ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2-ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 2017

Transcript

1 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2 ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2-ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Εισαγωγή Οι θερμοκρασιακές κλίμακες που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι η εκατονταβάθμια κλίμακα Celsius ( ) και η κλίμακα Fahrenheit ( ). Τα χαρακτηριστικά σημεία των κλιμάκων είναι το σημείο τήξης του νερού (0 ή 32 ) και το σημείο βρασμού (σε ατμοσφαιρική πίεση) του νερού (100 ή 212 ). Το τριπλό σημείο του νερού, το οποίο δεν εξαρτάται από την πίεση, μπορεί να οριστεί ως ένα σταθερό σημείο για θερμοκρασιακή βαθμονόμηση και αντιστοιχεί σε 0,01 ή 32,02. Για την μετατροπή των βαθμών Celsius σε Fahrenheit ισχύει η σχέση (1): = ( 32) (1) Η θερμοδυναμική εισάγει την απόλυτη θερμοκρασία Kelvin (Κ) η οποία συνδέεται με τη θερμοκρασία Celsius με τη σχέση (2): K = (2) Η απόλυτη τιμή των θερμοκρασιών χρησιμοποιείται κατά κανόνα σε όλες τις εξισώσεις της θερμοδυναμικής. Η κλίμακα Kelvin βασίζεται στη γραμμική διαστολή των ιδανικών αερίων. Από τις σχέσεις (2) και (3) P V = n R T (3) γίνεται προφανές ότι για ελάττωση της θερμοκρασίας ενός αερίου κατά 1 βαθμό, ελαττώνεται ο όγκος του κατά 1/ του όγκου που έχει το αέριο στους 0oC. Από τη σχέση (3) προκύπτει ότι σε θερμοκρασία 0 Κ (απόλυτο μηδέν) η πίεση του αερίου μηδενίζεται. Εκτός από τα παραπάνω χαρακτηριστικά σημεία, πρακτικά, για βαθμονόμηση και έλεγχο των θερμομέτρων, χρησιμοποιούνται μία σειρά άλλων χαρακτηριστικών σταθερών σημείων όπως είναι το σημείο βρασμού του οξυγόνου ( ) το σημείο βρασμού του θείου ( ), το σημείο τήξης του χρυσού (1063 ) κλπ. Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται η μεταβολή των τιμών των ιδιοτήτων διαφόρων υλικών με τη θερμοκρασία. Αν η τιμή μιας ιδιότητας ενός υλικού ορίζεται μονοσήμαντα με τον καθορισμό της θερμοκρασίας του, τότε μπορεί να αντιστοιχιθεί η τιμή της ιδιότητας αυτής στη θερμοκρασία του υλικού. Οι ιδιότητες των σωμάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αυτό με την σκοπό είναι: Η διαστολή στερεών, υγρών και αέριων σωμάτων, Η ηλεκτρική αντίσταση, Η ένταση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης ενός ζεύγους μετάλλων και Η ένταση της φωτεινής και θερμικής ακτινοβολίας. Η ακρίβεια της μέτρησης της θερμοκρασίας είναι σε πολλές περιπτώσεις πολύ βασική παράμετρος, όταν μάλιστα το ενδιαφέρον επικεντρώνεται σε παρατήρηση θερμοκρασιακών μεταβολών λίγων μόνο βαθμών. Η ορθότητα μιας μέτρησης θερμοκρασίας συνήθως εξαρτάται από το όργανο μέτρησης αλλά κυρίως από την ορθή τοποθέτηση του. Μετάδοση θερμότητας (προσαγωγή ή απαγωγή) με ακτινοβολία ή αγωγή στη θέση της μέτρησης είναι οι συνηθισμένες πηγές σφάλματος. Απαιτείται, λοιπόν, μεγάλη προσοχή στη σωστή τοποθέτηση του αισθητήρος θερμότητας. 1

2 Στη συνέχεια παρουσιάζονται και αναπτύσσονται οι κατηγορίες των θερμομέτρων (δηλαδή των αισθητήρων θερμότητας) που χρησιμοποιούνται συνήθως. 2 Θερμόμετρα διαστολής 2.1 Θερμόμετρα υδραργύρου με τριχοειδή Τα θερμόμετρα αυτά αποτελούνται από μια μεγάλη δεξαμενή και έναν τριχοειδή σωλήνα. Ο χώρος είναι υπό κενό ή περιέχει άζωτο. Τα όρια λειτουργίας τους περιορίζονται από το σημείο πήξης του υδραργύρου και το σημείο που λειώνει το γυαλί. Ετσι αν ο τριχοειδής είναι από κοινό γυαλί το μέγιστο της θερμοκρασίας φτάνει στους 500 ενώ αν αντικατασταθεί από χαλαζιακή ύαλο (quartz) φτάνει στους 800. Για μετρήσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες ο υδράργυρος μπορεί να αντικατασταθεί από οινόπνευμα, τολουόλιο, πεντάνιο κλπ. Πρόβλημα στα θερμόμετρα αυτά αποτελεί το γεγονός ότι ενώ η δεξαμενή του υδραργύρου είναι "βυθισμένη" στο χώρο του οποίου η θερμοκρασία πρέπει να μετρηθεί (π.χ. ένα δοχείο με υγρό), το τριχοειδές τμήμα του θερμομέτρου βρίσκεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ετσι το ύψος της στήλης του υδραργύρου στο τριχοειδές εξαρτάται από το πόσο βυθισμένο είναι το θερμόμετρο στο δοχείο και από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Γιαυτό η τιμή της θερμοκρασίας πρέπει να διορθωθεί χρησιμοποιώντας τη σχέση: T = Τ + ( ) (4) Όπου Τ είναι η διορθωμένη θερμοκρασία, T η μη διορθωμένη ανάγνωση, π ο αριθμός βαθμών που εκτίθενται στο περιβάλλον, T θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η θερμοκρασία αυτή βρίσκεται με άλλο θερμόμετρο το οποίο μετράει τη θερμοκρασία στο μέσο της απόστασης της εκτιθέμενης στο περιβάλλον στήλης του υδραργύρου. Για τη σωστή βαθμονόμηση ενός θερμομέτρου, βυθίζεται όλη η τριχοειδής στήλη του υδραργύρου σε λουτρό σταθερής, γνωστής θερμοκρασίας. Στη συνέχεια δίνονται συνοπτικά τα γενικά χαρακτηριστικά των θερμομέτρων υδραργύρου. Εύρος λειτουργίας 200 έως 600 (ακραίες δυνατότητες) 120 έως 320 (πρακτικά) Καλή Κόστος 5 20 $ Ακρίβεια 0,05 1 Μικρό κόστος Μακρά διάρκεια ζωής Απλό στη χρήση Δυσκολία στην ανάγνωση Εύθραυστο Οι μετρήσεις γίνονται εκεί που είναι τοποθετημένο το θερμόμετρο Μη δυνατότητα καταγραφής και ελέγχου Κίνδυνοι από την τοξικότητα του υδραργύρου 2

3 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2-ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Συστήματα πλήρωσης Αυτός ο τύπος των θερμομέτρων βασίζει τη λειτουργία του στη μεταβολή του όγκου ενός ρευστού (αερίου ή υγρού) με τη θερμοκρασία (εικόνα Π2.1). Αν ο όγκος του ρευστού είναι συγκεκριμένος, τότε μπορεί να μετρηθεί η πίεση του ρευστού. Το ρευστό τοποθετείται σε ένα σωλήνα ο οποίος συνδέεται μέσω τριχοειδούς σωλήνα με το σωληνοειδές ελατήριο του δείκτη του οργάνου. Εικόνα Π2.1: Θερμόμετρο που λειτουργεί με την τάση ατμών Το όργανο πρέπει να ελέγχεται σε τακτά χρονικά διαστήματα με ένα υδραργυρικό θερμόμετρο. Τα γενικά χαρακτηριστικά αυτών των θερμομέτρων συνοψίζονται στη συνέχεια: Εύρος λειτουργίας Κόστος Ακρίβεια 273 έως 760 (ακραίες δυνατότητες) 185 έως 540 (πρακτικά) Ικανοποιητική έως καλή $ (για μετρήσεις κοντά στο όργανο) $ (για μετρήσεις μακριά από το όργανο) 0,5 2 (= το 1/3% του πεδίου τους). 2.3 Συστήματα πλήρωσης - Τύποι Τα θερμόμετρα αυτής της κατηγορίας διακρίνονται σε 4 τύπους: Υγρού Εύρος λειτουργίας 90 έως 370 Χαμηλό κόστος Απαιτεί προσοχή η ορθή τοποθέτηση της δεξαμενής του αισθητήρα Μικρά τριχοειδή Η ένδειξη επηρεάζεται από τις συνθήκες περιβάλλοντος Απαιτείται αναγωγή σε σταθερές συνθήκες 3

4 2.3.2 Ατμού Το αισθητήριο είναι ένας σωλήνας που περιέχει ένα υγρό που εξατμίζεται σχετικά εύκολα. Ο σωλήνας συνδέεται με ένα σωληνοειδές ελατήριο της ενδεικτικής διάταξης. Η λειτουργία του θερμομέτρου βασίζεται στο γεγονός ότι η τάση ατμών είναι χαρακτηριστική σταθερά του υλικού και εξαρτάται μονοσήμαντα από θερμοκρασία του. Τα συνηθισμένα υγρά που χρησιμοποιούνται είναι αιθέρας, αιθυλοχλωρίδιο, υδράργυρος κ.α. Τα χαρακτησιστικά τους είναι: Εύρος λειτουργίας 185 έως 345 Γρήγορη απόκριση Δεν επηρεάζεται η ένδειξη από το περιβάλλον Η ένδειξη της θερμοκρασίας μπορεί να αναγνωστεί μακριά από το σημείο μέτρησης Μη γραμμική κλίμακα Μη δυνατότητα θερμομέτρησης έξω από το εύρος λειτουργίας Δυσκολία μέτρησης θερμοκρασίας περιβάλλοντος Αερίου Εύρος λειτουργίας 273 έως 760 Ευρεία περιοχή μετρήσεων Δυνατότητα μέτρησης και έξω από το εύρος λειτουργίας Απαιτείται μεγάλη δεξαμενή του αισθητήρα Δυσκολία ενεργοποίησης συστήματος ελέγχου θερμοκρασίας Υδραργύρου Εύρος λειτουργίας 40 έως 630 Γραμμική κλίμακα Δυνατότητα προσαρμογής σε όργανα ελέγχου Κίνδυνοι από την τοξικότητα του Hg σε πιθανό σπάσιμο Δυσκολία στην εξισορρόπηση 2.4 Διμεταλλικά θερμόμετρα διαστολής Αποτελούνται από δύο μεταλλικά ελάσματα διαφορετικών μετάλλων με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής. Ετσι σε κάθε θερμοκρασία η διαφορά του μήκους του κάθε ελάσματος είναι διαφορετκή (εικόνα Π2.2). Η διαφορά αυτή υποβάλλει σε κάμψη το διμεταλλικό έλασμα με αποτέλεσμα να μετακινείται ένας δείκτης. Η ένδειξη του δείκτη εξαρτάται από το μέγεθος της κάμψης, δηλαδή τη θερμοκρασία. Τα όργανα αυτά δεν είναι μεγάλης ακρίβειας και χρησιμοποιούνται ως θερμοστάτες χώρου. 4

5 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2-ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 2017 Εικόνα Π2.2: Δύο μεταλλικά ελάσματα διαφορετικών μετάλλων με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής Τα γενικά τους χαρακτηριστικά φαίνονται παρακάτω: Εύρος λειτουργίας 75 έως 540 (ακραίες δυνατότητες) 65 έως 430 (πρακτικά) Καλή Κόστος $ Ακρίβεια 0,5 11 Αντοχή σε δύσκολη μεταχείριση Χαμηλό κόστος Δυνατότητα σύνδεσης με καταγραφικό Αλλαγή βαθμονόμησης με κακό χειρισμό Μετρήσεις στην περιοχή του οργάνου 3 Ηλεκτρικά θερμόμετρα 3.1 Θερμόμετρα αντίστασης Βασίζουν τη λειτουργία τους στο γεγονός ότι η ηλεκτρική αντίσταση των μετάλλων αυξάνει αυξανομένης της θερμοκρασίας. Για χαμηλές θερμοκρασίες χρησιμοποιούνται αντιστάσεις νικελίου και για υψηλές αντιστάσεις πλατίνας (εικόνα Π2.3). Εικόνα Π2.3: Θερμόμετρα αντίστασης. Τα γενικά χαρακτηριστικά των θερμομέτρων αντίστασης είναι: Εύρος λειτουργίας 260 έως 980 (ακραίες δυνατότητες) 250 έως 850 (πρακτικά) Καλή Κόστος $ (βιομηχανικά) $ (εργαστηριακά) Ακρίβεια 0,05 5

6 Κατάλληλα για υψηλή ακρίβεια Αναπαραγωγιμότητα Δεν απαιτείται εξισορρόπηση σε σταθερές συνθήκες Μερικοί τύποι είναι εύθραυστοι Με μεγάλη χρήση, δευτερογενείς παράγοντες αλλοιώνουν την ένδειξη Η αύξηση της θερμοκρασίας τους (λόγω της αντίστασης τους) προκαλεί σφάλματα Εχουν γενικά μεγάλο μέγεθος 3.2 Θερμόμετρα αντίστασης Τύποι Οι συνηθέστεροι τύποι θερμομέτρων αντίστασης είναι: Πλατίνας Η ηλεκτρική αντίσταση του λευκοχρύσου, για μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών είναι γραμμική συνάρτηση της θερμοκρασίας. Η αντίσταση του λευκοχρύσου μπορεί να προσδιοριστεί με μία γέφυρα Wheatstone. Αν το ηλεκτρικό όργανο μέτρησης της αντίστασης είναι ευαίσθητο και αξιόπιστο, τότε τα θερμόμετρα αυτά μπορούν να γίνουν μέχρι οχτώ φορές πιο ακριβή από τα υδραργυρικά θερμόμετρα. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των θερμομέτρων αυτών είναι: Εύρος λειτουργίας 250 έως 850 Υψηλό σημείο τήξης Χημική σταθερότητα, αντίσταση σε οξείδωση σε κατάλληλη θερμοκρασιακή περιοχή Μόλυνση σε αναγωγική ατμόσφαιρα. Καταλυτική δράση με ορισμένους υδρογονάνθρακες Νικελίου Εύρος λειτουργίας 120 έως 200 Υψηλός συντελεστής αντίστασης σε κατάλληλη θερμοκρασιακή περιοχή Μη γραμμικότητα Βολφραμίου Εύρος λειτουργίας 980 έως 3040 Ικανοποιητική γραμμικότητα Η υψηλή μηχανική αντοχή καθιστά δυνατή την ύπαρξη μικρών αισθητήρων Αντίσταση σε πυρηνικές ακτινοβολίες Λειτουργία μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες 6

7 3.2.4 Χαλκού Εύρος λειτουργίας 0 έως 100 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2-ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 2017 Εύκολη κατασκευή Χαμηλό κόστος Καλά χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας : Γρήγορη οξείδωση και απώλεια καθαρότητας Περιορισμός θερμοκρασιακού εύρους 3.3 Θερμίστορες Το αισθητήριο των θερμιστόρων είναι ένας ημιαγωγός. Τα υλικά κατασκευής είναι συνήθως γερμάνιο, πυρίτιο κ.α. Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών οφείλεται σε κίνηση ηλεκτρονίων (n-τύπος) ή ηλεκτρονικών οπών (ρ-τύπος). Ο αριθμός των φορέων του ρεύματος αυξάνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία ακολουθώντας εξίσωση τύπου Arrhenius, exp( ΔE/RT), όπου ΔΕ είναι το ενεργειακό χάσμα μεταξύ της ζώνης των ηλεκτρονίων και της ζώνης αγωγιμότητας. Από τα παραπάνω γίνεται φανερό ότι η αντίσταση των ημιαγωγών ελαττώνεται με τη θερμοκρασία και μάλιστα η μεταβολή της αντίστασης είναι 10 φορές μεγαλύτερη από ότι στην περίπτωση των μετάλλων (5%/Κ). Γιαυτό είναι και πολύ πιο ευαίσθητοι στις θερμοκρασιακές μεταβολές (θεωρητικά έχουν τη δυνατότητα μέτρησης θερμοκρασιών με ακρίβεια εκατομμυριοστών του βαθμού). Απαιτούν συχνή βαθμονόμηση και με περισσότερα του ενός σημεία (λόγω της εκθετικής μεταβολής της αντίστασης τους). Τα γενικά τους χαρακτηριστικά συνοψίζονται στη συνέχεια. Εύρος λειτουργίας 100 έως 315 Πολύ φτωχή Κόστος $ Ακρίβεια 0,24 Μικρό μέγεθος, γρήγορη απόκριση Καλύπτουν ευρύ φάσμα θερμοκρασιών (διατίθενται πολλές αντιστάσεις) Αύξηση της ακρίβειας με ελάττωση της θερμοκρασίας Δεν απαιτείται εξισορρόπηση. Αύξηση της σταθερότητας με την ηλικία. Σχετικά μικρό κόστος. Χαμηλή γραμμικότητα Πρόβλημα σταθερότητας σε υψηλές θερμοκρασίες Ακατάλληλα για ευρύ πεδίο θερμοκρασιών Στον πίνακα 1 φαίνονται οι αντιστάσεις τους για διάφορες θερμοκρασιακές περιοχές. 7

8 Πίνακας 1: Θερμοκρασιακή περιοχή διαφόρων αντιστάσεων θερμιστόρων. Θερμοκρασιακό εύρος Ονομαστική αντίσταση (στους 25 C) k k k ,10 1 k 4 Θερμοηλεκτρικά στοιχεία (θερμοζεύγη) 4.1 Εισαγωγή Οταν έρθουν σε επαφή δύο διαφορετικά μέταλλα τότε παρατηρείται μετακίνηση ηλεκτρονίων από την κοινή διεπιφάνεια των δύο μετάλλων (εικόνα Π2.4). Η κίνηση αυτή δεν είναι η ίδια και προς τις δύο κατευθύνσεις αλλά είναι μεγαλύτερη από το μέταλλο με μικρό έργο εξαγωγής προς το μέταλλο με μεγάλο έργο εξαγωγής. Το αποτέλεσμα είναι η εμφάνιση διαφοράς δυναμικού στα ελεύθερα άκρα των δύο μετάλλων. Η διαφορά αυτή μεταβάλλεται (γραμμικά σε ορισμένα ζεύγη μετάλλων) με τη θερμοκρασία γιατί η θερμική μεταβολή της κινητικότητας των ηλεκτρονίων από το ένα μέταλλο στο άλλο δεν είναι η ίδια σε κάθε μέταλλο. Εικόνα Π2.4: Διαφορά δυναμικού που δημιουργείται από την επαφή διαφορετικών μετάλλων ή κραμάτων. Το πρόβλημα έγκειται στον προσδιορισμό αυτής της διαφοράς δυναμικού γιατί όταν οι ελεύθερες επαφές των δύο μετάλλων έρθουν σε επαφή με τα σύρματα του βολτομέτρου (που είναι κατασκευασμένα από το ίδιο μέταλλο) αμέσως δημιουργούνται δύο ακόμη νέες επαφές (διεπιφάνειες μετάλλων) στο όλο κύκλωμα (εικόνα Π2.5). Ετσι, όταν όλες οι επαφές βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία τότε το άθροισμα της διαφοράς δυναμικού που δημιουργείται στις δύο νέες επαφές είναι ίσο με το δυναμικό της αρχικής επαφής. Αν όμως η αρχική επαφή του θερμοζεύγους βρίσκεται στην περιοχή της προς μέτρηση θερμοκρασίας ενώ οι δύο άλλες επαφές σε μία σταθερή θερμοκρασία αναφοράς (π.χ. υδατόλουτρο νερού και πάγου 0, ή σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για μικρότερη ακρίβεια στις μετρήσεις), τότε το βολτόμετρο μπορεί να ανιχνεύσει διαφορά δυναμικού (εικόνα Π1.5). Η διαφορά αυτή δυναμικού εξαρτάται από το ζεύγος των μετάλλων σε επαφή και μπορεί να μεταφραστεί σε θερμοκρασία. Η σταθερή θερμοκρασία αναφοράς μπορεί να ελεγχθεί και από ειδικά όργανα, (zero-point), τα οποία διατηρούν τη θερμοκρασία σταθερή με μια ηλεκτρική αντίσταση. Τα σύγχρονα θερμόμετρα έχουν πλέον σταθερό το zero-point. Εφόσον εξαλειφθούν διάφορες πηγές σφαλμάτων τα σφάλματα στις μετρήσεις των θερμοζευγών είναι της τάξης των 0,001 mv. 8

9 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2-ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 2017 Εικόνα Π2.5: Διάγραμμα διάταξης μέτρησης θερμοκρασίας με θερμοζεύγος. Η μέτρηση του δυναμικού στα άκρα του θερμοζεύγους απαιτεί δύο νέες ακόμη επαφές. Ανάλογα με τη θερμοκρασιακή περιοχή μιας εφαρμογής επιλέγεται και το κατάλληλο θερμοζεύγος. Τα ευρέως χρησιμοποιούμενα θερμοζεύγη είναι γνωστά με τα γράμματα Κ, V, Τ, J, Ε, Ν, R, S, Β, U, W. Το κάθε γράμμα αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο ζεύγος μετάλλων ή κραμάτων και μάλιστα είναι απόλυτα συγκεκριμένο ποιό μέταλλο θα ενωθεί με το (+) και ποιό με το (-). Επειδή μερικά από τα μέταλλα των θερμοζευγών είναι πολύτιμα (π.χ. λευκόχρυσος) απαιτείται η μεταφορά του ηλεκτρικού σήματος του θερμοζεύγους με άλλα σύρματα μικρότερου κόστους. Αυτό γίνεται με ειδικά σύρματα, γνωστά ως αγωγοί εξισορρόπισης, των οποίων ο τύπος είναι αυστηρά επιλεγμένος από τον τύπο του θερμοζεύγους. Το ίδιο ισχύει και στην επιλογή του τύπου της σύνδεσης του θερμοζεύγους με τον αγωγό εξισορρόπισης. Σε περίπτωση που γίνει λανθασμένη συνδεσμολογία (π.χ. το μέταλλο (+) με το σύρμα (-) του αγωγού εξισορρόπισης) ή λάθος επιλογή αγωγού εξισορρόπισης τότε οι ενδείξεις που δείνει το όργανο παρουσιάζουν σημαντικό σφάλμα. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα γενικά χαρακτηριστικά των θερμοζευγών (τα οποία ποικίλουν ανάλογα με τον τύπο του θερμοζεύγους και τη θερμοκρασιακή περιοχή) και οι διάφοροι τύποι των θερμοζευγών που χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές εφαρμογές. Εύρος λειτουργίας 270 έως 1820 (ακραίες δυνατότητες) Φτωχή Κόστος 2 75 $ Ακρίβεια 0,5 Χαμηλό κόστος, εύκολη δυνατότητα αντικατάστασης Μικρό μέγεθος Εύκολη αύξηση του μήκους με αυτογενή συγκόλληση Ευρύ θερμοκρασιακό φάσμα Επηρεάζονται από ηλεκτρικό θόρυβο Πρέπει να αποφεύγονται βαθμιδωτές αλλαγές θερμοκρασίας Μικρό σήμα εξόδου Απαιτείται άλλο θερμόμετρο αναφοράς για τη βαθμονόμηση 9

10 Κατάλληλο για δύσκολους χειρισμούς. Δυνατότητα μέτρησης σε μεγάλες αποστάσεις Σχετικά γρήγορη απόκριση Αναπαραγωγιμότητα για μεγάλα χρονικά διαστήματα Φτωχή γραμμικότητα 4.2 Τύποι θερμοζευγών Εύρος λειτουργίας J Σίδηρος (+)/Κωνσταντάνη (-) 210 έως 980 Το πλέον οικονομικό θερμοζεύγος. Διάβρωση σε ατμόσφαιρα υψηλής υγρασίας. Κ Νικέλιο-Χρώμιο (+)/Νικέλιο-Αλουμίνιο (-) 270 έως Υψηλό κόστος. T Χαλκός (+)/Κωνσταντάνη (-) 270 έως 595 Αντίσταση στη διάβρωση από Περιορισμένο θερμοκρασιακό υγρασία εύρος. R Pt87-Rh13 (+)/Pt (-) 0 έως 1700 Είναι συνήθως μικρά για γρήγορη Υψηλό κόστος. απόκριση. S Pt90-Rh10 (+)/Pt (-) 0 έως 1760 Υψηλό κόστος. B Pt70-Rh30 (+)/Pt94-Rh6 (-) 0 έως 1820 Μέγιστη θερμοκρασιακή επιδεκτικότητα. Ε Νικέλιο-Χρώμιο (+)/Κωνσταντόνη (-) 270 έως Οπτικά πυρόμετρα Η λειτουργία τους βασίζεται στην ακτινοβολία του μέλανος σώματος. Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία ενός σώματος, βάσει της σχέσης των Stefan-Boltzmann S = σ T (5) είναι ανάλογη της τέταρτης δύναμης της θερμοκρασίας του, (σ = 1,35 10 cal/cm sκ.) Τα όργανα αυτά μετρούν συνήθως υψηλές θερμοκρασίες, αλλά είναι δυνατόν, με τη βοήθεια κοίλων καθρεφτών που συγκεντρώνουν την ακτινοβολία, να μετρηθούν και χαμηλές θερμοκρασίες, ακόμα και κάτω των 0. Για να είναι σωστή η μέτρηση της θερμοκρασίας ενός σώματος, πρέπει να μετρηθεί η ακτινοβολία που εκπέμπεται από το σώμα και όχι η ανακλώμενη. Γιαυτό ανοίγεται μία τρύπα στο σώμα η οποία δρά σαν απόλυτα μαύρο σώμα (μέσα στην τρύπα αυτή η προσπίπτουσα ακτινοβολία, μετά από αλλεπάλληλες ανακλάσεις, έχει πρακτικά μηδέν πιθανότητα να βγει έξω). Την ακτινοβολία στην τρύπα αυτή μετράει το πυρόμετρο και βάσει της σχέσης (5) υπολογίζεται η θερμοκρασία. 10

11 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2-ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 2017 Τα πυρόμετρα, σε σχέση με τους άλλους τύπους θερμομέτρων, έχουν το υψηλότερο κόστος. Τα γενικά χαρακτηριστικά των πυρομέτρων δίνονται στη συνέχεια: Εύρος λειτουργίας Κόστος Οχι συνεχείς μετρήσεις 15 έως 3870 (ακραίες δυνατότητες) 120 έως 3200 (πρακτικά) Φτωχή $ (αισθητήρας) $ (συστήματα) Χαμηλή γραμμικότητα Η ακτινοβολία της περιοχής μέτρησης επηρεάζει την ανάγνωση της θερμοκρασίας 5.1 Οπτικά πυρόμετρα Τύποι Ακτινοβολίας Διακρίνονται σε πυρόμετρα ολικής ακτινοβολίας και μερικής ακτινοβολίας (εικόνα Π2.6). Στα πρώτα γίνεται η μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας το ολικό φάσμα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Στα πυρόμετρα μερικής ακτινοβολίας χρησιμοποιείται ένα μέρος του φάσματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας το οποίο συγκεντρώνεται πάνω σε ένα φωτοκύτταρο ή σε ένα θερμοζεύγος. Eικόνα Π2.6: Πυρόμετρο χρώματος Στην κατηγορία αυτή ανήκουν και τα πυρόμετρα υπερύθρου. Τα γενικά τους χαρακτηριστικά είναι: Εύρος λειτουργίας 15 έως 3870 Γρήγορη απόκριση Δυνατότητα μέτρησης θερμοκρασιών σε σημεία και ευρύτερες περιοχές. 11

12 5.1.2 Οπτικά πυρόμετρα χρώματος Στα πυρόμετρα χρώματος δεν χρησιμοποιείται η ακτινοβολία του μέλανος σώματος αλλά το χρώμα του όταν πυρακτωθεί (θερμοκρασία χρώματος). Το πυρόμετρο χρώματος αποτελείται από μια μεταλλική αντίσταση βαθμονομημένη, το χρώμα της οποίας μεταβάλλεται (με βαθμιαία αλλαγή της τάσης του ρεύματος που τη διαρρέει), μέχρι να ταυτιστεί με το χρώμα του μέλανος σώματος. Είναι προφανές ότι τα πυρόμετρα αυτά λειτουργούν όταν το σώμα αρχίσει και ακτινοβολεί, δηλ. σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 750. Τα χαρακτηριστικά τους είναι: Εύρος λειτουργίας 760 έως 1480 Φορητή συσκευή Απαιτεί χειριστή για manual χρήση Χρήση μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες Υπερύθρου Εύρος λειτουργίας 15 έως 3315 Φορητή συσκευή Υψηλό κόστος 6 Αλλες μέθοδοι μέτρησης θερμοκρασίας 1. Θερμοκρασιακά χρώματα: Επαλείφονται με πινέλλο και αλλάζουν χρώμα σε ορισμένη θερμοκρασία. Οταν η θερμοκρασία ελαττωθεί, αυτά δεν επανέρχονται. 2. Θερμοκρασιακά πλακίδια: Συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο. 3. Πυρομετρικές πυραμίδες: Χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία κεραμικών. Γίνονται μαλακές σε ορισμένες θερμοκρασίες. Οι παραπάνω μέθοδοι είναι ενδεικτικές θερμοκρασιακών περιοχών και χρησιμοποιούνται κυρίως στη βιομηχανία. 7 Γενικές απόψεις Η επιλογή του τύπου του θερμομέτρου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια εφαρμογή εξαρτάται από το εξεταζόμενο σύστημα, την πειραματική διάταξη, την τεχνική υποστήριξη, την απαιτούμενη ακρίβεια της μέτρησης και το κόστος του. Ετσι τα πυρόμετρα χρησιμοποιούνται στις περιπτώσεις που το προς μέτρηση αντικείμενο ακτινοβολεί (π.χ. ένα χυτήριο με τηγμένο μέταλλο) και βέβαια υπάρχει δυνατότητα οπτικής επαφής με το δείγμα. Ακόμη η μέτρηση της θερμοκρασίας μπορεί να γίνει από απόσταση από το δείγμα. Αντίθετα, σε όλους τους άλλους τύπους, το αισθητήριο πρέπει να βρίσκεται στο σημείο της μέτρησης και μάλιστα απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στην ορθή τοποθέτηση του. Στην περίπτωση του υδραργυρικού θερμομέτρου, το σχετικά περιορισμένο μήκος του τριχοειδούς, δεν επιτρέπει την ανάγνωση της ένδειξης σε μεγάλη απόσταση. Οι θερμίστορες, δίνουν ικανοποιητικές μετρήσεις αλλά σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες. 12

13 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 2-ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ 2017 Εικόνα Π2.7: θερμοκρασιακές περιοχές λειτουργίας των κυριοτέρων τύπων θερμομέτρων. (Με διακεκομμένη γραμμή είναι οι ακρότατες δυνατότητες). Σήμερα, τα ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα μέτρησης και ελέγχου θερμοκρασίας σε πλήθος βιομηχανικών εφαρμογών, είναι τα θερμοζεύγη. Τα κύρια πλεονεκτήματα τους είναι ότι παρέχουν τη δυνατότητα κάλυψης ενός μεγάλου εύρους θερμοκρασιών με την ποικιλία των μετάλλων και κραμάτων που μπορούν να συνδυαστούν και κυρίως ότι δίνουν ηλεκτρικό σήμα. Το σήμα αυτό μπορεί πολύ εύκολα να μεταφερθεί σε μεγάλη απόσταση από το σημείο της μέτρησης και να καταγραφεί σε μια μονάδα ελέγχου, π.χ. καταγραφικό, computer κλπ., και να αξιοποιηθεί στη συνέχεια ενεργοποιώντας άλλα συστήματα. Στην εικόνα Π2.7 παρουσιάζονται συνοπτικά οι κυριότεροι τύποι των θερμομέτρων, οι θερμοκρασιακές περιοχές που αυτά λειτουργούν καθώς και διάφορες ενδεικτικές χαρακτηριστικές θερμοκρασίες (π.χ. τριπλό σημείο του νερού κλπ.). 13