29

VJEŽBA 2 MJERENJE TEMPERATURE 4 OPĆENITO O MJERENJU TEMPERATURE 41 Temperatura i mjerenje S termodinamičkog stajališta moglo bi se reći da je najprikladnija definicija temperature po kojoj dva tijela koja su u toplinskoj ravnoteži imaju istu temperaturu Zbog takve definicije temperatura se zapravo i ne može mjeriti Mjere se uvijek neke druge veličine koje su jednoznačno s njom povezane a neke od njih su 1 Volumen tijela koji se mijenja s temperaturom (npr volumen žive u živinom

termometru) 2 Električna svojstva koja ovise o temperaturi

- električni otpor vodiča koji se mijenja s temperaturom - elektromotorna sila koja se javlja na spoju dvaju različitih metala a čiji iznos

ovisi o temperaturi 3 Mjerenje iznosa i raspodjele po spektru energije koju odzračuje tijelo čiju

temperaturu mjerimo (primjenjuje se pri višim temperaturama) Zbog nemogućnosti izravnog mjerenja same temperature definirane su temperaturne skale tj odabrane su dvije fizikalne pojave koje se uvijek odvijaju pri točno određenim temperaturama i njima su pridružene brojčane vrijednosti Kako je izbor tih pojava a isto tako i brojčanih vrijednosti koje se pridružuju tim točkama proizvoljan postoje razne više ili manje pogodno odabrane temperaturne skale od kojih su se danas u SI-mjernom sustavu održale samo dvije - Celsiusova (dopuštena) i Kelvinova (obvezna) a u angloameričkom sustavu se još koriste Fahrenheitova i Rankineova skala Samo mjerenje temperature temelji se na drugom postulatu ravnoteže ili nultom zakonu termodinamike koji glasi Ako se za neko tijelo C ustanovi da je u toplinskoj ravnoteži s tijelom A te da je osim toga u ravnoteži i s tijelom B onda su prema iskustvu i tijela A i B u toplinskoj ravnoteži Živin termometar neka bude tijelo C a npr voda koja se smrzava - tijelo A Zabilježi li se stanje tijela C (visinu stupca žive) i kasnije se ustanovi da je ta visina ista kad se tijelo C nalazi u ravnoteži s nekim tijelom B dolazi se do zaključka da bi i tijela A i B bila u toplinskoj ravnoteži da su kojim slučajem stvarno u dodiru U skladu s gornjom definicijom može se ustvrditi da tijela A i B imaju istu temperaturu Da se svaki put za svako tijelo čija se temperatura mjeri nebi trebalo raditi neki etalon s kojim ćemo to uspoređivati termometar se umjeri tako da se kad je u ravnoteži s jednim referentnim tijelom (npr vodom koja smrzava) označi nekom vrijednošću (npr 0 kod Celzijeve skale) a kad je u ravnoteži s drugim referentnim tijelom (npr vodom koja isparava) označi drugom vrijednošću (npr 100 kod Celzijeve skale) i zatim se ta skala (linearno) interpolira a po potrebi i ekstrapolira Iako su ledište i vrelište vode osnovne i definicijske referentne točke zato što jedan termometar ne može mjeriti sve moguće temperature za vrlo niske i vrlo visoke temperature postoji još niz takvih

30

referentnih točaka (primjerice trojna točka kisika je na -2187916 degC krutište zlata na +106418 degC) 42 Mjerne jedinice i skale za temperaturu Kelvinova skala (jedinica K Kelvin) je temeljna temperaturna skala SI-mjernog sustava To je tzv apsolutna ili termodinamička temperaturna skala jer joj je ishodište na apsolutnoj nuli Nastala je na temelju Celsiusove skale jednostavnim pomicanjem (translacijom) skale bez promjene same podjele skale Današnja je definicija da je to skala koja ima ishodište na apsolutnoj nuli a pri trojnoj točki vode (+001degC) ima vrijednost 27316 K Celsiusova skala (jedinica degC stupanj Celsiusa Celzijev stupanj) je stara i najraširenija skala koja se je održala jer je prilično spretno definirana - ima vrijednost 0 na ledištu vode i vrijednost 100 na vrelištu vode sve pri tlaku 101325 bara (760 mmHg) Zove se relativna skala jer su obje točke proizvoljno odabrane Fahrenheitova i Rankineova skala su vrlo slične gornjim dvjema skalama Iako je prvobitna definicija Fahrenheitove skale bila prilično egzotična i zapravo loše odabrana to je kasnije ispravljeno tako da je skala definirana vrijednošću 32 na ledištu vode i vrijednošću 212 na vrelištu vode sve pri tlaku 101325 bara Time je skala postala jednoznačno definirana i povezana s Celsiusovom (dakle internacionalno prihvaćenom) skalom Preračunavanje temperatura izraženih u različitim skalama može se izvršiti s pomoću izraza a) Kelvinova i Celsiusova skala

[ ]

C1K1C)(27315C)((K) o

o+deg= ϑT

[ ]K1C1(K)27315-(K)C)(

o

T=degϑ

b) Celsiusova i Fahrenheitova skala

[ ]F)(32-F)(

F)(9C)(5C)( degdegdegdeg

=deg ϑϑ

[ ]C)(32C)(C)(5F)(9F)( deg+degdegdeg

=deg ϑϑ

c) Rankineova i Fahrenheitova skala

[ ]

F1R1F)(67594F)((R)

o

degdeg+deg= ϑT

[ ]

R1F1R)(45967-R)(F)( o

oooT=degϑ

Međusobni se odnos brojčanih vrijednosti na sve četiri skale vidi na sl 41 Iz slike 41 se vidi da u istom rasponu temperatura između ledišta i vrelišta vode Celsiusova i Kelvinova skala imaju 100 podjela a Fahrenheitova i Rankinova 180 stoga proizlazi da je podjela na Fahrenheitovoj i Rankinovoj skali skoro dvostruko finija

31

Mjerenje temperature se zasniva na ovisnosti niza svojstava tijela o temperaturi tj promjeni tih svojstava u ovisnosti o temperaturi To su npr promjena volumena promjena tlaka zasićene pare promjena tlaka plina pri stalnom volumenu promjena električnog otpora materijala promjena elektromotorne sile i dr Temperatura se očitava na temperaturnoj skali koja se dobije dijeljenjem razlike temperature pokazivanja termometra dvije proizvoljno izabrane stalne točke temperature na određeni broj stupnjeva Stupanj je određeni dio intervala između dvije temeljne točke 43 Osjetnici za mjerenje temperature Osjetnici za mjerenje temperature mogu se svrstati u dvije osnovne skupine koje čine kontaktni i beskontaktni osjetnici KONTAKTNI (provođenje topline)

minus otpornički elementi minus termistori minus termopar minus poluvodički pn-spoj

BESKONTAKTNI (toplinsko zračenje)

minus infracrveni termometar minus piroelektrički termometar

Sl 41 Usporedni prikaz skala temperature

32

431 Otpornički elementi Kod ovih osjetnika promjena temperature manifestira se promjenom otpora osjetilnog elementa Za određivanje promjene otpora u ovisnosti o promjeni temperature koristi se pojednostavljeni linearni model

[ ])(1)( 00 TTRTR minus+= α (441) 1000 =R Ω referentni otpor pri o0 C gdje je α -temperaturni koeficijent

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ΩΩminus

=CR

RRo

0

0100

100α (442)

Promjena otpora pojedinih materijala u ovisnosti o promjeni temperature vidljiva je na sl42 Svi materijali za izradu elemenata otpornika imaju pozitivan temperaturni koeficijent tj kod svih elemenata otpornika porastom temperature raste i električni otpor osjetnika Za izradu otpornih temperaturnih osjetnika najčešće se koristi platina zbog svoje izvanredne stabilnosti Izraz kojim se određuje promjena otpora za osjetilni element Pt-100 je

[ ])100(1)( 320 minus+++= TTTTRTR γβα (443)

1000 =R Ω referentni otpor pri 0ordmC

310908023 minussdot=α [oC-1]

Sl 42 Promjena otpora u ovisnosti o temperaturi za različite materjale otpornika

Nikal

Platina

Slitina nikla

Bakar

RR

0

Temperatura ordmC

33

7108025 minussdotminus=β [oC-2]

⎪⎩

⎪⎨⎧

geforall

ltforallsdotminus=

minus

)0(0

)0( 10273504 12

o

o

T

Tγ [oC-4]

Neke norme koje određuju vrijednosti otpora Pt-100 otporničkog elementa DIN 43760 3851)C0()C100( =oo RR IEC 751 definira dvije klase industrijskih Pt otporničkih elemenata - Klasa A -200degC do 650degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn015 - Klasa B -20degC do 850degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn030 Usporedba najčešće korištenih materijala za elemente otpornika

Izvedbe otporničkih elemenata Platina je izvrstan vodič specični električni otpor platine je 110=ρ Ωmm2m Da bi se uz najmanji utrošak platine (mala masa i niska cijena) izradio otpornik čiji je otpor 100 Ω on se namata s vrlo tankom žicom debljine 7 divide 50 microm Zbog tako tanke žice otpornički elementi od platine osjetljivi su na prekid Žica se može namatati helikoidalno kao samostojna zavojnica sl43 ili se namata bifilarno (sa duplom žicom) na keramički trn sl 44 Ove izvedbe zbog svoje osjetljivosti se uglavnom upotrebljavaju u laboratorijske svrhe a manje u industrijskoj primjeni Otpornički elementi od platine izrađuju se još i nanošenjem tankog filma platine na keramičku podlogu Ove izvedbe su nešto robusnije i manje osjetljive (sl45) Kod ovih otpornika pojavljuje se problem samozagrijavanja zbog protoka struje dolazi do povišenja temperature samog otporničkog elementa Zbog toga se koriste struje iznosa do 1mA Radi smanjenja problema samozagrijavanja standardni otpornici imaju relativno mali otpor 025 25 ili 25 Ω Tipični izgled RTD osjetnika prikazan je na sl46

34

432 Termistori (engl Thermistors) Imaju za red veličine veći temperaturni koeficijent od otporničkih pretvornika a može biti negativan (NTC) ili pozitivan (PTC) tj otpor osjetnika može opadati ili rasti s porastom temperature Norme koje opisuju termistore DIN 44070 IEC 539

Sl 43 RTD neinduktivni bifilarni (sa duplom žicom) otpornik namotan na keramički trn

Sl 44 RTD otpornik sa žicom u obliku spirale [13]

Sl 45 RTD otpornik od platine nanešene u obliku tankog filma

na keramičku podlogu [13] Sl 46 Najčešći izgled RTD

otpornih osjetnika

Sl 47 Krivulje promjene otpora u ovisnosti o porastu temperature za različite tipove otpornih osjetnika

35

NTC termistori se najčešće izrađuju se od metalnih oksida (Fe2O3 MgCr2O4 hellip) Spadaju u najosjetljivije senzore temperature ali imaju nelinearnu ovisnost otpora o temperaturi R(T) a osjetljivost i temperaturni koeficijent ovise im o temperaturi Nelinearna ovisnost otpora o temperaturi R(T) opisuje se različitim funkcijama najčešće korištena eksponencijalna aproksimacija je

TB

eATR sdot=)( (444) gdje je B ndash konstanta ovisna o materijalu izražava se u kelvinima i kreće se u granicama od 2000 do 5000 K T ndash temperatura u Kelvinima Otpor R(T1) je zadan na nekoj referentnoj temperaturi T1 (najčešće 25degC) Iz tog podatka i izmjerenog otpora na temperaturi T2 može se odrediti mjerena temperatura

111)( T

B

eATR sdot= (445)

222 )( T

B

eATR sdot= (446)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

1

2

)()(

TTBeTRTR (447)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

12 )()( TTBeTRTR (448)

Sl 48 Promjena otpora NTC termistora u ovisnosti o temperaturi za za različita područja temperatura

36

Moguća točnost NTC termistora je od 01 do 02 ordmC u granicama od 0 do 70degC Problemi kod NTC termistora su samozagrijavanje i starenje Izvedbe NTC termistora

Sl 49 Različite izvedbe NTC temperaturnih osjetnika abe - ostakljena izvedba c - minijaturna izvedba d - izvedba u obliku podloške fg - izvedbe u kućištu

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

30

referentnih točaka (primjerice trojna točka kisika je na -2187916 degC krutište zlata na +106418 degC) 42 Mjerne jedinice i skale za temperaturu Kelvinova skala (jedinica K Kelvin) je temeljna temperaturna skala SI-mjernog sustava To je tzv apsolutna ili termodinamička temperaturna skala jer joj je ishodište na apsolutnoj nuli Nastala je na temelju Celsiusove skale jednostavnim pomicanjem (translacijom) skale bez promjene same podjele skale Današnja je definicija da je to skala koja ima ishodište na apsolutnoj nuli a pri trojnoj točki vode (+001degC) ima vrijednost 27316 K Celsiusova skala (jedinica degC stupanj Celsiusa Celzijev stupanj) je stara i najraširenija skala koja se je održala jer je prilično spretno definirana - ima vrijednost 0 na ledištu vode i vrijednost 100 na vrelištu vode sve pri tlaku 101325 bara (760 mmHg) Zove se relativna skala jer su obje točke proizvoljno odabrane Fahrenheitova i Rankineova skala su vrlo slične gornjim dvjema skalama Iako je prvobitna definicija Fahrenheitove skale bila prilično egzotična i zapravo loše odabrana to je kasnije ispravljeno tako da je skala definirana vrijednošću 32 na ledištu vode i vrijednošću 212 na vrelištu vode sve pri tlaku 101325 bara Time je skala postala jednoznačno definirana i povezana s Celsiusovom (dakle internacionalno prihvaćenom) skalom Preračunavanje temperatura izraženih u različitim skalama može se izvršiti s pomoću izraza a) Kelvinova i Celsiusova skala

[ ]

C1K1C)(27315C)((K) o

o+deg= ϑT

[ ]K1C1(K)27315-(K)C)(

o

T=degϑ

b) Celsiusova i Fahrenheitova skala

[ ]F)(32-F)(

F)(9C)(5C)( degdegdegdeg

=deg ϑϑ

[ ]C)(32C)(C)(5F)(9F)( deg+degdegdeg

=deg ϑϑ

c) Rankineova i Fahrenheitova skala

[ ]

F1R1F)(67594F)((R)

o

degdeg+deg= ϑT

[ ]

R1F1R)(45967-R)(F)( o

oooT=degϑ

Međusobni se odnos brojčanih vrijednosti na sve četiri skale vidi na sl 41 Iz slike 41 se vidi da u istom rasponu temperatura između ledišta i vrelišta vode Celsiusova i Kelvinova skala imaju 100 podjela a Fahrenheitova i Rankinova 180 stoga proizlazi da je podjela na Fahrenheitovoj i Rankinovoj skali skoro dvostruko finija

31

Mjerenje temperature se zasniva na ovisnosti niza svojstava tijela o temperaturi tj promjeni tih svojstava u ovisnosti o temperaturi To su npr promjena volumena promjena tlaka zasićene pare promjena tlaka plina pri stalnom volumenu promjena električnog otpora materijala promjena elektromotorne sile i dr Temperatura se očitava na temperaturnoj skali koja se dobije dijeljenjem razlike temperature pokazivanja termometra dvije proizvoljno izabrane stalne točke temperature na određeni broj stupnjeva Stupanj je određeni dio intervala između dvije temeljne točke 43 Osjetnici za mjerenje temperature Osjetnici za mjerenje temperature mogu se svrstati u dvije osnovne skupine koje čine kontaktni i beskontaktni osjetnici KONTAKTNI (provođenje topline)

minus otpornički elementi minus termistori minus termopar minus poluvodički pn-spoj

BESKONTAKTNI (toplinsko zračenje)

minus infracrveni termometar minus piroelektrički termometar

Sl 41 Usporedni prikaz skala temperature

32

431 Otpornički elementi Kod ovih osjetnika promjena temperature manifestira se promjenom otpora osjetilnog elementa Za određivanje promjene otpora u ovisnosti o promjeni temperature koristi se pojednostavljeni linearni model

[ ])(1)( 00 TTRTR minus+= α (441) 1000 =R Ω referentni otpor pri o0 C gdje je α -temperaturni koeficijent

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ΩΩminus

=CR

RRo

0

0100

100α (442)

Promjena otpora pojedinih materijala u ovisnosti o promjeni temperature vidljiva je na sl42 Svi materijali za izradu elemenata otpornika imaju pozitivan temperaturni koeficijent tj kod svih elemenata otpornika porastom temperature raste i električni otpor osjetnika Za izradu otpornih temperaturnih osjetnika najčešće se koristi platina zbog svoje izvanredne stabilnosti Izraz kojim se određuje promjena otpora za osjetilni element Pt-100 je

[ ])100(1)( 320 minus+++= TTTTRTR γβα (443)

1000 =R Ω referentni otpor pri 0ordmC

310908023 minussdot=α [oC-1]

Sl 42 Promjena otpora u ovisnosti o temperaturi za različite materjale otpornika

Nikal

Platina

Slitina nikla

Bakar

RR

0

Temperatura ordmC

33

7108025 minussdotminus=β [oC-2]

⎪⎩

⎪⎨⎧

geforall

ltforallsdotminus=

minus

)0(0

)0( 10273504 12

o

o

T

Tγ [oC-4]

Neke norme koje određuju vrijednosti otpora Pt-100 otporničkog elementa DIN 43760 3851)C0()C100( =oo RR IEC 751 definira dvije klase industrijskih Pt otporničkih elemenata - Klasa A -200degC do 650degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn015 - Klasa B -20degC do 850degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn030 Usporedba najčešće korištenih materijala za elemente otpornika

Izvedbe otporničkih elemenata Platina je izvrstan vodič specični električni otpor platine je 110=ρ Ωmm2m Da bi se uz najmanji utrošak platine (mala masa i niska cijena) izradio otpornik čiji je otpor 100 Ω on se namata s vrlo tankom žicom debljine 7 divide 50 microm Zbog tako tanke žice otpornički elementi od platine osjetljivi su na prekid Žica se može namatati helikoidalno kao samostojna zavojnica sl43 ili se namata bifilarno (sa duplom žicom) na keramički trn sl 44 Ove izvedbe zbog svoje osjetljivosti se uglavnom upotrebljavaju u laboratorijske svrhe a manje u industrijskoj primjeni Otpornički elementi od platine izrađuju se još i nanošenjem tankog filma platine na keramičku podlogu Ove izvedbe su nešto robusnije i manje osjetljive (sl45) Kod ovih otpornika pojavljuje se problem samozagrijavanja zbog protoka struje dolazi do povišenja temperature samog otporničkog elementa Zbog toga se koriste struje iznosa do 1mA Radi smanjenja problema samozagrijavanja standardni otpornici imaju relativno mali otpor 025 25 ili 25 Ω Tipični izgled RTD osjetnika prikazan je na sl46

34

432 Termistori (engl Thermistors) Imaju za red veličine veći temperaturni koeficijent od otporničkih pretvornika a može biti negativan (NTC) ili pozitivan (PTC) tj otpor osjetnika može opadati ili rasti s porastom temperature Norme koje opisuju termistore DIN 44070 IEC 539

Sl 43 RTD neinduktivni bifilarni (sa duplom žicom) otpornik namotan na keramički trn

Sl 44 RTD otpornik sa žicom u obliku spirale [13]

Sl 45 RTD otpornik od platine nanešene u obliku tankog filma

na keramičku podlogu [13] Sl 46 Najčešći izgled RTD

otpornih osjetnika

Sl 47 Krivulje promjene otpora u ovisnosti o porastu temperature za različite tipove otpornih osjetnika

35

NTC termistori se najčešće izrađuju se od metalnih oksida (Fe2O3 MgCr2O4 hellip) Spadaju u najosjetljivije senzore temperature ali imaju nelinearnu ovisnost otpora o temperaturi R(T) a osjetljivost i temperaturni koeficijent ovise im o temperaturi Nelinearna ovisnost otpora o temperaturi R(T) opisuje se različitim funkcijama najčešće korištena eksponencijalna aproksimacija je

TB

eATR sdot=)( (444) gdje je B ndash konstanta ovisna o materijalu izražava se u kelvinima i kreće se u granicama od 2000 do 5000 K T ndash temperatura u Kelvinima Otpor R(T1) je zadan na nekoj referentnoj temperaturi T1 (najčešće 25degC) Iz tog podatka i izmjerenog otpora na temperaturi T2 može se odrediti mjerena temperatura

111)( T

B

eATR sdot= (445)

222 )( T

B

eATR sdot= (446)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

1

2

)()(

TTBeTRTR (447)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

12 )()( TTBeTRTR (448)

Sl 48 Promjena otpora NTC termistora u ovisnosti o temperaturi za za različita područja temperatura

36

Moguća točnost NTC termistora je od 01 do 02 ordmC u granicama od 0 do 70degC Problemi kod NTC termistora su samozagrijavanje i starenje Izvedbe NTC termistora

Sl 49 Različite izvedbe NTC temperaturnih osjetnika abe - ostakljena izvedba c - minijaturna izvedba d - izvedba u obliku podloške fg - izvedbe u kućištu

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

31

Mjerenje temperature se zasniva na ovisnosti niza svojstava tijela o temperaturi tj promjeni tih svojstava u ovisnosti o temperaturi To su npr promjena volumena promjena tlaka zasićene pare promjena tlaka plina pri stalnom volumenu promjena električnog otpora materijala promjena elektromotorne sile i dr Temperatura se očitava na temperaturnoj skali koja se dobije dijeljenjem razlike temperature pokazivanja termometra dvije proizvoljno izabrane stalne točke temperature na određeni broj stupnjeva Stupanj je određeni dio intervala između dvije temeljne točke 43 Osjetnici za mjerenje temperature Osjetnici za mjerenje temperature mogu se svrstati u dvije osnovne skupine koje čine kontaktni i beskontaktni osjetnici KONTAKTNI (provođenje topline)

minus otpornički elementi minus termistori minus termopar minus poluvodički pn-spoj

BESKONTAKTNI (toplinsko zračenje)

minus infracrveni termometar minus piroelektrički termometar

Sl 41 Usporedni prikaz skala temperature

32

431 Otpornički elementi Kod ovih osjetnika promjena temperature manifestira se promjenom otpora osjetilnog elementa Za određivanje promjene otpora u ovisnosti o promjeni temperature koristi se pojednostavljeni linearni model

[ ])(1)( 00 TTRTR minus+= α (441) 1000 =R Ω referentni otpor pri o0 C gdje je α -temperaturni koeficijent

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ΩΩminus

=CR

RRo

0

0100

100α (442)

Promjena otpora pojedinih materijala u ovisnosti o promjeni temperature vidljiva je na sl42 Svi materijali za izradu elemenata otpornika imaju pozitivan temperaturni koeficijent tj kod svih elemenata otpornika porastom temperature raste i električni otpor osjetnika Za izradu otpornih temperaturnih osjetnika najčešće se koristi platina zbog svoje izvanredne stabilnosti Izraz kojim se određuje promjena otpora za osjetilni element Pt-100 je

[ ])100(1)( 320 minus+++= TTTTRTR γβα (443)

1000 =R Ω referentni otpor pri 0ordmC

310908023 minussdot=α [oC-1]

Sl 42 Promjena otpora u ovisnosti o temperaturi za različite materjale otpornika

Nikal

Platina

Slitina nikla

Bakar

RR

0

Temperatura ordmC

33

7108025 minussdotminus=β [oC-2]

⎪⎩

⎪⎨⎧

geforall

ltforallsdotminus=

minus

)0(0

)0( 10273504 12

o

o

T

Tγ [oC-4]

Neke norme koje određuju vrijednosti otpora Pt-100 otporničkog elementa DIN 43760 3851)C0()C100( =oo RR IEC 751 definira dvije klase industrijskih Pt otporničkih elemenata - Klasa A -200degC do 650degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn015 - Klasa B -20degC do 850degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn030 Usporedba najčešće korištenih materijala za elemente otpornika

Izvedbe otporničkih elemenata Platina je izvrstan vodič specični električni otpor platine je 110=ρ Ωmm2m Da bi se uz najmanji utrošak platine (mala masa i niska cijena) izradio otpornik čiji je otpor 100 Ω on se namata s vrlo tankom žicom debljine 7 divide 50 microm Zbog tako tanke žice otpornički elementi od platine osjetljivi su na prekid Žica se može namatati helikoidalno kao samostojna zavojnica sl43 ili se namata bifilarno (sa duplom žicom) na keramički trn sl 44 Ove izvedbe zbog svoje osjetljivosti se uglavnom upotrebljavaju u laboratorijske svrhe a manje u industrijskoj primjeni Otpornički elementi od platine izrađuju se još i nanošenjem tankog filma platine na keramičku podlogu Ove izvedbe su nešto robusnije i manje osjetljive (sl45) Kod ovih otpornika pojavljuje se problem samozagrijavanja zbog protoka struje dolazi do povišenja temperature samog otporničkog elementa Zbog toga se koriste struje iznosa do 1mA Radi smanjenja problema samozagrijavanja standardni otpornici imaju relativno mali otpor 025 25 ili 25 Ω Tipični izgled RTD osjetnika prikazan je na sl46

34

432 Termistori (engl Thermistors) Imaju za red veličine veći temperaturni koeficijent od otporničkih pretvornika a može biti negativan (NTC) ili pozitivan (PTC) tj otpor osjetnika može opadati ili rasti s porastom temperature Norme koje opisuju termistore DIN 44070 IEC 539

Sl 43 RTD neinduktivni bifilarni (sa duplom žicom) otpornik namotan na keramički trn

Sl 44 RTD otpornik sa žicom u obliku spirale [13]

Sl 45 RTD otpornik od platine nanešene u obliku tankog filma

na keramičku podlogu [13] Sl 46 Najčešći izgled RTD

otpornih osjetnika

Sl 47 Krivulje promjene otpora u ovisnosti o porastu temperature za različite tipove otpornih osjetnika

35

NTC termistori se najčešće izrađuju se od metalnih oksida (Fe2O3 MgCr2O4 hellip) Spadaju u najosjetljivije senzore temperature ali imaju nelinearnu ovisnost otpora o temperaturi R(T) a osjetljivost i temperaturni koeficijent ovise im o temperaturi Nelinearna ovisnost otpora o temperaturi R(T) opisuje se različitim funkcijama najčešće korištena eksponencijalna aproksimacija je

TB

eATR sdot=)( (444) gdje je B ndash konstanta ovisna o materijalu izražava se u kelvinima i kreće se u granicama od 2000 do 5000 K T ndash temperatura u Kelvinima Otpor R(T1) je zadan na nekoj referentnoj temperaturi T1 (najčešće 25degC) Iz tog podatka i izmjerenog otpora na temperaturi T2 može se odrediti mjerena temperatura

111)( T

B

eATR sdot= (445)

222 )( T

B

eATR sdot= (446)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

1

2

)()(

TTBeTRTR (447)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

12 )()( TTBeTRTR (448)

Sl 48 Promjena otpora NTC termistora u ovisnosti o temperaturi za za različita područja temperatura

36

Moguća točnost NTC termistora je od 01 do 02 ordmC u granicama od 0 do 70degC Problemi kod NTC termistora su samozagrijavanje i starenje Izvedbe NTC termistora

Sl 49 Različite izvedbe NTC temperaturnih osjetnika abe - ostakljena izvedba c - minijaturna izvedba d - izvedba u obliku podloške fg - izvedbe u kućištu

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

32

431 Otpornički elementi Kod ovih osjetnika promjena temperature manifestira se promjenom otpora osjetilnog elementa Za određivanje promjene otpora u ovisnosti o promjeni temperature koristi se pojednostavljeni linearni model

[ ])(1)( 00 TTRTR minus+= α (441) 1000 =R Ω referentni otpor pri o0 C gdje je α -temperaturni koeficijent

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ΩΩminus

=CR

RRo

0

0100

100α (442)

Promjena otpora pojedinih materijala u ovisnosti o promjeni temperature vidljiva je na sl42 Svi materijali za izradu elemenata otpornika imaju pozitivan temperaturni koeficijent tj kod svih elemenata otpornika porastom temperature raste i električni otpor osjetnika Za izradu otpornih temperaturnih osjetnika najčešće se koristi platina zbog svoje izvanredne stabilnosti Izraz kojim se određuje promjena otpora za osjetilni element Pt-100 je

[ ])100(1)( 320 minus+++= TTTTRTR γβα (443)

1000 =R Ω referentni otpor pri 0ordmC

310908023 minussdot=α [oC-1]

Sl 42 Promjena otpora u ovisnosti o temperaturi za različite materjale otpornika

Nikal

Platina

Slitina nikla

Bakar

RR

0

Temperatura ordmC

33

7108025 minussdotminus=β [oC-2]

⎪⎩

⎪⎨⎧

geforall

ltforallsdotminus=

minus

)0(0

)0( 10273504 12

o

o

T

Tγ [oC-4]

Neke norme koje određuju vrijednosti otpora Pt-100 otporničkog elementa DIN 43760 3851)C0()C100( =oo RR IEC 751 definira dvije klase industrijskih Pt otporničkih elemenata - Klasa A -200degC do 650degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn015 - Klasa B -20degC do 850degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn030 Usporedba najčešće korištenih materijala za elemente otpornika

Izvedbe otporničkih elemenata Platina je izvrstan vodič specični električni otpor platine je 110=ρ Ωmm2m Da bi se uz najmanji utrošak platine (mala masa i niska cijena) izradio otpornik čiji je otpor 100 Ω on se namata s vrlo tankom žicom debljine 7 divide 50 microm Zbog tako tanke žice otpornički elementi od platine osjetljivi su na prekid Žica se može namatati helikoidalno kao samostojna zavojnica sl43 ili se namata bifilarno (sa duplom žicom) na keramički trn sl 44 Ove izvedbe zbog svoje osjetljivosti se uglavnom upotrebljavaju u laboratorijske svrhe a manje u industrijskoj primjeni Otpornički elementi od platine izrađuju se još i nanošenjem tankog filma platine na keramičku podlogu Ove izvedbe su nešto robusnije i manje osjetljive (sl45) Kod ovih otpornika pojavljuje se problem samozagrijavanja zbog protoka struje dolazi do povišenja temperature samog otporničkog elementa Zbog toga se koriste struje iznosa do 1mA Radi smanjenja problema samozagrijavanja standardni otpornici imaju relativno mali otpor 025 25 ili 25 Ω Tipični izgled RTD osjetnika prikazan je na sl46

34

432 Termistori (engl Thermistors) Imaju za red veličine veći temperaturni koeficijent od otporničkih pretvornika a može biti negativan (NTC) ili pozitivan (PTC) tj otpor osjetnika može opadati ili rasti s porastom temperature Norme koje opisuju termistore DIN 44070 IEC 539

Sl 43 RTD neinduktivni bifilarni (sa duplom žicom) otpornik namotan na keramički trn

Sl 44 RTD otpornik sa žicom u obliku spirale [13]

Sl 45 RTD otpornik od platine nanešene u obliku tankog filma

na keramičku podlogu [13] Sl 46 Najčešći izgled RTD

otpornih osjetnika

Sl 47 Krivulje promjene otpora u ovisnosti o porastu temperature za različite tipove otpornih osjetnika

35

NTC termistori se najčešće izrađuju se od metalnih oksida (Fe2O3 MgCr2O4 hellip) Spadaju u najosjetljivije senzore temperature ali imaju nelinearnu ovisnost otpora o temperaturi R(T) a osjetljivost i temperaturni koeficijent ovise im o temperaturi Nelinearna ovisnost otpora o temperaturi R(T) opisuje se različitim funkcijama najčešće korištena eksponencijalna aproksimacija je

TB

eATR sdot=)( (444) gdje je B ndash konstanta ovisna o materijalu izražava se u kelvinima i kreće se u granicama od 2000 do 5000 K T ndash temperatura u Kelvinima Otpor R(T1) je zadan na nekoj referentnoj temperaturi T1 (najčešće 25degC) Iz tog podatka i izmjerenog otpora na temperaturi T2 može se odrediti mjerena temperatura

111)( T

B

eATR sdot= (445)

222 )( T

B

eATR sdot= (446)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

1

2

)()(

TTBeTRTR (447)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

12 )()( TTBeTRTR (448)

Sl 48 Promjena otpora NTC termistora u ovisnosti o temperaturi za za različita područja temperatura

36

Moguća točnost NTC termistora je od 01 do 02 ordmC u granicama od 0 do 70degC Problemi kod NTC termistora su samozagrijavanje i starenje Izvedbe NTC termistora

Sl 49 Različite izvedbe NTC temperaturnih osjetnika abe - ostakljena izvedba c - minijaturna izvedba d - izvedba u obliku podloške fg - izvedbe u kućištu

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

33

7108025 minussdotminus=β [oC-2]

⎪⎩

⎪⎨⎧

geforall

ltforallsdotminus=

minus

)0(0

)0( 10273504 12

o

o

T

Tγ [oC-4]

Neke norme koje određuju vrijednosti otpora Pt-100 otporničkog elementa DIN 43760 3851)C0()C100( =oo RR IEC 751 definira dvije klase industrijskih Pt otporničkih elemenata - Klasa A -200degC do 650degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn015 - Klasa B -20degC do 850degC tolerancija pri 0degC iznosi plusmn030 Usporedba najčešće korištenih materijala za elemente otpornika

Izvedbe otporničkih elemenata Platina je izvrstan vodič specični električni otpor platine je 110=ρ Ωmm2m Da bi se uz najmanji utrošak platine (mala masa i niska cijena) izradio otpornik čiji je otpor 100 Ω on se namata s vrlo tankom žicom debljine 7 divide 50 microm Zbog tako tanke žice otpornički elementi od platine osjetljivi su na prekid Žica se može namatati helikoidalno kao samostojna zavojnica sl43 ili se namata bifilarno (sa duplom žicom) na keramički trn sl 44 Ove izvedbe zbog svoje osjetljivosti se uglavnom upotrebljavaju u laboratorijske svrhe a manje u industrijskoj primjeni Otpornički elementi od platine izrađuju se još i nanošenjem tankog filma platine na keramičku podlogu Ove izvedbe su nešto robusnije i manje osjetljive (sl45) Kod ovih otpornika pojavljuje se problem samozagrijavanja zbog protoka struje dolazi do povišenja temperature samog otporničkog elementa Zbog toga se koriste struje iznosa do 1mA Radi smanjenja problema samozagrijavanja standardni otpornici imaju relativno mali otpor 025 25 ili 25 Ω Tipični izgled RTD osjetnika prikazan je na sl46

34

432 Termistori (engl Thermistors) Imaju za red veličine veći temperaturni koeficijent od otporničkih pretvornika a može biti negativan (NTC) ili pozitivan (PTC) tj otpor osjetnika može opadati ili rasti s porastom temperature Norme koje opisuju termistore DIN 44070 IEC 539

Sl 43 RTD neinduktivni bifilarni (sa duplom žicom) otpornik namotan na keramički trn

Sl 44 RTD otpornik sa žicom u obliku spirale [13]

Sl 45 RTD otpornik od platine nanešene u obliku tankog filma

na keramičku podlogu [13] Sl 46 Najčešći izgled RTD

otpornih osjetnika

Sl 47 Krivulje promjene otpora u ovisnosti o porastu temperature za različite tipove otpornih osjetnika

35

NTC termistori se najčešće izrađuju se od metalnih oksida (Fe2O3 MgCr2O4 hellip) Spadaju u najosjetljivije senzore temperature ali imaju nelinearnu ovisnost otpora o temperaturi R(T) a osjetljivost i temperaturni koeficijent ovise im o temperaturi Nelinearna ovisnost otpora o temperaturi R(T) opisuje se različitim funkcijama najčešće korištena eksponencijalna aproksimacija je

TB

eATR sdot=)( (444) gdje je B ndash konstanta ovisna o materijalu izražava se u kelvinima i kreće se u granicama od 2000 do 5000 K T ndash temperatura u Kelvinima Otpor R(T1) je zadan na nekoj referentnoj temperaturi T1 (najčešće 25degC) Iz tog podatka i izmjerenog otpora na temperaturi T2 može se odrediti mjerena temperatura

111)( T

B

eATR sdot= (445)

222 )( T

B

eATR sdot= (446)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

1

2

)()(

TTBeTRTR (447)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

12 )()( TTBeTRTR (448)

Sl 48 Promjena otpora NTC termistora u ovisnosti o temperaturi za za različita područja temperatura

36

Moguća točnost NTC termistora je od 01 do 02 ordmC u granicama od 0 do 70degC Problemi kod NTC termistora su samozagrijavanje i starenje Izvedbe NTC termistora

Sl 49 Različite izvedbe NTC temperaturnih osjetnika abe - ostakljena izvedba c - minijaturna izvedba d - izvedba u obliku podloške fg - izvedbe u kućištu

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

34

432 Termistori (engl Thermistors) Imaju za red veličine veći temperaturni koeficijent od otporničkih pretvornika a može biti negativan (NTC) ili pozitivan (PTC) tj otpor osjetnika može opadati ili rasti s porastom temperature Norme koje opisuju termistore DIN 44070 IEC 539

Sl 43 RTD neinduktivni bifilarni (sa duplom žicom) otpornik namotan na keramički trn

Sl 44 RTD otpornik sa žicom u obliku spirale [13]

Sl 45 RTD otpornik od platine nanešene u obliku tankog filma

na keramičku podlogu [13] Sl 46 Najčešći izgled RTD

otpornih osjetnika

Sl 47 Krivulje promjene otpora u ovisnosti o porastu temperature za različite tipove otpornih osjetnika

35

NTC termistori se najčešće izrađuju se od metalnih oksida (Fe2O3 MgCr2O4 hellip) Spadaju u najosjetljivije senzore temperature ali imaju nelinearnu ovisnost otpora o temperaturi R(T) a osjetljivost i temperaturni koeficijent ovise im o temperaturi Nelinearna ovisnost otpora o temperaturi R(T) opisuje se različitim funkcijama najčešće korištena eksponencijalna aproksimacija je

TB

eATR sdot=)( (444) gdje je B ndash konstanta ovisna o materijalu izražava se u kelvinima i kreće se u granicama od 2000 do 5000 K T ndash temperatura u Kelvinima Otpor R(T1) je zadan na nekoj referentnoj temperaturi T1 (najčešće 25degC) Iz tog podatka i izmjerenog otpora na temperaturi T2 može se odrediti mjerena temperatura

111)( T

B

eATR sdot= (445)

222 )( T

B

eATR sdot= (446)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

1

2

)()(

TTBeTRTR (447)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

12 )()( TTBeTRTR (448)

Sl 48 Promjena otpora NTC termistora u ovisnosti o temperaturi za za različita područja temperatura

36

Moguća točnost NTC termistora je od 01 do 02 ordmC u granicama od 0 do 70degC Problemi kod NTC termistora su samozagrijavanje i starenje Izvedbe NTC termistora

Sl 49 Različite izvedbe NTC temperaturnih osjetnika abe - ostakljena izvedba c - minijaturna izvedba d - izvedba u obliku podloške fg - izvedbe u kućištu

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

35

NTC termistori se najčešće izrađuju se od metalnih oksida (Fe2O3 MgCr2O4 hellip) Spadaju u najosjetljivije senzore temperature ali imaju nelinearnu ovisnost otpora o temperaturi R(T) a osjetljivost i temperaturni koeficijent ovise im o temperaturi Nelinearna ovisnost otpora o temperaturi R(T) opisuje se različitim funkcijama najčešće korištena eksponencijalna aproksimacija je

TB

eATR sdot=)( (444) gdje je B ndash konstanta ovisna o materijalu izražava se u kelvinima i kreće se u granicama od 2000 do 5000 K T ndash temperatura u Kelvinima Otpor R(T1) je zadan na nekoj referentnoj temperaturi T1 (najčešće 25degC) Iz tog podatka i izmjerenog otpora na temperaturi T2 može se odrediti mjerena temperatura

111)( T

B

eATR sdot= (445)

222 )( T

B

eATR sdot= (446)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

1

2

)()(

TTBeTRTR (447)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛minus

= 12

11

12 )()( TTBeTRTR (448)

Sl 48 Promjena otpora NTC termistora u ovisnosti o temperaturi za za različita područja temperatura

36

Moguća točnost NTC termistora je od 01 do 02 ordmC u granicama od 0 do 70degC Problemi kod NTC termistora su samozagrijavanje i starenje Izvedbe NTC termistora

Sl 49 Različite izvedbe NTC temperaturnih osjetnika abe - ostakljena izvedba c - minijaturna izvedba d - izvedba u obliku podloške fg - izvedbe u kućištu

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

36

Moguća točnost NTC termistora je od 01 do 02 ordmC u granicama od 0 do 70degC Problemi kod NTC termistora su samozagrijavanje i starenje Izvedbe NTC termistora

Sl 49 Različite izvedbe NTC temperaturnih osjetnika abe - ostakljena izvedba c - minijaturna izvedba d - izvedba u obliku podloške fg - izvedbe u kućištu

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

37

PTC termistori PTC termistorima otpor raste s porastom temperature za razliku od NTC termistora kojima otpor pada s porastom temperature Izrađuju se od smjese barij-karbonata stroncij-oksida i titan-oksida Zbog vrlo strme )(TR karakteristike ne koriste se za mjerenje temperature nego kao element za toplinsku zaštitu Promjena otpora s temperaturom je izrazito nelinearna što se vidi na sl410

Sl 410 Promjena otpora PTC termistora u ovisnosti o promjeni temperature

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

38

Izvedbe PTC termistora Sl 411 različite izvedbe PTC termistora

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

39

433 Termoparovi Termoelektričnom pojavom naziva se međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje Tu su značajni Seebeckov i Thomsonov efekt 1 Seebeckov efekt Ako je strujni krug izrađen iz dva različita materijala i ako se spojevi održavaju na različitim temperaturama pojavit će se električni napon Razlika napona je

dxdxdTdUa 12α= (449)

Za homogeni materijal 12α je konstantno duž vodiča pa možemo pisati

( ) TTU Δ=Δminus=Δ 1221 ααα (4410) α - Seebeckov koeficijent VK-1

TΔ - razlika temperatura K UΔ - razlika napona V

Primjer za željezo (Fe) je 5121 =α μVK-1 dok je za konstantan (Ko) 392 minus=α μVK-1

( )[ ] 5513951212 =minusminus=α μVK-1

Poluvodiči imaju veće koeficijente pa je npr 1000=Seα μVK-1 a 770minus=MoSα μVK-1 2 Thomsonov efekt (William Thomson ndash lord Kelvin 1857 g) Kad vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu od okoline ovisno o smjeru struje Vodič će preuzimati toplinu ako struja teče prema području viših temperatura a predavat će je okolini kad je smjer struje prema području nižih temperatura Ako je između dva susjedna presjeka nekog vodiča razlika temperature Td toplinski učinak koji vodič izmjenjuje može se prikazati izrazom

TIQ dd τ=amp (4411) ili

int=2

1

dT

T

TIQ τamp (4412)

gdje su 1T i 2T temperature na početku i kraju vodiča τ - Thomsonov koeficijent VK-1 I - struja A Qamp - toplinski učinak W

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

40

Nasuprot Seebeckovu efektu koji je posljedica različitih svojstava materijala Thomsonov se efekt pojavljuje u homogenim vodičima Termopar aktivni pretvornik koristi termoelektrički efekt ndash Seebeckov efekt Radi se o izravnoj pretvorbi toplinske u električnu energiju Svojstva termoparova opisuje norma IEC584

Sl 412 Termopar

)( 21 TTU minus= α (4413) Gdje je α - Seebeckov koeficijent koji tipično iznosi od 5 ndash 50 microVK 1T - temperatura mjernog objekta 2T - referentna temperatura npr temperatura okoline Temeljna pravila spajanja termoparova 1 Zakon homogenog materijala Termoelektrički efekt se ne javlja u strujnom krugu iz jednakih materijala 2 Zakon ubačenog materijala Algebarska suma termoelektričkih napona u strujnom krugu koji se sastoji od više spojeva različitih materijala biti će nula ako su svi spojevi na istoj temperaturi Zahvaljujući ovom zakonu možemo ubaciti voltmetar u strujni krug a da ne utječemo na pokazivanje Spoj se smije ostvariti trećim metalom npr lemljenjem (metal rdquoCrdquo)

Sl 413 Uz zakon ubačenog materijala 3 Zakon sumacije međutemperature Ako (T1 T2) daje U1 i (T2 T3) daje U2 tada (T1 T3) daje U1+U2

Sl 414 Uz zakon sumacije međutemperature

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

41

U sljedećoj tablici prikazana je usporedba standardnih tipova termoparovakoji se označavaju oznakom JKNTR Parametar J K N T R ϑ min [degC] -40 -200 -230 -250 -50 ϑ max [degC] +850 +1100 +1230 +400 +1350 Točnost [degC] klasa 2

plusmn25 plusmn25 plusmn25 plusmn1 plusmn2

+ materijal Fe

Chromel 90 Ni 10 Cr

Nicrosil 84 Ni 14 Cr ostalo Si Fe C

Cu Pt

- materijal

Constantan 55 Cu 45 Ni

Alumel 95 Ni 2Al 2 Mn 1 Si

Nisil 95 Ni 45 Si ostalo Fe C Mg Cr

Constantan 55 Cu 45 Ni 7 Pt

13 Rh

Seebeckov koeficijent α [microVK] pri 273 K

50 39 39 39 5

Kompenzacija temperature hladnog kraja Ako je temperatura okoline T2 konstantna tada je napon U proporcionalan sa temperaturom mjerenog objekta T1

Sl 415 Kompenzacija temperature hladnog kraja Referentnu temperaturu T2 može se održavati konstantnom) na više načina npr - držanjem hladnog kraja u posudi sa komadićima leda 0degC - upotrebom Peltierovog rashladnog uređaja - električnim grijačem

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

42

Na sljedećim slikama vidi se promjena napona i Seebeckovog koeficijenta s temperaturom

Sažeti pregled glavnih karakteristika temperaturnih osjetnika prikazan je u sljedećoj tablici

Sl 416 Promjena napona u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova [13]

Sl 417 Promjena Seebeckovog koeficijenta u ovisnosti o temperaturi za različite tipove termoparova

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

43

5 TERMOMETRI Podjela po načinu mjerenja

- plinski termometri - otporni termometri - termoelementi - termometri punjeni tekućinom - beskontaktni termometri (pirometri IC termografija) - posebni termometri

51 Plinski termometri Na sl 51 se nalazi plinski termometar Mjerenje se svodi na mjerenje tlakova koji se pomoću toplinska jednadžbe stanja preračunaju u T (K) a iz toga u ϑ (˚C) Zbog svoje točnosti prvenstveno služe za baždarenje ostalih termometara Najveći im je nedostatak što pri visokim temperaturama živa(1200˚C) propušta helij i vodik Toplinska jednadžba stanja idealnih plinova

MRTpV = (511) gdje je p [Pa] - tlak T [K] - temperatura V [m3]-volumen plina M [kg] -masa plina R [kJkgK]- plinska konstanta za određeni plin Sređivanjem jednadžbe 511 za dva različita stanja plina u termometru sa slike 51 dobivamo izraz

etar

Sl 51 Plinski termometar

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

44

vref

ref ppTT ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (512)

gdje je pref -tlak plina pri referentnoj temperaturi (Tref)

52 Termometri punjeni tekućinom Mjerenje temperature se zasniva na pojavi promjene volumena tekućine s promjenom temperature Kao medij se obično upotrebljava živa ili alkohol koji se oboji radi lakšeg očitavanja sl 53 Najčešće se koriste u laboratorijskoj i medicinskoj primjeni Krhki su i lako lomljivi pa se njima treba pažljivo rukovati Radi zaštite od loma često se koriste u zaštitnim kućištima sl 54 Stabilni su i relativno jeftini Prikaz temperaturnih mjernih područja za različite tekućine

Tekućina Temperaturno mjerno područje Pentan -200 divide +20degC Alkohol -110 divide +50degC Toluol -70 divide +100degC Živa bez plinskog punjenja -30 divide +280degC Živa s plinskim punjenjem -30 divide +750degC

metar

Sl 53 Termometar punjen tekućinom

Sl 54 Termometar punjen tekućinom u zaštitnom kućištu

r

Sl 52 Ovisnost tlaka plina o temperaturi pri konstantnom volumenu

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

45

53 Posebni termometri Neke od posebnih izvedbi termometara su - Maksimum-termometar (pokazuje najvišu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Minimum-termometar (pokazuje najnižu temperaturu postignutu u nekom

vremenskom razdoblju) - Termograf - sl 510 (sprava za registriranje temperaturnih promjena u toku nekog

vremenskog razdoblja npr 24 sata) - Kapilarni termometar ndash sl 55 ( pogodan je za mjerenje temperatura kad je mjerno

mjesto nepristupačno 54 Otpornički termometri Principijelna shema otporničkog termometra vidi se na sl 56 Ovi termometri imaju ugrađen otporni osjetilni element Promjena temperature ima za rezultat promjenu električnog otpora Otpor se mjeri na dva načina Pomoću Wheatstoneova mosta ili pomoću dva jednaka svitka od kojih je jedan spojen s poznatim otpornikom a drugi s termootpornikom čiju temperaturu tražimo

Sl55 Kapilarni termometar

Sl56 Otpornički termometar

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

46

Spajanje termootpornika u Wheatstoneov most izvodi se radi neutralizacije utjecaja otpora kablova kojima su povezani izvor električne energije sa termootpornim osjetnikom koji imaju značajan utjecaj na izlaznu veličinu signala napona koji se mjenja u ovisnosti o otporu a otpor u ovisnosti o temperaturi i na taj se način dobiva kao signal izlazni napon koji odgovara određenoj temperaturi Preblemi kod ovih termometara je i samozagrijavanje uslijed prolaza struje pa se kod nih koriste jačine struje do 1 mA Prema DIN 43760 za otpornike od platinaste žice odgovara promjena otpora od 3850+ ΩordmC Ovo su vrlo male promjene otpora po jedinici promjene temperature pogotovo kad se uzme u obzir otpor kablova kojima se povezuje RTD osjetnik s izvorom električne energije koji ima veličinu električnog otpora po nekoliko Ω pa čak i desetine Ω Kod ovakvih termometara spojni kabel može imati električni otpor 10 Ω spojen kao na sl 57 i ako se taj otpor ne uzme u obzir uzrokuje grešku od

26385010 asymp ordmC klasičan način izbjegavanja takve greške je spoj u Wheatstone-ov most sl 58

55 Termoelementi (termoparovi)

Ovi termometri kao osjetnik temperature imaju različite termoparove koji su opisani u poglavlju 443 Sva bitna obilježja termometara određena su samim svojstvima navedenih termoparova Ovi termometri su ujedno i najrasprostranjeniji a njihove prednosti su da mogu raditi u velikom rasponu temperature nisu osjetljivi i krhki i relativno su jeftini

Sl58 način spajanja u Wheatstoneov most Sl57 direktno spajanje otpornika gdje je prisutan i otpor spojnih kablova

Fe

Co

Tmj

Co

Tref

Galvanometar U (V)

Sl59 Mjerenje temperature termoelementom

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

47

Izlazni signal (napon) pretvaramo u teperaturu preko krivulja ovisnosti napona o temperaturi za svaki pojedini tip termopara Ove se krivulje radi lakše računalne obrade mogu prikazati polinomom oblika

44

33

2210 UaUaUaUaaT ++++= (551)

Ovdje stvarnu funkcijsku ovisnost temperature i napona aproksimiramo polinomom četvrtog stupnja a za manje precizna mjerenja uzimamo u obzir samo prva tri člana tj polinom drugog stupnja jer ostali članovi polinoma imaju mali utjecaj na konačnu vrijednost U izrazu 551 varijable su sljedeće T- relativna razlika temperature između spojnih čvorišta dva različita metala [ordmC] ai- koeficijenti polinoma koji ovise o tipu termopara U- izmjereni napon koji se javlja na termoparu Za relativnu temperature vrijedi

refmj TTT += rarr refmj TTT minus= (552) gdje je

mjT -temperatura koja se želi izmjeriti

refT - referentna temperature drugog spojnog čvorišta koja se održava na nekoj konstantnoj temperaturi Referentna temperatura )( refT naziva se ponekad i temperaturom hladnog spoja i to je tradicionalno preuzet naziv jer podrazumijeva održavanje temperature na 0ordmC s vodom u kojoj se nalazi vodeni led Ova temperature može biti bilo koja proizvoljno odabrana poznata temperatura (npr 25ordmC) koja se održava kao konstantna vrijednost ili električnim grijačem sa termostatom Peltierovim elementom ili na neki drugi način Kod mjerenja temperature termoparovima izlazni signali napona su vrlo mali reda veličine 310minus [V] Zbog toga je vrlo bitno da je taj signal dobro izoliran (zaštitnim kućištima i sl) od drugih utjecaja iz okoline koji bi mogli kvariti izlazni signal (npr od utjecaja elektromagnetnog polja) koji mogu biti i višestruko veći nego sam izlazni signal termopara i koji bi mogli utjecati na promjenu izlaznog napona Tako zaštićen signal od smetnji se preko priključaka (sabirnica) vodi do pojačala gdje se izlazni signal pojačava Pojačani signal može se elektronički i softverski filtrirati i dobiti relativno glatka linija promjene magnitude izlaznog signala Kao što je već spomenuto kod termoparova se mora obavezno uzeti u obzir kompezacija referentne temperature (tj temperature hladnog spoja)

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

48

U sljedećoj tablici prikazani su koeficijenti polinoma oblika 551 samo do 10 stupnja za razne tipove termoparova (prema NIST - National Institute for Standards and Technology USA) 56 Sustavi za akviziciju podataka Osnovna funkcija sustava za akviziciju podataka je registracija pohranjivanje i obrada izmjerenih podataka Starije generacije sustava za registraciju podataka bazirane su na registraciji pomaka koji je preko pisala registrirao pomak koji je predstavljao mjeru neke veličine koju želimo izmjeriti Željeni mjerni podaci registrirani su na mjernom papiru ili traci koja se je preko mehanizma kretala jednolikom brzinom kroz određeni vremenski interval u kojem su se bilježili izmjereni podatci Jedan takav uređaj (termograf) vidi se na sl 510

Sl510 Termograf

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

49

Današnji sustavi za akviziciju podataka baziraju se na pretvaranju promjene električnih fizikalnih veličina (npr otpor napon) u ovisnosti o promjeni mjerene fizikalne veličine (npr tlak temperatura) Tako dobiveni električni signal odgovara vrijednosti mjerene fizikalne veličine koju želimo izmjeriti Osnovni elementi suvremenog sustava za akviziciju podataka su

ndash mjerni osjetnik (termoparovi RTD otpornici termistori u slučaju mjerenja temperature)

ndash hardverski modul (uređaji elektronički moduli ldquokarticerdquo i PC) ndash softver (razni programi npr ldquoLabviewrdquo)

Izgled i principijelna shema spajanja jednog takvog uređaja za akviziciju podataka opremljenog sa osjetnicima i pripadajućim modulom za popravljanje signala vidljivi su na sl 512 i sl 513

Sl511 Prikaz osnovnih elemenata mjernog sustava za akviziciju podataka i njihova povezanost

Sl 512 Set za akviziciju podataka s pripadajućim modulima i osjetnicima

Sl 513 Shema povezivanja seta za akviziciju s pripadajućim modulima i PC-om

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

50

6 BESKONTAKTNO MJERENJE TEMPERATURE 61 Osnovni zakoni elektromagnetskog zračenja topline Sva tijela kontinuirano emitiraju elektromagnetsko zračenje koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 sdot 108 ms Valna je duljina zračenja λ vezana na frekvenciju zračenja v i brzinu širenja vala c preko izraza

λvc = (61) Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju Emisijski spektri čvrstih tijela kontinuirani su i sastoje se od svih valnih duljina Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim duljinama ovisi o temperaturi i svojstvima površine koja zrači Elektromagnetski spektar prikazan na sl 61 Toplinski efekti su vezani za zračenja u području valnih duljina od 01 do 100 μm Vidljivi dio spektra obuhvaća vrlo usko područje unutar područja toplinskog zračenja tj vidljivi je spektar dio toplinskog zračenja kojeg može registrirati ljudsko oko Nalazi se u području valnih duljina između 04 do 07 μm Idući u smjeru porasta valnih duljina područje se toplinskog zračenja tako može podijeliti na tri uzastopne poddomene ultraljubičasto područje vidljivi dio i infracrveno područje

Sl 514 Modul (ldquokarticardquo) za prikupljanje i obradu signala

Gama zračenje

Roumlntgen zračenjegama

zračenje ultra- ljubič

infracrveno zračenje

vidljivo zračenje mikrovalovi

vidljivo infracrveno

mikrometri

radiovalovi Roumlntgen zračenje

Sl 61 Elektromagnetski spektar u ovisnosti o valnoj duljini λ [μm]

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

51

U većini krutina i kapljevina se zračenje koje emitira pojedina molekula jako apsorbira od strane susjednih molekula Tako zračenje koje emitiraju odnosno apsorbiraju kapljevine odnosno krutine uključuje samo molekule blizu površine za metale je taj sloj debljine nekoliko molekula a za nemetale nekoliko mikrometara Za ovakve se materijale emisija i apsorpcija zračenja mogu promatrati kao površinski fenomeni S druge strane za mješavine plinova koje sadrže čestice vodene pare ili ugljičnog dioksida ili pak za krutine koje su djelomično propusne za zračenja apsorpcija je dubinska i zračenje koje tijelo emitira može imati izvor bilo gdje u promatranom tijelu Emisija i apsorpcija zračenja su tada volumenski fenomeni 611 Crno tijelo Crno tijelo je idealno tijelo koje apsorbira cjelokupno zračenje koje pada na njega bez obzira na valnu duljinu ili kut upada i ništa ne reflektira Jasna je posljedica ove definicije da je cjelokupno zračenje koje dolazi s površine crnog tijela emitirano zračenje te da nijedno tijelo ne može emitirati više zračenja od crnog tijela pri određenim valnim duljinama i temperaturi Crno tijelo nema preferirani smjer emitiranja zračenja zračenje je difuzno Crno tijelo emitira u cijelom spektru valnih duljina Ako se promatra monokromatsko zračenje crnog tijela Eb kao energija zračenja emitiranu po jedinici površine i po valnoj

Sl 62 Usporedba prikaza u vidljivom i infracrvenom dijelu spektra

E

1 sdot E

Sl 63 Crno tijelo apsorbira cjelokupno prispjelo zračenje

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

52

duljini (Wm2μm) spektralna je raspodjela Eb po valnim duljinama opisana Planckovim zakonom

1

51

2 minus= sdot

minus

TCb eCE λλ

λ (62)

gdje je λ [μm] - valna duljina T [K] - apsolutna temperatura

81 107423 sdot=C [ Wsdotμm4m2]-konstanta prvog Planckovog zakona

42 1043891 sdot=C [μmK]- konstanta drugog Planckovog zakona

Maksimum se spektralne gustoće zračenja pomiče prema kraćim valnim duljinama kako temperatura raste kao što se vidi iz dijagrama sl 64 Wienov zakon pomaka daje vezu između temperature i valne duljine na kojoj se nalazi maksimum spektralne gustoće

2898max =Tλ [μmK] (63) što objašnjava promjenu u boji površine tijela od crvene do bijele tijekom grijanja Vlastita emisija crnog tijela je energija zračenja emitirana s površine crnog tijela na svim valnim duljinama Njen je iznos proporcionalan četvrtoj potenciji apsolutne temperature crnog tijela prema Stefan-Boltzmannovom zakonu

4TEb σ= Wm2 (64)

Sl 64 Raspodjela gustoće energije zračenja u ovisnosti o temperaturi tijela i valnoj duljini

Ener

gija

zrače

nja

Ebλ

[ Wm

2 μm

]

Valna duljina λ[μm]

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

53

gdje je 81066975 minussdot=σ [Wm2 K4]- Stefan-Boltzmannova konstanta 612 Realna tijela Zračenje koje dolazi na površinu realnog tijela djelomično se apsorbira djelomično reflektira a djelomično propusti

EdErEaE ++= (65) Omjer između apsorbiranog i prispjelog zračenja zove se faktor apsorpcije a omjer između reflektiranog i prispjelog zračenja faktor refleksije r a omjer između propuštenog i prispjelog zračenja faktor propuštanja ili dijatermije d Iz jednadžbe (65) slijedi

dra ++=1 (66) Većina površina koje se koriste u graditeljstvu i konstrukciji strojeva je nepropusna (d = 0) izuzev nekih materijala kao što su stakla i plastični filmovi U tom se slučaju cjelokupno prispjelo zračenje djelomično apsorbira a djelomično reflektira te se jednadžba (66) svodi na oblik

ra +=1 (67) Udio prispjelog zračenja koji će se apsorbirati odnosno reflektirati ovisi o materijalu i stanju površine valnoj duljini prispjelog zračenja i o kutu upada Prisutna je također i ovisnost o temperaturi Za inženjersku je primjenu prihvatljivo raditi s prosječnim vrijednostima faktora apsorpcije a i faktora refleksije r Zračenje realnih tijela u bitnome odstupa od zračenja crnog tijela te je raspodjela intenziteta zračenja po spektru valnih duljina drugačija Faktor emisije ε definira se kao omjer vlastite emisije realnog tijela pri određenoj temperaturi i vlastite emisije crnog tijela pri toj istoj temperaturi

)()(

TETE

b

=ε (68)

E

r sdot E

d sdot E

a sdot E

Sl 65 Apsorbirano reflektirano i propušteno zračenje

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

54

Faktor emisije realnih tijela ovisi o temperaturi i stanju površine te bitno ovisi o kutu otklona od normale na promatranu površinu Za sveukupno zračenje različit je od ε u smjeru normale i računa se kao

21congnεε za nisko emitirajuće polirane metalne površine

980congnεε za visoko emitirajuće nemetalne površine

Stefan - Boltzmannov zakon za realna tijela tako dobiva oblik

4TE σε= (69) Prema Kirchoffovom zakonu vrijedi jednakost faktora emisije i faktora apsorpcije

)()( λλε a= (610) Jasno je da u slučaju kada ε ovisi o valnoj duljini emisijski spektar realnih tijela općenito više nije sličan spektru crnog tijela 62 Optički pirometar Optički pirometri rade na principu usporedbe svjetloće boje koju isijava objekt čiju temperaturu mjerimo i svetloće boje užarene kalibrirane niti čiju temperaturu znamo Optički sustav sadrži filter koji ograničava osjetljivost područja propuštenih valnih duljina u rasponu 065-066 μm (tj crveno područje vidljivog spektra) Drugi filter reducira intenzitet svjetlosti Jedan takav instrument može imati širok raspon mjerenja temperatura Ovakvi pirometri pošto su ograničeni na valnu duljinu svjetlosti crveno vidljivog područja mogu se upotrebljavati za mjerenje temperature objekata koji su dovoljno topli da su užareni ili usijani Ovo ograničenje se odnosi na donju granicu temperature pri kojoj su ti pirometri upotrebljivi Pojedini optički pirometri imaju ugrađeno pojačalo svjetlosti promatranog objekta što spušta donju granicu upotrebljivosti na niži nivo temperature Nedostatci ovih uređaja su osjetljivost (krhkost) glomazni su i relativno skupi

Sl 66 Shematski prikaz osnovnih elemenata pirometra

leća oka

leća polja

crveni filter

lampa leća za pojačanje

filter mj raspona

leća objektiva

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

55

Temperatura tijela određuje se ciljanjem (nišanjenjem) prema objektu čija se temperatura želi izmjeriti U početku je užarena nit tamnije nijanse od usijanog objekta Prilagođavavanjem nijanse svijetlosti niti (regulacijom narinutog napona na nit) ujednačava se nijansa svijetlosti niti čija je temperatura poznata i objekta čiju temperature želimo odrediti Kada se nijanse svjetlosti niti i promatranog objekta čiju temperaturu mjerimo ujednače to znači da imaju istu temperaturu kako je poznata temperature niti za određenu svjetlost niti tako se zna i temperature promatranog objekta Način na koji se mjeri temperatura optičkim pirometrom prikazan je na sl 67 sl 68 i sl 69 Dok je užarena nit tamnija od tijela znači da je hladnija od tijela (sl 67) kada je sjajnija od tijela znači da je toplija od tijela (sl 68)

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Izgled užarene niti (hladnije)

Sl 67 Slika koju promatrač vidi gledajući kroz objektiv optičkog pirometra

Sl 68 Napon narinut na užarenu nit raste dok užarena nit ne postane toplija od tijela tj dok nijansa užarene niti ne postane sjajnija

toplo tijelo čiju temperaturu mjerimo

Pokazivač pokazuje centar užarene niti

Izgled užarene niti (toplije)

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

56

Mjerno područje ovakvih pirometara kreće se u granicama 3000700minus oC a točnost u granicama 50plusmn 63 Infracrvena termografija Osnovni elementi i princip rada termografskog uređaja Termografski se sustav sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma (osobno računalo) U samoj kameri integrirana je IC optika osjetnik IC zračenja jedinica za pretvorbu električnog u video signal monitor i kartica za pohranu podataka sl 610 Računalo služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar to je optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka onoj kod fotografskih uređaja no različita po materijalima iz kojih je napravljena Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje a to su germanij cink sulfid cink selenid za dugovalna IC zračenja te silikon safir kvarc ili magnezij za srednjevalna IC zračenja

Sl 610 Suvremeni termografski uređaj

Sl 69 Izgled slike kada je temperatura objekta i užarene niti iste temperature tj iste svjetlosti boje

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

57

Osjetnik u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja dospijeva na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra Dozračena energija na osjetnik osE jednaka je sumi energija koje dolaze od promatranog tijela - vlastita emisija i refleksija ( )ErE + energije koja prolazi kroz tijelo Ed i energije koja dolazi od okoline envE

( ) envos EEdErEE +++= (611) Da bi se iz zračenja prispjelog na osjetnik kamere izračunala korektna vrijednost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati svojstva površine objekta temperaturu okolišnjih objekata udaljenost kamere od promatranog objekta temperaturu i relativnu vlažnost zraka Sve te podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj okolišnjoj ili ima nisku vrijednost emisijskog faktora Osim utvrđivanja temperature objekta poznatog emisijskog faktora softver u kameri pruža i drugu mogućnost Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisijskog faktora promatrane površine Kad se pak radi o potrebi anuliranja propusnosti ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filtri čija je zadaća spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetskih valova onih valnih duljina za koje je promatrani objekt propustan 631 Aktivna i pasivna termografija Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu te na kvalitativnu i kvantitativnu

E

d sdot E

a sdot E

d sdot E

r sdot E

E

E = Eb sdot ε

Eenv

a sdot E

r sdot E

Eenv

Sl 611 Bilanca energije na osjetniku termografskog uređaja

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

58

Aktivna se termografija zasniva na promatranju dinamičkog ponašanja površine objekta izloženog toplinskoj pobudi Toplinska se pobuda može postići na različite načine Tako su poznate impulsna periodička lock-in vibracijska i druge vrste pobuda Svima njima zajednički je cilj poslati određeni paket energije u promatrani objekt i promatrati njegov odziv na tu toplinsku pobudu - vremenski razvoj površinske temperaturne raspodjele Naknadnom se analizom može zaključivati o strukturi materijala ispod površine mogućim uključinama pukotinama ili procesima koji se zbivaju ispod površine Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u svojstvima promatrane površine

Naknadna obrada snimljenih termograma na računalu može bili kvalitativna što podrazumijeva samo uočavanje mjesta različitosti sl 614 ili kvantitativna što uključuje utvrđivanje iznosa temperatura temperaturnih razlika ili emisijskih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu sl 615 sl 616 i sl 617

246degC

481degC

25

30

35

40

45

LI01

LI02

LI03

Sl 612 Aktivna termografija Rezultati mjerenja za uzorak izrađen iz fenolne smole t =300 s

Sl 613 Pasivna termografija Fotografija i termogram drvene planinske kuće

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

59

Sl 614 Na termogramu se lako uočavaju mjesta viših temperatura

Sl 615 Toplinsko opterećenje strojnih dijelova analiza uz primjenu alata isotherm dual above

Sl 616 Termografska snimka spremnika s vertikalnom linearnom promjenom temperature površine

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

60

Svaka eksperimentalna metoda ima svoje prednosti i nedostatkeGlavna prednosti mjerenja temperature termografijom su beskontaktno mjerenje brzi odziv relativno jednostavna interpretacija termograma široke mogućnosti primjene

a nedostatci ove metode su utjecaj emisijskog faktora atmosfere udaljenosti geometrije objekta

i ostalih svojstava tijela na rezultat mjerenja teško provediva toplinska stimulacija velikih objekata mogućnost promatranja samo površinskih efekata

Sl 617 Procjena stanja strukture zida građevine s pomoću usporedne histogamske analize dvaju područja na termogramu

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

61

7 LABORATORIJSKA VJEŽBA IZ MJERENJA TEMPERATURE 71 Opis vježbe 1 Zadatak vježbe 1 je izmjeriti promjenu temperature vode koja se zagrijava u nekom vremenu Voda se zagrijava električnom grijalicom mješanje radi ujednačenja temperature u posudi se provodi električnom mješalicom a temperatura se mjeri živinim termometrom termoparom i sustavom za akviziciju podataka 72 Mjerni instrumenti i oprema

73 Postupak mjerenja Prvo se živinim termometrom izmjeri temperatura vode u posudi i temperatura okolnog zraka Počinje zagrijavanje vode u posudi na električnom kuhalom uz istovremeno miješanje električnom mješalicom radi bolje raspodjele temperature Mjerenja živinim termometrom digitalnim termometrom i termoelementom J-tipa koji povezan na sustav za akviziciju podataka koji mjeri promjenu potencijala i temperature i prikazuje je na monitoru u dva dijagrama svaku minutu Broj mjerenja je 37

S

Sl 71 Shema s osnovnim elementima za izvođenje laboratorijske vježbe

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

62

Akvizicija podataka Akvizicija je provedena korištenjem mjernog sustava Hewlet Packard HP 3852S Shematski prikaz i tok informacija sustava dan je na slici 73 Mjerni davači u polju - termoparovi J tipa spojeni su na odgovarajuće ulazne module mjerne centrale Pomoću NI GPIB-AT kartice ugrađene u osobno računalo ostvarena je veza računala sa akvizicijskim sustavom HP 3852S Komunikacija se odvija pomoću GPIB (General Purpose Interface Bus) protokola

Sl 73 Dijagram toka informacija sustava za akviziciju podataka

Virtualni mjerni instrument izrađen je u računalnom paketu LabWIEW Virtualni instrument prima podatke iz jedinice za obradu signala te ima mogućnost prikaza izmjerenog napona termopara izračunate temperature i referentne temperature Za zadanu frekvenciju očitanja podaci o vremenu datumu izmjerenom naponu i temperaturi pohranjuju se u datoteku podataka Izgled zaslona virtualnog instrumenta kao i dio dijagrama toka podataka prikazani su na slikama 74 i 75

HP 44708 A 20 kanalni

relejni multiplexer

HP 44733 A 4 kanalni FET

multiplexer

HP 44701 E 5 12 digit voltmetar

HP 44723 A 16 kanalni

digitalni ulaz-izlaz

HP 44715 A 5 kanalni

brojač

HP 44714 A 3 kanalni

regulator motora

Interna memorija Vanjska memorija

HP 3852 A Upravljačka

jedinica računala

Osobno računalo

Pisač Tipkovnica

Miš

Programska podrška Specijalna Standardna

LABVIEW Microsoft EXCEL Microsoft WORD AutoCAD

Data bus HP-IB

GPIB

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

63

Slika 74 Prikaz zaslona virtualnog instrumenta

Slika 75 Prikaz dijela dijagrama toka virtualnog instrumenta

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

64

74 Rezultati mjerenja - vježba 1 Početne temperature - temperatura zraka 194 ˚C - temperatura vode 293 ˚C Broj mjerenja

Temperatura (živin termometar)(˚C)

Napon (mV)

Temperatura spojišta (˚C)

tTE (a) Digitalni termometar

1 298 05 194 2866 289 2 305 055 194 2959 30 3 31 06 194 3051 308 4 322 065 194 3144 319 5 334 07 194 3236 331 6 347 079 194 3403 346 7 374 09 194 3607 373 8 39 1 194 3792 39 9 407 11 194 3977 407 10 422 1175 194 4116 423 11 438 125 194 4255 439 12 455 135 194 444 456 13 47 14 194 4536 472 14 488 15 194 4718 49 15 504 16 194 4907 506 16 521 1675 194 5042 524 17 535 175 194 5181 539 18 552 18 194 5273 554 19 562 19 194 5459 569 20 584 2 194 5644 587 21 602 21 194 5829 603 22 615 215 194 5921 615 23 63 225 194 6107 632 24 645 23 194 6199 647 25 664 24 194 6384 666 26 674 245 194 6462 678 27 688 255 194 6662 692 28 702 26 194 6755 707 29 715 27 194 694 718 30 729 275 194 7033 732 30 742 28 194 7125 745 32 754 29 194 731 757 33 766 295 194 7403 77 34 779 3 194 7496 781 35 79 305 194 7588 793 36 802 31 194 7681 805 37 812 32 194 7866 815

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

65

Temperature tTE (a) tTE (b) se izračunaju iz izraza

45100

)(sdotprime

+=Utt saTE (71)

33

221)( UaUaUaatt oobTE sdot+sdot+sdot++= (72)

ili pomoću polinoma 551 za J-tip u mjernom području od 0 - 400˚C za koji su koeficijenti ao = 0 a1 = 19473887 10-2 a2 = -11226744 10-7 a3 = 2723974 10-12

Sl 72 Dijagram rezultata mjerenja temperature

Rezultati mjerenja

0102030405060708090

0 5 10 15 20 25 30 35 40

vrijeme (minute)

tem

pera

tura

( C

)

digitalnitermometar

živin termometar

termoelementsustav zaakvizicijupodataka

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

66

75 Opis vježbe 2 Zadatak vježbe 2 je izmjeriti promjenu temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijaćim kabelom tijekom njena zagrijavanja i ohlađivanja Mjerenje se provodi paralelno sniomanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sustava (Sl 76)

Sl 76 Mjerna ploča i akvizicijski sustav s računalom 76 Rezultati mjerenja - vježba 2 Termovizijsko snimanje - mjerenje temperature Rezultati mjerenja površinske temperature dobiveni termovizijskim snimanjem prikazani su na slikama 77 do 714 Korištena je termokamera JENOPTIK VARIOSCAN 3021-ST Za mjerenja koja će se provoditi od 2007 godine nadalje biti će korištena termovizijska kamera FLIR ThermaCAM S65 PAL Package (Digital Out) za mjerenja temperature do +1500degC s ThermaCAM Researcher Professional 28 softverskim paketom za analizu i obradu

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

67

Sl 77 Površinske temperature 18 minuta nakon početka grijanja Sl 78 Površinske temperature 28 minuta nakon početka grijanja Sl 79 Površinske temperature 48 minuta nakon početka grijanja

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

68

Sl 710 Površinske temperature 68 minuta nakon početka grijanja Sl 711 Površinske temperature 88 minuta nakon početka grijanja Sl 712 Površinske temperature 108 minuta nakon početka grijanja

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

69

Sl 713 Površinske temperature 5 minuta nakon prekida grijanja Sl 714 Površinske temperature 25 minuta nakon prekida grijanja

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20

70

Mjerenje temperature termoparovima Rezultati mjerenja površinske temperature u odabranim kontrolnom volumenima pomoću J termoparova sustavom za akviziciju podataka prikazani su na slici 715 Sl 715 Temperature u odabranim kontrolnim volumenima tijekom ugrijavanja i ohlađivanja ploče Mjerna mjesta vidljiva su na slici 76 a detalji na slicima 716 Sl 716 Pozicije termoparova - mjerna mjesta

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250broj mjerenja

tem

pera

tura

mjerno mjesto19mjerno mjesto18Series3

Series4

Series5

Series6

Series7

Series8

Series9

Series10

Series11

Series12

Series13

Series14

Series15

Series16

Series17

Series18

Series19

Series20