Измерение температуры (также известное как термометрия ) описывает процесс измерения текущей температуры для немедленной или более поздней оценки. Наборы данных, состоящие из повторных стандартизированных измерений, могут использоваться для оценки температурных тенденций.
Попытки стандартизированного измерения температуры до 17 века были в лучшем случае грубыми. Например, в 170 году нашей эры врач Клавдий Гален [1] : 18 смешал равные части льда и кипящей воды, чтобы создать «нейтральный» стандарт температуры. Современная научная область берет свое начало в работах флорентийских ученых в 1600-х годах, включая Галилея, создавшего приборы, способные измерять относительное изменение температуры, но также подверженные искажениям из-за изменений атмосферного давления. Эти ранние приборы назывались термоскопами . Первый герметичный термометр был сконструирован в 1654 году великим герцогом Тосканы Фердинандом II . [1] : 19 Развитие современных термометров и температурных шкал началось в начале 18 века, когда Даниэль Габриэль Фаренгейт изготовил ртутный термометр и шкалу, оба разработанные Оле Кристенсеном Рёмером . Шкала Фаренгейта все еще используется наряду со шкалами Цельсия и Кельвина .
Было разработано много методов измерения температуры. Большинство из них основано на измерении некоторых физических свойств рабочего материала, которые изменяются в зависимости от температуры. Одним из наиболее распространенных устройств для измерения температуры является стеклянный термометр . Он состоит из стеклянной трубки, заполненной ртутью или какой-либо другой жидкостью, которая действует как рабочая жидкость. Повышение температуры приводит к расширению жидкости, поэтому температуру можно определить, измерив объем жидкости. Такие термометры обычно калибруются таким образом, чтобы можно было считывать температуру, просто наблюдая за уровнем жидкости в термометре. Другой тип термометра, который на самом деле не так часто используется на практике, но важен с теоретической точки зрения, — это газовый термометр .
Другие важные устройства для измерения температуры включают в себя:
При измерении температуры необходимо соблюдать осторожность, чтобы убедиться, что измерительный прибор (термометр, термопара и т. д.) действительно имеет ту же температуру, что и измеряемый материал. При некоторых условиях тепло от измерительного прибора может вызвать градиент температуры, поэтому измеренная температура отличается от фактической температуры системы. В таком случае измеренная температура будет меняться не только в зависимости от температуры системы, но и от свойств теплопередачи системы.
То, что испытывают люди, животные и растения, связано не только с температурой, показанной на стеклянном термометре. Относительные уровни влажности окружающего воздуха могут вызывать большее или меньшее испарительное охлаждение. Измерение температуры влажного термометра нормализует этот эффект влажности. Средняя температура излучения также может влиять на тепловой комфорт. Фактор охлаждения ветром заставляет погоду казаться холоднее в ветреных условиях, чем в безветренных, даже если стеклянный термометр показывает ту же температуру. Поток воздуха увеличивает скорость передачи тепла от тела или к телу, что приводит к большему изменению температуры тела при той же температуре окружающей среды.
Теоретической основой термометров является нулевой закон термодинамики , который гласит, что если у вас есть три тела, A, B и C, и если A и B имеют одинаковую температуру, а B и C имеют одинаковую температуру, то A и C имеют одинаковую температуру. B, конечно же, является термометром.
Практической основой термометрии является существование ячеек тройной точки . Тройные точки — это условия давления, объема и температуры, при которых одновременно присутствуют три фазы , например, твердое тело, пар и жидкость. Для одного компонента в тройной точке нет степеней свободы, и любое изменение трех переменных приводит к исчезновению одной или нескольких фаз из ячейки. Поэтому ячейки тройной точки можно использовать в качестве универсальных эталонов для температуры и давления (см. правило фаз Гиббса ).
При некоторых условиях становится возможным измерение температуры путем прямого использования закона Планка для излучения черного тела . Например, температура космического микроволнового фона была измерена по спектру фотонов, наблюдаемых с помощью спутниковых наблюдений, таких как WMAP . При изучении кварк-глюонной плазмы посредством столкновений тяжелых ионов спектры отдельных частиц иногда служат термометром.
За последние десятилетия было разработано множество термометрических методов. Наиболее перспективные и широко распространенные неинвазивные термометрические методы в биотехнологическом контексте основаны на анализе изображений магнитного резонанса, изображений компьютерной томографии и эхотомографии. Эти методы позволяют контролировать температуру внутри тканей без введения чувствительного элемента. [2] В области реактивных потоков (например, горение, плазма) лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF), CARS и лазерная абсорбционная спектроскопия использовались для измерения температуры внутри двигателей, газовых турбин, ударных труб, реакторов синтеза [3] и т. д. Возможности таких оптических методов включают быстрое измерение (вплоть до наносекундных временных шкал), несмотря на способность не возмущать объект измерения (например, пламя, ударно-нагретые газы).
Американское общество инженеров-механиков (ASME) разработало два отдельных и различных стандарта по измерению температуры: B40.200 и PTC 19.3. B40.200 содержит рекомендации для биметаллических термометров с заполненной системой и стеклянных термометров. Он также содержит рекомендации для термогильз . PTC 19.3 содержит рекомендации по измерению температуры, связанные с кодами испытаний производительности, с особым акцентом на основные источники ошибок измерения и методы их устранения.
Спутниковые измерения температуры являются выводами о температуре атмосферы на различных высотах , а также о температуре морской и земной поверхности, полученными с помощью радиометрических измерений со спутников . Эти измерения могут быть использованы для определения местоположения погодных фронтов , мониторинга Эль-Ниньо-Южного колебания , определения силы тропических циклонов , изучения городских островов тепла и мониторинга глобального климата. Лесные пожары , вулканы и промышленные горячие точки также можно обнаружить с помощью тепловизионных изображений с метеорологических спутников.
Метеоспутники не измеряют температуру напрямую. Они измеряют излучение в различных диапазонах длин волн . С 1978 года микроволновые зондирующие установки (MSU) на полярно-орбитальных спутниках Национального управления океанических и атмосферных исследований измеряли интенсивность восходящего микроволнового излучения от атмосферного кислорода , которое связано с температурой широких вертикальных слоев атмосферы. Измерения инфракрасного излучения, относящиеся к температуре поверхности моря, собираются с 1967 года.
Спутниковые данные показывают, что за последние четыре десятилетия тропосфера потеплела, а стратосфера охладилась. Обе эти тенденции согласуются с влиянием увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере .
[Мы] исследуем наиболее распространенные методы контроля температуры и представляем процедуры для повышения их точности.