Methoden und Instrumente zur Temperaturmessung
Was ist Temperatur?
Die Temperaturmessung ist Gegenstand einer theoretischen und experimentellen Disziplin – der Thermometrie, deren Teil, der Temperaturen über 500 °C abdeckt, Pyrometrie genannt wird.
Die allgemeinste strenge Definition des Temperaturbegriffs, die dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgt, wird mit dem Ausdruck formuliert:
T = dQ /dC,
Dabei ist T die absolute Temperatur eines isolierten thermodynamischen Systems, dQ die Zunahme der an dieses System übertragenen Wärme und dS die Zunahme der Entropie dieses Systems.
Der obige Ausdruck wird wie folgt interpretiert: Die Temperatur ist ein Maß für die Zunahme der auf ein isoliertes thermodynamisches System übertragenen Wärme und entspricht der in diesem Fall auftretenden Zunahme der Entropie des Systems, oder mit anderen Worten, der Zunahme von die Störung seines Zustandes.
In der statistischen Mechanik, die die Phasen des Systems unter Berücksichtigung der in den Makrosystemen ablaufenden Mikroprozesse beschreibt, wird der Begriff der Temperatur dadurch definiert, dass er die Verteilung der Teilchen eines molekularen Systems zwischen mehreren unbesetzten Energieniveaus ausdrückt (Gibbs-Verteilung). .
Diese Definition (in Übereinstimmung mit der vorherigen) betont den probabilistischen, statistischen Aspekt des Konzepts der Temperatur als Hauptparameter der mikrophysikalischen Form der Energieübertragung von einem Körper (oder System) auf einen anderen, d.h. chaotische thermische Bewegung.
Die Unklarheit strenger Definitionen des Temperaturbegriffs, die zudem nur für thermodynamisch ausgeglichene Systeme gelten, hat zur weit verbreiteten Verwendung einer „utilitaristischen“ Definition geführt, die auf dem Wesen des Phänomens der Energieübertragung basiert: Temperatur ist der thermische Zustand eines Körpers oder Systems, der durch seine Fähigkeit zum Wärmeaustausch mit einem anderen Körper (oder System) gekennzeichnet ist.
Diese Formulierung ist sowohl auf thermodynamische Nichtgleichgewichtssysteme als auch (mit Vorbehalt) auf das psychophysiologische Konzept der „sensorischen“ Temperatur anwendbar, die von einer Person direkt mithilfe der thermischen Tastorgane wahrgenommen wird.
Die „sensorische“ Temperatur wird vom Menschen subjektiv direkt, jedoch nur qualitativ und in einem relativ engen Intervall beurteilt, während die physikalische Temperatur quantitativ und objektiv mit Hilfe von Messgeräten gemessen wird, jedoch nur indirekt – über den Wert einer bestimmten physikalischen Größe auf die gemessene Temperatur.
Daher wird im zweiten Fall ein gewisser Referenzzustand (Referenzzustand) der zu diesem Zweck ausgewählten temperaturabhängigen physikalischen Größe festgelegt und diesem ein bestimmter numerischer Temperaturwert zugeordnet, so dass jede Änderung des Zustands der ausgewählten physikalischen Größe relativ ist zur Referenz kann in Temperatureinheiten ausgedrückt werden.
Der Satz von Temperaturwerten, der einer Reihe aufeinanderfolgender Zustandsänderungen (d. h. einer Folge von Werten) einer ausgewählten temperaturabhängigen Größe entspricht, bildet eine Temperaturskala. Die gebräuchlichsten Temperaturskalen sind Celsius, Fahrenheit, Réaumur, Kelvin und Rankine.
Kelvin- und Celsius-Temperaturskalen
V 1730 Der französische Naturforscher René Antoine Reumour (1683-1757) markierte auf Amotons Vorschlag basierend den Schmelzpunkt von Eis auf dem Thermometer mit 0 und den Siedepunkt von Wasser mit 80O. V 1742 NSDer vedische Astronom und Physiker Anders Celsius (1701 – 1744) entdeckte nach zweijähriger Prüfung des Reaumur-Thermometers einen Fehler in der Skala.
Es stellte sich heraus, dass dies maßgeblich vom Atmosphärendruck abhängt. Celsius schlug vor, bei der Kalibrierung der Waage den Druck zu bestimmen, und ich teilte den gesamten Temperaturbereich durch 100, ordnete aber dem Schmelzpunkt von Eis die Marke 100 zu. Später änderten der schwedische Linnaeus oder der deutsche Stremmer (nach verschiedenen Quellen) die Bezeichnungen der Kontrollpunkte.
So entstand die heute weit verbreitete Celsius-Temperaturskala. Die Kalibrierung erfolgt bei normalem Atmosphärendruck von 1013,25 hPa.
Temperaturskalen wurden von Fahrenheit, Réaumur und Newton erstellt (letzterer wählte versehentlich die Temperatur des menschlichen Körpers als Ausgangspunkt).Nun, die Großen liegen falsch!) Und viele andere. Sie haben den Test der Zeit nicht bestanden.
Die Celsius-Temperaturskala wurde auf der 1. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1889 angenommen. Derzeit ist das Grad Celsius die offizielle Einheit zur Temperaturmessung, die vom Internationalen Komitee für Maß und Gewicht festgelegt wurde, jedoch mit einigen Klarstellungen in der Definition.
Aus den oben genannten Argumenten lässt sich leicht schließen, dass die Celsius-Temperaturskala nicht das Ergebnis der Aktivität einer einzelnen Person ist. Celsius war nur einer der letzten Forscher und Erfinder, die an seiner Entwicklung beteiligt waren. Bis 1946 wurde die Skala einfach Gradskala genannt. Erst damals verlieh das Internationale Komitee für Maß und Gewicht dem Grad Celsius den Namen „Grad Celsius“.
Ein paar Worte zum Funktionskörper von Thermometern. Die ersten Geräteentwickler waren natürlich bestrebt, ihren Aktionsradius zu erweitern. Das einzige unter normalen Bedingungen flüssige Metall ist Quecksilber.
Es gab keine Wahl. Der Schmelzpunkt liegt bei -38,97 °C, der Siedepunkt bei +357,25 °C. Von den flüchtigen Stoffen erwiesen sich Wein oder Ethylalkohol als am häufigsten verfügbar. Schmelzpunkt – 114,2 °C, Siedepunkt + 78,46 °C.
Die erstellten Thermometer eignen sich zur Messung von Temperaturen von -100 bis +300 °C, was zur Lösung der meisten praktischen Probleme ausreicht. Beispielsweise beträgt die minimale Lufttemperatur -89,2 °C (Wostok-Station in der Antarktis) und die maximale +59 °C (Sahara-Wüste). Die meisten Wärmebehandlungsprozesse wässriger Lösungen fanden bei Temperaturen nicht über 100 °C statt.
Die Grundeinheit der thermodynamischen Temperatur und gleichzeitig eine der Grundeinheiten Internationales Einheitensystem (SI) ist der Grad Kelvin.
Die Größe (Temperaturlücke) von 1 Grad Kelvin wird dadurch bestimmt, dass der Wert der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts von Wasser genau auf 273,16 °K eingestellt wird.
Diese Temperatur, bei der Wasser im Gleichgewichtszustand in drei Phasen vorliegt: fest, flüssig und gasförmig, wird aufgrund seiner hohen Reproduzierbarkeit als Hauptausgangspunkt angesehen, die um eine Größenordnung besser ist als die Reproduzierbarkeit der Gefrier- und Siedepunkte von Wasser .
Die Messung der Tripelpunkttemperatur von Wasser ist eine technisch schwierige Aufgabe. Daher wurde es als Standard erst 1954 auf der X. Generalkonferenz für Maß und Gewicht genehmigt.
Das Grad Celsius, in dessen Einheiten auch die thermodynamische Temperatur ausgedrückt werden kann, entspricht hinsichtlich des Temperaturbereichs genau dem Kelvin, aber der numerische Wert jeder Temperatur in Celsius ist 273,15 Grad höher als der Wert derselben Temperatur in Kelvin .
Die Größe von 1 Grad Kelvin (oder 1 Grad Celsius), die durch den numerischen Wert der Temperatur des Tripelpunkts von Wasser bestimmt wird, unterscheidet sich mit moderner Messgenauigkeit nicht von ihrer (früher akzeptierten) Größe als Hundertstel Temperaturunterschied zwischen dem Gefrierpunkt und dem Siedepunkt von Wasser.
Klassifizierung von Methoden und Geräten zur Temperaturmessung
Die Messung der Körper- bzw. Umgebungstemperatur kann auf zwei grundsätzlich unterschiedlichen indirekten Wegen erfolgen.
Der erste Weg führt zur Messung der Werte einer der temperaturabhängigen Eigenschaften oder Zustandsparameter des Körpers selbst oder der Umgebung, der zweite - zur Messung der Werte der temperaturabhängigen Eigenschaften oder des Zustands Parameter des Hilfskörpers, der (direkt oder indirekt) in einen thermischen Gleichgewichtszustand mit dem Körper oder der Umgebung gebracht wird, dessen Temperatur gemessen wird...
Als Hilfskörper wird ein Hilfskörper bezeichnet, der diesen Zwecken dient und Sensor eines kompletten Temperaturmessgerätes ist thermometrische (pyrometrische) Sonde oder thermischer Detektor… Daher werden alle Methoden und Geräte zur Temperaturmessung in zwei grundsätzlich unterschiedliche Gruppen eingeteilt: ohne Sondierung und Sonde.
Der Wärmedetektor oder ein beliebiges Zusatzgerät des Geräts kann in direkten mechanischen Kontakt mit dem Körper oder Medium, dessen Temperatur gemessen wird, gebracht werden, oder es darf nur ein „optischer“ Kontakt zwischen ihnen hergestellt werden.
Abhängig davon werden alle Methoden und Werkzeuge zur Temperaturmessung unterteilt Kontakt und Nichtkontakt. Von größter praktischer Bedeutung sind kontaktberührende und kontaktlose Methoden und Geräte.
Fehler bei der Temperaturmessung
Alle berührenden, meist bohrenden Methoden der Temperaturmessung zeichnen sich im Gegensatz zu anderen Methoden durch die sogenannte aus thermische oder thermische methodische Fehler aufgrund der Tatsache, dass ein vollständiges Sondenthermometer (oder Pyrometer) nur den Temperaturwert des empfindlichen Teils des Wärmedetektors misst, gemittelt über die Oberfläche oder das Volumen dieses Teils.
Mittlerweile stimmt diese Temperatur in der Regel nicht mit der gemessenen überein, da der Wärmedetektor zwangsläufig das Temperaturfeld, in das er eingeführt wird, verzerrt. Bei der Messung einer stationären konstanten Temperatur eines Körpers oder einer Umgebung wird ein bestimmter Wärmeaustauschmodus zwischen diesem und dem Wärmeempfänger hergestellt.
Der konstante Temperaturunterschied zwischen dem Thermodetektor und der gemessenen Körper- oder Umgebungstemperatur charakterisiert den statischen thermischen Fehler bei der Temperaturmessung.
Wenn sich die gemessene Temperatur ändert, ist der thermische Fehler eine Funktion der Zeit. Man kann davon ausgehen, dass ein solcher dynamischer Fehler aus einem konstanten Teil, der dem statischen Fehler entspricht, und einem variablen Teil besteht.
Letzteres entsteht, weil mit jeder Änderung der Wärmeübertragung zwischen einem Körper oder Medium, dessen Temperatur gemessen wird, nicht sofort eine neue Art der Wärmeübertragung entsteht. Die Restverzerrung der Thermometer- oder Pyrometerwerte, die eine Funktion der Zeit ist, wird durch die thermische Trägheit des Thermometers charakterisiert.
Thermische Fehler und thermische Trägheit eines thermischen Detektors hängen von denselben Faktoren ab wie der Wärmeaustausch zwischen einem Körper oder einer Umgebung und einem thermischen Detektor: von den Temperaturen des thermischen Detektors und des Körpers oder der Umgebung, von deren Größe, Zusammensetzung (und damit Eigenschaften). und Zustand, durch Design, Abmessungen, geometrische Form, Zustand der Oberfläche und Eigenschaften der Materialien des Wärmedetektors und der ihn umgebenden Körper, aus ihrer Anordnung, nach welchem Gesetz sich die gemessene Temperatur des Körpers oder der Umgebung im Laufe der Zeit ändert.
Thermische methodische Fehler bei der Temperaturmessung sind in der Regel um ein Vielfaches höher als die instrumentellen Fehler von Thermometern und Pyrometern. Ihre Reduzierung wird durch rationelle Methoden der Temperaturmessung und Konstruktion von Wärmemeldern sowie deren entsprechende Installation an den Einsatzorten erreicht.
Die Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeempfänger und der Umgebung bzw. dem Körper, dessen Temperatur gemessen wird, wird dadurch erreicht, dass vorteilhafte Faktoren der Wärmeübertragung forciert und schädliche Faktoren unterdrückt werden.
Wenn beispielsweise die Temperatur eines Gases in einem geschlossenen Volumen gemessen wird, wird der konvektive Wärmeaustausch des Thermodetektors mit dem Gas erhöht, wodurch ein schneller Gasfluss um den Thermodetektor (ein „Saug“-Thermoelement) und Strahlungswärme entsteht Der Austausch mit den Wänden des Volumens wird reduziert, wodurch der thermische Detektor abgeschirmt wird („abgeschirmtes“ Thermoelement).
Zur Reduzierung der thermischen Trägheit werden bei Thermometern und Pyrometern mit elektrischem Ausgangssignal auch spezielle Schaltungen eingesetzt, die bei einer schnellen Änderung der gemessenen Temperatur die Signalanstiegszeit künstlich verkürzen.
Berührungslose Methoden zur Temperaturmessung
Die Möglichkeit der Verwendung von Kontaktmethoden bei Messungen wird nicht nur durch die Verzerrung der gemessenen Temperatur durch den Kontakt-Wärmedetektor bestimmt, sondern auch durch die tatsächlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Materialien des Wärmedetektors (Korrosion und mechanische Beständigkeit, Wärmebeständigkeit, usw.).
Berührungslose Messmethoden unterliegen diesen Einschränkungen nicht. Die wichtigsten davon, nämlichAufgrund der Gesetze der Temperaturstrahlung sind besondere Fehler inhärent, da die verwendeten Gesetze genau nur für einen absolut schwarzen Strahler gelten, von dem sich alle realen physikalischen Strahler (Körper und Träger) hinsichtlich der Strahlungseigenschaften mehr oder weniger unterscheiden .
Nach Kirchhoffs Strahlungsgesetzen strahlt jeder physische Körper weniger Energie ab als ein schwarzer Körper, der auf die gleiche Temperatur wie der physische Körper erhitzt wird.
Daher zeigt ein Temperaturmessgerät, das gegen einen schwarzen Strahler kalibriert ist, bei der Messung der Temperatur eines realen physikalischen Strahlers eine niedrigere Temperatur als die tatsächliche Temperatur an, nämlich die Temperatur, bei der die bei der Kalibrierung verwendete Eigenschaft des schwarzen Strahlers (Strahlungsenergie, B. seine Helligkeit, seine spektrale Zusammensetzung usw.), stimmt wertmäßig mit der Eigenschaft eines physikalischen Strahlers bei einer bestimmten, zu bestimmenden tatsächlichen Temperatur überein. Die gemessene unterschätzte Pseudotemperatur wird als Schwarztemperatur bezeichnet.
Unterschiedliche Messmethoden führen zu unterschiedlichen, in der Regel nicht übereinstimmenden Schwarztemperaturen: Ein Strahlungspyrometer zeigt Integral- oder Strahlungstemperaturen an, ein optisches Pyrometer - Helligkeit, ein Farbpyrometer - Farbschwarztemperaturen.
Der Übergang von gemessenen Schwarztönen zu tatsächlichen Temperaturen erfolgt grafisch oder analytisch, wenn der Emissionsgrad des Objekts, dessen Temperatur gemessen wird, bekannt ist.
Der Emissionsgrad ist das Verhältnis der Werte der physikalischen und schwarzen Emitter, die zur Messung der Strahlungseigenschaften verwendet werden und die gleiche Temperatur haben: Bei der Strahlungsmethode ist der Emissionsgrad gleich dem Verhältnis der Gesamtenergien (über das Spektrum). Bei der optischen Methode ist das spektrale Emissionsvermögen gleich dem Verhältnis der spektralen Dichten des Leuchtens. Wenn alle anderen Bedingungen gleich sind, werden die kleinsten Emitter-Nicht-Schwärzungsfehler von einem Farbpyrometer ermittelt.
Eine radikale Lösung des Problems der Messung der tatsächlichen Temperatur eines nicht schwarzen Emitters durch Strahlungsmethoden wird durch die Kunst erreicht, indem Bedingungen geschaffen werden, die es ihm ermöglichen, ihn in einen schwarzen Emitter umzuwandeln (z. B. indem man ihn in einen praktisch geschlossenen Hohlraum platziert). .
In einigen Sonderfällen ist es möglich, die tatsächliche Temperatur eines nicht schwarzen Strahlers mit herkömmlichen Strahlungspyrometern unter Verwendung spezieller Temperaturmesstechniken (z. B. Beleuchtung, in Strahlen mit drei Wellenlängen, in polarisiertem Licht usw.) zu messen.
Allgemeine Instrumente zur Temperaturmessung
Die große Bandbreite der gemessenen Temperaturen und eine unerschöpfliche Anzahl unterschiedlicher Bedingungen und Messobjekte bestimmen eine außergewöhnliche Vielfalt und Vielfalt an Methoden und Geräten zur Temperaturmessung.
Die gebräuchlichsten Instrumente zur Temperaturmessung sind:
- Thermoelektrische Pyrometer (Thermometer);
- elektrische Widerstandsthermometer;
- Strahlungspyrometer;
- Optische Absorptionspyrometer;
- Optische Helligkeitspyrometer;
- Farbpyrometer;
- Flüssigkeitsausdehnungsthermometer;
- Messgerätethermometer;
- Dampfthermometer;
- Gaskondensationsthermometer;
- Dilatometrische Stabthermometer;
- Bimetall-Thermometer;
- Akustische Thermometer;
- Kalorimetrische Pyrometer-Pyroskope;
- Thermofarben;
- Paramagnetische Salzthermometer.
Die beliebtesten elektrischen Geräte zur Temperaturmessung:
Siehe auch: Vor- und Nachteile verschiedener Temperatursensoren
Die vielen oben aufgeführten Arten von Instrumenten werden für Messungen mit verschiedenen Methoden verwendet. Beispielsweise wird ein thermoelektrisches Thermometer verwendet:
- zur Kontaktmessung der Temperatur von Umgebungen und Körpern sowie deren Oberflächen, ohne oder in Kombination mit Geräten, die das thermische Ungleichgewicht des Thermodetektors und des Messobjekts korrigieren;
- zur berührungslosen Temperaturmessung durch Strahlung und einige spektroskopische Methoden;
- zur gemischten (kontaktberührungslosen) Messung der Temperatur des flüssigen Metalls nach der Gashohlraummethode (Messung der Strahlungstemperatur einer in das flüssige Metall eingeblasenen Gasblase am Ende eines darin eingetauchten Rohrs mit einer Strahlungsquelle). Pyrometer).
Gleichzeitig können viele Temperaturmessmethoden mit Geräten unterschiedlicher Art angewendet werden.
Beispielsweise können Außen- und Innenlufttemperaturen mit Geräten von mindestens 15 Typen gemessen werden. Das Foto zeigt ein Bimetall-Thermometer.
Das größte Thermometer der Welt in Baker, Kalifornien
Anwendung von Temperaturmessgeräten:
Messung von Oberflächentemperaturen mit Thermoelementen
Berührungslose Temperaturmessung beim Betrieb elektrischer Geräte