30 AUTOMA 8-9/2011

měř

ení t

eplo

tytéma

1. Úvod

Měření teploty povrchu rozličných těles je časté v různých oborech lidské činnosti. Napří-klad se lze setkat s potřebou stanovit teplotu po-vrchu vyzdívky sklářské pece, stěny reaktoru, média proudícího v potrubí, zmrazeného masa, zchlazené krve v lékařství apod. Požadavky kla-dené při měření teploty povrchu jsou rozdílné podle typu úlohy, přičemž nejistota výsledku

měření je požadována v řádu desetin, popř. ce-lých stupňů. V [6] jsou uvedeny podmínky, kte-ré je třeba obecně splnit, má-li být teplota na-měřena správně. Jednou ze základních podmí-nek je dostatečný ponor čidla teploměru. Právě tato podmínka zpravidla není při měření teploty povrhu splněna, jak je patrné z obr. 1.

Dalším problémem při měření teploty po-vrchu těles jsou obrovské chyby způsobe-né vodivostí stonku teploměru, neboť teplo je v místě přiložení čidla teploty odváděno z povrchu měřeného tělesa, na němž vzniká chladnější ploška. V úvahu je třeba brát i sdí-lení tepla prouděním, popř. sáláním. Kom-plexně popsat probíhající děje je velmi slo-žité. V důsledku odvodu tepla kovovým tě-lem povrchová sonda obvykle měří „o něco

Možnosti kalibrace dotykových sond pro měření teploty povrchu

méně“. Proto jsou tyto teploměry kalibrová-ny s kladnou chybou. Uvedené skutečnosti předurčují vznik značných chyb při využí-vání teploměru jinak, než je výrobcem uve-deno v uživatelské příručce. Stejně tak je při kalibraci nutné znát skutečný způsob použití

teploměru a kalibrovat ho ve stejných nebo alespoň podobných podmínkách.

2. Měření teploty povrchu těles

2.1 Parciálních chyby při měření teploty povrchu

Při určování teploty povrchu pevného tě-lesa, které je v tepelné rovnováze s okolním ovzduším, existují tři hlavní problémové ob-lasti, které nazvěme první, druhou a třetí par-ciální chybou.

Příčinou první parciální chyby je zatěžo-vací efekt projevující se při uvedení teplé-ho povrchu měřeného předmětu do kontaktu s chladným měřicím čidlem. Odvod tepla z po-vrchu předmětu v místě dotyku čidla (a dále čidlem) oproti původnímu rovnovážnému sta-vu vzroste. Výsledkem je deformace teplotní-ho pole a pokles teploty povrchu v místě mě-ření. Tato chyba bývá obzvláště velká při mě-ření teploty povrchu nekovových předmětů, kdy malá tepelná vodivost předmětu má za následek značnou deformaci teplotního pole.

Druhá parciální chyba je zapříči-něna vzdálenými podmínkami kon-taktu mezi snímačem a povrchem tělesa, způsobujícími nezanedbatel-ný tepelný odpor na jejich rozhraní. Teplo intenzivně odváděné snímačem musí tento tepelný odpor překonávat, což má za následek další parciální po-kles údaje teploty.

Třetí parciální chyba je způsobe-na poklesem teploty se vzdáleností od povrchu měřeného tělesa k citli-vému bodu čidla, které odpovídá za hodnoty čtené na teploměru (udáva-né snímačem). Příslušná vzdálenost je vzhledem k reálnému uspořádání snímačů nenulová.

Velikosti parciálních chyb závise-jí na konkrétní měřicí úloze a na konstrukci a instalaci čidla a snímače.

Všechny tři parciálních chyby jsou pro-porciální buď velikosti průtoku tepla, nebo hustotě tepelného toku snímačem s ohledem na teplotní gradient mezi teplým povrchem tělesa a chladnějším čidlem. Lze-li tento tep-lotní gradient zmenšit, lze zmenšit odvod tep-la, a tím i uvedené parciální chyby. Tento po-hled vede k několika obecným úvahám.

Jde např. o zodpovězení otázek typu: „Je třeba znát velikost tepelných ztrát povrchem tělesa?“; „Je povrch tělesa tak horký, že do-

Radek Strnad

V článku  je diskutována problematika měření  teploty povrchu  se  zvláštním zřete-lem na obecně používané principy a popsán nový kalibrační blok zkonstruovaný pro účely kalibrace snímačů teploty povrchu v ČMI OI Praha. Jsou zde uvedeny základ-ní charakteristiky bloku a výsledky jeho porovnání s dosavadními přístroji používa-nými v ČMI OI Praha.

Obr. 1. Příklad provedení snímače k měření teploty povrchu potrubí

Obr. 2. Příklad provedení snímače k měření teploty povrchu potrubí

izol

ace

a) b)

Obr. 3. Příklady provedení komerčně dostupných čidel pro měření teploty povrchu těles

Obr. 4. Současná sestava zařízení pro kalibraci snímačů teploty povrchu Isotech, model 944

31AUTOMA 8-9/2011

téma

jde k popálení lidské pokožky?“; „Je důležité znát množství vyzařování tepla z daného po-vrchu?“; „Je třeba znát vnitřní teplotu tělesa v blízkosti měřeného povrchu?“ apod. Každá z těchto úloh vyžaduje jiné řešení měřicího řetězce, z nichž každé pro jeden a týž povrch poskytne jiný údaj teploty povrchu.

2.2 Metody měření teploty povrchu

Obecně existují dvě kategorie metod pou-žívaných pro měření teploty povrchu:– bezkontaktní metody,– kontaktní metody.

K bezkontaktním měřidlům patří infračer-

vené a optické pyrometry, měřící teplotu sta-novením množství energie vyzářené z povrchu tělesa. Bezkontaktní metody měření teploty představují samostatnou obsáhlou problemati-ku, která není předmětem tohoto článku.

Další možnost je použít indikátory tep-loty. Na povrch tělesa lze nanést barevná či-nidla nebo křídy, které při specifické teplo-tě mění barvu. U mnohých z nich je změna barvy nevratná, takže jsou prostředkem na jedno použití.

Většina teploměrů pro měření teplot po-vrchu těles je zkonstruována s použitím ter-moelektrických článků, odporových sní-mačů teploty nebo termistorů. Aby bylo dosaženo dostatečné hloubky ponoru teplo-měru, měl by být teploměr k povrchu tepel-ně „upevněn“ alespoň několika centimetry délky. Jiný přístup využívá zapuštění teplo-

měru pod povrch tělesa za účelem dosáhnout menších gradientů teploty. Metody připoje-ní kontaktního teploměru lze podle prove-dení rozdělit na:– instalace přímo na povrchu (často při pou-

žití teplosměnné podložky, např. kontaktní kapaliny nebo materiálu s velkým koefici-entem tepelné vodivosti),

– instalace v drážce,– instalace zdola pod povrchem.

Základním problémem při měření teploty povrchu látek je skutečnost, že povrch je ne-konečně tenkým rozhraním. Neexistuje tudíž žádné „prostředí“, do kterého by bylo možné teploměr ponořit. Při požadavcích na měření teploty povrchu těles se lze řešení tohoto roz-poru často dopátrat především analýzou dů-vodů, proč je třeba teplotu měřit. Je-li např. třeba vědět, kolik energie zkoumaná plocha vyzařuje, je vhodné měřit radiačním teplo-měrem. Je-li třeba znát pravděpodobnost, s jakou teplotou měřený povrch představuje riziko popálení, měl by být použit standard-ní prst, jak to uvádějí bezpečnostní normy. A je-li požadováno neintruzivní měření tep-loty předmětu „z druhé strany povrchu“, je řešením instalace čidla pod povrch.

2.3 Nejistoty při měření teploty povrchu

Stanovit nejistoty při měření teploty povrchu je rovněž obtížnější, neboť je přítomen větší počet zdrojů chyby než při standardním měření teploty uvnitř homogenní látky, pevné či tekuté.

Vždy, kdy je nebezpečí vzniku chy-by z důvodu ponoru, je velmi jednodu-ché měnit délku ponoru o jeden až dva průměry čidla a pozorovat, zda se mění naměřená teplota. Dva přístupy k řeše-ní problému ukazuje obr. 2. Připevnění čidla po délce ponoru (obr. 2a) může zčásti nahradit ponor. V některých pří-padech lze tepelné ztráty radiací nebo prouděním vzduchu zmenšit pomocí izolace, ačkoliv naproti tomu se po-vrch pod izolací může nadměrně otep-

lovat. Uspořádání podle obr. 2b se vyznačuje minimální přidanou chybou.

V úvahu je také třeba brát radiaci jako je-den z nejzákeřnějších zdrojů chyb v termome-trii. Často není brána v potaz fyzikální souvis-lost mezi zdrojem radiace a teploměrem a ra-diace jako možný zdroj chyb je i přehlížena. Chyby způsobené radiací se vyskytují zejmé-na při měření teploty vzduchu a povrchu teh-dy, když zdroj nelze odstínit a kdy je tepelný kontakt s předmětem zájmu už tak dost slabý. Příklady takových zdrojů jsou lampy, kotle, pece, elektrické ohřívače a také slunce.

Jednou z nejobvyklejších potíží jsou tep-lotní zdroje světla při odečítání ze stupnic teploměrů. Je-li nutné žárovky používat, měly by to být žárovky fluorescentní, s malým vý-konem s velmi malou hustotou spektrálního toku v infračervené části spektra.

U složitějších měření je zdrojem chyby všechno, co má jinou teplotu a vyskytuje se nad podlahou ve stejné výšce, na které je ode-čítán teploměr. Může jít o chladné předměty, např. mrazničky, absorbující radiaci emitova-nou teploměrem. Je nutné si uvědomovat, že při pokojové teplotě všechny povrchy vyza-řují energii (stejně, jako ji sousední předmě-ty absorbují) v hodnotě asi 500 W/m2, takže radiační kontakt mezi předměty je mnohem intenzivnější, než jaký je instinktivně přepo-kládán. V místnosti s velkým kotlem bude skleněný teploměr vykazovat chybu i něko-lik stupňů.

Při objevení měřicího řetězce, který může být ovlivněn radiací, existují tyto dvě základ-ní strategie:– odstranění zdroje,– odstínění zdroje.

Odstranit zdroj je jistě nejúčinnější strate-gie, je-li to možné. Není-li možné zdroj od-stranit, nezbývá než ho odstínit. Typický ra-diační štít má velkou odrazivost. Obvykle je tvořen lakovanou kovovou trubicí, v níž je poté umístěn teploměr. Štít odráží větší část

záření zpět do teploměru. Vhodnými kryty při experimentech jsou také čisté, lesklé kovové plechovky a hliníková fólie. Nevýhodou ra-diačního štítu je, že výrazně omezuje pohyb vzduchu okolo teploměru, což dále zeslabuje kontakt mezi okolím a teploměrem (jiné pod-mínky při kalibraci a jiné při měření v praxi). Existují možnosti nucené cirkulace vzduchu pomocí ventilátorů, je ale nutné si uvědomit změny teploty vlivem tření v ložiskách ztrá-tového tepla motoru.

Jedním z hlavních nedostatků všech sní-mačů teploty povrchu, s výjimkou tzv. kom-penzovaného čidla, je skutečnost, že samotný úkon měření, vzhledem k odvodu tepla z po-vrchu do čidla teploty, významně ovlivňuje teplotu měřeného povrchu. Ideální by bylo, kdyby všechny kontaktní teploměry moh-ly být kompenzovanými čidly, u nichž mezi měřeným povrchem a čidlem neexistuje žád-ný tepelný tok. I v takovém případě je ovšem kompenzován odvod tepla způsobený přilo-žením čidla teploty. Nejsou zde brány v úva-hu změny radiační teploty povrchu měřené-ho tělesa změnou jeho tvaru a reflexemi od povrchu čidla teploty povrchu.

Obr. 5. Nový blok pro simulaci teplot povrchu (kalibrační blok) ČMI s vloženými odporovými teploměry k měření vertikálního (axiálního) gradientu teploty v bloku

Obr. 6. Experimentální zařízení: termostat Medusa 510 (regulátor Eurotherm) s novým kalibračním blokem, měřicí můstek s přepínačem a povrchový teploměr Isotech 944 (horní skřínka s elektronikou, sonda TTI v termostatu)

Obr. 7. Pohled na kalibrační blok z obr. 5 vlo-žený do termostatu, zde s přiloženou sondou teploměru Isotech 944

32 AUTOMA 8-9/2011

měř

ení t

eplo

tytéma

2.4 Doporučení pro „kalibraci“ snímačů teploty povrchu

Protože v praxi existuje velké množství typů a tvarů snímačů teploty povrchu (obr. 3), není možné jejich existenci ignorovat, neboť v praxi je vyžadována jejich kalibrace. Než o „kalibraci“ bylo by u těchto zařízení vhod-nější hovořit o „simulaci“ nebo „hodnoce-ní“. Nejde totiž jen o kalibraci v obvyklém smyslu tohoto slova, ale především o simu-laci konkrétních kontaktních podmínek zaří-zení pro měření teploty povrchu, jak objas-ňují tyto tři příklady:– používá-li se čidlo teploty povrchu na hlad-

kém plochém povrchu s mazadlem, které má podpořit přenos tepla, mělo by se stej-né mazadlo či tuk nanést na povrch horké desky také při kalibraci, a tak simulovat běžný způsob použití snímače,

– používá-li se čidlo teploty povrchu bez tepelně vodivé kapaliny, např. na zakřive-ných drsných površích litinových trub, při kalibraci by měl být kus stejného materiá-lu umístěn do vybrání horké desky pro si-mulaci skutečné situace u uživatele,

– je-li čidlo při měření přitlačováno k měře-nému povrchu určitou silou, je nutné pou-žívat stejnou sílu i při kalibraci.Dalším významným faktorem ovlivňují-

cím nejistotu měření je proudění vzduchu, a tudíž vodivost stonku. Při použití ve ven-kovních podmínkách se silným větrem bude vodivost stonku snímače měřícího povrcho-vou teplotu mnohonásobně větší než vodivost téhož čidla při bezvětří.

3. Možnosti kalibrace snímačů teploty povrchu v ČMI OI Praha

3.1 Dosavadní zařízení

Tradičně jsou na pracovišti Českého metro-logického institutu, Oblastního inspektorátu Pra-ha (ČMI OI Praha), k dispozici dvě komerční zařízení pro kalibraci snímačů teploty povrchu.

Zařízení značky Isotech, model 944 (TTI) na obr. 4, je určeno k měření teploty povrchu materiálu v rozsahu 50 až 350 °C s nejistota-mi (deklarovanými výrobcem) do 5 K (k = 2). Sonda teploměru je konstruována jako aktiv-ní, tj. obsahuje dva sériově řazené termoelek-trické články z obecných kovů, a je vybavena elektrickým topným tělískem. Účelem tohoto uspořádání je dosáhnout nulového teplotního gradientu ve směru kolmo k měřenému povr-chu, tj. v ose sondy. Topný prvek má za úkol doplňovat energetickou bilanci sondy tak, aby rozdílově zapojená dvojice termočlánků indi-kovala minimální rozdíl teplot.

Teploměr značky Dostmann P600 je určen k měření teploty povrchu materiálu v rozsa-hu –30 až +600 °C při nejistotě asi 2 až 4 K (k = 2). Jeho sonda od firmy Ahlborn je pa-sivního typu, nemá topný prvek a je vybave-na senzorem, kterým je termoelektrický člá-nek v páskovém provedení.

Obr. 9. Teploty v bloku a korekce nastavení termostatu při vztažném teploměru Dostmann P600

Obr. 10. Rozdíly teplot snímačů rozmístěných v kalibračním bloku a teploty snímače nejvzdá-lenějšího od činného povrchu bloku (jako referenčního)

Obr. 8. Teploty v bloku a korekce nastavení termostatu při vztažném teploměru Isotech 944

odc

hylk

a od

jmen

ovité

tepl

oty

(K) 10

8

6

4

2

0

–250 100 150 200 250 300 350

jmenovitá teplota (°C)

0,1

1,0

2,2

3,5

5,1

9,8

korekce nastavení Eurotherm (Medusa 510)

snímač nejdále od povrchu

snímač nejblíže k povrchu

odc

hylk

a od

jmen

ovité

tepl

oty

(K) 11

9

7

5

3

1

–150 100 150 200 250 300 350

jmenovitá teplota (°C)

1,2

2,7

4,9

6,9

8,5

9,5

10,3

korekce nastavení Eurotherm (Medusa 510)

snímač nejdále od povrchu

snímač nejblíže k povrchu

roz

díl t

eplo

t (K

) 0,0

–0,5

–1,0

–1,5

–2,0

–2,5

–3,0

–3,5

jmenovitá teplota (°C)

50 100 150 200 250 300 350

33AUTOMA 8-9/2011

téma

Dále se na druhém pracovišti používá ka-librační tepelný blok vlastní výroby ČMI s drážkou k umístění malého termoelektric-kého článku typu N jako etalonu. Nejistoty u tohoto bloku se pohybují mezi 1 až 3 K.

3.2 Nový kalibrační blok ČMI

V primárních laboratořích teploty v Evro-pě mají k dispozici různé typy kalibračních těles s možností měřit teplotní profil ve verti-kálním směru a s extrapolací naměřených hod-not na teplotu jeho činného povrchu. Tomuto současnému trendu odpovídá blok pro simu-laci teplot povrchu (kalibrační blok) nově vy-vinutý v ČMI, který je osazen čtyřmi odporo-vými teploměry (Pt100, čtyřvodičové zapojení, vnější průměr pláště 4 mm, měřicí rozsah 0 až 350 °C) způsobem umožňujícím měřit verti-kální (axiální) gradient teploty bloku (obr. 5).

Měřicí aparatura umožňující používat nový blok pro kalibraci povrchových tep-

loměrů se skládá z termostatu Medusa 510, řízeného regulátorem teploty značky Euro-therm, a střídavého odporového můstku F300 od firmy ASL kombinovaného s externím pře-pínačem měřicích míst téže značky (obr. 6).

Detail nitra termostatu s vloženým novým ka-librační blokem a přiloženou sondou teplomě-ru Isotech 944 (TTI) je na obr. 7.

3.3 Experimentální ověření nového kalibračního bloku

Vlastnosti nového bloku pro simulaci tep-lot povrchu byly v ČMI důkladně experimen-tálně ověřeny při použití již popsané přístro-jové infrastruktury (obr. 6, obr. 7) a součas-ných přístrojů pro měření teploty povrchu materiálu Isotech 944 a Dostmann P600.

Celý experiment byl započat kalibrací odporových snímačů teploty Pt100, násled-ně zabudovaných do bloku pro simulaci tep-lot povrchu. K tomu byly snímače umístěny spolu s etalonovým teploměrem Pt25 znač-ky Tinsley v tepelně vodivém bloku, poté vloženém do pracovního prostoru termo-statu Medusa 510. Kalibrace byla provede-na pro rozsah teplot 50 až 350 °C s krokem po 50 °C a s opakovanou kontrolou stability v 0 °C. Bylo potvrzeno, že snímače vyhovu-jí toleranční třídě B podle normy EN 60751. Měřilo se opakovaně tak, aby byl dostateč-ně přesně zjištěn průběh teploty podél ver-tikály (osy) kalibračního bloku spolu s tep-lotami, které je třeba nastavit jako žádané na regulátoru Eurotherm u termostatu Me-dusa k tomu, aby výsledná teplota povrchu bloku byla v blízkém okolí jmenovitých teplot 50 až 350 °C, po 50 °C. Po uvedené přípravné fázi následovalo množství měře-ní různých charakteristik nového kalibrač-ního bloku. V dalším textu jsou ve struč-nosti uvedeny některé vybrané výsledky. Není-li uvedeno jinak, měřilo se v rozsahu 50 až 350 °C s krokem 50 °C.

V grafu na obr. 8 jsou ukázány odchylky teploty naměřené čtyřmi snímači umístěný-mi v kalibračním bloku od jmenovité hodno-ty teploty reprezentované údajem teploměru Isotech 944 se sondou TTI přiloženou k blo-

ku a použitého jako vztažný. Horní (modrá) křivka v dol-ním svazku křivek v grafu pla-tí pro snímač umístěný nejdále od jeho činného povrchu blo-ku (nejníže), zatímco nejní-že položená křivka (červená) reprezentuje snímač umístě-ný těsně pod povrchem blo-ku, kde je teplota vlivem od-vodů tepla nejnižší. Současně je v grafu uvedena korekce nastavení regulátoru Euro-therm nutná k dosažení žáda-ného stavu, opět vzhledem ke jmenovité teplotě.

V obdobném grafu na obr. 9 jsou prezentovány ty-

též údaje jako na obr. 8, ovšem v uspořádá-ní, kdy vztažným teploměrem byl teploměr Dostmann P600.

Mezi obr. 8 a obr. 9 jsou patrné výrazné rozdíly ve tvaru jak závislosti odchylek sní-

Obr. 11. Vliv přikládání sond ke kalibračnímu bloku a vliv klimatizace při jmenovité teplotě 350 °C

14:14:37

14:19:01

14:23:25

14:27

:49

14:32:13

14:36:37

14:41

:01

14:45

:25

14:49:49

14:54

:13

14:58

:37

15:03:01

15:07:25

15:11

:49

15:16:13

15:20:37

15:25

:01

15:29:25

15:33:49

15:38

:13

15:42

:37

15:47:01

15:51

:25

15:55

:49

16:00:13

16:04:37

16:09

:01

16:13:25

16:17:49

16:22:13

16:26:37

16:31:01

16:35:25

16:39

:49

16:44:13

16:48:37

16:53

:01

16:57:25

14:42 T TI tam

15 :0 0 TTI pryč

15:11 P60 0 ta m15:33 P6 00 pry č

15 :5 5 za p klim a tizace

16 :3 9 P6 00 tam

1,8 oC

Obr. 12. Dlouhodobá stabilita teplot v kalibračním bloku (jmenovitá teplota 50 °C, klimatizace v chodu)

15:41:16

16:11

:15

16:41:15

17:11:15

17:41:15

18:11:15

18:41:15

19:11:15

19:41

:15

20:11:15

20:41

:15

21:11:15

21:41

:15

22:11:15

22:41

:15

23:11:15

23:41

:15

0:11

:15

0:41

:15

1:11

:15

1:41

:15

2:11

:15

2:41

:15

3:11:15

3:41

:15

4:11:15

4:41

:15

5:11:15

5:41

:15

6:11:15

6:41

:15

7:11:15

v yp .k l im a tiz ace1 30 m K

Obr. 13. Experimentálně zjištěný průběh teploty v bloku a jeho matematický model pro extrapolaci (jmenovitá tep-lota kalibrace 50 °C, odpovídající nastavení žádané teploty na regulátoru Euroterm termostatu Medusa 510, je 50,7 °C)

50,6

50,5

50,4

50,3

50,2

50,1

50,0

49,9

49,8

vzdálenost od činného povrchu bloku (mm)

tepl

ota

(°C

)

y = 0,000 4 · x2 + 0,030 8 · x + 49,834

0 10 20 30 40

34 AUTOMA 8-9/2011

měř

ení t

eplo

tytéma

Tab. 1. Souhrnné teplotní charakteristiky bloku ČMI pro kalibraci sond teploty povrchu a jeho shoda se současnými teploměry Isotech 944 (sonda TTI) a Dostmann P600 (sonda P600); údaje v tmavomodře podložené části tabulky jsou naměřené, popř. extrapolací zjištěné teploty (°C)

Jmenovitá teplota

(°C)

Eurotherm3) (°C)

Teplota bloku (°C) ve vzdálenosti od činné-ho povrchu (mm)

Sonda TTI2)

Sonda P6002)

38,0 28,0 18,8 8,8 0,01)

50 50,7 50,5 50,4 50,3 50,1 49,8 52,0 49,6100 102,2 101,3 101,1 100,8 100,3 99,8 104,2 97,4150 153,8 152,3 152,0 151,5 150,8 150,1 153,5 148,4200 205,0 202,7 202,2 201,6 200,7 199,9 201,8 195,6250 256,5 252,9 252,3 251,5 250,4 249,4 255,1 244,6300 309,0 304,0 303,3 302,3 301,2 300,1 302,6 296,0350 359,7 353,0 352,2 351,1 349,8 348,5 350,6 341,0

1) Teplota činného povrchu bloku stanovená extrapolací.2) Přiložená k činnému povrchu bloku.3) Nastavení regulátoru Eurotherm.

Tab. 2. Údaje z tab. 1 po přepočtu na teploměr Isotech 944 (sonda TTI) jako referenční

Jmenovitá teplota (°C)

Eurotherm3) (°C)

Teplota bloku (°C) ve vzdálenosti od činného povrchu (mm)

Sonda TTI2)

38,0 28,0 18,8 8,8 0,01)

50 50,1 49,7 49,6 49,5 49,3 49,0 51,5100 101,0 100,2 99,9 99,6 99,1 98,6 100,0150 152,2 150,7 150,4 149,9 149,1 148,4 150,0200 203,5 201,1 200,6 200,0 199,1 198,3 200,0250 255,1 251,6 251,0 250,3 249,2 248,2 250,0300 307,3 302,6 301,9 301,0 299,8 298,7 300,0350 359,8 353,6 352,8 351,8 350,5 349,3 350,1

1) Teplota činného povrchu bloku stanovená extrapolací.2) Přiložená k činnému povrchu bloku.3) Nastavení regulátoru Eurotherm.

mačů, tak i korekce (kalibrační křivky) re-gulátoru Eurotherm na teplotě. Za účelem zjistit příčinu byly určeny rozdíly mezi úda-ji jednotlivých snímačů, a to oproti snímači umístěnému nejníže v bloku (nejdále od čin-ného povrchu bloku), zvolenému jako refe-renční, a vyneseny do grafu. Z výsledku na obr. 10 je patrné, že změna teploty bloku ve směru kolmo k jeho činnému povrchu je li-neární. Toto zjištění je velmi významné z hle-diska možnosti určit teplotu zakončení blo-ku (jeho činného povrchu) extrapolací údajů snímačů umístěných v bloku.

Dále byl zjišťován vliv přikládání sond TTI (Isotech) a P600 (Dostmann) na povrch kali-bračního bloku. S ohledem na očekávanou (a také prokázanou) progresivitu tohoto vlivu s růstem teploty byly experimenty uskutečňo-vány i při maximální možné teplotě 350 °C, kdy druh přikládané sondy a proudění vzduchu okolí mají na poměry na povrchu kalibračního bloku největší vliv. Protože při měřeních bylo pozorováno zdánlivě bezdůvodné kolísání na-měřených hodnot, došlo i na sledování vlivu klimatizace v laboratoři na teplotní poměry v kalibračním bloku. Ukázka časového průbě-hu signálů ze snímačů při přikládání a odebírá-ní sond a zapnutí klimatizace naměřeného při jmenovité teplotě bloku 350 °C je na obr. 11.

Patrným vlivem na obr. 11 je nárůst teplo-ty při přiložení sondy TTI teploměru Isotech 944, která je keramická, tedy s minimálním odvodem tepla, avšak působí jako clona pro radiační složku odvodu tepla z povrchu blo-ku. Po přiložení sondy teploměru P600, která

je kovová a odvádí teplo vedením, následu-je, v souladu s běžným očekáváním, pokles teploty bloku. Vliv má i chod klimatizační-ho zařízení. Aby bylo dosaženo co nejstabil-nějších výsledků, bylo toto při závěrečných experimentech mimo provoz.

Dále byla ověřována dlouhodobá stabili-ta teploty kalibračního bloku. Výsledek při jmenovité teplotě bloku 50 °C je na obr. 12.

V souvislosti s obr. 10 již bylo zmíněno a z podstaty úlohy měření teploty povrchu vyplývá, že ke stanovení teploty činného po-vrchu kalibračního bloku je třeba extrapo-

lovat experimentálně zjištěný průběh gradi-entu teploty uvnitř bloku až k jeho činnému povrchu. Extrapolaci je nutné provést zvlášť pro každou (jmenovitou) kalibrační teplo-tu. Problematice extrapolace průběhu tep-loty v bloku byla při ověřování způsobilosti nového kalibračního bloku věnována patřič-ná pozornost. Bylo provedeno množství ana-lýz, výpočtů a experimentů. Byla analyzová-na závislost teplotního gradientu a určeny geometrické rozměry bloku, byly zkoumány vlivy různých materiálů bloku (bronz, koro-zivzdorná ocel a hliník), aby bylo možné sle-dovat vliv rozdílných instalací jednotlivých snímačů atd. Podrobný výklad problematiky extrapolace teploty přesahuje rámec toho-to informativního článku. Pro ilustraci je na obr. 13 ukázán zjištěný průběh teploty v blo-ku a jeho matematický model pro jmenovi-tou teplotu kalibrace 50 °C. Podrobné infor-mace lze získat v literatuře uvedené za člán-kem, popř. na pracovišti autora.

Celkovou informaci o chování a úrovni shody nového kalibračního bloku ČMI pro kalibraci sond teploty povrchu s dosud pou-žívanými teploměry poskytuje tab. 1. Je patr-né, že extrapolované hodnoty teploty činného povrchu bloku jsou přibližně uprostřed údajů obou teploměrů. Pro výpočet výsledné nejis-toty kalibrace je rozumné jeden typ snímače nastavit jako referenci a regulátor přestavět tak, aby si obě hodnoty navzájem odpovída-ly. Výsledkem této operace je tab. 2.

4. Závěr

V příspěvku jsou diskutovány různé meto-dy měření teplot povrchu se zvláštním zřete-lem na obecně používané principy. Je popsán nový kalibrační blok zkonstruovaný pro úče-ly kalibrace snímačů teploty povrchu vyzna-čující se možností proměřovat teplotní profil bloku s extrapolací teploty činného povrchu bloku. Naměřené a vypočítané charakteristi-ky bloku byly porovnány s údaji dosavadních přístrojů používaných v laboratoři ČMI OI Praha k měření teploty povrchu. Bylo zjiště-no, že metrologické parametry nového zaříze-ní jsou na kvantitativně lepší úrovni a umožní zmenšit výsledné nejistoty kalibrace zaříze-ní pro měření teplot povrchu. Použité různé materiály umožňují sledovat vliv rozdílných instalací jednotlivých teploměrů.

Literatura:[1] ARPINO, F. – DELL’ISOLA, M. – FERNICO-

LA, V. C. – FRATTOLILLO, A. – ROSSO, L.: Design and modeling of a surface temperature calibration system. Proceedings of Tempmeko, 2004, pp. 635–641.

[2] KOVÁCS, T: Qualification of temperature field by temperature gradient. Interní materiál OMH Budapešť.

[3] LIN, H. – DUAN, Y. Y. – ZHANG, J. T.: Sim-plified gradient theory modeling of the surface pension for bingy mixtures. Int. J. Thermophys, 2008, 29, pp. 423–433.

[4] STRNAD, R. – ŠINDELÁŘ, M.: Závěrečná zprá va č. 1012-TR-Z004-08 k úkolu TR 810122- -3-4. Interní materiál ČMI Praha.

[5] STRNAD, R. – ŠINDELÁŘ, M: Možnosti kalibrace povrchových teplot ČMI OI Praha. In: Sborník přednášek konference Měření a re-gulace teplot v teorii a praxi, VŠB-TU Ostrava, Ostrava, 2009, s. 29–37.

[6] STRNAD, R.: Měření teploty – porozumění vlastnostem měřicího přístroje. Automa, 2009, roč. 15, č. 6, s. 31–35.

[7] STRNAD, R. – ŠINDELÁŘ, M.: The labora-tory setup for calibrating of the surface tem-perature sensors. Proceedings of Tempmeko 2010, Portorož, Slovenia.

Dr. Ing. Radek Strnad,Český metrologický institut,Oblastní inspektorát Praha,

oddělení termometrie(rstrnad@cmi.cz)