pseudotemperatuuri nimetatakse musta temperatuuriks.
Erinevad mõõtmismeetodid viivad reeglina erinevate mittevastavate musta värvi temperatuurideni: kiirguspüromeeter näitab integraali ehk kiirgust, optiline püromeeter - heledust, värvipüromeeter - musta värvi temperatuure.
Üleminek mõõdetud mustadelt tegelikele temperatuuridele toimub graafiliselt või analüütiliselt, kui on teada objekti, mille temperatuuri mõõdetakse, kiirgusvõime.
Emissiivsus on sama temperatuuriga kiirgusomaduste mõõtmiseks kasutatavate füüsikaliste ja mustade emitterite väärtuste suhe: kiirgusmeetodi puhul on emissioon võrdne koguenergia (üle spektri) suhtega, optilise meetodi korral võrdub spektraalne emissioonivõime helenduste spektraaltiheduste suhtega. Kui kõik muud tegurid on võrdsed, annab väikseimad emitteri mittemustusvead värvipüromeetriga.
Radikaalne lahendus mittemusta emitteri tegeliku temperatuuri kiirgusmeetoditega mõõtmise probleemile saavutatakse kunstiga, luues tingimused selle muutmiseks mustaks emitteriks (näiteks asetades selle praktiliselt suletud õõnsusse) .
Mõnel erijuhul on tavapäraste kiirguspüromeetritega võimalik mõõta mittemusta emitteri tegelikku temperatuuri spetsiaalsete temperatuurimõõtmistehnikate abil (näiteks valgustus, kolmelainelistes kiirtes, polariseeritud valguses jne).
Üldised instrumendid temperatuuri mõõtmiseks
Mõõdetavate temperatuuride tohutu ulatus ning ammendamatu hulk erinevaid tingimusi ja mõõtmisobjekte määravad temperatuuri mõõtmiseks erakordselt palju erinevaid meetodeid ja seadmeid.
Kõige tavalisemad temperatuuri mõõtmise instrumendid on:
- Termoelektrilised püromeetrid (termomeetrid);
- elektritakistustermomeetrid;
- Kiirguspüromeetrid;
- Optilise neeldumise püromeetrid;
- Optilised heleduse püromeetrid;
- Värvilised püromeetrid;
- Vedeliku paisumistermomeetrid;
- Mõõtetermomeetrid;
- Aurutermomeetrid;
- Gaasi kondensatsioonitermomeetrid;
- Dilatomeetrilised termomeetrid;
- Bimetalltermomeetrid;
- Akustilised termomeetrid;
- Kalorimeetrilised püromeetrid-püroskoobid;
- Termovärvid;
- Paramagnetilised soola termomeetrid.
Kõige populaarsemad elektriseadmed temperatuuri mõõtmiseks:
Vaata ka: Erinevate temperatuuriandurite eelised ja puudused
Eespool loetletud mitut tüüpi instrumente kasutatakse erinevate meetoditega mõõtmiseks. Näiteks kasutatakse termoelektrilist termomeetrit:
- keskkondade ja kehade, samuti viimaste pindade temperatuuri kontaktmõõtmiseks ilma termodetektori ja mõõteobjekti soojuslikku tasakaalustamatust korrigeerivate seadmeteta või koos nendega;
- mittekontaktseks temperatuuri mõõtmiseks kiirguse ja mõnede spektroskoopiliste meetoditega;
- vedelmetalli temperatuuri sega- (kontakt-mittekontakt)-mõõtmiseks gaasiõõnsusmeetodil (sellesse kiirgusega sukeldatud toru otsas vedelasse metalli puhutud gaasimulli kiirgustemperatuuri mõõtmiseks püromeeter).
Samal ajal saab erinevat tüüpi seadmetega rakendada paljusid temperatuuri mõõtmise meetodeid.
Näiteks välis- ja siseõhu temperatuuri saab mõõta vähemalt 15 tüüpi seadmetega. Fotol on bimetallist termomeeter.
Maailma suurim termomeeter Californias Bakeris
Temperatuuri mõõtevahendite kasutamine:
Pinna temperatuuride mõõtmine termopaaridega
Kontaktivaba temperatuuri mõõtmine elektriseadmete töötamise ajal