Metódy a prístroje na meranie teploty

Čo je teplota

Meranie teploty je predmetom teoretickej a experimentálnej disciplíny — termometrie, ktorej časť pokrývajúca teploty nad 500 °C sa nazýva pyrometria.

Najvšeobecnejšia striktná definícia pojmu teplota podľa druhého zákona termodynamiky je formulovaná výrazom:

T = dQ /dC,

kde T je absolútna teplota izolovaného termodynamického systému, dQ je prírastok tepla preneseného do tohto systému a dS je prírastok entropie tohto systému.

Vyššie uvedený výraz sa interpretuje takto: teplota je mierou zvýšenia tepla odovzdaného izolovanému termodynamickému systému a zodpovedajúceho zvýšeniu entropie systému, ku ktorému v tomto prípade dochádza, alebo inými slovami, zvýšeniu narušenie jeho stavu.

V štatistickej mechanike, ktorá popisuje fázy systému, berúc do úvahy mikroprocesy vyskytujúce sa v makrosystémoch, je pojem teploty definovaný vyjadrením rozloženia častíc molekulárneho systému medzi množstvom neobsadených energetických hladín (Gibbsovo rozdelenie) .

Táto definícia (v súlade s predchádzajúcou) zdôrazňuje pravdepodobnostný, štatistický aspekt pojmu teplota ako hlavný parameter mikrofyzikálnej formy prenosu energie z jedného telesa (alebo sústavy) do druhého, t.j. chaotický tepelný pohyb.

Nejasnosť striktných definícií pojmu teplota, ktoré sú tiež platné len pre termodynamicky vyvážené systémy, viedla k širokému používaniu „utilitárnej“ definície založenej na podstate fenoménu prenosu energie: teplota je tepelný stav telesa alebo systému charakterizovaný jeho schopnosťou vymieňať si teplo s iným telesom (alebo systémom).

Táto formulácia je aplikovateľná ako na termodynamicky nerovnovážne systémy, tak (s výhradami) na psychofyziologický koncept «zmyslovej» teploty, vnímanej priamo človekom pomocou orgánov tepelného dotyku.

„Zmyslovú“ teplotu človek subjektívne posudzuje priamo, ale len kvalitatívne a v pomerne úzkom intervale, pričom fyzikálnu teplotu meria kvantitatívne a objektívne, pomocou meracích prístrojov, ale len nepriamo – cez hodnotu nejakej fyzikálnej veličiny v závislosti na nameranej teplote.

Preto sa v druhom prípade stanoví nejaký referenčný (referenčný) stav na tento účel zvolenej fyzikálnej veličiny závislej od teploty a priradí sa mu určitá číselná hodnota teploty, takže každá zmena stavu vybranej fyzikálnej veličiny je relatívna. k referencii možno vyjadriť v jednotkách teploty.

Súbor teplotných hodnôt zodpovedajúcich sérii postupných zmien stavu (t.j. sledu hodnôt) vybranej od teploty závislej veličiny tvorí teplotnú stupnicu. Najbežnejšie teplotné stupnice sú stupne Celzia, Fahrenheita, Reaumur, Kelvin a Rankine.

Teplotné stupnice Kelvina a Celzia

V 1730 Francúzsky prírodovedec René Antoine Reumour (1683-1757) na základe návrhu Amotona označil teplotu topenia ľadu na teplomere ako 0 a teplotu varu vody ako 80O. V 1742 NSVedický astronóm a fyzik Anders Celsius (1701 — 1744) po dvoch rokoch testovania Reaumurovho teplomera objavil chybu v delení stupnice.

Ukázalo sa, že to do značnej miery závisí od atmosférického tlaku. Celsius navrhol určiť tlak pri kalibrácii stupnice a celý teplotný rozsah som vydelil 100, no značku 100 som priradil k bodu topenia ľadu. Neskôr švédsky Linné alebo nemecký Stremmer (podľa rôznych zdrojov) zmenili označenia kontrolných bodov.

Tak sa objavila teraz široko používaná stupnica Celziovej teploty. Jeho kalibrácia sa vykonáva pri normálnom atmosférickom tlaku 1013,25 hPa.

Teplotné stupnice vytvorili Fahrenheit, Reaumur, Newton (ten si neúmyselne vybral ako východiskový bod teplotu ľudského tela.No, tí veľkí sa mýlia!) A mnoho ďalších. Neodolali skúške časom.

Celziova teplotná stupnica bola prijatá na 1. generálnej konferencii pre váhy a miery v roku 1889. V súčasnosti je stupeň Celzia oficiálnou jednotkou merania teploty stanovenou Medzinárodným výborom pre váhy a miery, avšak s určitými spresneniami v definícii.

Podľa vyššie uvedených argumentov je ľahké usúdiť, že Celziova teplotná stupnica nie je výsledkom činnosti jednej osoby. Celsius bol len jedným z posledných výskumníkov a vynálezcov, ktorí sa podieľali na jeho vývoji. Do roku 1946 sa stupnica jednoducho nazývala stupnicou. Až potom Medzinárodný výbor pre váhy a miery priradil stupňom Celzia názov „stupeň Celzia“.

Niekoľko slov o pracovnom tele teplomerov. Prví tvorcovia zariadení sa prirodzene snažili rozširovať svoje pole pôsobnosti. Jediným tekutým kovom za normálnych podmienok je ortuť.

Nebolo na výber. Teplota topenia je -38,97 ° C, teplota varu + 357,25 ° C. Z prchavých látok sa ako najdostupnejšie ukázalo víno alebo etylalkohol. Teplota topenia - 114,2 ° C, teplota varu + 78,46 ° C.

Vytvorené teplomery sú vhodné na meranie teplôt od -100 do + 300 ° C, čo stačí na vyriešenie väčšiny praktických problémov. Napríklad minimálna teplota vzduchu je -89,2 ° C (stanica Vostok v Antarktíde) a maximálna + 59 ° C (púšť Sahara). Väčšina procesov tepelného spracovania vodných roztokov prebiehala pri teplotách nie vyšších ako 100 °C.

Základná jednotka merania termodynamickej teploty a zároveň jedna zo základných jednotiek Medzinárodná sústava jednotiek (SI) je stupeň Kelvina.

Veľkosť (teplotná medzera) 1 stupeň Kelvina je určená tým, že hodnota termodynamickej teploty trojitého bodu vody je nastavená presne na 273,16°K.

Táto teplota, pri ktorej voda existuje v rovnovážnom stave v troch fázach: tuhá, kvapalná a plynná, sa považuje za hlavný východiskový bod z dôvodu jej vysokej reprodukovateľnosti, rádovo lepšej ako reprodukovateľnosť bodov tuhnutia a varu vody. .

Meranie trojbodovej teploty vody je technicky náročná úloha. Preto bol ako štandard schválený až v roku 1954 na X. generálnej konferencii pre váhy a miery.

Stupeň Celzia, v jednotkách, v ktorých je možné vyjadriť aj termodynamickú teplotu, sa z hľadiska teplotného rozsahu presne rovná Kelvinom, ale číselná hodnota akejkoľvek teploty v stupňoch Celzia je o 273,15 stupňov vyššia ako hodnota rovnakej teploty v Kelvinoch. .

Veľkosť 1 stupňa Kelvina (alebo 1 stupňa Celzia), určená číselnou hodnotou teploty trojitého bodu vody, sa s modernou presnosťou merania nelíši od veľkosti určenej (predtým akceptovanej) ako stotina teplotný rozdiel medzi bodom tuhnutia a varu vody.

Klasifikácia metód a zariadení na meranie teploty

Meranie telesnej alebo okolitej teploty je možné vykonať dvoma zásadne odlišnými nepriamymi spôsobmi.

Prvý spôsob vedie k meraniu hodnôt jednej z teplotne závislých vlastností alebo stavových parametrov samotného tela alebo prostredia, druhý k meraniu hodnôt teplotne závislých vlastností alebo stavu. parametre pomocného telesa uvádzané (priamo alebo nepriamo) do stavu tepelnej rovnováhy s telesom alebo prostredím, ktorého teplota sa meria...

Volá sa pomocné teleso, ktoré slúži na tieto účely a je snímačom kompletného zariadenia na meranie teploty termometrická (pyrometrická) sonda alebo tepelný detektor… Preto sú všetky metódy a zariadenia na meranie teploty rozdelené do dvoch zásadne odlišných skupín: bez sondovania a sondovania.

Tepelný detektor alebo akékoľvek prídavné zariadenie zariadenia môžu byť uvedené do priameho mechanického kontaktu s telom alebo médiom, ktorého teplota sa meria, alebo medzi nimi môže byť vytvorený iba „optický“ kontakt.

V závislosti od toho sú všetky metódy a nástroje na meranie teploty rozdelené na kontaktné a nekontaktné. Najväčší praktický význam majú sondové kontaktné a bezkontaktné metódy a zariadenia.

Chyby merania teploty

Všetky kontaktné, väčšinou vŕtacie, metódy merania teploty sa na rozdiel od iných metód vyznačujú tzv tepelné alebo tepelné metodologické chyby spôsobené tým, že kompletný sondový teplomer (alebo pyrometer) meria hodnotu teploty iba citlivej časti tepelného detektora, spriemerovanú na povrchu alebo objeme tejto časti.

Medzitým sa táto teplota spravidla nezhoduje s nameranou teplotou, pretože tepelný detektor nevyhnutne skresľuje teplotné pole, do ktorého je zavedený. Pri meraní stacionárnej konštantnej teploty telesa alebo prostredia sa medzi ním a tepelným prijímačom vytvorí určitý režim výmeny tepla.

Konštantný teplotný rozdiel medzi tepelným detektorom a nameranou teplotou tela alebo prostredia charakterizuje statickú tepelnú chybu pri meraní teploty.

Ak sa nameraná teplota zmení, potom je tepelná chyba funkciou času. Takúto dynamickú chybu možno považovať za pozostávajúcu z konštantnej časti, ekvivalentnej statickej chybe, a premennej časti.

Ten vzniká preto, lebo pri každej zmene prenosu tepla medzi telesom alebo médiom, ktorého teplota sa meria, sa okamžite nenastaví nový spôsob prenosu tepla. Zvyškové skreslenie údajov teplomera alebo pyrometra, ktoré je funkciou času, je charakterizované tepelnou zotrvačnosťou teplomera.

Tepelné chyby a tepelná zotrvačnosť tepelného detektora závisia od rovnakých faktorov ako výmena tepla medzi telesom alebo prostredím a tepelným detektorom: od teplôt tepelného detektora a tela alebo prostredia, od ich veľkosti, zloženia (a tým aj vlastností) a stav, podľa konštrukcie, rozmerov, geometrického tvaru, stavu povrchu a vlastností materiálov tepelného detektora a telies okolo neho, od ich usporiadania, podľa ktorého zákona sa v čase mení nameraná teplota telesa alebo prostredia.

Tepelné metodologické chyby pri meraní teploty sú spravidla niekoľkonásobne vyššie ako inštrumentálne chyby teplomerov a pyrometrov. Ich zníženie sa dosahuje použitím racionálnych metód merania teploty a konštrukcií tepelných detektorov a ich vhodnou montážou na miestach použitia.

Zlepšenie prenosu tepla medzi tepelným prijímačom a prostredím alebo telesom, ktorého teplota sa meria, sa dosahuje vynútením prospešných a potláčaním škodlivých faktorov prenosu tepla.

Napríklad pri meraní teploty plynu v uzavretom objeme sa zvyšuje konvekčná výmena tepla tepelného detektora s plynom, čím sa vytvára rýchly tok plynu okolo tepelného detektora ("nasávací" termočlánok) a sálavé teplo výmena so stenami objemu je znížená, tienenie tepelného detektora ("tienený" termočlánok).

Na zníženie tepelnej zotrvačnosti v teplomeroch a pyrometroch s elektrickým výstupným signálom sa používajú aj špeciálne obvody, ktoré umelo skracujú dobu nábehu signálu pri rýchlej zmene nameranej teploty.

Bezkontaktné metódy merania teploty

Možnosť použitia kontaktných metód pri meraniach je daná nielen skreslením meranej teploty kontaktným tepelným detektorom, ale aj reálnymi fyzikálno-chemickými charakteristikami materiálov tepelného detektora (korózia a mechanická odolnosť, tepelná odolnosť, odolnosť proti korózii a mechanickému poškodeniu). atď.).

Bezkontaktné metódy merania nemajú tieto obmedzenia. Najdôležitejšie z nich, t.j.na základe zákonov teplotného vyžarovania sú vlastné zvláštne chyby, pretože použité zákony platia presne len pre absolútne čierny žiarič, od ktorého sa všetky reálne fyzikálne žiariče (telesá a nosiče) viac-menej odlišujú z hľadiska žiarenia Vlastnosti .

Podľa Kirchhoffových zákonov žiarenia každé fyzické telo vyžaruje menej energie ako čierne telo zahriate na rovnakú teplotu ako fyzické telo.

Preto prístroj na meranie teploty kalibrovaný voči čiernemu žiariču pri meraní teploty skutočného fyzického žiariča ukáže teplotu nižšiu ako je skutočná, a to teplotu, pri ktorej sa vlastnosť čierneho žiariča používa pri kalibrácii (žiarivá energia, jeho jas, jeho spektrálne zloženie atď.), sa zhoduje v hodnote s vlastnosťou fyzikálneho žiariča pri danej skutočnej teplote, ktorá sa má určiť. Nameraná podhodnotená pseudo teplota sa nazýva čierna teplota.

Rôzne metódy merania vedú k rôznym, spravidla nezodpovedajúcim teplotám čiernej: radiačný pyrometer ukazuje integrál alebo žiarenie, optický pyrometer - jas, farebný pyrometer - farebné čierne teploty.

Prechod od nameraných čiernych k skutočným teplotám sa vykonáva graficky alebo analyticky, ak je známa emisivita objektu, ktorého teplota sa meria.

Emisivita je pomer hodnôt fyzikálnych a čiernych žiaričov používaných na meranie radiačných vlastností, ktoré majú rovnakú teplotu: pri radiačnej metóde sa emisivita rovná pomeru celkových (v spektre) energií, pri optickej metóde sa schopnosť spektrálnej emisivity rovná pomeru spektrálnych hustôt žiary. Ak sú všetky ostatné veci rovnaké, najmenšie chyby žiariča, ktoré nesúvisia s tmavosťou, sú dané farebným pyrometrom.

Radikálne riešenie problému merania skutočnej teploty nečierneho žiariča sálavými metódami dosahuje umenie vytváraním podmienok na to, aby sa zmenil na čierny žiarič (napríklad umiestnením do prakticky uzavretej dutiny) .

V niektorých špeciálnych prípadoch je možné merať skutočnú teplotu nečierneho žiariča klasickými radiačnými pyrometrami pomocou špeciálnych techník merania teploty (napríklad osvetlenie, v trojvlnových lúčoch, v polarizovanom svetle atď.).

Všeobecné prístroje na meranie teploty

Obrovský rozsah nameraných teplôt a nepreberné množstvo rôznych podmienok a predmetov merania predurčuje mimoriadnu rozmanitosť a rozmanitosť metód a prístrojov na meranie teploty.

Najbežnejšie nástroje na meranie teploty sú:

• Termoelektrické pyrometre (teplomery);
• Elektrické odporové teplomery;
• Radiačné pyrometre;
• Optické absorpčné pyrometre;
• Pyrometre s optickým jasom;
• Farebné pyrometre;
• Expanzné kvapalinové teplomery;
• Teplomery;
• Parné teplomery;
• Plynové kondenzačné teplomery;
• Tyčinkové dilatometrické teplomery;
• Bimetalové teplomery;
• Akustické teplomery;
• Kalorimetrické pyrometre-pyroskopy;
• Termálne farby;
• Paramagnetické soľné teplomery.

Najpopulárnejšie elektrické zariadenia na meranie teploty:

Odporové teplomery

Termistory

Pozri tiež: Výhody a nevýhody rôznych snímačov teploty

Množstvo vyššie uvedených typov prístrojov sa používa na merania rôznymi metódami. Napríklad sa používa termoelektrický teplomer:

• na kontaktné meranie teploty prostredia a telies, ako aj ich povrchov, bez alebo v kombinácii so zariadeniami, ktoré korigujú tepelnú nerovnováhu tepelného detektora a meraného objektu;
• na bezkontaktné meranie teploty žiarením a niektorými spektroskopickými metódami;
• na zmiešané (kontaktné-bezkontaktné)-meranie teploty tekutého kovu metódou plynovej dutiny (meranie teploty žiarenia plynovej bubliny vháňanej do tekutého kovu na konci trubice ponorenej do nej žiarením pyrometer).

Súčasne je možné so zariadeniami rôznych typov aplikovať mnohé metódy merania teploty.

Napríklad vonkajšiu a vnútornú teplotu vzduchu je možné merať zariadeniami najmenej 15 typov. Na fotografii je bimetalový teplomer.

Najväčší teplomer na svete v Baker v Kalifornii

Použitie prístrojov na meranie teploty:

Meranie povrchových teplôt termočlánkami

Infračervená termografia

Bezdotykové meranie teploty počas prevádzky elektrických zariadení

Vlastnosti použitia laserových teplomerov