Меню

Суть основных методов измерения температуры



Методы и приборы для измерения температуры

Что такое температура

Измерение температуры — предмет теоретической и экспериментальной дисциплины — термометрии, часть которой, охватывающая температуры свыше 500° С, называется пирометрией.

Наиболее общее строгое определение понятия температуры, следующее из второго начала термодинамики, формулируется выражением:

где Т — абсолютная температура изолированной термодинамической системы, d Q — приращение тепла, сообщаемого этой системе, и d S — приращение энтропии этой системы.

Приведенное выражение интерпретируется следующим образом: температура есть мера приращения тепла, сообщенного изолированной термодинамической системе и соответствующего приращению энтропии системы, происходящему при этом, или, иначе говоря, возрастанию неупорядоченности ее состояния.

В статистической механике, описывающей фазы системы с учетом микропроцессов, протекающих в макросистемах, понятие температуры определяется через выражение распределения частиц молекулярной системы между рядом невырожденных энергетических уровней (распределения Гиббса).

Такое определение (согласующееся с предыдущим) подчеркивает вероятностный, статистический аспект понятия температуры как основного параметра микрофизической формы передачи энергии от одного тела (или системы) к другому, т. е. хаотического теплового движения.

Малая наглядность строгих определений понятия температуры, справедливых к тому же только для термодинамически равновесных систем, привела к широкому распространению «утилитарного» определения, исходящего из существа явления передачи энергии: температура — это тепловое состояние тела или системы, характеризующееся его способностью обмениваться теплом с другим телом (или системой).

Эта формулировка применима и к термодинамически неравновесным системам, и (с оговорками) к психофизиологическому понятию «сенсорной» температуры, непосредственно воспринимаемой человеком с помощью органов термического осязания.

«Сенсорная» температуpa субъективно оценивается человеком непосредственно, но лишь качественно и в относительно узком интервале, физическая же температуpa измеряется количественно и объективно, с помощью измерит, приборов, но только косвенно — по значению какой-либо физической величины, зависящей от измеряемой температуры.

Поэтому в последнем случае устанавливают какое-либо опорное (реперное) состояние выбранной для этой цели температурозависимой физической величины и приписывают ему некоторое определенное числовое значение температуры с тем, чтобы любое изменение состояния выбранной физической величины относительно опорного могло быть выражено в единицах температуры.

Совокупность значений температуры, соответствующих ряду последовательных изменений состояния (т. е. ряду значений) выбранной температурозависимой величины, образует температурную шкалу. Наиболее распространенные температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, Кельвина и Ранкина.

Температурные шкалы Кельвина и Цельсия

Основной единицей измерения термодинамической температуры и одновременно одной из основных единиц Международной системы единиц (СИ) является градус Кельвина.

Размер (температурный промежуток) 1 градуса Кельвина определяется тем, что значение термодинамической температуры тройной точки воды установлено равным в точности 273,16°К.

Эта температура, при которой вода равновесно сосуществует в трех фазах: твердой, жидкой и газообразной, принята в качестве основного репера вследствие ее высокой воспроизводимости, на целый порядок лучшей, чем воспроизводимость температур замерзания и кипения воды.

Градус Цельсия, в единицах которого также может быть выражена термодинамическая температура, по своему температурному промежутку в точности равен градусу Кельвина, но числовое значение любой температуры в градусах Цельсия на 273,15 градусов больше значения той же температуры в градусах Кельвина.

Размер 1 градуса Кельвина (или 1 градуса Цельсия), определенный из числового значения температуры тройной точки воды, при современных точностях измерения не отличается от его размера, определенного (что было принято ранее) как сотая доля температурного промежутка между точками замерзания и кипения воды.

Классификация методов и приборов для измерения температуры

Измерение температуры тела или среды может быть осуществлено двумя принципиально различными косвенными путями.

Первый путь ведет к измерению значений одного из температурозависимых свойств или параметров состояния непосредственно самого тела или среды, второй — к измерению значений температурозависимых свойств или параметров состояния вспомогательного тела, приведенного (прямо или косвенно) в состояние теплового равновесия с телом или средой, температуpa которых измеряется.

Вспомогательное тело, служащее для этих целей и являющееся датчиком комплектного прибора для измерения температуры, называется термометрическим (пирометрическим) зондом, или термоприемником. Поэтому все методы и приборы для измерения температуры разделяются на две принципиально различные группы: беззондовые и зондовые.

Термоприемник или какое-либо вспомогательное устройство прибора может быть приведено в прямое механическое соприкосновение с телом или средой, температура которых измеряется, или же между ними может осуществляться лишь «оптический» контакт.

В зависимости от этого все методы и приборы для измерения температуры делятся на контактные и бесконтактные. Наибольшее практическое значение имеют зондовые контактные и бесконтактные методы и приборы.

Погрешности при измерении температуры

Всем контактным, в первую очередь зондовым, методам измерения температуры, в отличие от других методов, свойственны т. н. тепловые или термические методические погрешности, обусловленные тем, что комплектный зондовый термометр (или пирометр) измеряет значение температуры только чувствительной части термоприемника, усредненное по поверхности или объему этой части.

Между тем эта температура, как правило, не совпадает с измеряемой потому, что термоприемник неизбежно искажает температурное поле, в которое его вносят. При измерении установившейся постоянной температуры тела или среды между ним и термоприемником устанавливается определенный режим теплообмена.

Постоянная разность температур термоприемника и измеряемой температуры тела или среды характеризует статическую термическую погрешность при измерении температуры.

Если измеряемая температуpa изменяется, то термическая погрешность оказывается функцией времени. Такую динамическую погрешность можно рассматривать как состоящую из постоянной части, эквивалентной статической погрешности, и переменной части.

Последняя возникает потому, что при всяком изменении теплообмена между телом или средой, температура которых измеряется, новый режим теплообмена устанавливается не сразу. Обусловленное отставанием искажение показаний термометра или пирометра, являющееся функцией времени, характеризуется тепловой инерцией термоприемника.

Читайте также:  Предел измерения физических величин

Тепловые погрешности и тепловая инерция термоприемника зависят от тех же факторов, что и теплообмен между телом или средой и термоприемником: от температур термоприемника и тела или среды, от их размеров, состава (а значит и свойств) и состояния, от конструкции, размеров, геометрической формы, состояния поверхности и свойств материалов термоприемника и окружающих его тел, от их взаиморасположения, от того, по какому закону изменяются во времени измеряемая температура тела или среды.

Тепловые методические погрешности при измерении температуры, как правило, в несколько раз превосходят инструментальные погрешности термометров и пирометров. Их снижение достигается применением рациональных методик измерения температуры и конструкций термоприемников и целесообразным монтажом последних на местах применения.

Улучшение теплообмена термоприемника и среды или тела, температура которых измеряется, достигается форсированием полезных и подавлением вредных факторов теплообмена.

Например, при измерении температуры газа в замкнутом объеме увеличивают конвективный теплообмен тероприемника с газом, создавая искусств, быстрое обтекание газом термоприемника («отсосная» термопара), и снижают лучистый теплообмен со стенками объема, экранируя термоприемник («экранированная» термопара).

Для снижения тепловой инерции в термометрах и пирометрах с электрическим выходным сигналом применяют также специальные схемы, искусственно сокращающие время нарастания сигнала при быстром изменении измеряемой температуры.

Бесконтактные методы измерения температуры

Возможность применения контактных методов при измерениях определяется не только искажением контактным термоприемником измеряемой температуры, но также реальными физическими и химическими характеристиками материалов термоприемника (коррозионной и механической стойкостью, жаропрочностью и т. д.).

Бесконтактные методы измерения свободны от этих ограничений. Однако важнейшим из них, т.е. основанным на законах температурного излучения, присущи особые погрешности, обусловленные тем, что используемые законы в точности справедливы лишь для абсолютно черного излучателя, от которого по свойствам излучения более или менее значительно отличаются все реальные физические излучатели (тела и среды).

В соответствии с законами излучения Кирхгофа любое физическое тело излучает энергии меньше, чем черное тело, нагретое до той же температуры, что и физическое.

Поэтому прибор для измерения температуру, отградуированный по черному излучателю, при измерении температуры реального физического излучателя покажет температуру, меньшую действительной, а именно такую, при которой свойство черного излучателя, использованное при градуировании (энергия излучения, его яркость, его спектральный состав и т. п.), совпадает по своему значению со свойством физического излучателя при данной действительной его температуре, подлежащей определению. Измеренная заниженная псевдотемпература называется черной температурой.

Различные методы измерения приводят к различным, как правило, не совпадающим черным температурам: пирометр радиационный показывает интегральную или радиационную, пирометр оптический — яркостную, пирометр цветовой — цветовую черные температуры.

Переход от измеренных черных к действительным температурам осуществляется графически или аналитически, если известна излучательная способность объекта, температуpa которого измеряется.

Излучательной способностью называется отношение значений используемого для измерения свойства излучения физического и черного излучателей, имеющих одинаковую температуру: при радиационном методе излучательная способность равна отношению суммарных (по всему спектру) энергий, при оптическом — спектральная излучательная способность равна отношению спектральных плотностей энергетической яркости. При прочих равных условиях наименьшие погрешности от нечерноты излучателя дает пирометр цветовой.

Радикальное решение задачи измерения лучистыми методами действительной температуры нечерного излучателя достигается искусств, созданием для него условий, превращающих его в черный излучатель (например, помещением его в практически замкнутую полость).

В некоторых частных случаях возможно измерение действительной температуры нечерных излучателей обычными пирометрами излучения при применении особых методик измерения температуры (например, подсветки, в лучах трех длин волн, в поляризованном свете и др.).

Распространенные приборы для измерения температуры

Громадный диапазон значений измеряемых температур и неисчерпаемое количество различных условий и объектов измерения обусловливают чрезвычайное разнообразие и многочисленность методов и приборов для измерения температуры.

Самые распространенные приборы для измерения температуры:

  • Термоэлектрические пирометры (термометры) ;
  • Электрические термометры сопротивления ;
  • Радиационные пирометры ;
  • Пирометры оптического поглощения ;
  • Оптические яркостные пирометры ;
  • Цветовые пирометры ;
  • Жидкостные термометры расширения ;
  • Газовые манометрические термометры ;
  • Паровые манометрические термометры ;
  • Газовые конденсационные термометры ;
  • Стержневые дилатометрические термометры ;
  • Биметаллические термометры ;
  • Акустические термометры ;
  • Калориметрические пирометры-пироскопы ;
  • Термокраски ;
  • Парамагнитные солевые термометры .

Самые популярные электрические приборы для измерения температуры:

Приборы многих видов, перечисленные выше, используются для измерений различными методами. Например, термоэлектрический термометр используется:

  • для контактного измерения температуры сред и тел, а также поверхностей последних без или в сочетании с устройствами, корректирующими тепловое неравновесие термоприемника и объекта измерения;
  • для бесконтактного измерения температуры радиационным и некоторыми спектроскопическими методами ;
  • для смешанного (контактно-бесконтактного) — измерение температуры жидкого металла по методу газовой каверны (измерение радиационным пирометром температуры излучения газового пузыря, выдуваемого в жидком металле на конце погруженной в него трубки).

Вместе с тем многие методы измерения температуры могут быть реализованы приборами различных видов.

Так, например, температуpa наружного и комнатного воздуха может быть измерена приборами по меньшей мере 15 видов. На фотографии — биметаллический термометр.

Самый большой в мире термометр в Бейкере, Калифорния

Применение приборов для измерения температуры:

Источник

ТЕРМОМЕТРИЯ

Термометрия (греч. therme теплота, жар + metreo мерить, измерять) — совокупность методов и способов измерения температуры, в том числе в медицине измерение температуры тела человека.

Читайте также:  Термометрия виды термометров основные способы измерения температуры тела

Измерение температуры — это сравнение степени нагретости исследуемого объекта со стандартной шкалой температур. Применительно к средним значениям наибольшее распространение получила шкала температур Цельсия, определяемая двумя реперными точками — температурой кипения и температурой замерзания воды (таяния льда) при нормальном атмосферном давлении, к-рым отвечают соответственно сто и ноль единиц, называемых градусами Цельсия (°С). По размеру градус Цельсия равен одному градусу Кельвина (°К), являющемуся основной единицей измерения температуры (см. Единицы измерения). Шкала Цельсия принята в подавляющем числе стран, однако в США и Великобритании продолжают пользоваться шкалой Фаренгейта с единицей измерения градус Фаренгейта (°f); температура по Фаренгейту (tF) и температура по Цельсию (tC) связаны зависимостью tF= 32 + 1,8 tC.

Все методы измерения температуры делят на контактные, основанные на передаче тепла прибору, измеряющему температуру путем непосредственного контакта, и бесконтактные, когда передача тепла прибору осуществляется путем радиации через промежуточную среду, обычно через воздух. Контактные методы позволяют измерять температуру при сохранении взаиморасположения термоприемника и объекта в условиях движения последнего, проводить измерения в любых точках внутри объекта, куда можно провести термоприемник. Бесконтактные методы дают возможность измерять температуру объектов, контакт с к-рыми недопустим, объектов малых размеров, тепловой контакт с к-рыми затруднен или неосуществим, исследовать распределение температуры на поверхности тела.

Контактным методам свойственны погрешности, обусловленные изменением температуры объекта вследствие искажения его температурного поля внесенным термоприемником, а также неизбежной разницей температур термоприемника и объекта в результате теплообмена термоприемника с окружающей средой. В установившемся тепловом режиме, когда температуры объекта и термоприемника стабилизированы, эти погрешности являются статическими. При неустановившемся тепловом режиме дополнительно возникает динамическая погрешность измерения, связанная с тепловой инерцией термоприемника. Снижение погрешностей обеспечивается применением более рациональных методик измерения температуры, конструкций термоприемников и т. д.

Бесконтактным методам измерения температуры свойственны погрешности, связанные с тем, что физические законы, лежащие в основе этих методов, справедливы лишь для абсолютно черного излучателя, от к-рого по свойствам излучения отличаются все реальные физические излучатели (тела и среды). В соответствии с законом Кирхгофа любое физическое тело излучает энергии меньше, чем черное тело, нагретое до той же температуры. Поэтому бесконтактные приборы для измерения температуры, отградуированные по черному излучателю, покажут меньшую температуру, чем действительная.

Приборы для измерения температуры (термометры) включают звено передачи тепла от исследуемого объекта к первичному преобразователю, первичный преобразователь или термочувствительное звено, звено преобразования параметра состояния первичного преобразователя в непосредственно отображаемую физическую величину, звено отображения. Соответственно термометры различаются по характеру передачи тепла от объекта к термочувствительному звену (контактные и бесконтактные); по виду преобразования тепловой энергии в термочувствительном звене. При этом используются различные температурно-зависимые свойства веществ: тепловое расширение твердых тел (дилатометрические, биметаллические термометры), жидких тел (ртутные, спиртовые и др.) и газов (манометрические термометры), удельное электрическое сопротивление (резистивные электротермометры), диэлектрическая проницаемость (электроемкостные термометры) , термоэлектрический эффект (термоэлектрические термометры). В термометрах используются и разные способы отображения результатов (положение мениска жидкости или стрелки относительно неподвижной шкалы, цифровая индикация, графическая регистрация, визуализация теплового поля объекта на экране электронно-лучевой трубки и т. д.).

В медицине и биологии Т. широко используется для измерения температуры тела (см.), температуры сред и предметов, с к-рыми контактирует человек, а также в клинико-диагностических, микробиологических, физиологических и биохимических исследованиях, криобиологии, криотерапии (см.), криохирургии (см.), физиотерапии (см.), бальнеотерапии (см.), космической и авиационной медицине (см. Авиационная медицина, Медицина космическая) и др. Главное место при измерениях температуры в медицинской практике занимает контактная Термометрия, основным достоинством к-рой является надежность передачи тепла от объекта термочувствительному звену термометра. Однако принципиальная возможность нагревания термоприемника до температуры исследуемого объекта часто ограничивается различными методическими и конструктивными факторами. При измерении температуры тела, напр, в месте контакта термощупа с телом, имеют место локальные изменения кровотока, потоотделение, к-рые меняют температуру в месте измерения; температура термощупа устанавливается не сразу, а по истечении переходного процесса.

Для измерения температуры тела используют гл. обр. медицинский ртутный термометр, относящийся к жидкостным термометрам, принцип действия к-рых основан на тепловом расширении жидкостей. Ртутный термометр представляет собой прозрачный стеклянный резервуар с впаянными шкалой и капилляром, имеющим на конце расширение, заполненное ртутью. Температурный коэффициент расширения ртути приблизительно в 500 раз больше температурного коэффициента расширения стекла, что обеспечивает заметное перемещение ртутного столба в капилляре при относительной неизменности размеров последнего. Диапазон измерения температуры составляет 34—42°, цена деления 0,1°. Ртутный термометр действует по принципу максимального термометра: ртутный столбик остается в капилляре на уровне наивысшего подъема при нагревании и опускается только при встряхивании. Это достигается вводом в капилляр штифта, препятствующего обратному движению ртути; другой конец штифта впаян в дно резервуара. Ртутный термометр используется для измерения температуры в подмышечной впадине, паховой складке, прямой кишке, ротовой полости.

Локальные измерения температуры (локальная Т.) выполняются с помощью электротермометрии (измерение температуры тела электротермометрами). Используются точечные термощупы, имеющие площадь контакта с исследуемым объектом 1—2 мм 2 . Их термочувствительным звеном является терморезистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление к-рого зависит от температуры. Из-за малых размеров и массы (микротерморезистор) он обладает малой тепловой инерцией. Серийно выпускаемый медицинский электротермометр ТПЭМ-1 содержит три таких термощупа — для измерения температуры кожи, мягких тканей и полостей тела. Прибор имеет две шкалы общим диапазоном 16—42° с ценой деления 0,2°. Электротермометры широко используются для сегментарной Т., а также для длительных наблюдений за температурой тела во время хирургических операций, у тяжелобольных, в условиях реанимации. При длительных наблюдениях термощупы обычно вводят в прямую кишку, иногда в пищевод.

Читайте также:  Пульс измерение пульса алгоритм

Температуру в полости жел.-киш. тракта в ряде случаев измеряют телеметрически с помощью проглатываемой обследуемым радиокапсулы, представляющей собой миниатюрный радиопередатчик, соединенный с датчиком температуры. Термочувствительным звеном датчика служит сегнетокерамический элемент, диэлектрическая проницаемость к-рого изменяется в зависимости от температуры, обусловливая соответственные изменения частоты передаваемых колебаний. Эти колебания воспринимаются приемным устройством, находящимся вне тела обследуемого.

Для получения термотопографической картины отдельных областей тела применяют бесконтактную термографию (радиационная термометрия, или тепловидение), основанную на восприятии специальными датчиками инфракрасного излучения с поверхности тела, или контактную жидкокристаллическую термографию, в основе к-рой лежит свойство жидких кристаллов менять цвет при изменении температуры контактирующей среды (см. Термография). Наметились два способа применения жидкокристаллической Т. в медицине: нанесение на поверхность тела термокомпозиций — специальных термочувствительных паст и аппликация термохромной пленки.

Термометрия тела — измерение температуры тела (см.) — является важным и обязательным компонентом обследования больного (см.), имеет большую диагностическую ценность, позволяет распознавать лихорадочные и гипотермические состояния (см. Лихорадка, Охлаждение организма). Измерение чаще производят при помощи медицинского (ртутного) термометра. Используются также и электротермометры. Температуру измеряют в подмышечной впадине, реже в паховой складке, полости рта, прямой кишке (у детей) или во влагалище. При измерении температуры в подмышечной впадине или в паховой складке кожу следует предварительно вытереть досуха. Перед введением в прямую кишку термометр смазывают вазелином. Продолжительность измерения температуры в подмышечной впадине составляет примерно 10 мин. Чтобы термометр плотно прилегал к коже, плечо прижимают к груди. У тяжелобольных, находящихся в бессознательном состоянии, а также у детей термометр удерживают в подмышечной впадине определенным положением руки больного. Температуру, как правило, измеряют 2 раза в день (в 7 — 8 час. утра и в 17 —19 час. вечера), при необходимости измерение проводят чаще, каждые 2 или 4 часа. После измерения температуры термометр следует протереть дезинфицирующим р-ром или поместить его в сосуд с таким р-ром.

Нормальной температурой при измерении в подмышечной впадине следует считать 36,4—36,8°. Наиболее высокая температура в течение дня наблюдается между 17 и 21 часом, а наиболее низкая — между 3 и 6 час. утра; разница температур при этом у здоровых лиц, как правило, не превышает 0,6°. После еды, больших физических и эмоциональных напряжений, в жарком помещении температура тела несколько повышается. Зависит температура и от возраста; у детей она выше в среднем на 0,3 —0,4°, чем у взрослых, в преклонном возрасте может быть несколько ниже. Асимметрия аксиллярной температуры встречается весьма часто (54%), при этом слева она несколько выше.

Важное клиническое значение имеет измерение кожной температуры, являющейся косвенным показателем интенсивности обменных процессов в коже и подлежащих тканях, а также степени их кровоснабжения. При этом абсолютные значения ее обычно не учитываются, т. к. температура кожи в большой степени зависит от (температуры и влажности окружающей среды, интенсивности кровотока, местной реакции ткани, интенсивности потоотделения и т. д. Учитывается, как правило, разность температуры кожи, измеряемой на ее строго симметричных участках; разность температуры на симметричных участках, превышающая 0,5°, считается признаком патологии. Измерение температуры кожи отдельных сегментов конечностей (сегментарная Термометрия) используется при диагностике нарушений периферического кровообращения. В обычных условиях понижение температуры кожи конечностей идет в направлении от проксимальных отделов к дистальным. Разность температур кожи, измеренных над подвздошной или подмышечной артерией и I пальцем стопы или IV пальцем кисти, носит название кожно-температурного коэффициента. В норме его величина составляет 3,8—4° для верхних конечностей и 4,9—5,2° для нижних. В случае патологии он увеличивается. Чем хуже приток крови к периферии, тем выше кожно-температурный коэффициент.

Сегментарная Т., как и локальная, осуществляется с помощью электротермометров. Измерение проводят после 10—15 мин. адаптации обследуемого к температуре помещения, в к-ром проводится обследование. Т. тела можно проводить и дистанционными методами Т. Так, с помощью термографии можно изучать характер распределения температуры в пределах всего тела или отдельных его областей. Особенно ценную информацию дает термография парных органов и конечностей. Термографию успешно применяют при диагностике нарушений кровообращения (см.), патологии кровеносных сосудов (см.), при выявлении злокачественных опухолей молочной железы и др.

Термометрия кожи используется также при изучении механизмов потоотделения в норме и патологии (см. Потоотделение), механизмов терморегуляции (см.) в целом.

Большое диагностическое значение при гастроэнтерологических исследованиях имеет Т. жел.-киш. тракта с помощью радиокапсулы, к-рую проглатывает обследуемый. Приемное устройство, воспринимающее информацию, передаваемую радиокапсулой, располагается вне тела (см. Телеметрия).

Библиогр.: Мясников А. Л. Пропедевтика внутренних болезней, с. 67, М., 1957; Пропедевтика внутренних болезней, под ред. В. X. Василенко и А. Л. Гребенева, с. 59, М., 1982; Температура и ее измерение, под ред. А. Арманда и К. Вульфсона, пер. с англ., М., 1960; Шкляр Б. С. Диагностика внутренних болезней, Киев, 1972.

Е. К. Лукьянов, В. С. Сальманович; С. М. Каменкер (термометрия тела).

Источник