Методи и инструменти за измерване на температурата

Какво е температура

Измерването на температурата е предмет на теоретична и експериментална дисциплина — термометрия, част от която, обхващаща температури над 500 ° C, се нарича пирометрия.

Най -общото строго определение на понятието за температура, следващо втория закон на термодинамиката, се формулира с израза:

Т = дQ /дС,

където Т е абсолютната температура на изолирана термодинамична система, дQ е приращението на топлина, предадено на тази система, и дS е увеличението на ентропията на тази система.

Горният израз се тълкува по следния начин: температурата е мярка за увеличаването на топлината, предадена на изолирана термодинамична система и съответстваща на нарастването в ентропията на системата, което се случва в този случай, или, с други думи, за увеличаване на нарушение на състоянието му.

В статистическата механика, която описва фазите на системата, като се вземат предвид микропроцесите, протичащи в макросистемите, понятието за температура се дефинира чрез изразяване на разпределението на частиците на молекулна система между редица неиздадени енергийни нива (разпределение на Гибс).

Това определение (в съответствие с предишното) подчертава вероятностния, статистически аспект на концепцията за температурата като основен параметър на микрофизичната форма на пренос на енергия от едно тяло (или система) към друго, т.е. хаотично топлинно движение.

Липсата на яснота на строги дефиниции на понятието за температура, които също са валидни само за термодинамично равновесни системи, доведе до широкото използване на „утилитарна“ дефиниция, основана на същността на явлението пренос на енергия: температурата е термичното състояние на тяло или система, характеризиращо се със способността му да обменя топлина с друго тяло (или система).

Тази формулировка е приложима както за термодинамично неравновесни системи, така и (с резерви) за психофизиологичната концепция за «сензорна» температура, възприемана директно от човек, използващ органите на термичното докосване.

«Сензорната» температура се субективно оценява от човек директно, но само качествено и в относително тесен интервал, докато физическата температура се измерва количествено и обективно, с помощта на измервателни уреди, но само косвено — чрез стойността на някаква физическа величина в зависимост върху измерената температура.

Следователно, във втория случай се установява някакво референтно (референтно) състояние на температурно зависимото физическо количество, избрано за тази цел, и му се присвоява определена цифрова температурна стойност, така че всяка промяна в състоянието на избраната физическа величина спрямо референтната може да бъде изразена в температурни единици.

Наборът от температурни стойности, съответстващи на поредица от последователни промени в състоянието (т.е. поредица от стойности) на избрано зависимо от температурата количество, образува температурна скала. Най -често срещаните температурни скали са Целзий, Фаренхайт, Реумур, Келвин и Ранкин.

Термометър със скали по Фаренхайт и Целзий

Температурни скали Келвин и Целзий

V 1730 г. Френският натуралист Рене Антоан Реумур (1683-1757), въз основа на предложението на Амотон, отбеляза точката на топене на леда на термометъра като 0, а точката на кипене на водата 80О. V 1742 г. NSВедическият астроном и физик Андерс Целзий (1701 — 1744), след две години тестване на термометъра Reaumur, откри грешка в градуирането на скалата.

Оказа се, че това зависи до голяма степен от атмосферното налягане. Целзий предложи да се определи налягането при калибриране на скалата и Разделих целия температурен диапазон на 100, но присвоих маркировката 100 на точката на топене на леда. По -късно шведът Линей или немският Стремер (според различни източници) смениха обозначенията на контролните точки.

Така се появи широко използваната сега температурна скала на Целзий. Калибрирането му се извършва при нормално атмосферно налягане от 1013,25 hPa.

Температурните скали са създадени от Фаренхайт, Реомур, Нютон (последният неволно избра температурата на човешкото тяло като отправна точка. Е, великите грешат!) И много други. Те не са издържали изпитанието на времето.

Температурната скала на Целзий е приета на I Генерална конференция по теглилки и мерки през 1889 г. Понастоящем градусът по Целзий е официалната единица за измерване на температурата, установена от Международния комитет за теглилки и мерки, но с някои уточнения в определението.

Според горните аргументи е лесно да се заключи, че температурната скала на Целзий не е резултат от дейността на един човек. Целзий е само един от последните изследователи и изобретатели, участвали в неговото развитие. До 1946 г. везната се наричаше просто градусова. Едва тогава Международният комитет за тегла и мерки присвои името „градус по Целзий“ на степента на градуса по Целзий.

Няколко думи за работното тяло на термометрите. Първите създатели на устройства естествено се стремяха да разширят обхвата си на действие. Единственият течен метал при нормални условия е живак.

Нямаше избор. Точката на топене е -38.97 ° С, точката на кипене е + 357.25 ° С. От летливите вещества най -достъпни се оказаха виното или етиловият алкохол. Точка на топене — 114,2 ° C, точка на кипене + 78,46 ° C.

Създадените термометри са подходящи за измерване на температури от -100 до + 300 ° C, което е достатъчно за решаване на повечето практически проблеми. Например минималната температура на въздуха е -89,2 ° C (станция Восток в Антарктида), а максималната е + 59 ° C (пустинята Сахара). Повечето от процесите на термична обработка на водни разтвори са протичали при температури не по -високи от 100 ° C.

Основната мерна единица на термодинамичната температура и в същото време една от основните единици Международна система от единици (SI) е степента на Келвин.

Размерът (температурна междина) от 1 градус по Келвин се определя от факта, че стойността на термодинамичната температура на тройната точка на водата е зададена точно на 273,16 ° К.

Тази температура, при която водата съществува в равновесно състояние в три фази: твърда, течна и газообразна, се приема за основна отправна точка поради високата си възпроизводимост, с порядък по -добра от възпроизводимостта на точките на замръзване и кипене на водата.

Измерването на температурата на тройната точка на водата е технически трудна задача. Следователно, като еталон, той е одобрен едва през 1954 г. на X обща конференция по теглилки и мерки.

Степента на Целзий, в единици от която термодинамичната температура също може да бъде изразена, е точно равна на Келвин по отношение на температурния диапазон, но числената стойност на всяка температура в Целзий е с 273,15 градуса по -висока от стойността на същата температура в Келвин.

Везни на Целзий и Келвин на термометър

Размерът на 1 градус по Келвин (или 1 градус по Целзий), определен от числената стойност на температурата на тройната точка на водата, с модерна точност на измерване не се различава от нейния размер, определен (който беше приет по -рано) като стотна от температурната разлика между точките на замръзване и кипене на водата.

Класификация на методи и устройства за измерване на температурата

Измерването на температурата на тялото или околната среда може да се извърши по два фундаментално различни косвени начина.

Първият път води до измерване на стойностите на едно от температурно зависимите свойства или параметри на състоянието на самото тяло или околната среда, вторият-до измерване на стойностите на температурно зависимите свойства или състояние параметри на спомагателното тяло, приведени (пряко или косвено) в състояние на термично равновесие с тялото или средата, чиято температура се измерва …

Извиква се помощно тяло, което служи за тези цели и е сензор на цялостно устройство за измерване на температурата термометрична (пирометрична) сонда или термичен детектор… Следователно всички методи и устройства за измерване на температурата са разделени на две фундаментално различни групи: без сондиране и сонда.

Термичният детектор или всяко допълнително устройство на устройството може да бъде приведено в директен механичен контакт с тялото или средата, чиято температура се измерва, или между тях може да се осъществи само „оптичен“ контакт.

В зависимост от това всички методи и инструменти за измерване на температурата се разделят на контактни и безконтактни. Сондовите контактни и безконтактните методи и устройства са от най-голямо практическо значение.

Грешки при измерване на температурата

Всички контактни, предимно сондажни, методи за измерване на температурата, за разлика от другите методи, се характеризират с т.нар. термични или термични методологични грешки, дължащи се на факта, че цялостен термометър за сонда (или пирометър) измерва температурната стойност само на чувствителната част на термичния детектор, осреднена по повърхността или обема на тази част.

Междувременно тази температура по правило не съвпада с измерената, тъй като термичният детектор неизбежно изкривява температурното поле, в което е въведен. При измерване на стационарна постоянна температура на тяло или среда се установява определен режим на топлообмен между него и термичния приемник.

Постоянната температурна разлика между термичния детектор и измерената температура на тялото или средата характеризира статичната топлинна грешка при измерване на температурата.

Ако измерената температура се промени, то термичната грешка е функция на времето. Такава динамична грешка може да се разглежда като състояща се от постоянна част, еквивалентна на статичната грешка, и променлива част.

Последното възниква, защото при всяка промяна в преноса на топлина между тяло или среда, чиято температура се измерва, не се установява незабавно нов режим на топлопреминаване. Изоставащото изкривяване на показанията на термометъра или пирометъра, което е функция на времето, се характеризира с топлинната инерция на термометъра.

Топлинните грешки и топлинната инерция на термичния детектор зависят от същите фактори като топлообмена между тяло или среда и термичен детектор: от температурите на термичния детектор и тялото или средата, от техния размер, състав (и оттам свойства ) и състояние, по дизайн, размери, геометрична форма, състояние на повърхността и свойствата на материалите на термичния детектор и телата около него, от тяхното разположение, според който закон измерената температура на тялото или околната среда се променя с течение на времето.

Термичните методологични грешки при измерването на температурата, като правило, са няколко пъти по -високи от инструменталните грешки на термометрите и пирометрите. Намаляването им се постига чрез използване на рационални методи за измерване на температурата и конструкциите на термични детектори и чрез целесъобразно инсталиране на последните на местата на използване.

Подобряването на топлопреминаването между термичния приемник и средата или тялото, чиято температура се измерва, се постига чрез принуждаване на полезни и потискане на вредните фактори на топлопреминаване.

Например, при измерване на температурата на газ в затворен обем, конвективният топлообмен на термичния детектор с газа се увеличава, създавайки бърз поток на газ около термичния детектор («засмукваща» термодвойка), и лъчист топлообмен със стените на обема се намалява, екранирайки термичния детектор («екранирана» термодвойка).

За да се намали топлинната инерция в термометри и пирометри с електрически изходен сигнал, се използват и специални схеми, които изкуствено намаляват времето за нарастване на сигнала с бърза промяна в измерената температура.

Безконтактни методи за измерване на температурата

Възможността за използване на контактни методи при измервания се определя не само от изкривяването на измерената температура от контактния термичен детектор, но и от реалните физико -химични характеристики на материалите на термичния детектор (корозия и механична устойчивост, устойчивост на топлина, и др.).

Безконтактните методи за измерване са свободни от тези ограничения. Най -важният от тях обаче, т.е. въз основа на законите на температурното излъчване са присъщи специални грешки поради факта, че използваните закони са точно валидни само за абсолютно черен излъчвател, от който всички реални физически излъчватели (тела и носители) се различават повече или по -малко по отношение на радиацията Имоти.

В съответствие със законите на радиацията на Кирххоф всяко физическо тяло излъчва по -малко енергия от черно тяло, загрято до същата температура като физическото.

Следователно, устройство за измерване на температурата, калибрирано спрямо черен излъчвател, при измерване на температурата на истински физически излъчвател, ще показва температура, по -ниска от действителната, а именно температурата, при която свойството на черния излъчвател, използвано при калибриране ( радиационната енергия, нейната яркост, нейният спектрален състав и др.), съвпада по стойност със свойството на физически радиатор при дадена действителна температура да се определи.Измерената подценена псевдо температура се нарича черна температура.

Различните методи за измерване водят до различни, като правило, не съвпадащи черни температури: радиационен пирометър показва интеграл или радиация, оптичен пирометър — яркост, цветен пирометър — цветни черни температури.

Преходът от измерени черни към действителни температури се извършва графично или аналитично, ако е известна излъчвателната способност на обекта, чиято температура се измерва.

Излъчвателната способност е съотношението на стойностите на физическите и черните излъчватели, използвани за измерване на радиационните свойства, които имат една и съща температура: с радиационния метод излъчвателната способност е равна на съотношението на общата (по целия спектър) енергии, с оптичния метод, спектралната излъчвателна способност е равна на съотношението на спектралните плътности на сиянието. При равни други условия най-малките грешки от нечерността на излъчвателя се дават от цветен пирометър.

Радикално решение на проблема с измерването на действителната температура на нечерен излъчвател чрез лъчисти методи се постига от изкуствата чрез създаване на условия за него, които да го превърнат в черен излъчвател (например чрез поставяне в практически затворена кухина) .

В някои специални случаи е възможно да се измери действителната температура на нечерен излъчвател с конвенционални радиационни пирометри, използвайки специални техники за измерване на температурата (например осветление, в лъчи с три дължини на вълната, в поляризирана светлина и т.н.).

Общи инструменти за измерване на температура

Огромният диапазон от измерени температури и неизчерпаем брой различни условия и обекти на измерване определят изключително разнообразие и разнообразие от методи и устройства за измерване на температурата.

Най -често срещаните инструменти за измерване на температура са:

Термоелектрически пирометри (термометри);
Термометри с електрическо съпротивление;
Радиационни пирометри;
Оптични абсорбционни пирометри;
Оптични пирометри за яркост;
Цветни пирометри;
Термометри за разширяване на течността;
Термометри с габарит;
Паромерни термометри;
Газови кондензационни термометри;
Пръчкови дилатометрични термометри;
Биметални термометри;
Акустични термометри;
Калориметрични пирометри-пироскопи;
Термични бои;
Парамагнитни солеви термометри.

Най -популярните електрически уреди за измерване на температура:

Термометри за съпротивление

Термистори

Вижте също: Предимства и недостатъци на различни температурни сензори

Многото видове инструменти, изброени по -горе, се използват за измервания по различни методи. Например, се използва термоелектрически термометър:

за контактно измерване на температурата на среди и тела, както и повърхности на последните, без или в комбинация с устройства, които коригират топлинния дисбаланс на термичния детектор и обекта на измерване;
за безконтактно измерване на температурата чрез радиация и някои спектроскопски методи;
за смесен (контактно-безконтактен)-измерване на температурата на течния метал по метода на газовата кухина (измерване на температурата на излъчване на газов мехур, издухан в течния метал в края на тръба, потопена в него с радиация пирометър).

В същото време много методи за измерване на температурата могат да бъдат приложени с устройства от различни видове.

Биметален термометър за измерване на температурата на въздуха