Methoden en instrumenten voor het meten van temperatuur

Wat is temperatuur

Temperatuurmeting is het onderwerp van een theoretische en experimentele discipline - thermometrie, waarvan een deel, dat temperaturen boven 500 ° C dekt, pyrometrie wordt genoemd.

De meest algemene strikte definitie van het begrip temperatuur, volgens de tweede wet van de thermodynamica, wordt geformuleerd met de uitdrukking:

T = dQ /dC,

waar T de absolute temperatuur is van een geïsoleerd thermodynamisch systeem, dQ is de toename van de warmte die naar dat systeem wordt overgedragen, en dS is de toename van de entropie van dat systeem.

De bovenstaande uitdrukking wordt als volgt geïnterpreteerd: temperatuur is een maat voor de toename van warmte die wordt overgedragen aan een geïsoleerd thermodynamisch systeem en komt overeen met de toename van de entropie van het systeem die in dit geval optreedt, of met andere woorden, met de toename van de verstoring van zijn staat.

In de statistische mechanica, die de fasen van het systeem beschrijft, rekening houdend met de microprocessen die plaatsvinden in de macrosystemen, wordt het begrip temperatuur gedefinieerd door de verdeling van de deeltjes van een moleculair systeem uit te drukken over een aantal onbezette energieniveaus (Gibbs-verdeling). .

Deze definitie (in overeenstemming met de vorige) benadrukt het probabilistische, statistische aspect van het begrip temperatuur als de belangrijkste parameter van de microfysische vorm van energieoverdracht van het ene lichaam (of systeem) naar het andere, d.w.z. chaotische thermische beweging.

Het gebrek aan duidelijkheid van strikte definities van het begrip temperatuur, die ook alleen geldig zijn voor thermodynamisch gebalanceerde systemen, heeft geleid tot het wijdverbreide gebruik van een "utilitaire" definitie gebaseerd op de essentie van het fenomeen energieoverdracht: temperatuur is de thermische toestand van een lichaam of systeem, gekenmerkt door het vermogen om warmte uit te wisselen met een ander lichaam (of systeem).

Deze formulering is zowel van toepassing op thermodynamisch niet-evenwichtssystemen als (onder voorbehoud) op het psychofysiologische concept van "zintuiglijke" temperatuur, rechtstreeks waargenomen door een persoon die de organen van thermische aanraking gebruikt.

"Zintuiglijke" temperatuur wordt door een persoon direct subjectief beoordeeld, maar alleen kwalitatief en in een relatief smal interval, terwijl fysieke temperatuur kwantitatief en objectief wordt gemeten, met behulp van meetapparatuur, maar alleen indirect - door de waarde van een fysieke grootheid die afhangt van op de gemeten temperatuur.

Daarom wordt in het tweede geval een referentie (referentie) toestand van de temperatuurafhankelijke fysieke grootheid die voor dit doel is geselecteerd, vastgesteld en wordt er een bepaalde numerieke temperatuurwaarde aan toegewezen, zodat elke verandering in de toestand van de geselecteerde fysieke grootheid relatief naar de referentie kan worden uitgedrukt in temperatuureenheden.

De set temperatuurwaarden die overeenkomt met een reeks opeenvolgende toestandsveranderingen (dwz een reeks waarden) van een geselecteerde temperatuurafhankelijke grootheid vormt een temperatuurschaal. De meest voorkomende temperatuurschalen zijn Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin en Rankine.

Kelvin en Celsius temperatuurschalen

V 1730 De Franse natuuronderzoeker René Antoine Reumour (1683-1757), gebaseerd op de suggestie van Amoton, markeerde het smeltpunt van ijs op de thermometer als 0 en het kookpunt van water als 80O. V 1742 NS De vedische astronoom en natuurkundige Anders Celsius (1701 - 1744) ontdekte na twee jaar testen van de Reaumur-thermometer een fout in de schaalverdeling.

Het bleek dat dit grotendeels afhangt van de atmosferische druk. Celsius stelde voor om de druk te bepalen bij het kalibreren van de schaal, en ik deelde het hele temperatuurbereik door 100, maar kende het teken 100 toe aan het smeltpunt van ijs. Later veranderden de Zweedse Linnaeus of de Duitse Stremmer (volgens verschillende bronnen) de aanduidingen van de controlepunten.

Zo ontstond de inmiddels veelgebruikte Celsius-temperatuurschaal. De kalibratie wordt uitgevoerd bij een normale atmosferische druk van 1013,25 hPa.

Temperatuurschalen zijn gemaakt door Fahrenheit, Reaumur, Newton (de laatste koos onbedoeld de temperatuur van het menselijk lichaam als uitgangspunt.Nou, de groten hebben het mis!) En vele anderen. Ze hebben de tand des tijds niet doorstaan.

De Celsius-temperatuurschaal werd aangenomen tijdens de 1e Algemene Conferentie over Gewichten en Maatregelen in 1889. Momenteel is de graad Celsius de officiële eenheid voor temperatuurmeting die is vastgesteld door het Internationale Comité voor Gewichten en Maatregelen, maar met enkele verduidelijkingen in de definitie.

Volgens de bovenstaande argumenten is het gemakkelijk om te concluderen dat de Celsius-temperatuurschaal niet het resultaat is van de activiteit van één persoon. Celsius was slechts een van de laatste onderzoekers en uitvinders die betrokken waren bij de ontwikkeling ervan. Tot 1946 heette de schaal simpelweg een gradenschaal. Pas toen kende het Internationale Comité voor Gewichten en Maatregelen de naam "graad Celsius" toe aan de graad Celsius.

Een paar woorden over het werkende lichaam van thermometers. De eerste makers van apparaten probeerden natuurlijk hun actieradius uit te breiden. Het enige vloeibare metaal onder normale omstandigheden is kwik.

Er was geen keus. Het smeltpunt is -38,97°C, het kookpunt is +357,25°C. Van de vluchtige stoffen bleek wijn of ethylalcohol het meest voorhanden. Smeltpunt - 114,2 ° C, kookpunt + 78,46 ° C.

De gemaakte thermometers zijn geschikt voor het meten van temperaturen van -100 tot +300°C, wat voldoende is om de meeste praktische problemen op te lossen. De minimale luchttemperatuur is bijvoorbeeld -89,2 ° C (Vostok-station op Antarctica) en het maximum is + 59 ° C (Saharawoestijn). De meeste warmtebehandelingsprocessen van waterige oplossingen vonden plaats bij temperaturen niet hoger dan 100 °C.

De basiseenheid voor het meten van thermodynamische temperatuur en tegelijkertijd een van de basiseenheden Internationaal Stelsel van Eenheden (SI) is de graad Kelvin.

De grootte (temperatuurspleet) van 1 graad Kelvin wordt bepaald door het feit dat de waarde van de thermodynamische temperatuur van het tripelpunt van water precies is ingesteld op 273,16 ° K.

Deze temperatuur, waarbij water in een evenwichtstoestand bestaat in drie fasen: vast, vloeibaar en gasvormig, wordt als belangrijkste uitgangspunt genomen vanwege de hoge reproduceerbaarheid, een orde van grootte beter dan de reproduceerbaarheid van het vries- en kookpunt van water .

Het meten van de tripelpunttemperatuur van water is een technisch moeilijke taak. Daarom werd het als standaard pas in 1954 goedgekeurd tijdens de X General Conference on Weights and Measures.

De graad Celsius, in eenheden waarvan ook de thermodynamische temperatuur kan worden uitgedrukt, is qua temperatuurbereik precies gelijk aan de Kelvin, maar de numerieke waarde van elke temperatuur in Celsius is 273,15 graden hoger dan de waarde van dezelfde temperatuur in Kelvin .

De grootte van 1 graad Kelvin (of 1 graad Celsius), bepaald door de numerieke waarde van de temperatuur van het tripelpunt van water, met moderne meetnauwkeurigheid verschilt niet van de grootte bepaald (die eerder werd geaccepteerd) als een honderdste van de temperatuurverschil tussen het vriespunt en het kookpunt van water.

Classificatie van methoden en apparaten voor het meten van temperatuur

Het meten van de lichaams- of omgevingstemperatuur kan op twee fundamenteel verschillende indirecte manieren worden gedaan.

De eerste manier leidt tot het meten van de waarden van een van de temperatuurafhankelijke eigenschappen of toestandsparameters van het lichaam zelf of de omgeving, de tweede - tot het meten van de waarden van de temperatuurafhankelijke eigenschappen of toestand parameters van het hulplichaam (direct of indirect) in een staat van thermisch evenwicht gebracht met het lichaam of de omgeving waarvan de temperatuur wordt gemeten...

Een hulplichaam wordt genoemd dat deze doeleinden dient en een sensor is van een compleet temperatuurmeetapparaat thermometrische (pyrometrische) sonde of thermische detector… Daarom zijn alle methoden en apparaten voor het meten van temperatuur verdeeld in twee fundamenteel verschillende groepen: zonder sonderen en sonderen.

De thermische detector of elk aanvullend apparaat van het apparaat kan in direct mechanisch contact worden gebracht met het lichaam of medium waarvan de temperatuur wordt gemeten, of er mag alleen "optisch" contact tussen worden gemaakt.

Afhankelijk hiervan zijn alle methoden en hulpmiddelen voor het meten van temperatuur onderverdeeld in contact en contactloos. Sondecontact en contactloze methoden en apparaten zijn van het grootste praktische belang.

Fouten bij temperatuurmetingen

Alle contact-, meestal boor-, temperatuurmeetmethoden worden, in tegenstelling tot andere methoden, gekenmerkt door de zogenaamde thermische of thermische methodologische fouten vanwege het feit dat een complete sondethermometer (of pyrometer) de temperatuurwaarde meet van alleen het gevoelige deel van de thermische detector, gemiddeld over het oppervlak of volume van dat deel.

Ondertussen valt deze temperatuur in de regel niet samen met de gemeten temperatuur, aangezien de thermische detector onvermijdelijk het temperatuurveld vervormt waarin het wordt geïntroduceerd. Bij het meten van een stationaire constante temperatuur van een lichaam of omgeving, wordt een bepaalde vorm van warmte-uitwisseling tot stand gebracht tussen het lichaam en de thermische ontvanger.

Het constante temperatuurverschil tussen de thermische detector en de gemeten temperatuur van het lichaam of de omgeving kenmerkt de statische thermische fout bij temperatuurmeting.

Als de gemeten temperatuur verandert, is de thermische fout een functie van de tijd. Een dergelijke dynamische fout kan worden beschouwd als bestaande uit een constant deel, equivalent aan de statische fout, en een variabel deel.

Dit laatste ontstaat doordat bij elke verandering in warmteoverdracht tussen een lichaam of medium waarvan de temperatuur wordt gemeten, niet direct een nieuwe wijze van warmteoverdracht tot stand komt. De resterende vervorming van thermometer- of pyrometeraflezingen, die een functie van de tijd is, wordt gekenmerkt door de thermische traagheid van de thermometer.

Thermische fouten en thermische traagheid van een thermische detector zijn afhankelijk van dezelfde factoren als de warmte-uitwisseling tussen een lichaam of omgeving en een thermische detector: van de temperaturen van de thermische detector en het lichaam of de omgeving, van hun grootte, samenstelling (en dus eigenschappen) en conditie, door ontwerp, afmetingen, geometrische vorm, staat van het oppervlak en eigenschappen van de materialen van de thermische detector en de lichamen eromheen, van hun opstelling, volgens welke wet de gemeten temperatuur van het lichaam of de omgeving in de loop van de tijd verandert.

Thermische methodologische fouten bij temperatuurmeting zijn in de regel meerdere malen hoger dan de instrumentele fouten van thermometers en pyrometers. Hun vermindering wordt bereikt door gebruik te maken van rationele methoden voor temperatuurmeting en constructies van thermische detectoren en door de juiste installatie van deze laatste op de plaatsen van gebruik.

De verbetering van de warmteoverdracht tussen de thermische ontvanger en de omgeving of het lichaam waarvan de temperatuur wordt gemeten, wordt bereikt door gunstige factoren van warmteoverdracht te forceren en te onderdrukken.

Wanneer bijvoorbeeld de temperatuur van een gas in een gesloten volume wordt gemeten, wordt de convectieve warmte-uitwisseling van de thermische detector met het gas vergroot, waardoor een snelle gasstroom rond de thermische detector ontstaat (een "aanzuigend" thermokoppel) en stralingswarmte uitwisseling met de wanden van het volume wordt verminderd, waardoor de thermische detector ("afgeschermd" thermokoppel) wordt afgeschermd.

Om thermische traagheid in thermometers en pyrometers met een elektrisch uitgangssignaal te verminderen, worden ook speciale circuits gebruikt die de signaalstijgingstijd kunstmatig verminderen met een snelle verandering in de gemeten temperatuur.

Contactloze methoden voor temperatuurmeting

De mogelijkheid om contactmethoden te gebruiken bij metingen wordt niet alleen bepaald door de vervorming van de gemeten temperatuur door de thermische contactdetector, maar ook door de werkelijke fysisch-chemische eigenschappen van de materialen van de thermische detector (corrosie en mechanische weerstand, hittebestendigheid, enz.).

Contactloze meetmethoden zijn vrij van deze beperkingen. De belangrijkste daarvan, d.w.z.gebaseerd op de wetten van temperatuurstraling, zijn speciale fouten inherent vanwege het feit dat de gebruikte wetten alleen exact geldig zijn voor een absoluut zwarte zender, waarvan alle echte fysieke zenders (lichamen en dragers) qua straling min of meer verschillen .

Volgens de stralingswetten van Kirchhoff zendt elk fysiek lichaam minder energie uit dan een zwart lichaam dat tot dezelfde temperatuur is verwarmd als het fysieke lichaam.

Daarom zal een temperatuurmeetapparaat dat is gekalibreerd tegen een zwarte zender, bij het meten van de temperatuur van een echte fysieke zender een temperatuur laten zien die lager is dan de werkelijke, namelijk de temperatuur waarbij de eigenschap van de zwarte zender die wordt gebruikt bij de kalibratie (stralingsenergie, zijn helderheid, zijn spectrale samenstelling, etc.), komt qua waarde overeen met de eigenschap van een fysische straler bij een bepaalde werkelijke temperatuur te bepalen.De gemeten onderschatte pseudotemperatuur wordt de zwarttemperatuur genoemd.

Verschillende meetmethoden leiden tot verschillende, in de regel niet-overeenkomende zwarttemperaturen: een stralingspyrometer geeft integraal of straling aan, een optische pyrometer - helderheid, een kleurenpyrometer - kleurzwarttemperaturen.

De overgang van gemeten zwarttinten naar werkelijke temperaturen gebeurt grafisch of analytisch als de emissiviteit van het object waarvan de temperatuur wordt gemeten bekend is.

De emissiviteit is de verhouding van de waarden van de fysieke en zwarte emitters die worden gebruikt om de stralingseigenschappen te meten die dezelfde temperatuur hebben: met de stralingsmethode is de emissiviteit gelijk aan de verhouding van de totale (over het hele spectrum) energieën, bij de optische methode is het spectrale emissievermogen gelijk aan de verhouding van de spectrale dichtheden van de gloed. Als alle andere dingen gelijk zijn, worden de kleinste niet-zwartheidsfouten van de emitter gegeven door een kleurenpyrometer.

Een radicale oplossing voor het probleem van het meten van de werkelijke temperatuur van een niet-zwarte zender door middel van stralingsmethoden wordt bereikt door de kunsten door voorwaarden te scheppen om er een zwarte zender van te maken (bijvoorbeeld door hem in een praktisch gesloten holte te plaatsen) .

In sommige speciale gevallen is het mogelijk om de werkelijke temperatuur van een niet-zwarte zender te meten met conventionele stralingspyrometers met behulp van speciale temperatuurmeettechnieken (bijvoorbeeld verlichting, in bundels met drie golflengten, in gepolariseerd licht, enz.).

Algemene instrumenten voor het meten van temperatuur

Het enorme bereik van gemeten temperaturen en een onuitputtelijk aantal verschillende omstandigheden en meetobjecten bepalen een buitengewone verscheidenheid en verscheidenheid aan methoden en apparaten voor het meten van temperatuur.

De meest gebruikte instrumenten voor het meten van temperatuur zijn:

• Thermo-elektrische pyrometers (thermometers);
• elektrische weerstandsthermometers;
• Stralingspyrometers;
• Optische absorptiepyrometers;
• Pyrometers voor optische helderheid;
• Kleur pyrometers;
• Vloeistofexpansiethermometers;
• Peilthermometers;
• Dampthermometers;
• Gascondensatiethermometers;
• Plak dilametrische thermometers;
• Bimetalen thermometers;
• Akoestische thermometers;
• Calorimetrische pyrometers-pyroscopen;
• Thermische verven;
• Paramagnetische zoutthermometers.

De meest populaire elektrische apparaten voor het meten van temperatuur:

Weerstandsthermometers

Thermistors

Zie ook: Voor- en nadelen van verschillende temperatuursensoren

De vele soorten instrumenten die hierboven zijn vermeld, worden gebruikt voor metingen op verschillende manieren. Er wordt bijvoorbeeld een thermo-elektrische thermometer gebruikt:

• voor contactmeting van de temperatuur van omgevingen en lichamen, evenals oppervlakken daarvan, zonder of in combinatie met apparaten die de thermische onbalans van de thermische detector en het meetobject corrigeren;
• voor contactloze temperatuurmeting door straling en sommige spectroscopische methoden;
• voor gemengde (contactloze) meting van de temperatuur van het vloeibare metaal volgens de gasholtemethode (meting van de stralingstemperatuur van een gasbel die in het vloeibare metaal wordt geblazen aan het uiteinde van een buis die erin is ondergedompeld met een stralingsbron) pyrometer).

Tegelijkertijd kunnen veel temperatuurmeetmethoden worden toegepast met apparaten van verschillende typen.

De buiten- en binnenluchttemperatuur kan bijvoorbeeld worden gemeten door apparaten van ten minste 15 typen. De foto toont een bimetalen thermometer.

'S Werelds grootste thermometer in Baker, Californië

Toepassing van temperatuurmeetinstrumenten:

Meting van oppervlaktetemperaturen met thermokoppels

Infrarood thermografie

Contactloze temperatuurmeting tijdens het gebruik van elektrische apparatuur

Kenmerken van het gebruik van laserthermometers