Phương pháp và dụng cụ đo nhiệt độ
nhiệt độ là gì
Phép đo nhiệt độ là chủ đề của một môn học lý thuyết và thực nghiệm - phép đo nhiệt độ, một phần của phép đo nhiệt độ trên 500 ° C, được gọi là phép đo nhiệt độ.
Định nghĩa chặt chẽ chung nhất về khái niệm nhiệt độ, tuân theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, được xây dựng bằng biểu thức:
T = dQ /dC,
trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối của một hệ nhiệt động bị cô lập, dQ là lượng nhiệt truyền vào hệ đó, và dS là lượng tăng entropy của hệ đó.
Biểu thức trên được hiểu như sau: nhiệt độ là thước đo mức tăng nhiệt lượng truyền sang một hệ nhiệt động bị cô lập và tương ứng với mức tăng entropy của hệ xảy ra trong trường hợp này, hay nói cách khác là mức tăng sự xáo trộn trạng thái của nó.
Trong cơ học thống kê, mô tả các pha của hệ thống, có tính đến các quá trình vi mô xảy ra trong các hệ thống vĩ mô, khái niệm nhiệt độ được xác định bằng cách biểu thị sự phân bố các hạt của một hệ thống phân tử giữa một số mức năng lượng chưa sử dụng (phân phối Gibbs) .
Định nghĩa này (phù hợp với định nghĩa trước) nhấn mạnh khía cạnh xác suất, thống kê của khái niệm nhiệt độ là tham số chính của dạng truyền năng lượng vi mô từ cơ thể (hoặc hệ thống) này sang cơ thể (hoặc hệ thống) khác, tức là. chuyển động nhiệt hỗn loạn.
Sự thiếu rõ ràng của các định nghĩa nghiêm ngặt về khái niệm nhiệt độ, cũng chỉ có giá trị đối với các hệ thống cân bằng nhiệt động, đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi định nghĩa "thực dụng" dựa trên bản chất của hiện tượng truyền năng lượng: nhiệt độ là trạng thái nhiệt của một cơ thể hoặc hệ thống được đặc trưng bởi khả năng trao đổi nhiệt của nó với cơ thể (hoặc hệ thống) khác.
Công thức này có thể áp dụng cho cả các hệ không cân bằng nhiệt động lực học và (có bảo lưu) cho khái niệm tâm sinh lý về nhiệt độ «cảm giác», được cảm nhận trực tiếp bởi một người sử dụng các cơ quan cảm ứng nhiệt.
Nhiệt độ "cảm giác" được một người đánh giá trực tiếp một cách chủ quan, nhưng chỉ định tính và trong một khoảng thời gian tương đối hẹp, trong khi nhiệt độ vật lý được đo một cách định lượng và khách quan, với sự trợ giúp của các thiết bị đo, nhưng chỉ gián tiếp - thông qua giá trị của một số đại lượng vật lý phụ thuộc vào trên nhiệt độ đo được.
Do đó, trong trường hợp thứ hai, một số trạng thái tham chiếu (tham chiếu) của đại lượng vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ được chọn cho mục đích này được thiết lập và một giá trị nhiệt độ bằng số nhất định được gán cho nó, sao cho bất kỳ thay đổi nào trong trạng thái của đại lượng vật lý đã chọn đều tương đối. đến tham chiếu có thể được biểu thị bằng đơn vị nhiệt độ.
Tập hợp các giá trị nhiệt độ tương ứng với một dãy biến đổi trạng thái liên tiếp (tức là dãy giá trị) của một đại lượng phụ thuộc nhiệt độ đã chọn tạo thành thang nhiệt độ. Các thang đo nhiệt độ phổ biến nhất là độ C, độ F, Reaumur, Kelvin và Rankine.
Thang đo nhiệt độ Kelvin và Celsius
V 1730 Nhà tự nhiên học người Pháp René Antoine Reumour (1683-1757), dựa trên gợi ý của Amoton, đánh dấu điểm nóng chảy của băng trên nhiệt kế là 0, và điểm sôi của nước là 80O. V 1742 NSVedic nhà thiên văn học và vật lý học Anders C (1701 - 1744), sau hai năm thử nghiệm nhiệt kế Reaumur, đã phát hiện ra một lỗi trong việc chia độ của thang đo.
Hóa ra điều này phụ thuộc phần lớn vào áp suất khí quyển. Celsius đề xuất xác định áp suất khi hiệu chỉnh thang đo và tôi chia toàn bộ phạm vi nhiệt độ cho 100, nhưng gán điểm 100 cho điểm nóng chảy của băng. Sau đó, Linnaeus của Thụy Điển hoặc Stremmer của Đức (theo nhiều nguồn khác nhau) đã thay đổi tên gọi của các điểm kiểm soát.
Do đó xuất hiện thang đo nhiệt độ Celsius được sử dụng rộng rãi hiện nay. Hiệu chuẩn của nó được thực hiện ở áp suất khí quyển bình thường là 1013,25 hPa.
Thang đo nhiệt độ được tạo ra bởi Fahrenheit, Reaumur, Newton (sau này vô tình chọn nhiệt độ cơ thể con người làm điểm xuất phát.Chà, những người vĩ đại đã sai!) Và nhiều người khác. Họ đã không đứng trước thử thách của thời gian.
Thang đo nhiệt độ Celsius được thông qua tại Hội nghị toàn thể về Cân nặng và Đo lường lần thứ nhất vào năm 1889. Hiện tại, độ C là đơn vị đo nhiệt độ chính thức do Ủy ban Cân đo Quốc tế thành lập, nhưng có một số giải thích rõ ràng trong định nghĩa.
Theo các lập luận trên, có thể dễ dàng kết luận rằng thang đo nhiệt độ Celsius không phải là kết quả hoạt động của một người. Celsius chỉ là một trong những nhà nghiên cứu và nhà phát minh cuối cùng tham gia vào quá trình phát triển của nó. Cho đến năm 1946, thang đo được gọi đơn giản là thang đo độ. Chỉ sau đó, Ủy ban Cân đo Quốc tế mới gán tên "độ C" cho độ C.
Một vài lời về cơ thể làm việc của nhiệt kế. Những người tạo ra thiết bị đầu tiên đã tìm cách mở rộng phạm vi hoạt động của chúng một cách tự nhiên. Kim loại lỏng duy nhất ở điều kiện thường là thủy ngân.
Không có lựa chọn nào khác. Điểm nóng chảy là -38,97 ° C, điểm sôi là + 357,25 ° C. Trong số các chất dễ bay hơi, rượu hoặc rượu etylic là có sẵn nhất. Điểm nóng chảy — 114,2 ° C, điểm sôi + 78,46 ° C.
Các nhiệt kế được tạo ra phù hợp để đo nhiệt độ từ -100 đến + 300 ° C, đủ để giải quyết hầu hết các vấn đề thực tế. Ví dụ: nhiệt độ không khí tối thiểu là -89,2 ° C (trạm Vostok ở Nam Cực) và tối đa là + 59 ° C (sa mạc Sahara). Hầu hết các quá trình xử lý nhiệt dung dịch nước diễn ra ở nhiệt độ không cao hơn 100°C.
Đơn vị cơ bản đo nhiệt độ nhiệt động lực học và đồng thời là một trong những đơn vị cơ bản Hệ đơn vị quốc tế (SI) là độ Kelvin.
Kích thước (khoảng cách nhiệt độ) của 1 độ Kelvin được xác định bởi thực tế là giá trị nhiệt độ nhiệt động lực học của điểm ba của nước được đặt chính xác ở 273,16 ° K.
Nhiệt độ này, tại đó nước tồn tại ở trạng thái cân bằng trong ba pha: rắn, lỏng và khí, được coi là điểm xuất phát chính vì khả năng tái tạo cao của nó, tốt hơn nhiều so với khả năng tái tạo điểm đóng băng và điểm sôi của nước .
Đo nhiệt độ ba điểm của nước là một nhiệm vụ khó khăn về mặt kỹ thuật. Do đó, như một tiêu chuẩn, nó chỉ được phê duyệt vào năm 1954 tại Hội nghị chung về Cân nặng và Đo lường X.
Độ C, theo đơn vị nhiệt độ nhiệt động lực học cũng có thể được biểu thị, chính xác bằng Kelvin về phạm vi nhiệt độ, nhưng giá trị số của bất kỳ nhiệt độ nào tính bằng độ C cao hơn 273,15 độ so với giá trị của cùng nhiệt độ tính bằng Kelvin .
Kích thước 1 độ Kelvin (hoặc 1 độ C), được xác định bằng giá trị số của nhiệt độ điểm ba của nước, với độ chính xác của phép đo hiện đại không khác với kích thước được xác định (đã được chấp nhận trước đây) bằng một phần trăm chênh lệch nhiệt độ giữa điểm đóng băng và điểm sôi của nước.
Phân loại phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ
Việc đo nhiệt độ cơ thể hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh có thể được thực hiện theo hai cách gián tiếp cơ bản khác nhau.
Cách thứ nhất dẫn đến việc đo các giá trị của một trong các thuộc tính hoặc thông số trạng thái phụ thuộc vào nhiệt độ của cơ thể hoặc môi trường, cách thứ hai - để đo các giá trị của các thuộc tính hoặc trạng thái phụ thuộc vào nhiệt độ các thông số của vật thể phụ đưa (trực tiếp hoặc gián tiếp) đến trạng thái cân bằng nhiệt với vật thể hoặc môi trường có nhiệt độ được đo...
Thân phụ được gọi là thân phục vụ các mục đích này và là cảm biến của một thiết bị đo nhiệt độ hoàn chỉnh đầu dò nhiệt kế (pyrometric) hoặc máy dò nhiệt… Do đó, tất cả các phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ được chia thành hai nhóm cơ bản khác nhau: mà không thăm dò và thăm dò.
Máy dò nhiệt hoặc bất kỳ thiết bị bổ sung nào của thiết bị có thể được tiếp xúc cơ học trực tiếp với cơ thể hoặc môi trường có nhiệt độ được đo hoặc chỉ có thể thực hiện tiếp xúc "quang học" giữa chúng.
Tùy thuộc vào điều này, tất cả các phương pháp và công cụ đo nhiệt độ được chia thành tiếp xúc và không tiếp xúc. Các phương pháp và thiết bị tiếp xúc và không tiếp xúc với đầu dò có tầm quan trọng thực tế lớn nhất.
Lỗi đo nhiệt độ
Tất cả các phương pháp tiếp xúc, chủ yếu là khoan, đo nhiệt độ, không giống như các phương pháp khác, được đặc trưng bởi cái gọi là lỗi phương pháp nhiệt hoặc nhiệt do thực tế là nhiệt kế đầu dò hoàn chỉnh (hoặc nhiệt kế) chỉ đo giá trị nhiệt độ của bộ phận nhạy cảm của máy dò nhiệt, tính trung bình trên bề mặt hoặc thể tích của bộ phận đó.
Trong khi đó, nhiệt độ này, theo quy luật, không trùng với nhiệt độ đo được, vì máy dò nhiệt chắc chắn sẽ làm biến dạng trường nhiệt độ mà nó được đưa vào. Khi đo nhiệt độ cố định của vật thể hoặc môi trường, một chế độ trao đổi nhiệt nhất định được thiết lập giữa nó và bộ thu nhiệt.
Chênh lệch nhiệt độ không đổi giữa đầu báo nhiệt và nhiệt độ đo được của cơ thể hoặc môi trường đặc trưng cho sai số nhiệt tĩnh trong phép đo nhiệt độ.
Nếu nhiệt độ đo được thay đổi, thì sai số nhiệt là một hàm của thời gian. Một lỗi động như vậy có thể được coi là bao gồm một phần không đổi, tương đương với lỗi tĩnh và một phần biến.
Điều thứ hai phát sinh bởi vì với mỗi thay đổi trong quá trình truyền nhiệt giữa vật thể hoặc môi trường có nhiệt độ được đo, một phương thức truyền nhiệt mới không được thiết lập ngay lập tức. Độ méo còn lại của số đọc nhiệt kế hoặc hỏa kế, là hàm của thời gian, được đặc trưng bởi quán tính nhiệt của nhiệt kế.
Sai số nhiệt và quán tính nhiệt của máy dò nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố giống như trao đổi nhiệt giữa vật thể hoặc môi trường và máy dò nhiệt: vào nhiệt độ của máy dò nhiệt và vật thể hoặc môi trường, vào kích thước, thành phần của chúng (và do đó là tính chất ) và điều kiện, theo thiết kế, kích thước, hình dạng hình học, trạng thái bề mặt và tính chất của vật liệu của máy dò nhiệt và các vật thể xung quanh nó, từ sự sắp xếp của chúng, theo quy luật nào mà nhiệt độ đo được của vật thể hoặc môi trường thay đổi theo thời gian.
Theo quy luật, sai số phương pháp nhiệt trong phép đo nhiệt độ cao hơn nhiều lần so với sai số dụng cụ của nhiệt kế và hỏa kế. Việc giảm thiểu chúng đạt được bằng cách sử dụng các phương pháp hợp lý để đo nhiệt độ và xây dựng các thiết bị phát hiện nhiệt và bằng cách lắp đặt thiết bị sau thích hợp tại nơi sử dụng.
Việc cải thiện quá trình truyền nhiệt giữa bộ thu nhiệt và môi trường hoặc cơ thể có nhiệt độ được đo đạt được bằng cách buộc các yếu tố truyền nhiệt có lợi và triệt tiêu các yếu tố truyền nhiệt có hại.
Ví dụ, khi đo nhiệt độ của khí trong một thể tích kín, sự trao đổi nhiệt đối lưu của đầu dò nhiệt với khí tăng lên, tạo ra dòng khí nhanh xung quanh đầu dò nhiệt (cặp nhiệt điện "hút") và tỏa nhiệt. trao đổi với các bức tường của khối lượng giảm, che chắn máy dò nhiệt (cặp nhiệt điện "được che chắn").
Để giảm quán tính nhiệt trong nhiệt kế và hỏa kế có tín hiệu đầu ra điện, các mạch đặc biệt cũng được sử dụng để giảm thời gian tăng tín hiệu một cách giả tạo khi nhiệt độ đo được thay đổi nhanh chóng.
Phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc
Khả năng sử dụng các phương pháp tiếp xúc trong các phép đo được xác định không chỉ bởi sự biến dạng của nhiệt độ đo được bằng đầu dò nhiệt tiếp xúc, mà còn bởi các đặc tính hóa lý thực của vật liệu của đầu dò nhiệt (độ bền ăn mòn và cơ học, khả năng chịu nhiệt, vân vân.).
Các phương pháp đo không tiếp xúc không có những hạn chế này. Tuy nhiên, điều quan trọng nhất trong số đó, tức là.dựa trên các định luật về bức xạ nhiệt độ, các lỗi đặc biệt vốn có do thực tế là các định luật được sử dụng chỉ có giá trị chính xác đối với một bộ phát hoàn toàn màu đen, từ đó tất cả các bộ phát vật lý thực (vật thể và vật mang) khác nhau ít nhiều về tính chất bức xạ .
Theo định luật bức xạ của Kirchhoff, bất kỳ cơ thể vật lý nào cũng phát ra ít năng lượng hơn cơ thể màu đen được làm nóng đến cùng nhiệt độ với cơ thể vật lý.
Do đó, một thiết bị đo nhiệt độ được hiệu chuẩn theo bộ phát màu đen, khi đo nhiệt độ của bộ phát vật lý thực, sẽ hiển thị nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thực tế, cụ thể là nhiệt độ tại đó thuộc tính của bộ phát màu đen được sử dụng trong hiệu chuẩn (năng lượng bức xạ, độ sáng của nó, thành phần quang phổ của nó, v.v.), phù hợp về giá trị với đặc tính của bộ bức xạ vật lý ở nhiệt độ thực nhất định được xác định. Nhiệt độ giả đo được bị đánh giá thấp được gọi là nhiệt độ đen.
Các phương pháp đo khác nhau dẫn đến các nhiệt độ đen khác nhau, theo quy luật, không phù hợp: hỏa kế bức xạ hiển thị tích phân hoặc bức xạ, hỏa kế quang học - độ sáng, hỏa kế màu - nhiệt độ màu đen.
Quá trình chuyển đổi từ màu đen đo được sang nhiệt độ thực tế được thực hiện bằng đồ thị hoặc phân tích nếu biết độ phát xạ của vật thể có nhiệt độ được đo.
Độ phát xạ là tỷ lệ giữa các giá trị của các chất phát xạ vật lý và đen được sử dụng để đo các tính chất bức xạ có cùng nhiệt độ: với phương pháp bức xạ, độ phát xạ bằng tỷ lệ của tổng năng lượng (trên toàn phổ), với phương pháp quang phổ, khả năng phát quang phổ bằng tỷ lệ mật độ phổ của sự phát sáng. Tất cả những thứ khác đều bằng nhau, các lỗi không phải màu đen của bộ phát nhỏ nhất được đưa ra bởi một hỏa kế màu.
Một giải pháp triệt để cho vấn đề đo nhiệt độ thực tế của bộ phát không đen bằng phương pháp bức xạ đạt được bằng nghệ thuật bằng cách tạo điều kiện để biến nó thành bộ phát màu đen (ví dụ: bằng cách đặt nó trong một khoang thực tế kín) .
Trong một số trường hợp đặc biệt, có thể đo nhiệt độ thực tế của nguồn phát không phải màu đen bằng hỏa kế bức xạ thông thường sử dụng các kỹ thuật đo nhiệt độ đặc biệt (ví dụ: chiếu sáng, trong chùm ba bước sóng, trong ánh sáng phân cực, v.v.).
Dụng cụ chung để đo nhiệt độ
Phạm vi rộng lớn của nhiệt độ đo được và vô số điều kiện và đối tượng đo khác nhau quyết định sự đa dạng và phong phú của các phương pháp và thiết bị đo nhiệt độ.
Các dụng cụ phổ biến nhất để đo nhiệt độ là:
- Hỏa kế nhiệt điện (nhiệt kế);
- nhiệt kế điện trở;
- Hỏa kế bức xạ;
- Hỏa kế hấp thụ quang;
- Máy đo độ sáng quang học;
- Hỏa kế màu;
- Nhiệt kế giãn nở chất lỏng;
- Máy đo nhiệt kế;
- Nhiệt kế hơi;
- Nhiệt kế ngưng tụ khí;
- Nhiệt kế đo độ giãn;
- Nhiệt kế lưỡng kim;
- Nhiệt kế âm thanh;
- Máy đo nhiệt lượng-máy đo nhiệt lượng;
- Sơn nhiệt;
- Nhiệt kế muối thuận từ.
Các thiết bị điện phổ biến nhất để đo nhiệt độ:
Xem thêm: Ưu điểm và nhược điểm của các cảm biến nhiệt độ khác nhau
Nhiều loại dụng cụ được liệt kê ở trên được sử dụng để đo bằng các phương pháp khác nhau. Ví dụ, một nhiệt kế nhiệt điện được sử dụng:
- để đo tiếp xúc nhiệt độ của môi trường và vật thể, cũng như bề mặt của vật thể, không có hoặc kết hợp với các thiết bị điều chỉnh sự mất cân bằng nhiệt của máy dò nhiệt và đối tượng đo;
- đo nhiệt độ không tiếp xúc bằng bức xạ và một số phương pháp quang phổ;
- để đo hỗn hợp (tiếp xúc-không tiếp xúc) nhiệt độ của kim loại lỏng bằng phương pháp khoang khí (đo nhiệt độ bức xạ của bong bóng khí được thổi vào kim loại lỏng ở đầu ống nhúng trong đó bằng bức xạ hỏa kế).
Đồng thời có thể áp dụng nhiều phương pháp đo nhiệt độ với nhiều loại thiết bị khác nhau.
Ví dụ, nhiệt độ không khí trong nhà và ngoài trời có thể được đo bằng ít nhất 15 loại thiết bị. Bức ảnh cho thấy một nhiệt kế lưỡng kim.
Nhiệt kế lớn nhất thế giới ở Baker, California
Ứng dụng của dụng cụ đo nhiệt độ:
Đo nhiệt độ bề mặt bằng cặp nhiệt điện
Đo nhiệt độ không tiếp xúc trong quá trình vận hành thiết bị điện