Métodos e instrumentos para medir a temperatura

o que é temperatura

A medição da temperatura é objeto de uma disciplina teórica e experimental — a termometria, parte da qual, abrangendo temperaturas acima de 500°C, é chamada de pirometria.

A definição estrita mais geral do conceito de temperatura, seguindo a segunda lei da termodinâmica, é formulada com a expressão:

T = dQ /dC,

onde T é a temperatura absoluta de um sistema termodinâmico isolado, dQ é o incremento de calor transferido para esse sistema e dS é o aumento da entropia desse sistema.

A expressão acima é interpretada da seguinte forma: temperatura é uma medida do aumento do calor transferido para um sistema termodinâmico isolado e corresponde ao aumento da entropia do sistema que ocorre neste caso, ou seja, ao aumento da a perturbação de seu estado.

Na mecânica estatística, que descreve as fases do sistema, levando em consideração os microprocessos que ocorrem nos macrossistemas, o conceito de temperatura é definido expressando a distribuição das partículas de um sistema molecular entre vários níveis de energia não ocupados (distribuição de Gibbs). .

Esta definição (de acordo com a anterior) enfatiza o aspecto probabilístico e estatístico do conceito de temperatura como o principal parâmetro da forma microfísica de transferência de energia de um corpo (ou sistema) para outro, ou seja, movimento térmico caótico.

A falta de clareza de definições estritas do conceito de temperatura, que também são válidas apenas para sistemas termodinamicamente equilibrados, levou ao uso generalizado de uma definição "utilitária" baseada na essência do fenômeno da transferência de energia: temperatura é o estado térmico de um corpo ou sistema caracterizado por sua capacidade de trocar calor com outro corpo (ou sistema).

Esta formulação é aplicável tanto a sistemas termodinamicamente não equilibrados como (com reservas) ao conceito psicofisiológico de temperatura «sensorial», percebida diretamente por uma pessoa usando os órgãos do toque térmico.

A temperatura "sensorial" é avaliada subjetivamente por uma pessoa diretamente, mas apenas qualitativamente e em um intervalo relativamente estreito, enquanto a temperatura física é medida quantitativa e objetivamente, com a ajuda de dispositivos de medição, mas apenas indiretamente - através do valor de alguma quantidade física dependendo na temperatura medida.

Portanto, no segundo caso, algum estado de referência (referência) da quantidade física dependente da temperatura selecionada para esse fim é estabelecido e um determinado valor numérico de temperatura é atribuído a ela, de modo que qualquer mudança no estado da quantidade física selecionada em relação à referência pode ser expresso em unidades de temperatura.

O conjunto de valores de temperatura correspondentes a uma série de mudanças sucessivas de estado (ou seja, uma sequência de valores) de uma grandeza dependente da temperatura selecionada forma uma escala de temperatura. As escalas de temperatura mais comuns são Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin e Rankine.

Escalas de temperatura Kelvin e Celsius

V 1730 O naturalista francês René Antoine Reumour (1683-1757), baseado na sugestão de Amoton, marcou o ponto de fusão do gelo no termômetro como 0 e o ponto de ebulição da água como 80°. V 1742 NSVedic astrônomo e físico Anders Celsius (1701 — 1744), após dois anos testando o termômetro Reaumur, descobriu um erro na graduação da escala.

Descobriu-se que isso depende muito da pressão atmosférica. Celsius propôs determinar a pressão ao calibrar a escala e dividi toda a faixa de temperatura por 100, mas atribuí a marca 100 ao ponto de fusão do gelo. Mais tarde, o sueco Linnaeus ou o alemão Stremmer (de acordo com várias fontes) mudaram as designações dos pontos de controle.

Assim surgiu a agora amplamente utilizada escala de temperatura Celsius. Sua calibração é realizada na pressão atmosférica normal de 1013,25 hPa.

As escalas de temperatura foram criadas por Fahrenheit, Reaumur, Newton (este último escolheu inadvertidamente a temperatura do corpo humano como ponto de partida.Bem, os grandes estão errados!) E muitos outros. Eles não resistiram ao teste do tempo.

A escala de temperatura Celsius foi adotada na 1ª Conferência Geral de Pesos e Medidas em 1889. Atualmente, o grau Celsius é a unidade oficial de medida de temperatura estabelecida pelo Comitê Internacional de Pesos e Medidas, mas com alguns esclarecimentos na definição.

De acordo com os argumentos acima, é fácil concluir que a escala de temperatura Celsius não é o resultado da atividade de uma pessoa. Celsius foi apenas um dos últimos pesquisadores e inventores envolvidos em seu desenvolvimento. Até 1946, a escala era simplesmente chamada de escala de graus. Foi só então que o Comitê Internacional de Pesos e Medidas atribuiu o nome "grau Celsius" ao grau Celsius.

Algumas palavras sobre o corpo de trabalho dos termômetros. Os primeiros criadores de dispositivos buscaram naturalmente ampliar seu raio de ação. O único metal líquido em condições normais é o mercúrio.

Não havia escolha. O ponto de fusão é de -38,97 ° C, o ponto de ebulição é de + 357,25 ° C. Das substâncias voláteis, o vinho ou o álcool etílico acabaram sendo os mais disponíveis. Ponto de fusão — 114,2 ° C, ponto de ebulição + 78,46 ° C.

Os termômetros criados são adequados para medir temperaturas de -100 a + 300 ° C, o que é suficiente para resolver a maioria dos problemas práticos. Por exemplo, a temperatura mínima do ar é de -89,2 ° C (estação Vostok na Antártica) e a máxima é de + 59 ° C (deserto do Saara). A maioria dos processos de tratamento térmico de soluções aquosas ocorreu em temperaturas não superiores a 100 °C.

A unidade básica de medida da temperatura termodinâmica e ao mesmo tempo uma das unidades básicas Sistema Internacional de Unidades (SI) é o grau Kelvin.

O tamanho (intervalo de temperatura) de 1 grau Kelvin é determinado pelo fato de que o valor da temperatura termodinâmica do ponto triplo da água é definido exatamente em 273,16 ° K.

Essa temperatura, na qual a água existe em estado de equilíbrio em três fases: sólida, líquida e gasosa, é tomada como principal ponto de partida devido à sua alta reprodutibilidade, uma ordem de grandeza melhor que a reprodutibilidade dos pontos de congelamento e ebulição da água .

Medir a temperatura do ponto triplo da água é uma tarefa tecnicamente difícil. Portanto, como padrão, foi aprovado apenas em 1954 na X Conferência Geral de Pesos e Medidas.

O grau Celsius, em unidades das quais a temperatura termodinâmica também pode ser expressa, é exatamente igual ao Kelvin em termos de faixa de temperatura, mas o valor numérico de qualquer temperatura em Celsius é 273,15 graus maior que o valor da mesma temperatura em Kelvin .

O tamanho de 1 grau Kelvin (ou 1 grau Celsius), determinado pelo valor numérico da temperatura do ponto triplo da água, com precisão de medição moderna, não difere de seu tamanho determinado (que antes era aceito) como um centésimo do diferença de temperatura entre os pontos de congelamento e ebulição da água.

Classificação de métodos e dispositivos para medir temperatura

A medição da temperatura corporal ou ambiente pode ser feita de duas maneiras indiretas fundamentalmente diferentes.

A primeira maneira leva à medição dos valores de uma das propriedades dependentes da temperatura ou parâmetros de estado do próprio corpo ou do ambiente, a segunda - à medição dos valores das propriedades ou estado dependentes da temperatura parâmetros do corpo auxiliar levados (direta ou indiretamente) a um estado de equilíbrio térmico com o corpo ou ambiente cuja temperatura é medida...

Um corpo auxiliar é chamado que serve a esses propósitos e é um sensor de um dispositivo de medição de temperatura completo sonda termométrica (pirométrica) ou detector térmico… Portanto, todos os métodos e dispositivos para medir a temperatura são divididos em dois grupos fundamentalmente diferentes: sem sondar e sondar.

O detector térmico ou qualquer dispositivo adicional do dispositivo pode ser colocado em contato mecânico direto com o corpo ou meio cuja temperatura é medida, ou apenas contato "ótico" pode ser feito entre eles.

Dependendo disso, todos os métodos e ferramentas para medir a temperatura são divididos em contato e não contato. Os métodos e dispositivos de sonda de contato e sem contato são de grande importância prática.

Erros de medição de temperatura

Todos os métodos de contato, principalmente perfuração, de medição de temperatura, ao contrário de outros métodos, são caracterizados pelos chamados erros metodológicos térmicos ou térmicos devido ao fato de que um termômetro de sonda completo (ou pirômetro) mede o valor da temperatura apenas da parte sensível do detector térmico, calculada a média sobre a superfície ou volume dessa parte.

Entretanto, essa temperatura, via de regra, não coincide com a medida, pois o detector térmico inevitavelmente distorce o campo de temperatura em que é introduzido. Ao medir uma temperatura constante estacionária de um corpo ou ambiente, um certo modo de troca de calor é estabelecido entre ele e o receptor térmico.

A diferença de temperatura constante entre o detector térmico e a temperatura medida do corpo ou ambiente caracteriza o erro térmico estático na medição de temperatura.

Se a temperatura medida mudar, então o erro térmico é uma função do tempo. Tal erro dinâmico pode ser considerado como constituído por uma parte constante, equivalente ao erro estático, e uma parte variável.

Este último surge porque a cada mudança na transferência de calor entre um corpo ou meio cuja temperatura é medida, um novo modo de transferência de calor não é imediatamente estabelecido. A distorção residual das leituras do termômetro ou pirômetro, que é uma função do tempo, é caracterizada pela inércia térmica do termômetro.

Os erros térmicos e a inércia térmica de um detector térmico dependem dos mesmos fatores que a troca de calor entre um corpo ou ambiente e um detector térmico: das temperaturas do detector térmico e do corpo ou ambiente, de seu tamanho, composição (e, portanto, propriedades) e condição, por projeto, dimensões, forma geométrica, estado da superfície e propriedades dos materiais do detector térmico e dos corpos ao seu redor, a partir de sua disposição, segundo cuja lei a temperatura medida do corpo ou ambiente muda ao longo do tempo.

Erros metodológicos térmicos na medição de temperatura, via de regra, são várias vezes maiores que os erros instrumentais de termômetros e pirômetros. A sua redução é conseguida pela utilização de métodos racionais de medição de temperatura e construção de detectores térmicos e pela instalação adequada destes últimos nos locais de utilização.

A melhoria da transferência de calor entre o receptor térmico e o ambiente ou o corpo cuja temperatura é medida é alcançada forçando os fatores benéficos e suprimindo os prejudiciais da transferência de calor.

Por exemplo, ao medir a temperatura de um gás em um volume fechado, a troca de calor por convecção do detector térmico com o gás é aumentada, criando um fluxo rápido de gás ao redor do detector térmico (um termopar de "sucção") e o calor radiante a troca com as paredes do volume é reduzida, blindando o detector térmico (termopar "blindado").

Para reduzir a inércia térmica em termômetros e pirômetros com sinal de saída elétrico, também são utilizados circuitos especiais que reduzem artificialmente o tempo de subida do sinal com uma mudança rápida na temperatura medida.

Métodos sem contato de medição de temperatura

A possibilidade de usar métodos de contato nas medições é determinada não apenas pela distorção da temperatura medida pelo detector térmico de contato, mas também pelas características físico-químicas reais dos materiais do detector térmico (corrosão e resistência mecânica, resistência ao calor, etc).

Os métodos de medição sem contato estão livres dessas limitações. No entanto, o mais importante deles, ou seja.com base nas leis da radiação de temperatura, erros especiais são inerentes devido ao fato de que as leis usadas são exatamente válidas apenas para um emissor absolutamente preto, do qual todos os emissores físicos reais (corpos e portadores) diferem mais ou menos em termos de propriedades de radiação .

De acordo com as leis de radiação de Kirchhoff, qualquer corpo físico emite menos energia do que um corpo negro aquecido à mesma temperatura que o corpo físico.

Portanto, um medidor de temperatura calibrado contra um emissor preto, ao medir a temperatura de um emissor físico real, apresentará uma temperatura inferior à real, ou seja, a temperatura na qual a propriedade do emissor preto usado na calibração (energia radiativa, seu brilho, sua composição espectral, etc.), coincide em valor com a propriedade de um radiador físico em uma determinada temperatura real a ser determinada. A pseudotemperatura subestimada medida é chamada de temperatura negra.

Diferentes métodos de medição levam a diferentes, como regra, temperaturas de preto não correspondentes: um pirômetro de radiação mostra integral ou radiação, um pirômetro óptico - brilho, um pirômetro de cor - temperaturas de cor preta.

A transição de pretos medidos para temperaturas reais é feita graficamente ou analiticamente se a emissividade do objeto cuja temperatura é medida for conhecida.

A emissividade é a razão dos valores dos emissores físicos e pretos usados ​​para medir as propriedades radiativas que têm a mesma temperatura: com o método radiativo, a emissividade é igual à razão das energias totais (através do espectro), com o método óptico, a capacidade de emissividade espectral é igual à razão das densidades espectrais do brilho. Todas as outras coisas sendo iguais, os menores erros de não negritude do emissor são dados por um pirômetro de cor.

Uma solução radical para o problema de medir a temperatura real de um emissor não preto por métodos radiantes é alcançada pelas artes criando condições para que ele o transforme em um emissor preto (por exemplo, colocando-o em uma cavidade praticamente fechada). .

Em alguns casos especiais, é possível medir a temperatura real de um emissor não preto com pirômetros de radiação convencionais usando técnicas especiais de medição de temperatura (por exemplo, iluminação, em feixes de três comprimentos de onda, em luz polarizada, etc.).

Instrumentos gerais para medir temperatura

A enorme gama de temperaturas medidas e um número inesgotável de diferentes condições e objetos de medição determinam uma extraordinária variedade e variedade de métodos e dispositivos para medir a temperatura.

Os instrumentos mais comuns para medir a temperatura são:

• Pirômetros termoelétricos (termômetros);
• termômetros de resistência elétrica;
• Pirômetros de radiação;
• Pirômetros de absorção óptica;
• Pirômetros ópticos de brilho;
• Pirômetros de cores;
• Termômetros de expansão de líquidos;
• Medidores de termômetros;
• Termômetros de vapor;
• Termômetros de condensação de gás;
• Termômetros dilatométricos de vara;
• Termômetros bimetálicos;
• Termómetros acústicos;
• Pirômetros-piroscópios calorimétricos;
• Tintas térmicas;
• Termômetros de sal paramagnéticos.

Os dispositivos elétricos mais populares para medir a temperatura:

termômetros de resistência

Termistores

Veja também: Vantagens e desvantagens de diferentes sensores de temperatura

Os muitos tipos de instrumentos listados acima são usados ​​para medições por vários métodos. Por exemplo, um termômetro termoelétrico é usado:

• para medição de contato da temperatura de ambientes e corpos, bem como superfícies destes últimos, sem ou em combinação com dispositivos que corrijam o desequilíbrio térmico do detector térmico e do objeto de medição;
• para medição de temperatura sem contato por radiação e alguns métodos espectroscópicos;
• para medição mista (contato-sem contato) da temperatura do metal líquido pelo método da cavidade de gás (medição da temperatura de radiação de uma bolha de gás soprada no metal líquido na extremidade de um tubo imerso nele com uma radiação pirômetro).

Ao mesmo tempo, muitos métodos de medição de temperatura podem ser aplicados com dispositivos de vários tipos.

Por exemplo, a temperatura do ar externo e interno pode ser medida por dispositivos de pelo menos 15 tipos. A foto mostra um termômetro bimetálico.

O maior termômetro do mundo em Baker, Califórnia

Aplicação de instrumentos de medição de temperatura:

Medição de temperaturas de superfície com termopares

termografia infravermelha

Medição de temperatura sem contato durante a operação de equipamentos elétricos

Características do uso de termômetros a laser