Metody a přístroje pro měření teploty
Co je teplota
Měření teploty je předmětem teoretické a experimentální disciplíny — termometrie, jejíž část pokrývající teploty nad 500 °C se nazývá pyrometrie.
Nejobecnější striktní definice pojmu teplota podle druhého termodynamického zákona je formulována výrazem:
T = dQ /dC,
kde T je absolutní teplota izolovaného termodynamického systému, dQ je přírůstek tepla přeneseného do tohoto systému a dS je přírůstek entropie tohoto systému.
Výše uvedený výraz je interpretován následovně: teplota je mírou nárůstu tepla přeneseného do izolovaného termodynamického systému a odpovídajícímu zvýšení entropie systému, ke kterému v tomto případě dochází, nebo, jinými slovy, zvýšení narušení jeho stavu.
Ve statistické mechanice, která popisuje fáze systému s přihlédnutím k mikroprocesům probíhajícím v makrosystémech, je pojem teploty definován tím, že vyjadřuje rozložení částic molekulárního systému mezi množstvím neobsazených energetických hladin (Gibbsovo rozložení) .
Tato definice (v souladu s předchozí) zdůrazňuje pravděpodobnostní, statistický aspekt pojetí teploty jako hlavního parametru mikrofyzikální formy přenosu energie z jednoho tělesa (či soustavy) do druhého, tzn. chaotický tepelný pohyb.
Nejasnost striktních definic pojmu teplota, které jsou rovněž platné pouze pro termodynamicky vyvážené systémy, vedla k širokému použití „utilitární“ definice založené na podstatě fenoménu přenosu energie: teplota je tepelný stav tělesa nebo systému charakterizovaný jeho schopností vyměňovat teplo s jiným tělesem (nebo systémem).
Tato formulace je použitelná jak pro termodynamicky nerovnovážné systémy, tak (s výhradami) pro psychofyziologický koncept «smyslové» teploty, vnímané přímo člověkem pomocí orgánů tepelného doteku.
"Smyslová" teplota je subjektivně posuzována člověkem přímo, ale pouze kvalitativně a v poměrně úzkém intervalu, zatímco fyzická teplota je měřena kvantitativně a objektivně, pomocí měřicích přístrojů, ale pouze nepřímo - prostřednictvím hodnoty nějaké fyzikální veličiny v závislosti na na naměřené teplotě.
Proto se ve druhém případě ustanoví nějaký referenční (referenční) stav pro tento účel zvolené fyzikální veličiny závislé na teplotě a přiřadí se mu určitá číselná hodnota teploty, takže jakákoli změna stavu zvolené fyzikální veličiny je relativní. k referenci lze vyjádřit v jednotkách teploty.
Soubor teplotních hodnot odpovídající řadě po sobě jdoucích změn stavu (tj. sledu hodnot) zvolené na teplotě závislé veličiny tvoří teplotní stupnici. Nejběžnější teplotní stupnice jsou Celsia, Fahrenheita, Reaumur, Kelvin a Rankine.
Teplotní stupnice Kelvina a Celsia
V 1730 francouzský přírodovědec René Antoine Reumour (1683-1757) na základě Amotonova návrhu označil na teploměru bod tání ledu 0 a bod varu vody 80O. V 1742 NSVedický astronom a fyzik Anders Celsius (1701 — 1744) po dvou letech testování Reaumurova teploměru objevil chybu v dělení stupnice.
Ukázalo se, že to do značné míry závisí na atmosférickém tlaku. Celsius navrhl určit tlak při kalibraci stupnice a celý teplotní rozsah jsem vydělil 100, ale značku 100 přiřadil bodu tání ledu. Později švédský Linnaeus nebo německý Stremmer (podle různých zdrojů) změnili označení kontrolních bodů.
Tak se objevila nyní široce používaná Celsiova teplotní stupnice. Jeho kalibrace se provádí při normálním atmosférickém tlaku 1013,25 hPa.
Teplotní stupnice vytvořili Fahrenheit, Reaumur, Newton (ten si neúmyslně vybral jako výchozí bod teplotu lidského těla.No, ti velcí se mýlí!) A mnoho dalších. Neobstáli ve zkoušce časem.
Celsiova teplotní stupnice byla přijata na 1. Všeobecné konferenci o vahách a mírách v roce 1889. V současné době je oficiální jednotkou měření teploty stanovenou Mezinárodním výborem pro váhy a míry stupeň Celsia, ale s určitými upřesněními v definici.
Podle výše uvedených argumentů lze snadno dojít k závěru, že Celsiova teplotní stupnice není výsledkem činnosti jednoho člověka. Celsius byl pouze jedním z posledních výzkumníků a vynálezců, kteří se podíleli na jeho vývoji. Do roku 1946 se stupnice říkalo jednoduše stupnice. Teprve tehdy Mezinárodní výbor pro váhy a míry přidělil stupňům Celsia název „stupeň Celsia“.
Několik slov o pracovním těle teploměrů. První tvůrci zařízení se přirozeně snažili rozšířit své pole působnosti. Jediným tekutým kovem za normálních podmínek je rtuť.
Nebylo na výběr. Bod tání je -38,97 °C, bod varu + 357,25 °C. Z těkavých látek se jako nejdostupnější ukázalo víno nebo ethylalkohol. Bod tání — 114,2 °C, bod varu + 78,46 °C.
Vytvořené teploměry jsou vhodné pro měření teplot od -100 do + 300 °C, což stačí k vyřešení většiny praktických problémů. Například minimální teplota vzduchu je -89,2 ° C (stanice Vostok v Antarktidě) a maximální + 59 ° C (poušť Sahara). Většina procesů tepelného zpracování vodných roztoků probíhala při teplotách ne vyšších než 100 °C.
Základní jednotka měření termodynamické teploty a zároveň jedna ze základních jednotek Mezinárodní soustava jednotek (SI) je Kelvinův stupeň.
Velikost (teplotní mezera) 1 stupeň Kelvina je dána tím, že hodnota termodynamické teploty trojného bodu vody je nastavena přesně na 273,16°K.
Tato teplota, při které voda existuje v rovnovážném stavu ve třech fázích: pevná, kapalná a plynná, je považována za hlavní výchozí bod pro její vysokou reprodukovatelnost, řádově lepší než reprodukovatelnost bodů tuhnutí a varu vody. .
Měření trojitého bodu teploty vody je technicky náročný úkol. Proto byl jako standard schválen až v roce 1954 na X generální konferenci pro váhy a míry.
Stupeň Celsia, v jednotkách, v nichž lze vyjádřit i termodynamickou teplotu, je z hlediska teplotního rozsahu přesně roven Kelvinům, ale číselná hodnota jakékoli teploty ve stupních Celsia je o 273,15 stupňů vyšší než hodnota stejné teploty v Kelvinech. .
Velikost 1 stupně Kelvina (nebo 1 stupně Celsia), určená číselnou hodnotou teploty trojného bodu vody, se s moderní přesností měření neliší od své velikosti určené (dříve akceptované) jako setina rozdíl teplot mezi bodem tuhnutí a bodu varu vody.
Klasifikace metod a zařízení pro měření teploty
Měření tělesné nebo okolní teploty lze provádět dvěma zásadně odlišnými nepřímými způsoby.
První způsob vede k měření hodnot jedné z teplotně závislých vlastností nebo stavových parametrů těla samotného nebo prostředí, druhý - k měření hodnot teplotně závislých vlastností nebo stavu parametry pomocného tělesa uváděné (přímo či nepřímo) do stavu tepelné rovnováhy s tělesem nebo prostředím, jehož teplota je měřena...
K těmto účelům slouží pomocné těleso, které je čidlem kompletního zařízení pro měření teploty termometrická (pyrometrická) sonda nebo tepelný detektor… Proto jsou všechny metody a zařízení pro měření teploty rozděleny do dvou zásadně odlišných skupin: bez sondování a sondování.
Tepelný detektor nebo jakékoli přídavné zařízení zařízení lze uvést do přímého mechanického kontaktu s tělem nebo médiem, jehož teplota je měřena, nebo mezi nimi může dojít pouze k „optickému“ kontaktu.
V závislosti na tom jsou všechny metody a nástroje pro měření teploty rozděleny do kontaktní i nekontaktní. Největší praktický význam mají sondové kontaktní a bezkontaktní metody a zařízení.
Chyby měření teploty
Všechny kontaktní, většinou vrtací, způsoby měření teploty se na rozdíl od jiných metod vyznačují tkzv tepelné nebo tepelné metodologické chyby způsobené tím, že kompletní sondový teploměr (nebo pyrometr) měří hodnotu teploty pouze citlivé části tepelného detektoru, zprůměrovanou po povrchu nebo objemu této části.
Mezitím se tato teplota zpravidla neshoduje s naměřenou teplotou, protože tepelný detektor nevyhnutelně narušuje teplotní pole, do kterého je zaveden. Při měření stacionární konstantní teploty tělesa nebo prostředí je mezi ním a tepelným přijímačem stanoven určitý způsob výměny tepla.
Konstantní teplotní rozdíl mezi tepelným detektorem a naměřenou teplotou těla nebo prostředí charakterizuje statickou tepelnou chybu při měření teploty.
Pokud se naměřená teplota změní, pak je tepelná chyba funkcí času. Takovou dynamickou chybu lze považovat za sestávající z konstantní části, ekvivalentní statické chybě, a proměnné části.
Ten vzniká proto, že s každou změnou přenosu tepla mezi tělesem nebo médiem, jehož teplota je měřena, není okamžitě stanoven nový způsob přenosu tepla. Zbytkové zkreslení údajů teploměru nebo pyrometru, které je funkcí času, je charakterizováno tepelnou setrvačností teploměru.
Tepelné chyby a tepelná setrvačnost tepelného detektoru závisí na stejných faktorech jako tepelná výměna mezi tělesem nebo prostředím a tepelným detektorem: na teplotách tepelného detektoru a těla nebo prostředí, na jejich velikosti, složení (a tedy vlastnostech) a stavu, podle konstrukce, rozměrů, geometrického tvaru, stavu povrchu a vlastností materiálů tepelného detektoru a těles kolem něj, z jejich uspořádání, podle kterého zákona se v čase mění naměřená teplota tělesa nebo prostředí.
Tepelně metodologické chyby při měření teploty jsou zpravidla několikanásobně vyšší než přístrojové chyby teploměrů a pyrometrů. Jejich snížení je dosaženo použitím racionálních metod měření teploty a konstrukcí tepelných hlásičů a jejich vhodnou instalací v místech použití.
Zlepšení přenosu tepla mezi tepelným přijímačem a okolím nebo tělesem, jehož teplota je měřena, se dosahuje vynucením prospěšných a potlačením škodlivých faktorů přenosu tepla.
Například při měření teploty plynu v uzavřeném prostoru se zvýší konvekční výměna tepla tepelného detektoru s plynem, čímž se vytvoří rychlý proud plynu kolem tepelného detektoru ("sací" termočlánek) a sálavé teplo výměna se stěnami objemu je snížena, stínění tepelného detektoru ("stíněný" termočlánek).
Pro snížení tepelné setrvačnosti u teploměrů a pyrometrů s elektrickým výstupním signálem se také používají speciální obvody, které uměle zkracují dobu náběhu signálu při rychlé změně měřené teploty.
Bezkontaktní metody měření teploty
Možnost použití kontaktních metod při měření je dána nejen zkreslením měřené teploty kontaktním tepelným detektorem, ale také reálnými fyzikálně-chemickými vlastnostmi materiálů tepelného detektoru (koroze a mechanická odolnost, tepelná odolnost, odolnost proti korozi, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu, teplu atd.). atd.).
Bezkontaktní metody měření jsou bez těchto omezení. Nejdůležitější z nich však, tzn.na základě zákonů tepelného záření jsou vlastní zvláštní chyby, protože použité zákony platí přesně pouze pro absolutně černý zářič, od kterého se všechny skutečné fyzikální zářiče (tělesa a nosiče) více či méně liší zářením Vlastnosti .
Podle Kirchhoffových zákonů záření každé fyzické tělo vyzařuje méně energie než černé tělo zahřáté na stejnou teplotu jako fyzické tělo.
Teploměr kalibrovaný proti černému zářiči proto při měření teploty skutečného fyzického zářiče ukáže teplotu nižší, než je skutečná, a to teplotu, při které je vlastnost černého zářiče použitá při kalibraci (radiační energie, jeho jas, jeho spektrální složení atd.), odpovídá v hodnotě vlastnosti fyzického zářiče při dané skutečné teplotě, která má být určena.Naměřená podhodnocená pseudo teplota se nazývá černá teplota.
Různé metody měření vedou k různým, zpravidla neodpovídajícím teplotám černé: radiační pyrometr ukazuje integrál neboli záření, optický pyrometr - jas, barevný pyrometr - barevné teploty černé.
Přechod z naměřené černé na skutečné teploty se provádí graficky nebo analyticky, pokud je známa emisivita objektu, jehož teplota je měřena.
Emisivita je poměr hodnot fyzikálních a černých zářičů použitých k měření radiačních vlastností, které mají stejnou teplotu: u radiační metody se emisivita rovná poměru celkových (v celém spektru) energií, u optické metody je schopnost spektrální emisivity rovna poměru spektrálních hustot záře. Jsou-li všechny ostatní věci stejné, nejmenší chyby nečernosti emitoru jsou dány barevným pyrometrem.
Radikálního řešení problému měření skutečné teploty nečerného zářiče sálavými metodami dosahuje umění vytvořením podmínek pro jeho přeměnu v černý zářič (například umístěním do prakticky uzavřené dutiny) .
V některých speciálních případech je možné měřit skutečnou teplotu nečerného zářiče klasickými radiačními pyrometry pomocí speciálních technik měření teploty (například osvětlení, v třívlnných svazcích, v polarizovaném světle atd.).
Obecné přístroje pro měření teploty
Obrovský rozsah měřených teplot a nepřeberné množství různých podmínek a objektů měření určují mimořádnou rozmanitost a rozmanitost metod a zařízení pro měření teploty.
Nejběžnější přístroje pro měření teploty jsou:
- Termoelektrické pyrometry (teploměry);
- Elektrické odporové teploměry;
- Radiační pyrometry;
- Optické absorpční pyrometry;
- Pyrometry s optickým jasem;
- Barevné pyrometry;
- Kapalinové expanzní teploměry;
- Teploměry;
- Parní teploměry;
- Plynové kondenzační teploměry;
- Tyčinkové dilatometrické teploměry;
- Bimetalové teploměry;
- Akustické teploměry;
- Kalorimetrické pyrometry-pyroskopy;
- Termální barvy;
- Paramagnetické solné teploměry.
Nejoblíbenější elektrická zařízení pro měření teploty:
Viz také: Výhody a nevýhody různých snímačů teploty
Mnoho výše uvedených typů přístrojů se používá pro měření různými metodami. Například se používá termoelektrický teploměr:
- pro kontaktní měření teploty prostředí a těles, jakož i jejich povrchů, bez nebo v kombinaci se zařízeními, která korigují tepelnou nerovnováhu tepelného detektoru a měřeného objektu;
- pro bezkontaktní měření teploty zářením a některými spektroskopickými metodami;
- pro smíšené (kontaktní-bezkontaktní)-měření teploty tekutého kovu metodou plynové dutiny (měření teploty záření plynové bubliny vháněné do tekutého kovu na konci trubice do ní ponořené se zářením pyrometr).
Zároveň lze u zařízení různých typů aplikovat mnoho metod měření teploty.
Například teplotu venkovního a vnitřního vzduchu lze měřit přístroji minimálně 15 typů. Na fotografii je bimetalový teploměr.
Největší teploměr na světě v Baker, Kalifornie
Použití přístrojů na měření teploty:
Měření povrchových teplot termočlánky
Bezdotykové měření teploty při provozu elektrických zařízení