Temperaturmätningens historia

I den här artikeln kommer du att lära dig om vikten och utvecklingen av temperaturmätteknik. Vi kommer att behandla ämnet tillräckligt ingående så att du kommer att:

• Förstå vad temperatur är och varför det är så viktigt

• Lära dig om temperaturgivarnas historia

• Se hur viktiga temperaturgivare är inom test- och mätapplikationer

Den mest uppmätta fysikaliska egenskapen i världen

Temperatur är avgörande för vår hälsa och miljö: byggnaderna vi bor och arbetar i, våra vägar och infrastruktur, och varje maskin i världen. Avvikande kroppstemperatur är ofta ett av de första tecknen på att vi är sjuka. Extrema temperaturer kan försämra eller förstöra maskiner och konstruktioner. Att mäta temperatur har alltid varit livsviktigt, men det har inte alltid varit möjligt att mäta den noggrant.

Vad är temperatur?

Vattnets fryspunkt och kokpunkt är praktiska referenspunkter på både Celsius- och Fahrenheit-skalan.

Temperatur är en fysikalisk mätning av hur varmt eller kallt ett ämne eller strålning är. Den uttrycker också energiflödet från varmare kroppar till kallare.

K (Kelvin) är SI-enheten för temperatur. Den kallaste temperaturen är absolut noll, ett tillstånd med nästan ingen molekylär aktivitet. Denna punkt refereras till 0 K.

För den som undrar, absolut noll är −273,15 °C (−459,67 °F). Det är kallt!

På Celsius-skalan är 0 grader fryspunkten för vatten, och 100 grader är kokpunkten. Fahrenheit använder också dessa två referenspunkter, men de är satta till 32 och 212 °F.

Fahrenheit var tidigare en världsstandard men ersattes av centigradskalan under 1900-talet. Idag används Fahrenheit endast i USA och några få andra länder. Centigrad fick 1948 namnet Celsius till ära för Anders Celsius, en svensk vetenskapsman som utvecklade skalan 1742. Han föreslog att 0 grader skulle vara kokpunkten och 100 grader fryspunkten. Skalan vändes senare för att bli mer intuitiv.

Celsius- och Fahrenheit-skalan korsar varandra vid −40 °.

Atmosfärstryck (även kallat barometriskt tryck eller lufttryck) påverkar vattnets beteende. Eftersom vattnets fryspunkt och kokpunkt används som referenser på både Celsius- och Fahrenheit-skalan, specificeras att mätningarna görs vid havsnivå vid 1 atmosfär.

Temperaturvärden skrivs i följande format:

• 25 °C

• 107 °F

• 23.45 °K

Ett mellanslag följer temperaturvärdet, och gradtecknet (°) följs av enhetens förkortning (C, F eller K). Värden kan vara heltal eller decimaltal, till exempel 32 eller 32,938, beroende på tillämpningens upplösningskrav.

Tidiga relativa mätningar

Fram till 1600-talet var temperaturmätning i bästa fall grov. Inga instrument kunde mäta ett faktiskt temperaturvärde; man kunde endast göra relativa mätningar.

Cirka 250 f.Kr. fyllde den grekiske ingenjören Philo Mechanicus från Byzantium en ihålig blyglob med luft och vatten och kopplade den via ett rör till en öppen kanna. När lufttemperaturen inuti globen steg expanderade globen och pressade vatten in i röret. När temperaturen sjönk drog sig vattnet tillbaka.

Hero från Alexandria utvecklade omkring 50 e.Kr. ett primitivt termoskop. Det byggde också på idén att vatten eller luft i en glob expanderar vid uppvärmning och krymper vid kylning. Detta kunde förflytta vatten längs ett kopplat rör för att indikera stigande eller fallande temperatur.

Hundra år senare skapade den grekiskfödde romerske läkaren Galen ett liknande termoskop. Men han lade till en skala markerad med varmt, kallt och neutralt, en temperatur som varken var varm eller kall. Det skulle dröja till sent 1500-tal och 1600-tal innan ett betydande framsteg gjordes inom temperaturmätning.

Termoskopet

Den berömde italienske astronomen Galileo Galilei (1564–1642) är en av forskarna bakom termoskopets uppfinning, tillsammans med Santorio Santorio, Robert Fludd och Cornelius Drebbel. En glödlampa kopplad till ett långt rör placerades i en burk med färgat vatten. Luften i glödlampan expanderade vid högre temperaturer och tryckte upp vätskenivån i röret.

Galileo och hans samtida insåg inte då att förändringar i barometertryck påverkade dessa mätningar. Termoskopet hjälpte till att bekräfta observationer av relativa temperaturförändringar, men gav inte exakta avläsningar.

Kalibreringens framväxt

I början av 1700-talet utvecklade den danske astronomen Ole Christensen Rømer en temperaturskala baserad på vattnets fryspunkt och kokpunkt, från 7,5 till 60 grader. Detta var den första kalibrerade temperaturskalan, och den var helt ny. Alla temperaturmätningar innan dess hade varit relativa.

Samtidigt föreslog den brittiske fysikern Isaac Newton nästan exakt vid samma tid en kalibrerad temperaturskala. Newton satte noll grader som vattnets fryspunkt. Eftersom han var ansvarig för British Mint använde han dock sekundära referenspunkter, såsom smältpunkten för tenn, bly och andra metaller.

Det första praktiska termometern

För att eliminera barometertryckets påverkan på mätningen experimenterade forskare med att använda vätska i ett förseglat glaskärl. Ferdinando II de’ Medici, storhertig av Toscana, tillverkade ett sådant termometer med alkohol redan år 1654.

År 1709 skapade den polskfödde Daniel Gabriel Fahrenheit det första praktiska glastermometern, genom att fylla ett förseglat rör delvis med färgad kvicksilver. Fahrenheit fick idén till sin skala efter att ha besökt Rømer 1708. Han markerade röret med en skala från 32 vid vattnets fryspunkt till 212 vid kokpunkten. Fahrenheits uppfinning möjliggjorde pålitliga mätningar och var praktiskt användbar inom medicin och andra tillämpningar.

Pyrometern

För att mäta temperaturen inne i sina ugnar uppfann den engelske krukmakaren Josiah Wedgewood en mekanisk pyrometer i mitten av 1700-talet.

Andra pyrometrar var mer komplexa i konstruktionen, som den som visas nedan. Baserad på utvidgningen av en metallstång (a) när den värmdes av ugnen, tryckte den expanderande stången en nål längs en markerad skala. När temperaturen sjönk tryckte en fjäder tillbaka stången och nålen till deras ursprungliga positioner.

Seebecks termoelement

IÅr 1821 blev den baltiske läkaren och fysikern Thomas Seebeck fascinerad av sambandet mellan värme och magnetism. Han upptäckte att om man kopplade två olika ledande metaller vid två punkter och sedan exponerade ena skarven för en värmekälla, genererades ett magnetfält (och därmed en mycket liten spänning) längs ledningen.

Jonens existens hade ännu inte upptäckts, så han insåg inte det, men han observerade en elektromotorisk kraft som senare fick namnet Seebeck-effekten till hans ära. Seebeck observerade också att denna ström ökade eller minskade beroende på den omgivande temperaturen. Hans arbete ledde direkt till uppfinningen av termoelementet.

Learn more about thermocouples and their history in this related article:

What Is a Thermocouple Sensor and How Does It Work?In this article, you will learn what is a thermocouple, which are the basic types available, and how the temperature is measured with these sensors today.

Enter RTD 

Vid Bakerian Lecture 1871 presenterade Sir Carl Wilhelm Siemens ett föredrag om elektriska ledares tendens att öka sitt elektriska motstånd vid stigande temperaturer. Han observerade att det motstånd som kunde mätas över vissa metaller förändrades med temperaturen.

Han uppfann en RTD (resistiv temperaturdetektor) baserad på platina, som den brittiske fysikern Hugh Longbourne Callendar gjorde mer pålitlig och kommersiellt framgångsrik år 1885.

Till skillnad från termoelement är RTD:s utsignaler linjära. Däremot kräver de strömförsörjning till sensorn. Som en följd är kopplingen mer komplex än för termoelement. Du kan läsa mer om RTD:er och deras användning i denna artikel:

How To Measure Temperature with RTD Sensors [PT100, PT200, PT1000, ...]Learn about RTD sensors (Resistance Thermometer Detectors), types of RTD sensors, how they work, and how to measure temperature with Dewesoft DAQ systems.

Termistorn

En termistor är en halvledare gjord av metalloxider som pressats till en liten pärla, skiva, wafer eller annan form och sinterats vid höga temperaturer. Den är vanligtvis täckt med epoxy eller glas.

When a current is passed through a thermistor, you can then read the voltage across the thermistor and determine its temperature. A typical thermistor has a resistance of 2000 Ω at 25ºC. 3.9 percent temperature coefficient. You can learn more about thermistors in this article:

Vad är en sensor och vad gör den?Den ultimata guiden för sensorer. Se vad sensorerna är. Lär dig mer om de viktigaste sensortyperna. Förstå betydelsen av sensorer i datainsamling (DAQ).

Kontaktlös infraröd temperaturmätning

Den infraröda pyrometern

Den brittiske vetenskapsmannen William Herschel upptäckte existensen av infraröd strålning i början av 1800-talet. Det dröjde dock mer än 100 år innan den tyske fysikern Max Planck utvecklade sina matematiska ekvationer för elektromagnetisk strålning, där han kombinerade kvantteori och fysik för att beskriva spektral strålning.

Den första IR-termometern introducerades 1931, men tekniken utvecklades snabbt på grund av Andra världskriget på 1940-talet. Tidiga IR-sensorer var dyra och opraktiska för dagligt bruk tills 1960-talet, när den tyske läkaren Theodore Benzinger utvecklade en billig handhållen pyrometer för medicinska tillämpningar.

Den mest använda IR-termometern är pyrometern, eller “spot” infraröd pyrometer. En ofarlig röd laserpunkt hjälper användaren att sikta pyrometern, som används i inspektionsapplikationer inom nästan alla branscher.

Termiska kameror

En spot-infraröd pyrometer kan endast mäta temperatur på en specifik punkt i taget. Men vad gör man om man vill titta på en gående motor och se temperaturerna över hela den? Eller på en hel människokropp? Lyckligtvis finns en lösning som kallas termografi.

Den ungerske fysikern Kálmán Tihanyi patenterade flera banbrytande teknologier relaterade till TV:ns uppfinning i början av 1920-talet. År 1929 flyttade han till London och arbetade med det brittiska flygvapnets departement för att skapa en kamera som använde IR-teknologi så att luftvärnsförsvar effektivt kunde se i mörkret. På så sätt uppfann och patenterade han den första IR-kameran samma år.

Mot slutet av Andra världskriget fortsatte tyska forskare Tihanyis “nattvisions”-teknologi för militära målsökningsapplikationer. På 1970-talet hade IR-tekniken utvecklats, men sensorerna behövde fortfarande kylas med flytande kväve och var ganska stora och dyra.

En av avknopplingarna från USA:s Strategic Defense Initiative på 1980-talet var uppfinningen av “smarta sensorer”. De kombinerade en sensor med bearbetning, filtrering och annan avancerad beräkning i ett enda paket. Framsteg inom smarta sensorer och beräkningskraft drev teknologin ännu längre.

Idag används termiska kameror i en rad olika tillämpningar, inklusive maskininspektion, medicin, brand- och räddningsinsatser och mer.

Signalbehandling för temperatursensorer

Alla dataloggers och DAQ-system erbjuder signalbehandling för termoelement och RTD-sensorer. Även om det är möjligt att ansluta termometrar direkt till DAQ-system, är det ovanligt. IR-kameror med digitala utgångar och hårdvarudrivrutiner kan anslutas direkt till datorbaserade DAQ-system.

Sammanfattning

Temperaturmätning har varit viktig i århundraden, men att kunna mäta den noggrant och konsekvent är en relativt ny innovation. Idag används miljarder temperaturgivare världen över, varje sekund av varje dag. Från de minsta termistorerna till de mest avancerade IR-kamerorna, förblir temperatur en kritisk mätparameter.

Dewesoft DAQ-system erbjuder marknadsledande signalbehandling för dagens termoelement, RTD:er, termistorer samt digitala gränssnitt för moderna termiska kameror.

Vi hoppas att denna kortfattade historik över temperaturmätning och översikt av nyckelteknologier som används idag har varit både intressant och värdefull.

För att lära dig mer om dagens signalbehandlare och DAQ-system för temperaturmätningar, vänligen besök:

Registrering av temperaturRegistrering av data från termoelement, RTD och termistorer