Измерение температуры является одним из важнейших параметров в многих областях науки, промышленности и хозяйства. Необходимость точного измерения температуры возникает при работе со многими материалами, процессами, в системах контроля и управления. И как правило, принимающаяся на основе измерений информация является одной из главных факторов, влияющих на процессы, которые вырабатываются. В этом контексте становится ясным, что для достижения точности измерения температуры использование правильных методов, способов и средств — это важный фактор, влияющий на результаты.
Что такое температура, температурная шкала и ее основные величины?
Температура – это мера степени нагрева или охлаждения тела, показывающая насколько быстро происходит движение молекул или атомов вещества. Температура оказывает влияние на физические и химические свойства вещества: плотность, твердость, растворимость и прочее. Поэтому контроль температуры является важным условием во многих областях жизни, начиная от метеорологии и физики, заканчивая медициной и промышленностью.
Возьмем объекты с разными температурными показателями и прислоним их друг другу, мы сможем наблюдать процесс теплопередачи, который будет происходить до момента наступления теплового равновесия. Важно, чтобы данный процесс не сопровождался воздействиями нагревания или охлаждения из вне.
Температурная шкала – это ряд математических значений, сформированных в соответствии с выбранным законом, который определяет взаимосвязь между термометрическим параметром и температурой.
В термодинамике используется шкалу Кельвина, по данной шкале определяется температура нагрева или охлаждения тела.
Традиционно в России применяется шкала Цельсия, где принято использовать температуру перехода воды из жидкого в твердое физическое состояние температуру равной 0 °C, а температуру перехода из жидкого в газообразное состояние, при атмосферном давлении принимается равной 100 °C. Поскольку степень замерзания и кипения воды четко не определена, в настоящее время шкала Цельсия определяется с использованием шкалы Кельвина: градус Цельсия равен Кельвину, абсолютный нуль принимается за −273,15 °C.
Ниже в таблице приведено сравнение трёх разных шкал температур.
| Шкала температур | |||
| Фаренгейт | Цельсий | Кельвин | |
| 212 | 100 | 373 | Точка кипения воды над уровнем моря |
| 194 | 90 | 363 | |
| 176 | 80 | 353 | |
| 158 | 70 | 343 | |
| 140 | 60 | 333 | |
| 122 | 50 | 323 | |
| 104 | 40 | 313 | |
| 86 | 30 | 303 | |
| 68 | 20 | 293 | |
| 50 | 10 | 283 | |
| 32 | 0 | 273 | Точка таяния (замерзания) льда (воды) над уровнем моря |
| 14 | -10 | 263 | |
| -4 | -20 | 253 | |
| -22 | -30 | 243 | |
| -40 | -40 | 233 | Температура, в которой Фаренгейт и Цельсий совпадают |
| -58 | -50 | 223 | |
| -76 | -60 | 213 | |
| -94 | -70 | 203 | |
| -112 | -80 | 193 | |
| -130 | -90 | 183 | Самая низкая зафиксированная температура — Восток, Антарктида, июль 1983 г. |
| -140 | -100 | 173 | |
Методы измерения температуры.
Если пренебрегать специальными методами измерения, основанные на физических законах, то становится ясно, что традиционные методы измерения температуры основываются на двух основных принципах: контактной и бесконтактной термометрии (бесконтактные методы, они же радиационная пирометрия, т.к. температура тела определяется по излучению).
Контактный метод
Контактный метод — это метод измерения температуры предмета, при котором измеряемая температура определяется по совпадающей с ней температурой термометрического тела, которая соответствует ей. У этого метода есть свои недостатки. Температурное поле объекта искажается, когда в него вставляется теплоприемник. Температура преобразователя разнится с истинной температуры объекта. Верхняя точка измерения температуры ограничена параметрами материалов, из которых изготовлены датчики температуры. Однако, задачи, связанные с измерением вращающихся объектов, а также находящихся в труднодоступных и опасных местах, не могут быть выполнены с помощью контактных способов измерения температуры.
В зависимости от подающего сигнала средства измерения делят на механические и электронные термометры.
Механические контактные термометры наиболее распространены в производстве. Их способ определения показателей температуры устроен на тепловом расширении веществ, а именно, на разницы расширения двух фаз различных по характеристикам веществ. Данные вещества используются вместо расширяющихся тел, во всех трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Механические контактные термометры характеризуются: прочностью, минимальными затратами на обслуживание, высокой точностью и низкой стоимостью. Они рассчитаны на каждодневное практическое использование, а также для проведения экспериментальных и практических лабораторных опытов.
Показание термометра определяют, на месте измерения, путем считывания шкалы измерения температуры. Так же встречаются приборы, в которых измерительный сигнал передается на определённое расстояние. Их исполнение выглядит в виде термореле, датчиков температур, или в виде механических регуляторов температуры.
Бесконтактный метод измерения температуры (пирометры излучения)
Бесконтактный метод (пирометрический метод) – это метод измерения температуры, основанный на различных законах теплового излучения предмета, напрямую измеряемую физическую размерность. Раздел температурных измерений, который исследует бесконтактный метод и средства измерения, связанные с данным способом, называют пирометрией. Термометры реализующие данный метод, называют – пирометрами.
Тепловое излучение — излучение, появляющиеся в итоге теплового возбуждения частиц вещества (атомов, молекул). Энергия такого излучения зависит от температурных и оптических параметров излучающего тела. Тепловое излучение характеризуется совокупностью электромагнитных фотонов или волн. Как любо излучение, описывается энергетическими и спектральными показателями.
В спектре электромагнитных излучений особый акцент расставлен на следующие области: оптические, гамма-излучений, радиочастоты. В пирометрии часто применяется оптическая область спектра и радиочастот, но реже, чем первая.
В множестве индустриальных стадиях производства процесс сохранения заданной температуры является аспектом, гарантирующим надлежащее качество продукции. Чаще применяются бесконтактные приборы для определения физической величины — температуры, если измерение контактным методом замедляет процесс или вообще невозможно, к примеру: в металлургической, машиностроительной, нефтегазовой отрасли.
Средства измерения температуры. Виды термометров. Какие бывают термометры?
Контактные термометры.
Жидкостные-стеклянные термометры
а – палочный (стержневой); б – с вложенной шкалой.
Показания этих средств измерений основывается на явлении теплового расширения тел. Данные тела могут находится в таких физических состояниях: твердые, жидкие или газообразные. Из-за разности теплового расширения жидкости и стеклянной капсулы (колбы), в который она помещена, при измерении температуры изменяется длина столба жидкости, находящейся в капилляр. Температуру устанавливают по положению мениска относительно шкалы термометра. Температурный диапазон данных средств измерения -150 до 1200 ºС. Чтобы определить показание температуры от -39 до 600 ºС применяют стеклянные термометры, где наполнителем является ртуть, а её температурным параметром — объём. Если требуется определить высшие параметры измерения температуры 700 ºС, то над уровнем ртути добавляют инертный газ. Для проведения измерений температуры до – 80 ºС, применяются спиртовые термометры, а для температур до -200 ºС заполненные пентаном.
Жидкостно-стеклянные термометры отличают: надежность, точность, низкая стоимость и доступность эксплуатации. Можно выделить некоторые минусы: инерционность и отсутствие возможности оцифровать показания в режиме реального времени. Часто данные термометры используются в быту для измерения температуры воды.
Палочные стеклянные термометры состоят из толстостенных капилляров. Шкала термометра выполнена на наружной части капилляра.
Термометр с вложенной шкалой состоит из стеклянной колбы и припаянного к нему стеклянного капилляра.
Манометрические термометры
Принцип работы этих устройств основан на взаимосвязи давления и температуры, в герметичном пространстве. Выше указанные приборы подразделяются: газовые, жидкостные и конденсационные. Манометрические термометры используются во взрывопожароопасных помещениях. Минусом данных средств измерения можно отнести, его высокая «пассивность», порождённая огромным размером чувствительного элемента. Погрешность измерения жидкостных манометрических термометров велика и зависит от особенностей термометра.
Биметаллические термометры
Эти термометры используют расширение из двух разных материалов для измерения температуры. Биметаллические термометры могут быть небольшими, они распространены в своей конструкции и производятся для широкого спектра применений. Простота конструкции и низкая стоимость являются их преимуществом.
Биметаллические термометры измеряют температуру в диапазоне от -50 до + 600 ºС, что соответствует требованиям к измерению температуры воды и пара на электростанциях (ТЭС) и других предприятиях.
Электрические контактные термометры
Принцип работы основан на преобразовании электрических параметров тела при изменении температурных параметров. Электрические контактные термометры делятся на: термометры сопротивления, в которых активное сопротивление зонда изменяется при изменении температуры, и термопары.
Термопреобразователи сопротивления (термометры сопротивления) – это устройства, состоящие из двух металлических проводников различного материала, соединенных на одном конце. Когда два конца термопары находятся при разных температурах, между проводниками возникает разность потенциалов, которую можно измерить и использовать для определения температуры. Термопары обеспечивают широкий диапазон измерения температуры от -200 до +2300 ºС, а также простоту эксплуатации и низкую стоимость. Преимуществами металлических термометров сопротивления являются: низкая погрешность, возможность контроля температурных параметров удаленно с использованием автоматизированного рабочего места, а также подключение нескольких термометров сопротивления к одному измерительному прибору.
Несмотря на эти преимущества, термопары имеют некоторые недостатки. Они, как и термометры из жидкого стекла, показывают температуру только в точке контакта с измеряемым материалом. Кроме того, они подвержены искажениям из-за взаимодействия с магнитными полями и шумом.
Бесконтактные термометры. Виды бесконтактных термометров.
Пирометр
Пирометр- прибор определения температуры по тепловому излучению объекта, используемое для индикации значения температуры на дисплее прибора, преобразования его в аналоговый или цифровой сигнал. Измерение температуры с помощью пирометров не приводит к искажению температурного поля объекта, поскольку измерение, выполняемое этим методом, не требует прямого контакта с корпусом теплоприемника.
Классификация пирометров. Пирометры классифицируются по следующим показателями: принципу действия, диапазону измерения, конструктивному исполнению.
По принципу действия пирометры разделяют на оптические и радиационные.
- Яркостные пирометры – приборы, работающие в узком спектральном диапазоне. Они предоставляют возможность определять температурные характеристики объекта сравнением его цвета с цветом эталонной нити.
- Цветовые – пирометры спектрального отношения, определяют температуру тела, опираясь на результаты сравнения теплового излучения в двух диапазонах длин волн.
- Радиационные – пирометры, принцип работы основывается на зависимости интегральной энергетической яркости излучения от температуры в относительно широком диапазоне длины волн – как правило, в инфракрасном диапазоне.
По температурному диапазону:
- Низкотемпературные. Способны определять температурные характеристики тел, имеющих отрицательные показатели температурных параметров.
- Высокотемпературные. Определяют температуру исследуемого объекта, в диапазоне высоких температур.
По исполнению:
- Переносные. Средства измерения температуры, отличающиеся мобильностью, использованием в трудных условиях и удобством считывания параметров.
- Стационарные. Данные приборы предназначаются для непрерывного контроля за температурой объекта, отличаются высокой точностью, возможность исполнения в взрывозащищенном корпусе.
Тепловизионная камера
Тепловизионная камера — это технический инструмент, который включает оптические и электронные элементы для получения видимого изображения объектов, преломляющих инфракрасные волны. Устройство способно видеть здания, технику, людей, животных и другие объекты в инфракрасном спектре.
Принцип работы тепловизора наглядно представлен на рисунке ниже, он заключается в наблюдении за поверхностью объекта по определенному закону движения через узкий луч, образованный оптической системой. Обзор выполняется с помощью системы сканирования под углом обзора за время, обычно называемое временем изображения. По тому же закону движения луч движется по экрану кинескопа. Однако интенсивность луча и яркость изображения зависят от температуры участка поверхности объекта. Таким образом, на экране кинескопа получаются области с различными уровнями яркости, которые составляют тепловые изображение объекта.
Читайте также: Какая температура должна быть в доме
Заключение
В данной статье рассмотрены основные средства и методы измерения температуры. Приведены примеры и описания различных видов термометров, а также рассмотрены особенности различных приборов измерения температуры.
Какие лучше всего выбирать методы, способы и средства для измерения температуры, зависит от конкретной задачи, ресурсов, доступности и других обстоятельств. Но знание их преимуществ и недостатков помогут определить, какой метод измерения температуры лучше всего подходит для конкретной задачи.
Автор статьи: Баранов Максим Валерьевич.
