Lämpömittarit

Mikä on lämpömittari?

Lämpömittari on laite, joka mittaa lämpötilaa tai lämpötilagradienttia (kuinka kuuma tai kylmä esine on).

Lämpömittarissa on kaksi tärkeää osaa:

1. Lämpötila-anturi (esimerkiksi lasisen elohopealämpömittarin polttimo tai infrapunalämpömittarin pyrometrinen anturi), jossa muutos tapahtuu lämpötilan muuttuessa.
   
   
2. Tapa muuntaa tämä muutos digitaaliseksi arvoksi (esimerkiksi näkyvä asteikko, joka on merkitty lasissa olevaan elohopealämpömittariin, tai digitaalinen lukema infrapunamallissa).

Lämpömittareita käytetään laajalti tekniikassa ja teollisuudessa prosessien seuraamiseen, meteorologiassa, lääketieteessä ja tieteellisessä tutkimuksessa. 

Jotkut lämpömittarin periaatteista olivat kreikkalaisten filosofien tiedossa kaksi tuhatta vuotta sitten. Italialainen lääkäri Santorio Santorio (Sanctorius, 1561-1636) hyvitetään yleensä ensimmäisen lämpömittarin keksinnöksi, mutta sen standardointi valmistui 17- ja 18-luvuilla. 18-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä Alankomaiden tasavallassa. Daniel Gabriel Fahrenheit teki kaksi vallankumouksellista läpimurtoa lämpömittarin historiassa. Hän keksi lasisen elohopealämpömittarin (ensimmäinen yleisesti käytetty, tarkka ja kätevä lämpömittari) ja Fahrenheit-asteikon (ensimmäinen standardoitu lämpötila-asteikko, jota käytetään laajasti).

historia

Infrapunalämpömittari on eräänlainen pyrometri.

Vaikka yksittäinen lämpömittari pystyy mittaamaan lämpöasteita, kahden lämpömittarin lukemia ei voida verrata, elleivät ne vastaa sovittua asteikkoa. Nykyään on absoluuttinen termodynaaminen lämpötila-asteikko. Uusin virallinen lämpötila-asteikko on vuoden 1990 kansainvälinen lämpötila-asteikko.

Lämpömittari Fahrenheit (° F-symboli) ja Celsius (° C-symboli) yksiköillä.

Lämpömittarin tarkkuus

Vuonna 1714 hollantilainen tutkija ja keksijä Daniel Gabriel Fahrenheit keksi ensimmäisen luotettavan lämpömittarin, jossa käytettiin elohopeaa alkoholin ja veden seosten sijasta. Vuonna 1724 hän ehdotti lämpötila-asteikkoa, joka nyt (hieman säädetty) kantaa hänen nimeään. Hän pystyi tekemään tämän, koska hän valmisti lämpömittareita ensimmäistä kertaa käyttäen elohopeaa (jolla on suuri laajenemiskerroin), ja hänen tuotoksensa laatu saattoi tarjota hienomman mittakaavan ja paremman toistettavuuden, mikä johti hänen yleiseen käyttöönottoonsa. Vuonna 1742 Anders Celsius (1701–1744) ehdotti asteikkoa, jossa kiehumispisteessä oli nolla ja veden jäätymispisteessä 100 astetta, vaikka hänen nimensä nyt kantama asteikko käänsi ne.

Ensimmäinen lääkäri, joka käytti lämpömittarimittauksia kliinisessä käytännössä, oli Herman Boerhaave (1668–1738).

Lämpömittarit

Empiirisiä lämpömittareita on erityyppisiä materiaalien ominaisuuksien perusteella.

Monet empiiriset lämpömittarit luottavat termometrisen materiaalinsa paineen, tilavuuden ja lämpötilan väliseen konstitutiiviseen suhteeseen. Esimerkiksi elohopea laajenee kuumennettaessa.

Jos sitä käytetään paineen, tilavuuden ja lämpötilan väliseen suhteeseen, lämpömittarilla on oltava kolme ominaisuutta:

1. Sen lämmityksen ja jäähdytyksen on oltava nopeaa. Toisin sanoen, kun tietty määrä lämpöä tulee materiaalin kappaleeseen tai poistuu siitä, materiaalin on laajennuttava tai supistuttava lopulliseen tilavuuteensa tai saavutettava lopullinen paine ja sen on saavutettava loppulämpötilansa käytännössä viipymättä; osan tulevan lämmön voidaan katsoa muuttavan ruumiin tilavuutta vakiolämpötilassa, ja sitä kutsutaan piileväksi laajenemislämmäksi vakiolämpötilassa; ja lopun voidaan katsoa muuttavan kehon lämpötilaa vakiotilavuudessa, ja sitä kutsutaan ominaislämmöksi vakiotilavuudessa. Joillakin materiaaleilla ei ole tätä ominaisuutta ja kestää jonkin aikaa lämmön jakamiseen lämpötilan ja tilavuuden muutoksen välillä.
   
   
2. Sen lämmityksen ja jäähdytyksen on oltava palautuva. Toisin sanoen materiaalin on kyettävä lämmittämään ja jäähdyttämään loputtomasti usein samalla lämmön lisäyksellä ja vähennyksellä, ja palattava aina alkuperäiseen paineeseensa, tilavuuteensa ja lämpötilaansa joka kerta.
   
   
3. Sen lämmityksen ja jäähdytyksen tulisi olla yksitoikkoista. Toisin sanoen sillä on koko lämpötila-alue, jolle sen on käytettävä vakiopaineita tai vakiotilavuutta.

Noin 4 ° C: n lämpötilassa vedellä ei ole näitä ominaisuuksia, joten se käyttäytyy tässä suhteessa epänormaalisti. Siksi vettä ei voida käyttää tämän tyyppisen lämpömittarin materiaalina lämpötiloissa, jotka ovat lähellä 4 ° C.

Toisaalta kaasuilla on kaikki nämä ominaisuudet. Siksi ne ovat sopivia lämpömittareita, ja siksi niillä oli tärkeä rooli lämpömetrian kehityksessä.

Ensisijainen ja toissijainen lämpömittari

Lämpömittaria kutsutaan ensisijaiseksi tai toissijaiseksi sen mukaan, kuinka sen mittaama fyysinen bruttomäärä vastaa lämpötilaa. Ensisijaisilla lämpömittareilla mitattu aineominaisuus on niin tunnettu, että lämpötila voidaan laskea ilman tuntematonta määrää. Esimerkkejä näistä ovat lämpömittarit, jotka perustuvat kaasun tilayhtälöön tai äänen nopeuteen kaasussa.

Sitä vastoin "toissijaiset lämpömittarit ovat yleisimpiä niiden mukavuuden vuoksi. Lisäksi ne ovat usein paljon herkempiä kuin ensisijaiset lämpömittarit. Toissijaisten lämpömittareiden tuntemus mitattavasta ominaisuudesta ei ole riittävä lämpötilan suoran laskemisen mahdollistamiseksi. Ne on kalibroitava.

Kalibrointi

Lämpömittarit voidaan kalibroida joko vertaamalla niitä muihin kalibroituihin lämpömittareihin tai vertaamalla niitä lämpötilan asteikon tunnettuihin kiinteisiin pisteisiin. Tunnetuimmat näistä kiinteistä pisteistä ovat puhtaan veden sulamis- ja kiehumispisteet. (Huomaa, että veden kiehumispiste vaihtelee paineen mukaan, joten sitä on hallittava.)

Helpoin tapa kalibroida neste lasissa tai neste metallissa -lämpömittari sisälsi kolme vaihetta:

1. Upota tunnistusosa puhtaan jään ja veden sekoitettuun seokseen ilmakehän paineessa ja merkitse ilmoitettu piste, kun se on saavuttanut termisen tasapainon.
   
   
2. Upota tunnistusosa höyryhauteeseen normaalissa ilmakehän paineessa ja merkitse ilmoitettu piste uudelleen.
   
   
3. Jaa näiden merkkien välinen etäisyys yhtä suuriin osiin käytetyn lämpötila-asteikon mukaan.

Tarkkuus, tarkkuus ja toistettavuus

La päätöslauselma lämpömittarin arvo on yksinkertaisesti mikä asteen murto-osa on mahdollista lukea. Korkeassa lämpötilassa tehtävissä töissä voi olla mahdollista mitata vain 10 ° C tai enemmän. Kliiniset lämpömittarit ja monet elektroniset lämpömittarit ovat yleensä luettavissa 0,1 ° C: ssa. Erityiset instrumentit voivat antaa lukemia tuhannesosaksi. Tämä lämpötilanäyttö ei kuitenkaan tarkoita, että lukema on tosi tai tarkka, se tarkoittaa vain sitä, että hyvin pieniä muutoksia voidaan havaita.

La tarkkuus Kalibroitu lämpömittari annetaan tunnetulle ja tarkalle kiinteälle pisteelle (ts. se antaa todellisen lukeman) siinä kohdassa. Kiinteiden kalibrointipisteiden välillä interpolointi tapahtuu yleensä lineaarisesti. Tämä voi antaa merkittäviä eroja erityyppisten lämpömittareiden välillä pisteissä, jotka ovat kaukana kiinteistä pisteistä. Esimerkiksi elohopean laajeneminen lasilämpömittarissa eroaa hieman platinavastustermometrin resistanssin muutoksesta, joten nämä kaksi ovat hieman eri mieltä.

La toistettavuus on tärkeää. Toisin sanoen, antaako sama lämpömittari saman lukeman samalle lämpötilalle? Toistettavissa oleva lämpötilan mittaus tarkoittaa, että vertailut ovat päteviä tieteellisissä kokeissa ja teolliset prosessit ovat yhdenmukaisia. Joten jos saman tyyppinen lämpömittari kalibroidaan samalla tavalla, sen lukemat ovat päteviä, vaikka ne olisivatkin hieman epätarkkoja absoluuttisesta asteikosta.

Esimerkki vertailulämpömittarista, jota käytetään tarkistamaan muita teollisuuden standardien mukaan, on platinavastuslämpömittari, jossa on digitaalinen näyttö 0,1 ° C: n lämpötilassa (sen tarkkuus) ja joka on kalibroitu 5 pisteessä (−18, 0, 40, 70, 100 ° C) ja jonka tarkkuus on ± 0,2 ° C.

Oikein kalibroidut, käytettävät ja huolletut nestemäislasilämpömittarit voivat saavuttaa mittausepävarmuuden ± 0,01 ° C välillä 0-100 ° C.

Sovellukset

Lämpömittarit käyttävät erilaisia ​​fyysisiä vaikutuksia lämpötilan mittaamiseen. Lämpötila-antureita käytetään monissa tieteellisissä ja teknisissä sovelluksissa, erityisesti mittausjärjestelmissä. Lämpötilajärjestelmät ovat pääasiassa sähköisiä tai mekaanisia, joskus erottamattomia niiden ohjaamasta järjestelmästä (kuten lasisen elohopealämpömittarin tapauksessa). Lämpömittareita käytetään teillä kylmässä ilmastossa, jotta voidaan selvittää jäätymisolosuhteiden olemassaolo. Sisätiloissa termistoreita käytetään ilmastointijärjestelmissä, kuten ilmastointilaitteet, pakastimet, patterit, jääkaapit ja vedenlämmittimet. Galileo-lämpömittareita käytetään sisäilman lämpötilan mittaamiseen rajoitetun mittausalueensa vuoksi.

Näitä nestekidelämpömittareita (joissa käytetään termokromisia nestekiteitä) käytetään myös veden lämpötilan mittaamiseen akvaarioissa.

Fibre Braggin ritilälämpötila-antureita käytetään ydinvoimalaitoksissa reaktorin ytimen lämpötilojen seuraamiseksi ja ydinpudoksen mahdollisuuden välttämiseksi.

Nanotermometria

Nanotermometria on nouseva tutkimusalue, joka käsittelee lämpötilan tuntemista submikronisella asteikolla. Tavanomaisilla lämpömittareilla ei voida mitata mikrometriä pienemmän kohteen lämpötilaa, ja on käytettävä uusia menetelmiä ja materiaaleja. Nanotermometriaa käytetään tällaisissa tapauksissa. 

Kryometria

Lämpömittarit, joita käytetään erityisesti mataliin lämpötiloihin.

Lääketieteellinen

Korvalämpömittarit ovat yleensä infrapunalämpömittareita.

Otsalämpömittari on esimerkki nestekidemittarista.

Peräsuolen ja suun lämpömittarit ovat yleensä elohopeapohjaisia, mutta ne on sittemmin korvattu digitaalisilla NTC-termistoreilla.

Erilaisia ​​termometrisiä tekniikoita on käytetty läpi historian Galileo-lämpömittarista lämpökuvantamiseen. Lääketieteellisiä lämpömittareita, kuten lasilämpömittareiden elohopeaa, infrapunalämpömittareita, pillerilämpömittareita ja nestekidelämpömittareita käytetään terveydenhuollossa määrittelemään, onko ihmisillä kuumetta vai ovatko ne hypotermisiä.

Ruoka ja elintarviketurva

Lämpömittarit ovat tärkeitä elintarviketurvallisuudelle, jossa tietyissä lämpötiloissa oleviin elintarvikkeisiin voi kohdistua mahdollisesti haitallisia bakteerikasvupitoisuuksia useiden tuntien kuluttua, mikä voi johtaa ruokavalioon. Tähän sisältyy jäähdytyslämpötilojen seuranta ja lämpölamppujen tai kuumavesihauteiden alla tarjoiltavien ruokien lämpötilan ylläpitäminen. Ruoanlaittolämpömittarit ovat tärkeitä määritettäessä, valmistetaanko ruoka oikein. Erityisesti lihalämpömittareita käytetään lihan kypsentämiseen turvalliseen sisäiseen lämpötilaan estäen ylikuumenemista. Ne löytyvät yleensä käyttämällä joko bimetallikäämiä tai termoparia tai termistoria, jossa on digitaalinen lukema. Karkkilämpömittareita käytetään saavuttamaan tietty vesipitoisuus sokeriliuoksessa sen kiehumislämpötilan perusteella.

Ympäristö

Sisä-ulkolämpömittari

Lämpömittari käyttää lämpömittaria lämpövirran mittaamiseen.

Termostaateissa käytettiin bimetalliliuskoja, mutta digitaalisista termistoreista on sittemmin tullut suosittuja.

Alkoholilämpömittareita, infrapunalämpömittareita, tallennuslämpömittareita ja termistoreita käytetään meteorologiassa ja ilmastossa eri ilmakehän ja valtamerien tasoilla. Ilma-alukset käyttävät lämpömittareita ja kosteusmittareita selvittääkseen, esiintyykö niiden lentoreitillä ilmakehän jäätymistä. Näitä mittauksia käytetään sääennusteiden alustamiseen. Lämpömittareita käytetään teillä kylmässä ilmastossa, jotta voidaan selvittää, ovatko jäätymisolosuhteet ja sisätiloissa ilmastointijärjestelmät.