Métodos e instrumentos para medir la temperatura.
que es la temperatura
La medición de la temperatura es objeto de una disciplina teórica y experimental: la termometría, una parte de la cual, que cubre temperaturas superiores a 500 °C, se denomina pirometría.
La definición estricta más general del concepto de temperatura, siguiendo la segunda ley de la termodinámica, se formula con la expresión:
T = dQ/dC,
donde T es la temperatura absoluta de un sistema termodinámico aislado, dQ es el incremento de calor transferido a ese sistema y dS es el incremento de entropía de ese sistema.
La expresión anterior se interpreta de la siguiente manera: la temperatura es una medida del aumento de calor transferido a un sistema termodinámico aislado y correspondiente al aumento de entropía del sistema que se produce en este caso, o dicho de otro modo, al aumento de la perturbación de su estado.
En mecánica estadística, que describe las fases del sistema, teniendo en cuenta los microprocesos que ocurren en los macrosistemas, el concepto de temperatura se define expresando la distribución de las partículas de un sistema molecular entre una serie de niveles de energía no ocupados (distribución de Gibbs) .
Esta definición (de acuerdo con la anterior) enfatiza el aspecto probabilístico y estadístico del concepto de temperatura como parámetro principal de la forma microfísica de transferencia de energía de un cuerpo (o sistema) a otro, es decir movimiento térmico caótico.
La falta de claridad de las definiciones estrictas del concepto de temperatura, que también son válidas solo para sistemas termodinámicamente equilibrados, ha llevado al uso generalizado de una definición "utilitaria" basada en la esencia del fenómeno de la transferencia de energía: La temperatura es el estado térmico de un cuerpo o sistema caracterizado por su capacidad de intercambiar calor con otro cuerpo (o sistema).
Esta formulación es aplicable tanto a sistemas termodinámicamente fuera de equilibrio como (con reservas) al concepto psicofisiológico de temperatura «sensorial», percibida directamente por una persona que utiliza los órganos del tacto térmico.
La temperatura "sensorial" es evaluada subjetivamente por una persona directamente, pero solo cualitativamente y en un intervalo relativamente estrecho, mientras que la temperatura física se mide cuantitativa y objetivamente, con la ayuda de dispositivos de medición, pero solo indirectamente, a través del valor de alguna cantidad física dependiendo en la temperatura medida.
Por lo tanto, en el segundo caso, se establece algún estado de referencia (referencia) de la cantidad física dependiente de la temperatura seleccionada para este propósito y se le asigna un cierto valor numérico de temperatura, de modo que cualquier cambio en el estado de la cantidad física seleccionada relativa a la referencia se puede expresar en unidades de temperatura.
El conjunto de valores de temperatura correspondientes a una serie de cambios de estado sucesivos (es decir, una secuencia de valores) de una cantidad seleccionada dependiente de la temperatura forma una escala de temperatura. Las escalas de temperatura más comunes son Celsius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin y Rankine.
Escalas de temperatura Kelvin y Celsius
V 1730 El naturalista francés René Antoine Reumour (1683-1757), basado en la sugerencia de Amoton, marcó el punto de fusión del hielo en el termómetro como 0 y el punto de ebullición del agua como 80O. V 1742 El astrónomo y físico NSVédico Anders Celsius (1701 - 1744), después de dos años de probar el termómetro de Reaumur, descubrió un error en la graduación de la escala.
Resultó que esto depende en gran medida de la presión atmosférica. Celsius propuso determinar la presión al calibrar la escala, y dividí todo el rango de temperatura por 100, pero asigné la marca 100 al punto de fusión del hielo. Más tarde, el sueco Linnaeus o el alemán Stremmer (según varias fuentes) cambiaron las designaciones de los puntos de control.
Así apareció la ahora ampliamente utilizada escala de temperatura Celsius. Su calibración se realiza a la presión atmosférica normal de 1013,25 hPa.
Las escalas de temperatura fueron creadas por Fahrenheit, Reaumur, Newton (este último sin darse cuenta eligió la temperatura del cuerpo humano como punto de partida.Bueno, ¡los grandes están equivocados!) Y muchos otros. No han resistido la prueba del tiempo.
La escala de temperatura Celsius fue adoptada en la 1ra Conferencia General de Pesos y Medidas en 1889. Actualmente, el grado Celsius es la unidad oficial de medida de temperatura establecida por el Comité Internacional de Pesos y Medidas, pero con algunas aclaraciones en la definición.
De acuerdo con los argumentos anteriores, es fácil concluir que la escala de temperatura Celsius no es el resultado de la actividad de una sola persona. Celsius fue solo uno de los últimos investigadores e inventores involucrados en su desarrollo. Hasta 1946, la escala se llamaba simplemente escala de grados. Fue entonces cuando el Comité Internacional de Pesos y Medidas asignó el nombre de "grado Celsius" al grado de grados Celsius.
Algunas palabras sobre el cuerpo de trabajo de los termómetros. Los primeros creadores de dispositivos naturalmente buscaron ampliar su rango de acción. El único metal líquido en condiciones normales es el mercurio.
No había elección. El punto de fusión es de -38,97 ° C, el punto de ebullición es de + 357,25 ° C. De las sustancias volátiles, el vino o el alcohol etílico resultaron ser las más disponibles. Punto de fusión — 114,2 ° C, punto de ebullición + 78,46 ° C.
Los termómetros creados son adecuados para medir temperaturas de -100 a + 300 ° C, lo que es suficiente para resolver la mayoría de los problemas prácticos. Por ejemplo, la temperatura mínima del aire es de -89,2 °C (estación Vostok en la Antártida), y la máxima es de +59 °C (desierto del Sahara). La mayoría de los procesos de tratamiento térmico de soluciones acuosas se realizaron a temperaturas no superiores a 100 °C.
La unidad básica de medida de la temperatura termodinámica y al mismo tiempo una de las unidades básicas Sistema Internacional de Unidades (SI) es el grado Kelvin.
El tamaño (brecha de temperatura) de 1 grado Kelvin está determinado por el hecho de que el valor de la temperatura termodinámica del punto triple del agua se establece exactamente en 273,16 ° K.
Esta temperatura, a la que el agua existe en estado de equilibrio en tres fases: sólida, líquida y gaseosa, se toma como principal punto de partida por su alta reproducibilidad, un orden de magnitud mejor que la reproducibilidad de los puntos de congelación y ebullición del agua. .
Medir la temperatura del punto triple del agua es una tarea técnicamente difícil. Por lo tanto, como estándar, fue aprobado recién en 1954 en la X Conferencia General de Pesos y Medidas.
El grado Celsius, en unidades en las que también se puede expresar la temperatura termodinámica, es exactamente igual al Kelvin en términos de rango de temperatura, pero el valor numérico de cualquier temperatura en Celsius es 273,15 grados mayor que el valor de la misma temperatura en Kelvin. .
El tamaño de 1 grado Kelvin (o 1 grado Celsius), determinado por el valor numérico de la temperatura del punto triple del agua, con precisión de medición moderna no difiere de su tamaño determinado (que se aceptaba anteriormente) como una centésima parte del diferencia de temperatura entre los puntos de congelación y ebullición del agua.
Clasificación de métodos y dispositivos para medir la temperatura.
La medición de la temperatura corporal o ambiental se puede realizar de dos formas indirectas fundamentalmente diferentes.
La primera forma conduce a la medición de los valores de una de las propiedades o parámetros de estado dependientes de la temperatura del propio cuerpo o del medio ambiente, la segunda, a la medición de los valores de las propiedades o estados dependientes de la temperatura. parámetros del cuerpo auxiliar llevados (directa o indirectamente) a un estado de equilibrio térmico con el cuerpo o ambiente cuya temperatura se mide...
Se llama un cuerpo auxiliar que sirve para estos fines y es un sensor de un dispositivo de medición de temperatura completo sonda termométrica (pirométrica) o detector térmico… Por lo tanto, todos los métodos y dispositivos para medir la temperatura se dividen en dos grupos fundamentalmente diferentes: sin sondeo y sondeo.
El detector térmico o cualquier dispositivo adicional del dispositivo puede ponerse en contacto mecánico directo con el cuerpo o medio cuya temperatura se mide, o solo puede establecerse un contacto "óptico" entre ellos.
Dependiendo de esto, todos los métodos y herramientas para medir la temperatura se dividen en contacto y no contacto. Los métodos y dispositivos de sonda de contacto y sin contacto son de gran importancia práctica.
Errores de medición de temperatura
Todos los métodos de medición de temperatura por contacto, en su mayoría de perforación, a diferencia de otros métodos, se caracterizan por los llamados errores térmicos o metodológicos térmicos debidos al hecho de que un termómetro de sonda completo (o pirómetro) mide el valor de temperatura de solo la parte sensible del detector térmico, promediado sobre la superficie o el volumen de esa parte.
Mientras tanto, esta temperatura, por regla general, no coincide con la medida, ya que el detector térmico distorsiona inevitablemente el campo de temperatura en el que se introduce. Al medir una temperatura constante estacionaria de un cuerpo o ambiente, se establece un cierto modo de intercambio de calor entre este y el receptor térmico.
La diferencia de temperatura constante entre el detector térmico y la temperatura medida del cuerpo o del entorno caracteriza el error térmico estático en la medición de temperatura.
Si la temperatura medida cambia, entonces el error térmico es una función del tiempo. Se puede considerar que dicho error dinámico consiste en una parte constante, equivalente al error estático, y una parte variable.
Esto último surge porque con cada cambio en la transferencia de calor entre un cuerpo o medio cuya temperatura se mide, no se establece inmediatamente un nuevo modo de transferencia de calor. La distorsión residual de las lecturas del termómetro o pirómetro, que es función del tiempo, se caracteriza por la inercia térmica del termómetro.
Los errores térmicos y la inercia térmica de un detector térmico dependen de los mismos factores que el intercambio de calor entre un cuerpo o entorno y un detector térmico: de las temperaturas del detector térmico y del cuerpo o entorno, de su tamaño, composición (y por tanto propiedades) y condición, por diseño, dimensiones, forma geométrica, estado de la superficie y propiedades de los materiales del detector térmico y los cuerpos que lo rodean, a partir de su disposición, según qué ley cambia la temperatura medida del cuerpo o del entorno con el tiempo.
Los errores metodológicos térmicos en la medición de la temperatura, por regla general, son varias veces mayores que los errores instrumentales de los termómetros y pirómetros. Su reducción se logra utilizando métodos racionales de medición de temperatura y construcciones de detectores térmicos y mediante la instalación adecuada de estos últimos en los lugares de uso.
La mejora de la transferencia de calor entre el receptor térmico y el medio ambiente o el cuerpo cuya temperatura se mide se logra forzando los factores beneficiosos y suprimiendo los factores dañinos de la transferencia de calor.
Por ejemplo, cuando se mide la temperatura de un gas en un volumen cerrado, el intercambio de calor por convección del detector térmico con el gas aumenta, creando un flujo rápido de gas alrededor del detector térmico (un termopar de "succión") y el calor radiante el intercambio con las paredes del volumen se reduce, protegiendo el detector térmico (termopar "blindado").
Para reducir la inercia térmica en termómetros y pirómetros con señal de salida eléctrica, también se utilizan circuitos especiales que reducen artificialmente el tiempo de subida de la señal con un cambio rápido en la temperatura medida.
Métodos de medición de temperatura sin contacto
La posibilidad de utilizar métodos de contacto en las mediciones está determinada no solo por la distorsión de la temperatura medida por el detector térmico de contacto, sino también por las características fisicoquímicas reales de los materiales del detector térmico (corrosión y resistencia mecánica, resistencia al calor, etc.).
Los métodos de medición sin contacto están libres de estas limitaciones. Sin embargo, el más importante de ellos, es decir.basado en las leyes de la radiación de temperatura, los errores especiales son inherentes debido al hecho de que las leyes utilizadas son exactamente válidas solo para un emisor absolutamente negro, del cual todos los emisores físicos reales (cuerpos y portadores) difieren más o menos en términos de propiedades de radiación .
De acuerdo con las leyes de radiación de Kirchhoff, cualquier cuerpo físico emite menos energía que un cuerpo negro calentado a la misma temperatura que el cuerpo físico.
Por lo tanto, un dispositivo de medición de temperatura calibrado contra un emisor negro, al medir la temperatura de un emisor físico real, mostrará una temperatura inferior a la real, es decir, la temperatura a la que la propiedad del emisor negro utilizado en la calibración (energía radiante, su brillo, su composición espectral, etc.), coincide en valor con la propiedad de un radiador físico a una temperatura real dada por determinar. La pseudo temperatura subestimada medida se denomina temperatura negra.
Diferentes métodos de medición conducen a diferentes, por regla general, temperaturas negras que no coinciden: un pirómetro de radiación muestra integral o radiación, un pirómetro óptico - brillo, un pirómetro de color - temperaturas de color negro.
La transición de los negros medidos a las temperaturas reales se realiza de forma gráfica o analítica si se conoce la emisividad del objeto cuya temperatura se mide.
La emisividad es la relación de los valores de los emisores físicos y negros utilizados para medir las propiedades radiativas que tienen la misma temperatura: con el método radiativo, la emisividad es igual a la relación de las energías totales (en todo el espectro), con el método óptico, la capacidad de emisividad espectral es igual a la relación de las densidades espectrales del resplandor. En igualdad de condiciones, los errores de no negrura del emisor más pequeños los proporciona un pirómetro de color.
Las artes logran una solución radical al problema de medir la temperatura real de un emisor no negro mediante métodos radiantes creando condiciones para que se convierta en un emisor negro (por ejemplo, colocándolo en una cavidad prácticamente cerrada) .
En algunos casos especiales, es posible medir la temperatura real de un emisor no negro con pirómetros de radiación convencionales utilizando técnicas especiales de medición de temperatura (por ejemplo, iluminación, en haces de tres longitudes de onda, en luz polarizada, etc.).
Instrumentos generales para medir la temperatura
La amplia gama de temperaturas medidas y un número inagotable de diferentes condiciones y objetos de medición determinan una extraordinaria variedad y variedad de métodos y dispositivos para medir la temperatura.
Los instrumentos más comunes para medir la temperatura son:
- Pirómetros termoeléctricos (termómetros);
- termómetros de resistencia eléctrica;
- Pirómetros de radiación;
- Pirómetros de absorción óptica;
- Pirómetros de brillo óptico;
- Pirómetros de color;
- Termómetros de expansión líquida;
- Termómetros de calibre;
- Termómetros de vapor;
- Termómetros de condensación de gas;
- Termómetros dilatométricos de palo;
- Termómetros bimetálicos;
- Termómetros acústicos;
- Pirómetros-piroscopios calorimétricos;
- Pinturas térmicas;
- Termómetros de sal paramagnéticos.
Los dispositivos eléctricos más populares para medir la temperatura:
Ver también: Ventajas y desventajas de los diferentes sensores de temperatura.
Los muchos tipos de instrumentos enumerados anteriormente se utilizan para mediciones por varios métodos. Por ejemplo, se utiliza un termómetro termoeléctrico:
- para la medición por contacto de la temperatura de ambientes y cuerpos, así como superficies de estos últimos, sin o en combinación con dispositivos que corrijan el desequilibrio térmico del detector térmico y el objeto de medición;
- para medición de temperatura sin contacto por radiación y algunos métodos espectroscópicos;
- para la medición mixta (contacto-sin contacto) de la temperatura del metal líquido por el método de la cavidad del gas (medición de la temperatura de radiación de una burbuja de gas insuflada en el metal líquido al final de un tubo sumergido en él con una radiación pirómetro).
Al mismo tiempo, se pueden aplicar muchos métodos de medición de temperatura con dispositivos de varios tipos.
Por ejemplo, la temperatura del aire exterior e interior se puede medir con dispositivos de al menos 15 tipos. La foto muestra un termómetro bimetálico.
El termómetro más grande del mundo en Baker, California
Aplicación de instrumentos de medición de temperatura:
Medición de temperaturas superficiales con termopares
Medición de temperatura sin contacto durante el funcionamiento de equipos eléctricos