तापमान मापने के तरीके और उपकरण

तापमान क्या है

तापमान माप एक सैद्धांतिक और प्रायोगिक अनुशासन का विषय है - थर्मोमेट्री, जिसका एक हिस्सा, 500 ° C से ऊपर के तापमान को कवर करता है, पाइरोमेट्री कहलाता है।

ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम का पालन करते हुए तापमान की अवधारणा की सबसे सामान्य सख्त परिभाषा अभिव्यक्ति के साथ तैयार की गई है:

टी = डीक्यू /डीसी,

जहां टी एक पृथक थर्मोडायनामिक प्रणाली का पूर्ण तापमान है, डीक्यू उस प्रणाली में स्थानांतरित गर्मी की वृद्धि है, और डीएस उस प्रणाली की एंट्रॉपी में वृद्धि है।

उपरोक्त अभिव्यक्ति की व्याख्या इस प्रकार की गई है: तापमान एक पृथक थर्मोडायनामिक प्रणाली में स्थानांतरित गर्मी में वृद्धि का एक उपाय है और इस मामले में होने वाली प्रणाली की एन्ट्रापी में वृद्धि के अनुरूप है, या, दूसरे शब्दों में, वृद्धि के लिए इसके राज्य की गड़बड़ी।

सांख्यिकीय यांत्रिकी में, जो प्रणाली के चरणों का वर्णन करता है, मैक्रोसिस्टम्स में होने वाली सूक्ष्म प्रक्रियाओं को ध्यान में रखते हुए, तापमान की अवधारणा को आणविक प्रणाली के कणों के वितरण को कई खाली ऊर्जा स्तरों (गिब्स वितरण) के बीच व्यक्त करके परिभाषित किया जाता है। .

यह परिभाषा (पिछले एक के अनुसार) तापमान की अवधारणा के संभाव्य, सांख्यिकीय पहलू पर जोर देती है, जो कि एक शरीर (या प्रणाली) से दूसरे में ऊर्जा हस्तांतरण के माइक्रोफिजिकल रूप के मुख्य पैरामीटर के रूप में है, अर्थात। अराजक थर्मल गति।

तापमान की अवधारणा की सख्त परिभाषाओं की स्पष्टता की कमी, जो केवल थर्मोडायनामिक रूप से संतुलित प्रणालियों के लिए मान्य हैं, ने ऊर्जा हस्तांतरण की घटना के सार के आधार पर "उपयोगितावादी" परिभाषा का व्यापक उपयोग किया है: तापमान किसी पिंड या प्रणाली की ऊष्मीय अवस्था है जो किसी अन्य पिंड (या प्रणाली) के साथ ऊष्मा का आदान-प्रदान करने की क्षमता से होती है।

यह फॉर्मूलेशन थर्मोडायनामिक रूप से गैर-संतुलन प्रणालियों और (आरक्षण के साथ) «संवेदी» तापमान की साइकोफिजियोलॉजिकल अवधारणा के लिए लागू होता है, जिसे थर्मल टच के अंगों का उपयोग करने वाले व्यक्ति द्वारा सीधे माना जाता है।

"संवेदी" तापमान का आकलन किसी व्यक्ति द्वारा प्रत्यक्ष रूप से किया जाता है, लेकिन केवल गुणात्मक रूप से और अपेक्षाकृत संकीर्ण अंतराल में, जबकि भौतिक तापमान को मापने वाले उपकरणों की मदद से मात्रात्मक और निष्पक्ष रूप से मापा जाता है, लेकिन केवल अप्रत्यक्ष रूप से - कुछ भौतिक मात्रा के मूल्य के आधार पर मापा तापमान पर।

इसलिए, दूसरे मामले में, इस उद्देश्य के लिए चयनित तापमान-निर्भर भौतिक मात्रा की कुछ संदर्भ (संदर्भ) स्थिति स्थापित की जाती है और इसे एक निश्चित संख्यात्मक तापमान मान सौंपा जाता है, ताकि चयनित भौतिक मात्रा सापेक्ष की स्थिति में कोई परिवर्तन हो संदर्भ के लिए तापमान इकाइयों में व्यक्त किया जा सकता है।

चयनित तापमान-निर्भर मात्रा के राज्य में क्रमिक परिवर्तनों की एक श्रृंखला (यानी, मूल्यों का एक क्रम) के अनुरूप तापमान मूल्यों का सेट एक तापमान पैमाने बनाता है। सबसे आम तापमान पैमाने सेल्सियस, फ़ारेनहाइट, रीमूर, केल्विन और रैंकिन हैं।

केल्विन और सेल्सियस तापमान पैमाने

वी 1730 फ्रांसीसी प्रकृतिवादी रेने एंटोनी रेउमोर (1683-1757), अमोटोन के सुझाव के आधार पर, थर्मामीटर पर बर्फ के पिघलने बिंदु को 0 के रूप में और पानी के क्वथनांक को 80O के रूप में चिह्नित किया। V 1742 NSVedic खगोलशास्त्री और भौतिक विज्ञानी एंडर्स सेल्सियस (1701 - 1744), रेउमुर थर्मामीटर के दो साल के परीक्षण के बाद, पैमाने के स्नातक होने में त्रुटि की खोज की।

यह पता चला कि यह काफी हद तक वायुमंडलीय दबाव पर निर्भर करता है। सेल्सियस ने पैमाने को कैलिब्रेट करते समय दबाव निर्धारित करने का प्रस्ताव दिया, और मैंने पूरे तापमान रेंज को 100 से विभाजित किया, लेकिन 100 को बर्फ के पिघलने बिंदु पर चिह्नित किया। बाद में, स्वीडिश लिनिअस या जर्मन स्ट्रेमर (विभिन्न स्रोतों के अनुसार) ने नियंत्रण बिंदुओं के पदों को बदल दिया।

इस प्रकार अब व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला सेल्सियस तापमान पैमाना दिखाई दिया। इसका अंशांकन 1013.25 hPa के सामान्य वायुमंडलीय दबाव पर किया जाता है।

फ़ारेनहाइट, रीमूर, न्यूटन द्वारा तापमान के पैमाने बनाए गए (बाद वाले ने अनजाने में मानव शरीर के तापमान को एक शुरुआती बिंदु के रूप में चुना।ठीक है, महान लोग गलत हैं!) और कई अन्य। वे समय की कसौटी पर खरे नहीं उतरे हैं।

1889 में वजन और माप पर पहले सामान्य सम्मेलन में सेल्सियस तापमान पैमाने को अपनाया गया था। वर्तमान में, डिग्री सेल्सियस वजन और माप की अंतर्राष्ट्रीय समिति द्वारा स्थापित तापमान माप की आधिकारिक इकाई है, लेकिन परिभाषा में कुछ स्पष्टीकरण के साथ।

उपरोक्त तर्कों के अनुसार, यह निष्कर्ष निकालना आसान है कि सेल्सियस तापमान का पैमाना एक व्यक्ति की गतिविधि का परिणाम नहीं है। सेल्सियस इसके विकास में शामिल अंतिम शोधकर्ताओं और अन्वेषकों में से एक था। 1946 तक, पैमाने को केवल डिग्री पैमाने कहा जाता था। इसके बाद ही वजन और माप की अंतर्राष्ट्रीय समिति ने डिग्री सेल्सियस की डिग्री को "डिग्री सेल्सियस" नाम दिया।

थर्मामीटर के कामकाजी निकाय के बारे में कुछ शब्द। उपकरणों के पहले रचनाकारों ने स्वाभाविक रूप से अपनी कार्रवाई की सीमा का विस्तार करने की मांग की। सामान्य परिस्थितियों में एकमात्र तरल धातु पारा है।

कोई विकल्प नहीं था। गलनांक -38.97 ° C है, क्वथनांक + 357.25 ° C है। वाष्पशील पदार्थों में से शराब या एथिल अल्कोहल सबसे अधिक उपलब्ध है। गलनांक - 114.2 ° C, क्वथनांक + 78.46 ° C।

निर्मित थर्मामीटर -100 से + 300 डिग्री सेल्सियस के तापमान को मापने के लिए उपयुक्त हैं, जो कि अधिकांश व्यावहारिक समस्याओं को हल करने के लिए पर्याप्त है। उदाहरण के लिए, न्यूनतम हवा का तापमान -89.2 ° C (अंटार्कटिका में वोस्तोक स्टेशन) है, और अधिकतम + 59 ° C (सहारा रेगिस्तान) है। जलीय घोलों की अधिकांश ऊष्मा उपचार प्रक्रियाएँ 100 ° C से अधिक तापमान पर नहीं होती हैं।

थर्मोडायनामिक तापमान की माप की मूल इकाई और साथ ही मूल इकाइयों में से एक इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (एसआई) केल्विन डिग्री है।

1 डिग्री केल्विन का आकार (तापमान अंतर) इस तथ्य से निर्धारित होता है कि पानी के त्रिगुण बिंदु के थर्मोडायनामिक तापमान का मान बिल्कुल 273.16 ° K पर सेट होता है।

यह तापमान, जिस पर पानी तीन चरणों में एक संतुलन अवस्था में मौजूद होता है: ठोस, तरल और गैसीय, इसकी उच्च प्रजनन क्षमता के कारण मुख्य प्रारंभिक बिंदु के रूप में लिया जाता है, पानी के हिमांक और क्वथनांक की प्रजनन क्षमता से बेहतर परिमाण का एक क्रम .

जल के त्रिगुणांक तापमान को मापना तकनीकी रूप से कठिन कार्य है। इसलिए, एक मानक के रूप में, इसे केवल 1954 में वज़न और माप पर X सामान्य सम्मेलन में अनुमोदित किया गया था।

डिग्री सेल्सियस, जिसकी इकाइयों में थर्मोडायनामिक तापमान भी व्यक्त किया जा सकता है, तापमान सीमा के संदर्भ में केल्विन के बराबर है, लेकिन सेल्सियस में किसी भी तापमान का संख्यात्मक मान केल्विन में समान तापमान के मान से 273.15 डिग्री अधिक है। .

1 डिग्री केल्विन (या 1 डिग्री सेल्सियस) का आकार, पानी के तिहरे बिंदु के तापमान के संख्यात्मक मान द्वारा निर्धारित, आधुनिक माप सटीकता के साथ इसके आकार से भिन्न नहीं होता है (जो पहले स्वीकार किया गया था) के सौवें हिस्से के रूप में पानी के हिमांक और क्वथनांक के बीच तापमान का अंतर।

तापमान मापने के तरीकों और उपकरणों का वर्गीकरण

शरीर या परिवेश के तापमान को मापना दो मूलभूत रूप से भिन्न अप्रत्यक्ष तरीकों से किया जा सकता है।

पहला तरीका तापमान-निर्भर गुणों या शरीर या पर्यावरण के राज्य मापदंडों में से एक के मूल्यों के माप की ओर जाता है, दूसरा - तापमान-निर्भर गुणों या राज्य के मूल्यों के माप के लिए शरीर या पर्यावरण के साथ थर्मल संतुलन की स्थिति में लाए गए सहायक निकाय के पैरामीटर (प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से) जिसका तापमान मापा जाता है ...

एक सहायक निकाय कहा जाता है जो इन उद्देश्यों को पूरा करता है और एक पूर्ण तापमान मापने वाले उपकरण का सेंसर है थर्मोमेट्रिक (पायरोमेट्रिक) जांच या थर्मल डिटेक्टर… इसलिए, तापमान मापने के सभी तरीकों और उपकरणों को दो मूलभूत रूप से अलग-अलग समूहों में विभाजित किया गया है: बिना जांच और जांच के।

थर्मल डिटेक्टर या डिवाइस के किसी भी अतिरिक्त उपकरण को शरीर या माध्यम के सीधे यांत्रिक संपर्क में लाया जा सकता है जिसका तापमान मापा जाता है, या उनके बीच केवल "ऑप्टिकल" संपर्क बनाया जा सकता है।

इसके आधार पर, तापमान मापने के सभी तरीकों और उपकरणों को विभाजित किया गया है संपर्क और गैर संपर्क. जांच संपर्क और संपर्क रहित तरीके और उपकरण सबसे बड़े व्यावहारिक महत्व के हैं।

तापमान माप त्रुटियां

सभी संपर्क, ज्यादातर ड्रिलिंग, तापमान माप के तरीके, अन्य तरीकों के विपरीत, तथाकथित द्वारा विशेषता हैं थर्मल या थर्मल पद्धति संबंधी त्रुटियां इस तथ्य के कारण होती हैं कि एक पूर्ण जांच थर्मामीटर (या पाइरोमीटर) थर्मल डिटेक्टर के केवल संवेदनशील हिस्से के तापमान मान को मापता है, जो उस हिस्से की सतह या आयतन पर औसत होता है।

इस बीच, यह तापमान, एक नियम के रूप में, मापा एक के साथ मेल नहीं खाता है, क्योंकि थर्मल डिटेक्टर अनिवार्य रूप से उस तापमान क्षेत्र को विकृत करता है जिसमें इसे पेश किया जाता है। किसी पिंड या वातावरण के स्थिर स्थिर तापमान को मापते समय, उसके और तापीय रिसीवर के बीच ऊष्मा विनिमय का एक निश्चित तरीका स्थापित हो जाता है।

थर्मल डिटेक्टर और शरीर या पर्यावरण के मापा तापमान के बीच निरंतर तापमान अंतर तापमान माप में स्थैतिक थर्मल त्रुटि को दर्शाता है।

यदि मापा तापमान बदलता है, तो थर्मल त्रुटि समय का एक कार्य है। इस तरह की एक गतिशील त्रुटि को एक स्थिर भाग, स्थिर त्रुटि के समतुल्य और एक चर भाग के रूप में माना जा सकता है।

उत्तरार्द्ध उत्पन्न होता है क्योंकि शरीर या माध्यम के बीच गर्मी हस्तांतरण में प्रत्येक परिवर्तन के साथ जिसका तापमान मापा जाता है, गर्मी हस्तांतरण का एक नया तरीका तुरंत स्थापित नहीं होता है। थर्मामीटर या पाइरोमीटर रीडिंग का अवशिष्ट विरूपण, जो समय का एक कार्य है, थर्मामीटर की थर्मल जड़ता की विशेषता है।

थर्मल डिटेक्टर की थर्मल त्रुटियां और थर्मल जड़ता एक शरीर या पर्यावरण और थर्मल डिटेक्टर के बीच गर्मी विनिमय के समान कारकों पर निर्भर करती है: थर्मल डिटेक्टर और शरीर या पर्यावरण के तापमान पर, उनके आकार, संरचना (और इसलिए गुण) पर और स्थिति, डिजाइन, आयाम, ज्यामितीय आकार, सतह की स्थिति और थर्मल डिटेक्टर की सामग्री और उसके आसपास के निकायों की स्थिति, उनकी व्यवस्था से, किस कानून के अनुसार शरीर या पर्यावरण का मापा तापमान समय के साथ बदलता है।

तापमान माप में थर्मल पद्धतिगत त्रुटियां, एक नियम के रूप में, थर्मामीटर और पाइरोमीटर की वाद्य त्रुटियों की तुलना में कई गुना अधिक हैं। तापमान माप के तर्कसंगत तरीकों और थर्मल डिटेक्टरों के निर्माण और उपयोग के स्थानों पर बाद की उचित स्थापना के द्वारा उनकी कमी हासिल की जाती है।

थर्मल रिसीवर और पर्यावरण या शरीर जिसका तापमान मापा जाता है, के बीच गर्मी हस्तांतरण में सुधार गर्मी हस्तांतरण के लाभकारी और हानिकारक कारकों को दबाकर हासिल किया जाता है।

उदाहरण के लिए, एक बंद मात्रा में गैस के तापमान को मापते समय, गैस के साथ थर्मल डिटेक्टर का संवहन ताप विनिमय बढ़ जाता है, जिससे थर्मल डिटेक्टर ("सक्शन" थर्मोकपल) के चारों ओर गैस का तीव्र प्रवाह होता है, और उज्ज्वल गर्मी वॉल्यूम की दीवारों के साथ आदान-प्रदान कम हो जाता है, थर्मल डिटेक्टर ("परिरक्षित" थर्मोकपल) को परिरक्षित करता है।

विद्युत आउटपुट सिग्नल के साथ थर्मामीटर और पाइरोमीटर में थर्मल जड़ता को कम करने के लिए, विशेष सर्किट का भी उपयोग किया जाता है जो मापा तापमान में तेजी से बदलाव के साथ कृत्रिम रूप से सिग्नल वृद्धि समय को कम करता है।

तापमान माप के गैर-संपर्क तरीके

माप में संपर्क विधियों का उपयोग करने की संभावना न केवल संपर्क थर्मल डिटेक्टर द्वारा मापा तापमान के विरूपण से निर्धारित होती है, बल्कि थर्मल डिटेक्टर की सामग्री की वास्तविक भौतिक-रासायनिक विशेषताओं (जंग और यांत्रिक प्रतिरोध, गर्मी प्रतिरोध) द्वारा भी निर्धारित की जाती है। वगैरह।)।

गैर-संपर्क माप विधियां इन सीमाओं से मुक्त हैं। हालांकि, उनमें से सबसे महत्वपूर्ण, यानी।तापमान विकिरण के नियमों के आधार पर, विशेष त्रुटियां इस तथ्य के कारण निहित हैं कि उपयोग किए गए कानून बिल्कुल काले उत्सर्जक के लिए ही मान्य हैं, जिससे सभी वास्तविक भौतिक उत्सर्जक (निकाय और वाहक) विकिरण गुणों के मामले में कम या ज्यादा भिन्न होते हैं .

किरचॉफ के विकिरण के नियमों के अनुसार, कोई भी भौतिक शरीर भौतिक शरीर के समान तापमान पर गर्म किए गए काले शरीर की तुलना में कम ऊर्जा का उत्सर्जन करता है।

इसलिए, एक वास्तविक भौतिक उत्सर्जक के तापमान को मापते समय एक काले उत्सर्जक के खिलाफ कैलिब्रेट किया गया एक तापमान मापने वाला उपकरण वास्तविक तापमान से कम तापमान दिखाएगा, अर्थात् वह तापमान जिस पर अंशांकन (विकिरण ऊर्जा) में उपयोग किए जाने वाले काले उत्सर्जक की संपत्ति होती है। इसकी चमक, इसकी वर्णक्रमीय संरचना, आदि), निर्धारित किए जाने वाले वास्तविक तापमान पर भौतिक रेडिएटर की संपत्ति के साथ मूल्य में मेल खाता है। मापा छद्म तापमान को काला तापमान कहा जाता है।

एक नियम के रूप में, अलग-अलग माप विधियां अलग-अलग काले तापमान का कारण बनती हैं: एक विकिरण पाइरोमीटर अभिन्न या विकिरण, एक ऑप्टिकल पाइरोमीटर - चमक, एक रंग पाइरोमीटर - रंग काला तापमान दिखाता है।

मापी गई कालों से वास्तविक तापमान में परिवर्तन ग्राफिक या विश्लेषणात्मक रूप से किया जाता है यदि उस वस्तु की उत्सर्जनता ज्ञात हो जिसका तापमान मापा जाता है।

उत्सर्जकता भौतिक और काले उत्सर्जकों के मूल्यों का अनुपात है जो समान तापमान वाले विकिरण गुणों को मापने के लिए उपयोग किया जाता है: विकिरण विधि के साथ, उत्सर्जन कुल (स्पेक्ट्रम में) ऊर्जा के अनुपात के बराबर होता है, ऑप्टिकल विधि के साथ, वर्णक्रमीय उत्सर्जन क्षमता चमक के वर्णक्रमीय घनत्व के अनुपात के बराबर होती है। अन्य सभी चीजें समान होने पर, सबसे छोटी उत्सर्जक गैर-कालेपन की त्रुटियां एक रंग पाइरोमीटर द्वारा दी जाती हैं।

एक गैर-काले उत्सर्जक के वास्तविक तापमान को दीप्तिमान विधियों द्वारा मापने की समस्या का एक कट्टरपंथी समाधान कला द्वारा इसे एक काले उत्सर्जक में बदलने के लिए परिस्थितियों का निर्माण करके प्राप्त किया जाता है (उदाहरण के लिए, इसे व्यावहारिक रूप से बंद गुहा में रखकर) .

कुछ विशेष मामलों में, विशेष तापमान माप तकनीकों (उदाहरण के लिए, तीन-तरंग दैर्ध्य बीम में, ध्रुवीकृत प्रकाश में, आदि) का उपयोग करके पारंपरिक विकिरण पाइरोमीटर के साथ गैर-काले उत्सर्जक के वास्तविक तापमान को मापना संभव है।

तापमान मापने के लिए सामान्य उपकरण

मापा तापमान की विशाल रेंज और विभिन्न स्थितियों और माप की वस्तुओं की एक अटूट संख्या तापमान को मापने के लिए एक असाधारण विविधता और विधियों और उपकरणों की विविधता निर्धारित करती है।

तापमान मापने के लिए सबसे आम उपकरण हैं:

• थर्मोइलेक्ट्रिक पाइरोमीटर (थर्मामीटर);
• विद्युत प्रतिरोध थर्मामीटर;
• विकिरण पाइरोमीटर;
• ऑप्टिकल अवशोषण पाइरोमीटर;
• ऑप्टिकल चमक पाइरोमीटर;
• रंग पाइरोमीटर;
• तरल विस्तार थर्मामीटर;
• गेज थर्मामीटर;
• वाष्प थर्मामीटर;
• गैस संघनन थर्मामीटर;
• डायटोमेट्रिक थर्मामीटर चिपकाएं;
• बायमेटेलिक थर्मामीटर;
• ध्वनिक थर्मामीटर;
• कैलोरीमेट्रिक पाइरोमीटर-पायरोस्कोप;
• थर्मल पेंट;
• पैरामैग्नेटिक नमक थर्मामीटर।

तापमान मापने के लिए सबसे लोकप्रिय विद्युत उपकरण:

प्रतिरोध थर्मामीटर

थर्मिस्टर

यह सभी देखें: विभिन्न तापमान सेंसर के फायदे और नुकसान

ऊपर सूचीबद्ध कई प्रकार के उपकरणों का उपयोग विभिन्न तरीकों से मापन के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, थर्मोइलेक्ट्रिक थर्मामीटर का उपयोग किया जाता है:

• पर्यावरण और निकायों के तापमान के संपर्क माप के साथ-साथ बाद की सतहों के बिना या उन उपकरणों के साथ संयोजन में जो थर्मल डिटेक्टर और माप वस्तु के थर्मल असंतुलन को सही करते हैं;
• विकिरण और कुछ स्पेक्ट्रोस्कोपिक विधियों द्वारा गैर-संपर्क तापमान माप के लिए;
• मिश्रित (संपर्क-गैर-संपर्क) के लिए - गैस गुहा विधि द्वारा तरल धातु के तापमान का मापन (विकिरण के साथ इसमें डूबे ट्यूब के अंत में तरल धातु में उड़ाए गए गैस बुलबुले के विकिरण तापमान का मापन) पाइरोमीटर)।

साथ ही, विभिन्न प्रकार के उपकरणों के साथ कई तापमान माप विधियों को लागू किया जा सकता है।

उदाहरण के लिए, बाहरी और भीतरी हवा का तापमान कम से कम 15 प्रकार के उपकरणों द्वारा मापा जा सकता है। फोटो एक बायमेटेलिक थर्मामीटर दिखाता है।

बेकर, कैलिफोर्निया में दुनिया का सबसे बड़ा थर्मामीटर

तापमान मापने के उपकरणों का अनुप्रयोग:

थर्माकोपल्स के साथ सतह के तापमान का मापन

इन्फ्रारेड थर्मोग्राफी

विद्युत उपकरणों के संचालन के दौरान गैर-संपर्क तापमान माप

लेजर थर्मामीटर के उपयोग की विशेषताएं