Kaedah dan instrumen untuk mengukur suhu
Apakah suhu
Pengukuran suhu adalah subjek disiplin teori dan eksperimen — termometri, sebahagian daripadanya, meliputi suhu melebihi 500 ° C, dipanggil pyrometry.
Takrifan ketat yang paling umum bagi konsep suhu, mengikut undang-undang kedua termodinamik, dirumuskan dengan ungkapan:
T = dQ /dC,
di mana T ialah suhu mutlak sistem termodinamik terpencil, dQ ialah pertambahan haba yang dipindahkan ke sistem itu, dan dS ialah pertambahan entropi sistem itu.
Ungkapan di atas ditafsirkan seperti berikut: suhu ialah ukuran peningkatan haba yang dipindahkan ke sistem termodinamik terpencil dan sepadan dengan peningkatan dalam entropi sistem yang berlaku dalam kes ini, atau, dengan kata lain, peningkatan dalam gangguan keadaannya.
Dalam mekanik statistik, yang menerangkan fasa-fasa sistem, dengan mengambil kira proses mikro yang berlaku dalam makrosistem, konsep suhu ditakrifkan dengan menyatakan taburan zarah-zarah sistem molekul antara beberapa aras tenaga yang tidak diduduki (taburan Gibbs) .
Takrif ini (mengikut yang sebelumnya) menekankan aspek kebarangkalian, statistik konsep suhu sebagai parameter utama bentuk mikrofizikal pemindahan tenaga dari satu badan (atau sistem) ke yang lain, i.e. gerakan terma huru-hara.
Kekurangan kejelasan definisi ketat konsep suhu, yang juga hanya sah untuk sistem seimbang termodinamik, telah membawa kepada penggunaan meluas definisi "utilitarian" berdasarkan intipati fenomena pemindahan tenaga: suhu ialah keadaan haba badan atau sistem yang dicirikan oleh keupayaannya untuk menukar haba dengan jasad (atau sistem) yang lain.
Formulasi ini boleh digunakan untuk kedua-dua sistem bukan keseimbangan termodinamik dan (dengan tempahan) kepada konsep psikofisiologi suhu «deria», yang dirasakan secara langsung oleh seseorang yang menggunakan organ sentuhan haba.
Suhu "deria" secara subjektif dinilai oleh seseorang secara langsung, tetapi hanya secara kualitatif dan dalam selang yang agak sempit, manakala suhu fizikal diukur secara kuantitatif dan objektif, dengan bantuan alat pengukur, tetapi hanya secara tidak langsung - melalui nilai beberapa kuantiti fizikal bergantung pada suhu yang diukur.
Oleh itu, dalam kes kedua, beberapa keadaan rujukan (rujukan) kuantiti fizik bergantung suhu yang dipilih untuk tujuan ini ditetapkan dan nilai suhu berangka tertentu diberikan kepadanya, supaya sebarang perubahan dalam keadaan kuantiti fizik yang dipilih relatif. kepada rujukan boleh dinyatakan dalam unit suhu.
Set nilai suhu yang sepadan dengan satu siri perubahan berturut-turut dalam keadaan (iaitu, jujukan nilai) bagi kuantiti bergantung suhu yang dipilih membentuk skala suhu. Skala suhu yang paling biasa ialah Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin, dan Rankine.
Skala suhu Kelvin dan Celsius
V 1730 Naturalis Perancis René Antoine Reumour (1683-1757), berdasarkan cadangan Amoton, menandakan takat lebur ais pada termometer sebagai 0, dan takat didih air sebagai 80O. V 1742 Ahli astronomi dan fizik NSVedic Anders Celsius (1701 — 1744), selepas dua tahun menguji termometer Reaumur, menemui ralat dalam pengijazahan skala.
Ternyata ini bergantung pada tekanan atmosfera. Celsius mencadangkan untuk menentukan tekanan apabila menentukur skala, dan saya membahagikan keseluruhan julat suhu sebanyak 100, tetapi memberikan tanda 100 kepada takat lebur ais. Kemudian, Linnaeus Sweden atau Stremmer Jerman (menurut pelbagai sumber) menukar sebutan titik kawalan.
Maka muncullah skala suhu Celsius yang kini digunakan secara meluas. Penentukurannya dilakukan pada tekanan atmosfera normal 1013.25 hPa.
Skala suhu dicipta oleh Fahrenheit, Reaumur, Newton (yang terakhir secara tidak sengaja memilih suhu badan manusia sebagai titik permulaan.Nah, yang hebat itu salah!) Dan banyak lagi. Mereka tidak tahan ujian masa.
Skala suhu Celsius telah diterima pakai pada Persidangan Agung Pertama mengenai Timbang dan Sukat pada tahun 1889. Pada masa ini, darjah Celsius ialah unit rasmi pengukuran suhu yang ditubuhkan oleh Jawatankuasa Timbang dan Sukat Antarabangsa, tetapi dengan beberapa penjelasan dalam definisi.
Menurut hujah di atas, mudah untuk membuat kesimpulan bahawa skala suhu Celsius bukanlah hasil daripada aktiviti seseorang. Celsius hanyalah salah seorang penyelidik dan pencipta terakhir yang terlibat dalam pembangunannya. Sehingga tahun 1946, skala itu hanya dipanggil skala darjah. Ketika itu barulah Jawatankuasa Timbang dan Sukat Antarabangsa memberikan nama "darjah Celsius" kepada darjah darjah Celsius.
Beberapa perkataan tentang badan kerja termometer. Pencipta peranti pertama secara semula jadi berusaha untuk mengembangkan rangkaian tindakan mereka. Satu-satunya logam cecair dalam keadaan biasa ialah merkuri.
Tiada pilihan. Takat lebur ialah -38.97 ° C, takat didih ialah + 357.25 ° C. Daripada bahan meruap, wain atau etil alkohol ternyata paling banyak tersedia. Takat lebur — 114.2 ° C, takat didih + 78.46 ° C.
Termometer yang dicipta sesuai untuk mengukur suhu dari -100 hingga + 300 ° C, yang cukup untuk menyelesaikan kebanyakan masalah praktikal. Sebagai contoh, suhu udara minimum ialah -89.2 ° C (stesen Vostok di Antartika), dan maksimum ialah + 59 ° C (gurun Sahara). Kebanyakan proses rawatan haba larutan akueus berlaku pada suhu tidak lebih tinggi daripada 100 °C.
Unit asas pengukuran suhu termodinamik dan pada masa yang sama salah satu unit asas Sistem Unit Antarabangsa (SI) ialah darjah Kelvin.
Saiz (jurang suhu) 1 darjah Kelvin ditentukan oleh fakta bahawa nilai suhu termodinamik titik tiga air ditetapkan tepat pada 273.16 ° K.
Suhu ini, di mana air wujud dalam keadaan keseimbangan dalam tiga fasa: pepejal, cecair dan gas, diambil sebagai titik permulaan utama kerana kebolehulangannya yang tinggi, susunan magnitud yang lebih baik daripada kebolehulangan takat beku dan didih air. .
Mengukur suhu tiga titik air adalah tugas yang sukar dari segi teknikal. Oleh itu, sebagai piawaian, ia hanya diluluskan pada tahun 1954 di Persidangan Agung X mengenai Timbang dan Sukat.
Darjah Celsius, dalam unit yang mana suhu termodinamik juga boleh dinyatakan, betul-betul sama dengan Kelvin dari segi julat suhu, tetapi nilai berangka mana-mana suhu dalam Celsius ialah 273.15 darjah lebih tinggi daripada nilai suhu yang sama dalam Kelvin. .
Saiz 1 darjah Kelvin (atau 1 darjah Celsius), ditentukan oleh nilai berangka suhu titik tiga air, dengan ketepatan pengukuran moden tidak berbeza daripada saiznya yang ditentukan (yang diterima sebelum ini) sebagai seperseratus daripada perbezaan suhu antara takat beku dan takat didih air.
Klasifikasi kaedah dan peranti untuk mengukur suhu
Mengukur suhu badan atau persekitaran boleh dilakukan dalam dua cara tidak langsung yang berbeza secara asasnya.
Cara pertama membawa kepada pengukuran nilai salah satu sifat yang bergantung kepada suhu atau parameter keadaan badan itu sendiri atau persekitaran, yang kedua - kepada pengukuran nilai sifat atau keadaan yang bergantung kepada suhu. parameter badan tambahan yang dibawa (secara langsung atau tidak langsung) ke keadaan keseimbangan terma dengan badan atau persekitaran yang suhunya diukur...
Badan tambahan dipanggil yang berfungsi untuk tujuan ini dan merupakan penderia alat pengukur suhu yang lengkap probe termometrik (pirometrik) atau pengesan haba… Oleh itu, semua kaedah dan peranti untuk mengukur suhu dibahagikan kepada dua kumpulan yang berbeza secara asas: tanpa menyelidik dan menyiasat.
Pengesan haba atau mana-mana peranti tambahan peranti boleh dibawa ke dalam sentuhan mekanikal langsung dengan badan atau medium yang suhunya diukur, atau hanya sentuhan "optik" boleh dibuat di antara mereka.
Bergantung pada ini, semua kaedah dan alat untuk mengukur suhu dibahagikan kepada kenalan dan bukan kenalan. Kaedah dan peranti sesentuh kuar dan tanpa sentuh adalah kepentingan praktikal yang paling besar.
Ralat pengukuran suhu
Semua sentuhan, kebanyakannya penggerudian, kaedah pengukuran suhu, tidak seperti kaedah lain, dicirikan oleh apa yang dipanggil ralat metodologi haba atau haba disebabkan oleh fakta bahawa termometer kuar lengkap (atau pyrometer) mengukur nilai suhu hanya bahagian sensitif pengesan haba, dipuratakan di atas permukaan atau isipadu bahagian itu.
Sementara itu, suhu ini, sebagai peraturan, tidak bertepatan dengan yang diukur, kerana pengesan haba tidak dapat dielakkan memesongkan medan suhu di mana ia diperkenalkan. Apabila mengukur suhu malar pegun badan atau persekitaran, mod pertukaran haba tertentu diwujudkan di antaranya dan penerima haba.
Perbezaan suhu malar antara pengesan haba dan suhu yang diukur badan atau persekitaran mencirikan ralat haba statik dalam pengukuran suhu.
Jika suhu yang diukur berubah, maka ralat haba adalah fungsi masa. Ralat dinamik sedemikian boleh dianggap sebagai terdiri daripada bahagian tetap, bersamaan dengan ralat statik, dan bahagian berubah-ubah.
Yang terakhir ini timbul kerana dengan setiap perubahan dalam pemindahan haba antara jasad atau medium yang suhunya diukur, mod pemindahan haba baharu tidak segera diwujudkan. Herotan baki bacaan termometer atau pyrometer, yang merupakan fungsi masa, dicirikan oleh inersia haba termometer.
Ralat terma dan inersia haba pengesan haba bergantung pada faktor yang sama seperti pertukaran haba antara badan atau persekitaran dan pengesan haba: pada suhu pengesan haba dan badan atau persekitaran, pada saiz, komposisi (dan oleh itu sifat) dan keadaan, mengikut reka bentuk, dimensi, bentuk geometri, keadaan permukaan dan sifat bahan pengesan haba dan badan di sekelilingnya, daripada susunannya, mengikut undang-undang mana suhu badan atau persekitaran yang diukur berubah dari semasa ke semasa.
Kesilapan metodologi terma dalam pengukuran suhu, sebagai peraturan, adalah beberapa kali lebih tinggi daripada kesilapan instrumental termometer dan pyrometer. Pengurangan mereka dicapai dengan menggunakan kaedah rasional pengukuran suhu dan pembinaan pengesan terma dan dengan pemasangan yang sesuai di tempat penggunaan.
Penambahbaikan pemindahan haba antara penerima haba dan persekitaran atau badan yang suhunya diukur dicapai dengan memaksa faktor pemindahan haba yang bermanfaat dan memudaratkan.
Sebagai contoh, apabila mengukur suhu gas dalam isipadu tertutup, pertukaran haba perolakan pengesan haba dengan gas meningkat, mewujudkan aliran gas yang pantas di sekeliling pengesan haba (termokopel "sedutan"), dan haba sinaran. pertukaran dengan dinding kelantangan dikurangkan, melindungi pengesan haba (termokopel "terlindung").
Untuk mengurangkan inersia haba dalam termometer dan pyrometer dengan isyarat keluaran elektrik, litar khas juga digunakan yang secara buatan mengurangkan masa kenaikan isyarat dengan perubahan pantas dalam suhu yang diukur.
Kaedah pengukuran suhu tanpa sentuhan
Kemungkinan menggunakan kaedah sentuhan dalam pengukuran ditentukan bukan sahaja oleh herotan suhu yang diukur oleh pengesan haba kenalan, tetapi juga oleh ciri fiziko-kimia sebenar bahan pengesan haba (rintangan kakisan dan mekanikal, rintangan haba, dan lain-lain.).
Kaedah pengukuran bukan hubungan adalah bebas daripada batasan ini. Walau bagaimanapun, yang paling penting daripada mereka, i.e.berdasarkan undang-undang sinaran suhu, ralat khas wujud disebabkan oleh fakta bahawa undang-undang yang digunakan adalah betul-betul sah hanya untuk pemancar hitam mutlak, yang mana semua pemancar fizikal sebenar (badan dan pembawa) berbeza lebih kurang dari segi sifat sinaran. .
Mengikut undang-undang sinaran Kirchhoff, mana-mana badan fizikal mengeluarkan tenaga yang kurang daripada jasad hitam yang dipanaskan pada suhu yang sama dengan badan fizikal.
Oleh itu, alat pengukur suhu yang ditentukur terhadap pemancar hitam, apabila mengukur suhu pemancar fizikal sebenar, akan menunjukkan suhu yang lebih rendah daripada yang sebenar, iaitu suhu di mana sifat pemancar hitam digunakan dalam penentukuran (tenaga sinaran, kecerahannya, komposisi spektrumnya, dsb.), sepadan dalam nilai dengan sifat radiator fizikal pada suhu sebenar tertentu untuk ditentukan. Suhu pseudo yang dipandang rendah yang diukur dipanggil suhu hitam.
Kaedah pengukuran yang berbeza membawa kepada berbeza, sebagai peraturan, suhu hitam tidak sepadan: pyrometer sinaran menunjukkan integral atau sinaran, pyrometer optik - kecerahan, pyrometer warna - suhu hitam warna.
Peralihan daripada hitam yang diukur kepada suhu sebenar dilakukan secara grafik atau analitik jika emisitiviti objek yang suhunya diukur diketahui.
Emisiviti ialah nisbah nilai pemancar fizikal dan hitam yang digunakan untuk mengukur sifat sinaran yang mempunyai suhu yang sama: dengan kaedah sinaran, emisiviti adalah sama dengan nisbah jumlah tenaga (merentasi spektrum), dengan kaedah optik, keupayaan emisitiviti spektrum adalah sama dengan nisbah ketumpatan spektrum cahaya. Semua perkara lain adalah sama, ralat bukan kehitaman pemancar terkecil diberikan oleh pyrometer warna.
Penyelesaian radikal kepada masalah mengukur suhu sebenar pemancar bukan hitam dengan kaedah sinaran dicapai oleh seni dengan mewujudkan syarat untuk mengubahnya menjadi pemancar hitam (contohnya, dengan meletakkannya dalam rongga yang hampir tertutup) .
Dalam beberapa kes khas, adalah mungkin untuk mengukur suhu sebenar pemancar bukan hitam dengan pyrometer sinaran konvensional menggunakan teknik pengukuran suhu khas (contohnya, pencahayaan, dalam rasuk tiga panjang gelombang, dalam cahaya terpolarisasi, dll.).
Instrumen am untuk mengukur suhu
Julat besar suhu yang diukur dan bilangan keadaan dan objek pengukuran yang berbeza yang tidak habis-habisnya menentukan kepelbagaian dan kepelbagaian kaedah dan peranti yang luar biasa untuk mengukur suhu.
Alat yang paling biasa untuk mengukur suhu ialah:
- Pirometer termoelektrik (termometer);
- termometer rintangan elektrik;
- Pirometer sinaran;
- Pirometer penyerapan optik;
- Pirometer kecerahan optik;
- Pirometer warna;
- Termometer pengembangan cecair;
- Termometer tolok;
- Termometer wap;
- Termometer pemeluwapan gas;
- Termometer dilatometrik melekat;
- Termometer dwilogam;
- Termometer akustik;
- Pirometer kalorimetrik-piroskop;
- Cat terma;
- Termometer garam paramagnet.
Peranti elektrik yang paling popular untuk mengukur suhu:
Lihat juga: Kebaikan dan keburukan penderia suhu yang berbeza
Banyak jenis instrumen yang disenaraikan di atas digunakan untuk pengukuran dengan pelbagai kaedah. Sebagai contoh, termometer termoelektrik digunakan:
- untuk pengukuran sentuhan suhu persekitaran dan badan, serta permukaan yang terakhir, tanpa atau dalam kombinasi dengan peranti yang membetulkan ketidakseimbangan haba pengesan haba dan objek pengukuran;
- untuk pengukuran suhu bukan sentuhan melalui sinaran dan beberapa kaedah spektroskopi;
- untuk campuran (contact-non-contact)-pengukuran suhu logam cecair dengan kaedah rongga gas (pengukuran suhu sinaran gelembung gas yang ditiup ke dalam logam cecair pada hujung tiub yang direndam di dalamnya dengan sinaran pyrometer).
Pada masa yang sama, banyak kaedah pengukuran suhu boleh digunakan dengan peranti pelbagai jenis.
Sebagai contoh, suhu udara luaran dan dalaman boleh diukur dengan peranti sekurang-kurangnya 15 jenis. Foto menunjukkan termometer dwilogam.
Termometer terbesar di dunia di Baker, California
Penggunaan alat pengukur suhu:
Pengukuran suhu permukaan dengan termokopel
Pengukuran suhu tanpa sentuhan semasa pengendalian peralatan elektrik