Temperatūros matavimo metodai ir prietaisai

Kas yra temperatūra

Temperatūros matavimas yra teorinės ir eksperimentinės disciplinos dalykas - termometrija, kurios dalis, apimanti aukštesnes nei 500 ° C temperatūras, vadinama pirometrija.

Pats bendriausias griežčiausias temperatūros sąvokos apibrėžimas, vadovaujantis antruoju termodinamikos dėsniu, formuluojamas taip:

T = dQ /dC,

kur T – izoliuotos termodinaminės sistemos absoliuti temperatūra, dQ – tai sistemai perduodamos šilumos padidėjimas, o dS – tos sistemos entropijos padidėjimas.

Aukščiau pateikta išraiška aiškinama taip: temperatūra yra šilumos, perduodamos izoliuotai termodinaminei sistemai, padidėjimo matas, atitinkantis šiuo atveju vykstantį sistemos entropijos padidėjimą arba, kitaip tariant, šilumos padidėjimą. jos būklės sutrikimas .

Statistinėje mechanikoje, kuri aprašo sistemos fazes, atsižvelgiant į makrosistemose vykstančius mikroprocesus, temperatūros sąvoka apibrėžiama išreiškiant molekulinės sistemos dalelių pasiskirstymą tarp kelių neužimtų energijos lygių (Gibbso pasiskirstymas). .

Šis apibrėžimas (pagal ankstesnįjį) pabrėžia tikimybinį, statistinį temperatūros sampratos aspektą, kaip pagrindinį mikrofizinės energijos perdavimo iš vieno kūno (ar sistemos) į kitą parametrą, t.y. chaotiškas terminis judėjimas.

Griežtų temperatūros sąvokos apibrėžimų, kurie taip pat galioja tik termodinamiškai subalansuotoms sistemoms, aiškumo stoka paskatino plačiai naudoti „utilitarinį“ apibrėžimą, pagrįstą energijos perdavimo reiškinio esme: temperatūra yra kūno ar sistemos šiluminė būsena, kuriai būdingas jo gebėjimas keistis šiluma su kitu kūnu (ar sistema).

Ši formuluotė taikoma tiek termodinamiškai nepusiausvyroms sistemoms, tiek (su išlygomis) psichofiziologinei „jutimo“ temperatūros sampratai, kurią tiesiogiai suvokia žmogus, naudodamasis terminio prisilietimo organais.

„Sensorinę“ temperatūrą žmogus subjektyviai vertina tiesiogiai, bet tik kokybiškai ir santykinai siauru intervalu, o fizinė temperatūra matuojama kiekybiškai ir objektyviai, naudojant matavimo prietaisus, bet tik netiesiogiai – per kokio nors fizikinio dydžio reikšmę, priklausančią ant išmatuotos temperatūros.

Todėl antruoju atveju nustatoma tam tikra šiam tikslui pasirinkto nuo temperatūros priklausomo fizikinio dydžio atskaitos (atskaitos) būsena ir jai priskiriama tam tikra skaitinė temperatūros reikšmė, kad bet koks pasirinkto fizikinio dydžio būsenos pokytis santykinis. nuoroda gali būti išreikšta temperatūros vienetais.

Temperatūros verčių rinkinys, atitinkantis nuoseklius pasirinkto nuo temperatūros priklausančio dydžio būsenos pokyčius (ty verčių seką), sudaro temperatūros skalę. Dažniausios temperatūros skalės yra Celsijaus, Farenheito, Reaumur, Kelvino ir Rankine.

Kelvino ir Celsijaus temperatūros skalės

V 1730 Prancūzų gamtininkas Renė Antuanas Reumoras (1683-1757), remdamasis Amotono pasiūlymu, termometre ledo lydymosi temperatūrą pažymėjo 0, o vandens virimo temperatūrą – 80O. V 1742 NSVedikas astronomas ir fizikas Andersas Celsius (1701–1744), dvejus metus išbandęs Reaumur termometrą, aptiko skalės gradacijos klaidą.

Paaiškėjo, kad tai labai priklauso nuo atmosferos slėgio. Celsijaus siūlė kalibruojant skalę nustatyti slėgį, o aš visą temperatūros diapazoną padalinau iš 100, bet ledo lydymosi temperatūrai priskyriau 100 žymą. Vėliau švedas Linėjus arba vokietis Stremmeris (pagal įvairius šaltinius) pakeitė valdymo punktų pavadinimus.

Taip atsirado dabar plačiai naudojama Celsijaus temperatūros skalė. Jo kalibravimas atliekamas esant normaliam 1013,25 hPa atmosferos slėgiui.

Temperatūros skales sukūrė Farenheitas, Reaumuras, Niutonas (pastarasis netyčia atskaitos tašku pasirinko žmogaus kūno temperatūrą.Na, didieji klysta!) Ir daugelis kitų. Jie neatlaikė laiko išbandymo.

Celsijaus temperatūros skalė buvo priimta 1-ojoje Generalinėje svorių ir matų konferencijoje 1889 m. Šiuo metu Celsijaus laipsnis yra oficialus temperatūros matavimo vienetas, nustatytas Tarptautinio svorių ir matų komiteto, tačiau su tam tikrais apibrėžimo patikslinimais.

Remiantis aukščiau pateiktais argumentais, lengva padaryti išvadą, kad Celsijaus temperatūros skalė nėra vieno žmogaus veiklos rezultatas. Celsius buvo tik vienas iš paskutiniųjų tyrinėtojų ir išradėjų, dalyvavusių jo kūrime. Iki 1946 metų skalė buvo tiesiog vadinama laipsnių skale. Tik tada Tarptautinis svorių ir matų komitetas Celsijaus laipsnių laipsniui priskyrė pavadinimą „celsijaus laipsnis“.

Keletas žodžių apie termometrų darbinį korpusą. Pirmieji prietaisų kūrėjai natūraliai siekė išplėsti savo veiksmų spektrą. Vienintelis skystas metalas normaliomis sąlygomis yra gyvsidabris.

Nebuvo pasirinkimo. Lydymosi temperatūra -38,97 ° C, virimo temperatūra + 357,25 ° C. Iš lakiųjų medžiagų labiausiai prieinamas pasirodė vynas arba etilo alkoholis. Lydymosi temperatūra - 114,2 ° C, virimo temperatūra + 78,46 ° C.

Sukurti termometrai tinka temperatūrai nuo -100 iki + 300 °C matuoti, to pakanka daugumai praktinių problemų išspręsti. Pavyzdžiui, minimali oro temperatūra yra -89,2 ° C (Vostok stotis Antarktidoje), o maksimali - + 59 ° C (Sacharos dykuma). Dauguma vandeninių tirpalų terminio apdorojimo procesų vyko ne aukštesnėje kaip 100 °C temperatūroje.

Pagrindinis termodinaminės temperatūros matavimo vienetas ir kartu vienas iš pagrindinių vienetų Tarptautinė vienetų sistema (SI) yra Kelvino laipsnis.

1 Kelvino laipsnio dydį (temperatūros tarpą) lemia tai, kad vandens trigubo taško termodinaminės temperatūros vertė yra tiksliai nustatyta 273,16 ° K.

Ši temperatūra, kurioje vanduo yra pusiausvyros būsenoje trijose fazėse: kietoje, skystoje ir dujinėje, laikoma pagrindiniu atskaitos tašku dėl didelio atkuriamumo, dydžiu geresnio už vandens užšalimo ir virimo taškų atkuriamumą. .

Trigubo vandens temperatūros matavimas yra techniškai sudėtinga užduotis. Todėl kaip standartas jis buvo patvirtintas tik 1954 metais X Generalinėje svorių ir matų konferencijoje.

Celsijaus laipsnis, kurio vienetais galima išreikšti ir termodinaminę temperatūrą, pagal temperatūros diapazoną yra tiksliai lygus Kelvinui, tačiau bet kurios temperatūros skaitinė vertė Celsijaus laipsniais yra 273,15 laipsnio didesnė už tos pačios temperatūros reikšmę kelvinais. .

1 Kelvino laipsnio (arba 1 laipsnio Celsijaus) dydis, nustatytas pagal vandens trigubo taško temperatūros skaitinę reikšmę, šiuolaikiniu matavimo tikslumu nesiskiria nuo jo dydžio, nustatyto (anksčiau buvo priimta) kaip šimtoji vandens masės dalis. temperatūros skirtumas tarp vandens užšalimo ir virimo taškų.

Temperatūros matavimo metodų ir prietaisų klasifikacija

Kūno arba aplinkos temperatūrą galima matuoti dviem iš esmės skirtingais netiesioginiais būdais.

Pirmasis būdas leidžia išmatuoti vienos iš nuo temperatūros priklausomų paties kūno ar aplinkos savybių ar būsenos parametrų vertes, antrasis - išmatuoti nuo temperatūros priklausomų savybių ar būsenos vertes. pagalbinio kūno parametrai, atvesti (tiesiogiai arba netiesiogiai) į šiluminės pusiausvyros būseną su kūnu ar aplinka, kurios temperatūra matuojama...

Vadinamas pagalbinis korpusas, kuris tarnauja šiems tikslams ir yra viso temperatūros matavimo prietaiso jutiklis termometrinis (pirometrinis) zondas arba terminis detektorius… Todėl visi temperatūros matavimo metodai ir prietaisai skirstomi į dvi iš esmės skirtingas grupes: be zondavimo ir zondavimo.

Šilumos detektorius ar bet koks papildomas prietaiso įtaisas gali būti tiesiogiai mechaniniu kontaktu su kūnu ar terpe, kurios temperatūra matuojama, arba tarp jų gali būti tik „optinis“ kontaktas.

Atsižvelgiant į tai, visi temperatūros matavimo metodai ir įrankiai skirstomi į kontaktinis ir nekontaktinis. Didžiausią praktinę reikšmę turi zondų kontaktiniai ir bekontakčiai metodai bei prietaisai.

Temperatūros matavimo paklaidos

Visi kontaktiniai, dažniausiai gręžimo, temperatūros matavimo metodai, skirtingai nuo kitų metodų, pasižymi vadinamaisiais šiluminės ar šiluminės metodinės klaidos, atsirandančios dėl to, kad sukomplektuotas zondinis termometras (arba pirometras) matuoja tik jautrios šiluminio detektoriaus dalies temperatūros vertę, apskaičiuojant tos dalies paviršiaus arba tūrio vidurkį.

Tuo tarpu ši temperatūra, kaip taisyklė, nesutampa su išmatuota, nes šiluminis detektorius neišvengiamai iškraipo temperatūros lauką, kuriame jis įvedamas. Matuojant stacionarią pastovią kūno ar aplinkos temperatūrą, tarp jo ir šiluminio imtuvo nustatomas tam tikras šilumos mainų režimas.

Nuolatinis temperatūros skirtumas tarp šiluminio detektoriaus ir išmatuotos kūno ar aplinkos temperatūros apibūdina statinę šiluminę paklaidą matuojant temperatūrą.

Jei išmatuota temperatūra keičiasi, šiluminė paklaida priklauso nuo laiko. Tokia dinaminė paklaida gali būti laikoma susidedančia iš pastovios dalies, lygiavertės statinei paklaidai, ir kintamos dalies.

Pastaroji atsiranda todėl, kad kiekvieną kartą pasikeitus šilumos perdavimui tarp kūno ar terpės, kurios temperatūra matuojama, naujas šilumos perdavimo būdas nenustatomas iš karto. Likutinis termometro ar pirometro rodmenų iškraipymas, kuris yra laiko funkcija, apibūdinamas termometro termine inercija.

Šiluminio detektoriaus šiluminės paklaidos ir šiluminė inercija priklauso nuo tų pačių veiksnių, kaip ir šilumos mainai tarp kūno ar aplinkos ir šiluminio detektoriaus: nuo šiluminio detektoriaus ir kūno ar aplinkos temperatūros, nuo jų dydžio, sudėties (taigi ir savybių). ir terminio detektoriaus bei aplink jį esančių kūnų medžiagų konstrukciją, matmenis, geometrinę formą, paviršiaus būklę ir savybes, nuo jų išdėstymo, pagal kurį dėsnį laikui bėgant kinta matuojama kūno ar aplinkos temperatūra.

Temperatūros matavimo šiluminės metodinės paklaidos, kaip taisyklė, yra kelis kartus didesnės nei termometrų ir pirometrų instrumentinės paklaidos. Jų mažinimas pasiekiamas naudojant racionalius temperatūros matavimo metodus ir šiluminių detektorių konstrukcijas bei tinkamai įrengiant pastaruosius naudojimo vietose.

Šilumos perdavimo tarp šiluminio imtuvo ir aplinkos arba kūno, kurio temperatūra matuojama, pagerinimas pasiekiamas priverčiant naudingus ir slopinant kenksmingus šilumos perdavimo veiksnius.

Pavyzdžiui, matuojant dujų temperatūrą uždarame tūryje, padidinamas konvekcinis terminio detektoriaus šilumos mainas su dujomis, sukuriant greitą dujų srautą aplink terminį detektorių („siurbimo“ termoporą) ir spinduliuojamą šilumą. keitimasis su tūrio sienelėmis sumažinamas, ekranuojant šiluminį detektorių ("ekranuota" termopora).

Termometrų ir pirometrų su elektriniu išėjimo signalu šiluminei inercijai sumažinti taip pat naudojamos specialios grandinės, kurios dirbtinai sumažina signalo kilimo laiką, greitai keičiantis išmatuotai temperatūrai.

Nekontaktiniai temperatūros matavimo metodai

Galimybę naudoti kontaktinius metodus matavimuose lemia ne tik kontaktinio šiluminio detektoriaus išmatuotos temperatūros iškraipymas, bet ir realios termo detektoriaus medžiagų fizikinės ir cheminės charakteristikos (korozijai ir mechaniniam atsparumui, atsparumui karščiui, ir tt).

Nekontaktiniams matavimo metodams šie apribojimai netaikomi. Tačiau svarbiausias iš jų, t.y.remiantis temperatūros spinduliavimo dėsniais, būdingos specialios paklaidos dėl to, kad naudojami dėsniai tiksliai galioja tik absoliučiai juodam spinduliuotei, nuo kurio visi tikrieji fiziniai skleidėjai (kūnai ir nešikliai) daugiau ar mažiau skiriasi spinduliavimo savybėmis. .

Pagal Kirchhoffo spinduliuotės dėsnius, bet kuris fizinis kūnas skleidžia mažiau energijos nei juodas kūnas, įkaitintas iki tokios pat temperatūros kaip ir fizinis kūnas.

Todėl temperatūros matavimo prietaisas, kalibruotas pagal juodąjį emiterį, matuojant tikrojo fizinio emiterio temperatūrą, parodys žemesnę už tikrąją temperatūrą, ty temperatūrą, kuriai esant kalibruojama juodojo emiterio savybė (spinduliavimo energija, jo ryškumas, spektrinė sudėtis ir kt.), vertė atitinka fizinio radiatoriaus savybę esant tam tikrai nustatytai temperatūrai. Išmatuota neįvertinta pseudo temperatūra vadinama juodąja temperatūra.

Skirtingi matavimo metodai lemia skirtingą, kaip taisyklė, nesutampančią juodos spalvos temperatūrą: radiacinis pirometras rodo integralą arba spinduliavimą, optinis pirometras – ryškumą, spalvinis pirometras – juodos spalvos temperatūrą.

Perėjimas nuo išmatuotų juodų spalvų prie faktinių temperatūrų atliekamas grafiškai arba analitiškai, jei žinoma objekto, kurio temperatūra matuojama, spinduliavimo koeficientas.

Spinduliuotė yra fizinių ir juodųjų spindulių, naudojamų tos pačios temperatūros spinduliavimo savybėms matuoti, dydžių santykis: taikant spinduliavimo metodą, spinduliuotė yra lygi visų (visame spektre) energijų santykiui, taikant optinį metodą, spektrinės spinduliuotės gebėjimas yra lygus švytėjimo spektrinių tankių santykiui. Jei visi kiti dalykai yra vienodi, mažiausias emiterio nejuodumo paklaidas pateikia spalvų pirometras.

Radikalaus nejuodojo emiterio tikrosios temperatūros matavimo spinduliavimo metodais problemos sprendimas pasiekiamas menais, sudarant sąlygas jam paversti juodą spinduliuotę (pavyzdžiui, įdėjus jį į praktiškai uždarą ertmę). .

Kai kuriais ypatingais atvejais galima įprastiniais spinduliuotės pirometrais išmatuoti tikrąją nejuodojo emiterio temperatūrą, naudojant specialius temperatūros matavimo metodus (pavyzdžiui, apšvietimą, trijų bangų ilgių pluoštuose, poliarizuotoje šviesoje ir kt.).

Bendrieji temperatūros matavimo prietaisai

Didžiulis išmatuotų temperatūrų diapazonas ir neišsenkantis įvairių sąlygų bei matavimo objektų skaičius lemia nepaprastą temperatūros matavimo metodų ir prietaisų įvairovę ir įvairovę.

Dažniausiai naudojami temperatūros matavimo prietaisai:

• Termoelektriniai pirometrai (termometrai);
• elektriniai varžos termometrai;
• Radiaciniai pirometrai;
• Optinės sugerties pirometrai;
• Optiniai ryškumo pirometrai;
• Spalvoti pirometrai;
• Skysčių išsiplėtimo termometrai;
• Matavimo termometrai;
• Garų termometrai;
• Dujų kondensacijos termometrai;
• Dilatometriniai termometrai;
• Bimetaliniai termometrai;
• Akustiniai termometrai;
• Kalorimetriniai pirometrai-piroskopai;
• terminiai dažai;
• Paramagnetiniai druskos termometrai.

Populiariausi elektros prietaisai temperatūrai matuoti:

Atsparumo termometrai

Termistoriai

Taip pat žiūrėkite: Įvairių temperatūros jutiklių privalumai ir trūkumai

Daugybė aukščiau išvardintų prietaisų tipų naudojami matavimams įvairiais metodais. Pavyzdžiui, naudojamas termoelektrinis termometras:

• kontaktiniam aplinkos ir kūnų, taip pat pastarųjų paviršių temperatūros matavimui be prietaisų, kurie koreguoja šiluminio detektoriaus ir matavimo objekto šiluminį disbalansą, arba kartu su jais;
• nekontaktiniam temperatūros matavimui spinduliuote ir kai kuriais spektroskopiniais metodais;
• mišriam (kontaktiniam-nekontaktiniam) skystojo metalo temperatūros matavimui dujų ertmės metodu (dujų burbulo, įpūsto į skystąjį metalą vamzdžio gale, panardinto į jį spinduliuote, spinduliuotės temperatūros matavimas). pirometras).

Tuo pačiu metu su įvairių tipų prietaisais galima pritaikyti daugybę temperatūros matavimo metodų.

Pavyzdžiui, lauko ir vidaus oro temperatūrą galima matuoti mažiausiai 15 tipų prietaisais. Nuotraukoje parodytas bimetalinis termometras.

Didžiausias pasaulyje termometras Bakeryje, Kalifornijoje

Temperatūros matavimo prietaisų pritaikymas:

Paviršiaus temperatūrų matavimas termoporomis

Infraraudonųjų spindulių termografija

Nekontaktinis temperatūros matavimas elektros įrenginių eksploatavimo metu

Lazerinių termometrų naudojimo ypatybės