Lämpötilan mittaus - Temperature measurement

Daniel Gabriel Fahrenheit , tarkkuuslämpömittarin aikakauden perustaja. Hän keksi elohopealämpömittarin (ensimmäinen käytännöllinen, tarkka lämpömittari ) ja Fahrenheit -asteikon (ensimmäinen laajasti käytetty standardoitu lämpötila -asteikko ).
Lääketieteellinen/kliininen lämpömittari, joka näyttää lämpötilan 38,7 ° C

Lämpötilan mittaus (tunnetaan myös nimellä lämpömittari ) kuvaa prosessia paikallisen lämpötilan mittaamiseksi välittömästi tai myöhemmin arviointia varten. Toistuvista standardimittauksista koostuvia tietojoukkoja voidaan käyttää lämpötilatrendien arvioimiseen.

Jotkut lämpömittarin periaatteista olivat kreikkalaisten filosofien tiedossa kaksi tuhatta vuotta sitten. Kuten Henry Carrington Bolton (1900) totesi, lämpömittarin "kehitys raakatuista leluista tarkkuusinstrumentiksi oli miehitetty yli vuosisadan, ja sen varhaista historiaa rasittavat virheelliset lausunnot, jotka on toistettu sellaisella dogmatismilla, jonka he ovat saaneet vallan väärän leiman. " Ensimmäisinä vuosikymmeninä 18th century hollantilainen tasavallassa , Gabriel Fahrenheit teki kaksi vallankumouksellista läpimurtoja historiassa Lämpötilan mittaus. Hän keksi elohopea-lasilämpömittarin (ensimmäinen laajalti käytetty, tarkka, käytännöllinen lämpömittari) ja Fahrenheit-asteikon (ensimmäinen laajasti käytetty standardoitu lämpötila-asteikko ).

Historia

Katso myös: Tarkkuuslämpömittari , Lämpötila , Lämpötila -asteikko , Termoskooppi , Lämpömittari ja Pyrometri

Yritetyt standardoidut lämpötilamittaukset ennen 1600 -lukua olivat parhaimmillaan raakoja. Esimerkiksi vuonna 170 jKr. Lääkäri Claudius Galenus sekoitti yhtä suuret määrät jäätä ja kiehuvaa vettä "neutraalin" lämpötilastandardin luomiseksi. Nykyaikainen tieteellinen kenttä on peräisin 1600 -luvun firenzeläisten tutkijoiden teoksista, mukaan lukien Galileo -konstruointilaitteet, jotka kykenevät mittaamaan suhteellisen lämpötilan muutoksen, mutta jotka voivat myös sekoittua ilmanpaineen muutoksiin. Näitä varhaisia ​​laitteita kutsuttiin termoskoopeiksi . Ensimmäinen sinetöity lämpömittari rakennettiin vuonna 1654 Toscanin suurherttuan Ferdinand II: n toimesta . Nykypäivän lämpömittarien ja lämpötila -asteikkojen kehitys alkoi 1700 -luvun alussa, kun Gabriel Fahrenheit valmisti Ole Christensen Rømerin kehittämän elohopealämpömittarin ja asteikon . Fahrenheit -asteikko on edelleen käytössä Celsius- ja Kelvin -asteikon rinnalla .

Teknologiat

Lämpötilan mittaamiseen on kehitetty monia menetelmiä. Useimmat näistä perustuvat jonkin materiaalin fyysisen ominaisuuden mittaamiseen, joka vaihtelee lämpötilan mukaan. Yksi yleisimmistä lämpötilan mittauslaitteista on lasinen lämpömittari . Tämä koostuu lasiputkesta, joka on täytetty elohopealla tai jollakin muulla nesteellä, joka toimii työnesteenä. Lämpötilan nousu saa nesteen laajentumaan, joten lämpötila voidaan määrittää mittaamalla nesteen tilavuus. Tällaiset lämpömittarit on yleensä kalibroitu siten, että lämpötila voidaan lukea yksinkertaisesti tarkkailemalla nesteen määrää lämpömittarissa. Toinen lämpömittarityyppi, jota ei käytetä paljon käytännössä, mutta on tärkeä teoreettiselta kannalta, on kaasulämpömittari .

Muita tärkeitä laitteita lämpötilan mittaamiseen ovat:

Lämpötilaa mitattaessa on oltava varovainen varmistaakseen, että mittauslaite (lämpömittari, termopari jne.) On todella sama lämpötila kuin mitattava materiaali. Joissakin olosuhteissa mittauslaitteen kuumuus voi aiheuttaa lämpötilagradientin, joten mitattu lämpötila poikkeaa järjestelmän todellisesta lämpötilasta. Tällöin mitattu lämpötila vaihtelee järjestelmän lämpötilan lisäksi myös järjestelmän lämmönsiirto -ominaisuuksien mukaan.

Ihmisten, eläinten ja kasvien lämpömukavuus liittyy enemmän kuin lasilämpömittarissa esitettyyn lämpötilaan. Ilman suhteellinen kosteustaso voi aiheuttaa enemmän tai vähemmän haihtumisjäähdytystä. Märkäpolttimen lämpötilan mittaus normalisoi tämän kosteusvaikutuksen. Keskimääräinen säteilylämpötila voi myös vaikuttaa lämpömukavuuteen. Tuulen vaikutus tekijä tekee sää tuntuu kylmempi alle tuulisissa olosuhteissa kuin tyynellä säällä vaikka lasi lämpömittari näyttää samassa lämpötilassa. Ilmavirta lisää kehon tai kehon lämmönsiirtonopeutta, mikä johtaa suurempaan kehon lämpötilan muutokseen samassa ympäristön lämpötilassa.

Lämpömittarien teoreettinen perusta on termodynamiikan nollalaki, joka olettaa, että jos sinulla on kolme kappaletta, A, B ja C, jos A ja B ovat samassa lämpötilassa ja B ja C ovat samassa lämpötilassa, niin A ja C ovat samassa lämpötilassa. B on tietysti lämpömittari.

Lämpömittarin käytännön perusta on kolmoispistekennojen olemassaolo . Kolmoispisteet ovat paine-, tilavuus- ja lämpötilaolosuhteita siten, että kolme faasia on samanaikaisesti läsnä, esimerkiksi kiinteä, höyry ja neste. Yksittäisellä komponentilla ei ole vapausasteita kolmoispisteessä ja mikä tahansa muutos kolmessa muuttujassa johtaa siihen, että yksi tai useampi vaihe katoaa solusta. Siksi kolmoispistekennoja voidaan käyttää yleisinä viitteinä lämpötilalle ja paineelle (katso Gibbs -vaiheen sääntö ).

Joissakin olosuhteissa on mahdollista mitata lämpötilaa suoraan Planckin mustan kappaleen säteilyn lain avulla . Esimerkiksi kosmisen mikroaaltojen taustalämpötila on mitattu satelliittien havaintojen, kuten WMAP: n, havaitsemien fotonien spektristä . Tutkimuksessa on kvarkki-gluoniplasma kautta raskas-ioni törmäykset , yhden hiukkasen spektrit joskus toimia lämpömittari.

Ei-invasiivinen lämpömittari

Viime vuosikymmeninä on kehitetty monia lämpömittaritekniikoita. Lupaavimmat ja laajalle levinneet ei-invasiiviset lämpömittaritekniikat biotekniikan yhteydessä perustuvat magneettikuvaukseen, tietokonetomografiaan ja ekotomografiaan. Nämä tekniikat mahdollistavat lämpötilan seuraamisen kudoksissa ilman anturia. Reaktiivisten virtausten (esim. Palaminen, plasmat), laserin indusoiman fluoresenssin (LIF), CARS: n ja laser-absorptiospektroskopian alalla on käytetty lämpötilan mittaamista moottoreiden, kaasuturbiinien, iskuletkujen, synteesireaktorien jne. Sisällä. tällaisiin optisiin tekniikoihin kuuluu nopea mittaus (nanosekunnin aikajaksoon asti) huolimatta siitä, että mittauskohtaa ei saa häiritä (esim. liekki, iskukuumennetut kaasut).

Pinnan ilman lämpötila

Pääartikkeli: Ilman lämpötila
Katso instrumenttien tekemät lämpötilamittaukset kohdasta Instrumentaalilämpötilatietue .
Lämpötilan muutokset liittyvät historialliset ilmastonmuutoksen yli maapallon geologinen menneisyys (erotettava viime ilmastonmuutos ), katso Lämpötilan ennätys .

Maan pinnan lähellä olevan ilman lämpötila mitataan meteorologisissa observatorioissa ja sääasemilla , yleensä käyttämällä lämpömittaria, joka on sijoitettu suojaan, kuten Stevenson-näyttö , standardoitu hyvin tuuletettu valkoiseksi maalattu instrumenttisuoja. Lämpömittarit on sijoitettava 1,25–2 m maanpinnan yläpuolelle. Tämän asetuksen yksityiskohdat määrittelee Maailman ilmatieteen järjestö (WMO).

Todellinen päivittäinen keskiarvo voidaan saada jatkuvasti nauhoittavasta lämpökamerasta . Yleensä se arvioidaan erillisten lukemien keskiarvolla (esim. 24 tunnin lukemat, neljä 6 tunnin mittaista lukemaa jne.) Tai päivittäisten minimi- ja maksimilukemien keskiarvolla (vaikka jälkimmäinen voi johtaa keskilämpötilaan jopa 1 ° C) viileämpi tai lämpimämpi kuin todellinen keskiarvo havaintoajan mukaan).

Maailman keskimääräinen pintalämpötila on noin 14 ° C.

Lämpötila -asteikkojen vertailu

Pääartikkeli: Lämpötilayksiköiden muuntaminen
Lämpötila -asteikkojen vertailu
Kommentti Kelvin
K. 		Celsius
° C 		Fahrenheit
° F 		Rankine
° Ra (° R) 		Hidastaa
° D ¹ 		Newton
° N.  		Réaumur
° R (° Ré, ° Re) ¹ 		Rømer
° Rø (° R) ¹
Ehdoton nolla 0 −273,15 −459,67 0 559,725 −90,14 −218.52 −135,90
Alin kirjattu luonnollinen lämpötila maapallolla
( Vostok, Etelämanner - 21. heinäkuuta 1983) 		184 −89 −128 331 284 −29 −71 −39
Celsius / Fahrenheit "cross-over" -lämpötila 233,15 −40 –40 419,67 210 - 13.2 - 32 - 13,5
Fahrenheit -jää/suolaseos 255,37 –17,78 0 459,67 176,67 -5,87 −14,22 -1,83
Vesi jäätyy ( normaalipaineessa ) 273,15 0 32 491,67 150 0 0 7.5
Maan keskimääräinen pintalämpötila 287 14 57 517 129 4.6 12 15.4
Ihmisen keskimääräinen ruumiinlämpö 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
Korkein kirjattu pintalämpötila maapallolla
( Furnace Creek, USA - 10. heinäkuuta 1913) 		329,8 56,7 134 593,7 65,0 18.7 45.3 37.3
Vesi kiehuu ( normaalipaineessa ) 373,15 100 212 672 0 33 80 60
kaasu liekki ~ 1773 ~ 1500 ~ 2732
Titaani sulaa 1941 1668 3034 3494 −2352 550 1334 883
Auringon pinta 5800 5526 9980 10440 −8140 1823 4421 2909

1 Tämä lämpötila -asteikko on käyttämätön, ja sillä on vain historiallinen merkitys.
2 Normaali ihmiskehon lämpötila on 36,8 ± 0,7 ° C tai 98,2 ± 1,3 ° F. Yleisesti annettu arvo 98,6 ° F on yksinkertaisesti 1800-luvun saksalaisen 37 ° C: n standardin tarkka muunnos . Koska siinä ei luetella hyväksyttävää vaihteluväliä, sen voidaan näin ollen sanoa olevan liian (virheellinen) tarkkuus. Katso lisätietoja kohdasta Terveen ihmisen lämpötila (kehon lämpötila) .
Jotkin tämän taulukon luvut on pyöristetty.


Standardit

American Society of Mechanical Engineers (ASME) on kehittänyt kaksi erillistä ja erillistä standardia lämpötilan mittaamiseksi, B40.200 ja PTC 19.3. B40.200 tarjoaa ohjeita bimetallikäyttöisille, täytetyille järjestelmille ja neste-lasilämpömittarille. Se antaa myös ohjeita suojataskuille . PTC 19.3 sisältää ohjeita suorituskykytestikoodeihin liittyvistä lämpötilan mittauksista painottaen erityisesti mittausvirheiden peruslähteitä ja tekniikoita niiden käsittelyyn.

Yhdysvaltain (ASME) standardit

  • B40.200-2008: Lämpömittarit, suora lukeminen ja etälukeminen.
  • PTC 19.3-1974 (R2004): Suorituskykykoodi lämpötilan mittaamiseen.

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit