Mètodes i instruments de mesura de temperatura
Què és la temperatura
La mesura de la temperatura és objecte d'una disciplina teòrica i experimental: la termometria, una part de la qual, que cobreix temperatures superiors a 500 ° C, s'anomena pirometria.
La definició estricta més general del concepte de temperatura, seguint la segona llei de la termodinàmica, es formula amb l'expressió:
T = dQ /dC,
on T és la temperatura absoluta d'un sistema termodinàmic aïllat, dQ és l'increment de calor transferit a aquest sistema i dS és l'augment d'entropia d'aquest sistema.
L'expressió anterior s'interpreta de la següent manera: la temperatura és una mesura de l'augment de la calor transferida a un sistema termodinàmic aïllat i corresponent a l'augment de l'entropia del sistema que es produeix en aquest cas, o, en altres paraules, a l'augment de la pertorbació del seu estat.
En mecànica estadística, que descriu les fases del sistema, tenint en compte els microprocessos que ocorren en els macrosistemes, el concepte de temperatura es defineix expressant la distribució de les partícules d'un sistema molecular entre un nombre de nivells d'energia no ocupats (distribució de Gibbs). .
Aquesta definició (d'acord amb l'anterior) posa èmfasi en l'aspecte probabilístic i estadístic del concepte de temperatura com a paràmetre principal de la forma microfísica de transferència d'energia d'un cos (o sistema) a un altre, és a dir. moviment tèrmic caòtic.
La manca de claredat de les definicions estrictes del concepte de temperatura, que també són vàlides només per a sistemes equilibrats termodinàmicament, ha portat a l'ús generalitzat d'una definició "utilitarista" basada en l'essència del fenomen de la transferència d'energia: La temperatura és l'estat tèrmic d'un cos o sistema caracteritzat per la seva capacitat d'intercanviar calor amb un altre cos (o sistema).
Aquesta formulació és aplicable tant a sistemes termodinàmicament no equilibrats com (amb reserves) al concepte psicofisiològic de temperatura «sensorial», percebuda directament per una persona utilitzant els òrgans del tacte tèrmic.
La temperatura "sensorial" és avaluada subjectivament per una persona directament, però només qualitativament i en un interval relativament estret, mentre que la temperatura física es mesura de manera quantitativa i objectiva, amb l'ajuda d'aparells de mesura, però només indirectament, a través del valor d'alguna quantitat física depenent. sobre la temperatura mesurada.
Per tant, en el segon cas, s'estableix algun estat de referència (referència) de la magnitud física depenent de la temperatura seleccionada per a aquest propòsit i se li assigna un determinat valor numèric de temperatura, de manera que qualsevol canvi en l'estat de la magnitud física seleccionada relatiu a la referència es pot expressar en unitats de temperatura.
El conjunt de valors de temperatura corresponents a una sèrie de canvis successius d'estat (és a dir, una seqüència de valors) d'una quantitat seleccionada depenent de la temperatura forma una escala de temperatura. Les escales de temperatura més habituals són Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin i Rankine.
Escales de temperatura Kelvin i Celsius
V 1730 El naturalista francès René Antoine Reumour (1683-1757), basant-se en el suggeriment d'Amoton, va marcar el punt de fusió del gel al termòmetre com a 0 i el punt d'ebullició de l'aigua com a 80O. V 1742 L'astrònom i físic NSVedic Anders Celsius (1701 — 1744), després de dos anys de provar el termòmetre Reaumur, va descobrir un error en la graduació de l'escala.
Va resultar que això depèn en gran mesura de la pressió atmosfèrica. Celsius va proposar determinar la pressió en calibrar l'escala, i vaig dividir tot el rang de temperatures per 100, però vaig assignar la marca 100 al punt de fusió del gel. Més tard, el suec Linné o l'alemany Stremmer (segons diverses fonts) van canviar les designacions dels punts de control.
Així va aparèixer l'escala de temperatura Celsius, ara molt utilitzada. El seu calibratge es realitza a una pressió atmosfèrica normal de 1013,25 hPa.
Les escales de temperatura van ser creades per Fahrenheit, Reaumur, Newton (aquest últim va triar sense voler la temperatura del cos humà com a punt de partida.Bé, els grans s'equivoquen!) I molts d'altres. No han resistit la prova del temps.
L'escala de temperatura Celsius es va adoptar a la 1a Conferència General de Peses i Mesures l'any 1889. Actualment, el grau Celsius és la unitat oficial de mesura de la temperatura establerta pel Comitè Internacional de Peses i Mesures, però amb alguns aclariments en la definició.
Segons els arguments anteriors, és fàcil concloure que l'escala de temperatura Celsius no és el resultat de l'activitat d'una persona. Celsius va ser només un dels últims investigadors i inventors implicats en el seu desenvolupament. Fins al 1946, l'escala s'anomenava simplement escala de grau. Va ser només aleshores que el Comitè Internacional de Peses i Mesures va assignar el nom de "grau Celsius" al grau de graus Celsius.
Unes paraules sobre el cos de treball dels termòmetres. Els primers creadors de dispositius, naturalment, buscaven ampliar el seu rang d'acció. L'únic metall líquid en condicions normals és el mercuri.
No hi havia opció. El punt de fusió és de -38,97 ° C, el punt d'ebullició és de + 357,25 ° C. De les substàncies volàtils, el vi o l'alcohol etílic van resultar ser els més disponibles. Punt de fusió - 114,2 ° C, punt d'ebullició + 78,46 ° C.
Els termòmetres creats són adequats per mesurar temperatures de -100 a + 300 ° C, que és suficient per resoldre la majoria de problemes pràctics. Per exemple, la temperatura mínima de l'aire és de -89,2 °C (estació de Vostok a l'Antàrtida) i la màxima és de +59 °C (desert del Sàhara). La majoria dels processos de tractament tèrmic de solucions aquoses es van dur a terme a temperatures no superiors a 100 °C.
La unitat bàsica de mesura de la temperatura termodinàmica i alhora una de les unitats bàsiques Sistema Internacional d'Unitats (SI) és el grau Kelvin.
La mida (espai de temperatura) d'1 grau Kelvin està determinada pel fet que el valor de la temperatura termodinàmica del punt triple de l'aigua s'estableix exactament a 273,16 ° K.
Aquesta temperatura, a la qual l'aigua es troba en estat d'equilibri en tres fases: sòlida, líquida i gasosa, es pren com a principal punt de partida per la seva alta reproductibilitat, un ordre de magnitud millor que la reproductibilitat dels punts de congelació i ebullició de l'aigua. .
Mesurar la temperatura del punt triple de l'aigua és una tasca tècnicament difícil. Per tant, com a norma, només es va aprovar l'any 1954 a la X Conferència General de Peses i Mesures.
El grau Celsius, en unitats de les quals també es pot expressar la temperatura termodinàmica, és exactament igual al Kelvin en termes de rang de temperatures, però el valor numèric de qualsevol temperatura en Celsius és 273,15 graus superior al valor de la mateixa temperatura en Kelvin. .
La mida d'1 grau Kelvin (o 1 grau Celsius), determinada pel valor numèric de la temperatura del punt triple de l'aigua, amb una precisió de mesura moderna no difereix de la seva mida determinada (que s'acceptava anteriorment) com una centèsima part del diferència de temperatura entre els punts de congelació i d'ebullició de l'aigua.
Classificació de mètodes i aparells per mesurar la temperatura
La mesura de la temperatura corporal o ambient es pot fer de dues maneres indirectes fonamentalment diferents.
La primera forma condueix a la mesura dels valors d'una de les propietats o paràmetres d'estat depenents de la temperatura del propi cos o del medi ambient, la segona - a la mesura dels valors de les propietats o estat depenents de la temperatura paràmetres del cos auxiliar portats (directament o indirectament) a un estat d'equilibri tèrmic amb el cos o l'entorn la temperatura del qual es mesura...
Es diu un cos auxiliar que serveix per a aquestes finalitats i és un sensor d'un dispositiu complet de mesura de temperatura sonda termomètrica (piromètrica) o detector tèrmic… Per tant, tots els mètodes i dispositius per mesurar la temperatura es divideixen en dos grups fonamentalment diferents: sense sondejar i sondar.
El detector tèrmic o qualsevol dispositiu addicional del dispositiu es pot posar en contacte mecànic directe amb el cos o el medi la temperatura del qual es mesura, o només es pot establir un contacte "òptic" entre ells.
En funció d'això, es divideixen tots els mètodes i eines per mesurar la temperatura contacte i no contacte. Els mètodes i dispositius de contacte amb sonda i sense contacte són de gran importància pràctica.
Errors de mesura de temperatura
Tots els mètodes de mesura de temperatura de contacte, principalment de perforació, a diferència d'altres mètodes, es caracteritzen pels anomenats errors metodològics tèrmics o tèrmics a causa del fet que un termòmetre de sonda completa (o piròmetre) mesura el valor de temperatura només de la part sensible del detector tèrmic, promediat sobre la superfície o el volum d'aquesta part.
Mentrestant, aquesta temperatura, per regla general, no coincideix amb la mesurada, ja que el detector tèrmic distorsiona inevitablement el camp de temperatura en què s'introdueix. Quan es mesura una temperatura constant estacionària d'un cos o entorn, s'estableix un cert mode d'intercanvi de calor entre aquest i el receptor tèrmic.
La diferència de temperatura constant entre el detector tèrmic i la temperatura mesurada del cos o de l'entorn caracteritza l'error tèrmic estàtic en la mesura de la temperatura.
Si la temperatura mesurada canvia, l'error tèrmic és una funció del temps. Aquest error dinàmic es pot considerar que consisteix en una part constant, equivalent a l'error estàtic, i una part variable.
Això últim sorgeix perquè amb cada canvi en la transferència de calor entre un cos o medi la temperatura del qual es mesura, no s'estableix immediatament un nou mode de transferència de calor. La distorsió residual de les lectures del termòmetre o del piròmetre, que és una funció del temps, es caracteritza per la inèrcia tèrmica del termòmetre.
Els errors tèrmics i la inèrcia tèrmica d'un detector tèrmic depenen dels mateixos factors que l'intercanvi de calor entre un cos o entorn i un detector tèrmic: de les temperatures del detector tèrmic i del cos o entorn, de la seva mida, composició (i, per tant, propietats). i condiciona, pel disseny, les dimensions, la forma geomètrica, l'estat de la superfície i les propietats dels materials del detector tèrmic i dels cossos que l'envolten, a partir de la seva disposició, segons quina llei la temperatura mesurada del cos o del medi canvia al llarg del temps.
Els errors metodològics tèrmics en la mesura de la temperatura, per regla general, són diverses vegades més alts que els errors instrumentals dels termòmetres i piròmetres. La seva reducció s'aconsegueix utilitzant mètodes racionals de mesura de temperatura i construccions de detectors tèrmics i mitjançant la instal·lació adequada d'aquests últims als llocs d'ús.
La millora de la transferència de calor entre el receptor tèrmic i l'entorn o el cos del qual es mesura la temperatura s'aconsegueix forçant els factors beneficiosos i nocius de la transferència de calor.
Per exemple, quan es mesura la temperatura d'un gas en un volum tancat, s'incrementa l'intercanvi de calor convectiu del detector tèrmic amb el gas, creant un flux ràpid de gas al voltant del detector tèrmic (un termoparell de "succió") i calor radiant. es redueix l'intercanvi amb les parets del volum, apantallant el detector tèrmic (termoparell "protegit").
Per reduir la inèrcia tèrmica en termòmetres i piròmetres amb senyal de sortida elèctrica, també s'utilitzen circuits especials que redueixen artificialment el temps d'augment del senyal amb un canvi ràpid de la temperatura mesurada.
Mètodes de mesura de temperatura sense contacte
La possibilitat d'utilitzar mètodes de contacte en les mesures està determinada no només per la distorsió de la temperatura mesurada pel detector tèrmic de contacte, sinó també per les característiques fisicoquímiques reals dels materials del detector tèrmic (corrosió i resistència mecànica, resistència a la calor, etc.). etc.).
Els mètodes de mesura sense contacte estan lliures d'aquestes limitacions. Tanmateix, el més important d'ells, és a dir.basats en les lleis de la radiació de temperatura, els errors especials són inherents a causa del fet que les lleis utilitzades són exactament vàlides només per a un emissor absolutament negre, del qual tots els emissors físics reals (cossos i portadors) difereixen més o menys en termes de propietats de radiació. .
Segons les lleis de la radiació de Kirchhoff, qualsevol cos físic emet menys energia que un cos negre escalfat a la mateixa temperatura que el cos físic.
Per tant, un dispositiu de mesura de temperatura calibrat amb un emissor negre, quan es mesura la temperatura d'un emissor físic real, mostrarà una temperatura inferior a la real, és a dir, la temperatura a la qual la propietat de l'emissor negre utilitzada en el calibratge (energia radiativa, la seva brillantor, la seva composició espectral, etc.), coincideix en valor amb la propietat d'un radiador físic a una temperatura real determinada que s'ha de determinar.La pseudo temperatura subestimada mesurada s'anomena temperatura negra.
Diferents mètodes de mesura condueixen a diferents, per regla general, temperatures negres que no coincideixen: un piròmetre de radiació mostra integral o radiació, un piròmetre òptic - brillantor, un piròmetre de color - temperatures de color negre.
La transició dels negres mesurats a les temperatures reals es fa de manera gràfica o analítica si es coneix l'emissivitat de l'objecte la temperatura del qual es mesura.
L'emissivitat és la relació dels valors dels emissors físics i negres utilitzats per mesurar les propietats radiatives que tenen la mateixa temperatura: amb el mètode radiatiu, l'emissivitat és igual a la relació de les energies totals (a tot l'espectre), amb el mètode òptic, la capacitat d'emissivitat espectral és igual a la relació de les densitats espectrals de la resplendor. En igualtat de coses, els errors més petits de l'emissor que no són negres es donen per un piròmetre de color.
Les arts aconsegueixen una solució radical al problema de mesurar la temperatura real d'un emissor no negre mitjançant mètodes radiants creant condicions perquè el converteixi en un emissor negre (per exemple, col·locant-lo en una cavitat pràcticament tancada). .
En alguns casos especials, és possible mesurar la temperatura real d'un emissor no negre amb piròmetres de radiació convencionals utilitzant tècniques especials de mesura de temperatura (per exemple, il·luminació, en feixos de tres longituds d'ona, en llum polaritzada, etc.).
Instruments generals per a la mesura de la temperatura
L'enorme gamma de temperatures mesurades i un nombre inesgotable de condicions i objectes de mesura diferents determinen una extraordinària varietat i varietat de mètodes i dispositius per mesurar la temperatura.
Els instruments més comuns per mesurar la temperatura són:
- Piròmetres termoelèctrics (termòmetres);
- termòmetres de resistència elèctrica;
- piròmetres de radiació;
- Piròmetres d'absorció òptica;
- Piròmetres de brillantor òptica;
- piròmetres de color;
- Termòmetres d'expansió líquida;
- termòmetres de mesura;
- termòmetres de vapor;
- Termòmetres de condensació de gas;
- Enganxar termòmetres dilatomètrics;
- Termòmetres bimetàl·lics;
- Termòmetres acústics;
- Piròmetres-piroscopis calorimètrics;
- Pintures tèrmiques;
- Termòmetres paramagnètics de sal.
Els dispositius elèctrics més populars per mesurar la temperatura:
Vegeu també: Avantatges i desavantatges dels diferents sensors de temperatura
Els molts tipus d'instruments enumerats anteriorment s'utilitzen per a mesuraments mitjançant diversos mètodes. Per exemple, s'utilitza un termòmetre termoelèctric:
- per a la mesura de contacte de la temperatura d'ambients i cossos, així com de superfícies d'aquests últims, sense o en combinació amb dispositius que corregeixen el desequilibri tèrmic del detector tèrmic i l'objecte de mesura;
- per a la mesura de temperatura sense contacte per radiació i alguns mètodes espectroscòpics;
- per a la mesura mixta (de contacte-sense contacte) de la temperatura del metall líquid pel mètode de la cavitat de gas (mesura de la temperatura de radiació d'una bombolla de gas bufada al metall líquid a l'extrem d'un tub immers en ell amb una radiació piròmetre).
Al mateix temps, es poden aplicar molts mètodes de mesura de temperatura amb dispositius de diversos tipus.
Per exemple, la temperatura de l'aire exterior i interior es pot mesurar mitjançant dispositius d'almenys 15 tipus. La foto mostra un termòmetre bimetàl·lic.
El termòmetre més gran del món a Baker, Califòrnia
Aplicació d'instruments de mesura de temperatura:
Mesura de temperatures superficials amb termoparells
Mesura de la temperatura sense contacte durant el funcionament d'equips elèctrics