Menu

Pomiar temperatury

1. Skale temperatur

 

Pomiar temperatury jest pomiarem pośrednim pomiędzy pewnym punktem odniesienia a temperaturą danego ciała. W technice punktem odniesienia może być tzw. "temperatura zera absolutnego", temperatura topnienia lodu czy temperatura mieszaniny lodu, wody i chlorku amonu. W technice stosuje się obecnie trzy skale temperatur

- Kelwina

- Celsjusza

- Fahrenheita

Skala Kelwina jest skalą termometryczna absolutną, tzn. zero na tej skali oznacza najniższą możliwą temperaturę w której według fizyki zamiera wszelki ruch cząsteczek. W skali Kelwina nie ma temperatur ujemnych, wszystkie są dodatnie. Skala Kelwina przyjmuje też, że różnica temperatur pomiędzy temperaturą topnienia lodu a temperaturą wrzenia wody w normalnych warunkach ciśnienia wynosi 100 stopni. W 1967 roku (XIII Genewska Konferencja Miar i Wag) zdefiniowano jednostkę temperatury termodynamicznej jako 1/273,16 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody i nadano jej nazwę kelwin (K). Temperatura topnienia lodu w tej skali została ustalona na 273,15 K (punkt potrójny wody wynosi 0,01K). Symbolem tej skali jest litera K bez symbolu stopnia, dlatego mówimy 100 kelwinów a nie 100 stopni Kelwina.

Skala Celsjusza zaproponowana w 1742 roku przez Andersa Celsiusa. Pierwotnie skala ta była odwrotnością obecnie stosowanej, czyli za punkt wrzenia wody Celsius przyjął 0 stopni, a za punkt zamarzania wody 100 stopni. Dopiero potem naukowcy zrewidowali tą skalę uznając, że temperatura wraz z ocieplaniem się ciała powinna wzrastać a nie maleć. Obecnie skala Celsjusza jest zdefiniowana przez Międzynarodowe Biuro Miar i Wag poprzez temperaturę zera bezwzględnego (−273,15 °C) oraz temperaturę punktu potrójnego wody   (0,01 °C), a zatem stopień Celsjusza to 1/273,16 tego przedziału.

Aby przejść ze skali Celsjusza na skalę Kelwina należy dodać do tej skali 273,15 stopnia.

Skala Fahrenheita zaproponowana w 1724 roku przez Daniela Gabriela Fahrenheita.  Obecnie używana jest w USA, Kajmanach, Bahamach oraz Belize. W Kanadzie istnieje jako skala uzupełniająca. 32 °F odpowiadają temperaturze topnienia lodu, a 212 °F – wrzenia wody pod normalnym ciśnieniem 1013 hpa. Jeden stopień w tej sklai nie jest równy skali Celsjusza, należy stosować zależność:

 

2. Klasyfikacja przyrządów do pomiaru temperatury

Powszechnie stosowanym kryterium podziału przyrządów do pomiarów temperatury jest sposób przejmowania ciepła między termometrem a ciałem lub ośrodkiem, którego temperaturę się mierzy. Według tego kryterium przyrządy dzielą się na: stykowe i bezstykowe. Czujnik pomiarowy przyrządów stykowych zwanych termometrami, podczas wykonywania pomiaru znajduje się w bezpośrednim styku
z ciałem lub ośrodkiem, którego temperaturę się mierzy i wymienia z nim ciepło głównie na drodze konwekcji i przewodzenia. W bezstykowych przyrządach do pomiaru temperatury, zwanych pirometrami
wykorzystuje się zjawisko wysyłania promieniowania temperaturowego (cieplnego) przez ciało lub ośrodek, którego temperaturę się mierzy. Czujnik pirometru przetwarza określoną część wysyłanego promieniowania temperaturowego na inną wielkość fizyczną, która daje się pomierzyć na drodze elektrycznej.

Rys.1 Klasyfikacja przyrządów do pomiaru temperatury.

 

Oprócz wymienionych metod pomiaru stosowane są wskaźniki temperatury:
- ciała stałe (stożki Segera) - zmieniające kształt 

- kredki, farby termometryczne i ciekłe kryształy - zmieniające barwy w określonych wartościach temperatury.
Wskaźniki temperatury umożliwiają tylko stwierdzenie czy osiągnięto lub przekroczono określoną temperaturę, nie pozwalają na dokładny pomiar temperatury.
 

 

3. Termometry cieczowe

 

Termometry cieczowe wykorzystują zależność zmiany objętości cieczy termometrycznej od zmian temperatury. Termometr składa się ze zbiorniczka wypełnionego cieczą termometryczną, stanowiącego czujnik termometru i połączonej z nim rurki kapilarnej zaopatrzonej w podziałkę. Zbiornik i kapilara wykonane są ze szkła.

 

 

 

Rys.2 Termometry szklane: a) pałeczkowy, b) rurkowy prosty, c) rurkowy kątowy, d) przemysłowy w osłonie stalowej: 1 - zbiornik, 2 - kapilara, 3 - skala, 4 - rurka zewnętrzna, 5 - rozszerzenie kapilary, 6 - warstwa białej emalii.

 

W termometrach rurkowych, przymocowana do zbiorniczka cienkościenna kapilara wraz z podziałką, wykonaną na osobnym pasku z mlecznego szkła, jest umieszczona w cienkościennej rurce szklanej, której dolny koniec jest przyspawany do zbiorniczka. Koniec kapilary jest zazwyczaj zakończony małym zbiorniczkiem zabezpieczającym termometr przed rozsadzeniem w przypadku przekroczenia górnej
wartości zakresu pomiarowego. Konstrukcja termometrów pałeczkowych zapewnia stałość położenia skali, jest natomiast mniej trwała. Zaletą termometrów rurkowych jest ich duża odporność na złamanie, wadą
natomiast - możliwość przesunięcia się podziałki względem kapilary. Termometry przemysłowe są wykonane wyłącznie jako rurkowe o kształtach i wymiarach dostosowanych do miejscowych warunków. Mogą być proste oraz z odgiętą dolną częścią pod kątem 45° (kątowe) lub 90° (kolanowe) od osi podziałki. Mają one większy zbiornik kapilarę o większej średnicy niż laboratoryjne. Stosunkowo duża średnica kapilary zwiększa widoczność słupka rtęci. W celu umożliwienia budowy termometrów cieczowych o dużej czułości wskazań, przy ograniczonej całkowitej długości termometru, wykonuje się
termometry o zawężonych różnych zakresach pomiaru, np. (200÷250)°C. W tym celu w kapilarze są wydmuchiwane zbiorniczki o odpowiednie] objętości. Dla sprawdzenia prawidłowości wskazań na skali powinny być naniesione punkty dla odpowiednich temperatur wzorcowych, np. 0,100°C. 

Rys.3 Termometry szklane o zwiększonej czułości: a) termometr wzorcowy; 1 - podziałka
podstawowa, 2 - zbiorniczki wtopione w kapilarę, 3 - podziałka dodatkowa dla sprawdzenia termometru; b) termometr kalorymetryczny o zakresie (17÷25)°C; 1 - rozszerzenie kapilary, b') powiększony fragment skali (17÷18)°C; c) termometr Beckmanna; 1 - zbiornik dolny, 2 - zbiornik górny, 3 - podziałka pomocnicza,
4 - podziałka główna.

 

W laboratoriach cieplnych przy wyznaczaniu wartości opałowej paliwa za pomocą bomby kalorymetrycznej stosowane są specjalne termometry laboratoryjne o dużej czułości (0,01÷0,002) K, tzw. termometr kalorymetryczny lub termometr Beckmanna.


4. Termometry bimetalowe i dylatacyjne

 

Termometry dylatacyjne i bimetalowe są zbudowane na zasadzie wykorzystania różnicy cieplnej rozszerzalności liniowej dwóch rożnych materiałów. Ciałem termometrycznym jest ciało stałe charakteryzujące się cieplnym współczynnikiem rozszerzalności liniowej  "α". Na rys.4   przedstawiono zależność wydłużenia względnego Δl/l od temperatury wybranych materiałów stosowanych w termometrach
rozszerzalnościowych. Czujnik termometru dylatacyjnego jest wykonany jako rurka o długości l z materiału o dużym współczynniku
 α1, zwanego materiałem czynnym, w której umieszczony jest poosiowo pręt wykonany z materiału o małym współczynniku α2, zwany materiałem biernym.

Rys.4 Zależność rozszerzalności liniowej niektórych materiałów od temperatury.

 

Ze względu na małe różnice współczynników  α dla wielu materiałów np. inwar, a zatem i małe różnice wydłużeń, wskazówki termometrów dylatacyjnych są sprzęgnięte przez przekładanie mechaniczne zwiększające ich odchylenie. Na rys. 5 pokazano zasadę działania termometru dylatacyjnego

Rys.5 Zasada działania termometru dylatacyjnego. odcinek (1)
pręta, określany jako długość znamionowa zanurzeniowa, jest wykonany z materiału biernego, a odcinek (3) znajdujący się poza zanurzeniem jest wykonany z tego samego materiału co rurka (2). Górny koniec rurki (2) jest umocowany na sztywno w obudowie, w której znajduje się wskazówka (4) z przekładnią mechaniczną, do pomiaru zmian różnicy długości rurki i pręta. Podziałka (5) jest skalowana w jednostkach temperatury.
Poniżej praktyczne wykonanie termometru dylatacyjnego

Zakresy termometrów dylatacyjnych dochodzą do 1000°C, zaś klasa dokładności (1 do 2ºC). Termometry te są rzadko stosowane.
Bimetalem nazywa się taśmę wykonaną z dwóch różnych metali: czynnego i biernego. Połączenie obu metali wykonuje się przez zgrzewanie lub zwalcowanie na gorąco. W temperaturze 20°C taśma bimetalowa jest płaska. Ze wzrostem temperatury taśma bimetalowa wygina się w kierunku metalu biernego. Czujniki bimetalowe termometrów są wykonane jako płaskie taśmy w kształcie litery U, spirale płaskie oraz spirale walcowe, z metali stosowanych do budowy termometrów dylatacyjnych.
Na rys. 7. pokazano konstrukcję termometru bimetalowego z bimetalem w postaci spirali walcowej (5), która poprzez pręt (4) wraz ze zmianami mierzonej temperatury zmienia położenie wskazówki (1) na tle podziałki (2). Spirala jest umocowana w rurce osłonowej (6) wkręconej do kadłuba (3). Zakres pomiarowy
termometrów bimetalowych wynosi od -40 do +400°C, zaś klasa dokładności (1 do 2ºC). Głównymi zaletami termometrów bimetalowych są: prosta i trwała konstrukcja, małe wymiary, duża odporność na drgania itp. Termometry te są stosowane do pomiaru temperatury różnych płynów w zbiornikach, pomiaru temperatury oleju transformatorów energetycznych, temperatury otoczenia oraz temperatury
powierzchni (bimetal ze spiralą płaską)
.

Rys7 Termometr bimetalowy  z czujnikiem spiralnym. 1-wskazówka, 2-podziałka, 3-kadłub, 4-pręt łączący bimetal ze wskazówką, 5-bimetal w kształcie spirali, 6-rurka osłonowa.


5. Termometry manometryczne
 

Termometr manometryczny składa się z czujnika (zbiornika płynu termometrycznego) umieszczonego w ośrodku mierzonej temperatury, manometru sprężystego oraz łączącej je kapilary (rys. 8). Urządzenie stanowi trwałą, szczelnie zamkniętą całość. Wykonywane są również urządzenia, w których manometr jest
przyłączony bezpośrednio do czujnika (termometr do pomiarów miejscowych). Mierzona temperatura powoduje zmianę ciśnienia płynu zawartego w praktycznie stałej objętości.
Jako elementy sprężyste stosuje się w zakresie niskich ciśnień takie same elementy jak w manometrach sprężystych (p. 2.4), w zakresie wyższych ciśnień rurki spiralne płaskie (rys. 8) lub spirale walcowe (śrubowe) w kształcie jak bimetal w termometrze na rys. 7.
Termometry manometryczne mają klasę dokładności ( 1 do 2 stopni). Charakteryzuje je prosta budowa, obsługa i pewność działania.  Termometry te mają szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym lub na obiektach małych, gdzie liczba punktów pomiarowych jest niewielka, a odległości przeniesienia wskazań są ograniczone do (40
-60) m.  

Wadą termometrów manometrycznych jest ich nierozbieralność, utrudniająca instalowanie kapilar w warunkach przemysłowych przez stropy i ściany. Praktycznie po uszkodzeniu zachodzi konieczność wymiany całego termometru. Termometry manometryczne w zależności od rodzaju płynu termometrycznego,
dzielą się na:

- termometry cieczowe (rtęć, ciecze organiczne),
- termometry parowe (para nasycona cieczy termometrycznych: eter, alkohole, propan, benzen, dwutlenek węgla, woda itp.),
- termometry gazowe (wodór, hel, azot).

 

Cieczowe

 

Zasada działania termometrów polega na wykorzystaniu objętościowej rozszerzalności cieczy termometrycznej.  Ciecz, przepływając do rurki manometrycznej, powoduje jej sprężyste odkształcenie (rys. 8), odpowiadające przyrostowi ciśnienia w układzie zamkniętym. Wzrost odkształcenia rurki manometrycznej (3) powoduje wzrost jej objętości wewnętrznej V, czyli objętość ta jest funkcją ciśnienia p:

Rys.8 Termometr manometryczny cieczowy a) budowa b) i c) widok termometru manometrycznego do pomiarów zdalnych (z kapilarą) i miejscowych (bez kapilary): 1 - czujnik, 2 - kapilara, 3 - element sprężysty, 4 - segment zębaty, 5 - wskazówka, 6 - skala
 

Ciecz jako płyn nieściśliwy sprawia, że skala termometru cieczowego jest prawie liniowa, a długość kapilary nie wpływa na opóźnienie wskazań. W termometrach ciśnieniowych napełnionych rtęcią całe urządzenie jest wykonane ze stali - kapilary o średnicach wewnętrznych (0,1-0,3mm). Zakres pomiarowy od -30 do +600°C, ciśnienie cieczy do 15 MPa. W przypadku cieczy organicznych stosuje się miedź i jej stopy - kapilary o średnicach wewnętrznych (0,3 - 0,5) mm. Zakres pomiarowy od -30 do +350°C, ciśnienie cieczy do 5 MPa.
Wahania temperatury otoczenia wywołują zmiany objętości cieczy zawartej w kapilarze i w elemencie sprężystym manometru. Jako temperaturę odniesienia przyjmuje się 20°C. Jeżeli długość kapilary przekracza 10 m, wówczas termometr jest wyposażony w urządzenie kompensacji pełnej lub częściowej. Kompensacje pełną uzyskuje się przez zastosowanie drugiego identycznego układu kapilary i elementu
sprężystego bez czujnika. Obie kapilary są prowadzone na całej długości równolegle, a rurki sprężyste są tak połączone, że momenty wywołane odkształceniem rurek są skierowane przeciwnie. Ponieważ zmiany temperatur otoczenia wywołują jednakowe zmiany ciśnienia cieczy w obu zamkniętych układach pomiarowych, więc mimo długości kapilary do 50...60 m, przy wahaniach temperatury otoczenia do 
±30 K błąd wynikowy jest pomijalnie mały. Zadaniem kompensacji częściowej, z zastosowaniem
bimetalowego elementu pośredniczącego między elementem sprężystym a wskazówką (rys. 9b) jest kompensacja zmian temperatury miernika.



Rys. 9. Termometr manometryczny cieczowy: a) z pełną kompensacją błędu
temperaturowego, b) z kompensacją elementem bimetalowym: 1 - element sprężysty
układu pomiarowego, 2 - element sprężysty układu kompensacyjnego, 3 - segment
zębaty, 4 - kapilara kompensacyjna, 5 - bimetal

 

Termometry manometryczne parowe

 

Zasada działania termometrów parowych polega na wykorzystaniu właściwości,
że ciśnienie pary nasyconej jest jednoznaczną funkcją temperatury. Ponieważ funkcja ta jest nieliniowa, więc i skala termometru jest również nieliniowa (o działkach rozszerzających się). Termometr pod względem konstrukcyjnym (rys. 10) jest podobny do termometru manometrycznego cieczowego, różni się tylko wypełnieniem. Warunkiem poprawnego działania termometru jest, a
termom6.jpgby w czujniku występowały dwie 

fazy (ciecz i jej para), zaś w kapilarze i elemencie sprężystym jedna z faz, przy czym koniec kapilary musi być zawsze zanurzony w cieczy.




Fot. Termometr manometryczny cieczowy
 

Zakres pomiarowy termometru wypełnionego cieczą termometryczną musi
znajdować się w przedziale jej temperatury wrzenia (dla danego ciśnienia) i temperatury krytycznej. Ciecz powinna charakteryzować się niską temperaturą wrzenia.
W zależności od zastosowanej cieczy, otrzymuje się odpowiednie zakresy
pomiarowe, np. w zakresie temperatur od -70°C do + 30°C stosuje się dwutlenek węgla, w zakresie od 50 do 180°C - eter, a w zakresie od -30 do +650°C - rtęć. Czujnik termometru jest wypełniony w 2/3 objętości cieczą i w 1/3 objętości parą nasyconą - przy dolnym zakresie pomiarowym termometru. Ponieważ faza ciekła występuje zawsze w najchłodniejszej części układu, więc budowa termometru parowego zależy od wartości mierzonej temperatury względem wartości temperatury otoczenia. Można wyróżnić następujące podstawowe
wykonania termometrów manometrycznych parowych:


Rys.10
Termometry manometryczne parowe z czujnikami przeznaczonymi do pracy:
a) powyżej temperatury otoczenia,

 b) poniżej temperatury otoczenia,

 c) powyżej oraz poniżej temperatury otoczenia (z cieczą pośredniczącą):

1 - ciecz manometryczna,
2 - para cieczy manometrycznej,

3 - kapilara, 4 - element sprężysty, 5 - mieszek sprężysty, 6 - ciecz pośrednicząca (czujniki w powiększeniu)

 

− w termometrze do pomiaru temperatury powyżej temperatury otoczenia (termometry najczęściej stosowane) kapilara (3) i element sprężysty (4) są zawsze wypełnione cieczą, rys. 10a;
− w termometrze do pomiaru temperatury poniżej temperatury otoczenia kapilara (3) i element sprężysty są wypełnione parą, więc pojemność czujnika może być
mniejsza, rys. 10b;
− w termometrze z cieczą pośredniczącą, przeznaczonym do pomiaru w całym zakresie zmian temperatur, ciecz termometryczna (1) i jej para nasycona – znajdują się tylko w czujniku (rys. 10c) i poprzez mieszek sprężysty (5) oraz ciecz pośredniczącą (6), wypełniającą całkowicie kapilarę (3), oddziałują na element
sprężysty.
Czułość termometrów parowych jest dużo większa niż termometrów cieczowych. Aby błąd spowodowany wahaniami ciśnienia otoczenia mógł być pominięty, ciśnienie pary nasyconej powinno być większe od 0,4 MPa. Różnice poziomów umieszczenia czujnika i miernika powodują błąd, gdy kapilara i element sprężysty są wypełnione cieczą. Zmiany temperatury otoczenia nie wpływają na zmiany ciśnienia płynu w kapilarze, czyli nie wywołują dodatkowych błędów pomiaru. Ponieważ para jest płynem ściśliwym, więc długość kapilary wpływa na opóźnienie wskazań termometru. Termometry manometryczne parowe stosuje się przede wszystkim tam, gdzie występuje znaczne wahanie temperatury otoczenia.

 

Termometry gazowe

 

Zasada działania termometru gazowego polega na wykorzystaniu zmian ciśnienia gazu wraz ze zmianami temperatury.  Dla gazu zbliżonego do gazu doskonałego, cieplny współczynnik rozszerzalności gazu jest stały (const.)  i wówczas otrzymuje się liniową skalę termometru gazowego. Błędy wywołane zmianami temperatury otoczenia są tym mniejsze, im większa jest pojemność czujnika. Różnica poziomów czujnika i elementu sprężystego nie wywołuje błędów wskazań. Przy napełnieniu helem lub azotem otrzymuje się
zakres od -200°C do +500°C. Termometry gazowe nie znajdują zastosowania w pomiarach technicznych,
ponieważ termometry cieczowe i parowe posiadają korzystniejsze cechy eksploatacyjne.

Fot. Obok termometr gazowy TGR

 

 

6. Termometry termoelektryczne (termopary)

 

Zasada działania termometrów termoelektrycznych opiera się na zjawisku fizycznym, polegającym na zależności siły termoelektrycznej ogniwa termoelektrycznego od temperatury. Ogniwo termoelektryczne zwane termoelementem powstaje przez połączenie na jednym końcu dwóch przewodników, wykonanych z dwóch różnych materiałów (metali, stopów lub niemetali).
Zjawisko termoelektryczne odkryte w 1821 r. przez T. Seebecka jest wynikiem jednoczesnego występowania:

- zjawiska Peltiera (1834 r.) - polegającego na powstaniu pewnej siły elektromotorycznej w punkcie złączenia dwóch różnych metali;
- zjawiska Thomsona (1854 r.) - polegającego na powstaniu siły termoelektrycznej w jednorodnym przewodzie metalowym, jeżeli na jego długości występuje pewien gradient temperatury (końce przewodu mają różne temperatury).
Elektronowa budowa ciał wyjaśnia powstawanie siły termoelektrycznej, występowaniem swobodnych elektronów w metalach, ale pozwala tylko na jakościową ocenę tego zjawiska.

Termometr termoelektryczny składa się z trzech zasadniczych części (rys. 11):
- ogniwa termoelektrycznego o termoelektrodach A i B,
- przewodów C łączących ogniwo z przyrządem pomiarowym,
- miernika mierzącego siłę termoelektryczną, na przykład miliwoltomierza mV.

Rys.11 Budowa ideowa termometru termoelektrycznego

 

 

Termoelementy

 

Materiały na termoelementy powinny odpowiadać następującym wymaganiom:
- liniowość, powtarzalność i stałość charakterystyki E = f(t) w czasie eksploatacji,
- wysoka temperatura topnienia i wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej,
- duża czułość, czyli duża wartość,
- możliwie mała rezystywność,
- odporność na wpływy spotykane w warunkach eksploatacyjnych,
- niskie koszty i łatwość produkcji (m.in. odpowiednia ciągliwość materiału, co ułatwia formowanie drutów).
Aby otrzymać jak największą wartość siły
E(t) na termoelementy należy wybierać zestaw materiałów, które w tzw. szeregu termoelektrycznym znajdują się możliwie daleko od siebie. Szereg termoelektryczny powstał przez uszeregowanie materiałów według rosnącej wartości siły termoelektrycznej względem platyny.
Przyjęcie platyny wynika z jej wysokiej temperatury topnienia, stałości właściwości fizycznych i dużej odporności na wpływy atmosferyczne. Wartość siły termoelektrycznej w szeregu jest wyrażona jako czułość:
[µV /K]
Ze względu na zastosowany materiał termoelementy można podzielić na trzy zasadnicze grupy:
a) termoelementy z metali szlachetnych,
b) termoelementy z metali nieszlachetnych,
c) termoelementy z niemetali.
Do grup a) zalicza się przede wszystkim te termoelementy, w skład których wchodzi platyna.

Rys.12 wartość siły termoelektrycznej E w miliwoltach w zależności od temperatury dla różnych metali

TABELA 1. Średnie wartości czułości termoelektrycznej różnych materiałów względem platyny w
zakresie temperatur (0÷100)°C oraz wartości dopuszczalnej temperatury ciągłej pracy

  

W nazwie termoelementu na pierwszym miejscu podaje się zawsze materiał będący elektrodą dodatnią. Z tabeli 1 wynika, że największą czułością odznaczają się materiały nie będące metalami lub ich stopami. Ponieważ termoelementy wykonywane są jako druty, więc od materiału wymagana jest ciągliwość.
Tylko w specjalnych wykonaniach buduje się termoelementy z materiałów nie będących metalami. Dla przykładu termoelement z elektrodami Pt-tellur ma czułość 210 µV/K, zakres zastosowania do 300°C i jest wykorzystywany w pirometrach optycznych. Termoelement ten nie daje się formować w postaci drutów. Innym przykładem mogą być termoelementy wysokotemperaturowe:

- grafit-wolfram – wykonany jako drut wolframowy umieszczony w rurze grafitowej, zakres pracy do 1800°C,
- grafit-węglik krzemu – dający dużą siłę termoelektryczną, wynoszącą około 500 mV w temperaturze 1700°C,
- tantal-krzem – pręt tantalu umieszczony w rurze krzemo-karbidu; siła termoelektryczna wynosi około 500 mV w temperaturze 1400°C.
Na rys. 13 podano charakterystyki termoelektryczne termoelementów metalowych opisanych polskimi normami. Termoelement miedź-konstantan, oznaczenie T lub Cu-CuNi, jest stosowany w zakresie od -200 do +500°C, używany najczęściej w pomiarach laboratoryjnych. Nie może pracować w atmosferze utleniającej.
Termoelement chromel-kopel, oznaczenie Chromeł-Kopel (NiCr-NiCu), charakteryzuje się największą wartością siły termoelektrycznej spośród termoelementów metalowych, jest stosowany w zakresie od -50 do +600°C (dorywczo do 800°C).
  Termoelement, żelazo-konstantan, oznaczenie J lub Fe-CuNi (Fe-Konst), jest powszechnie stosowany ze względu na niską cenę, stosunkowo dużą wartość siły
termoelektrycznej i możliwość stosowania zarówno w atmosferze utleniającej jak i redukcyjnej. Zakres zastosowania od -200 do +600°C (dorywczo do +800°C). Termoelement ten powinien być chroniony od zetknięcia z gazami zawierającymi wilgoć, tlen i siarkę. Bliskim odpowiednikiem termoelementu Fe-Konst jest termoelement Fe-Kopel. Termoelement nikielchrom-nikielaluminium, oznaczenie K lub NiCr-NiAl jest odporny na atmosferę utleniającą, w wyższych temperaturach jest wrażliwy na atmosferę redukcyjną i na obecność związków siarki. Termoelement K odznacza się najwyższą temperaturą pracy z wszystkich innych termoelementów z metali nieszlachetnych do 1000°C (nawet do 1100°C). Ma on prawie prostoliniową charakterystykę termometryczną (podobne właściwości ma termoelement ChromelAlumel). Termoelement ten wyparł powszechnie stosowany NiCr-Ni. Termoelement platynarod-platyna, oznaczenie S lub PtRh10-Pt (90% Pt, 10% Rh-Pt) jest stosowany do 1300°C (dorywczo do 1600°C). Jest on najbardziej rozpowszechnionym termoelementem wykonanym z metali szlachetnych. Stosuje się go jako termoelement wzorcowy przy odtwarzaniu międzynarodowej skali temperatur.

Rys.13 Charakterystyki najpopularniejszych termoelementów.

 

Dla ochrony termoelementu od uszkodzeń mechanicznych i wpływu otoczenia, umieszcza się go w gazoszczelnej osłonie ochronnej. Termoelement wraz z ochronną osłoną tworzy czujnik termoelektryczny temperatury. Zakończeniem czujnika jest głowica, w której są umieszczone zaciski przyłączeniowe, rys. 14. Elektryczną izolację termoelektrod termoelementu stanowią ceramiczne rurki lub koraliki izolacyjne.
W najprostszym czujniku termoelektrycznym jak na rys. 14 zainstalowane termoelektrody, tworzące termoelement, są umieszczone bezpośrednio w osłonie ochronnej, przy czym do odizolowania spoiny termoelementu od dna osłony, jest stosowana ceramiczna osłonka (3).



Rys.14 Czujnik termoelektryczny prosty przeznaczony do pracy przy ciśnieniu atmosferycznym: 1 - termoelement, 2-ceramiczna rurka izolacyjna, 3 - osłonka ceramiczna, 4 - osłona ochronna, 5 - głowica, 6 - rura mocująca, 7 - kołnierz mocujący, 8 - zaciski przyłączeniowe, 9 – dławik
 

W takim wykonaniu istnieje dość duża szczelina pomiędzy spoiną a osłoną, powodująca zwiększenie błędu pomiaru temperatury. W wykonaniu, jak na rys. 15 b), termoelektrody zaizolowane dwuotworkowymi koralikami są umieszczone w metalowej rurowej osłonie o grubości ścianki 0,5 mm,
tworzącej wewnętrzną osłonę czujnika.

Materiały na osłony ochronne powinny charakteryzować się odpornością na:
- wysokie temperatury, naprężenia mechaniczne, drgania, korozję oraz erozję, a ponadto powinny odznaczać się dobrym przewodnictwem cieplnym i małą bezwładnością cieplną. Jako materiały na osłony stosuje się: żeliwa, stale konstrukcyjne, nierdzewne, kwasoodporne i żaroodporne oraz stopy żaroodporne i materiały ceramiczne. W zakresie temperatur 1100°C (1200°C) stosuje się osłony stalowe, przy czym termoelementy z metali szlachetnych zabezpiecza się dodatkowo gazoszczelną osłoną ceramiczną.
  Osłony termoelementów do pomiaru temperatur w warunkach ciśnieniowych wykonane są jako osłony cylindryczne (rys. 15a) z dnem dospawanym, a do najwyższych ciśnień jako masywne osłony o przekroju stożkowym (rys. 15c) z otwore

m wierconym, przy czym te osłony są wspawane w ściankę urządzenia. Zazwyczaj dla temperatur powyżej 1200°C stosuje się c

eramiczne osłony ochronne.


Rys.15. Ciśnieniowe czujniki termoelektryczne: a) czujnik cylindryczny, b) wkładka
pomiarowa, c) czujnik stożkowy; 1 - termoelektrody z izolacją, 2 - osłona
wewnętrzna, 3 - płytka zaciskowa


W technice sanitarnej stosowane są termopary dwóch typów:

- głowicowe

- kablowe

  

Termopary od lewej - kablowa, głowicowa

 

 

7. Termometry rezystancyjne

 

Zasada działania termometrów rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zjawiska zmian rezystancji przewodników lub półprzewodników prądu elektrycznego wraz z temperaturą. Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co zwiększa hamowanie ruchu elektronów i powoduje wzrost rezystywności. W półprzewodnikach liczba swobodnych elektronów szybko rośnie ze wzrostem temperatury, co powoduje, że na ogół ich rezystywność maleje ze wzrostem temperatury. Pomiar temperatury termometrami rezystancyjnymi polega na pomiarze rezystancji rezystora termometrycznego, tworzącego czujnik termometryczny (czujnik temperatury). Termometr rezystancyjny składa się z czujnika termometrycznego, przewodów łączeniowych, miernika elektrycznego oraz źródła zasilania prądem elektrycznym.
Metale stosowane na rezystory termometryczne powinny odpowiadać następującym wymaganiom:
- możliwie dużą wartość cieplnego współczynnika rezystywności, co zapewnia dużą czułość temperaturową czujnika,

- możliwie dużą rezystywność  co umożliwia wykonanie rezystorów o małych wymiarach,
- możliwie wysoką temperaturę topnienia,
- stałość właściwości fizycznych metalu, w wykorzystywanym zakresie temperatur,
- odporność na korozję,
- odtwarzalność właściwości fizycznych metalu, co zapewnia wymienialność rezystorów termometrycznych,
- łatwość obróbki plastycznej.
Ze względu na wymaganie łatwej odtwarzalności metalu na rezystory termometryczne stosuje się wyłącznie metale czyste, które mają poza tym większe współczynniki
niż ich stopy. Do wykonania rezystorów termometrycznych stosuje się przede wszystkim platynę, następnie nikiel i niekiedy miedź, tabela

Platyna (Pt) ma najlepsze zalety jako metal na rezystory termometryczne. Wyróżnia się dużą stałością właściwości fizycznych, jest kowalna i odporna na korozję.  Ponieważ zmiany rezystancji mogą być mierzone bardzo dokładnie, można więc za pomocą rezystancyjnego termometru platynowego mierzyć temperaturę z błędem mniejszym od ±0,001 K i jest on najdokładniejszym ze wszystkich termometrów.
Nikiel (Ni) charakteryzuje się dużym cieplnym współczynnikiem zmian rezystancji. Wykazuje dużą odporność na wpływy chemiczne i utlenianie w temperaturze do 250°C. W praktyce górny zakres stosowania niklu na rezystory termometryczne wynosi +180°C.
Miedź (Cu) jest łatwo dostępna i tania lecz mało odporna na utlenianie. Może być stosowana głównie w chłodnictwie i w temperaturach bliskich temperatury otoczenia. W zakresach temperatur stosowania charakterystyka termometryczna jest praktycznie liniowa. Wadą miedzi jest również stosunkowo mała wartość rezystywności
ρ, por. w powyższej tabeli.
Na rysunku 24 podano zależność Rt/R0
 w funkcji temperatury dla platyny, niklu i miedzi. Do pomiarów technicznych są powszechnie stosowane rezystory o rezystancji znamionowej 100 , oznaczone jako Pt100, Ni100 lub Cu100. Jedynie niektóre rezystory miniaturowe mają rezystancję 50 lub 46 . W tabeli 6 podano charakterystyki termometryczne rezystorów, a na rys. 16 dopuszczalne odchyłki temperatury dla poszczególnych rodzajów rezystorów z uwzględnieniem ich klasy.


Rys.16
Stosunek rezystancji Rt rezystora termometrycznego w temperaturze t do rezystancji R0 w temperaturze 0°C w funkcji temperatury t dla metali stosowanych na rezystory termometryczne

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TABELA Znormalizowane wartości rezystancji w  Ω rezystorów termometrycznych w zależności od temperatury


 

Aby pomierzyć rezystancję czujnika termometrycznego musi popłynąć przez niego prąd, który powinien być wystarczająco duży aby zapewnić odpowiednią dokładność pomiaru oraz powinien mieć w miarę możliwości małą wartość, aby wykluczyć istotny błąd, który może być spowodowany nagrzewaniem się rezystora (samopodgrzanie). Przyjmuje się, że prąd ten powinien mieć wartość ≤1 mA. Daje to
dla Pt100 spadek napięcia 0,1V przy 0
oC. Istotnym zagadnieniem przy pomiarze temperatury płynów jest sposób montażu czujników pomiarowych. Czujniki montowane są w szczelnych, metalowych obudowach w kształcie różnej długości rurek o średnicach Ø(3÷9) mm (rys. 17). Końcówki pomiarowe mogą być wyprowadzone w postaci wiązki elastycznych przewodów (czujniki kablowe) lub szczelnie zamykanej głowicy z zaciskami śrubowymi (czujniki głowicowe).

   Rys.17 Czujniki głowicowe i kablowe rezystancyjne. Pod względem budowy są niemal identyczne z termoparami.

Rys.18 Metody montażu w rurociągach.

 

8. Termometry radiacyjne

Zwane inaczej pirometrami radiacyjnymi służą do pomiaru temperatury bezdotykowo, na podstawie wielkości emisji promieniowania podczerwonego. W pirometrach radiacyjnych temperatura obiektu badanego jest określana na podstawie pomiaru mocy promieniowania w całym paśmie od poczerwieni do nadfioletu. Zależnie od użytego przetwornika promieniowania rozróżniamy termoelektryczne i fotoelektryczne. W pirometrach radiacyjnych promieniowanie od obiektu 

badanego przez układ optyczny natrafia na termostos ( przetwornik) , który zamienia energie promieniowania na energie cieplną.
Służą do pomiaru temperatury wewnątrz pieców przemysłowych oraz temperatury powierzchni ciał w zakresie 400 – 2500 °C. Dokładność pomiaru takich pirometrów wynosi ok. 2%.

 

9. Inne termometry

 

Do pomiaru temperatury przy braku wymagań co do jej dokładności, np. dla potwierdzenia jej minimalnej wartości mogą być stosowane wskaźniki temperatury takie jak:

- stożki Segera

- kredki termometryczne

- folie termometrycznepomiar22.jpg

 

Stożki Segera - wykonywane są jako ostrosłupy ścięte z materiału o różnej temperaturze mięknięcia. Stożek po osiągnięciu danej temperatury ulega zgięciu dotykając czubkiem podstawy. Proces zginania sie stożka traktowany jest jako punkt osiągnięcia danej temperatury. Umieszczając kilka stożków Segera o różnej temperaturze topnienia w piecu, można obserwować fazy osiągania kolejnych poziomów temperatury. Zakres pomiarowy stożków to od 600-2000ºC.

 

Fot. U góry stożki Segera (wikipedia)

    

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});