Metode și instrumente de măsurare a temperaturii

Ce este temperatura

Măsurarea temperaturii este subiectul unei discipline teoretice și experimentale - termometria, o parte din care, acoperind temperaturi de peste 500 ° C, se numește pirometrie.

Cea mai generală definiție strictă a conceptului de temperatură, urmând a doua lege a termodinamicii, este formulată cu expresia:

T = dQ /dC,

unde T este temperatura absolută a unui sistem termodinamic izolat, dQ este creșterea căldurii transferate către acel sistem și dS este creșterea entropiei acelui sistem.

Expresia de mai sus este interpretată astfel: temperatura este o măsură a creșterii căldurii transferate unui sistem termodinamic izolat și corespunzătoare creșterii entropiei sistemului care are loc în acest caz sau, cu alte cuvinte, creșterii în perturbarea stării sale .

În mecanica statistică, care descrie fazele sistemului, ținând cont de microprocesele care au loc în macrosisteme, conceptul de temperatură este definit prin exprimarea distribuției particulelor unui sistem molecular între un număr de niveluri de energie neocupate (distribuția Gibbs) .

Această definiție (în conformitate cu cea anterioară) subliniază aspectul probabilistic, statistic al conceptului de temperatură ca parametru principal al formei microfizice de transfer de energie de la un corp (sau sistem) la altul, adică. mișcare termică haotică.

Lipsa de claritate a definițiilor stricte ale conceptului de temperatură, care sunt valabile și numai pentru sistemele echilibrate termodinamic, a condus la utilizarea pe scară largă a unei definiții „utilitare” bazate pe esența fenomenului de transfer de energie: temperatura este starea termică a unui corp sau sistem caracterizată prin capacitatea sa de a schimba căldură cu un alt corp (sau sistem).

Această formulare este aplicabilă atât sistemelor neechilibrate termodinamic, cât și (cu rezerve) conceptului psihofiziologic de temperatură „senzorială”, percepută direct de o persoană care folosește organele atingerii termice.

Temperatura „senzorială” este evaluată subiectiv de către o persoană în mod direct, dar numai calitativ și într-un interval relativ îngust, în timp ce temperatura fizică este măsurată cantitativ și obiectiv, cu ajutorul aparatelor de măsurare, dar numai indirect - prin valoarea unei cantități fizice în funcție de asupra temperaturii măsurate.

Prin urmare, în al doilea caz, se stabilește o stare de referință (de referință) a mărimii fizice dependente de temperatură selectată în acest scop și i se atribuie o anumită valoare numerică a temperaturii, astfel încât orice modificare a stării mărimii fizice selectate relativ referință poate fi exprimată în unități de temperatură.

Setul de valori de temperatură corespunzătoare unei serii de modificări succesive de stare (adică o succesiune de valori) ale unei cantități selectate dependente de temperatură formează o scară de temperatură. Cele mai comune scale de temperatură sunt Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin și Rankine.

Scale de temperatură Kelvin și Celsius

V 1730 Naturalistul francez René Antoine Reumour (1683-1757), pe baza sugestiei lui Amoton, a marcat punctul de topire al gheții pe termometru ca 0, iar punctul de fierbere al apei ca 80O. V 1742 Astronomul și fizicianul NSVedic Anders Celsius (1701 — 1744), după doi ani de testare a termometrului Reaumur, a descoperit o eroare în gradarea scalei.

S-a dovedit că acest lucru depinde în mare măsură de presiunea atmosferică. Celsius a propus să determine presiunea la calibrarea scalei și am împărțit întregul interval de temperatură la 100, dar am atribuit marcajul 100 punctului de topire al gheții. Ulterior, suedezul Linnaeus sau germanul Stremmer (după diverse surse) au schimbat denumirile punctelor de control.

Astfel a apărut scala de temperatură Celsius, utilizată acum pe scară largă. Calibrarea sa se efectuează la presiunea atmosferică normală de 1013,25 hPa.

Scalele de temperatură au fost create de Fahrenheit, Reaumur, Newton (cel din urmă a ales din neatenție temperatura corpului uman ca punct de plecare.Ei bine, cei mari greșesc!) Și mulți alții. Nu au trecut testul timpului.

Scala de temperatură Celsius a fost adoptată la Prima Conferință Generală a Greutăților și Măsurilor din 1889. În prezent, gradul Celsius este unitatea oficială de măsurare a temperaturii stabilită de Comitetul Internațional de Greutăți și Măsuri, dar cu unele precizări în definiție.

Conform argumentelor de mai sus, este ușor de concluzionat că scala de temperatură Celsius nu este rezultatul activității unei singure persoane. Celsius a fost doar unul dintre ultimii cercetători și inventatori implicați în dezvoltarea sa. Până în 1946, scara era numită pur și simplu scară de grade. Abia atunci Comitetul Internațional de Greutăți și Măsuri a atribuit denumirea de „grad Celsius” gradului de grade Celsius.

Câteva cuvinte despre corpul de lucru al termometrelor. Primii creatori de dispozitive au căutat în mod natural să-și extindă gama de acțiune. Singurul metal lichid în condiții normale este mercurul.

Nu era de ales. Punctul de topire este de -38,97 ° C, punctul de fierbere este de + 357,25 ° C. Dintre substanțele volatile, vinul sau alcoolul etilic s-au dovedit a fi cele mai disponibile. Punct de topire - 114,2 ° C, punctul de fierbere + 78,46 ° C.

Termometrele create sunt potrivite pentru măsurarea temperaturilor de la -100 la + 300 ° C, ceea ce este suficient pentru a rezolva majoritatea problemelor practice. De exemplu, temperatura minimă a aerului este de -89,2 ° C (stația Vostok din Antarctica), iar cea maximă este de + 59 ° C (deșertul Sahara). Majoritatea proceselor de tratare termică a soluțiilor apoase au avut loc la temperaturi nu mai mari de 100 °C.

Unitatea de bază de măsură a temperaturii termodinamice și în același timp una dintre unitățile de bază Sistemul internațional de unități (SI) este gradul Kelvin.

Dimensiunea (decalajul de temperatură) de 1 grad Kelvin este determinată de faptul că valoarea temperaturii termodinamice a punctului triplu al apei este stabilită exact la 273,16 ° K.

Această temperatură, la care apa există în stare de echilibru în trei faze: solidă, lichidă și gazoasă, este luată ca principal punct de plecare datorită reproductibilității sale ridicate, un ordin de mărime mai bun decât reproductibilitatea punctelor de îngheț și de fierbere ale apei. .

Măsurarea temperaturii punctului triplu a apei este o sarcină dificilă din punct de vedere tehnic. Prin urmare, ca standard, a fost aprobat abia în 1954 la a X-a Conferință Generală pentru Greutăți și Măsuri.

Gradul Celsius, în unitățile cărora poate fi exprimată și temperatura termodinamică, este exact egal cu Kelvin din punct de vedere al intervalului de temperatură, dar valoarea numerică a oricărei temperaturi în Celsius este cu 273,15 grade mai mare decât valoarea aceleiași temperaturi în Kelvin. .

Dimensiunea de 1 grad Kelvin (sau 1 grad Celsius), determinată de valoarea numerică a temperaturii punctului triplu al apei, cu acuratețe de măsurare modernă nu diferă de dimensiunea determinată (care era acceptată anterior) ca o sutime din diferența de temperatură între punctele de îngheț și de fierbere ale apei.

Clasificarea metodelor și dispozitivelor de măsurare a temperaturii

Măsurarea temperaturii corpului sau a mediului ambiant se poate face în două moduri indirecte fundamental diferite.

Prima modalitate conduce la măsurarea valorilor uneia dintre proprietățile dependente de temperatură sau parametrii de stare ai corpului însuși sau a mediului, a doua - la măsurarea valorilor proprietăților sau stării dependente de temperatură parametrii corpului auxiliar aduși (direct sau indirect) într-o stare de echilibru termic cu corpul sau mediul a cărui temperatură se măsoară...

Se numește un corp auxiliar care servește acestor scopuri și este un senzor al unui dispozitiv complet de măsurare a temperaturii sondă termometrică (pirometrică) sau detector termic… Prin urmare, toate metodele și dispozitivele de măsurare a temperaturii sunt împărțite în două grupuri fundamental diferite: fara tatonare si sondare.

Detectorul termic sau orice dispozitiv suplimentar al dispozitivului poate fi adus în contact mecanic direct cu corpul sau mediul a cărui temperatură este măsurată, sau între ele se poate face doar contact „optic”.

În funcție de aceasta, toate metodele și instrumentele de măsurare a temperaturii sunt împărțite în contact și non-contact. Metodele și dispozitivele de contact cu sondele și fără contact sunt de cea mai mare importanță practică.

Erori de măsurare a temperaturii

Toate metodele de măsurare a temperaturii de contact, în special de foraj, spre deosebire de alte metode, sunt caracterizate prin așa-numitele erori metodologice termice sau termice datorate faptului că un termometru cu sondă completă (sau pirometru) măsoară valoarea temperaturii doar a părții sensibile a detectorului termic, mediată pe suprafața sau volumul acelei părți.

Între timp, această temperatură, de regulă, nu coincide cu cea măsurată, deoarece detectorul termic distorsionează inevitabil câmpul de temperatură în care este introdusă. Când se măsoară o temperatură constantă staționară a unui corp sau a unui mediu, se stabilește un anumit mod de schimb de căldură între acesta și receptorul termic.

Diferența constantă de temperatură dintre detectorul termic și temperatura măsurată a corpului sau a mediului caracterizează eroarea termică statică în măsurarea temperaturii.

Dacă temperatura măsurată se modifică, atunci eroarea termică este o funcție de timp. O astfel de eroare dinamică poate fi considerată constând dintr-o parte constantă, echivalentă cu eroarea statică, și o parte variabilă.

Acesta din urmă apare deoarece la fiecare modificare a transferului de căldură între un corp sau mediu a cărui temperatură este măsurată, nu se stabilește imediat un nou mod de transfer de căldură. Distorsiunea reziduală a citirilor termometrului sau pirometrului, care este o funcție de timp, este caracterizată de inerția termică a termometrului.

Erorile termice și inerția termică a unui detector termic depind de aceiași factori ca și schimbul de căldură între un corp sau mediu și un detector termic: de temperaturile detectorului termic și ale corpului sau mediului, de dimensiunea, compoziția (și, prin urmare, proprietățile) acestora. și condiționează, prin proiectare, dimensiuni, forma geometrică, starea suprafeței și proprietățile materialelor termodetectorului și ale corpurilor din jurul acestuia, din dispunerea acestora, conform căreia lege temperatura măsurată a corpului sau mediului se modifică în timp.

Erorile metodologice termice în măsurarea temperaturii, de regulă, sunt de câteva ori mai mari decât erorile instrumentale ale termometrelor și pirometrelor. Reducerea acestora se realizează prin utilizarea metodelor raționale de măsurare a temperaturii și construcții de detectoare termice și prin instalarea corespunzătoare a acestora din urmă la locurile de utilizare.

Îmbunătățirea transferului de căldură între receptorul termic și mediul înconjurător sau organismul a cărui temperatură este măsurată se realizează prin forțarea factorilor benefici și nocivi ai transferului de căldură.

De exemplu, atunci când se măsoară temperatura unui gaz într-un volum închis, schimbul de căldură convectiv al detectorului termic cu gazul este crescut, creând un flux rapid de gaz în jurul detectorului termic (un termocuplu „de aspirație”) și căldură radiantă. schimbul cu pereții volumului este redus, ecranând detectorul termic (termocuplul „ecranat”).

Pentru a reduce inerția termică la termometre și pirometre cu semnal electric de ieșire, se folosesc și circuite speciale care reduc artificial timpul de creștere a semnalului cu o schimbare rapidă a temperaturii măsurate.

Metode fără contact de măsurare a temperaturii

Posibilitatea utilizării metodelor de contact în măsurători este determinată nu numai de distorsiunea temperaturii măsurate de către detectorul termic de contact, ci și de caracteristicile fizico-chimice reale ale materialelor detectorului termic (rezistență la coroziune și rezistență mecanică, rezistență la căldură, etc.).

Metodele de măsurare fără contact sunt libere de aceste limitări. Cu toate acestea, cele mai importante dintre ele, adică.pe baza legilor radiației de temperatură, erori deosebite sunt inerente datorită faptului că legile folosite sunt exact valabile doar pentru un emițător absolut negru, de care toți emițătorii fizici reali (corpi și purtători) diferă mai mult sau mai puțin din punct de vedere al proprietăților radiației. .

Conform legilor radiației lui Kirchhoff, orice corp fizic emite mai puțină energie decât un corp negru încălzit la aceeași temperatură cu corpul fizic.

Prin urmare, un dispozitiv de măsurare a temperaturii calibrat față de un emițător negru, la măsurarea temperaturii unui emițător fizic real, va indica o temperatură mai mică decât cea reală, și anume temperatura la care proprietatea emițătorului negru utilizat în calibrare (energie radiativă, luminozitatea sa, compoziția sa spectrală etc.), se potrivește ca valoare cu proprietatea unui radiator fizic la o temperatură reală dată care trebuie determinată.Pseutemperatura subestimată măsurată se numește temperatură neagră.

Diferite metode de măsurare duc la temperaturi diferite, de regulă, nepotrivite: un pirometru cu radiații indică integrale sau radiații, un pirometru optic - luminozitate, un pirometru de culoare - temperaturi de culoare neagră.

Trecerea de la negrul măsurat la temperaturile reale se face grafic sau analitic dacă se cunoaște emisivitatea obiectului a cărui temperatură este măsurată.

Emisivitatea este raportul dintre valorile emițătorilor fizici și negri utilizate pentru a măsura proprietățile radiative care au aceeași temperatură: cu metoda radiativă, emisivitatea este egală cu raportul dintre energiile totale (pe tot spectrul), cu metoda optică, capacitatea de emisivitate spectrală este egală cu raportul dintre densitățile spectrale ale strălucirii. Toate celelalte lucruri fiind egale, cele mai mici erori de non-negru la emițător sunt date de un pirometru color.

O soluție radicală la problema măsurării temperaturii reale a unui emițător non-negru prin metode radiante este obținută de către arte prin crearea condițiilor pentru ca acesta să-l transforme într-un emițător negru (de exemplu, prin plasarea lui într-o cavitate practic închisă) .

În unele cazuri speciale, este posibil să se măsoare temperatura reală a unui emițător non-negru cu pirometre de radiație convenționale folosind tehnici speciale de măsurare a temperaturii (de exemplu, iluminare, în fascicule cu trei lungimi de undă, în lumină polarizată etc.).

Instrumente generale pentru măsurarea temperaturii

Gama uriașă de temperaturi măsurate și un număr inepuizabil de condiții și obiecte diferite de măsurare determină o varietate și varietate extraordinară de metode și dispozitive de măsurare a temperaturii.

Cele mai comune instrumente pentru măsurarea temperaturii sunt:

• Pirometre termoelectrice (termometre);
• termometre electrice de rezistență;
• Pirometre cu radiații;
• Pirometre cu absorbție optică;
• Pirometre optice de luminozitate;
• Pirometre de culoare;
• Termometre cu expansiune lichidă;
• Termometre manometrice;
• Termometre cu vapori;
• Termometre de condensare gaz;
• Termometre dilatometrice stick;
• Termometre bimetalice;
• Termometre acustice;
• Pirometre-piroscoape calorimetrice;
• Vopsele termice;
• Termometre paramagnetice de sare.

Cele mai populare dispozitive electrice pentru măsurarea temperaturii:

Termometre de rezistență

Termistori

Vezi si: Avantajele și dezavantajele diferiților senzori de temperatură

Multe tipuri de instrumente enumerate mai sus sunt utilizate pentru măsurători prin diferite metode. De exemplu, se folosește un termometru termoelectric:

• pentru măsurarea prin contact a temperaturii mediilor și corpurilor, precum și a suprafețelor acestora din urmă, fără sau în combinație cu dispozitive care corectează dezechilibrul termic al detectorului termic și al obiectului de măsurat;
• pentru măsurarea temperaturii fără contact prin radiație și unele metode spectroscopice;
• pentru măsurarea mixtă (contact-fără contact) a temperaturii metalului lichid prin metoda cavității de gaz (măsurarea temperaturii de radiație a unei bule de gaz suflate în metalul lichid la capătul unui tub scufundat în acesta cu o radiație) pirometru).

În același timp, multe metode de măsurare a temperaturii pot fi aplicate cu dispozitive de diferite tipuri.

De exemplu, temperatura aerului exterior și interior poate fi măsurată cu dispozitive de cel puțin 15 tipuri. Fotografia prezintă un termometru bimetalic.

Cel mai mare termometru din lume din Baker, California

Aplicarea instrumentelor de măsurare a temperaturii:

Măsurarea temperaturilor de suprafață cu termocupluri

Termografie în infraroșu

Măsurarea temperaturii fără contact în timpul funcționării echipamentelor electrice

Caracteristici ale utilizării termometrelor laser