שיטות ומכשירים למדידת טמפרטורה

מהי טמפרטורה

מדידת טמפרטורה היא נושא של דיסציפלינה תיאורטית וניסויית - תרמומטריה, שחלק ממנה, המכסה טמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס, נקרא פירומטריה.

ההגדרה הקפדנית הכללית ביותר של מושג הטמפרטורה, בעקבות החוק השני של התרמודינמיקה, מנוסחת עם הביטוי:

T = dQ /dC,

כאשר T היא הטמפרטורה המוחלטת של מערכת תרמודינמית מבודדת, dQ היא תוספת החום המועברת לאותה מערכת, ו-dS היא הגידול באנטרופיה של אותה מערכת.

הביטוי לעיל מתפרש כך: טמפרטורה היא מדד לעלייה בחום המועבר למערכת תרמודינמית מבודדת ומתאימה לעלייה באנטרופיה של המערכת המתרחשת במקרה זה, או, במילים אחרות, לעלייה ב. ההפרעה של מצבה.

במכניקה הסטטיסטית, המתארת ​​את שלבי המערכת, תוך התחשבות במיקרו-תהליכים המתרחשים במערכות המאקרו, מושג הטמפרטורה מוגדר על ידי ביטוי התפלגות חלקיקי מערכת מולקולרית בין מספר רמות אנרגיה לא תפוסות (התפלגות גיבס) .

הגדרה זו (בהתאם לקודמתה) מדגישה את ההיבט ההסתברותי, הסטטיסטי של מושג הטמפרטורה כפרמטר העיקרי של הצורה המיקרופיזית של העברת אנרגיה מגוף (או מערכת) אחד לאחר, כלומר. תנועה תרמית כאוטית.

חוסר הבהירות של הגדרות קפדניות של מושג הטמפרטורה, שתקפות גם רק למערכות מאוזנות תרמודינמית, הובילה לשימוש נרחב בהגדרה "תועלתנית" המבוססת על מהות תופעת העברת האנרגיה: טמפרטורה היא המצב התרמי של גוף או מערכת המאופיין ביכולתו להחליף חום עם גוף אחר (או מערכת).

ניסוח זה ישים הן למערכות שאינן שיווי משקל מבחינה תרמודינמית והן (בהסתייגות) לתפיסה הפסיכופיזיולוגית של טמפרטורה "תחושתית", הנתפסת ישירות על ידי אדם המשתמש באיברי המגע התרמי.

טמפרטורה "תחושתית" מוערכת באופן סובייקטיבי על ידי אדם באופן ישיר, אך רק באיכות ובמרווח צר יחסית, בעוד שהטמפרטורה הפיזית נמדדת כמותית ואובייקטיבית, בעזרת מכשירי מדידה, אך רק בעקיפין - דרך ערכה של כמות פיזית כלשהי תלויה. על הטמפרטורה הנמדדת.

לכן, במקרה השני, נקבע מצב ייחוס (התייחסות) כלשהו של הכמות הפיזיקלית תלוית הטמפרטורה שנבחרה למטרה זו ומוקצה לה ערך טמפרטורה מספרי מסוים, כך שכל שינוי במצב הכמות הפיזיקלית שנבחרה יחסית להתייחסות ניתן לבטא ביחידות טמפרטורה.

קבוצת ערכי הטמפרטורה המקבילה לסדרה של שינויים עוקבים במצב (כלומר, רצף של ערכים) של כמות נבחרת תלוית טמפרטורה יוצרת סולם טמפרטורה. סולמות הטמפרטורה הנפוצים ביותר הם צלזיוס, פרנהייט, רעומור, קלווין ורנקין.

סולמות טמפרטורה של קלווין וצלזיוס

V 1730 חוקר הטבע הצרפתי רנה אנטואן ראמור (1683-1757), בהתבסס על הצעתו של אמוטון, סימן את נקודת ההיתוך של הקרח במדחום כ-0, ואת נקודת הרתיחה של המים כ-80O. V 1742 האסטרונום והפיזיקאי הוודי אנדרס צלסיוס (1701 - 1744), לאחר שנתיים של בדיקת מדחום Reaumur, גילה שגיאה בדרגת הסולם.

התברר שזה תלוי במידה רבה בלחץ האטמוספרי. צלזיוס הציע לקבוע את הלחץ בעת כיול הסולם, ואני חילקתי את כל טווח הטמפרטורות ב-100, אבל הקצה את הסימן 100 לנקודת ההיתוך של הקרח. מאוחר יותר שינו לינאוס השוודי או סטרמר הגרמני (לפי מקורות שונים) את ייעוד נקודות השליטה.

כך הופיע סולם הטמפרטורה של צלזיוס בשימוש נרחב. הכיול שלו מבוצע בלחץ אטמוספרי רגיל של 1013.25 hPa.

מאזני טמפרטורה נוצרו על ידי פרנהייט, רעומור, ניוטון (האחרון בחר בטעות בטמפרטורת גוף האדם כנקודת התחלה.ובכן, הגדולים טועים!) ועוד רבים אחרים. הם לא עמדו במבחן הזמן.

סולם הטמפרטורה של צלזיוס אומץ בוועידה הכללית ה-1 לענייני משקלים ומידות בשנת 1889. נכון להיום, דרגת צלזיוס היא היחידה הרשמית למדידת טמפרטורה שהוקמה על ידי הוועדה הבינלאומית למשקלים ומידות, אך עם כמה הבהרות בהגדרה.

לפי הטיעונים לעיל, קל להסיק שסקאלת הטמפרטורה של צלזיוס אינה תוצאה של פעילות של אדם אחד. צלסיוס היה רק ​​אחד החוקרים והממציאים האחרונים שהיו מעורבים בפיתוחו. עד 1946, הסולם נקרא בפשטות סולם מעלות. רק אז הוועדה הבינלאומית למשקלים ולמידות העניקה את השם "מעלת צלזיוס" לדרגת מעלות צלזיוס.

כמה מילים על הגוף הפועל של מדי חום. היוצרים הראשונים של מכשירים ביקשו באופן טבעי להרחיב את טווח הפעולה שלהם. המתכת הנוזלית היחידה בתנאים רגילים היא כספית.

לא הייתה ברירה. נקודת ההיתוך היא -38.97 מעלות צלזיוס, נקודת הרתיחה היא + 357.25 מעלות צלזיוס. מבין החומרים הנדיפים, יין או אלכוהול אתילי התברר כזמין ביותר. נקודת התכה - 114.2 מעלות צלזיוס, נקודת רתיחה + 78.46 מעלות צלזיוס.

המדחומים שנוצרו מתאימים למדידת טמפרטורות מ -100 עד + 300 מעלות צלזיוס, וזה מספיק כדי לפתור את רוב הבעיות המעשיות. לדוגמה, טמפרטורת האוויר המינימלית היא -89.2 מעלות צלזיוס (תחנת ווסטוק באנטארקטיקה), והמקסימום הוא + 59 מעלות צלזיוס (מדבר סהרה). רוב תהליכי הטיפול בחום של תמיסות מימיות התרחשו בטמפרטורות שאינן גבוהות מ-100 מעלות צלזיוס.

יחידת המדידה הבסיסית של הטמפרטורה התרמודינמית ובמקביל אחת מהיחידות הבסיסיות מערכת היחידות הבינלאומית (SI) הוא תואר קלווין.

הגודל (פער הטמפרטורה) של מעלה אחת קלווין נקבע על ידי העובדה שערך הטמפרטורה התרמודינמית של הנקודה המשולשת של המים נקבע בדיוק על 273.16 מעלות K.

טמפרטורה זו, שבה מים מתקיימים במצב שיווי משקל בשלושה שלבים: מוצק, נוזלי וגזי, נלקחת כנקודת המוצא העיקרית בגלל יכולת השחזור הגבוהה שלה, בסדר גודל טוב יותר מהשחזור של נקודות הקפאה והרתיחה של המים. .

מדידת הטמפרטורה המשולשת של המים היא משימה קשה מבחינה טכנית. לכן, כסטנדרט, הוא אושר רק בשנת 1954 בוועידה הכללית X למשקלים ומידות.

מעלות צלזיוס, שביחידות שלהן ניתן לבטא גם את הטמפרטורה התרמודינמית, שווה בדיוק לקלווין מבחינת טווח הטמפרטורות, אך הערך המספרי של כל טמפרטורה בצלזיוס גבוה ב-273.15 מעלות מערכה של אותה טמפרטורה בקלווין .

הגודל של מעלה קלווין אחת (או מעלה אחת צלזיוס), שנקבע על ידי הערך המספרי של הטמפרטורה של נקודת המים המשולשת, עם דיוק המדידה המודרני אינו שונה מגודלו שנקבע (שהיה מקובל בעבר) כמאית מהערך. הפרש טמפרטורות בין נקודות הקפאה והרתיחה של המים.

סיווג שיטות ומכשירים למדידת טמפרטורה

מדידת טמפרטורת הגוף או הסביבה יכולה להתבצע בשתי דרכים עקיפות שונות באופן מהותי.

הדרך הראשונה מובילה למדידת הערכים של אחד מהמאפיינים תלויי הטמפרטורה או פרמטרי המצב של הגוף עצמו או הסביבה, השנייה - למדידת ערכי המאפיינים או המצב תלויי הטמפרטורה פרמטרים של גוף העזר שהובאו (במישרין או בעקיפין) למצב של שיווי משקל תרמי עם הגוף או הסביבה שהטמפרטורה שלו נמדדת...

גוף עזר נקרא המשרת את המטרות הללו והוא חיישן של מכשיר מדידת טמפרטורה שלם בדיקה תרמומטרית (פירומטרי) או גלאי תרמי... לכן, כל השיטות והמכשירים למדידת טמפרטורה מחולקים לשתי קבוצות שונות מהותית: בלי חיטוט ובדיקה.

ניתן להביא את הגלאי התרמי או כל מכשיר נוסף של המכשיר למגע מכני ישיר עם הגוף או המדיום שהטמפרטורה שלו נמדדת, או ליצור רק מגע "אופטי" ביניהם.

בהתאם לכך, כל השיטות והכלים למדידת טמפרטורה מחולקים ל מגע ואי מגע. שיטות והתקנים למגע בדיקה וללא מגע הם בעלי החשיבות המעשית הגדולה ביותר.

שגיאות מדידת טמפרטורה

כל שיטות המגע, בעיקר קידוחים, למדידת טמפרטורה, בניגוד לשיטות אחרות, מאופיינות במה שנקרא שגיאות מתודולוגיות תרמיות או תרמיות הנובעות מהעובדה שמדחום בדיקה מלא (או פירומטר) מודד את ערך הטמפרטורה של החלק הרגיש של הגלאי התרמי בלבד, בממוצע על פני השטח או הנפח של אותו חלק.

בינתיים, טמפרטורה זו, ככלל, אינה עולה בקנה אחד עם הטמפרטורה הנמדדת, שכן הגלאי התרמי מעוות בהכרח את שדה הטמפרטורה שבו הוא מוכנס. כאשר מודדים טמפרטורה קבועה נייחת של גוף או סביבה, נוצר מצב מסוים של חילופי חום בינו לבין המקלט התרמי.

הפרש הטמפרטורה הקבוע בין הגלאי התרמי לבין הטמפרטורה הנמדדת של הגוף או הסביבה מאפיין את השגיאה התרמית הסטטית במדידת הטמפרטורה.

אם הטמפרטורה הנמדדת משתנה, השגיאה התרמית היא פונקציה של זמן. שגיאה דינמית כזו יכולה להיחשב כמורכבת מחלק קבוע, שווה ערך לשגיאה הסטטית, וחלק משתנה.

זה האחרון מתעורר מכיוון שעם כל שינוי בהעברת חום בין גוף או מדיום שהטמפרטורה שלו נמדדת, לא נוצר מיד שיטת העברת חום חדשה. העיוות השיורי של קריאות מדחום או פירומטר, שהוא פונקציה של זמן, מאופיין באינרציה התרמית של המדחום.

שגיאות תרמיות ואינרציה תרמית של גלאי תרמי תלויים באותם גורמים כמו חילופי חום בין גוף או סביבה לבין גלאי תרמי: בטמפרטורות של הגלאי התרמי והגוף או הסביבה, בגודלם, בהרכבם (ומכאן תכונותיהם) ותנאי, לפי עיצוב, מידות, צורה גיאומטרית, מצב פני השטח ותכונות החומרים של הגלאי התרמי והגופים הסובבים אותו, מסידורם, לפי חוק הטמפרטורה הנמדדת של הגוף או הסביבה משתנה עם הזמן.

שגיאות מתודולוגיות תרמיות במדידת טמפרטורה, ככלל, גבוהות פי כמה מהטעויות האינסטרומנטליות של מדי חום ופירומטרים. הפחתה שלהם מושגת על ידי שימוש בשיטות רציונליות של מדידת טמפרטורה וקונסטרוקציות של גלאים תרמיים ועל ידי התקנה מתאימה של האחרונים במקומות השימוש.

שיפור העברת החום בין המקלט התרמי לבין הסביבה או הגוף שהטמפרטורה שלו נמדדת מושג על ידי כפייה מועילים ודיכוי גורמים מזיקים של העברת חום.

לדוגמה, כאשר מודדים את הטמפרטורה של גז בנפח סגור, חילופי החום ההסעה של הגלאי התרמי עם הגז מוגברת, ויוצרים זרימה מהירה של גז סביב הגלאי התרמי (צמד תרמי "שאיבה") וחום קורן. החלפה עם קירות הנפח מצטמצמת, מגן על הגלאי התרמי ("מוגן" צמד תרמי).

כדי להפחית אינרציה תרמית במדחום ובפירומטרים עם אות פלט חשמלי, נעשה שימוש גם במעגלים מיוחדים המפחיתים באופן מלאכותי את זמן עליית האות עם שינוי מהיר בטמפרטורה הנמדדת.

שיטות ללא מגע למדידת טמפרטורה

האפשרות להשתמש בשיטות מגע במדידות נקבעת לא רק על ידי עיוות הטמפרטורה הנמדדת על ידי גלאי המגע התרמי, אלא גם על ידי המאפיינים הפיזיקליים-כימיים האמיתיים של החומרים של הגלאי התרמי (קורוזיה והתנגדות מכנית, עמידות בחום, וכו.).

שיטות מדידה ללא מגע משוחררות ממגבלות אלו. עם זאת, החשוב שבהם, כלומר.בהתבסס על חוקי קרינת הטמפרטורה, שגיאות מיוחדות טבועות בשל העובדה שהחוקים המשמשים תקפים בדיוק רק עבור פולט שחור לחלוטין, שממנו כל הפולטים הפיזיים האמיתיים (גופים ונושאים) שונים פחות או יותר מבחינת תכונות הקרינה. .

על פי חוקי הקרינה של קירכהוף, כל גוף פיזי פולט פחות אנרגיה מגוף שחור המחומם לאותה טמפרטורה כמו הגוף הפיזי.

לכן, מכשיר מדידת טמפרטורה המכויל כנגד פולט שחור, בעת מדידת הטמפרטורה של פולט פיזי אמיתי, יראה טמפרטורה נמוכה מזו בפועל, כלומר הטמפרטורה שבה משמש המאפיין של פולט השחור בכיול (אנרגיה קרינה, הבהירות שלו, ההרכב הספקטרלי שלו וכו'), תואמת בערכה לתכונה של רדיאטור פיזי בטמפרטורה נתונה בפועל שתיקבע. הטמפרטורה הפסאודו הנמדדת נמוכה נקראת הטמפרטורה השחורה.

שיטות מדידה שונות מובילות לטמפרטורות שחורות שאינן תואמות שונות, ככלל: פירומטר קרינה מראה אינטגרל או קרינה, פירומטר אופטי - בהירות, פירומטר צבע - טמפרטורות שחורות בצבע.

המעבר משחור שנמדד לטמפרטורות בפועל נעשה בצורה גרפית או אנליטית אם ידועה כושר הפליטה של ​​העצם שהטמפרטורה שלו נמדדת.

הפליטה היא היחס בין ערכי הפולטים הפיזיקליים והשחורים המשמשים למדידת תכונות הקרינה בעלות אותה טמפרטורה: בשיטת הקרינה, הפליטה שווה ליחס של סך האנרגיות (על פני הספקטרום), בשיטה האופטית, יכולת הפליטה הספקטרלית שווה ליחס בין הצפיפויות הספקטרליות של הזוהר. כל שאר הדברים שווים, שגיאות אי-השחורות הקטנות ביותר של הפולט ניתנות על ידי פירומטר צבע.

פתרון רדיקלי לבעיית מדידת הטמפרטורה בפועל של פולט שאינו שחור בשיטות קרינה מושגת על ידי האמנויות על ידי יצירת תנאים להפיכתו לפולט שחור (לדוגמה, על ידי הנחתו בחלל סגור כמעט) .

במקרים מיוחדים מסוימים, ניתן למדוד את הטמפרטורה בפועל של פולט שאינו שחור באמצעות פירומטרים רגילים של קרינה באמצעות טכניקות מדידת טמפרטורה מיוחדות (לדוגמה, תאורה, באלומות בעלות שלושה אורכי גל, באור מקוטב וכו').

מכשירים כלליים למדידת טמפרטורה

הטווח העצום של הטמפרטורות הנמדדות ומספר בלתי נדלה של מצבים ומושאי מדידה שונים קובעים מגוון יוצא דופן ומגוון של שיטות ומכשירים למדידת טמפרטורה.

המכשירים הנפוצים ביותר למדידת טמפרטורה הם:

• פירומטרים תרמו-אלקטריים (מדדי חום);
• מדי חום להתנגדות חשמלית;
• פירומטרי קרינה;
• פירומטרי ספיגה אופטיים;
• פירומטרי בהירות אופטיים;
• פירומטרים צבעוניים;
• מדי חום להרחבת נוזלים;
• מד חום;
• מדחום אדים;
• מדי חום לעיבוי גז;
• מקל מדחום דילטומטרי;
• מדחומים דו-מתכתיים;
• מדי חום אקוסטיים;
• פירומטרים-פירוסקופים קלורימטריים;
• צבעים תרמיים;
• מדחום מלח פרמגנטי.

המכשירים החשמליים הפופולריים ביותר למדידת טמפרטורה:

מדי חום התנגדות

תרמיסטורים

ראה גם: יתרונות וחסרונות של חיישני טמפרטורה שונים

סוגי המכשירים הרבים המפורטים לעיל משמשים למדידות בשיטות שונות. לדוגמה, נעשה שימוש במדחום תרמו-אלקטרי:

• למדידת מגע של הטמפרטורה של סביבות וגופים, כמו גם משטחים של אלה האחרונים, ללא או בשילוב עם מכשירים המתקנים את חוסר האיזון התרמי של הגלאי התרמי ואובייקט המדידה;
• למדידת טמפרטורה ללא מגע באמצעות קרינה וכמה שיטות ספקטרוסקופיות;
• למדידה מעורבת (ללא מגע)-מדידה של טמפרטורת המתכת הנוזלית בשיטת חלל הגז (מדידת טמפרטורת הקרינה של בועת גז הננשפת למתכת הנוזלית בקצה צינור הטבול בה בקרינה פירומטר).

יחד עם זאת, ניתן ליישם שיטות מדידת טמפרטורה רבות עם מכשירים מסוגים שונים.

לדוגמה, ניתן למדוד טמפרטורת אוויר חיצונית ופנימית על ידי מכשירים של לפחות 15 סוגים. בתמונה נראה מדחום דו-מתכתי.

מד החום הגדול בעולם בבייקר, קליפורניה

יישום של מכשירי מדידת טמפרטורה:

מדידת טמפרטורות פני השטח עם צמדים תרמיים

תרמוגרפיה אינפרא אדום

מדידת טמפרטורה ללא מגע במהלך פעולת ציוד חשמלי

תכונות השימוש במדחום לייזר