Mga pamamaraan at instrumento para sa pagsukat ng temperatura
Ano ang temperatura
Ang pagsukat ng temperatura ay ang paksa ng isang teoretikal at pang-eksperimentong disiplina - thermometry, isang bahagi nito, na sumasaklaw sa mga temperatura na higit sa 500 ° C, ay tinatawag na pyrometry.
Ang pinaka-pangkalahatang mahigpit na kahulugan ng konsepto ng temperatura, na sumusunod sa ikalawang batas ng thermodynamics, ay nabuo gamit ang expression:
T = dQ /dC,
kung saan ang T ay ang ganap na temperatura ng isang nakahiwalay na thermodynamic system, ang dQ ay ang pagtaas ng init na inilipat sa sistemang iyon, at ang dS ay ang pagtaas ng entropy ng sistemang iyon.
Ang expression sa itaas ay binibigyang kahulugan bilang mga sumusunod: ang temperatura ay isang sukatan ng pagtaas ng init na inilipat sa isang nakahiwalay na thermodynamic system at naaayon sa pagtaas ng entropy ng system na nangyayari sa kasong ito, o, sa madaling salita, sa pagtaas ng ang kaguluhan ng estado nito.
Sa istatistikal na mekanika, na naglalarawan sa mga yugto ng sistema, na isinasaalang-alang ang mga microprocess na nagaganap sa mga macrosystem, ang konsepto ng temperatura ay tinukoy sa pamamagitan ng pagpapahayag ng pamamahagi ng mga particle ng isang molekular na sistema sa pagitan ng isang bilang ng mga antas ng enerhiya na walang tao (Gibbs distribution) .
Ang kahulugan na ito (alinsunod sa nauna) ay nagbibigay-diin sa probabilistiko, istatistikal na aspeto ng konsepto ng temperatura bilang pangunahing parameter ng microphysical form ng paglipat ng enerhiya mula sa isang katawan (o sistema) patungo sa isa pa, i.e. magulong thermal motion.
Ang kakulangan ng kalinawan ng mahigpit na mga kahulugan ng konsepto ng temperatura, na wasto din para lamang sa mga thermodynamically balanced system, ay humantong sa malawakang paggamit ng isang "utilitarian" na kahulugan batay sa kakanyahan ng phenomenon ng paglipat ng enerhiya: ang temperatura ay ang thermal state ng isang katawan o sistema na nailalarawan sa kakayahan nitong makipagpalitan ng init sa ibang katawan (o sistema).
Ang pormulasyon na ito ay naaangkop sa parehong thermodynamically non-equilibrium system at (na may mga reserbasyon) sa psychophysiological na konsepto ng "sensory" na temperatura, na direktang nakikita ng isang tao na gumagamit ng mga organo ng thermal touch.
Ang temperatura ng "Sensory" ay subjectively na tinasa ng isang tao nang direkta, ngunit lamang sa qualitatively at sa isang medyo makitid na agwat, habang ang pisikal na temperatura ay sinusukat quantitatively at objectively, sa tulong ng mga aparato sa pagsukat, ngunit lamang hindi direkta - sa pamamagitan ng halaga ng ilang pisikal na dami depende sa sinusukat na temperatura.
Samakatuwid, sa pangalawang kaso, ang ilang sanggunian (sanggunian) na estado ng pisikal na dami na nakadepende sa temperatura na napili para sa layuning ito ay itinatag at isang tiyak na halaga ng temperatura ng numero ang itinalaga dito, upang ang anumang pagbabago sa estado ng napiling pisikal na dami ng kamag-anak sa sanggunian ay maaaring ipahayag sa mga yunit ng temperatura.
Ang hanay ng mga halaga ng temperatura na tumutugma sa isang serye ng mga sunud-sunod na pagbabago sa estado (ibig sabihin, isang pagkakasunud-sunod ng mga halaga) ng isang napiling dami na umaasa sa temperatura ay bumubuo ng isang sukat ng temperatura. Ang pinakakaraniwang sukat ng temperatura ay Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin, at Rankine.
Mga kaliskis ng temperatura ng Kelvin at Celsius
V 1730 French naturalist René Antoine Reumour (1683-1757), batay sa mungkahi ni Amoton, minarkahan ang natutunaw na punto ng yelo sa thermometer bilang 0, at ang kumukulo ng tubig bilang 80O. V 1742 NSVedic astronomer at physicist Anders Celsius (1701 — 1744), pagkatapos ng dalawang taon ng pagsubok sa Reaumur thermometer, ay nakatuklas ng error sa graduation ng scale.
Ito ay naging higit na nakasalalay sa presyon ng atmospera. Iminungkahi ng Celsius na matukoy ang presyon kapag nag-calibrate ng sukat, at hinati ko ang buong saklaw ng temperatura ng 100, ngunit itinalaga ang markang 100 sa punto ng pagkatunaw ng yelo. Nang maglaon, binago ng Swedish Linnaeus o German Stremmer (ayon sa iba't ibang mapagkukunan) ang mga pagtatalaga ng mga control point.
Kaya lumitaw ang ngayon ay malawakang ginagamit na sukat ng temperatura ng Celsius. Ang pagkakalibrate nito ay ginagawa sa normal na atmospheric pressure na 1013.25 hPa.
Ang mga sukat ng temperatura ay nilikha ng Fahrenheit, Reaumur, Newton (hindi sinasadyang pinili ng huli ang temperatura ng katawan ng tao bilang panimulang punto.Well, mali ang mga magagaling!) At marami pang iba. Hindi sila nakatiis sa pagsubok ng panahon.
Ang Celsius temperature scale ay pinagtibay sa 1st General Conference on Weights and Measures noong 1889. Sa kasalukuyan, ang degree Celsius ay ang opisyal na yunit ng pagsukat ng temperatura na itinatag ng International Committee of Weights and Measures, ngunit may ilang mga paglilinaw sa kahulugan.
Ayon sa mga argumento sa itaas, madaling tapusin na ang sukat ng temperatura ng Celsius ay hindi resulta ng aktibidad ng isang tao. Ang Celsius ay isa lamang sa mga huling mananaliksik at imbentor na kasangkot sa pagbuo nito. Hanggang 1946, ang iskala ay tinawag lamang na antas ng antas. Noon lamang itinalaga ng International Committee of Weights and Measures ang pangalang "degree Celsius" sa antas ng degrees Celsius.
Ilang salita tungkol sa gumaganang katawan ng mga thermometer. Ang mga unang gumawa ng mga device ay natural na naghangad na palawakin ang kanilang hanay ng pagkilos. Ang tanging likidong metal sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay mercury.
Walang choice. Ang punto ng pagkatunaw ay -38.97 ° C, ang punto ng kumukulo ay + 357.25 ° C. Sa mga pabagu-bagong sangkap, ang alak o ethyl alcohol ay naging pinaka magagamit. Punto ng pagkatunaw — 114.2 ° C, punto ng kumukulo + 78.46 ° C.
Ang mga nilikha na thermometer ay angkop para sa pagsukat ng mga temperatura mula -100 hanggang + 300 ° C, na sapat upang malutas ang karamihan sa mga praktikal na problema. Halimbawa, ang minimum na temperatura ng hangin ay -89.2 ° C (Vostok station sa Antarctica), at ang maximum ay + 59 ° C (Sahara desert). Karamihan sa mga proseso ng paggamot sa init ng mga may tubig na solusyon ay naganap sa mga temperatura na hindi mas mataas sa 100 °C.
Ang pangunahing yunit ng pagsukat ng thermodynamic na temperatura at sa parehong oras ang isa sa mga pangunahing yunit International System of Units (SI) ay ang Kelvin degree.
Ang laki (temperatura gap) ng 1 degree na Kelvin ay tinutukoy ng katotohanan na ang halaga ng thermodynamic na temperatura ng triple point ng tubig ay eksaktong nakatakda sa 273.16 ° K.
Ang temperatura na ito, kung saan ang tubig ay umiiral sa isang estado ng balanse sa tatlong yugto: solid, likido at gas, ay kinuha bilang pangunahing panimulang punto dahil sa mataas na reproducibility nito, isang pagkakasunud-sunod ng magnitude na mas mahusay kaysa sa reproducibility ng pagyeyelo at pagkulo ng tubig. .
Ang pagsukat ng triple point na temperatura ng tubig ay isang teknikal na mahirap na gawain. Samakatuwid, bilang pamantayan, naaprubahan lamang ito noong 1954 sa X General Conference on Weights and Measures.
Ang degree Celsius, sa mga yunit kung saan ang thermodynamic na temperatura ay maaari ding ipahayag, ay eksaktong katumbas ng Kelvin sa mga tuntunin ng hanay ng temperatura, ngunit ang numerical na halaga ng anumang temperatura sa Celsius ay 273.15 degrees na mas mataas kaysa sa halaga ng parehong temperatura sa Kelvin .
Ang laki ng 1 degree Kelvin (o 1 degree Celsius), na tinutukoy ng numerical na halaga ng temperatura ng triple point ng tubig, na may modernong katumpakan ng pagsukat ay hindi naiiba sa laki nito na tinutukoy (na dating tinanggap) bilang isang daan ng pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng pagyeyelo at pagkulo ng tubig.
Pag-uuri ng mga pamamaraan at aparato para sa pagsukat ng temperatura
Ang pagsukat ng temperatura ng katawan o kapaligiran ay maaaring gawin sa dalawang pangunahing magkaibang hindi direktang paraan.
Ang unang paraan ay humahantong sa pagsukat ng mga halaga ng isa sa mga katangian na umaasa sa temperatura o mga parameter ng estado ng katawan mismo o sa kapaligiran, ang pangalawa - sa pagsukat ng mga halaga ng mga katangian o estado na umaasa sa temperatura. mga parameter ng auxiliary body na dinala (direkta o hindi direkta) sa isang estado ng thermal equilibrium sa katawan o kapaligiran na ang temperatura ay sinusukat...
Ang isang auxiliary body ay tinatawag na nagsisilbi sa mga layuning ito at isang sensor ng isang kumpletong aparato sa pagsukat ng temperatura thermometric (pyrometric) probe o thermal detector… Samakatuwid, ang lahat ng mga pamamaraan at aparato para sa pagsukat ng temperatura ay nahahati sa dalawang pangunahing magkakaibang grupo: nang walang pagsisiyasat at pagsisiyasat.
Ang thermal detector o anumang karagdagang device ng device ay maaaring madala sa direktang mekanikal na kontak sa katawan o medium na sinusukat ang temperatura, o tanging "optical" na contact ang maaaring gawin sa pagitan ng mga ito.
Depende sa ito, ang lahat ng mga pamamaraan at tool para sa pagsukat ng temperatura ay nahahati sa contact at non-contact. Ang probe contact at contactless na mga pamamaraan at device ay pinakamahalagang praktikal.
Mga error sa pagsukat ng temperatura
Ang lahat ng contact, karamihan sa pagbabarena, mga paraan ng pagsukat ng temperatura, hindi katulad ng iba pang mga pamamaraan, ay nailalarawan sa pamamagitan ng tinatawag na thermal o thermal methodological error dahil sa ang katunayan na ang isang kumpletong probe thermometer (o pyrometer) ay sumusukat sa halaga ng temperatura ng sensitibong bahagi lamang ng thermal detector, na na-average sa ibabaw o dami ng bahaging iyon.
Samantala, ang temperatura na ito, bilang panuntunan, ay hindi nag-tutugma sa sinusukat, dahil ang thermal detector ay hindi maaaring hindi masira ang patlang ng temperatura kung saan ito ipinakilala. Kapag sinusukat ang isang nakatigil na pare-pareho ang temperatura ng isang katawan o kapaligiran, ang isang tiyak na paraan ng pagpapalitan ng init ay itinatag sa pagitan nito at ng thermal receiver.
Ang patuloy na pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng thermal detector at ng sinusukat na temperatura ng katawan o kapaligiran ay nagpapakilala sa static na thermal error sa pagsukat ng temperatura.
Kung nagbabago ang sinusukat na temperatura, ang thermal error ay isang function ng oras. Ang ganitong dynamic na error ay maaaring ituring na binubuo ng isang pare-parehong bahagi, katumbas ng static na error, at isang variable na bahagi.
Ang huli ay lumitaw dahil sa bawat pagbabago sa paglipat ng init sa pagitan ng isang katawan o daluyan na ang temperatura ay sinusukat, ang isang bagong paraan ng paglipat ng init ay hindi kaagad naitatag. Ang natitirang pagbaluktot ng mga pagbabasa ng thermometer o pyrometer, na isang function ng oras, ay nailalarawan sa pamamagitan ng thermal inertia ng thermometer.
Ang mga thermal error at thermal inertia ng isang thermal detector ay nakasalalay sa parehong mga salik tulad ng pagpapalitan ng init sa pagitan ng isang katawan o kapaligiran at isang thermal detector: sa mga temperatura ng thermal detector at ng katawan o kapaligiran, sa kanilang laki, komposisyon (at samakatuwid ay mga katangian ) at kundisyon, ayon sa disenyo, mga sukat, geometric na hugis, estado ng ibabaw at mga katangian ng mga materyales ng thermal detector at mga katawan sa paligid nito, mula sa kanilang pagkakaayos, ayon sa kung aling batas ang sinusukat na temperatura ng katawan o kapaligiran ay nagbabago sa paglipas ng panahon.
Ang mga thermal methodological error sa pagsukat ng temperatura, bilang panuntunan, ay ilang beses na mas mataas kaysa sa mga instrumental na error ng mga thermometer at pyrometer. Ang kanilang pagbawas ay nakamit sa pamamagitan ng paggamit ng mga makatwirang pamamaraan ng pagsukat ng temperatura at mga konstruksyon ng mga thermal detector at sa pamamagitan ng naaangkop na pag-install ng huli sa mga lugar ng paggamit.
Ang pagpapabuti ng paglipat ng init sa pagitan ng thermal receiver at ng kapaligiran o ng katawan na ang temperatura ay sinusukat ay nakakamit sa pamamagitan ng pagpilit ng kapaki-pakinabang at pagsugpo sa mga nakakapinsalang salik ng paglipat ng init.
Halimbawa, kapag sinusukat ang temperatura ng isang gas sa isang closed volume, ang convective heat exchange ng thermal detector na may gas ay tumataas, na lumilikha ng mabilis na daloy ng gas sa paligid ng thermal detector (isang "suction" thermocouple), at nagliliwanag na init. exchange sa mga pader ng lakas ng tunog ay nabawasan, shielding ang thermal detector ("shielded" thermocouple).
Upang mabawasan ang thermal inertia sa mga thermometer at pyrometer na may electrical output signal, ginagamit din ang mga espesyal na circuit na artipisyal na binabawasan ang oras ng pagtaas ng signal na may mabilis na pagbabago sa sinusukat na temperatura.
Non-contact na paraan ng pagsukat ng temperatura
Ang posibilidad ng paggamit ng mga paraan ng pakikipag-ugnay sa mga sukat ay natutukoy hindi lamang sa pagbaluktot ng sinusukat na temperatura ng contact thermal detector, kundi pati na rin ng mga tunay na katangian ng physico-kemikal ng mga materyales ng thermal detector (kaagnasan at mekanikal na paglaban, paglaban sa init, atbp.).
Ang mga paraan ng pagsukat na hindi nakikipag-ugnayan ay libre mula sa mga limitasyong ito. Gayunpaman, ang pinakamahalaga sa kanila, i.e.batay sa mga batas ng radiation ng temperatura, ang mga espesyal na error ay likas dahil sa ang katunayan na ang mga batas na ginamit ay eksaktong wasto lamang para sa isang ganap na itim na emitter, kung saan ang lahat ng mga tunay na pisikal na emitters (mga katawan at carrier) ay naiiba nang higit pa o mas kaunti sa mga tuntunin ng radiation Properties .
Ayon sa mga batas ng radiation ni Kirchhoff, ang anumang pisikal na katawan ay naglalabas ng mas kaunting enerhiya kaysa sa isang itim na katawan na pinainit sa parehong temperatura ng pisikal na katawan.
Samakatuwid, ang isang aparato sa pagsukat ng temperatura na na-calibrate laban sa isang itim na emitter, kapag sinusukat ang temperatura ng isang tunay na pisikal na emitter, ay magpapakita ng isang temperatura na mas mababa kaysa sa aktwal na isa, lalo na ang temperatura kung saan ang pag-aari ng itim na emitter na ginamit sa pagkakalibrate (radiative energy, ang liwanag nito, ang spectral na komposisyon nito, atbp.), ay tumutugma sa halaga sa katangian ng isang pisikal na radiator sa isang partikular na aktwal na temperatura upang matukoy. Ang sinusukat na underestimated na pseudo na temperatura ay tinatawag na itim na temperatura.
Ang iba't ibang mga paraan ng pagsukat ay humahantong sa iba't ibang, bilang isang panuntunan, hindi tumutugma sa mga itim na temperatura: ang isang radiation pyrometer ay nagpapakita ng integral o radiation, isang optical pyrometer - liwanag, isang color pyrometer - kulay itim na temperatura.
Ang paglipat mula sa sinusukat na mga itim patungo sa aktwal na temperatura ay ginagawa sa graphically o analytically kung ang emissivity ng bagay na ang temperatura ay sinusukat ay kilala.
Ang emissivity ay ang ratio ng mga halaga ng pisikal at itim na emitters na ginagamit upang masukat ang mga katangian ng radiative na may parehong temperatura: na may radiative na paraan, ang emissivity ay katumbas ng ratio ng kabuuang (sa buong spectrum) na mga enerhiya, gamit ang optical method, ang spectral emissivity ability ay katumbas ng ratio ng spectral densities ng glow. Ang lahat ng iba pang mga bagay ay pantay, ang pinakamaliit na emitter non-blackness error ay ibinibigay ng isang color pyrometer.
Ang isang radikal na solusyon sa problema ng pagsukat ng aktwal na temperatura ng isang di-itim na emitter sa pamamagitan ng mga nagliliwanag na pamamaraan ay nakamit ng sining sa pamamagitan ng paglikha ng mga kondisyon para ito ay maging isang itim na emitter (halimbawa, sa pamamagitan ng paglalagay nito sa isang halos saradong lukab) .
Sa ilang mga espesyal na kaso, posibleng sukatin ang aktwal na temperatura ng isang di-itim na emitter na may conventional radiation pyrometer gamit ang mga espesyal na pamamaraan ng pagsukat ng temperatura (halimbawa, pag-iilaw, sa tatlong-haba ng daluyong beam, sa polarized na ilaw, atbp.).
Pangkalahatang instrumento para sa pagsukat ng temperatura
Ang malaking hanay ng mga sinusukat na temperatura at isang hindi mauubos na bilang ng iba't ibang mga kondisyon at bagay ng pagsukat ay tumutukoy sa isang pambihirang pagkakaiba-iba at iba't ibang mga pamamaraan at aparato para sa pagsukat ng temperatura.
Ang pinakakaraniwang mga instrumento para sa pagsukat ng temperatura ay:
- Thermoelectric pyrometer (mga thermometer);
- mga thermometer ng paglaban sa kuryente;
- Mga pyrometer ng radiation;
- Optical absorption pyrometer;
- Optical brightness pyrometers;
- Mga pyrometer ng kulay;
- Mga thermometer ng pagpapalawak ng likido;
- Mga thermometer ng gauge;
- Mga thermometer ng singaw;
- Mga thermometer ng condensation ng gas;
- Magdikit ng dilatometric thermometer;
- Bimetallic thermometer;
- Mga thermometer ng tunog;
- Calorimetric pyrometers-pyroscopes;
- Mga thermal paint;
- Paramagnetic salt thermometer.
Ang pinakasikat na mga de-koryenteng aparato para sa pagsukat ng temperatura:
Tingnan din: Mga kalamangan at kawalan ng iba't ibang mga sensor ng temperatura
Ang maraming uri ng mga instrumento na nakalista sa itaas ay ginagamit para sa mga sukat sa pamamagitan ng iba't ibang pamamaraan. Halimbawa, ginagamit ang thermoelectric thermometer:
- para sa pagsukat ng contact ng temperatura ng mga kapaligiran at katawan, pati na rin ang mga ibabaw ng huli, nang wala o kasabay ng mga device na nagwawasto sa thermal imbalance ng thermal detector at ng measurement object;
- para sa di-contact na pagsukat ng temperatura sa pamamagitan ng radiation at ilang spectroscopic na pamamaraan;
- para sa halo-halong (contact-non-contact)-pagsusukat ng temperatura ng likidong metal sa pamamagitan ng pamamaraan ng gas cavity (pagsukat ng temperatura ng radiation ng bula ng gas na hinipan sa likidong metal sa dulo ng isang tubo na nahuhulog dito na may radiation pyrometer).
Kasabay nito, maraming mga paraan ng pagsukat ng temperatura ang maaaring ilapat sa mga device ng iba't ibang uri.
Halimbawa, ang panlabas at panloob na temperatura ng hangin ay maaaring masukat sa pamamagitan ng mga device na hindi bababa sa 15 uri. Ang larawan ay nagpapakita ng bimetallic thermometer.
Ang pinakamalaking thermometer sa mundo sa Baker, California
Paglalapat ng mga instrumento sa pagsukat ng temperatura:
Pagsukat ng temperatura sa ibabaw gamit ang mga thermocouple