Metodi e strumenti per la misura della temperatura

Cos'è la temperatura

La misurazione della temperatura è oggetto di una disciplina teorica e sperimentale: la termometria, una parte della quale, coprendo temperature superiori a 500 ° C, è chiamata pirometria.

La più generale definizione rigorosa del concetto di temperatura, seguendo la seconda legge della termodinamica, è formulata con l'espressione:

T = dQ /dC,

dove T è la temperatura assoluta di un sistema termodinamico isolato, dQ è l'incremento di calore trasferito a quel sistema e dS è l'aumento di entropia di quel sistema.

L'espressione precedente va interpretata come segue: la temperatura è una misura dell'aumento di calore ceduto ad un sistema termodinamico isolato e corrispondente all'aumento dell'entropia del sistema che si verifica in questo caso, ovvero all'aumento di il disturbo del suo stato.

Nella meccanica statistica, che descrive le fasi del sistema, tenendo conto dei microprocessi che avvengono nei macrosistemi, il concetto di temperatura è definito esprimendo la distribuzione delle particelle di un sistema molecolare tra un numero di livelli energetici non occupati (distribuzione di Gibbs) .

Questa definizione (in accordo con la precedente) sottolinea l'aspetto probabilistico, statistico del concetto di temperatura come parametro principale della forma microfisica del trasferimento di energia da un corpo (o sistema) a un altro, ad es. moto termico caotico.

La mancanza di chiarezza di definizioni rigorose del concetto di temperatura, valide anche solo per sistemi termodinamicamente equilibrati, ha portato all'uso diffuso di una definizione "utilitaristica" basata sull'essenza del fenomeno del trasferimento di energia: la temperatura è lo stato termico di un corpo o sistema caratterizzato dalla sua capacità di scambiare calore con un altro corpo (o sistema).

Questa formulazione è applicabile sia ai sistemi termodinamicamente non in equilibrio sia (con riserva) al concetto psicofisiologico di temperatura «sensoriale», percepita direttamente da una persona che utilizza gli organi del tatto termico.

La temperatura "sensoriale" viene valutata soggettivamente da una persona direttamente, ma solo qualitativamente e in un intervallo relativamente ristretto, mentre la temperatura fisica viene misurata quantitativamente e oggettivamente, con l'ausilio di dispositivi di misurazione, ma solo indirettamente - attraverso il valore di una grandezza fisica che dipende sulla temperatura misurata.

Pertanto, nel secondo caso, viene stabilito uno stato di riferimento (riferimento) della grandezza fisica dipendente dalla temperatura selezionata a tale scopo e ad essa viene assegnato un certo valore numerico di temperatura, in modo che qualsiasi cambiamento nello stato della grandezza fisica selezionata relativa al riferimento può essere espresso in unità di temperatura.

L'insieme dei valori di temperatura corrispondenti a una serie di successivi cambiamenti di stato (cioè una sequenza di valori) di una quantità selezionata dipendente dalla temperatura forma una scala di temperatura. Le scale di temperatura più comuni sono Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin e Rankine.

Scale di temperatura Kelvin e Celsius

V 1730 Il naturalista francese René Antoine Reumour (1683-1757), sulla base del suggerimento di Amoton, segnò sul termometro il punto di fusione del ghiaccio come 0, e il punto di ebollizione dell'acqua come 80°. V 1742 L'astronomo e fisico NSvedico Anders Celsius (1701 — 1744), dopo due anni di test del termometro Reaumur, scoprì un errore nella graduazione della scala.

Si è scoperto che questo dipende in gran parte dalla pressione atmosferica. Celsius ha proposto di determinare la pressione durante la calibrazione della scala e ho diviso l'intero intervallo di temperatura per 100, ma ho assegnato il segno 100 al punto di fusione del ghiaccio. Successivamente, lo svedese Linneo o il tedesco Stremmer (secondo varie fonti) cambiarono le designazioni dei punti di controllo.

Così apparve l'ormai ampiamente utilizzata scala di temperatura Celsius. La sua calibrazione viene eseguita alla normale pressione atmosferica di 1013,25 hPa.

Le scale di temperatura sono state create da Fahrenheit, Reaumur, Newton (quest'ultimo ha inavvertitamente scelto la temperatura del corpo umano come punto di partenza.Ebbene, i grandi si sbagliano!) E molti altri. Non hanno superato la prova del tempo.

La scala della temperatura Celsius è stata adottata alla 1a Conferenza Generale su Pesi e Misure nel 1889. Attualmente, il grado Celsius è l'unità ufficiale di misura della temperatura stabilita dal Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure, ma con alcuni chiarimenti nella definizione.

Secondo gli argomenti di cui sopra, è facile concludere che la scala della temperatura Celsius non è il risultato dell'attività di una persona. Celsius è stato solo uno degli ultimi ricercatori e inventori coinvolti nel suo sviluppo. Fino al 1946, la scala era semplicemente chiamata scala dei gradi. Fu solo allora che il Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure assegnò il nome di "gradi Celsius" al grado di gradi Celsius.

Qualche parola sul corpo di lavoro dei termometri. I primi creatori di dispositivi hanno naturalmente cercato di espandere il proprio raggio d'azione. L'unico metallo liquido in condizioni normali è il mercurio.

Non c'era scelta. Il punto di fusione è -38,97 ° C, il punto di ebollizione è + 357,25 ° C. Tra le sostanze volatili, il vino o l'alcol etilico si sono rivelati i più disponibili. Punto di fusione — 114,2 ° C, punto di ebollizione + 78,46 ° C.

I termometri creati sono adatti per misurare temperature da -100 a + 300 ° C, sufficienti per risolvere la maggior parte dei problemi pratici. Ad esempio, la temperatura minima dell'aria è di -89,2 ° C (stazione Vostok in Antartide) e la massima è di + 59 ° C (deserto del Sahara). La maggior parte dei processi di trattamento termico delle soluzioni acquose avveniva a temperature non superiori a 100 °C.

L'unità base di misura della temperatura termodinamica e allo stesso tempo una delle unità di base Sistema Internazionale di Unità (SI) è il grado Kelvin.

La dimensione (differenza di temperatura) di 1 grado Kelvin è determinata dal fatto che il valore della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua è fissato esattamente a 273,16 °K.

Questa temperatura, alla quale l'acqua esiste in uno stato di equilibrio in tre fasi: solida, liquida e gassosa, è presa come punto di partenza principale a causa della sua elevata riproducibilità, un ordine di grandezza migliore della riproducibilità dei punti di congelamento e di ebollizione dell'acqua .

Misurare la temperatura del punto triplo dell'acqua è un compito tecnicamente difficile. Pertanto, come standard, fu approvato solo nel 1954 alla X Conferenza Generale su Pesi e Misure.

Il grado Celsius, in unità di cui si può esprimere anche la temperatura termodinamica, è esattamente uguale al Kelvin in termini di intervallo di temperatura, ma il valore numerico di qualsiasi temperatura in Celsius è di 273,15 gradi superiore al valore della stessa temperatura in Kelvin .

La dimensione di 1 grado Kelvin (o 1 grado Celsius), determinata dal valore numerico della temperatura del punto triplo dell'acqua, con la moderna precisione di misurazione non differisce dalla sua dimensione determinata (che era precedentemente accettata) come un centesimo del differenza di temperatura tra il punto di congelamento e quello di ebollizione dell'acqua.

Classificazione di metodi e dispositivi per la misurazione della temperatura

La misurazione della temperatura corporea o ambientale può essere effettuata in due modi indiretti fondamentalmente diversi.

Il primo modo porta alla misurazione dei valori di una delle proprietà dipendenti dalla temperatura o dei parametri di stato del corpo stesso o dell'ambiente, il secondo - alla misurazione dei valori delle proprietà o dello stato dipendenti dalla temperatura parametri del corpo ausiliario portato (direttamente o indirettamente) in uno stato di equilibrio termico con il corpo o l'ambiente di cui si misura la temperatura...

Viene chiamato un corpo ausiliario che serve a questi scopi ed è un sensore di un dispositivo di misurazione della temperatura completo sonda termometrica (pirometrica) o rivelatore termico… Pertanto, tutti i metodi e i dispositivi per misurare la temperatura sono divisi in due gruppi fondamentalmente diversi: senza sondare e sondare.

Il rilevatore termico o qualsiasi dispositivo aggiuntivo del dispositivo può essere portato a contatto meccanico diretto con il corpo o il mezzo di cui si misura la temperatura, oppure può essere stabilito tra loro solo un contatto "ottico".

A seconda di ciò, tutti i metodi e gli strumenti per misurare la temperatura sono suddivisi in contatto e non contatto. I metodi e i dispositivi con sonda a contatto e senza contatto sono della massima importanza pratica.

Errori di misurazione della temperatura

Tutti i metodi di misurazione della temperatura a contatto, principalmente perforazione, a differenza di altri metodi, sono caratterizzati dal cosiddetto errori metodologici termici o termici dovuti al fatto che un termometro a sonda completo (o pirometro) misura il valore di temperatura della sola parte sensibile del rivelatore termico, mediato sulla superficie o sul volume di quella parte.

Nel frattempo, questa temperatura, di regola, non coincide con quella misurata, poiché il rilevatore termico distorce inevitabilmente il campo di temperatura in cui viene introdotto. Quando si misura una temperatura costante stazionaria di un corpo o di un ambiente, viene stabilita una determinata modalità di scambio termico tra esso e il ricevitore termico.

La differenza di temperatura costante tra il rilevatore termico e la temperatura misurata del corpo o dell'ambiente caratterizza l'errore termico statico nella misurazione della temperatura.

Se la temperatura misurata cambia, allora l'errore termico è una funzione del tempo. Tale errore dinamico può essere considerato come costituito da una parte costante, equivalente all'errore statico, e da una parte variabile.

Quest'ultimo sorge perché con ogni cambiamento nel trasferimento di calore tra un corpo o un mezzo di cui viene misurata la temperatura, non viene immediatamente stabilita una nuova modalità di trasferimento di calore. La distorsione residua delle letture del termometro o del pirometro, che è una funzione del tempo, è caratterizzata dall'inerzia termica del termometro.

Gli errori termici e l'inerzia termica di un rivelatore termico dipendono dagli stessi fattori dello scambio termico tra un corpo o ambiente e un rivelatore termico: dalle temperature del rivelatore termico e del corpo o ambiente, dalla loro dimensione, composizione (e quindi proprietà) e condizione, per progettazione, dimensioni, forma geometrica, stato della superficie e proprietà dei materiali del rilevatore termico e dei corpi attorno ad esso, dalla loro disposizione, secondo quale legge la temperatura misurata del corpo o dell'ambiente cambia nel tempo.

Gli errori metodologici termici nella misurazione della temperatura, di norma, sono molte volte superiori agli errori strumentali di termometri e pirometri. La loro riduzione si ottiene utilizzando metodi razionali di misurazione della temperatura e costruzioni di rilevatori termici e mediante un'appropriata installazione di questi ultimi nei luoghi di utilizzo.

Il miglioramento del trasferimento di calore tra il ricevitore termico e l'ambiente o il corpo di cui si misura la temperatura si ottiene forzando i fattori benefici e sopprimendo i fattori dannosi del trasferimento di calore.

Ad esempio, quando si misura la temperatura di un gas in un volume chiuso, lo scambio termico convettivo del rivelatore termico con il gas viene aumentato, creando un rapido flusso di gas attorno al rivelatore termico (una termocoppia "aspirante") e calore radiante si riduce lo scambio con le pareti del volume schermando il rivelatore termico (termocoppia "schermata").

Per ridurre l'inerzia termica nei termometri e pirometri con segnale elettrico in uscita, vengono utilizzati anche circuiti speciali che riducono artificialmente il tempo di salita del segnale con un rapido cambiamento della temperatura misurata.

Metodi di misurazione della temperatura senza contatto

La possibilità di utilizzare metodi di contatto nelle misurazioni è determinata non solo dalla distorsione della temperatura misurata dal rilevatore termico di contatto, ma anche dalle reali caratteristiche fisico-chimiche dei materiali del rilevatore termico (corrosione e resistenza meccanica, resistenza al calore, eccetera.).

I metodi di misurazione senza contatto sono liberi da queste limitazioni. Tuttavia, il più importante di loro, ad es.in base alle leggi della radiazione termica, sono inerenti errori speciali dovuti al fatto che le leggi utilizzate sono esattamente valide solo per un emettitore assolutamente nero, dal quale tutti i veri emettitori fisici (corpi e portatori) differiscono più o meno in termini di proprietà di radiazione .

Secondo le leggi della radiazione di Kirchhoff, qualsiasi corpo fisico emette meno energia di un corpo nero riscaldato alla stessa temperatura del corpo fisico.

Pertanto, un dispositivo di misurazione della temperatura calibrato rispetto a un emettitore nero, misurando la temperatura di un emettitore fisico reale, mostrerà una temperatura inferiore a quella effettiva, ovvero la temperatura alla quale la proprietà dell'emettitore nero utilizzato nella calibrazione (energia radiativa, la sua luminosità, la sua composizione spettrale, ecc.), corrisponde in valore con la proprietà di un radiatore fisico a una data temperatura effettiva da determinare.La pseudo temperatura sottostimata misurata è chiamata temperatura del nero.

Diversi metodi di misurazione portano a temperature del nero diverse, di regola, non corrispondenti: un pirometro a radiazione mostra integrale o radiazione, un pirometro ottico - luminosità, un pirometro a colori - temperature di colore nero.

La transizione dai neri misurati alle temperature effettive viene eseguita graficamente o analiticamente se è nota l'emissività dell'oggetto di cui si misura la temperatura.

L'emissività è il rapporto tra i valori degli emettitori fisici e neri usati per misurare le proprietà radiative che hanno la stessa temperatura: con il metodo radiativo, l'emissività è uguale al rapporto delle energie totali (attraverso lo spettro), con il metodo ottico, la capacità di emissività spettrale è uguale al rapporto delle densità spettrali del bagliore. A parità di altre condizioni, i più piccoli errori di non oscurità dell'emettitore sono dati da un pirometro a colori.

Una soluzione radicale al problema di misurare la temperatura effettiva di un emettitore non nero con metodi radianti è raggiunta dalle arti creando le condizioni per trasformarlo in un emettitore nero (ad esempio, ponendolo in una cavità praticamente chiusa) .

In alcuni casi speciali, è possibile misurare la temperatura effettiva di un emettitore non nero con pirometri a radiazione convenzionali utilizzando speciali tecniche di misurazione della temperatura (ad esempio, illuminazione, in fasci a tre lunghezze d'onda, in luce polarizzata, ecc.).

Strumenti generali per la misura della temperatura

L'enorme gamma di temperature misurate e un numero inesauribile di diverse condizioni e oggetti di misurazione determinano una straordinaria varietà e varietà di metodi e dispositivi per misurare la temperatura.

Gli strumenti più comuni per misurare la temperatura sono:

• Pirometri termoelettrici (termometri);
• termometri a resistenza elettrica;
• Pirometri a radiazione;
• Pirometri ad assorbimento ottico;
• Pirometri a luminosità ottica;
• Pirometri a colori;
• Termometri a espansione di liquido;
• Termometri a manometro;
• Termometri a vapore;
• Termometri a condensazione di gas;
• Termometri dilatometrici a bastone;
• termometri bimetallici;
• termometri acustici;
• Pirometri-piroscopi calorimetrici;
• Vernici termiche;
• Termometri a sale paramagnetico.

I dispositivi elettrici più popolari per misurare la temperatura:

Termometri a resistenza

Termistori

Guarda anche: Vantaggi e svantaggi dei diversi sensori di temperatura

I molti tipi di strumenti sopra elencati vengono utilizzati per misurazioni con vari metodi. Ad esempio, viene utilizzato un termometro termoelettrico:

• per la misura a contatto della temperatura di ambienti e corpi, nonché superfici di questi ultimi, senza o in combinazione con dispositivi che correggano lo squilibrio termico del rivelatore termico e dell'oggetto di misura;
• per la misurazione della temperatura senza contatto mediante irraggiamento e alcuni metodi spettroscopici;
• per la misurazione mista (contatto-senza contatto) della temperatura del metallo liquido mediante il metodo della cavità del gas (misurazione della temperatura di radiazione di una bolla di gas soffiata nel metallo liquido all'estremità di un tubo immerso in esso con una radiazione pirometro).

Allo stesso tempo, molti metodi di misurazione della temperatura possono essere applicati con dispositivi di vario tipo.

Ad esempio, la temperatura dell'aria esterna e interna può essere misurata da dispositivi di almeno 15 tipi. La foto mostra un termometro bimetallico.

Il termometro più grande del mondo a Baker, in California

Applicazione di strumenti di misurazione della temperatura:

Misura delle temperature superficiali con termocoppie

Termografia a infrarossi

Misurazione della temperatura senza contatto durante il funzionamento di apparecchiature elettriche

Caratteristiche dell'uso di termometri laser