Sıcaklığı ölçmek için yöntemler ve aletler
sıcaklık nedir
Sıcaklık ölçümü, teorik ve deneysel bir disiplinin konusudur - bir kısmı 500 ° C'nin üzerindeki sıcaklıkları kapsayan termometri, pirometri olarak adlandırılır.
Termodinamiğin ikinci yasasını izleyen sıcaklık kavramının en genel katı tanımı şu ifadeyle formüle edilir:
T = dQ /dC,
burada T izole edilmiş bir termodinamik sistemin mutlak sıcaklığı, dQ o sisteme aktarılan ısının artışı ve dS o sistemin entropisindeki artıştır.
Yukarıdaki ifade şu şekilde yorumlanır: sıcaklık, izole edilmiş bir termodinamik sisteme aktarılan ısıdaki artışın bir ölçüsüdür ve bu durumda sistemin entropisindeki artışa karşılık gelir veya başka bir deyişle sıcaklık artışına karşılık gelir. durumunun bozulması.
Makro sistemlerde meydana gelen mikro süreçleri hesaba katarak sistemin aşamalarını açıklayan istatistiksel mekanikte, sıcaklık kavramı, moleküler bir sistemin parçacıklarının bir dizi boş enerji seviyesi arasındaki dağılımını ifade ederek tanımlanır (Gibbs dağılımı). .
Bu tanım (bir öncekine uygun olarak), bir vücuttan (veya sistemden) diğerine mikrofiziksel enerji transferinin ana parametresi olarak sıcaklık kavramının olasılıksal, istatistiksel yönünü vurgular, yani. kaotik termal hareket.
Yalnızca termodinamik olarak dengeli sistemler için geçerli olan sıcaklık kavramının katı tanımlarının net olmaması, enerji aktarımı olgusunun özüne dayanan "faydacı" bir tanımın yaygın şekilde kullanılmasına yol açmıştır: sıcaklık, başka bir cisim (veya sistem) ile ısı alışverişi yapma yeteneği ile karakterize edilen bir cisim veya sistemin termal durumudur.
Bu formülasyon, hem termodinamik olarak dengesiz sistemlere hem de (çekincelerle), termal dokunma organlarını kullanan bir kişi tarafından doğrudan algılanan psikofizyolojik "duyusal" sıcaklık kavramına uygulanabilir.
"Duyusal" sıcaklık, bir kişi tarafından doğrudan, ancak yalnızca niteliksel olarak ve nispeten dar bir aralıkta öznel olarak değerlendirilirken, fiziksel sıcaklık, ölçüm cihazlarının yardımıyla, ancak yalnızca dolaylı olarak - bağlı olarak bazı fiziksel niceliklerin değeri aracılığıyla nicel ve nesnel olarak ölçülür. ölçülen sıcaklıkta.
Bu nedenle, ikinci durumda, bu amaç için seçilen sıcaklığa bağlı fiziksel miktarın bir referans (referans) durumu belirlenir ve ona belirli bir sayısal sıcaklık değeri atanır, böylece seçilen fiziksel miktarın durumundaki herhangi bir değişiklik görecelidir. referansa sıcaklık birimleri cinsinden ifade edilebilir.
Seçilen bir sıcaklığa bağlı miktarın durumundaki bir dizi ardışık değişikliğe (yani bir değerler dizisine) karşılık gelen sıcaklık değerleri kümesi, bir sıcaklık ölçeği oluşturur. En yaygın sıcaklık ölçekleri Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin ve Rankine'dir.
Kelvin ve Celsius sıcaklık ölçekleri
V 1730 Fransız doğa bilimci René Antoine Reumour (1683-1757), Amoton'un önerisine dayanarak, termometrede buzun erime noktasını 0, suyun kaynama noktasını 80O olarak işaretledi. V 1742 NSVedik astronom ve fizikçi Anders Celsius (1701 — 1744), Reaumur termometresini iki yıl test ettikten sonra, ölçeğin derecelendirmesinde bir hata keşfetti.
Bunun büyük ölçüde atmosferik basınca bağlı olduğu ortaya çıktı. Celsius, ölçeği kalibre ederken basıncı belirlemeyi önerdi ve tüm sıcaklık aralığını 100'e böldüm, ancak buzun erime noktasına 100 işaretini atadım. Daha sonra İsveçli Linnaeus veya Alman Stremmer (çeşitli kaynaklara göre) kontrol noktalarının tanımlarını değiştirdi.
Böylece artık yaygın olarak kullanılan Celsius sıcaklık ölçeği ortaya çıktı. Kalibrasyonu 1013,25 hPa'lık normal atmosferik basınçta gerçekleştirilir.
Sıcaklık ölçekleri Fahrenheit, Reaumur, Newton tarafından yaratıldı (ikincisi yanlışlıkla insan vücudunun sıcaklığını başlangıç noktası olarak seçti.Eh, büyük olanlar yanılıyor!) Ve diğerleri. Zamanın testine dayanamadılar.
Celsius sıcaklık ölçeği, 1889'daki 1. Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı'nda kabul edildi. Şu anda, Celsius derecesi, Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi tarafından kurulan resmi sıcaklık ölçüm birimidir, ancak tanımda bazı açıklamalar vardır.
Yukarıdaki argümanlara göre, Celsius sıcaklık ölçeğinin bir kişinin faaliyetinin sonucu olmadığı sonucuna varmak kolaydır. Celsius, geliştirilmesinde yer alan son araştırmacılardan ve mucitlerden yalnızca biriydi. 1946 yılına kadar, ölçek basitçe derece ölçeği olarak adlandırılıyordu. Ancak o zaman Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Komitesi, Celsius derecesine "Celsius derecesi" adını verdi.
Termometrelerin çalışma gövdesi hakkında birkaç söz. İlk cihaz yaratıcıları doğal olarak hareket alanlarını genişletmeye çalıştılar. Normal şartlar altında tek sıvı metal cıvadır.
Başka seçenek yoktu. Erime noktası -38.97 ° C, kaynama noktası + 357.25 ° C'dir. Uçucu maddelerden en uygununun şarap veya etil alkol olduğu ortaya çıktı. Erime noktası — 114,2 °C, kaynama noktası + 78,46 °C
Oluşturulan termometreler, -100 ila + 300 ° C arasındaki sıcaklıkları ölçmek için uygundur ve bu, çoğu pratik sorunu çözmek için yeterlidir. Örneğin, minimum hava sıcaklığı -89,2 ° C (Antarktika'daki Vostok istasyonu) ve maksimum + 59 ° C'dir (Sahra Çölü). Sulu çözeltilerin ısıl işlem işlemlerinin çoğu 100 °C'den yüksek olmayan sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir.
Termodinamik sıcaklığın temel ölçü birimi ve aynı zamanda temel birimlerden biri Uluslararası Birim Sistemi (SI) Kelvin derecesidir.
1 derece Kelvin'in boyutu (sıcaklık aralığı), suyun üçlü noktasının termodinamik sıcaklığının değerinin tam olarak 273.16 ° K olarak ayarlanmasıyla belirlenir.
Suyun katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç fazda denge halinde bulunduğu bu sıcaklık, yüksek tekrarlanabilirliği nedeniyle ana başlangıç noktası olarak alınır; suyun donma ve kaynama noktalarının tekrarlanabilirliğinden kat kat daha iyidir. .
Suyun üçlü nokta sıcaklığını ölçmek teknik olarak zor bir iştir. Bu nedenle, bir standart olarak, yalnızca 1954'te X Genel Ağırlıklar ve Ölçüler Konferansı'nda onaylandı.
Termodinamik sıcaklığın da ifade edilebildiği Celsius derecesi, sıcaklık aralığı bakımından tam olarak Kelvin'e eşittir, ancak herhangi bir sıcaklığın Celsius cinsinden sayısal değeri, aynı sıcaklığın Kelvin cinsinden değerinden 273,15 derece daha yüksektir. .
Modern ölçüm doğruluğu ile suyun üçlü noktasının sıcaklığının sayısal değeri ile belirlenen 1 derece Kelvin (veya 1 Santigrat derece) boyutu, yüzde biri olarak belirlenen (daha önce kabul edilen) boyutundan farklı değildir. suyun donma ve kaynama noktaları arasındaki sıcaklık farkı.
Sıcaklık ölçümü için yöntem ve cihazların sınıflandırılması
Vücut veya ortam sıcaklığının ölçülmesi temelde farklı iki dolaylı yoldan yapılabilir.
İlk yol, vücudun kendisinin veya çevrenin sıcaklığa bağlı özelliklerinden veya durum parametrelerinden birinin değerlerinin ölçülmesine, ikincisi - sıcaklığa bağlı özelliklerin veya durumun değerlerinin ölçülmesine yol açar sıcaklığı ölçülen cisim veya çevre ile (doğrudan veya dolaylı olarak) bir termal denge durumuna getirilen yardımcı cismin parametreleri...
Bu amaçlara hizmet eden ve eksiksiz bir sıcaklık ölçüm cihazının sensörü olan yardımcı bir gövdeye denir. termometrik (pirometrik) prob veya termal dedektör... Bu nedenle, sıcaklığı ölçmek için tüm yöntemler ve cihazlar temelde farklı iki gruba ayrılır: yoklama ve yoklama olmadan.
Termal dedektör veya cihazın herhangi bir ek cihazı, sıcaklığı ölçülen vücut veya ortam ile doğrudan mekanik temasa getirilebilir veya aralarında sadece "optik" temas kurulabilir.
Buna bağlı olarak, sıcaklığı ölçmek için tüm yöntemler ve araçlar ayrılır. temaslı ve temassız. Prob teması ve temassız yöntemler ve cihazlar en büyük pratik öneme sahiptir.
Sıcaklık ölçüm hataları
Tüm temas, çoğunlukla delme, sıcaklık ölçüm yöntemleri, diğer yöntemlerden farklı olarak, sözde ile karakterize edilir. Termal veya termal metodolojik hatalar, eksiksiz bir sonda termometresinin (veya pirometrenin), termal detektörün yalnızca hassas kısmının sıcaklık değerini, o parçanın yüzeyi veya hacmi üzerinden ortalaması alınarak ölçmesinden kaynaklanır.
Bu arada, bu sıcaklık, kural olarak, ölçülen sıcaklıkla örtüşmez, çünkü termal dedektör, içine sokulduğu sıcaklık alanını kaçınılmaz olarak bozar. Bir cismin veya ortamın sabit sabit sıcaklığını ölçerken, onunla termal alıcı arasında belirli bir ısı alışverişi modu kurulur.
Termal dedektör ile vücut veya ortamın ölçülen sıcaklığı arasındaki sabit sıcaklık farkı, sıcaklık ölçümündeki statik termal hatayı karakterize eder.
Ölçülen sıcaklık değişirse, termal hata zamanın bir fonksiyonudur. Böyle bir dinamik hatanın, statik hataya eşdeğer bir sabit kısım ve bir değişken kısımdan oluştuğu düşünülebilir.
İkincisi, sıcaklığı ölçülen bir cisim veya ortam arasındaki ısı transferindeki her değişiklikle birlikte, yeni bir ısı transferi modunun hemen kurulmaması nedeniyle ortaya çıkar. Zamanın bir fonksiyonu olan termometre veya pirometre okumalarının artık bozulması, termometrenin termal eylemsizliği ile karakterize edilir.
Bir termal dedektörün termal hataları ve termal eylemsizliği, bir vücut veya ortam ile bir termal dedektör arasındaki ısı değişimi ile aynı faktörlere bağlıdır: termal dedektörün ve vücut veya ortamın sıcaklıklarına, bunların boyutlarına, bileşimlerine (ve dolayısıyla özelliklerine) ve durumu, tasarımı, boyutları, geometrik şekli, yüzeyinin durumu ve termal dedektör malzemelerinin ve etrafındaki gövdelerin özellikleri, düzenlemelerinden, vücut veya ortamın ölçülen sıcaklığının zaman içinde değiştiği yasaya göre.
Sıcaklık ölçümündeki termal metodolojik hatalar, kural olarak, termometrelerin ve pirometrelerin araçsal hatalarından birkaç kat daha yüksektir. Bunların azaltılması, rasyonel sıcaklık ölçüm yöntemleri ve termal dedektörlerin yapıları kullanılarak ve ikincisinin kullanım yerlerine uygun şekilde kurulmasıyla sağlanır.
Termal alıcı ile sıcaklığı ölçülen çevre veya vücut arasındaki ısı transferinin iyileştirilmesi, ısı transferinin yararlı ve zararlı faktörlerini bastırarak sağlanır.
Örneğin, kapalı bir hacimdeki bir gazın sıcaklığını ölçerken, termal dedektörün gazla konvektif ısı alışverişi artar, bu da termal dedektörün çevresinde hızlı bir gaz akışı ("emme" termokupl) ve radyan ısı oluşturur. termal dedektörü ("korumalı" termokupl) koruyan hacmin duvarları ile değişimi azaltılır.
Elektrik çıkış sinyali olan termometreler ve pirometrelerdeki termal ataleti azaltmak için, ölçülen sıcaklıkta hızlı bir değişiklikle sinyal yükselme süresini yapay olarak azaltan özel devreler de kullanılır.
Temassız sıcaklık ölçüm yöntemleri
Temas yöntemlerinin ölçümlerde kullanılma olasılığı, yalnızca ölçülen sıcaklığın temaslı termal dedektör tarafından bozulmasıyla değil, aynı zamanda termal dedektörün malzemelerinin gerçek fiziko-kimyasal özellikleriyle de belirlenir (korozyon ve mekanik direnç, ısı direnci, vesaire.).
Temassız ölçüm yöntemleri bu sınırlamalardan muaftır. Ancak bunlardan en önemlisi, yani.sıcaklık radyasyonu yasalarına dayanarak, kullanılan yasaların yalnızca tamamen siyah bir yayıcı için tam olarak geçerli olması nedeniyle, tüm gerçek fiziksel yayıcıların (gövdeler ve taşıyıcılar) radyasyon açısından az ya da çok farklı olması nedeniyle özel hatalar doğasında vardır. .
Kirchhoff'un radyasyon yasalarına göre, herhangi bir fiziksel beden, fiziksel bedenle aynı sıcaklığa ısıtılmış siyah bir cisimden daha az enerji yayar.
Bu nedenle, siyah yayıcıya karşı kalibre edilmiş bir sıcaklık ölçüm cihazı, gerçek bir fiziksel yayıcının sıcaklığını ölçerken, gerçek olandan daha düşük bir sıcaklık gösterecektir, yani siyah yayıcının özelliğinin kalibrasyonda kullanıldığı sıcaklık (ışıma enerjisi, parlaklığı, spektral bileşimi, vb.), belirlenecek belirli bir gerçek sıcaklıkta fiziksel bir yayıcının özelliği ile değer olarak eşleşir.Ölçülen hafife alınmış sözde sıcaklık, siyah sıcaklık olarak adlandırılır.
Farklı ölçüm yöntemleri, kural olarak, eşleşmeyen farklı siyah sıcaklıklara yol açar: bir radyasyon pirometresi, integral veya radyasyonu, bir optik pirometre - parlaklık, bir renkli pirometre - siyah renkli sıcaklıkları gösterir.
Sıcaklığı ölçülen nesnenin yayma gücü biliniyorsa, ölçülen siyahlardan gerçek sıcaklıklara geçiş grafiksel veya analitik olarak yapılır.
Emisivite, aynı sıcaklığa sahip ışıma özelliklerini ölçmek için kullanılan fiziksel ve siyah yayıcıların değerlerinin oranıdır: ışınım yöntemiyle, salım, toplam (spektrum boyunca) enerjilerin oranına eşittir, optik yöntemle, spektral yayma yeteneği, ışımanın spektral yoğunluklarının oranına eşittir. Diğer her şey eşit olmak üzere, en küçük yayıcı siyah olmama hataları bir renk pirometresi ile verilir.
Siyah olmayan bir yayıcının gerçek sıcaklığını ışıma yöntemleriyle ölçme sorununa radikal bir çözüm, onu siyah yayıcıya dönüştürmesi için koşullar yaratarak (örneğin, pratik olarak kapalı bir boşluğa yerleştirerek) sanat tarafından elde edilir. .
Bazı özel durumlarda, siyah olmayan bir yayıcının gerçek sıcaklığını, özel sıcaklık ölçüm teknikleri (örneğin aydınlatma, üç dalga boylu ışınlarda, polarize ışıkta, vb.) kullanarak geleneksel radyasyon pirometreleriyle ölçmek mümkündür.
Sıcaklık ölçümü için genel aletler
Ölçülen sıcaklıkların geniş aralığı ve tükenmez sayıda farklı koşullar ve ölçüm nesneleri, sıcaklık ölçümü için olağanüstü çeşitlilik ve çeşitlilikte yöntemler ve cihazlar belirler.
Sıcaklığı ölçmek için en yaygın araçlar şunlardır:
- Termoelektrik pirometreler (termometreler);
- elektrik dirençli termometreler;
- Radyasyon pirometreleri;
- Optik absorpsiyon pirometreleri;
- Optik parlaklık pirometreleri;
- Renk pirometreleri;
- Sıvı genleşme termometreleri;
- Ölçü termometreleri;
- Buhar termometreleri;
- Gaz yoğunlaşma termometreleri;
- Çubuk dilatometrik termometreler;
- Bimetalik termometreler;
- Akustik termometreler;
- kalorimetrik pirometreler-piroskoplar;
- Termal boyalar;
- Paramanyetik tuz termometreleri.
Sıcaklığı ölçmek için en popüler elektrikli cihazlar:
Ayrıca bakınız: Farklı sıcaklık sensörlerinin avantajları ve dezavantajları
Yukarıda listelenen birçok alet türü, çeşitli yöntemlerle yapılan ölçümler için kullanılır. Örneğin, bir termoelektrik termometre kullanılır:
- termal dedektörün ve ölçüm nesnesinin termal dengesizliğini düzelten cihazlar olmadan veya bunlarla kombinasyon halinde, ortamların ve cisimlerin ve ayrıca bunların yüzeylerinin sıcaklığının temas ölçümü için;
- radyasyon ve bazı spektroskopik yöntemlerle temassız sıcaklık ölçümü için;
- sıvı metalin sıcaklığının gaz boşluğu yöntemiyle karışık (temaslı-temassız) ölçümü için (içine radyasyonla daldırılmış bir tüpün ucunda sıvı metale üflenen bir gaz kabarcığının radyasyon sıcaklığının ölçümü) pirometre).
Aynı zamanda çeşitli tipteki cihazlarla birçok sıcaklık ölçüm yöntemi uygulanabilmektedir.
Örneğin, dış ve iç hava sıcaklığı en az 15 çeşit cihazla ölçülebilir. Fotoğrafta bimetalik bir termometre gösterilmektedir.
Baker, California'da dünyanın en büyük termometresi
Sıcaklık ölçüm cihazlarının uygulanması:
Termokupllarla yüzey sıcaklıklarının ölçülmesi
Elektrikli ekipmanın çalışması sırasında temassız sıcaklık ölçümü