Metode dan instrumen untuk mengukur suhu
Apa itu suhu
Pengukuran suhu adalah subjek dari disiplin teoretis dan eksperimental - termometri, yang bagiannya meliputi suhu di atas 500 ° C, disebut pirometri.
Definisi ketat paling umum dari konsep suhu, mengikuti hukum kedua termodinamika, dirumuskan dengan ungkapan:
T = dQ /dC,
di mana T adalah suhu absolut dari sistem termodinamika terisolasi, dQ adalah peningkatan panas yang ditransfer ke sistem tersebut, dan dS adalah peningkatan entropi sistem tersebut.
Ungkapan di atas ditafsirkan sebagai berikut: suhu adalah ukuran peningkatan panas yang dipindahkan ke sistem termodinamika terisolasi dan sesuai dengan peningkatan entropi sistem yang terjadi dalam kasus ini, atau dengan kata lain, peningkatan gangguan negaranya.
Dalam mekanika statistik, yang menggambarkan fase sistem, dengan mempertimbangkan proses mikro yang terjadi dalam sistem makro, konsep suhu didefinisikan dengan menyatakan distribusi partikel sistem molekuler antara sejumlah tingkat energi kosong (distribusi Gibbs). .
Definisi ini (sesuai dengan yang sebelumnya) menekankan aspek statistik probabilistik dari konsep suhu sebagai parameter utama dari bentuk mikrofisika transfer energi dari satu benda (atau sistem) ke benda lain, yaitu. gerakan termal yang kacau.
Kurangnya kejelasan definisi ketat dari konsep suhu, yang juga berlaku hanya untuk sistem termodinamika seimbang, telah menyebabkan meluasnya penggunaan definisi "utilitarian" berdasarkan esensi fenomena transfer energi: suhu adalah keadaan termal suatu benda atau sistem yang ditandai dengan kemampuannya untuk menukar panas dengan benda (atau sistem) lain.
Formulasi ini berlaku baik untuk sistem termodinamika non-ekuilibrium dan (dengan syarat) untuk konsep psikofisiologis suhu "sensorik", yang dirasakan langsung oleh seseorang menggunakan organ sentuhan termal.
Suhu "sensorik" dinilai secara subyektif oleh seseorang secara langsung, tetapi hanya secara kualitatif dan dalam interval yang relatif sempit, sedangkan suhu fisik diukur secara kuantitatif dan obyektif, dengan bantuan alat pengukur, tetapi hanya secara tidak langsung - melalui nilai kuantitas fisik tertentu tergantung pada suhu yang terukur.
Oleh karena itu, dalam kasus kedua, beberapa keadaan referensi (referensi) dari kuantitas fisik yang bergantung pada suhu yang dipilih untuk tujuan ini ditetapkan dan nilai suhu numerik tertentu diberikan padanya, sehingga setiap perubahan dalam keadaan kuantitas fisik yang dipilih relatif referensi dapat dinyatakan dalam satuan temperatur.
Himpunan nilai suhu yang sesuai dengan serangkaian perubahan berturut-turut dalam keadaan (yaitu, urutan nilai) dari kuantitas yang bergantung pada suhu yang dipilih membentuk skala suhu. Skala suhu yang paling umum adalah Celcius, Fahrenheit, Reaumur, Kelvin, dan Rankine.
Skala suhu Kelvin dan Celcius
V 1730 Naturalis Prancis René Antoine Reumour (1683-1757), berdasarkan saran Amoton, menandai titik leleh es pada termometer sebagai 0, dan titik didih air sebagai 80O. V 1742 Astronom dan fisikawan NSVeda Anders Celsius (1701 — 1744), setelah dua tahun menguji termometer Reaumur, menemukan kesalahan dalam kelulusan skala.
Ternyata ini sangat bergantung pada tekanan atmosfer. Celcius mengusulkan untuk menentukan tekanan saat mengkalibrasi skala, dan saya membagi seluruh rentang suhu dengan 100, tetapi menetapkan tanda 100 ke titik leleh es. Belakangan, Linnaeus Swedia atau Stremmer Jerman (menurut berbagai sumber) mengubah penunjukan titik kontrol.
Maka muncullah skala suhu Celcius yang sekarang banyak digunakan. Kalibrasinya dilakukan pada tekanan atmosfer normal 1013,25 hPa.
Skala suhu diciptakan oleh Fahrenheit, Reaumur, Newton (yang terakhir secara tidak sengaja memilih suhu tubuh manusia sebagai titik awal.Nah, yang hebat itu salah!) Dan banyak lainnya. Mereka belum bertahan dalam ujian waktu.
Skala suhu Celcius diadopsi pada Konferensi Umum Pertama tentang Berat dan Ukuran pada tahun 1889. Saat ini, derajat Celcius adalah unit pengukuran suhu resmi yang didirikan oleh Komite Internasional untuk Berat dan Ukuran, namun dengan beberapa klarifikasi dalam definisinya.
Menurut argumen di atas, mudah untuk menyimpulkan bahwa skala suhu Celcius bukanlah hasil aktivitas satu orang. Celsius hanyalah salah satu peneliti dan penemu terakhir yang terlibat dalam pengembangannya. Hingga tahun 1946, skala tersebut hanya disebut skala derajat. Baru pada saat itulah Komite Internasional untuk Berat dan Ukuran menetapkan nama "derajat Celcius" untuk derajat Celcius.
Beberapa kata tentang badan kerja termometer. Pembuat perangkat pertama secara alami berusaha memperluas jangkauan tindakan mereka. Satu-satunya logam cair dalam kondisi normal adalah merkuri.
Tidak ada pilihan. Titik leleh -38,97 ° C, titik didih + 357,25 ° C. Dari zat yang mudah menguap, wine atau etil alkohol ternyata yang paling banyak tersedia. Titik lebur — 114,2 ° C, titik didih + 78,46 ° C.
Termometer yang dibuat cocok untuk mengukur suhu dari -100 hingga + 300 ° C, yang cukup untuk menyelesaikan sebagian besar masalah praktis. Misalnya, suhu udara minimum adalah -89,2 ° C (stasiun Vostok di Antartika), dan maksimum + 59 ° C (gurun Sahara). Sebagian besar proses perlakuan panas larutan berair berlangsung pada suhu tidak lebih tinggi dari 100 °C.
Unit dasar pengukuran suhu termodinamika dan sekaligus salah satu unit dasar Sistem Satuan Internasional (SI) adalah derajat Kelvin.
Ukuran (celah suhu) 1 derajat Kelvin ditentukan oleh fakta bahwa nilai suhu termodinamika titik tripel air ditetapkan tepat pada 273,16 ° K.
Suhu ini, di mana air ada dalam keadaan kesetimbangan dalam tiga fase: padat, cair dan gas, diambil sebagai titik awal utama karena reproduktifitasnya yang tinggi, urutan besarnya lebih baik daripada reproduktifitas titik beku dan titik didih air. .
Mengukur suhu titik tripel air adalah tugas yang sulit secara teknis. Oleh karena itu, sebagai standar baru disetujui pada tahun 1954 di Konferensi Umum X tentang Berat dan Ukuran.
Derajat Celcius, dalam satuan yang suhu termodinamika juga dapat dinyatakan, persis sama dengan Kelvin dalam hal kisaran suhu, tetapi nilai numerik suhu apa pun dalam Celcius adalah 273,15 derajat lebih tinggi daripada nilai suhu yang sama dalam Kelvin .
Ukuran 1 derajat Kelvin (atau 1 derajat Celcius), ditentukan oleh nilai numerik suhu titik tripel air, dengan akurasi pengukuran modern tidak berbeda dengan ukurannya yang ditentukan (yang diterima sebelumnya) sebagai seperseratus dari perbedaan suhu antara titik beku dan titik didih air.
Klasifikasi metode dan perangkat untuk mengukur suhu
Mengukur suhu tubuh atau lingkungan dapat dilakukan dengan dua cara tidak langsung yang berbeda secara fundamental.
Cara pertama mengarah pada pengukuran nilai salah satu sifat atau keadaan yang bergantung pada suhu dari benda itu sendiri atau lingkungan, yang kedua - untuk mengukur nilai sifat atau keadaan yang bergantung pada suhu parameter benda bantu dibawa (secara langsung atau tidak langsung) ke keadaan kesetimbangan termal dengan benda atau lingkungan yang suhunya diukur...
Badan tambahan disebut yang melayani tujuan ini dan merupakan sensor dari alat pengukur suhu lengkap probe termometrik (pirometrik) atau detektor termal… Oleh karena itu, semua metode dan perangkat untuk mengukur suhu dibagi menjadi dua kelompok yang berbeda secara fundamental: tanpa probing dan probe.
Detektor termal atau perangkat tambahan apa pun dari perangkat tersebut dapat dibawa ke dalam kontak mekanis langsung dengan benda atau media yang suhunya diukur, atau hanya kontak "optik" yang dapat dilakukan di antara keduanya.
Tergantung pada ini, semua metode dan alat untuk mengukur suhu dibagi menjadi kontak dan non kontak. Kontak penyelidikan dan metode serta perangkat tanpa kontak adalah kepentingan praktis terbesar.
Kesalahan pengukuran suhu
Semua kontak, kebanyakan pengeboran, metode pengukuran suhu, tidak seperti metode lainnya, dicirikan oleh apa yang disebut kesalahan metodologis termal atau termal karena fakta bahwa termometer probe lengkap (atau pirometer) mengukur nilai suhu hanya bagian sensitif dari detektor termal, rata-rata di atas permukaan atau volume bagian itu.
Sementara itu, suhu ini, sebagai suatu peraturan, tidak sesuai dengan yang diukur, karena detektor termal pasti akan mendistorsi bidang suhu di mana ia dimasukkan. Saat mengukur suhu konstan stasioner dari suatu benda atau lingkungan, mode pertukaran panas tertentu dibuat antara benda tersebut dan penerima panas.
Perbedaan suhu konstan antara detektor termal dan suhu tubuh atau lingkungan yang diukur mencirikan kesalahan termal statis dalam pengukuran suhu.
Jika suhu yang diukur berubah, maka kesalahan termal adalah fungsi waktu. Kesalahan dinamis seperti itu dapat dianggap terdiri dari bagian konstan, ekuivalen dengan kesalahan statis, dan bagian variabel.
Yang terakhir muncul karena dengan setiap perubahan perpindahan panas antara benda atau media yang suhunya diukur, mode perpindahan panas yang baru tidak segera terbentuk. Distorsi sisa pembacaan termometer atau pirometer, yang merupakan fungsi waktu, dicirikan oleh inersia termal termometer.
Kesalahan termal dan inersia termal dari detektor termal bergantung pada faktor yang sama dengan pertukaran panas antara benda atau lingkungan dan detektor termal: pada suhu detektor termal dan benda atau lingkungan, pada ukuran, komposisi (dan karenanya sifat ) dan kondisi, menurut desain, dimensi, bentuk geometris, keadaan permukaan dan sifat bahan detektor termal dan benda di sekitarnya, dari pengaturannya, menurut hukum mana suhu benda atau lingkungan yang diukur berubah seiring waktu.
Kesalahan metodologi termal dalam pengukuran suhu biasanya beberapa kali lebih tinggi daripada kesalahan instrumen termometer dan pirometer. Pengurangannya dicapai dengan menggunakan metode pengukuran suhu yang rasional dan konstruksi detektor termal dan dengan pemasangan yang tepat dari yang terakhir di tempat penggunaan.
Peningkatan perpindahan panas antara penerima panas dan lingkungan atau benda yang suhunya diukur dicapai dengan memaksa faktor perpindahan panas yang menguntungkan dan menekan berbahaya.
Misalnya, saat mengukur suhu gas dalam volume tertutup, pertukaran panas konvektif detektor termal dengan gas meningkat, menciptakan aliran gas yang cepat di sekitar detektor termal (termokopel "hisap"), dan panas radiasi pertukaran dengan dinding volume berkurang, melindungi detektor termal (termokopel "terlindung").
Untuk mengurangi inersia termal dalam termometer dan pirometer dengan sinyal keluaran listrik, sirkuit khusus juga digunakan yang secara artifisial mengurangi waktu naik sinyal dengan perubahan suhu yang diukur secara cepat.
Metode pengukuran suhu non-kontak
Kemungkinan menggunakan metode kontak dalam pengukuran ditentukan tidak hanya oleh distorsi suhu yang diukur oleh detektor termal kontak, tetapi juga oleh karakteristik fisikokimia nyata dari bahan detektor termal (korosi dan ketahanan mekanis, tahan panas, dll.).
Metode pengukuran non-kontak bebas dari batasan ini. Namun, yang paling penting dari mereka, yaitu.berdasarkan hukum radiasi suhu, kesalahan khusus melekat karena fakta bahwa hukum yang digunakan hanya berlaku untuk emitor yang benar-benar hitam, yang darinya semua emitor fisik nyata (badan dan pembawa) berbeda kurang lebih dalam hal sifat radiasi .
Menurut hukum radiasi Kirchhoff, tubuh fisik mana pun memancarkan lebih sedikit energi daripada benda hitam yang dipanaskan pada suhu yang sama dengan tubuh fisik.
Oleh karena itu, alat pengukur suhu yang dikalibrasi terhadap pemancar hitam, saat mengukur suhu pemancar fisik nyata, akan menunjukkan suhu yang lebih rendah dari suhu sebenarnya, yaitu suhu di mana properti pemancar hitam digunakan dalam kalibrasi (energi radiasi, kecerahannya, komposisi spektralnya, dll.), cocok nilainya dengan properti radiator fisik pada suhu aktual tertentu yang akan ditentukan.Suhu semu yang diremehkan yang diukur disebut suhu hitam.
Metode pengukuran yang berbeda menyebabkan perbedaan, sebagai aturan, suhu hitam yang tidak cocok: pirometer radiasi menunjukkan integral atau radiasi, pirometer optik - kecerahan, pirometer warna - suhu warna hitam.
Transisi dari pengukuran hitam ke suhu aktual dilakukan secara grafis atau analitik jika emisivitas objek yang suhunya diukur diketahui.
Emisivitas adalah rasio nilai emisivitas fisik dan hitam yang digunakan untuk mengukur sifat radiasi yang memiliki suhu yang sama: dengan metode radiasi, emisivitas sama dengan rasio energi total (melintasi spektrum), dengan metode optik, kemampuan emisivitas spektral sama dengan rasio kerapatan spektral pancaran. Semua hal lain dianggap sama, kesalahan non-kegelapan emitor terkecil diberikan oleh pirometer warna.
Solusi radikal untuk masalah pengukuran suhu sebenarnya dari pemancar non-hitam dengan metode berseri-seri dicapai oleh seni dengan menciptakan kondisi untuk mengubahnya menjadi pemancar hitam (misalnya, dengan menempatkannya di rongga yang hampir tertutup) .
Dalam beberapa kasus khusus, dimungkinkan untuk mengukur suhu sebenarnya dari emitor non-hitam dengan pirometer radiasi konvensional menggunakan teknik pengukuran suhu khusus (misalnya, iluminasi, dalam sinar tiga panjang gelombang, dalam cahaya terpolarisasi, dll.).
Instrumen umum untuk mengukur suhu
Kisaran suhu terukur yang sangat besar dan jumlah kondisi dan objek pengukuran yang berbeda yang tidak ada habisnya menentukan variasi dan variasi metode dan perangkat yang luar biasa untuk mengukur suhu.
Instrumen yang paling umum untuk mengukur suhu adalah:
- Pirometer termoelektrik (termometer);
- termometer hambatan listrik;
- pirometer radiasi;
- pirometer serapan optik;
- Pirometer kecerahan optik;
- pirometer warna;
- Termometer ekspansi cair;
- Termometer pengukur;
- Termometer uap;
- Termometer kondensasi gas;
- Tongkat termometer dilatometri;
- Termometer bimetal;
- Termometer akustik;
- pirometer kalorimetrik-piroskop;
- cat termal;
- Termometer garam paramagnetik.
Perangkat listrik paling populer untuk mengukur suhu:
Lihat juga: Keuntungan dan kerugian dari berbagai sensor suhu
Banyak jenis instrumen yang tercantum di atas digunakan untuk pengukuran dengan berbagai metode. Misalnya, termometer termoelektrik digunakan:
- untuk pengukuran kontak suhu lingkungan dan benda, serta permukaan yang terakhir, tanpa atau dalam kombinasi dengan perangkat yang mengoreksi ketidakseimbangan termal dari detektor termal dan objek pengukuran;
- untuk pengukuran suhu non-kontak dengan radiasi dan beberapa metode spektroskopi;
- untuk campuran (kontak-non-kontak)-pengukuran suhu logam cair dengan metode rongga gas (pengukuran suhu radiasi gelembung gas yang ditiupkan ke dalam logam cair pada ujung tabung yang direndam di dalamnya dengan radiasi pirometer).
Pada saat yang sama, banyak metode pengukuran suhu dapat diterapkan dengan berbagai jenis perangkat.
Misalnya, suhu udara luar dan dalam ruangan dapat diukur dengan setidaknya 15 jenis perangkat. Foto menunjukkan termometer bimetal.
Termometer terbesar di dunia di Baker, California
Aplikasi alat pengukur suhu:
Pengukuran suhu permukaan dengan termokopel
Pengukuran suhu non-kontak selama pengoperasian peralatan listrik