Lämpötilan mittausmenetelmät ja -välineet
Mikä on lämpötila
Lämpötilamittaus on teoreettisen ja kokeellisen tieteenalan – lämpömittarin – kohde, jonka osaa, joka kattaa yli 500 °C:n lämpötilat, kutsutaan pyrometriaksi.
Lämpötilan käsitteen yleisin tiukka määritelmä termodynamiikan toista pääsääntöä noudattaen on muotoiltu lausekkeella:
T = dQ/dC,
missä T on eristetyn termodynaamisen järjestelmän absoluuttinen lämpötila, dQ on tähän järjestelmään siirtyneen lämmön lisäys ja dS on kyseisen järjestelmän entropian kasvu.
Yllä oleva lauseke tulkitaan seuraavasti: lämpötila on mitta eristettyyn termodynaamiseen järjestelmään siirtyvän lämmön kasvusta, joka vastaa tässä tapauksessa tapahtuvaa järjestelmän entropian kasvua, eli toisin sanoen lämmön nousua. sen tilan häiriö.
Tilastomekaniikassa, joka kuvaa järjestelmän vaiheita ottaen huomioon makrojärjestelmissä tapahtuvat mikroprosessit, lämpötilan käsite määritellään ilmaisemalla molekyylijärjestelmän hiukkasten jakautuminen useiden varaamattomien energiatasojen välillä (Gibbsin jakauma) .
Tämä määritelmä (edellisen mukaisesti) korostaa lämpötilakäsitteen todennäköisyyttä, tilastollista puolta kehosta (tai järjestelmästä) toiseen siirtyvän energian mikrofyysisen muodon pääparametrina, ts. kaoottinen lämpöliike.
Lämpötilan käsitteen tiukkojen määritelmien epäselvyys, jotka pätevät myös vain termodynaamisesti tasapainotetuille järjestelmille, on johtanut energiansiirron ilmiön olemukseen perustuvan "utilitaristisen" määritelmän laajaan käyttöön: lämpötila on kehon tai järjestelmän lämpötila, jolle on tunnusomaista sen kyky vaihtaa lämpöä toisen kehon (tai järjestelmän) kanssa.
Tätä formulaatiota voidaan soveltaa sekä termodynaamisesti epätasapainoisiin järjestelmiin että (varauksin) psykofysiologiseen "aistin" lämpötilan käsitteeseen, jonka lämpökosketuselimiä käyttävä henkilö havaitsee suoraan.
"Sensorista" lämpötilaa henkilö arvioi subjektiivisesti suoraan, mutta vain laadullisesti ja suhteellisen kapealla aikavälillä, kun taas fyysistä lämpötilaa mitataan kvantitatiivisesti ja objektiivisesti mittalaitteiden avulla, mutta vain epäsuorasti - jonkin fyysisen suuren arvon kautta riippuen. mitatusta lämpötilasta.
Siksi toisessa tapauksessa tähän tarkoitukseen valitulle lämpötilasta riippuvaiselle fysikaaliselle suurelle muodostetaan jokin referenssitila (referenssitila) ja sille osoitetaan tietty numeerinen lämpötila-arvo, jotta valitun fyysisen suuren tilan muutos suhteessa viite voidaan ilmaista lämpötilayksiköissä.
Lämpötila-arvot, jotka vastaavat valitun lämpötilasta riippuvan suuren peräkkäisten tilanmuutosten sarjaa (eli arvosarjaa), muodostavat lämpötila-asteikon. Yleisimmät lämpötila-asteikot ovat Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin ja Rankine.
Kelvin- ja Celsius-lämpötila-asteikot
V 1730 Ranskalainen luonnontieteilijä René Antoine Reumour (1683-1757) merkitsi Amotonin ehdotuksen perusteella lämpömittariin jään sulamispisteeksi 0 ja veden kiehumispisteeksi 80O. V 1742 NSVedic tähtitieteilijä ja fyysikko Anders Celsius (1701 - 1744) havaitsi kahden vuoden Reaumurin lämpömittarin testauksen jälkeen virheen asteikon asteikossa.
Kävi ilmi, että tämä riippuu suurelta osin ilmanpaineesta. Celsius ehdotti paineen määrittämistä asteikon kalibroinnissa, ja jaoin koko lämpötila-alueen 100:lla, mutta annoin merkin 100 jään sulamispisteelle. Myöhemmin ruotsalainen Linnaeus tai saksalainen Stremmer (eri lähteiden mukaan) muuttivat tarkastuspisteiden nimityksiä.
Näin ilmestyi nykyään laajalti käytetty Celsius-lämpötila-asteikko. Sen kalibrointi suoritetaan normaalissa ilmanpaineessa 1013,25 hPa.
Lämpötila-asteikot loivat Fahrenheit, Reaumur, Newton (jälkimmäinen valitsi vahingossa ihmiskehon lämpötilan lähtöpisteeksi.No, suuret ovat väärässä!) Ja monet muut. He eivät ole kestäneet ajan koetta.
Celsius-lämpötila-asteikko otettiin käyttöön 1. yleisessä paino- ja mittakonferenssissa vuonna 1889. Tällä hetkellä Celsius-aste on Kansainvälisen paino- ja mittakomitean vahvistama virallinen lämpötilan mittayksikkö, mutta määritelmään on tehty joitain selvennyksiä.
Yllä olevien argumenttien mukaan on helppo päätellä, että Celsius-lämpötila-asteikko ei ole seurausta yhden ihmisen toiminnasta. Celsius oli vain yksi viimeisistä tutkijoista ja keksijöistä, jotka osallistuivat sen kehittämiseen. Vuoteen 1946 asti asteikkoa kutsuttiin yksinkertaisesti asteikoksi. Vasta silloin Kansainvälinen paino- ja mittakomitea antoi nimen "celsiusaste" Celsius-asteille.
Muutama sana lämpömittareiden työkappaleesta. Ensimmäiset laitteiden luojat halusivat luonnollisesti laajentaa toiminta-aluettaan. Ainoa nestemäinen metalli normaaleissa olosuhteissa on elohopea.
Ei ollut vaihtoehtoa. Sulamispiste on -38,97 °C, kiehumispiste + 357,25 °C. Haihtuvista aineista viini tai etyylialkoholi osoittautui saatavimmaksi. Sulamispiste - 114,2 ° C, kiehumispiste + 78,46 ° C.
Luodut lämpömittarit soveltuvat lämpötilojen mittaamiseen -100 - + 300 ° C, mikä riittää ratkaisemaan useimmat käytännön ongelmat. Esimerkiksi ilman vähimmäislämpötila on -89,2 ° C (Vostokin asema Etelämantereella) ja maksimi + 59 ° C (Saharan autiomaa). Suurin osa vesiliuosten lämpökäsittelyprosesseista tapahtui enintään 100 °C:n lämpötiloissa.
Termodynaamisen lämpötilan perusmittayksikkö ja samalla yksi perusyksiköistä Kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI) on Kelvin-aste.
1 Kelvin-asteen koko (lämpötilarako) määräytyy sen perusteella, että veden kolmoispisteen termodynaamisen lämpötilan arvoksi on asetettu täsmälleen 273,16 ° K.
Tämä lämpötila, jossa vesi on tasapainotilassa kolmessa faasissa: kiinteänä, nestemäisenä ja kaasumaisena, on otettu päälähtökohdaksi sen korkean toistettavuuden vuoksi, joka on suuruusluokkaa parempi kuin veden jäätymis- ja kiehumispisteiden toistettavuus. .
Veden kolmipistelämpötilan mittaaminen on teknisesti vaikea tehtävä. Siksi se standardina hyväksyttiin vasta vuonna 1954 painojen ja mittojen X yleiskonferenssissa.
Celsiusaste, jonka yksiköissä termodynaaminen lämpötila voidaan myös ilmaista, on lämpötila-alueella tarkalleen yhtä suuri kuin Kelvin, mutta minkä tahansa lämpötilan numeerinen arvo Celsius-asteina on 273,15 astetta suurempi kuin saman lämpötilan arvo kelvineinä. .
Veden kolmoispisteen lämpötilan numeerisella arvolla määritetty 1 Kelvin-aste (tai 1 Celsius-aste) nykyaikaisella mittaustarkkuudella ei poikkea sen koosta, joka on määritetty (joka oli aiemmin hyväksytty) sadasosana lämpötilaero veden jäätymis- ja kiehumispisteiden välillä.
Lämpötilan mittausmenetelmien ja -laitteiden luokittelu
Kehon tai ympäristön lämpötilan mittaus voidaan tehdä kahdella olennaisesti erilaisella epäsuoralla tavalla.
Ensimmäinen tapa johtaa yhden kehon tai ympäristön lämpötilasta riippuvan ominaisuuden tai tilaparametrin arvojen mittaamiseen, toinen - lämpötilasta riippuvien ominaisuuksien tai tilan arvojen mittaamiseen. apukappaleen parametrit, jotka on saatettu (suoraan tai epäsuorasti) lämpötasapainoon sen kehon tai ympäristön kanssa, jonka lämpötilaa mitataan...
Apurunkoa kutsutaan, joka palvelee näitä tarkoituksia ja on täydellisen lämpötilan mittauslaitteen anturi lämpömittari (pyrometrinen) anturi tai lämpöanturi… Siksi kaikki lämpötilan mittausmenetelmät ja -laitteet on jaettu kahteen pohjimmiltaan erilaiseen ryhmään: ilman koettelua ja koetinta.
Lämpöanturi tai mikä tahansa laitteen lisälaite voidaan saattaa suoraan mekaaniseen kosketukseen sen kehon tai väliaineen kanssa, jonka lämpötilaa mitataan, tai niiden välille voidaan muodostaa vain "optinen" kosketus.
Tästä riippuen kaikki lämpötilan mittausmenetelmät ja työkalut on jaettu kontakti ja ei-kontakti. Koetinkosketus- ja kontaktittomat menetelmät ja laitteet ovat käytännönläheisimpiä.
Lämpötilan mittausvirheet
Kaikille kosketus-, enimmäkseen poraus-, lämpötilanmittausmenetelmille, toisin kuin muille menetelmille, on tunnusomaista ns termiset tai termiset metodologiset virheet, jotka johtuvat siitä, että täydellinen anturilämpömittari (tai pyrometri) mittaa vain lämpöilmaisimen herkän osan lämpötila-arvon, joka lasketaan keskiarvona kyseisen osan pinnasta tai tilavuudesta.
Samaan aikaan tämä lämpötila ei pääsääntöisesti ole sama kuin mitattu, koska lämpöanturi väistämättä vääristää lämpötilakenttää, johon se tuodaan. Kun mitataan kehon tai ympäristön kiinteää vakiolämpötilaa, sen ja lämpövastaanottimen välille muodostetaan tietty lämmönvaihtotapa.
Lämpöilmaisimen ja mitatun kehon tai ympäristön lämpötilan välinen jatkuva lämpötilaero kuvaa staattista lämpövirhettä lämpötilamittauksessa.
Jos mitattu lämpötila muuttuu, niin lämpövirhe on ajan funktio. Tällaisen dynaamisen virheen voidaan katsoa koostuvan staattista virhettä vastaavasta vakioosasta ja muuttuvasta osasta.
Jälkimmäinen johtuu siitä, että jokaisella lämmönsiirron muutoksella kappaleen tai väliaineen välillä, jonka lämpötila mitataan, uutta lämmönsiirtotapaa ei heti luoda. Lämpömittarin tai pyrometrin lukemien jäännösvääristymä, joka on ajan funktio, on tunnusomaista lämpömittarin lämpöinertialla.
Lämmönilmaisimen lämpövirheet ja lämpöinertia riippuvat samoista tekijöistä kuin lämmönvaihto kehon tai ympäristön ja lämpöilmaisimen välillä: lämpöilmaisimen ja kehon tai ympäristön lämpötiloista, niiden koosta, koostumuksesta (ja siten ominaisuuksista) ja lämpöilmaisimen ja sitä ympäröivien kappaleiden materiaalien rakenteen, mittojen, geometrisen muodon, pinnan tilan ja ominaisuuksien järjestelyn mukaan niiden järjestelystä, minkä lain mukaan kehon tai ympäristön mitattu lämpötila muuttuu ajan myötä.
Lämpömetodologiset virheet lämpötilamittauksessa ovat pääsääntöisesti useita kertoja suurempia kuin lämpömittareiden ja pyrometrien instrumentaaliset virheet. Niiden vähentäminen saavutetaan käyttämällä järkeviä lämpötilan mittausmenetelmiä ja lämpöilmaisimien rakenteita sekä asentamalla viimeksi mainittuja tarkoituksenmukaisesti käyttökohteisiin.
Lämmönsiirron parantaminen lämpövastaanottimen ja ympäristön tai kehon, jonka lämpötilaa mitataan, välillä saavutetaan pakottamalla hyödyllisiä ja haitallisia lämmönsiirron tekijöitä.
Esimerkiksi, kun mitataan kaasun lämpötilaa suljetussa tilavuudessa, lämpöilmaisimen konvektiivista lämmönvaihtoa kaasun kanssa lisätään, jolloin syntyy nopea kaasuvirtaus lämpöilmaisimen ympärille ("imutermopari") ja säteilylämpö. vaihto tilavuuden seinien kanssa vähenee, mikä suojaa lämpöilmaisinta ("suojattu" termopari).
Sähköisen lähtösignaalin lämpömittareiden ja pyrometrien lämpöinertian vähentämiseksi käytetään myös erityisiä piirejä, jotka vähentävät keinotekoisesti signaalin nousuaikaa mitatun lämpötilan nopealla muutoksella.
Kosketuksettomat lämpötilan mittausmenetelmät
Mahdollisuus käyttää kosketusmenetelmiä mittauksissa ei määräydy ainoastaan kosketuslämpöilmaisimen aiheuttaman mitatun lämpötilan vääristymisen perusteella, vaan myös lämpöilmaisimen materiaalien todellisten fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien perusteella (korroosio- ja mekaaninen kestävyys, lämmönkestävyys, jne.).
Kosketuksettomat mittausmenetelmät ovat vapaita näistä rajoituksista. Kuitenkin niistä tärkein, ts.Lämpötilasäteilyn lakien perusteella erityiset virheet johtuvat siitä, että käytetyt lait pätevät tarkalleen vain täysin mustalle emitterille, josta kaikki todelliset fyysiset emitterit (kehot ja kantajat) eroavat enemmän tai vähemmän säteilyn ominaisuuksien suhteen. .
Kirchhoffin säteilylakien mukaan mikä tahansa fyysinen kappale lähettää vähemmän energiaa kuin musta kappale, joka on kuumennettu samaan lämpötilaan kuin fyysinen kappale.
Siksi mustaa emitteriä vasten kalibroitu lämpötilanmittauslaite, kun mitataan todellisen fyysisen emitterin lämpötilaa, näyttää todellista alhaisemman lämpötilan, eli lämpötilan, jossa kalibroinnissa käytetyn mustan emitterin ominaisuus (säteilyenergia, sen kirkkaus, sen spektrinen koostumus jne.) vastaa arvoltaan fyysisen säteilijän ominaisuutta tietyssä määritettävässä todellisessa lämpötilassa Mitattua aliarvioitua pseudolämpötilaa kutsutaan mustan lämpötilaksi.
Eri mittausmenetelmät johtavat pääsääntöisesti erilaisiin ei-vastaaviin mustan lämpötiloihin: säteilypyrometri näyttää integraalin tai säteilyn, optinen pyrometri - kirkkauden, väripyrometri - värimustan lämpötilat.
Siirtyminen mitatuista mustista todellisiin lämpötiloihin tapahtuu graafisesti tai analyyttisesti, jos kohteen, jonka lämpötilaa mitataan, emissiokyky tunnetaan.
Emissiivisyys on fysikaalisten ja mustien emitterien arvojen suhde, joita käytetään mittaamaan säteilyominaisuudet, joilla on sama lämpötila: säteilymenetelmällä emissiokyky on yhtä suuri kuin kokonaisenergioiden (spektrin poikki) suhde, optisella menetelmällä spektrinen emissiokyky on yhtä suuri kuin hehkun spektritiheyksien suhde. Kaikkien muiden asioiden ollessa sama, pienimmät emitterin ei-mustuusvirheet saadaan väripyrometrillä.
Radikaalinen ratkaisu ongelmaan, joka koskee ei-mustan emitterin todellisen lämpötilan mittaamista säteilymenetelmillä, saavutetaan taiteella luomalla olosuhteet sille, että se muuttaa sen mustaksi emitteriksi (esimerkiksi sijoittamalla se käytännössä suljettuun onteloon). .
Joissakin erikoistapauksissa ei-mustan emitterin todellinen lämpötila on mahdollista mitata tavanomaisilla säteilypyrometreillä erityisillä lämpötilanmittaustekniikoilla (esim. valaistus, kolmen aallonpituuden säteissä, polarisoidussa valossa jne.).
Yleiset lämpötilan mittauslaitteet
Valtava mittauslämpötilojen valikoima ja ehtymätön määrä erilaisia olosuhteita ja mittauskohteita määräävät poikkeuksellisen monenlaisia ja erilaisia menetelmiä ja laitteita lämpötilan mittaamiseen.
Yleisimmät lämpötilan mittauslaitteet ovat:
- Lämpösähköiset pyrometrit (lämpömittarit);
- sähkövastus lämpömittarit;
- Säteilypyrometrit;
- Optiset absorptiopyrometrit;
- Optiset kirkkauspyrometrit;
- Väri pyrometrit;
- Neste laajeneminen lämpömittarit;
- Mittarilämpömittarit;
- Höyryn lämpömittarit;
- Kaasun kondensaatiolämpömittarit;
- Stick dilatometriset lämpömittarit;
- Bimetalliset lämpömittarit;
- Akustiset lämpömittarit;
- Kalorimetriset pyrometrit-pyroskoopit;
- Lämpömaalit;
- Paramagneettiset suolalämpömittarit.
Suosituimmat sähkölaitteet lämpötilan mittaamiseen:
Katso myös: Erilaisten lämpötila-anturien edut ja haitat
Useita edellä lueteltuja instrumentteja käytetään mittauksiin eri menetelmillä. Esimerkiksi lämpösähköistä lämpömittaria käytetään:
- ympäristöjen ja kappaleiden sekä jälkimmäisten pintojen lämpötilan kosketusmittaukseen ilman lämpöilmaisimen ja mittauskohteen lämpöepätasapainoa korjaavia laitteita tai niiden kanssa yhdessä;
- kosketuksettomaan lämpötilan mittaukseen säteilyllä ja joillakin spektroskooppisilla menetelmillä;
- nestemäisen metallin lämpötilan sekamittaukseen (kosketus-ei-kosketus) kaasuontelomenetelmällä (nestemetalliin puhalletun kaasukuplan säteilylämpötilan mittaamiseen siihen säteilyllä upotetun putken päässä pyrometri).
Samaan aikaan monia lämpötilan mittausmenetelmiä voidaan soveltaa erityyppisillä laitteilla.
Esimerkiksi ulko- ja sisäilman lämpötilaa voidaan mitata vähintään 15 tyyppisillä laitteilla. Kuvassa on bimetallilämpömittari.
Maailman suurin lämpömittari Bakerissa, Kaliforniassa
Lämpötilamittauslaitteiden käyttö:
Pintalämpötilojen mittaus termopareilla
Kosketukseton lämpötilan mittaus sähkölaitteiden käytön aikana