Metode i instrumenti za mjerenje temperature
Što je temperatura
Mjerenje temperature predmet je teorijske i eksperimentalne discipline — termometrije, čiji se dio, koji obuhvaća temperature iznad 500 °C, naziva pirometrija.
Najopćenitija stroga definicija pojma temperature, slijedeći drugi zakon termodinamike, formulirana je izrazom:
T = dQ /dC,
gdje je T apsolutna temperatura izoliranog termodinamičkog sustava, dQ je prirast topline prenesene na taj sustav, a dS je povećanje entropije tog sustava.
Gornji izraz se tumači na sljedeći način: temperatura je mjera povećanja topline koja se prenosi na izolirani termodinamički sustav i odgovara povećanju entropije sustava do kojeg dolazi u ovom slučaju, ili, drugim riječima, povećanju poremećaj njenog stanja .
U statističkoj mehanici, koja opisuje faze sustava, uzimajući u obzir mikroprocese koji se odvijaju u makrosustavima, pojam temperature definiran je izražavanjem raspodjele čestica molekularnog sustava između niza slobodnih energetskih razina (Gibbsova distribucija) .
Ova definicija (u skladu s prethodnom) naglašava probabilistički, statistički aspekt pojma temperature kao glavnog parametra mikrofizičkog oblika prijenosa energije s jednog tijela (ili sustava) na drugo, tj. kaotično toplinsko gibanje.
Nejasnoća strogih definicija pojma temperature, koje također vrijede samo za termodinamički uravnotežene sustave, dovela je do raširene uporabe "utilitarističke" definicije koja se temelji na biti fenomena prijenosa energije: temperatura je toplinsko stanje tijela ili sustava koje karakterizira njegova sposobnost izmjene topline s drugim tijelom (ili sustavom).
Ova formulacija je primjenjiva i na termodinamički neravnotežne sustave i (uz rezerve) na psihofiziološki koncept «osjetne» temperature, koju osoba percipira izravno pomoću organa toplinskog dodira.
"Senzornu" temperaturu čovjek subjektivno procjenjuje izravno, ali samo kvalitativno i u relativno uskom intervalu, dok se fizička temperatura mjeri kvantitativno i objektivno, uz pomoć mjernih uređaja, ali samo neizravno - kroz vrijednost neke fizikalne veličine ovisno o na izmjerenu temperaturu .
Stoga se u drugom slučaju uspostavlja neko referentno (referentno) stanje za tu svrhu odabrane fizikalne veličine ovisne o temperaturi i pripisuje joj se određena numerička vrijednost temperature, tako da svaka promjena stanja odabrane fizikalne veličine relativno na referencu može se izraziti u jedinicama temperature.
Skup temperaturnih vrijednosti koje odgovaraju nizu uzastopnih promjena stanja (tj. nizu vrijednosti) odabrane veličine ovisne o temperaturi tvori temperaturnu ljestvicu. Najčešće temperaturne ljestvice su Celzijus, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin i Rankine.
Kelvinove i Celzijeve temperaturne ljestvice
V 1730. Francuski prirodoslovac René Antoine Reumour (1683-1757) na temelju Amotonove sugestije označio je talište leda na termometru s 0, a vrelište vode s 80O. V 1742 NSVedski astronom i fizičar Anders Celsius (1701. — 1744.), nakon dvije godine testiranja Reaumurovog termometra, otkrio je pogrešku u stupnjevanju ljestvice.
Pokazalo se da to uvelike ovisi o atmosferskom tlaku. Celsius je predložio određivanje tlaka pri kalibraciji ljestvice, a ja sam cijeli temperaturni raspon podijelio sa 100, ali sam oznaku 100 dodijelio talištu leda. Kasnije su švedski Linnaeus ili njemački Stremmer (prema različitim izvorima) promijenili oznake kontrolnih točaka.
Tako se pojavila danas široko korištena Celzijeva temperaturna ljestvica. Njegova kalibracija se izvodi pri normalnom atmosferskom tlaku od 1013,25 hPa.
Temperaturne ljestvice su kreirali Fahrenheit, Reaumur, Newton (potonji je nenamjerno odabrao temperaturu ljudskog tijela kao početnu točku.Pa, veliki su u krivu!) I mnogi drugi. Nisu izdržali test vremena.
Celzijeva temperaturna ljestvica usvojena je na 1. Općoj konferenciji za utege i mjere 1889. Trenutačno je stupanj Celzijusa službena mjerna jedinica temperature koju je uspostavio Međunarodni odbor za utege i mjere, ali s nekim pojašnjenjima u definiciji.
Prema navedenim argumentima lako je zaključiti da Celzijeva temperaturna ljestvica nije rezultat aktivnosti jedne osobe. Celsius je bio samo jedan od posljednjih istraživača i izumitelja uključenih u njegov razvoj. Do 1946. ljestvica se jednostavno nazivala ljestvicom stupnjeva. Tek tada je Međunarodni komitet za utege i mjere stupnju Celzijusa dodijelio naziv "Celzijev stupanj".
Nekoliko riječi o radnom tijelu termometara. Prvi tvorci uređaja prirodno su nastojali proširiti njihov raspon djelovanja. Jedini tekući metal u normalnim uvjetima je živa.
Nije bilo izbora. Točka topljenja je -38,97 ° C, vrelište je + 357,25 ° C. Od hlapljivih tvari pokazalo se da su vino ili etilni alkohol najdostupniji. Talište - 114,2 ° C, vrelište + 78,46 ° C.
Izrađeni termometri prikladni su za mjerenje temperatura od -100 do + 300 °C, što je dovoljno za rješavanje većine praktičnih problema. Na primjer, minimalna temperatura zraka je -89,2 ° C (stanica Vostok na Antarktiku), a maksimalna + 59 ° C (pustinja Sahara). Većina procesa toplinske obrade vodenih otopina odvijala se na temperaturama ne višim od 100 °C.
Osnovna mjerna jedinica termodinamičke temperature i ujedno jedna od osnovnih jedinica Međunarodni sustav jedinica (SI) je Kelvinov stupanj.
Veličina (temperaturni jaz) od 1 stupnja Kelvina određena je činjenicom da je vrijednost termodinamičke temperature trojne točke vode postavljena točno na 273,16 °K.
Ova temperatura, pri kojoj voda postoji u ravnotežnom stanju u tri faze: kruta, tekuća i plinovita, uzeta je kao glavna polazna točka zbog svoje visoke ponovljivosti, reda veličine bolje od ponovljivosti točaka smrzavanja i vrelišta vode. .
Mjerenje temperature trojne točke vode tehnički je težak zadatak. Stoga je kao standard odobren tek 1954. godine na X Generalnoj konferenciji za utege i mjere.
Stupanj Celzija, u čijim se jedinicama može izraziti i termodinamička temperatura, točno je jednak Kelvinu u smislu temperaturnog raspona, ali je brojčana vrijednost bilo koje temperature u Celzijusu 273,15 stupnjeva viša od vrijednosti iste temperature u Kelvinima .
Veličina 1 stupnja Kelvina (ili 1 stupnja Celzijusa), određena numeričkom vrijednošću temperature trojne točke vode, sa suvremenom točnošću mjerenja ne razlikuje se od svoje veličine određene (koja je prije bila prihvaćena) kao stoti dio temperaturna razlika između točke smrzavanja i vrelišta vode.
Podjela metoda i uređaja za mjerenje temperature
Mjerenje tjelesne ili temperature okoline može se obaviti na dva bitno različita neizravna načina.
Prvi način vodi do mjerenja vrijednosti jednog od temperaturno ovisnih svojstava ili parametara stanja samog tijela ili okoline, drugi - do mjerenja vrijednosti temperaturno ovisnih svojstava ili stanja parametri pomoćnog tijela dovedeni (izravno ili neizravno) u stanje toplinske ravnoteže s tijelom ili okolinom čija se temperatura mjeri...
Naziva se pomoćno tijelo koje služi u te svrhe i predstavlja senzor kompletnog uređaja za mjerenje temperature termometrijska (pirometrijska) sonda ili toplinski detektor… Stoga se sve metode i uređaji za mjerenje temperature dijele u dvije bitno različite skupine: bez sondiranja i sondiranja.
Termalni detektor ili bilo koji dodatni uređaj uređaja može doći u izravan mehanički kontakt s tijelom ili medijem čija se temperatura mjeri ili se može ostvariti samo "optički" kontakt između njih.
Ovisno o tome, sve metode i alati za mjerenje temperature dijele se na kontaktne i beskontaktne. Od najvećeg praktičnog značaja su sondne kontaktne i beskontaktne metode i uređaji.
Greške mjerenja temperature
Sve kontaktne, ponajviše bušaće, metode mjerenja temperature, za razliku od drugih metoda, karakteriziraju tzv toplinske ili toplinske metodološke pogreške zbog činjenice da potpuni termometar (ili pirometar) mjeri temperaturnu vrijednost samo osjetljivog dijela toplinskog detektora, usrednjenu po površini ili volumenu tog dijela.
U međuvremenu, ova temperatura se u pravilu ne podudara s izmjerenom, budući da toplinski detektor neizbježno iskrivljuje temperaturno polje u koje je uveden. Pri mjerenju stacionarne stalne temperature tijela ili okoline uspostavlja se određeni način izmjene topline između njega i toplinskog prijemnika.
Konstantna temperaturna razlika između toplinskog detektora i izmjerene temperature tijela ili okoline karakterizira statičku toplinsku pogrešku u mjerenju temperature.
Ako se izmjerena temperatura mijenja, tada je toplinska pogreška funkcija vremena. Za takvu se dinamičku pogrešku može smatrati da se sastoji od konstantnog dijela, ekvivalentnog statičkoj pogrešci, i varijabilnog dijela.
Potonje nastaje jer se sa svakom promjenom prijenosa topline između tijela ili medija čija se temperatura mjeri ne uspostavlja odmah novi način prijenosa topline. Preostalo izobličenje očitanja termometra ili pirometra, koje je funkcija vremena, karakterizirano je toplinskom inercijom termometra.
Toplinske pogreške i toplinska inercija toplinskog detektora ovise o istim čimbenicima kao i izmjena topline između tijela ili okoline i toplinskog detektora: o temperaturama toplinskog detektora i tijela ili okoline, o njihovoj veličini, sastavu (a time i svojstvima) i stanje, po dizajnu, dimenzije, geometrijski oblik, stanje površine i svojstva materijala toplinskog detektora i tijela oko njega, od njihovog rasporeda, prema kojem se zakonu mijenja izmjerena temperatura tijela ili okoline tijekom vremena.
Toplinske metodološke pogreške u mjerenju temperature u pravilu su nekoliko puta veće od instrumentalnih pogrešaka termometara i pirometara. Njihovo smanjenje postiže se korištenjem racionalnih metoda mjerenja temperature i konstrukcija toplinskih detektora te odgovarajućom ugradnjom istih na mjestima uporabe.
Poboljšanje prijenosa topline između toplinskog prijamnika i okoline odnosno tijela čija se temperatura mjeri postiže se forsiranjem korisnih i potiskivanjem štetnih čimbenika prijenosa topline.
Na primjer, kada se mjeri temperatura plina u zatvorenom volumenu, konvektivna izmjena topline toplinskog detektora s plinom se povećava, stvarajući brz protok plina oko toplinskog detektora ("usisni" termoelement) i toplinu zračenja izmjena sa stijenkama volumena je smanjena, štiteći toplinski detektor ("oklopljeni" termoelement).
Za smanjenje toplinske inercije u termometrima i pirometrima s električnim izlaznim signalom također se koriste posebni sklopovi koji umjetno smanjuju vrijeme porasta signala s brzom promjenom izmjerene temperature.
Beskontaktne metode mjerenja temperature
Mogućnost korištenja kontaktnih metoda u mjerenjima određena je ne samo izobličenjem izmjerene temperature kontaktnim toplinskim detektorom, već i stvarnim fizikalno-kemijskim karakteristikama materijala toplinskog detektora (korozijska i mehanička otpornost, otpornost na toplinu, itd.).
Beskontaktne metode mjerenja su oslobođene ovih ograničenja. Međutim, najvažniji od njih, tj.temeljene na zakonima temperaturnog zračenja, inherentne su posebne pogreške zbog činjenice da korišteni zakoni točno vrijede samo za apsolutno crni emiter, od kojeg se svi stvarni fizički emiteri (tijela i nositelji) razlikuju više ili manje u pogledu svojstava zračenja. .
Prema Kirchhoffovim zakonima zračenja svako fizičko tijelo emitira manje energije od crnog tijela zagrijanog na istu temperaturu kao fizičko tijelo.
Stoga će uređaj za mjerenje temperature kalibriran prema crnom emiteru, kada mjeri temperaturu stvarnog fizičkog emitera, pokazati temperaturu nižu od stvarne, odnosno temperature na kojoj se svojstvo crnog emitera korišteno u kalibraciji (energija zračenja, njegova svjetlina, njegov spektralni sastav, itd.), podudara se u vrijednosti sa svojstvom fizičkog radijatora na danoj stvarnoj temperaturi koju treba odrediti. Izmjerena podcijenjena pseudo temperatura naziva se crna temperatura.
Različite metode mjerenja dovode do različitih, u pravilu, neusklađenih crnih temperatura: radijacijski pirometar pokazuje integral ili zračenje, optički pirometar - svjetlinu, pirometar u boji - crne temperature u boji.
Prijelaz s izmjerenih crnih na stvarne temperature vrši se grafički ili analitički ako je poznata emisivnost objekta čija se temperatura mjeri.
Emisivnost je omjer vrijednosti fizičkog i crnog emitera koji se koristi za mjerenje radijacijskih svojstava koji imaju istu temperaturu: kod metode zračenja, emisivnost je jednaka omjeru ukupnih (preko spektra) energija, kod optičke metode spektralna emisivnost jednaka je omjeru spektralnih gustoća sjaja. Ako su sve druge stvari jednake, najmanje pogreške ne-crnila emitera daje pirometar u boji.
Radikalno rješenje problema mjerenja stvarne temperature necrnog emitera metodama zračenja umjetnost postiže stvaranjem uvjeta da ga pretvori u crni emiter (na primjer, stavljanjem u praktički zatvorenu šupljinu) .
U nekim posebnim slučajevima moguće je izmjeriti stvarnu temperaturu necrnog emitera s konvencionalnim pirometrima zračenja pomoću posebnih tehnika mjerenja temperature (na primjer, osvjetljenje, u snopovima s tri valne duljine, u polariziranoj svjetlosti itd.).
Opći instrumenti za mjerenje temperature
Ogroman raspon mjerenih temperatura i neiscrpan broj različitih uvjeta i objekata mjerenja uvjetuju izuzetnu raznolikost i raznovrsnost metoda i uređaja za mjerenje temperature.
Najčešći instrumenti za mjerenje temperature su:
- Termoelektrični pirometri (termometri);
- električni otporni termometri;
- Radijacijski pirometri;
- Optički apsorpcijski pirometri;
- Optički pirometri svjetline;
- Pirometri u boji;
- Ekspanzijski termometri za tekućinu;
- Mjerni termometri;
- Parni termometri;
- Plinski kondenzacijski termometri;
- Štapni dilatometrijski termometri;
- Bimetalni termometri;
- Akustični termometri;
- Kalorimetrijski pirometri-piroskopi;
- Toplinske boje;
- Paramagnetski solni termometri.
Najpopularniji električni uređaji za mjerenje temperature:
Vidi također: Prednosti i nedostaci različitih temperaturnih senzora
Mnoge gore navedene vrste instrumenata koriste se za mjerenja različitim metodama. Na primjer, koristi se termoelektrični termometar:
- za kontaktno mjerenje temperature okoliša i tijela, kao i površina potonjih, bez ili u kombinaciji s uređajima koji ispravljaju toplinsku neravnotežu toplinskog detektora i mjernog objekta;
- za beskontaktno mjerenje temperature zračenjem i nekim spektroskopskim metodama;
- za mješovito (kontaktno-bezkontaktno)-mjerenje temperature tekućeg metala metodom plinske šupljine (mjerenje temperature zračenja mjehurića plina upuhanog u tekući metal na kraju cijevi uronjene u njega sa zračenjem pirometar).
Istodobno, mnoge metode mjerenja temperature mogu se primijeniti s uređajima različitih vrsta.
Na primjer, vanjska i unutarnja temperatura zraka mogu se mjeriti uređajima od najmanje 15 vrsta. Fotografija prikazuje bimetalni termometar.
Najveći termometar na svijetu u Bakeru u Kaliforniji
Primjena instrumenata za mjerenje temperature:
Mjerenje površinskih temperatura termoparovima
Beskontaktno mjerenje temperature tijekom rada električne opreme