Merjenje temperature

Transcript

1 Merjenje temperature

2 Primarne standardne temperature Mednarodna temperaturna skala iz leta 1948 predstavlja osnovo za eksperimentalno temperaturno skalo. Osnovo omejene skale predstavlja šest primarnih standardnih temperatur in sicer temperatura vrelišča tekočega kisika (-182,97 C) temperatura tališča čistega leda (0 C) temperatura vrelišča čiste vode (100 C) temperature vrelišča tekočega žvepla (444,6 C) temperatura tališča srebra (960,8 C) temperatura tališča zlata (1063,0 C)

3 Sekundarne standardne temperature Poleg primarnih standardnih temperatur, vsebuje mednarodna temperaturna skala tudi sekundarne standardne temperature. Nekatere od njih so temperatura sublimacije CO 2 pri normalnem zračnem tlaku (-78,50 C) temperatura ledišča srebra (-38,87 C) temperatura ledišča antimona (630,5 C) temperatura ledišča paladija (1552 C) temperatura tališča volframa (3380 C)

4 Interpolacijske zveze Vmesne vrednosti so dobljene z interpolacijami, ki so odvisne od posameznega temperaturnega območja. Temperaturno območje -190 C 0 C Sprememba upornosti standardnega upora iz platine je merilo temperature R ϑ [ ] Aϑ + Bϑ + ϑ ( ϑ ) = R0 C 100 Konstante R 0, A, B, C določimo z merjenjem upornosti Pt upora pri temperaturah vrelišča tekočega kisika, tališčaa čistega ledu, vrelišča čiste vode in vrelišča tekočega žvepla. [ ] 2 + Aϑ B R ϑ = R0 1 + ϑ

5 Interpolacijske zveze Temperaturno območje 0 C 630,5 C Sprememba upornosti standardnega upora iz platine je merilo temperature [ ] 2 + Aϑ B R ϑ = R0 1 + ϑ Konstante R 0, A, B določimo z merjenjem upornosti Pt upora pri temperaturah vrelišča tekočega žvepla

6 Interpolacijske zveze Temperaturno območje 630,5 C 1063,0 C Sprememba emf (elektromotorne sile) standardnega termočlena Pt-Pt,Rh (platina platina, rodij) je merilo temperature, pri čemer mora biti ena stična točka izpostavljena temperaturi ledišča vode, druga pa merjeni temperaturi e = a + bϑ + ϑ 2 cϑ Konstante a, b, c določimo z merjenjem emf pri temperaturah ledišča Antimona, srebra in tališča zlata. V temperaturnem območju nad 1063,0 C merimo temperaturo s primerjavo intenzivnosti sevanja določene valovne dolžine merjenega objekta in intenzivnostjo sevanja črnega objekta s temperaturo tališča zlata.

7 Merilniki temperature Za merjenje temperature uporabljamo termometre, ki delujejo na principu spremembe določene lastnosti snovi v odvisnosti od temperature. Glede na način delovanja delimo merilnike na mehanske merilnike temperature merilnike temperature z električnimi signali merilnike temperature s sevanjem

8 Mehanski merilniki temperature V skupino mehanskih merilnikov temperature spadajo termometri z idealnim plinom fluidni termometri s tlačnim odčitkom tekočinski razteznostni merilniki temperature bimetalni termometri

9 Mehanski merilniki temperature Fluidni termometri s tlačnim odčitkom Pri tovrstnih merilnikih temperature izkoriščamo obnašanje idealnega plina pri nizkem tlaku. Z idealnimi plini označujemo visoko tako visoko pregrete pare, da le te izpolnjujejo zahteve Boyl-Mariott-ovega (p.v = konst. ) in Gaya Lussac-ovega zakona (V/T = konst. )

10 Mehanski merilniki temperature Obnašanje idealnega plina lahko zapišemo s plinsko enačbo v obliki p V = m R T pri čemer pomeni V volumen, ki ga določen plin z maso m in plinsko konstanto R zaseda. Plinsko konstanto za posamezen plin izrazimo s pomočjo splošne plinske konstante R (8314,5 J/kmol.K) in molske mase plina M (kg/kmol) v obliki R =R M Merjeno temperaturo lahko torej izrazimo v obliki T = T ref p p ref V = konst.

11 Mehanski merilniki temperature r = t ( + m) + ( 1+ m n) 6 ( α α )( ϑ ϑ )( 1+ m) m m n t m n α 1 α 2 ϑ ϑ 0 debelina bimetala (m) razmerje debelin materialov (debelina materiala z manjšim raztezkom/debelina materiala z večjim raztezkom) razmerje modulov elastičnosti (modul materiala z manjšim raztezkom/modul materiala z večjim raztezkom) manjši koeficient termičnega raztezka ( C -1 ) večji koeficient termičnega raztezka ( C -1 ) temperatura ( C) temperatura lepljenja obeh materialov ( C)

12 Merilniki temperature z električnimi signali V skupino merilnikov z električnimi signali spadajo električni uporovni merilnik temperature (RTD Reasistance Temperature Detector); izrazito stabilni termistorski merilnik temperature; zelo občutljivi merilniki temperature s termočleni; vsestransko uporabni kvarčni kristalni termometri; izredno natančni

13 Merilniki temperature z električnimi signali Uporovni merilniki temperature (RTD) R T = R α T ( 1+ ( T )) T temperaturni koeficient upornosti α Navedena linearna zveza običajno uporabljamo v primerih, ko imamo opravka z relativno majhnimi temperaturnimi spremembami.

14 Merilniki temperature z električnimi signali Uporovni merilnik Pt-100 karakteristika R[Ω] y = x R 2 = T[ C]

15 Merilniki temperature z električnimi signali V primeru večjih temperaturnih sprememb pa izražamo temperaturno odvisno upornost določenega materiala z zvezo R T = ( 2 + a T + b ) R0 1 T pri čemer sta a in b eksperimentalno določljivi konstanti, R 0 je upornost določenega materiala pri referenčni temperaturi T 0, R T pa je upornost pri temperaturi T.

16 Merilniki temperature z električnimi signali Termistor Termistor je polprevodnik z negatinim (NTC) ali pozitivnim (PTC) temperaturnim koeficientom upornosti. Pogosteje uporabljamo NTC termistorje. Gre za keramični material, ki ga dobimo s sintranjem mešanic oksidov, sulfidov ali selenidov kovin. Običajno so zaliti v steklo, vloženi v stekleno cevko ali pa zaščiteni z lakom ali epoksidno smolo. Uporabljamo jih lahko v povezavi z enosmernimi in izmeničnimi napetostmi.

17 Merilniki temperature z električnimi signali Odvisnost med upornostjo termistorja in njegovo temperaturo zapišemo kot pri čemer je R 0 upornost termistorja pri referenčni temperaturi T 0, β pa je eksperimentalno določljiva konstanta, ki je odvisna od materiala iz katerega je termistor narejen in od temperature. Običajno znaša od 3500 do 4600 K. = T T e R R β

18 Merilniki temperature z električnimi signali Termistor NTC karakteristika R[kΩ] y = e x R 2 = T[ C]

19 Merilniki temperature z električnimi signali Kvarčni kristalni merilniki temperature Predstavljajo izredno natančne merilnike temperature, katerih delovanje temelji na spremembi resonančne frekvence kvarčnega kristala, ki je posledica temperaturne spremembe. Linearnost odvisnosti, ki je običajno zelo velika, je odvisna od načina rezanja kristala. S kvarčnimi kristalnimi merilniki temperature lahko izmerimo spremembe temperature v rangu 10-3 ºC. Normalno merilno območje je od -40 do 230 ºC, pri čemer znaša sprememba frekvence okoli 100Hz/ºC.

20 Merilniki temperature z električnimi signali Termoelektrični fenomeni (merjenje temperature s termočleni) Merjenje temperature s termočlini je ena najpogostejših električnih metod merjenja temperature. Če naenemkoncu povežemo dva vodnika iz različnih kovin, se med prostima koncema vodnikov pojavi električni potencial oziroma elektromotorna sila, ki je v veliki meri odvisna od temperature na mestu kjer sta vodnika sklenjena. Ta fenomen imenujemo Seebeckov efekt. de S = α A, B dt de S - Seebeckov potencial, - α A,B Seebeckova koeficient za materiala A in B.

21 Merilniki temperature z električnimi signali Če omenjena vodnika priklopimo na zunanji tokokrog tako, da steče tok, bo prišlo do spremembe v električnem potencialu, kar imenujemo Peltierov efekt. Nadalje, če sta vodnika po svoji dolžini izpostavljena temperaturnemu gradientu, lahko prav tako pride do spremembe v električnem potencialu. Ta efekt imenujemo Thomsonov efekt. Potemtakem so v termoelektričnem tokokrogu prisotni tri elektromotorne sile in sicer Seebeckova emf, ki je posledica stika dveh različnih kovinskih materialov, Peltierova emf, ki je posledica pretoka električnega toka v termoelektričnem tokokrogu in Thomsonova emf, ki je posledica temperaturnega gradienta vzdolž vodnikov.

22 Merilniki temperature z električnimi signali Konvencionalni metodi merjenja temperature s termočleni in referenčno temperaturo 0 C (274K) a. metodo uporabljamo v primeru, ko imata priključka za merjenje potenciala različni temperaturi b. metodo uporabljamo v primeru, ko imata priključka za merjenje potenciala enako temperaturo

23 Merilniki temperature z električnimi signali Kombinacija vodnikov kromel (Cr 10 Ni 90 ) - konstantan (Cu 60 Ni 40 ) železo (Fe) - konstantan (Cu 60 Ni 40 ) baker (Cu) - konstantan (Cu 60 Ni 40 ) kromel (Cr 10 Ni 90 ) alumel (Al 2 Ni 94 Si 1 Mn 3 ) platina (Pt) platina rodij (Pt + 13% Rh) platina (Pt) platina rodij (Pt + 10% Rh) tip termočlena E J T K R S

24 Merilniki temperature z električnimi signali Napetost določenega termočlena izrazimo v odvisnosti od temperature z zvezo E = AT + BT + Napetost oz. potencial E je izmerjen preko referenčne temperature 0 C, A, B in C pa so konstante, ki so odvisne od materialov vodnikov termočlena 1 3 CT 3 Občutljivost ozroma termo-električno moč posameznega termočlena izrazimo v obliki de S = = A + BT + CT dt 2

25 Merilniki temperature z električnimi signali Termočlen tip K karakteristika y = x R 2 = U[mV] T[ C]

26 Merilniki temperature s sevanjem V skupino merilnikov s sevanjem spadajo pirometri

27 Merilniki temperature s sevanjem Merjenje temperature s pomočjo sevanja Termično sevanje je elektromagnetno sevanje, ki ga oddaja telo z določeno temperaturo. To sevanje se razlikuje od ostalih tipov elektromagnetnega sevanja in ima valovno dolžino od 0,1 do 100 m. Celotno termično sevanje črnega telesa (za črno telo pravimo, da idealno seva) izrazimo v obliki E b = σ T 4 E b -sevalnamoč - gostota energijskega toka (W/m 2 ), σ - Stefan - Bolzmannova konstanta (5, W/m 2.K 4 ), T - absolutna temperatura (K)

28 Merilniki temperature s sevanjem V skladu s Planckovo porazdelitveno enačbo, lahko izrazimo odvisnost med sevalno močjo in valovno dolžino v obliki E E b,λ - monokromatska sevalna moč - gostota energijskega toka črnega telesa (W/m 2.m) λ - valovna dolžina (m), T - temperatura (K), C 1 = 3, W.m 4 /m 2 C 2 = 1, m.k = e C λ 1 b,λ C λ T 5 2 1

29 Merilniki temperature s sevanjem Ko termično sevanje doseže površino poljubnega telesa, se del sevanja absorbira, del sevanja se odbije, del sevanja pa preide skozi telo. To lahko izrazimo v obliki α + ρ + τ = 1 pri čemer predstavlja α delež sevanja, ki se absorbira, ρ delež sevanja, ki se odbije in τ delež sevanja, ki preide skozi opazovano telo. Ker je delež sevanja, ki preide skozi trdno telo je v večini primerov enak nič, lahko zapišemo α + ρ = 1

30 Merilniki temperature s sevanjem Emisivnost poljubnega telesa izrazimo v obliki ε = E E b kjer je E sevalna moč opazovanega telesa pri določeni temperaturi, E b pa je sevalna moččrnega telesa pri isti temperaturi. V primeru termičnega ravnovesja lahko v skladu s Kirchhoffovim zakonom sevanja (zakon, po katerem je v ravnovesju razmerje med gostoto energijskega toka na izbranem ozkem intervalu valovne dolžine pri dani temperaturi in absorbiranim deležem tega toka) zapišemo ε = α

31 Merilniki temperature s sevanjem Emisivnostrealnihpovršintelesz določeno temperaturo je zelo spremenljiv parameter in je močno odvisna od valovne dolžine sevanja. Zaradi tega se realne površine pogosto aproksimira s sivim telesom z emisivnostjo, ki je enaka povprečni emisivnosti realne površine. Za sivo telo je namreč značilno, da je njegova emisivnost neodvisna od valovne dolžine sevanja, kar lahko zapišemo v obliki ε λ E λ = = E b, λ ε Emisivnost črnega telesa je enaka 1, sivega pa 0,6.

32 Merilniki temperature s sevanjem E b = σ T 4 E b, λ = C e 1 C2 λ T λ 5 1 E b,λ λ T σ C monokromatska sevalna moč gostota energijskega toka črnega 2 telesa ( W / m μm) valovna dolžina ( μm) temperatura ( K ) Stefan Bolzmannova konstanta =, W μm / 3 m C = 4 2 1, μm K ( 5, W / m K )

33 Merilniki temperature s sevanjem Monokromatska gostota črnega in sivega telesa v odvisnosti od valovne dolžine pri temperaturi 1900 K

34 Merilniki temperature s sevanjem Napaka merjena temperature z določevanjem celotne energije sevanja v odvisnosti od emisivnosti telesa E = ε σ T 4 T = E ε σ 1 4

35 Merilniki temperature s sevanjem absorpcijski filter okular rdeči filter standardna žarnica leča A kalibriran drsni upor