Hőmérséklet mérési módszerek és műszerek
Mi a hőmérséklet
A hőmérsékletmérés egy elméleti és kísérleti tudományág – a hőmérő – tárgya, amelynek egy részét, amely 500 °C feletti hőmérsékletet fed le, pirometriának nevezik.
A hőmérséklet fogalmának legáltalánosabb szigorú definíciója a termodinamika második főtételét követve a következő kifejezéssel fogalmazódik meg:
T = dQ/dC,
ahol T egy izolált termodinamikai rendszer abszolút hőmérséklete, dQ a rendszerbe átadott hő növekedése, dS pedig a rendszer entrópiájának növekedése.
A fenti kifejezést a következőképpen értelmezzük: a hőmérséklet egy izolált termodinamikai rendszerbe átadott hő növekedésének mértéke, amely megfelel a rendszer entrópiájának ebben az esetben bekövetkező növekedésének, vagy más szóval a hő növekedésének. állapotának megzavarása .
A statisztikus mechanikában, amely a rendszer fázisait írja le, figyelembe véve a makrorendszerekben lezajló mikrofolyamatokat, a hőmérséklet fogalmát úgy határozzák meg, hogy kifejezik egy molekularendszer részecskéinek eloszlását számos nem foglalt energiaszint között (Gibbs-eloszlás). .
Ez a definíció (az előzővel összhangban) a hőmérséklet fogalmának valószínűségi, statisztikai vonatkozását hangsúlyozza, mint az egyik testből (vagy rendszerből) a másikba történő energiaátvitel mikrofizikai formájának fő paraméterét, azaz. kaotikus hőmozgás.
A hőmérséklet fogalmának szigorú definícióinak tisztázatlansága, amelyek szintén csak a termodinamikailag kiegyensúlyozott rendszerekre érvényesek, az energiatranszfer jelenségének lényegén alapuló "utilitarista" definíció elterjedéséhez vezetett: A hőmérséklet egy test vagy rendszer termikus állapota, amelyet az jellemez, hogy képes hőt cserélni egy másik testtel (vagy rendszerrel).
Ez a megfogalmazás egyaránt alkalmazható termodinamikailag nem egyensúlyi rendszerekre és (fenntartásokkal) az „érzékszervi” hőmérséklet pszichofiziológiai fogalmára, amelyet a hőérintéses szerveit használó személy közvetlenül érzékel.
Az „érzékszervi” hőmérsékletet az ember szubjektíven, közvetlenül, de csak minőségileg és viszonylag szűk intervallumban méri, míg a fizikai hőmérsékletet mennyiségileg és objektíven, mérőeszközök segítségével, de csak közvetetten - valamilyen fizikai mennyiség értékétől függően. a mért hőmérsékleten.
Ezért a második esetben az erre a célra kiválasztott hőmérséklettől függő fizikai mennyiség valamilyen referencia (referencia) állapotát hozzuk létre, és egy bizonyos számszerű hőmérsékleti értéket rendelünk hozzá, így a kiválasztott fizikai mennyiség relatív állapotának bármilyen változása. a referencia hőmérsékleti egységekben fejezhető ki.
Egy kiválasztott hőmérséklet-függő mennyiség egymás utáni állapotváltozásainak (azaz értéksorozatnak) megfelelő hőmérsékleti értékek halmaza egy hőmérsékleti skálát alkot. A leggyakoribb hőmérsékleti skálák a Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin és Rankine.
Kelvin és Celsius hőmérsékleti skálák
V 1730 René Antoine Reumour (1683-1757) francia természettudós Amoton javaslata alapján a jég olvadáspontját 0-nak, a víz forráspontját 80O-nak jelölte meg a hőmérőn. V 1742 NSVedikus csillagász és fizikus Anders Celsius (1701-1744) a Reaumur hőmérő két évnyi tesztelése után hibát fedezett fel a skála beosztásában.
Kiderült, hogy ez nagyban függ a légköri nyomástól. A Celsius javasolta a nyomás meghatározását a skála kalibrálásakor, és a teljes hőmérsékleti tartományt elosztottam 100-zal, de a jég olvadáspontjához 100-at rendeltem. Később a svéd Linné vagy a német Stremmer (különböző források szerint) megváltoztatta az ellenőrző pontok kijelölését.
Így jelent meg a ma már széles körben használt Celsius-hőmérséklet-skála. A kalibrálása normál, 1013,25 hPa légköri nyomáson történik.
A hőmérsékleti skálákat Fahrenheit, Reaumur, Newton alkotta meg (utóbbi véletlenül az emberi test hőmérsékletét választotta kiindulópontnak.Nos, a nagyok tévednek!) És még sokan mások. Nem állták ki az idő próbáját.
A Celsius-hőmérséklet-skálát az 1889-es I. Általános Súly- és Mértékkonferencián fogadták el. Jelenleg a Celsius-fok a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Bizottság által meghatározott hivatalos hőmérséklet-mértékegység, de a meghatározásban némi pontosítással.
A fenti érvek alapján könnyen megállapítható, hogy a Celsius-hőmérséklet-skála nem egy ember tevékenységének eredménye. Celsius csak egyike volt az utolsó kutatóknak és feltalálóknak, akik részt vettek a fejlesztésében. 1946-ig ezt a skálát egyszerűen fokskálának nevezték. A Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Bizottság csak ekkor rendelte hozzá a Celsius-fok elnevezést a Celsius-fok fokához.
Néhány szó a hőmérők működő testéről. Az eszközök első megalkotói természetesen igyekeztek bővíteni cselekvési skálájukat. Az egyetlen folyékony fém normál körülmények között a higany.
Nem volt más választás. Olvadáspontja -38,97 ° C, forráspontja + 357,25 ° C. Az illékony anyagok közül a bor vagy az etil-alkohol bizonyult a legelérhetőbbnek. Olvadáspont - 114,2 ° C, forráspont + 78,46 ° C.
A létrehozott hőmérők -100 és + 300 ° C közötti hőmérséklet mérésére alkalmasak, ami elegendő a legtöbb gyakorlati probléma megoldásához. Például a levegő minimális hőmérséklete -89,2 ° C (Vostok állomás az Antarktiszon), a maximum pedig + 59 ° C (Szahara sivatag). A vizes oldatok hőkezelési folyamatainak többsége 100 °C-nál nem magasabb hőmérsékleten zajlott.
A termodinamikai hőmérséklet alapmértékegysége és egyben az egyik alapmértékegysége Nemzetközi mértékegységrendszer (SI) a Kelvin fok.
Az 1 Kelvin fok nagyságát (hőmérsékletrését) az határozza meg, hogy a víz hármaspontjának termodinamikai hőmérsékletének értéke pontosan 273,16 °K-ra van beállítva.
Ezt a hőmérsékletet, amelyen a víz egyensúlyi állapotban három fázisban létezik: szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú, fő kiindulási pontnak tekintjük, mivel nagy reprodukálhatósága, egy nagyságrenddel jobb, mint a víz fagyás- és forráspontjának reprodukálhatósága. .
A víz hárompontos hőmérsékletének mérése technikailag nehéz feladat. Ezért szabványként csak 1954-ben hagyták jóvá a X. Általános Súly- és Mértékkonferencián.
A Celsius-fok, amelynek mértékegységeiben a termodinamikai hőmérséklet is kifejezhető, hőmérséklet-tartományban pontosan megegyezik a Kelvinnel, de bármely Celsius-hőmérséklet számértéke 273,15 fokkal magasabb, mint az azonos hőmérséklet kelvinben kifejezett értéke. .
A víz hármaspontjának hőmérsékletének számértékével meghatározott 1 Kelvin-fok (vagy 1 Celsius-fok) korszerű mérési pontossággal nem tér el a (korábban elfogadott) a víz századrészeként meghatározott méretétől. hőmérséklet különbség a víz fagyáspontja és forráspontja között.
Hőmérsékletmérési módszerek és eszközök osztályozása
A test vagy a környezeti hőmérséklet mérése két alapvetően eltérő közvetett módon történhet.
Az első módszer magának a testnek vagy a környezetnek a hőmérséklettől függő tulajdonságainak vagy állapotparamétereinek értékeinek méréséhez vezet, a második a hőmérséklettől függő tulajdonságok vagy állapotok értékeinek méréséhez. a segédtest paraméterei, amelyeket (közvetlenül vagy közvetve) termikus egyensúlyi állapotba hoztak azzal a testtel vagy környezettel, amelynek hőmérsékletét mérik...
Egy segédtestet hívnak, amely ezeket a célokat szolgálja, és egy komplett hőmérsékletmérő készülék érzékelője hőmérős (pirometrikus) szonda vagy hődetektor… Ezért minden hőmérsékletmérési módszert és eszközt két alapvetően különböző csoportra osztanak: szondázás és szondázás nélkül.
A hőérzékelő vagy a készülék bármely kiegészítő eszköze közvetlenül mechanikai érintkezésbe hozható azzal a testtel vagy közeggel, amelynek hőmérsékletét mérik, vagy csak "optikai" érintkezés jöhet létre közöttük.
Ettől függően a hőmérséklet mérésére szolgáló összes módszer és eszköz fel van osztva kontaktus és nem érintkezés. Legnagyobb gyakorlati jelentőséggel bírnak a szondaérintkezős és érintésmentes módszerek, eszközök.
Hőmérséklet mérési hibák
A hőmérséklet mérésének minden érintkezési, többnyire fúrós módszerére, a többi módszertől eltérően, az ún termikus vagy termikus módszertani hibák abból adódóan, hogy egy komplett szondás hőmérő (vagy pirométer) csak a hőérzékelő érzékeny részének hőmérsékleti értékét méri, az adott rész felületére vagy térfogatára átlagolva.
Eközben ez a hőmérséklet általában nem esik egybe a mért értékkel, mivel a hőérzékelő elkerülhetetlenül torzítja azt a hőmérsékleti mezőt, amelybe bekerül. Egy test vagy környezet stacionárius állandó hőmérsékletének mérésekor egy bizonyos hőcsere mód jön létre a test és a hővevő között.
A hőérzékelő és a test vagy környezet mért hőmérséklete közötti állandó hőmérsékletkülönbség jellemzi a hőmérsékletmérés statikus hőhibáját.
Ha a mért hőmérséklet változik, akkor a termikus hiba az idő függvénye. Az ilyen dinamikus hibát úgy tekinthetjük, mint amely a statikus hibával egyenértékű állandó részből és egy változó részből áll.
Ez utóbbi azért merül fel, mert a mért hőmérsékletű test vagy közeg közötti hőátadás minden változásával nem jön létre azonnal új hőátadási mód. A hőmérő vagy pirométer leolvasásának maradék torzulását, amely az idő függvénye, a hőmérő hőtehetetlensége jellemzi.
A hőérzékelő hőhibái és hőtehetetlensége ugyanazoktól a tényezőktől függ, mint a test vagy a környezet és a hőérzékelő közötti hőcsere: a hőérzékelő és a test vagy a környezet hőmérsékletétől, méretétől, összetételétől (és így tulajdonságaitól) valamint a hőérzékelő és a körülötte lévő testek kialakítása, méretei, geometriai alakja, felületének állapota és anyagainak tulajdonságai, azok elrendezéséből fakadó állapot, amely törvény szerint a test vagy a környezet mért hőmérséklete idővel változik.
A hőmérsékletmérés termikus módszertani hibái általában többszörösek, mint a hőmérők és pirométerek műszeres hibái. Csökkentésük racionális hőmérsékletmérési módszerekkel és hőérzékelők felépítésével, illetve ez utóbbiak felhasználási helyeken történő megfelelő telepítésével érhető el.
A hőfogadó és a mért környezet vagy test közötti hőátadás javítása a hőátadás előnyös és káros tényezőinek kikényszerítésével érhető el.
Például, amikor egy gáz hőmérsékletét zárt térfogatban mérik, a hőérzékelő konvektív hőcseréje a gázzal megnő, ami gyors gázáramlást hoz létre a hőérzékelő körül ("szívó" hőelem), és sugárzó hőt. a térfogat falaival való csere csökken, árnyékolva a hőérzékelőt ("árnyékolt" hőelem).
Az elektromos kimeneti jellel rendelkező hőmérők és pirométerek hőtehetetlenségének csökkentésére speciális áramköröket is alkalmaznak, amelyek mesterségesen csökkentik a jel emelkedési idejét a mért hőmérséklet gyors változásával.
Érintésmentes hőmérsékletmérés módszerei
Az érintkezési módszerek mérésekben való alkalmazásának lehetőségét nemcsak a mért hőmérséklet kontakt hődetektor általi torzítása határozza meg, hanem a hődetektor anyagainak valós fizikai-kémiai jellemzői (korrózió- és mechanikai ellenállás, hőállóság, stb.).
Az érintésmentes mérési módszerek mentesek ezektől a korlátozásoktól. Közülük azonban a legfontosabb, i.e.a hőmérsékleti sugárzás törvényei alapján speciális hibák erednek abból a tényből adódóan, hogy az alkalmazott törvények pontosan csak egy abszolút fekete sugárzóra érvényesek, amelytől az összes valós fizikai sugárzó (testek és hordozók) többé-kevésbé eltér a sugárzási tulajdonságokat tekintve. .
Kirchhoff sugárzási törvényei szerint bármely fizikai test kevesebb energiát bocsát ki, mint egy fekete test, amelyet a fizikai testtel azonos hőmérsékletre hevítenek.
Ezért a fekete emitterhez kalibrált hőmérsékletmérő készülék a valódi fizikai emitter hőmérsékletének mérése során a ténylegesnél alacsonyabb hőmérsékletet mutat, vagyis azt a hőmérsékletet, amelyen a fekete emitter kalibráláshoz használt tulajdonsága (sugárzási energia, fényereje, spektrális összetétele stb.) értékében megegyezik egy fizikai sugárzó adott, ténylegesen meghatározandó hőmérsékletű tulajdonságával.A mért alulbecsült álhőmérsékletet fekete hőmérsékletnek nevezzük.
A különböző mérési módszerek általában eltérő, nem egyező fekete hőmérsékletekhez vezetnek: a sugárzási pirométer integrált vagy sugárzást, az optikai pirométer - fényerőt, a színes pirométer - a fekete színhőmérsékletet mutatja.
A mért feketékről a tényleges hőmérsékletekre való átmenet grafikusan vagy analitikusan történik, ha ismert a mért tárgy emissziós tényezője.
Az emissziós tényező az azonos hőmérsékletű sugárzási tulajdonságok mérésére használt fizikai és fekete emitterek értékeinek aránya: sugárzásos módszerrel az emissziós tényező megegyezik a teljes (spektrumon átívelő) energiák arányával, az optikai módszerrel a spektrális emissziós képesség megegyezik az izzás spektrális sűrűségének arányával. Ha minden más tényező egyenlő, a legkisebb emitter nem feketeségi hibákat egy színpirométer adja meg.
A nem fekete sugárzó tényleges hőmérsékletének sugárzási módszerekkel történő mérésének problémájára a művészet radikális megoldást úgy ér el, hogy feltételeket teremt ahhoz, hogy fekete sugárzóvá változzon (például gyakorlatilag zárt üregbe helyezve). .
Egyes speciális esetekben hagyományos sugárzási pirométerekkel is meg lehet mérni a nem fekete sugárzó tényleges hőmérsékletét speciális hőmérsékletmérési technikákkal (például megvilágítás, három hullámhosszú nyalábokban, polarizált fényben stb.).
Általános műszerek a hőmérséklet mérésére
A mért hőmérsékletek hatalmas tartománya, valamint a különféle körülmények és mérési objektumok kimeríthetetlen száma a hőmérsékletmérési módszerek és eszközök rendkívüli változatosságát és változatosságát határozza meg.
A hőmérséklet mérésére a leggyakoribb műszerek a következők:
- Termoelektromos pirométerek (hőmérők);
- elektromos ellenálláshőmérők;
- Sugárzási pirométerek;
- Optikai abszorpciós pirométerek;
- Optikai fényerősségmérők;
- Színes pirométerek;
- Folyadéktágulási hőmérők;
- Mérős hőmérők;
- Gőz hőmérők;
- Gázkondenzációs hőmérők;
- Pálcás dilatometrikus hőmérők;
- Bimetall hőmérők;
- Akusztikus hőmérők;
- Kalorimetriás pirométerek-piroszkópok;
- Hőfestékek;
- Paramágneses sóhőmérők.
A legnépszerűbb elektromos készülékek a hőmérséklet mérésére:
Lásd még: A különböző hőmérséklet-érzékelők előnyei és hátrányai
A fent felsorolt sokféle műszert különböző módszerekkel történő mérésekhez használják. Például termoelektromos hőmérőt használnak:
- környezetek és testek, valamint ez utóbbiak felületeinek hőmérsékletének kontaktmérésére, a hőérzékelő és a mérőtárgy hőkiegyensúlyozatlanságát korrigáló eszközök nélkül vagy olyan eszközökkel kombinálva;
- érintésmentes hőmérsékletmérés sugárzással és egyes spektroszkópiai módszerekkel;
- a folyékony fém hőmérsékletének vegyes (érintésmentes) mérésére gázüreges módszerrel (besugárzással belemerült cső végén a folyékony fémbe fújt gázbuborék sugárzási hőmérsékletének mérése pirométer).
Ugyanakkor számos hőmérsékletmérési módszer alkalmazható különféle típusú készülékekkel.
Például a kültéri és a beltéri levegő hőmérséklete legalább 15 típusú készülékkel mérhető. A képen egy bimetál hőmérő látható.
A világ legnagyobb hőmérője a kaliforniai Bakerben
Hőmérsékletmérő műszerek alkalmazása:
Felületi hőmérséklet mérése hőelemekkel
Érintésmentes hőmérsékletmérés elektromos berendezések működése közben