Измерение температуры - Temperature measurement

Даниэль Габриэль Фаренгейт, основоположник эры точной термометрии. Он изобрел ртутный термометр (первый практический, точный термометр ) и Шкала Фаренгейта (первые стандартизированные шкала температур для широкого использования).

Медицинский / клинический термометр, показывающий температуру 38,7 ° C.

Измерение температуры (также известный как термометрия) описывает процесс измерения текущей локальной температуры для немедленной или последующей оценки. Наборы данных, состоящие из повторяющихся стандартизированных измерений, можно использовать для оценки тенденций изменения температуры.

История

Попытки стандартизированного измерения температуры до 17 века были в лучшем случае грубыми. Например, в 170 г. н.э. врач Клавдий Гален^[1] смешал равные порции льда и кипячение вода для создания «нейтрального» стандарта температуры. Современная научная область берет свое начало в работах флорентийских ученых 1600-х годов, включая создание устройств Галилеем, способных измерять относительное изменение температуры, но также подверженных влиянию изменений атмосферного давления. Эти ранние устройства назывались термоскопы. Первый герметичный термометр был построен в 1654 г. Великий князь Тосканский, Фердинанд II.^[1] Развитие сегодняшнего термометры и температура весы появились в начале 18 века, когда Габриэль Фаренгейт произвел Меркурий термометр и шкала, разработанные Оле Кристенсен Рёмер. Шкала Фаренгейта все еще используется вместе с Цельсия и Кельвин напольные весы.

Технологии

Для измерения температуры разработано множество методов. Большинство из них основаны на измерении некоторых физических свойств рабочего материала, которые зависят от температуры. Одним из самых распространенных устройств для измерения температуры является стеклянный термометр. Он состоит из стеклянной трубки, заполненной Меркурий или какая-то другая жидкость, которая действует как рабочая жидкость. Повышение температуры вызывает расширение жидкости, поэтому температуру можно определить путем измерения объема жидкости. Такие термометры обычно калибруются так, чтобы можно было считывать температуру, просто наблюдая за уровнем жидкости в термометре. Другой тип термометра, который на практике мало используется, но важен с теоретической точки зрения, - это термометр. газовый термометр.

Другие важные устройства для измерения температуры включают:

Термопары
Термисторы
Датчик температуры сопротивления (RTD)
Пирометр
Зонды Ленгмюра (для электронной температуры плазма )
Инфракрасный термометр
Другой термометры

При измерении температуры необходимо соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что измерительный прибор (термометр, термопара и т. Д.) Действительно имеет ту же температуру, что и измеряемый материал. В некоторых условиях тепло от измерительного прибора может вызвать температурный градиент, поэтому измеренная температура отличается от фактической температуры системы. В таком случае измеренная температура будет изменяться не только в зависимости от температуры системы, но также и от свойств теплопередачи системы.

Тепловой комфорт, который испытывают люди, животные и растения, зависит не только от температуры, отображаемой на стеклянном термометре. Относительная влажность окружающего воздуха может вызвать более или менее охлаждение за счет испарения. Измерение температура по влажному термометру нормализует этот эффект влажности. Средняя лучистая температура также может повлиять на тепловой комфорт. В фактор охлаждения ветром в ветреную погоду становится холоднее, чем в штиль, даже если стеклянный термометр показывает ту же температуру. Воздушный поток увеличивает скорость передачи тепла от тела или к телу, что приводит к большему изменению температуры тела при той же температуре окружающей среды.

Теоретической основой термометров является нулевой закон термодинамики который постулирует, что если у вас есть три тела, A, B и C, если A и B имеют одинаковую температуру, а B и C имеют одинаковую температуру, то A и C имеют одинаковую температуру. Б, конечно же, градусник.

Практической основой термометрии является наличие тройная точка клетки. Тройные точки - это такие условия давления, объема и температуры, что три фазы одновременно присутствуют, например, твердое тело, пар и жидкость. Для одного компонента в тройной точке нет степеней свободы, и любое изменение трех переменных приводит к исчезновению одной или нескольких фаз в ячейке. Следовательно, ячейки тройной точки можно использовать как универсальные эталоны для температуры и давления (см. Правило фаз Гиббса ).

При некоторых условиях становится возможным измерять температуру прямым использованием Закон планка о излучении черного тела. Например, космический микроволновый фон температура измерялась по спектру фотоны наблюдается с помощью спутниковых наблюдений, таких как WMAP. При изучении кварк-глюонная плазма через столкновения тяжелых ионов, спектры одиночных частиц иногда служат термометром.

Неинвазивная термометрия

За последние десятилетия было разработано множество термометрических методов. Наиболее перспективные и широко распространенные неинвазивные термометрические методы в контексте биотехнологий основаны на анализе изображений магнитного резонанса, изображений компьютерной томографии и эхотомографии. Эти методы позволяют контролировать температуру в тканях без введения чувствительного элемента.^[2] В области реактивных потоков (например, горение, плазма), лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF), CARS и лазерная абсорбционная спектроскопия используются для измерения температуры внутри двигателей, газовых турбин, ударных труб, реакторов синтеза.^[3] и т. д. Возможности таких оптических методов включают быстрое измерение (с точностью до наносекундной шкалы времени), несмотря на возможность нет возмущать объект измерения (например, пламя, нагретые ударом газы).

Температура приземного воздуха

Температура воздуха у поверхности Земли измеряется в метеорологических обсерваториях и метеостанции, обычно с использованием термометров, помещенных в укрытие, например Экран Стивенсона, стандартный хорошо вентилируемый шкаф для инструментов, окрашенный в белый цвет. Термометры следует устанавливать на высоте 1,25–2 м над землей. Детали этой настройки определяются Всемирная метеорологическая организация (ВМО).

Истинное среднесуточное значение может быть получено путем непрерывной записи термограф. Обычно это приближается к среднему значению дискретных показаний (например, 24-часовым показаниям, четырем 6-часовым показаниям и т. Д.) Или средним суточным минимальным и максимальным показаниям (хотя последнее может привести к средней температуре до 1 ° C. холоднее или теплее истинного среднего значения, в зависимости от времени наблюдения).^[4]

Мир средняя температура приземного воздуха составляет около 14 ° C.

Сравнение температурных шкал

Сравнение температурных шкал
Комментарий	Кельвин K	Цельсия ° C	Фаренгейт ° F	Ренкин ° Ra (° R)	Delisle ° D ¹	Ньютон ° с.	Реомюр ° R (° Ré, ° Re) ¹	Рёмер ° Rø (° R) ¹
Абсолютный ноль	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Самая низкая зарегистрированная естественная температура на земной шар (Восток, Антарктида - 21 июля 1983 г.)	184	−89	−128	331	284	−29	−71	−39
Температура перехода по Цельсию / Фаренгейту	233.15	−40	–40	419.67	210	–13.2	–32	–13.5
Смесь льда и соли по Фаренгейту	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Вода замерзает (в стандартное давление )	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Средняя температура поверхности на земле	287	14	57	517	129	4.6	12	15.4
Средняя температура тела человека ²	310.0 ±0.7	36.8 ±0.7	98.2 ±1.3	557.9 ±1.3	94.8 ±1.1	12.1 ±0.2	29.4 ±0.6	26.8 ±0.4
Самая высокая зарегистрированная температура поверхности на Земле (Печь-Крик, США - 10 июля 1913 г.)	329.8	56.7	134	593.7	65.0	18.7	45.3	37.3
Вода кипит (в стандартное давление )	373.15	100	212	672	0	33	80	60
Газ пламя	~1773	~1500	~2732
Титан тает	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
В поверхность Солнца	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ Эта температурная шкала не используется и представляет чисто исторический интерес.
² Нормальная температура человеческого тела составляет 36,8 ± 0,7 ° C или 98,2 ± 1,3 ° F. Обычно данное значение 98,6 ° F - это просто точное преобразование девятнадцатого века. Немецкий стандарт 37 ° C. Поскольку в нем не указан допустимый диапазон, можно сказать, что он имеет избыточную (недопустимую) точность. Видеть Температура здорового человека (температура тела) для дополнительной информации.
Некоторые числа в этой таблице были округлены.

Стандарты

Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало два отдельных стандарта по измерению температуры: B40.200 и PTC 19.3. B40.200 содержит рекомендации для биметаллических термометров, термометров с заполненной системой и жидкостных стеклянных термометров. Он также содержит рекомендации для защитные гильзы.PTC 19.3 содержит рекомендации по измерению температуры, связанные с кодами проверки производительности, с особым акцентом на основные источники ошибок измерения и методы их устранения.

Стандарты США (ASME)

B40.200-2008: Термометры прямого считывания и удаленного считывания.^[5]
PTC 19.3-1974 (R2004): Код проверки производительности для измерения температуры.^[6]

Смотрите также

внешняя ссылка

"Термометрия". Британская энциклопедия. 26 (11-е изд.). 1911. С. 821–836. Подробный современный обзор теории термометрии и конструкции термометров.
Сравнение различных технологий измерения Agilent Technologies, Inc. «Практические измерения температуры» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-11-16. Получено 2018-11-19. [Мы] исследуем наиболее распространенные методы мониторинга температуры и вводим процедуры для повышения их точности.

[quinn-1] а ^б Т. Дж. Куинн (1983). Температура. Лондон: Academic Press.

[2] «Гипертермическая процедура». Лаборатория измерений и биомедицинских приборов. Università Campus Bio-Medico di Roma.

[3] Кристи, Робин С. М .; Feroughi, Omid M .; Драйер, Томас; Шульц, Кристоф (2017-03-21). «Многолинейная лазерно-индуцированная флуоресценция SiO для количественной температурной визуализации при пламенном синтезе наночастиц». Прикладная физика B. 123 (4): 104. Bibcode:2017АпФБ.123..104С. Дои:10.1007 / s00340-017-6692-0. ISSN 1432-0649.

[4] Бейкер, Дональд Г. (июнь 1975 г.). «Влияние времени наблюдения на оценку средней температуры». Журнал прикладной метеорологии. 14 (4): 471–476. Bibcode:1975JApMe..14..471B. Дои:10.1175 / 1520-0450 (1975) 014 <0471: EOOTOM> 2.0.CO; 2.

[5] "КАК Я". Американское общество инженеров-механиков. Получено 13 мая 2015.

[6] "КАК Я". Американское общество инженеров-механиков. Архивировано из оригинал на 2015-09-08. Получено 13 мая 2015.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]