温度を測定する方法と器具

温度とは何ですか

温度測定は理論的および実験的分野の主題です。温度測定の一部は 500 °C 以上の温度をカバーし、高温測定と呼ばれます。

熱力学の第 2 法則に従って、温度の概念の最も一般的な厳密な定義は次の式で定式化されます。

T = dQ /dC、

ここで、T は孤立した熱力学システムの絶対温度、dQ はそのシステムに伝達される熱の増分、dS はそのシステムのエントロピーの増加です。

上の式は次のように解釈されます。温度は、孤立した熱力学システムに伝達される熱の増加の尺度であり、この場合に発生するシステムのエントロピーの増加、言い換えれば、熱力学の増加に対応します。その状態の乱れ。

マクロシステムで発生するマイクロプロセスを考慮してシステムの相を記述する統計力学では、温度の概念は、多数の非占有エネルギー準位間の分子システムの粒子の分布 (ギブス分布) を表すことによって定義されます。。

この定義（前の定義による）は、ある物体（またはシステム）から別の物体（またはシステム）へのエネルギー伝達の微小物理学的形態の主なパラメーターとしての温度の概念の確率的、統計的側面を強調しています。混沌とした熱運動。

温度の概念の厳密な定義が明確ではなく、熱力学的に平衡したシステムにのみ有効であるため、エネルギー伝達現象の本質に基づいた「功利主義的」定義が広く使用されるようになりました。 温度は、別の物体 (またはシステム) と熱を交換する能力によって特徴付けられる物体またはシステムの熱状態です。

この定式化は、熱力学的に非平衡なシステムと、（留保付きで）熱接触器官を使用して人が直接知覚する「感覚」温度の精神生理学的概念の両方に適用できます。

「体感」温度は人によって直接主観的に評価されますが、定性的かつ比較的狭い間隔でのみ評価されますが、物理的な温度は、測定装置の助けを借りて定量的かつ客観的に測定されますが、間接的にのみ、依存する物理量の値を通じて測定されます。測定された温度について。

したがって、2 番目のケースでは、この目的のために選択された温度依存物理量の何らかの基準 (基準) 状態が確立され、それに特定の温度数値が割り当てられ、選択された物理量の状態の変化が相対的に変化するようになります。基準に対する温度は温度単位で表すことができます。

選択された温度依存量の一連の連続する状態変化 (つまり、一連の値) に対応する一連の温度値が、温度スケールを形成します。最も一般的な温度スケールは、摂氏、華氏、レオミュール、ケルビン、ランキンです。

華氏と摂氏の目盛りが付いた温度計

ケルビンと摂氏の温度スケール

V 1730 フランスの博物学者ルネ・アントワーヌ・ルモア (1683-1757) は、アモトンの提案に基づいて、温度計の氷の融点を 0 とマークし、水の沸点を 80 ℃ とマークしました。 V 1742 NSヴェーダの天文学者で物理学者のアンダースセルシウス (1701 – 1744) は、レオミュール温度計を 2 年間テストした後、目盛りの誤差を発見しました。

これは気圧に大きく依存することが分かりました。摂氏は、スケールを校正するときに圧力を決定することを提案し、私は温度範囲全体を 100 で割りましたが、マーク 100 を氷の融点に割り当てました。その後、スウェーデンのリンネまたはドイツのストレンマーが（さまざまな情報源によると）基準点の指定を変更しました。

こうして、現在広く使用されている摂氏温度スケールが登場しました。その校正は、通常の大気圧 1013.25 hPa で実行されます。

温度スケールは、華氏、レオミュール、ニュートンによって作成されました (後者は誤って出発点として人体の温度を選択しました)。まあ、偉大な人たちは間違っています!) そして他にもたくさんあります。彼らは時の試練に耐えられなかった。

摂氏温度スケールは、1889 年の第 1 回度量衡総会で採用されました。現在、摂氏は国際度量衡委員会によって確立された公式の温度測定単位ですが、定義にはいくつかの明確化があります。

上記の議論によれば、摂氏温度スケールは 1 人の人間の活動の結果ではないと結論付けるのは簡単です。セルシウス氏は、その開発に携わった最後の研究者および発明者の一人にすぎませんでした。 1946 年までは、このスケールは単に度スケールと呼ばれていました。国際度量衡委員会が摂氏度に「摂氏度」という名前を割り当てたのはそのときだけです。

体温計の動作本体について少し説明します。デバイスの最初の作成者は、当然のことながら、行動範囲を拡大しようとしました。通常の状態では液体金属は水銀のみです。

選択肢はありませんでした。融点は-38.97°C、沸点は+ 357.25°Cです。揮発性物質の中で、ワインまたはエチルアルコールが最も入手可能であることが判明しました。融点 - 114.2 °C、沸点 + 78.46 °C。

作成された温度計は、-100 ～ + 300 °C の温度の測定に適しており、ほとんどの実用的な問題を解決するのに十分です。たとえば、最低気温は-89.2℃（南極のボストーク基地）、最高気温は+59℃（サハラ砂漠）です。水溶液の熱処理プロセスのほとんどは 100 °C 以下の温度で行われました。

熱力学温度の測定の基本単位であると同時に基本単位の 1 つ国際単位系 (SI) ケルビン度です。

1 ケルビンの大きさ (温度ギャップ) は、水の三重点の熱力学的温度の値が正確に 273.16 ° K に設定されているという事実によって決まります。

水が固体、液体、気体の三相で平衡状態で存在するこの温度は、水の凝固点と沸点の再現性よりも一桁優れた再現性の高さから主な出発点として採用されます。。

水の三重点温度を測定することは技術的に困難な作業です。したがって、標準としては、1954 年にのみ X 度量衡総会で承認されました。

熱力学的温度も表すことができる単位である摂氏は、温度範囲という点ではケルビンとまったく同じですが、摂氏で表した温度の数値は、ケルビンで表した同じ温度の値より 273.15 度高くなります。。

温度計の摂氏とケルビンの目盛り

水の三重点の温度の数値によって決定される 1 ケルビン (または摂氏 1 度) の大きさは、現代の測定精度では、その 100 分の 1 として決定される (以前に受け入れられていた) サイズと変わりません。水の凝固点と沸点の温度差。

温度を測定する方法と装置の分類

体温または周囲温度の測定は、根本的に異なる 2 つの間接的な方法で行うことができます。

最初の方法は、身体自体または環境の温度依存性の特性または状態パラメータの値の測定につながり、2番目の方法は温度依存性の特性または状態の値の測定につながります。温度が測定される物体または環境との熱平衡状態を (直接的または間接的に) もたらす補助体のパラメーター...

これらの目的を果たす補助本体は、完全な温度測定装置のセンサーと呼ばれます。 温度測定（高温測定）プローブまたは熱検出器… したがって、温度を測定するすべての方法と装置は、根本的に異なる 2 つのグループに分類されます。 プローブとプローブなしで。

熱検出器またはその追加デバイスは、温度が測定される物体または媒体と直接機械的に接触することも、それらの間に「光学的」接触のみが行われることもあります。

これに応じて、温度を測定するすべての方法とツールは次のように分類されます。 接触と非接触。プローブの接触式および非接触式の方法および装置は、実用上最も重要です。

温度測定誤差

他の方法とは異なり、すべての接触式（主にドリル式）温度測定方法は、いわゆる完全なプローブ温度計（またはパイロメーター）が、熱検出器の感応部分のみの温度値を、その部分の表面または体積全体で平均して測定するという事実による、熱または熱方法論的エラー。

一方、熱検出器は導入される温度場を必然的に歪ませるため、この温度は、原則として測定温度と一致しません。物体または環境の定常一定温度を測定する場合、物体と熱受信器の間で特定の熱交換モードが確立されます。

熱検出器と人体または環境の測定温度との間の一定の温度差は、温度測定における静的熱誤差の特徴となります。

測定された温度が変化すると、熱誤差は時間の関数になります。このような動的エラーは、静的エラーに相当する定数部分と可変部分から構成されると考えることができます。

後者は、温度が測定される物体または媒体間の熱伝達が変化するたびに、新しい熱伝達モードがすぐに確立されないために発生します。時間の関数である温度計または高温計の読み取り値の残留歪みは、温度計の熱慣性によって特徴付けられます。

熱検出器の熱誤差と熱慣性は、物体または環境と熱検出器の間の熱交換と同じ要因、つまり熱検出器と物体または環境の温度、それらのサイズ、組成 (および特性) に依存します。そして、熱感知器とその周囲の物体の設計、寸法、幾何学的形状、表面の状態と材料の特性、それらの配置からの条件、物体または環境の測定温度が時間の経過とともに変化する法則に従っています。

温度測定における熱的方法論的誤差は、通常、温度計や高温計の機器誤差よりも数倍大きくなります。それらの削減は、合理的な温度測定方法と熱検出器の構造を使用し、使用場所に熱検出器を適切に設置することによって達成されます。

熱レシーバと温度が測定される環境または物体との間の熱伝達の改善は、熱伝達の有益な要因と有害な要因を強制的に抑制することによって達成されます。

たとえば、閉じた空間内のガスの温度を測定する場合、熱検出器とガスとの対流熱交換が増加し、熱検出器 (「吸引」熱電対) の周囲に急速なガスの流れが生じ、放射熱が発生します。ボリュームの壁との交換が減少し、熱検出器がシールドされます (「シールドされた」熱電対)。

電気出力信号を使用して温度計やパイロメーターの熱慣性を低減するために、測定温度の急速な変化に伴う信号の立ち上がり時間を人為的に短縮する特別な回路も使用されます。

非接触温度測定方法

測定に接触方式を使用できるかどうかは、接触型熱検出器による測定温度の歪みだけでなく、熱型検出器の材料の実際の物理化学的特性 (腐食や機械的抵抗、耐熱性、等。）。

非接触測定方法にはこれらの制限がありません。ただし、それらの中で最も重要なこと、つまり温度放射の法則に基づくと、使用される法則が完全に黒いエミッタに対してのみ正確に有効であり、すべての実際の物理的なエミッタ (物体およびキャリア) は放射特性の点で多かれ少なかれ異なるという事実により、特別な誤差が内在します。。

キルヒホッフの放射の法則によれば、どの物理体も、物理体と同じ温度に加熱された黒体よりも少ないエネルギーを放出します。

したがって、黒色エミッタに対して校正された温度測定装置は、実際の物理的エミッタの温度を測定すると、実際の温度よりも低い温度、つまり校正に使用される黒色エミッタの特性（放射エネルギー、測定された過小評価された擬似温度は、黒温度と呼ばれます。

測定方法が異なると、原則として黒色温度が異なります。放射高温計は積分値または放射を示し、光学式高温計は輝度を示し、カラー高温計は黒色温度を示します。

温度が測定される物体の放射率がわかっている場合、測定された黒から実際の温度への移行は、グラフまたは分析的に行われます。

放射率は、同じ温度の放射特性を測定するために使用される物理エミッタと黒色エミッタの値の比です。放射法では、放射率は（スペクトル全体の）合計エネルギーの比に等しくなります。光学的方法では、分光放射率能力はグローのスペクトル密度の比に等しくなります。他のすべての条件が等しい場合、エミッタの非黒さ誤差の最小値はカラー高温計によって得られます。

非黒色エミッタの実際の温度を放射法で測定するという問題に対する抜本的な解決策は、非黒色エミッタを黒色エミッタに変えるための条件を作り出すことによって（例えば、実質的に閉じたキャビティ内に置くことによって）当技術分野によって達成される。。

一部の特殊な場合には、特殊な温度測定技術 (たとえば、照明、3 波長ビーム、偏光など) を使用して、従来の放射高温計で黒色以外のエミッターの実際の温度を測定することが可能です。

一般的な温度測定器

測定される温度の膨大な範囲と、無尽蔵の異なる条件と測定対象により、温度を測定するための非常に多様な方法と装置が決まります。