Mjerenje temperature6601/13

Rezime: Temperatura je toplotno stanje predmeta ili procesa. Temperatura zavisi od toga koliko toplote sadrži tijelo određene mase i pod određenim pritiskom. Toplota je stanje molekularnog kretanja u tijelima. Temperatura je osnovna veličina koja se mjeri ili kontroliše pri određivanju toplotnog stanja tijela ili procesa. Kontrola temperature može se vršiti subjektivnim i objektivnim metodama. Mjerenje temperature u praksi izvodi se raznovrsnim termometrima, u zavisnosti o kojoj se temperaturi radi i da li je primjena laboratorijska, industrijska, ili za neku drugu svrhu. U ovom seminarskom radu biće razmatrani neki od najznačajnijih uređaja za mjerenje temperature, odnosno njihov princip rada, primjena, te prednosti i nedostaci pojedinih tipova termometara.

Ključne riječi: temperatura, mjerenje, termopar, pirometar, termometar, otpornički termometar

1. UvodPovišena temperatura uzrokuje promjenu dimenzija tijela ili stanja procesa ili neke veličine. Sa porastom temperature produžava se npr. metalni štap, gasovi povećavaju svoju zapreminu, itd. Promjena temperature uzrokuje promjenu električnog otpora provodnika. Promjena temperature također uzrokuje i promjenu agregatnog stanja materije.

Ljudi su, bez obzira na mjesto i vrijeme, pridavali veliku pažnju ispravnosti mjerenja i svaku od navedenih pojava (reakcija) na temperaturu upotrebljavali kao osnovu za mjerenje temperature.

Prvi uređaj za mjerenje temperature je 1597. godine napravio Galileo Galilei (1564-1642), kojim je mogao ustanoviti manju ili veću zagrijanost zraka. Francuski fizičar Guillaume Amonton (1663-1705) je 1703. godine usavršio i napravio zračni termometar i uveo termodinamsku skalu. Njemački fizičar iz Gdanjska, Danijel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) je 1715. godine napravio živin termometar i predložio temperaturnu skalu kod koje je temperatura topljenja leda +32°F, a temperatura ključanja vode +212°F. Francuski fizičar Reomir je 1736. godine predložio temperaturnu skalu kod koje je temperatura topljenja leda 0°R, a temperatura ključanja vode na temperaturi 80°R. Švedski astronom iz Uppsale Anders Celzijus (1701-1744) je 1740. godine predložio skalu kod koje je temperatura topljenja leda 0°C, a temperatura ključanja vode 100°C. U anglosaksonskom mjernom sistemu koristi se i Rankinova skala. Temperaturni interval kod ove skale je 1K=1,8°Ra, trojna tačka vode je na temperaturi 491, 69°Ra.

Međunarodni komitet za mjerenje i težine preporučio je u SI-sistemu dvije skale: apsolutnu termodinamsku temperaturnu skalu, koju je 1851. godine predložio britanski naučnik William Thopson lord Kelvin (1824-1907), poznatu kao Kelvinova skala, i praktičnu skalu od 100 stepeni, poznatu kao Celzijusova skala.

Mjerenje temperature se može vršiti u obe skale u kelvinima [K] ili u celzijusima [°C] u zavisnosti od prihvaćenog položaja nule na mjernoj skali. Od 1954. godine Međunarodni komitet je preporučio da referentno stanje na Kelvinovoj temperaturnoj skali bude 273,16 K, gdje sve tri agregatna stanja vode (čvrsto -tečno -gasovito) koegzistiraju u ravnoteži na pritisku 1 atm (trojno stanje ili trojna tačka). Voda se ledi na temperaturi 273,15 K i pritisku 1 atm, što odgovara 0°C na Celzijusovoj skali. [1]

1

Tradicionalni uređaji za mjerenje temperature - termoparovi i otpornički termometri - su još uvijek u širokoj upotrebi, ali se i određen broj poluprovodničkih uređaja koristi kod primjena pri umjerenim temperaturama. Beskontaktni uređaji tzv. radijacijski pirometri su se tradicionalno koristili za mjerenje visokih temperatura, ali se danas upotrebljavaju i za niže temperature.

2. Mjerenje Temperature2.1. Vrste termometara

Kod termometara ulazna veličina ja temperatura, sa čijom promjenom nastaju i promjene na termometrima, koji se mogu koristiti pri određivanju temperature, a te promjene mogu biti:

- promjena dužine,

- promjena pritiska,

- promjena električnog otpora,

- promjena termonapona, itd.

Promjena dužine temperaturne skale čini da se takvi termometri svrstavaju u grupu mehaničkih mjernih uređaja.

Prema načinu rada razlikujemo:

- kontaktne termometre,

- beskontaktne termometre,

- termometre sa posebnim mjernim postupcima.

U tabeli 1. je prikazana podjela termometara prema konstruktivnoj izvedbi i njihovo područje primjene. Prema signalu mjerenja termometri se dijele na električne i mehaničke.

Tabela 1. Vrste termometara i područje primjene [1]

Vrste

termometara

Područje primjene u °C

Uobičajeno Manje uobičajeno

Stakleni termometar -200 do 750

Bimetalni termometar -30 do 1000 -160 do 550

Opružni termometar:

- punjen tekućinom

- na pritisak pare

-30 do 600

-299 do 360

Električni termonaponski termometar -220 do 550 do 1000

Otpornički termometri -200 do 550

Radijacijski pirometri do 1600

2.2. Termoparovi

Ako se bilo koja dva metala spoje, kako je prikazano na slici 1., javlja se napon koji je funkcija temperature spoja. Spoj dva metala koji se koristi kao temperaturni senzor naziva se termopar. Napon se stvara zahvaljujući termoelektričnom fenomenu nazvanom Sibekov efekt (nazvan prema Thomas Seebeck-u koji je otkrio ovu pojavu 1821. godine). Sibekov efekt je

2

jedan od tri termoelektrična fenomena. Zajedno sa Peltierovim i Tomsonovim efektom, objašnjava kako se stvara napon usljed temperaturne razlike.[3] Jednostavnost termoparova omogućava njihovu široku primjenu kao senzori za mjerenje temperature.

Slika 1. Termopar [2]

Međutim, postoji određen broj problema koji se javljaju pri mjerenju temperature pomoću termoparova:

1. Mjerenje napona se mora ostvariti bez protoka električne struje.

2. Veze sa voltmetrom (DVM) rezultuju pojavom dodatnih spojeva.

3. Napon zavisi od sastava metala koji se koriste u žicama.

Da bi se termopar koristio za mjerenje temperature, električna struja ne smije teči kroz žice i spoj. To je zbog toga što električna struja, ne samo da dovodi do gubitaka usljed otpora, nego utiče i na termoelektrične napone. Udovoljavanje ovom zahtjevu u današnje vrijeme ne predstavlja problem budući da su dostupni elektronski voltmetri i sistemi prikupljanja podataka sa veoma visokim ulaznim otporom. Ulazni otpor je obično veći od 1MΩ, a potrošnja struje je zanemarljiva.

Drugi problem se odnosi na činjenicu da postoje zapravo tri spoja na slici 1. Pored senzorskog spoja, postoje jos dva spoja gdje se žice termopara spajaju sa voltmetrom. Očitani napon je tako funkcija tri temperature, od kojih dvije nisu od interesa. Rješenje ovog problema je prikazano na slici 2.(a). Koriste se dva spoja termopara, od kojih se drugi uzima kao referentni spoj. Referentni spoj se održava na stalnoj, poznatoj temperaturi, a obično se uzima da je to temperatura mješavine čiste vode i čistog leda na atmosferskom pritisku (0°C). Preostala su još dva spoja na priključcima voltmetra, pri čemu su oba spoja napravljena od dva ista materijala, tako da, ako bi se oba priključka mogla održavati na istoj temperaturi, naponi na priključcima bi se poništili. Priključci se mogu održavati na istoj temperaturi njihovim smještanjem u termoizolacijsku kutiju ili mehaničkim spajanjem sa termički provodljivom, ali elektroizolacijskom strukturom. Sa poznatom temperaturom referentnog spoja, izmjereni napon predstavlja jedinstvenu funkciju materijala od kojih su izrađene žice termopara i temperature senzorskog spoja. Strujno kolo na slici 2.(b) je električki ekvivalentno strujnom kolu na slici 2.(a) i izazvaće isti napon na voltmetru.

Najzad, izazvani napon mnogo zavisi od sastava žica koje se koriste za formiranje termopara. Ovaj problem se rješava ograničavanjem izbora materijala koji se koriste za izradu termoparova. Kada se žice i parovi žica proizvode u skladu sa standardima koji su usvojeni od strane Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST), za određivanje temperature na osnovu izmjerenog napona mogu se koristiti standardne kalibracijske krive. Budući da izlazni napon obično predstavlja nelinearnu funkciju temperature, tablice, grafovi ili prilagođavanja

3

polinomske krivulje su neophodni za tumačenje naponskog stanja. U tabeli 2. se nalazi lista najčešćih tipova termoparova. Hromel je legura nikla i hroma, alumel je legura nikla i aluminija, konstantan je legura nikla i bakra. Svaki par se označava slovnom oznakom koju koriste svi proizvođači, a kojom se obilježava tip termopara. Također se upotrebljava i standardna boja vanjske izolacije kabla i svih spojeva pojedinog tipa termopara. Naprimjer, za termopar tipa K standardna boja je žuta.

Slika 2. Termopar sa referentnim spojem [2]

Tabela 2. Osobine standardnih termoparova [2]

Tip Materijali Boja kabla Radno područje (°C)

Približna osjetljivost (mV/°C)

T Bakar/konstantan Plava -250 do 400 0.052

E Hromel/konstantan Ljubičasta -270 do 1000 0.076

J Željezo/konstantan Crna -210 do 760 0.050

K Hrom/alumel Žuta -270 do 1372 0.039

R Platina/platina-13% rodij Zelena -50 do 1768 0.011

S Platina/platina-10% rodij Zelena -50 do 1768 0.012

C Volfram, 5% renij/volfram, 26% renij Bijela 0 do 2320 0.020

Na slici 3. su prikazane krive kalibracije za pojedine termoparove kada se referentni spoj održava na 0°C. U tabeli 3. se nalazi lista napona (u milivoltima) kao funkcija temperature za najčešće tipove termoparova.

Proizvođači pažljivo kontrolišu sastav žica i vrše njihovo testiranje kako bi osigurali da žice posjeduju odgovarajuće električne osobine. Određivanje temperature spoja može u nekim slučajevima biti poprilično tačno, sa nesigurnošću manjom od ±2°C. Tačnost termoparova zavisi od tipa termopara, stepena kvalitete termopara (proizvođači obezbjeđuju različite stepene kvalitete) i raspona temperature. Stvarni proces mjerenja može donijeti i izvjestan broj drugih grešaka koje će se kasnije razmatrati.

4

Slika 3. Izlazni napon najčešćih termoparova u zavisnosti od temperature [2]

Postoji određen broj faktora koji se moraju uzeti u obzir pri odabiru termoparova za datu primjenu, a to su:

- osjetljivost (promjena napona po stepenu promjene temperature),

- linearnost izlaznog napona,

- stabilnost i otpornost na koroziju,

- raspon temperature,

- cijena.

Tabela 3. Izlazni napon u milivoltima najčešćih termoparova [2]Temperatura

(°C)

Tip termopara

T E J K R S

-250 -6.181 -9.719 -6.404

-200 -5.603 -8.824 -7.890 -5.891

-150 -4.648 -7.279 -6.499 -4.912

-100 -3.378 -5.237 -4.632 -3.553

-50 -1.819 -2.787 -2.431 -1.889

0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

20 0.789 1.192 1.019 0.798 0.111 0.113

40 1.611 2.419 2.058 1.611 0.232 0.235

60 2.467 3.683 3.115 2.436 0.363 0.365

80 3.357 4.983 4.186 3.266 0.501 0.502

100 4.277 6.317 5.268 4.095 0.647 0.645

200 9.286 13.419 10.777 8.137 1.468 1.440

300 14.860 21.033 16.325 12.207 2.400 2.323

400 20.869 28.943 21.864 16.395 3.407 3.260

500 36.999 27.388 20.640 4.471 4.234

1000 76.358 41.269 10.503 9.585

Termoparovi tipa R i S su veoma skupi i ne mnogo osjetljivi, međutim, zadovoljavajući su pri visokim temperaturama (do 1768°C) i otporni su na određen broj korozivnih supstanci. Termoparovi tipa C su korisni pri veoma visokim temperaturama, ali su relativno skupi i ne

5

mogu se koristiti u oksidirajućoj sredini. Termoparovi tipa T nisu skupi i veoma su osjetljivi, ali brzo korodiraju pri temperaturama većim od 400°C. Termoparovi tipa K su najčešće u upotrebi budući da imaju prihvatljivu cijenu, relativno dobru otpornost na koroziju i mogu se koristiti na temperaturama do 1372°C. Ovi termoparovi imaju i relativno linearan izlazni napon, što znači da kod primjena čiji zahtjevi tačnosti nisu previše strogi, temperatura se može izračunati uz pretpostavku da postoji linearna zavisnost između temperature i napona.

Termoparovi se mogu nabaviti u različitim oblicima. Moguće je kupiti žice i formirati spoj termopara zavarivanjem (u nekim slučajevima lemljenjem ili mehaničkim spajanjem) krajeva žica. Žica se također može nabaviti sa već formiranim spojem. Širok izbor gotovih termoelemenata se može nabaviti za različite primjene. Jedna od najčešćih konfiguracija je smještanje žica, spoja i keramičke izolacije (obično MgO) unutar plašta od nehrđajućeg čelika ili inkonela, kao na slici 4. Plašt štiti žice termopara od oštećenja ili hemijskog zagađenja.

Slika 4. Obloženi termopar [4]

Proizvođači također proizvode kablove za spajanje senzorske sonde na voltmetar. Ovaj kabal se obično sastoji iz dva provodnika smještena u plastičnom plaštu. U većini slučajeva, kablovi se prave od istog materijala kao i termoparovi. Ako je kabal od istog materijala kao i oni koji se koriste za spojeve, moguće je formirati spojeve i pomoću kabla. Međutim, kvalitet sastava kabla se ne kontroliše tako pažljivo kao kod kablova koji se koriste za spojeve. Za većinu termoparova koji se izrađuju od skupih metala poput platine (npr. S tip) i za neke druge tipove, kablovi se prave od jeftinijih, ali električki kompatibilnih materijala. Ovi kablovi se nazivaju kompenzacioni kablovi. Kada se koriste kompenzacioni kablovi, konstrukcija senzorskih spojeva upotrebom kablova nije moguća.

Spojevi izrađeni direktno od žice mogu biti veoma mali. Žice se mogu proizvoditi sa malim prečnicima i do 0.0005 in, a zavareni spojevi, koji su sfernog oblika, imaju prečnik koji je oko tri puta veći od prečnika žice. Mali spoj posjeduje izvrsnu prostornu rezoluciju (npr. mjesto izmjerene temperature može biti tačno poznato). Ovi mali spojevi također imaju izvrstan tranzijentni odziv (sposobnost tačnog mjerenja brzih temperaturnih promjena). Kada se zahtjeva dobra prostorna rezolucija ili dobar tranzijentni odziv, termopar je poželjniji u odnosu na neke druge uobičajene senzore temperature.

Moguće je serijskom vezom spojiti više termoparova u uređaj koji se naziva termoćelija, kao što je prikazano na slici 5. Kada su termoparovi raspoređeni na ovaj način, izlazni napon na uređaju za prikaz je n puta veći od napona jednog spoja, pri čemu je n broj termoparova u seriji. Ovo povećava osjetljivost sistema. Termoćelija se kod nekih primjena koristi i kao

6

izvor napajanja, npr. kod nekih gasnih peći koristi se kao izvor napajanja za regulaciju zapornog ventila na elektromagnetni pogon.

Slika 5. Termoćelija [2]

Kada se koristi jedan termopar, općenito je u upotrebi jedan od strujnih krugova prikazanih na slici 3. Međutim, za sisteme prikupljanja podataka, uobičajeno se koristi jednostavniji raspored prikazan na slici 6. Svaki termopar je spojen na kanal uređaja za prikupljanje podataka u izolovanoj spojnoj kutiji konstantne temperature. Termoparovi učinkovito mjere temperaturnu razliku između mjerenog objekta i kutije. Na slici 6. jedan kanal je rezervisan za referentni spoj. Softver se koristi da procijeni odgovarajući napon oduzimanjem referentnog napona od napona očitanog na pojedinim kanalima. ( Napomena: referentni napon će biti negativan.)

Slika 6. Spojevi termoparova sa sistemom prikupljanja podataka [2]

Druga alternativa za mjerenje temperature spojne kutije je upotreba drugog tipa senzora temperature, kao što je poluprovodnički uređaj. Najprije se izračuna napon za termopar od istog materijala koji odgovara temperaturi spojne kutije u odnosu na 0°C, a potom se doda očitanjima sa svakog kanala.

2.3. Otpornički termometri

Normalna karakteristika metala je da je električni otpor funkcija temperature metala. Prema tome, određena dužina metalne žice u kombinaciji sa uređajem za mjerenje otpora predstavlja sistem za mjerenje temperature. Temperaturni senzori zasnovani na efektu djelovanja temperature na otpor metala su poznati kao otpornički termometri (RTDs - resistance temperature detectors). Otpornički termometri se koriste u interpolacijske svrhe. U poređenju sa termoparovima, platinasti otpornički termometri su tačniji (do ±0.001°C kod nekih laboratorijskih ispitivanja) i imaju linearniji izlazni odziv. Mogu se koristiti za direktno mjerenje temperature, a ne relativno kao kod termoparova. Također imaju tendenciju ka povećanju stabilnosti, tj. mala je vjerovatnoća da će se karakteristike promijeniti tokom

7

vremena usljed hemijskih ili drugih djelovanja. S druge strane, sonde otporničkih termometara su uglavnom fizički veće od sondi termoparova, što uzrokuje slabiju prostornu rezoluciju i sporiji tranzijentni odziv.

Otpornički termometri se najčešće izrađuju od platine, ali se mogu izrađivati i od drugih metala poput nikla i njegovih legura. Brojne vrijednosti pokazuju da je osjetljivost otporničkih termometara od nikla znatno veća nego kod termometara od platine, ali je ipak područje primjene platinskih termometara znatno veće. Za platinu, veza između otpora i temperature je data tzv. Calendar-Van Dusen-ovom jednačinom:

pri čemu su α, β i δ konstante koje zavise od čistoće platine i određene su kalibracijom. T je temperatura u °C. Dominantna konstanta je α, koja ima vrijednost ili 0.003921/°C za tzv. američku kalibracijsku krivu, ili 0.003851/°C za "evropsku" kalibracijsku krivu. Za američku kalibracijsku krivu, δ = 1.49 i β = 0 za T > 0,a β = 0.11 za T < 0. Senzori su dostupni u skladu sa jednom od ove dvije krive. [2]

Postoji veliki broj konfiguracija senzorskih elemenata otporničkih termometara. Na slici 7. je prikazan senzor od namotane platinaste žice i senzor sa tankom platinastom presvlakom. Kod senzora od namotane žice platina se namotava u kalem i cijeli sklop se zatim presvlači keramikom ili staklom. Vanjska presvlaka sprečava oštećenje ili zagađenje. Kod termometra s tankom presvlakom, platina se nanosi na keramičku podlogu, a zatim se oblaže keramikom ili staklom. Pri konstrukciji sondi otporničkih termometara važno je reducirati naprezanje platine usljed toplinskog širenja budući da i naprezanje uzrokuje promjene otpora.

Slika 7. Otpornički termometar a) sa platinastom žicom; b) sa tankom presvlakom [2]

Budući da struja teče kroz voltmetre kada su smješteni u strujnom kolu mjerenja otpora, energija se rasipa; stoga, voltmetar se samozagrijava. Ovo obično ne predstavlja problem kada se mjere temperature tečnosti, ali se može pojaviti greška pri mjerenju temperature gasova. Ovaj efekt samozagrijavanja se može uočiti korištenjem dva različita napona napajanja pri mjerenju statičke temperature. Bilo kakva razlika u otporu ukazuje na mogući problem samozagrijavanja. Ovaj problem se može reducirati korištenjem napona napajanja male snage; međutim, u tom slučaju, smanjiće se i izlazni napon senzorskog strujnog kola.

Najčešće strujno kolo koje se koristi prikazano je na slici 8. i naziva se Wheatstone-ov most.

8

Slika 8. Wheatstone-ov most [5]

Ako u mjernom kolu Wheatstone-ovog mosta postoji impedancija, tj oba dijela mosta nisu podjednako pod naponom, jednačina strujnog kola glasi:

Pošto se član RT pojavljuje i u brojniku i u nazivniku desne strane jednačine, mjerena vrijednost V se ne mijenja linearno s promjenama otpora RT. Postoji nekoliko načina da se prevaziđe ta nelinearnost, npr. može se reducirati na prihvatljiv nivo tako da se povećaju otpori R3 i R1 i to 100 puta (R3 >> RT , R1 >> R2 ). Nelinearnost se može riješiti i uključivanjem prikladnog kola linearizacije koji će davati izlazni napon linearan s mjerenom temperaturom (upotrebom mikroprocesorskih instrumenata). [5]

Kao što je ranije rečeno, sonde otporničkih termometara imaju mogućnost veoma visoke tačnosti (±0.001°C), ali pri stvarnim inženjerskim mjerenjima, tačnost je obično značajno smanjena. U mnogim postrojenjima, otpornički termometri su smješteni na udaljenosti od mjerne elektronike (pretvarača). Ta udaljenost, ako je veća od nekoliko metara, izaziva otpor u strujnim vodovima, koji može izazvati grešku u očitanim ulaznim signalima.

2.4. Termometri s tečnostima (stakleni termometri)

Živin termometar (slika 9.) predstavlja dugu staklenu cjevčicu unutar koje je kapilara koja je na dnu proširena u rezervoar napunjen živom. Unutar cjevčice se nalazi skala u ºC. Povećanjem temperature živa se rasteže i penje se uz kapilaru, a hlađenjem se živa steže i povlači u rezervoar. 0 ºC je određeno uranjanjem termometra u mješavinu vode i leda, a 100 ºC je određeno uranjanjem termometra u vodenu paru iznad vode koja ključa. Razmak između te dvije vrijednosti je podijeljen na 100 jednakih dijelova i svaki taj dio predstavlja 1 ºC . Živinim termometrom možemo mjeriti temperature u rasponu od -20 pa do 350 ºC. Alkoholni termometri imaju istu strukturu kao i živini, ali tekućina kojom su ispunjeni je alkohol. Budući da je alkohol bezbojna tekućina, da bi ga mogli vidjeti u kapilari, mora biti obojen. Najčešće je obojen crvenom bojom. Alkoholni termometri su obično u mjernom području od - 10 do 160 ºC.

Prema namjeni i izvedbi termopara s tečnostima, moguće je napraviti sljedeću podjelu:1. Industrijski. Pod industrijskim termometrima podrazumijevaju se oni stakleni termometri koji su montirani u posebne zaštitne oklope i primjenjuju se tako da se fiksno instaliraju u cjevovode ili razne posude i postrojenja.2. Laboratorijski. Laboratorijski termometri su u normalnoj izvedbi od stakla, bez zaštitnog oklopa. U ovu kategoriju termometara spada čitav niz termometara koji se koriste za

9

povremenu kontrolu temperature u raznim industrijskim procesima i tehnološkim operacijama.3.Klinički.

Slika 9. Živin termometar

2.5. Pirometri

Kod termoelemenata, iznad 1600°C moguće je mjeriti temperaturu jedino na osnovu zakona o zračenju. Prednost je u tome što temperaturni detektor, pirometar, ne mora biti postavljen u toplotni izvor. Dakle, pirometar predstavlja beskontaktni uređaj za mjerenje visokih temperatura. Zračenje tijela pada na temperaturni senzor pirometra, a to su najčešće serijski spojeni termoparovi. Pirometar mjeri količinu infracrvenog zračenja nekog predmeta, što je u izravnoj korelaciji s njegovom temperaturom. Pirometrom se mogu mjeriti temperature od -50 do 3500 °C. Dodatne prednosti su mu velika brzina mjerenja, nema uticaja na mjerni objekat, a moguća su mjerenja i kod vrlo visokih napona, magnetnih polja ili agresivnih materijala.[6]

Određivanje temperature mjerenjem energije zračenja može se izvoditi:

- mjerenjem cjelokupnog zračenja koje emituje tijelo (pirometri ukupnog zračenja),

- mjerenjem dijela ovog zračenja (pirometri djelimičnog zračenja) ili

- mjerenjem zračenja u više ograničenih intervala frekvencije (pirometri boje).

Slika 10. Pirometar; 1. tijelo koje zrači, 2. toplinsko zračenje, 3. objektiv, 4. zaslon za podešavanje, 5. polupropusno ogledalo, 6. okular, 7. zaštitni filter, 8. termoelement, 9.

pojačivač, 10. mjerni instrument [7]

10

Kod nižih temperatura mjernih objekata prikladno je energiju zračenja mjernog objekta potpuno prihvatiti. U tom slučaju se primjenjuje pirometar sa otvorom na ogledalu, koji povećava intenzitet energije zračenja (slika 10.). Pirometri sa otvorom na ogledalu se primjenjuju za mjerenje nižih temperatura. Pri mjerenju viših temperatura primjenjuju se pirometri sa sočivom.

Pirometri mogu biti:

1. Optički pirometri (slika 11.a), koji se dalje dijele na:

- monohromatske pirometre na talasnoj dužini 0,65 μm (vidljivi dio spektra crvene boje) i

- dvobojne pirometre, na talasnim dužinama crvene i plave boje.

2. Radijacijski (infracrveni) pirometar.

Monohromatski optički pirometar se sastoji od cijevi s dva konveksna sočiva, žarne niti i filtera crvene boje. Žarna nit se zagrijava prolaskom električne struje, a sama struja predstavlja mjerni signal. Mjerenje se obavlja tako da se otvor cijevi instrumenta usmjeri prema površini tijela kojem se mjeri temperatura. Elektromagnetno zračenje prolazi kroz okular, prvo sočivo i skuplja se u žarištu. U žarištu se nalazi staklena cijev sa žarnom niti. Ta tačka je ujedno i žarište drugog sočiva, odnosno okulara. Kroz okular prolazi elektromagnetno zračenje s mjerenog objekta i žarne niti. Iza okulara nastaje paralelan snop zraka koje zatim prolaze kroz filter crvene boje. Filter je nepropustan za sve talasne dužine vidljivog spektra osim za dio u području crvene boje, λ = 0,65 μm. Mjeritelj posmatra istovremeno sliku površine tijela i žarne niti.

Glavni uzrok netačnosti mjerenja temperature monohromatskim optičkim pirometrom je nepouzdana vrijednost monohromatskog faktora emisije ε (λo). Ova greška se može ukloniti upotrebom dvobojnog optičkog pirometra, kojim se omogućava mjerenje intenziteta zračenja na dvije talasne dužine, i to najčešće za crvenu i plavu boju. Tačnost mjerenja je visoka i dvobojni optički pirometar je propisan kao standardni termometar za područje temperatura iznad 1337 K (1064 ºC).

Radijacijskim pirometrom (slika 11.b) određuje se temperatura mjerenjem ukupnog intenziteta elektromagnetnog zračenja, odnosno isijana snaga u cijelom spektru. Stefan-Boltzmannov zakon omogućava jednostavno izračunavanje isijane snage I(T) za crno tijelo, ali kada se radi o mjerenju temperature realnih tijela nije moguće teoretski proračunati ukupni faktor emisije ε. Pirometar se sastoji od cijevi u kojoj se na ulaznom dijelu nalazi objektiv, kojim se fokusira elektromagnetno zračenje koje dolazi s površine mjerenog objekta. U žarištu objektiva nalazi se metalna pločica (crno tijelo), koja ima maksimalni faktor apsorpcije elektromagnetnog zračenja. Na površini pločice zavaren je, jedan ili više, termoparova kojim se mjeri temperatura pločice. Analiza mjerenog uređaja zasniva se na primjeni Stephan-Boltzmanovog zakona. U početku mjerenja je temperatura pločice na temperaturi instrumenta i nakon što se instrument usmjeri prema površini objekta dolazi do apsorpcije elektromagnetnog zračenja u pločici. U početku mjerenja temperatura pločice stalno raste, ali s vremenom sve sporije, jer se s povećanjem temperature povećava intenzitet emisije pločice. Mjerni signal se očita kada je uspostavljeno stacionarno stanje, odnosno, kada je apsorbirana snaga na površini pločice jednaka isijanoj snazi sa pločice.

Tačnost mjerenja radijacijskim pirometrom je određena pouzdanošću poznavanja vrijednosti faktora emisije ε. Najčešće se ε određuje kalibracijom za pojedine materijale i uslove mjerenja. Donja granica mjernog područja radijacijskih pirometara je znatno niža u odnosu na optičke pirometre. Naprimjer, radijacijskim pirometrom se može mjeriti temperatura i ispod 0

11

ºC. Za industrijske potrebe, radijacijski pirometri se izvode sa standardnim električnim izlazom, koji odgovaraju pojedinim tipovima termoparova.

a) b)

Slika 11. Vrste pirometara; a) optički pirometar za mjerenje temperature u visokoj peći, b) radijacijski (infracrveni) pirometar [8]

3. Zaključak

Tačnost mjerenja temperature sa određenim termometrom nalazi se u granicama dopuštenih tolerancija samo onda ako je sam instrument dobro podešen i ako je ispravno postavljen na mjerno mjesto. Održavanje i kontrola električnih pokazivača zahtjeva posebnu stručnost i opremu. Mnoge tvornice, a pogotovo manji pogoni, to nisu u stanju. Osim kontrole instrumenata u slučaju netačnog pokazivanja, potrebno je vršiti i kalibraciju termometra. Pod kalibracijom se podrazumijeva podešavanje instrumenta da bi njegovo očitavanje bilo tačno.

Ako je instrument ispravno postavljen, kontrola se može najčešće vršiti i u pogonu, periodičnom kontrolom električnog otpora provodnika. Pokazivači električnih termonaponskih termometara mogu se kontrolisati dovođenjem određenih napona i upoređujući pokazivanje instrumenta s tabličnim vrijednostima termonapona za određeni termopar.

Sam tehnološki proces ponekad može ukazati na netačnost mjerenja temperature. Na veoma važnim mjestima,radi preciznijeg mjerenja, postavljaju se dva termometra različite izvedbe.

U slučajevima kada postoji opravdana sumnja u ispravnost termometra, mora se vršiti kontrola termometara. Nakon zakonski propisanog roka termometri se moraju kalibrirati u, za to ovlaštenim, kalibracionim ili ispitnim laboratorijama.

12

4. Literatura[1] http://www.unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdf[2] Anthony J. Wheeler,Ahmad R. Ganji, Introduction to Engineering Experimentation [3] https://www.automatika.rs/baza-znanja/senzori/termoparovi.html[4] http://marlinmfg.com/products/sensors/marloxThermo.html [5] http://www.unidu.hr/datoteke/majelic/ABP-4.pdf[6] http://proleksis.lzmk.hr/41787/ [7] http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=48410 [8] http://www.njuskalo.hr/mjerni-instrumenti

13