Методы и средства измерения температуры

Методы измерения температуры

В связи с распространением по планете вируса COVID-19, на сегодняшний день, наиболее актуален вопрос измерения температуры тела человека. Давайте наиболее подробно рассмотрим используемые для этой цели решения, которые сегодня присутствуют на рынке.

Методы измерения температуры

Термометр — прибор для измерения температуры воздуха, почвы и различных тел.

Существует несколько видов термометров:

● Жидкостные — основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды;

● Механические — действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль либо пластина;

● Электронные — принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды;

● Оптические — измеряют мощность теплового излучения объекта. Инфракрасный сенсор находящийся внутри пирометра воспринимает излучение и передает аналоговый сигнал на электронную схему. Сигнал оцифровывается, и на его основе производятся вычисления результата, который выводится на ЖК-дисплей. Инфракрасные измерители температуры тела позволяют измерять температуру без непосредственного контакта с человеком;

● Газовые – содержат в себе сосуд, заполненный определённым объемом газа. При нагревании газ расширяется и приводит в движение стрелку, которая отображает температуру на градуированной шкале.

В связи с распространением по планете вируса COVID-19, на сегодняшний день, наиболее актуален вопрос измерения температуры тела человека. Давайте наиболее подробно рассмотрим используемые для этой цели решения, которые сегодня присутствуют на рынке.

Самым распространенным и дешёвым термометром для измерения температуры тела в домашних и больничных условиях, был и остается ртутный градусник.

Плюсы ртутного градусника:

● точность измерения — погрешность составляет всего 0,1 градуса;
● долговечность — служит десятки лет, если его не ронять;
● легкость очистки и дезинфекции;
● невысокая цена — в аптеке его можно приобрести за сумму до 100 рублей.

Но есть и отрицательные стороны использования ртутного прибора:

● высокий риск разбить при падении: мелкими осколками стекла можно порезаться, а пары ртути опасны для здоровья;
● длительность измерения: требуется около 10 минут для получения точного показателя.

Более современным аналогом ртутного термометра считается электронный градусник. Замер производится за счет действия встроенных датчиков в корпусе, а результат термометрии выводится на небольшой экран, что очень удобно.

В зависимости от модели могут быть различные дополнительные функции: звуковой сигнал, говорящий о конце измерения, водонепроницаемость и т.д. Но главным плюсом такого градусника является его безопасность: можно спокойно давать ребенку и не бояться того, что градусник разобьется. Длительность измерения гораздо меньше, чем у предшественника — достаточно одной минуты для получения результата.

Но даже у электронных термометров есть недостатки:

● для правильного использования нужно предварительно изучить инструкцию, а это делают далеко не все;
● электронные термометры обладают меньшей точностью;
● прибор функционирует за счет батареек, а сесть они могут в любой момент, даже когда купить их не представляется возможным;
● более высокая стоимость — от 250 до 1600 рублей в зависимости от набора функций и производителя.

Самым продвинутым, быстрым и удобным в эксплуатации термометром, в условиях контроля заболеваемости большого количества людей, является пирометр.

Пирометр – бесконтактный термометр. Прибор измеряет температуру объекта на расстоянии и выводит данные на экран. Большинство современных пирометров фиксирует излучение тепла от предмета в инфракрасном диапазоне. Также существуют пирометры, которые измеряют тепловое излучение в видимом диапазоне света.

Пирометры делят на две группы. В первой – приборы, которые выводят на дисплей температуру в градусах. Они наиболее востребованные.

Во второй группе приборы с графическим выводом. Они отображают объект в виде тепловой карты, на которой области с разной температурой отмечены разными цветами. По такому принципу работают тепловизоры.

Плюсы портативного пирометра:

● позволяет быстро и без непосредственного контакта измерить температуру тела;
● лёгкое измерение температуры, даже если человек находится в движении.

К минусам можно отнести следующее:

● пирометры корректно работают только при нормальных условиях, показания прибора нельзя считать достоверными, если температура измеряется во время дождя, снега, тумана, запыленности или задымленности;
● необходимость замены батареек, либо подзарядки аккумулятора;
● достаточно высокая стоимость — от 5500 до 80000 рублей в зависимости от набора функций и производителя.

Так как большинство пирометров схожи по своим функциям и органам управления, рассмотрим принцип их работы на примере инфракрасного пирометра TOPMED NC-178.

Принцип работы

От всех объектов, твердых, жидких или газообразных исходит ИК-излучение. Интенсивность излучения зависит от температуры объекта.

Термометр NC-178 способен измерять температуру тела человека по ИК-излучению. Точное измерение производится благодаря встроенному в устройство температурному датчику, который постоянно анализирует и регистрирует температуру окружающей среды. Таким образом, как только оператор подносит пирометр к человеку и активирует датчик измерения, прибор сразу проводит оценку ИК-излучения, исходящего от артериального кровотока. Следовательно, температура тела может быть измерена без влияния температуры окружающей среды.

Термометр NC-178 разработан для проведения мгновенного измерения температуры тела бесконтактным методом (рекомендуется измерять температуру на лбу в области височной артерии). Поскольку височная артерия располагается достаточно близко к поверхности кожи, является доступной и имеет постоянный и равномерный кровоток, измерение температуры получается точным. Эта артерия соединяется с сердцем через сонную артерию, которая напрямую связана с аортой.

Так формируется часть главного канала артериальной системы. Эффективность, скорость и комфорт измерения температуры в данной области делает этот метод идеальным в сравнении с другими методами измерения температуры.

Порядок действий при измерении температуры тела

Включите прибор, наведите на измеряемую область – тело или поверхность объекта

на расстоянии 3-5 см, нажмите на кнопку измерения, результат отобразится на дисплее.

Внимание! При проведении измерений необходимо учитывать установленный режим

работы термометра – «Body» или «Surface» (тело человека или иная поверхность).

Чтобы обеспечить достоверный и надежный результат измерения, необходимо выполнить следующие рекомендации:

● убрать волосы со лба;
● вытереть пот или испарину;
● избегать сквозняков и потоков воздуха (от кондиционера или окна);
● соблюдать интервал 3-5 сек. между повторными измерениями.

Таким образом, современный пирометр даст Вам возможность быстро и точно измерить температуру тела человека, что позволит оценить его физическое состояние и принять меры к недопущению распространения коронавируса на территории РФ.

Сервисный инженер ГК «ПрофЛаб»

Илья Шипулин

Методы и средства измерения температуры

Download Free PDF View PDF

Research work in Russian language. Contract No. 63/06-H.

Download Free PDF View PDF

The general aspects of the physical properties formation of low-doped crystals containing uncontrolled impurities and structure defects are comcidered. Particular attention is paid to the physical principles of fabrication processes, solutes interraction and the physical properties of low-doped layers of silicon compositions, their structural perfection, methods of physical properties measurement. Also, the problems of uncontrolled background impurities effect on the physical properties of the low-doped layers of silicon and germanium compositions are discussid.

Download Free PDF View PDF

The 41st annual student scientific conference "Physics of Space" aims to overcome the gap between modern scientific research and basic education in astronomy. The main purpose of the conference is to introduce the students to modern problems and directions of scientific research. The working languages of the conference are Russian and English.

Download Free PDF View PDF

Эта книга описывает опыт тридцатилетней работы автора – кандидата биологических наук Владимира Александровича Черлина – в области термобиологии рептилий. Данная книга, не углубляясь в научные обоснования теоретических положений, может являться руководством для исследователей, имеющих интересы в области термобиологии. В ней изложены представления автора о единой концепции связи жизнедеятельности рептилий с температурой, разработанная им система терминов и понятий, методики и алгоритмы полевых и лабораторных термобиологических исследований, алгоритмы первичной и вторичной обработки материалов, варианты и направления использования полученных данных, проанализированы стандартные ошибки, допускаемые учеными в этих исследованиях. Работа может быть интересна как для теоретиков, так и для практиков в области физиологии, экологической физиологии, термобиологии, экологии, филогении, охраны природы, террариумистики. This work describes experience of more than thirty years of Dr. Vladimir Cherlin work in the field of reptile thermal biology. Not going deep in scientific basic aspects of theory, this book can be a management for the researchers, which deals with thermal biology. It represents the views of the author on the uniform concept of reptile biology connection with temperature, the system of the terms and concepts, techniques and algorithms of field and laboratory thermobiological researches, algorithms of primary and secondary processing of materials, variants and directions of use of the re-ceived data, the standard mistakes admitted by the scientists in these researches are analyzed. The work can be interesting both for the theorists and practice scientists in the field of physiology, ecological physiology, thermal biology, ecology, phylogeny, nature protection, terrariumists.

Download Free PDF View PDF

2. Методы и средства измерения температуры

2.1 Классификация средств измерения температуры контактным методом

В зависимости от физических свойств, положенных в основу принципа действия, наиболее распространенные СИ температуры можно разделить на следующие группы:

1. Жидкостно-стеклянные термометры;

2. Манометрические термометры;

3. Термопреобразователи сопротивления;

4. Термоэлектрические преобразователи;

5. Шумовые термометры;

6. Температурные индикаторы;

Для научных исследований и измерения низких температур применяются следующие виды термометров:

1. Ядерные квадрупольные резонансные;

2. Ядерные магнитные резонансные;

5. Магнитоопические и др.

2.2 Механические термометры

Механические термометры основаны на явлении теплового расширения тел. Эти тела могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Механические термометры отличаются надежностью, точностью, низкой стоимостью и простотой обслуживания. Считывание показаний с них, как правило, осуществляется на месте измерения. Однако с помощью механоэлектрического или механогидравлического преобразователя можно передать сигнал на ограниченное расстояние. В машиностроении применяют биметаллические, жидкостные и газовые термометры.

Чувствительный элемент биметаллических термометров изготавливается из пластины, состоящей из двух или более слоев разнородных металлов, сваренных между собой по всей плоскости соприкосновения. Пластина может быть предварительно деформирована. При нагреве биметаллической пластины из-за различия коэффициентов линейного расширения ее слоев возникает деформация изгиба, пропорциональная изменению температуры. На рисунке 1 показаны наиболее распространенные конструктивные исполнения чувствительных биметаллических элементов. Варианты а) и б) используются главным образом в качестве реле температуры, виг — для непосредственного отсчета показаний термометров. Для этого один конец чувствительного элемента закрепляется, а второй соединяется с передаточным или непосредственно показывающим устройством. Диапазон измерения биметаллических термометров лежит в интервале от – 50 до+600◦С, причем, от 500 до 600 °С термометр можно использовать только кратковременно. Погрешность измерения — ±1 до ±3.

Рисунок 1 — Биметаллические измерительные преобразователи температуры

В жидкостных термометрах измеряемой величиной, характеризующей температуру, является изменение объема термометрической жидкости. Термобаллон, в котором находится основная часть жидкости, изготавливается из стекла или стали.

К термобаллону подключен капилляр диаметром 0,1 — мм. У стеклянного термометра капилляр находится рядом со шкалой непосредственного наблюдения.

У жидкостных манометрических термометров капилляр подключен к манометру, показания которого пропорциональны температуре.

Длина капилляра в таких термометрах может достигать 60 м. Чувствительный элемент, капилляр и указатель в них образуют замкнутую, неделимую, герметичную термосистему, которая монтируется и демонтируется только целиком. Диапазон измерения термометров зависит от свойств термометрической жидкости:

Таблица 1 – Свойства термометрической жидкости

Глава вторая. Измерение температуры

Глава втораяИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ2-1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ Температурой называется степень нагретости вещества. Это представление о температуре основано на теплообмене между двумя телами, находящимися в тепловом контакте. Тело, более нагретое, отдающее тепло, имеет и более высокую температуру, чем тело, воспринимающее тепло. При отсутствии передачи тепла от одного тела к другому, т. е. в состоянии теплового равновесия, температуры тел равны. а) Методы измерения температуры Переход тепла от одного тела к другому указывает на зависимость температуры от количества внутренней энергии, носителями которой являются молекулы вещества. Согласно молекулярно-кинетической теории сообщаемая телу тепловая энергия, вызывающая повышение его температуры, преобразуется в энергию движения молекул. Измерить температуру какого-либо тела непосредственно, т. е. так, как измеряют другие физические величины, например длину, массу, объем или время, не представляется возможным, ибо в природе не существует эталона или образца единицы этой величины. Поэтому определение температуры вещества производят посредством наблюдения за изменением физических свойств другого, так называемого термометрического (рабочего) вещества, которое, будучи приведено в соприкосновение с нагретым телом, вступает с ним через некоторое время в тепловое равновесие. Такой метод измерения дает не абсолютное значение температуры нагретой среды, а лишь разность относительно исходной температуры рабочего вещества, условно принятой за нуль. Вследствие изменения при нагреве внутренней энергии вещества практически все физические свойства последнего в большей или меньшей степени зависят от температуры, но для ее измерения выбираются по возможности те из них, которые однозначно меняются с изменением температуры, не подвержены влиянию других факторов и сравнительно легко поддаются измерению. Этим требованиям наиболее полно соответствуют такие свойства рабочих веществ, как объемное расширение, изменение давления в замкнутом объеме, изменение электрического сопротивления, возникновение термоэлектродвижущей силы и интенсивность излучения положенные в основу устройства приборов для измерения температуры. б) Температурные шкалы Изменение агрегатного состояния химически чистого вещества (плавление или затвердевание, кипение или конденсация), как известно, протекает при постоянной температуре, значение которой определяется составом вещества, характером его агрегатного изменения и давлением. Значения этих воспроизводимых температур равновесия между твердой и жидкой или жидкой и газообразной фазами различных веществ при нормальном атмосферном давлении 1 ( 1 Нормальное атмосферное давление условно принято равным среднему давлению воздушного столба земной атмосферы ) равном 101 325 Па (760 мм рт. ст.), называются реперными точками . Если принять в качестве основного интервал температур между реперными точками плавления льда и кипения воды, обозначив их соответственно 0 и 100, в пределах этих температур измерить объемное расширение какого-либо рабочего вещества, например ртути, находящейся в узком цилиндрическом стеклянном сосуде, и разделить на 100 равных частей изменение высоты ее столба, то в результате будет построена так называемая температурная шкала. Для измерения температуры, лежащей выше или ниже выбранных значений реперных точек, полученные деления наносят на шкале и за пределами отметок 0 и 100. Деления температурной шкалы называются градусами. При построении указанной температурной шкалы была произвольно принята пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры, что, однако, не соответствует действительности, особенно при температурах выше 100 градусов. Поэтому при помощи такой шкалы можно точно измерить температуру только в двух исходных точках 0 и 100 градусов, тогда как результаты измерения во всем остальном диапазоне шкалы будут неточны. То же явление наблюдалось бы и при построении температурной шкалы с использованием других физических свойств рабочего вещества, таких, как изменение электрического сопротивления проводника, возбуждение термоэлектродвижущей силы и т. п. Пользуясь вторым законом термодинамики, английский физик Кельвин в 1848 г. предложил совершенно точную и равномерную, не зависящую от свойств рабочего вещества шкалу, получившую название термодинамической температурной шкалы (шкалы Кельвина). Последняя основана на уравнении термодинамики для обратимого процесса (цикла Карно), имеющем вид: Это уравнение показывает, что при работе теплового двигателя по обратимому циклу отношение количества тепла Q1 получаемого рабочим веществом от нагревателя, к количеству тепла Q2 отдаваемого им холодильнику, пропорционально только отношению температур T1 и Т2 нагревателя и холодильника. Придав определенное значение Т2, при известных значениях Q1 и Q2 можно из соотношения (2-1) найти искомую величину T1. Однако практически указанный метод измерения температуры использован быть не может, так как нельзя осуществить обратимый цикл работы теплового двигателя. Позднее было установлено, что термодинамическая температура совпадает с показанием газового термометра, заполненного идеальным (воображаемым) газом, обладающим пропорциональным изменением давления от температуры. Близкими по своим свойствам к идеальному газу являются водород, гелий и азот, которые и применяются для измерения термодинамической температуры с введением небольших поправок на отклонение их свойств от свойств идеального газа 1 . ( 1 Свойства водорода и гелия близки к законам идеального газа при низких температурах, а азота-при высоких ). Точность показаний газового термометра очень высока, но пользование им сложно, а диапазон измерения незначителен. Термодинамическая температурная шкала начинается с абсолютного нуля 2 ( 2 Абсолютным нулем называется температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю ). и в настоящее время является основной. Единицы термодинамической температуры обозначаются знаком К (кельвин), а условное значение ее — буквой Т. В дальнейшем с помощью газовых термометров была построена так называемая Международная практическая температурная шкала (МПТШ), легко и точно воспроизводимая и близкая к термодинамической шкале. МПТШ была принята на VII Генеральной конференции по мерам и весам в 1927 г. Это вызывалось необходимостью облегчить измерение температуры с помощью газовой термометрии и унифицировать существующие в разных странах температурные шкалы. Международная практическая температурная шкала была уточнена в 1948 г., а в 1960 г. изложена в новой редакции, принятой на XI Генеральной конференции по мерам и весам, где получила название Международной практической температурной шкалы 1948 г. (МПТШ-48). Позднее появились две важные причины для пересмотра МПТШ-48, первая из которых заключалась в необходимости расширения шкалы в области низких температур (10 — 90 К), а вторая — в повышении ее точности, так как современные измерения с помощью газовых термометров показали, что МПТШ-48 дает в основном более низкие значения по сравнению с термодинамической шкалой. Исходя из указанных причин Международный комитет мер и весов в 1968 г. в соответствии с решением XIII Генеральной конференции по мерам и весам (1967 г.) принял новую Международную практическую температурную шкалу 1968 г. (МПТШ-68), градусы которой обозначаются знаком °С (градус Цельсия), а условное значение температуры — буквой t. Для этой шкалы градус Цельсия равен кельвину. МПТШ-68 основана на значениях температур ряда воспроизводимых состояний равновесия между фазами чистых веществ. Равновесие фаз некоторых из этих веществ и их определяющие реперные точки с присвоенными значениями температур приведены в табл. 2-1. Для определения промежуточных температур между реперными точками служат интерполяционные формулы устанавливающие соотношение между значениями МПТШ-68 и показаниями эталонных приборов, градуированных по этим точкам. Обычно градуировку производят по точкам затвердевания вещества, так как в этом случае, даже если последнее частично загрязнено примесями, температура его близка к точке плавления чистого вещества. При воспроизведении МПТШ-68 кроме определяющих реперных точек могут дополнительно применяться и вторичные реперные точки, такие, как температуры равновесия между твердым и жидким оловом, свинцом и т. д. Международная практическая температурная шкала была узаконена в СССР 1 ( 1 ГОСТ8550-61. Тепловые единицы .) в качестве обязательной для градуировки всех приборов, предназначенных для измерения температуры. При помощи определяющих и вторичных реперных точек и эталонных приборов в органах Госстандарта СССР производятся поверка и градуировка измерительных приборов, служащих для точных измерений температуры и поверки промышленных приборов. Кроме Международной практической температурной шкалы существует еще шкала Фаренгейта 1 ( 1 Шкала Фаренгейта применяется в Англии и США.) предложенная в 1715 г. Шкала построена путем деления интервала между реперными точками плавления льда и кипения воды на 180 равных частей (градусов), обозначаемых знаком °Ф. По этой шкале точка плавления льда равна 32, а кипения воды 212 °Ф. Для пересчета температуры, выраженной в Кельвинах или градусах Фаренгейта, в градусы Цельсия пользуются равенством где n — число градусов по шкале Фаренгейта. в) Классификация приборов для измерения температуры Приборы для измерения температуры разделяются в зависимости от используемых ими физических свойств веществ на следующие группы с диапазоном показаний: (* Здесь и в дальнейшем после тире положительное значение температуры .) Термометры расширения основаны на свойстве тел изменять под действием температуры свой объем. Манометрические термометры работают по принципу изменения давления жидкости, газа или пара с жидкостью в замкнутом объеме при нагревании или охлаждении этих веществ 2 . ( 2 Этот принцип использован при построении Международной практической температурной шкалы по газовому термометру. ) Термометры сопротивления основаны на свойстве металлических проводников изменять в зависимости от нагрева их электрическое сопротивление. Термоэлектрические термометры построены на свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в паре (спае) термоэлектродвижущую силу, зависящую от температуры спая. Пирометры работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, зависящей от температуры этих тел.