Lämpömittari

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 19. joulukuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 2 muokkausta .

Termometria on soveltavan fysiikan ja metrologian haara , joka on omistettu lämpötilan mittausmenetelmien ja -välineiden kehittämiseen . Lämpömittarin tehtävään kuuluu: lämpötila-asteikkojen laatiminen, standardien luominen, kalibrointimenetelmien kehittäminen ja lämpötilan mittauslaitteiden kalibrointi .

Historia

Lämpötilaa ei voi mitata suoraan. Tässä suhteessa lämpömittari on kehityksessään kulkenut pitkän ja vaikean tien saavuttaa lämpötilamittausten yhtenäisyys. Muinaisista ajoista lähtien menetelmä laadulliseen lämpötilan arviointiin tuntoaistien avulla on tunnettu. Siksi käsitteet: kuuma, lämmin, kylmä. Luonnonilmiöiden aistihavainnon perusteella ilmaantuivat käsitteet: talvikylmä, kesähelte, iltakylmä, puna- ja valkolämpö, lämpö (suhteessa kohonneeseen ruumiinlämpöön sairauden aikana).

Keskiajalla kuvattiin toistuvasti kokemus, jossa ehdotettiin pitämään toista kättä kuumassa ja toista kylmässä vedessä ja sitten upottamaan molemmat kädet sekoitettuun veteen. Tämän seurauksena ensimmäinen käsi tunsi sekoituksen kylmänä ja toinen lämpimänä. Huolimatta kehon korkeasta herkkyydestä kehon lämpötilan muutoksille (jopa ), lämpötilan kvantitatiivinen mittaaminen aistimiemme avulla on mahdotonta edes hyvin kapealla alueella. $0{,}1\,\mathrm {K}$

Tarve lämpötilamittauksille kognitiivisiin ja soveltaviin tarkoituksiin syntyi 1500-luvun puolivälissä. Tällaisissa mittauksissa oli tarpeen käyttää jonkin havainnoista tunnetun parametrin toiminnallista riippuvuutta lämpötilasta. Ilman kyky laajentua kuumennettaessa tunsi jo 1. vuosisadalla Aleksandrian Heron . Tällä hän selitti, miksi tuli nousee. Vuonna 1597 Galileo ehdotti lämpötilatutkimukseen termoskooppia, joka koostui ilmatäytteisestä lasikapselista, joka oli yhdistetty ohuella putkella värillisellä nesteellä täytettyyn astiaan. Tölkin lämpötilan muuttaminen aiheutti muutoksen värillisen nesteen tasossa. Tällaisten lämpömittareiden merkittävä haittapuoli oli niiden lukemien riippuvuus ilmanpaineesta. Lämpömittarin muotoilu, joka muistuttaa nykyaikaisia nestelasilämpömittareita, liittyy Galileon opiskelijan, Toscanan herttuan Ferdinand ll:n, nimeen. Lämpömittari oli suljettu lasiastia, joka oli täytetty alkoholilla ja jossa oli pystysuoraan osoittava kapillaari. Astejaot levitettiin emalipisaroilla suoraan kapillaariputkeen.

Padovan lääkäri Santorio loi lämpömittauksen metrologisen perustan . Galileon termoskooppia käyttäen hän esitteli kaksi absoluuttista pistettä, jotka vastasivat lämpötilaa lumisateen aikana ja kuumimman päivän lämpötilaa, ja sääteli varmistusjärjestelmää, jolla kaikki firenzeläiset lämpömittarit kalibroitiin esimerkillisen Sancorian-Galilean instrumentin mukaan. 1700-luvun alussa esitettiin useita ehdotuksia lämpöasteikon sitomisesta useisiin helposti ja luotettavasti toistettavissa oleviin pisteisiin, jotka myöhemmin tunnettiin "viitepisteinä".

Merkittävä rooli lämpötilamittausten kehittämisessä on Fahrenheitillä . Hän käytti ensimmäisenä elohopeaa lämpömittarina ja loi toistettavan lämpötila-asteikon. Fahrenheit-asteikolla lumen ja ammoniakin seoksen lämpötila otettiin nollaksi, ja toinen piste vastasi terveen ihmisen ruumiinlämpöä. Jään sulamislämpötila asteikon lopullisessa versiossa on 32 astetta, ihmiskehon lämpötila 96 astetta ja veden kiehumispiste, joka oli alun perin johdettu arvo, on 212 astetta. Fahrenheit, joka oli myös menestyvä yrittäjä, onnistui ensimmäistä kertaa aloittamaan yhtenäisten lämpömittareiden massatuotannon. Fahrenheit-asteikkoa käytetään edelleen Yhdysvalloissa teknisiin ja kotitalouksien lämpötilamittauksiin.

Vuonna 1742 ruotsalainen matemaatikko ja tutkija Celsius ehdotti jään sulamispisteiden ja veden kiehumispisteen välisen alueen jakamista 100 yhtä suureen osaan elohopealämpömittarissa. Asteikon ensimmäisessä versiossa veden kiehumispisteeksi otettiin 0 astetta ja jään sulamispisteeksi 100 astetta. Vuonna 1750 yksi Celsiuksen oppilaista, Strömmer, " muunsi " tämän vaa'an. 1900-luvun alkuun asti ranskalaisen eläintieteilijän ja fyysikon Reaumurin vuonna 1730 ehdottama Reaumur-asteikko oli myös yleinen . Réaumur käytti lämpömittarina 80-prosenttista etyylialkoholiliuosta. Yksi aste Réaumurin asteikosta, kuten Firenzen lämpömittarilla, vastasi nesteen tilavuuden muutosta tuhannesosalla. Lähtöpisteeksi otettiin jään sulamispiste ja veden kiehumispiste oli 80 astetta.

Vuonna 1848 Thomson (Kelvin) ehdotti absoluuttista termodynaamista asteikkoa, joka, toisin kuin empiiriset asteikot, ei riipu lämpömittarin ominaisuuksista. [1] Lue lisää: Termodynaaminen lämpötila .

Lämpötilan mittauksen fyysinen perusta

Kuten edellä mainittiin, lämpötilaa ei voi mitata suoraan. Sen muutoksia arvioidaan kappaleiden muiden ominaisuuksien, kuten tilavuuden, paineen, sähkövastuksen, lämpö-EMF:n, säteilyn intensiteetin jne. muutoksilla, jotka liittyvät lämpötilaan tietyillä kuvioilla. Siksi lämpötilan mittausmenetelmät ovat olennaisesti menetelmiä edellä mainittujen lämpöominaisuuksien mittaamiseksi. Tiettyä menetelmää tai laitetta kehitettäessä on valittava lämpömittari, jossa vastaava ominaisuus toistuu hyvin ja muuttuu erittäin merkittävästi lämpötilan mukaan. Kappaleen lämpömittari on ominaisuus, jonka lämpötilariippuvuus on monotoninen ja jolla ei ole havaittavissa olevaa hystereesiä, mikä mahdollistaa sen käytön lämpötilan mittaamiseen.

Lämpötilan mittaamiseen tarvitaan myös mittayksikkö ja asteikko, jolla sen arvot mitataan valitulta tasolta. Empiirisen lämpötila-asteikon rakentamisen periaate koostuu siitä, että valitaan kaksi pääasiallista helposti toistettavaa vertailupistettä, joille on määritetty mielivaltaiset lämpötila- ja . Näiden arvojen välinen lämpötila-alue jaetaan yhtä suureen määrään osia ja osa otetaan lämpötilayksiköksi. Seuraavaksi valitaan fysikaalinen ominaisuus - lämpömetrinen suure , esimerkiksi nesteen tilavuus, kaasun paine, sähkövastus, termo-EMF jne., jonka tavanomaisesti oletetaan olevan lineaarisesti riippuvainen lämpötilasta. Tästä seuraa yhtälö $t_{1}$ ${\näyttötyyli t_{2))$ $N$ $1/N$ $E$

dt=kdE,

missä on suhteellisuuskerroin. Integraalisessa muodossa ─ $k$

t=kE+C.

Vakioiden määrittämiseen ja käytämme yllä olevia lämpötiloja ja . Muunnoksen jälkeen integraaliyhtälö saa muodon $k$ $C$ $t_{1}$ $t_{2}$

t=t_{1}+{\frac {t_{2}-t_{1}}{E_{2}-E_{1}}}(E-E_{1}).

Viimeistä lauseketta kutsutaan asteikkoyhtälöksi . Sen avulla mitatuista arvoista löydetään lämpötila -arvot . [2] . $E$ $t$

Vuoteen 1954 asti lämpötila-asteikko perustui kahteen vertailupisteeseen: jään normaaliin sulamispisteeseen ja veden normaaliin kiehumispisteeseen . Kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että veden kolmoispisteellä on parempi toistettavuus kuin jään sulamispisteillä ja veden kiehumispisteillä. Tältä osin hyväksyttiin kansainvälinen sopimus lämpötila-asteikon rakentamisesta yhteen vertailupisteeseen eli veden kolmoispisteeseen. Ns. absoluuttisella termodynaamisella lämpötila-asteikolla (Kelvin-asteikko) oletetaan määritelmän mukaan, että tämän pisteen lämpötila on täsmälleen . Kolmipistelämpötilan numeerinen arvo valitaan siten, että jään normaalin sulamispisteen ja veden kiehumispisteen välinen aika on mahdollisimman tarkka käytettäessä ideaalista kaasulämpömittaria. [3] $t_1$ $t_2$ $273{,}16\,\mathrm {K}$ $100\,\mathrm {K}$

Kokeet osoittavat, että luonnossa ei ole aineita, joiden fysikaaliset ominaisuudet riippuisivat tiukasti lineaarisesti lämpötilasta. Itse kerroin on lämpötilan funktio. Lämpötila-asteikot, jotka on rakennettu erilaisiin lämpötilaominaisuuksiin, jotka ovat samat pääpisteissä , antavat lämpötila-arvojen eroja sekä määritetyllä lämpötila-alueella että sen ulkopuolella. Empiiristen lämpötila-asteikkojen haittoja ovat edellä mainitun eron lisäksi niiden jatkuvuuden puute, joka liittyy lämpömittaisten kappaleiden mahdottomuuteen toimia koko mahdollisten lämpötilojen alueella. $k$ $t_{1}$ $t_{2}$

Lämpömittarit

Lämpömittari (kreikan sanasta thérme ─ lämpö ja metréo ─ mittaan) on lämpötilan mittauslaite.

Mittaustekniikasta riippuen lämpömittarit jaetaan kahteen pääryhmään:

1. Kontaktilämpömittarit, joiden herkät elementit (anturit) joutuvat suoraan kosketukseen mitattavan kohteen kanssa;

2. Kosketuksettomat lämpömittarit, jotka mittaavat etäältä kohteen integroidun lämpö- tai optisen säteilyn voimakkuutta;

3. Erityinen ryhmä koostuu erityisistä lämpömittareista, joita käytetään ultramatalien lämpötilojen mittaamiseen.

Toimintaperiaatteen mukaiset kosketuslaitteet ja menetelmät on jaettu:

a) tilavuuskontaktilämpömittarit, jotka mittaavat nesteen tai kaasun tilavuuden (tilavuuden) muutosta lämpötilan muutoksen myötä;

b) Dimetriset lämpömittarit, joissa lämpötila arvioidaan erilaisten kiinteiden aineiden lineaarisen laajenemisen perusteella lämpötilan muutoksella. Joissakin tapauksissa anturi on bimetallilevy, joka on valmistettu kahdesta metallista, joilla on eri lineaarilaajenemiskerroin ja joka taipuu kuumennettaessa tai jäähdytettäessä;

c) Lämpösähköiset lämpömittarit, joiden anturit ovat termopareja, jotka ovat kaksi erilaista päistään juotettua johdinta. Termoparin liitoskohtien välisessä lämpötilaerossa syntyy lämpö-emf. Lämpötila mitataan termo-emf:n arvolla tai lämpöparipiirin virran arvolla;

d) Resistanssilämpömittarit – joiden toimintaperiaate perustuu johtimen tai puolijohdelaitteen (termisterin) resistanssin muutokseen lämpötilan muutoksella.

Kosketuksettomat menetelmät ja laitteet sisältävät:

a) Radiometria (radiometrit) ─ lämpötilan mittaus kehon omalla lämpösäteilyllä. Matalissa ja huoneenlämpötiloissa tämä säteily on infrapuna-aallonpituusalueella.

b) Lämpökuvaus (lämpökuvaajat) ─ radiometrinen lämpötilan mittaus spatiaalisella resoluutiolla ja lämpötilakentän muuntamalla televisiokuvaksi, joskus värikontrastilla. Voit mitata lämpötilagradientteja, väliaineen lämpötilaa ahtaissa tiloissa, esimerkiksi nesteiden lämpötilaa säiliöissä ja putkissa.

c) Pyrometria (pyrometrit) ─ itsevalon kohteiden korkeiden lämpötilojen mittaus: liekki, plasma, astrofysikaaliset esineet. Käytetään periaatetta, jossa verrataan joko kohteen kirkkautta kirkkausstandardiin (kirkkauspyrometri ja kirkkauslämpötila); tai esineen väri standardin värillä (väripyrometri ja värilämpötila); tai esineen emittoima lämpöenergia ja standardi emitterin lähettämä energia (säteilypyrometri ja säteilylämpötila).

Perusyhtälöt, joihin lämpömittaus perustuu

1. Clapeyronin kaasun tilan yhtälö . Tätä yhtälöä käytetään ideaalisen kaasun lämpötila-asteikon muodostamiseen.

pV={\frac {m}{M}}RT.

2. Nesteiden ja kaasujen tilavuuden lämpölaajenemisen yhtälö, joka on lineaarisesti riippuvainen lämpötilasta, on tilavuusmittausmenetelmän perusta.

V_{t}=V_{0}(1+\alpha _{0}t).

3. Dilatometrisen lämpötilan mittausmenetelmän taustalla ovat kiinteiden aineiden lineaarisen lämpölaajenemisen yhtälöt lämpötilan kanssa.

L_{t}=L_{0}(1+\beta t).

4. Vastuslämpömittarit perustuvat johtimien resistanssin lineaarisen lämpötilariippuvuuden yhtälöön.

R_{t}=R_{0}(1+\gamma t).

5. Stefan-Boltzmannin laki , joka yhdistää lämpösäteilyn ja lämpötilan kokonaisenergian toiminnalliseen riippuvuuteen, on kosketuksettomien lämpötilan mittausmenetelmien taustalla.

F=\sigma T^{4},

missä on absoluuttisen mustan kappaleen integraalinen emissiokyky, on Stefan-Boltzmannin vakio. $F$ $\sigma$

Magneettinen lämpömittari

Alle 1 K lämpötilojen mittaamiseen käytetään sitä tosiasiaa, että paramagneetin magneettinen susceptibiliteetti riippuu lämpötilasta ( Curien laki ). Mitatun magneettisen suskeptibiliteettiarvon avulla löydetään magneettinen lämpötila [4] [5] [6] , joka eroaa termodynaamisesta lämpötilasta määrällä, joka riippuu poikkeamaasteesta Curien laista.

GOST 8.157-75 "Käytännön lämpötila-asteikot" määrittää asteikon lämpötiloille 0,01 - 0,8 K, joka perustuu cerium-magnesiumnitraattilämpömittarin magneettisen herkkyyden lämpötilariippuvuuteen [ 7 ] [8] .

Muistiinpanot

↑ Rizak, 2006 , s. 166-172.
181.
↑ Sivukhin, 2005 , s. 20;21.
↑ Magneettinen lämpömittari . TSB (3. painos), 1974, osa 15 . Haettu 26. helmikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 27. helmikuuta 2015. (Venäjän kieli)
↑ Fysiikka. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , s. 368.
↑ Tribus M., Termostaatti ja termodynamiikka, 1970 , s. 443-445.
↑ Evdokimov I. N. Tutkimusmenetelmät ja keinot. Osa 1. Lämpötila, s. 31. . Ros. osavaltio öljyä ja kaasua. I. M. Gubkin. Käyttöpäivä: 26. helmikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 5. maaliskuuta 2016. (Venäjän kieli)
↑ Ivanova G.M. et ai., Thermotechnical mittaukset ja laitteet, 1984 , s. kahdeksantoista.

Kirjallisuus

Bazarov I.P. Termodynamiikka. - M . : Korkeakoulu, 1991. - 376 s. - ISBN 5-06-000626-3 .
Belokon NI Termodynamiikan perusperiaatteet. - M . : Nedra, 1968. - 112 s.
Rizak V., Rizak I., Rudavsky E. Kryogeeninen fysiikka ja tekniikka. - K . : Naukova Dumka, 2006. - 512 s. - ISBN ISBN 966-87641-4-5 .
Sivukhin DV Yleinen fysiikan kurssi. T. II. Termodynamiikka ja molekyylifysiikka. - M .: Fizmatlit, 2005. - 544 s. - ISBN 5-9221-0601-5 .
Kozlov M. G. Metrologia ja standardointi. Oppikirja. - M., St. Petersburg: Petersburg Institute of Press, 2001. - 372 s.
Ivanova G. M., Kuznetsov N. D., Chistyakov V. S. Lämpötekniset mittaukset ja laitteet. — M .: Energoatomizdat, 1984. — 232 s.
Tribus M. Termostaatti ja termodynamiikka / Per. englannista - M . : Energy, 1970. - 504 s.
Fysiikka. Suuri Encyclopedic Dictionary / Ch. toim. A. M. Prokhorov . - M .: Suuri venäläinen tietosanakirja , 1998. - 944 s. — ISBN 5-85270-306-0 .
Aslanyan A. M., Aslanyan I. Yu., Maslennikova Yu. S., Minakhmetova R. N., Soroka S. V., Nikitin R. S., Kantyukov R. R. noise logging and pulssed neutron-neutron logging // Territory "NEFTEGAS". 2016. Nro 6. S. 52-59.