KATEDRA BUDOWY MASZYN

Wydział Mechaniczny Technologiczny

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Przedmiot:

Kod przedmiotu:

Kod ćwiczenia:
Nr ćwiczenia:

Temat:

Pomiar temperatury obrabiarek

Kierunek:

Specjalizacja:

1

Zadanie

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów temperatur w dziedzinie budowy maszyn, ze szczególnym
uwzględnieniem tego typu pomiarów w obrabiarkach. W ramach ćwiczenia poruszana jest tematyka dotycząca metod
oraz celowości przeprowadzania pomiarów temperatury w obrabiarkach.
W ćwiczeniu przeprowadza się pomiary temperatur wybranych powierzchni obrabiarek. Pomiar dokonuje się zarówno
metodami kontaktowymi, jak i metodami pirometrycznymi, na stanowisku pozwalającym na uzyskanie temperatury z
zakresu: od temperatury otoczenia do temperatury ok.100C. Studenci obliczając różnicę pomiędzy wartościami
temperatur uzyskanych z zastosowaniem obydwu metod, wskazując na przyczyny rozbieżności.

2

Wyposażenie stanowiska

•

Płyta grzejna z przygotowanymi powierzchniami imitującymi różne powierzchnie występujące w
maszynach (szlifowana, frezowana, polerowana, malowana farbami o różnych kolorach )

•

Termopara typu K ze wzmacniaczem termoparowym oraz urządzeniem wskazującym i kalibrującym sygnał
wyposażony w układ kompensacji zimnych końców

•

Kamera termowizyjna V20 firmy Vigo

•

Regulator temperatury RE3 firmy Lumel

•

Komputer pomiarowy wyposażony w oprogramowanie do akwizycji i analizy danych z kamery
termograficznej

3

Przebieg ćwiczenia

3.1.1.

Zmontować układ pomiarowy

3.1.2.

Dokonać pomiaru metodą kontaktową (termopara) oraz pirometryczną (kamera IR) temperatury

wybranych powierzchni płyty grzejnej dla temperatur od temperatury otoczenia do temperatury 90C. Pomiaru
dokonywać dyskretnie, co 10K. Pomiaru dokonywać dla emisyjności powierzchni e=1.

4

Uwagi do sprawozdania

4.1.1.

Wyznaczyć emisyjność wybranych powierzchni dla mierzonych temperatur traktując temperaturę

mierzoną termoparą jak rzeczywistą. Analizę przeprowadzić w oprogramowaniu do analizy i rejestracji obrazów
termograficznych.

4.1.2.

Wartości emisyjności określonych powierzchni zestawić na wykresach w funkcji temperatury.

4.1.3.

Sporządzić wnioski do ćwiczenia.

LITERATURA:

[1]

Michalski L., Eckensdorf K.: Pomiary temperatury. WNT, Warszawa 1986.

[2]

Afanasewicz Z., Darlewski J.: Ćwiczenia laboratoryjne z obróbki skrawaniem. Pomiar temperatury skrawania

metodami termoelektrycznymi. Skrypt Pol.Śl. Nr 721, Gliwice 1977.

[3]

Lis K.: Problem emisyjności w pomiarach pirometrycznych temperatury, Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn

Nr 2/2006, Gliwice, 2006;

[4]

DT skanera termograficznego VIGOV20,

[5]

Praca zbiorowa pod red. Jana Kosmola; Laboratorium z układów pomiarowo-kontrolnych i

diagnostycznych;s.21,s.67; skrypt uczelniany nr. 1985.

Opracował:

dr inż. Krzysztof Lis

Sprawdził:

Zatwierdził:

Uwagi:
Załącznikiem jest instrukcja szczegółowa

KATEDRA BUDOWY MASZYN

Wydział Mechaniczny Technologiczny

POLITECHNIKA ŚLĄSKA

INSTRUKCJA SZCZEGÓŁOWA DO ĆWICZEŃ

LABORATORYJNYCH

Temat: Pomiar temperatury obrabiarek

(wersja robocza: 20-04-09)

1

Wstęp

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów temperatur w dziedzinie budowy maszyn, ze

szczególnym uwzględnieniem tego typu pomiarów w obrabiarkach. W ramach ćwiczenia poruszana jest tematyka
dotycząca metod oraz celowości przeprowadzania pomiarów temperatury w obrabiarkach.
W ćwiczeniu przeprowadza się pomiary temperatur wybranych powierzchni obrabiarek. Pomiar dokonuje się zarówno
metodami kontaktowymi, jak i metodami pirometrycznymi, na stanowisku pozwalającym na uzyskanie temperatury z
zakresu: od temperatury otoczenia do temperatury ok.100C. Studenci obliczając różnicę pomiędzy wartościami
temperatur uzyskanych z zastosowaniem obydwu metod, wskazując na przyczyny rozbieżności.
Pomiar temperatury lub rozkładu temperatur w obrabiarce przeprowadzany jest w celu określenia stanu cieplnego
maszyny. Stan ten może mieć charakter ustabilizowany (dłuższa praca maszyny) lub nieustalony (rozgrzewanie,
chłodzenie maszyny). Stan ustalony nastąpi kiedy bilans odpływu ciepła z zewnętrznych powierzchni obrabiarki na
drodze: przewodzenia, konwekcji, radiacji ciepła oraz wymiany ciepła związanej z unoszeniem ciepła wraz z
produktami procesu skrawania równy jest ciepłu pochodzącemu z wewnętrznych źródeł ciepła (silnik, węzły
łożyskowe, sprzęgła, przekładnie kinematyczne: zębate, łańcuchowe, pasowe, pompy, układy elektryczne, prowadnice).
Bilans dotyczy również zewnętrznych źródeł ciepła takich jak proces skrawania oraz ciepła pochodzącego z otoczenia
obrabiarki (promieniowanie innych obrabiarek i przedmiotów znajdujących się w pobliżu).
Pomiaru temperatury w obrabiarce dokonuje się z kilku powodów:
Diagnostyka maszyny:
Pomiar temperatury może stanowić jeden ze środków w diagnozowaniu stanu maszyny. Mierzona w procesie
diagnozowania stanu obrabiarki temperatura może być większa niż temperatura, jaka powinna wynikać ze sprawności
układów napędowych i kinematycznych maszyny. Anomalia w rozkładzie temperatury na powierzchni korpusów
maszyny lub temperatury mierzonej w pobliżu wspomnianych układów (czujniki pomiarowe umieszczone w
przygotowanych otworach) w stosunku do temperatur uznawanych dla danego elementu maszyny jako normalne mogą
ś

wiadczyć o uszkodzeniu, nadmiernym zużyciu, lub nieprawidłowym montażu danego podzespołu maszyny.

Sprzężenie zwrotne w układzie sterowania (kompensacja odkształceń cieplnych)

Nowoczesne maszyny CNC posiadają serwonapędy o złożonej strukturze, pozwalające na uzyskiwanie dużych

dokładności pozycjonowania. Niestety zjawisko rozszerzalności cieplnej, (współczynnik rozszerzalności cieplnej dla
stali wynosi ok. 1.3e-5_1/C) sprawia iż bez uwzględnienia tego zjawiska dokładność tego typu maszyn jest dużo
mniejsza. Pomiar temperatury może stanowić dodatkowe sprzężenie zwrotne w układzie regulacji jakim jest
serwonapęd. Ponadto pomiar temperatury stosowany jest też jako sprzężenie zwrotne w układzie zabezpieczenia
przeciw przegrzaniu elementów elektrycznych.

Elektryczne pomiary wielkości nieelektrycznych są stosowane niemal we wszystkich dziedzinach nauki i techniki

ze względu na ich liczne zalety. Metody elektryczne umożliwiają przeprowadzenie pomiarów na odległość,
automatyzację wykonywania pomiarów, dużą dokładność pomiarów oraz zastosowanie wyników pomiarów do
sterowania procesem technologicznym.

Ze względu na rodzaj wielkości wyjściowej rozróżnia się czujniki parametryczne, w których wielkością

wyjściową jest rezystancja, pojemność lub przenikalność magnetyczna i generacyjne, w których wielkością wyjściową
jest siła elektromotoryczna, prąd lub ładunek elektryczny. Aby zmierzyć wielkość nieelektryczne ,za pomocą czujnika
parametrycznego, trzeba do układu pomiarowego dostarczyć energię elektryczną z zewnętrznego źródła. Rodzaj
czujnika pomiarowego i wartość sygnału wyjściowego decydując elektrycznym układzie pomiarowym.

1

Klasyfikacja przyrządów do pomiaru temperatury.

Przemysłowe urządzenia elektrotermiczne zawsze wyposażone są w aparaturę do pomiaru temperatury, a także w

układy do samoczynnej regulacji i stabilizacji wymaganej w procesie technologicznym temperatury.
Przejmuje one informacje o temperaturze mierzonej i przekształca ją na inną wielkość fizyczną, której zmienność w
funkcji temperatury decyduje o charakterystyce układu pomiarowego. Taka wielkość fizyczna stanowi sygnał
pomiarowy temperatury, który może być przetworzony za pomocą odpowiedniego przetwornika do postaci wymaganej
w układzie regulacji. Rodzaj wielkości fizycznej wykorzystywanej w danym układzie pomiarowym jest podstawą
podziału na termometry nieelektryczne oraz elektryczne, w których sygnał zależny od temperatury zamieniany jest na
jedną z wielkości elektrycznych.

Rys. 1. Klasyfikacja termometrów: a) nieelektrycznych, b) elektrycznych.

a)





b)

- dylatacyjne

-bimetalowe

dlugo

ś

ci

-ultrad

ź

wi

ę

kowe

drgadnia akustyczne

cieczowe

-szklane

-manometryczne

obj

ę

to

ś

ci cieczy

-manometryczne

ci

ś

nienie gazu

-pirometryczne

promieniowanie termiczne

Temperatura

-rezystancyjne

-termistorowe

-krzemowe

rezystancyjne

-kwarcowe

czestotliwo

ś

ciowe

-termoelektryczne

-tranzystorowe

-diodowe

-

ś

wiatłowodowe

-pirometry samoczynne

napi

ę

cie lub pr

ą

d

Temperatura

Przyrządy termometryczne możemy również sklasyfikować ze względu na sposób przejmowania ciepła między

termometrem, a ciałem lub ośrodkiem, którego temperaturę się mierzy. Według tego kryterium wyróżnia się stykowe i
bezstykowe
metody pomiaru temperatury.
W metodzie stykowej czujnik temperatury styka się bezpośrednio z ciałem lub z ośrodkiem badanym i wymienia ciepło
przez przewodzenie. Przyrząd stosowany do pomiarów temperatury metodą stykową wraz z układem pomiarowym
nazywa się termometrem.
W bezstykowej metodzie pomiarów temperatury powierzchni ciała wykorzystuje się zależność wysyłanego
promieniowania cieplnego przez nagrzanie ciało od jego temperatury. Przyrząd stosowany do pomiarów temperatury
metodą bezstykową wraz z układem pomiarowym nazywa się pirometrem.

2

Pomiary stykowe

2.1.

Termometry rezystancyjne

Termometry rezystancyjne wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji metali wraz z temperatura. Wraz ze wzrostem
temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i
jonów, co powoduje wzrost rezystancji. Wzrost rezystancji danego metalu określany jest ogólną zależnością:

R(

υ

)=R

0

[ 1+A(

υ

-

υ

0

)+B(

υ

-

υ

0

)

2

+...] (1)

gdzie: R

0

– rezystancja w temperaturze

υ

0

υ

0

- temperatura odniesienia, zwykle

υ

0

= 0 lub

υ

0

= 20 °C,

A, B – temperatura współczynnika rezystancji zależne od rodzaju metalu i temperatury.

Dla niezbyt szerokiego przedziału temperatur przyjmując

υ

0

= 0 zależność (1) można przedstawić w postaci:

R(

υ

)=R

0

[1+A

υ

] (2)

przy czym współczynnik temperaturowy rezystancji A podany jest najczęściej jako średni dla zakresu temperatury

0 - 100°C i wyraża się zależnością:

100

1

0

100

0

R

R

R

A

−

=

(3)

Współczynnik ten jest zawsze dodatni, to znaczy, że rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Rezystor termometryczny jest to metalowe uzwojenie lub warstwa rezystancyjna zmieniająca swą rezystancję w

funkcji temperatury mierzonej, umieszczone na kształtce z materiału izolacyjnego.

Rezystancja znamionowa rezystora termoelektrycznego jest to rezystancja w temperaturze 0°C. Do pomiarów
technicznych są najczęściej stosowane rezystory o rezystancji znamionowej 100

Ω

rzadziej stosuje się rezystory

miniaturowe, które mają rezystancję znamionową 50

Ω

. Mniejsze wartości rezystancji znamionowej, 10

Ω

i 2

Ω

,

przyjęto dla platynowych rezystorów dużej dokładności, stosowanych w laboratoriach.

Metale stosowane na rezystory termometryczne powinny mieć następujące właściwości:

•

możliwie duży cieplny współczynnik zmian rezystancji, co zapewnia duże przyrosty rezystancji rezystora
wraz z temperaturą,

•

możliwie dużą rezystywność, co umożliwia wykonanie rezystorów o małych wymiarach,

•

możliwie wysoką temperaturę topnienia,

•

odporność na korozję,

•

łatwą odtwarzalność metalu o identycznych własnościach, co zapewnia wymienialność rezystorów
termometrycznych,

•

ciągłą i możliwie liniową zależność rezystancji od temperatury bez

występowania histerezy.

Ze względu na wymóg łatwej odtwarzalności, na rezystory termometryczne stosuje
się prawie wyłącznie metale czyste. Metalem, który najlepiej łączy w sobie wymienione właściwości, jest platyna.
Dodatkowo do wykonywania rezystorów termometrycznych stosuje się również nikiel i miedź.

Rys. 2. Charakterystyki termometryczne platyny, miedzi i niklu.

a) rezystory platynowe

Rezystory platynowe z uwagi na wysoką dokładność i stabilność są najpowszechniej stosowane w przemyśle.
Wykonane są w technologii: tradycyjnej jako rezystory walcowe ceramiczne oraz cienkowarstwowej. Do
jednoczesnego pomiaru i regulacji stosuje się rezystory podwójne dwuuzwojeniowe. Dopuszczalne wartości prądu
pomiarowego wynoszą od 1mA (cienka warstwa) do 5mA (rezystor ceramiczny) i odpowiednio zakres pracy: -70 do
500 (cienka warstwa) i - 200 do 850 (rezystor ceramiczny).
Podstawowym typem rezystora jest Pt 100 posiadający rezystancję 100

Ω

, w temperaturze 0°C; produkowane są także

rezystory Pt 500, Pt 1000.
Zależności między temperaturą, a rezystancją dla rezystorów platynowych określona jest na podstawie poniższych
wzorów [9]:
w zakresie : -200 °C do 0°C

]

)

100

(

1

[

3

0

t

C

C

B

A

R

R

°

−

+

+

+

=

υ

υ

υ

υ

(4)

w zakresie: 0°C do 850°C

)

1

(

2

0

0

υ

υ

B

A

R

R

+

+

=

(5)

Dla platyny stosowanej w przemysłowych termometrach rezystancyjnych w powyższych równaniach przyjęto stałe o
wartościach:

1

3

10

9083

,

3

−

−

°

=

C

x

A

2

7

10

802

,

5

−

−

°

−

=

C

x

B

b) rezystory niklowe

Ze wszystkich metali stosowanych na rezystory termometryczne nikiel ma największy temperaturowy

współczynnik rezystancji. Wykazuje dużą odporność na wpływy chemiczne i korozję. Może być stosowany do
temperatur rzędu 200°C, ponieważ posiada nieliniową zmianę charakterystyki termometrycznej

.

c)

rezystory miedziane

Mimo wysokiej temperatury topnienia i liniowej charakterystyki termometrycznej ze względu na małą odporność na
utlenianie, miedz jest stosowana głównie na rezystory do pomiaru niskich temperatur, głównie w chłodnictwie.

Najbardziej rozpowszechnioną formą platynowych rezystorów termometrycznych są rezystory pałeczkowe, w

których uzwojenie rezystancyjne nawinięte jest na rurce ze szkła lub kwarcu. Po nawinięciu uzwojenia nasuwa się
cienkościenną rurkę z tego samego materiału na korpus rezystora. A następnie przez nagrzewanie powoduje się
stopienie rurki zewnętrznej, która oblewa uzwojenie cienką warstwą chroniącą od uszkodzeń mechanicznych i
wpływów chemicznych.

Typowy zakres zastosowań tego rodzaju rezystorów wynosi -200-550°C. Dla zakresu temperatur 0-850°C stosuje

się rezystory termometryczne z drutu platynowego nawinięte na rurkach lub prętach z AL

2

O

3

i pokryte z zewnątrz tym

samym materiałem. Rezystory pałeczkowe wykonuje się również z uzwojeniem rezystancyjnym w formie spirali
umieszczanych w otworach poosiowych rurki ceramicznej, co zapewnia dużą odporność na wstrząsy i wibracje.
Rezystory pałeczkowe są wykonywane również jako rezystory z dwoma lub nawet trzema niezależnymi uzwojeniami
pomiarowymi. Rezystory takie stosuje się wówczas, gdy istnieje potrzeba jednoczesnego pomiaru i regulacji
temperatury tego samego obiektu oraz niekiedy w układach pomiarowych mostkowych w celu zwiększenia ich
czułości.

2.1.1.

Metody pomiarowe.

Czujniki rezystancyjne mogą być włączane do układów pomiarowych za pomocą linii 2-, 3- lub 4- przewodowej.
Wybór zależy od rezystancji przewodów łączonych, a więc od odległości czujnika, i od wymaganej dokładności. Pod
uwagę bierzemy nie sam fakt rezystancji połączeń, gdyż tę można by uwzględnić przez korekcję charakterystyki
układu, gdyby rezystancja była stała. Rezystancja przewodów zmienia się wskutek zmian temperatury. W układzie 3-
przewodowym rezystancja przewodów jest w gałęzi r1 czujnika i w gałęzi R3. Wpływ Rp znacznie redukuje się. Układ
4-przewodowy (Rys.4.5d) całkowicie redukuje wpływ przewodów, gdyż 2 przewody służą do zasilania rt prądem, a w
dwóch napięciowych przewodach nie ma spadku napięcia, gdy układ pomiarowy nie pobiera prądu. W pomiarach
wielomiejscowych za pomocą jednego układu pomiarowego czujniki są przełączane komutatorem 2-, 3-, lub 4-
biegunowym.
Powszechnie do pomiaru RT stosuje się mostki prądu stałego lub układy mostkowe niezrównoważone. Układ mostka
zrównoważonego stosuje się tylko do pomiarów wzorcowych. Napięcie Uwy doprowadza się do detektora zera, a
mostek równoważy się rezystorem R2. Najczęściej jest używany układ mostka niezrównoważonego, w którym jest
stosowana różnicowa metoda pomiaru. Przez dobór rezystora R2 przesuwa się zakres pomiarowy (korekcja zera), a
czułość zmienia się bądź doborem napięcia zasilania, bądź redukując napięcie wyjściowe mostka (korekcja czułości).
W pomiarach przemysłowych, gdy czujnik jest znacznie oddalony, trzeba stosować układ 3- lub 4-przewodowy.

Rys. 3. Układy pomiarowe czujników rezystancyjnych metalowych: a) mostkowy 2-przewodowy; b)mostkowy 3-

przewodowy; c) układ 4-przewodowy; d) pomiar metodą komparacyjną.

2.2.

Termometry termoelektryczne.

2.2.1.

Budowa i zastosowanie czujników termoelektrycznych.

Podstawowym elementem składowym czujnika termoelektrycznego jest termoelement utworzony przez dwa połączone
na jednym końcu przewody z różnych materiałów, którymi mogą być metale czyste, stopy metali lub niemetale.
Miejsce łączenia nazywa się spoiną pomiarową, pozostałe końce - końcami wolnymi. Przewody termoelementu
nazywane są termoelektrodami. Na termoelektrody należy wybierać taki zestaw materiałów, które w szeregu
termoelektrycznym leżą możliwie daleko od siebie, co zapewnia występowanie odpowiednio dużych napięć
termoelektrycznych przy określonej różnicy temperatur.
Materiały stosowane na termoelementy powinny w miarę możliwości wykazywać następujące cechy:

•

wysoką temperaturę topnienia,

•

wysoką dopuszczalną temperaturę pracy ciągłej,

•

duża odporność na wpływy atmosferyczne,

•

możliwie małą rezystywność,

•

możliwie mały cieplny współczynnik zmiany rezystancji,

•

ciągłą i liniową zależność siły termoelektrycznej od temperatury.

Praktycznie stosowane zestawy materiałów na termoelektrody stanowią kompromis między poszczególnymi
wymaganiami. Silą termoelektryczna powstaje zawsze, jeśli spoina pomiarowa ma temperaturę inną niż wolne końce.
Jeżeli temperatura wolnych końców jest stała i znana, to wartość siły termoelektrycznej jest miarą temperatury spoiny
pomiarowej. Zależność siły termoelektrycznej od temperatury, przy temperaturze wolnych końców stałej równej zeru,
jest znormalizowana dla najczęściej stosowanych termoelementów i nosi nazwę charakterystyk termoelektrycznych
(Rys. 4.6). Na rysunku tym jak i również w oznaczeniach termoelementów na pierwszym miejscu podaje się zawsze
materiał będący elektrodą dodatnią.

Rys. 4. Charakterystyki termometryczne najczęściej stosowanych termoelementów

Znane są następujące typy termoelementów o znormalizowanych charakterystykach:
a)

Termoelement

platyna

-

10%

rod/platyna,

oznaczenie

S

lub

Pt

Rh

10-Pt

jest

stosowany do 1300°C dla pracy ciągłej i do 1600"C dla pracy dorywczej;
b) Termoelement platyna - 13% rod/platyna, oznaczenie R lub Pt Rh 13-Pt ma właściwości bardzo zbliżone do
termoelementu typu S.

c) Termoelement platyna - 30% rod/platyna –6% rod, oznaczenie H lub Pt Rh 30-Pt Rh6
d) Termoelement żelazo/miedź- nikiel, oznaczenie J lub Fe-CuNi posiada elektrodę dodatnią z czystego żelaza,
elektrodę ujemną ze stopu o zawartości od 45 do 60% miedzi [7]. Otrzymanie charakterystyki termometrycznej zgodnej
z normą zależy od wzajemnego dopasowania obu termoelektrod. Termoelement ten jest powszechnie stosowany ze
względu na niską cenę;
e) Termoelement miedź/miedź - nikiel , oznaczenie T lub Cu-CuNi posiada elektrodę dodatnią z czystej miedzi, a
elektrodę ujemną ze stopu o wartości od 45 do 60% miedzi [7].
f) Termoelement nikiel - chrom/miedź - nikiel oznaczenie E lub NiCr-CuNi wykonywany jest ze stopów o różnych
nazwach handlowych;
g) Termoelement nikiel-chrom/nikiel - aluminium, oznaczenie K lub NiCr-NiAl, wykonywany jest ze stopów o
różnych nazwach handlowych, których skład nie jest znormalizowany. Termoelement typu K jest najczęściej
stosownym termoelementem z metali nieszlachetnych w zakresie temperatur do 1000°C (dorywczo do 1200°C).
Charakteryzuje

się prostoliniową charakterystyką termometryczną. Jest on odporny na atmosferę utleniającą, w

wyższych temperaturach jest wrażliwy na atmosferę redukującą i na obecność związków siarki.
h) Termoelement nikiel - chrom - chrom /nikiel - krzem, oznaczenie N lub NiCrSi- NiSi.

2.2.2.

Metody pomiarowe.

Stałość temperatury spoiny odniesienia termoelementu, lub inaczej, stałość temperatury wolnych końców
termoelementu, doprowadzonych do zacisków umieszczonych w głowicy czujnika jest warunkiem poprawnych
wskazań termoelementu termoelektrycznego. Głowica czujnika umieszczona jest na ogół w niewielkiej odległości od
powierzchni zewnętrznej urządzenia, w którym mierzy się temperaturę np., blisko powierzchni izolacji pieca
elektrycznego czy gazowego. Głowica nagrzewa się do pewnej temperatury wyższej niż temperatura otoczenia przez
przewodzenie, promieniowanie i konwekcję. Temperatura głowicy może ulegać nieznacznym wahaniom należnie od
zmian temperatury i warunków pracy urządzenia oraz temperatury otoczenia. Posługują się prawem kolejnych
temperatur przedłuża się więc termoelement przewodami kompensacyjnymi od głowicy do miejsca, gdzie można
utrzymać stałą temperaturę.

Rys. 5 Termoelement z przewodami kompensacyjnymi.

Przewody kompensacyjne są to przewody, których charakterystyka termometryczna jest taka sama jak charakterystyka
termometryczna termoelementu, z którym mają współpracować. Jeżeli przewody kompensacyjne są wykonane z tych
samych materiałów, co termoelement, to w miejscach ich połączeń z termoelementami nie powstają żadne siły
termoelektryczne. Natomiast gdy przewody kompensacyjne są wykonane z innych materiałów niż termoelement, to w
celu poprawnego ich działania miejsca łączenia temoelektrod z przewodami kompensacyjnymi muszą mieć jednakową
temperaturę, tak by znosiły się ewentualnie powstające w miejscach ich łączenia, przeciwnie skierowane, siły
termoelektryczne. Z racji, że przewody kompensacyjne są częściej wykonywane z innych materiałów niż
termoelementy i na ogół nie mają oznaczeń dotyczących zastosowanego materiału, w praktyce przyjmuje się, że
temperatury w miejscach ich łączenia z termoelementem są równe. Spoina odniesienia połączona jest układem
pomiarowym lub układem przetwarzającym sygnał proporcjonalny do temperatury na sygnał przydatny w układzie
regulacji temperatury. Często aby uwzględnić kompensację temperatury „zimnych końców” stosuje się dodatkowy
czujnik pomiarowy.

2.3.

Termometry termistorowe .

Termistory są to rezystory półprzewodnikowe, które posiadają duży temperaturowy współczynnik rezystancji. Do

pomiarów temperatury stosuje się prawie wyłącznie termistory o ujemnym temperaturowym współczynniku rezystancji
NTC (Negative Temperature Coefficient). Termistory o dodatnim temperaturowym współczynniku rezystancji - PTC
(Positive Temperaturę Coefficient) są stosowane raczej do sygnalizacji stanu przekroczenia określonej temperatury.
Produkcja
termistorów jest bardzo trudna i bazuje na technologiach stosowanych w ceramice, a mianowicie na rozdrabnianiu,
mieszaniu formowaniu ciśnieniowym i spiekaniu w temperaturze 1000°C. Ogromny wpływ na uzyskiwane parametry
termistorów ma temperatura, obróbki cieplnej, atmosfera oraz sposób starzenia. Termistory NTC wykonywane są, z
proszków tlenków Mn, Fe, Ni, Cu, Ti, Zn i Co. Termistory po obróbce cieplnej i starzeniu są powierzchniowo
metalizowane, dostrajana jest ich rezystancja, dolutowywane są końcówki metalowe a całość jest oblewana masą
plastyczną lub szkłem. W temperaturze 20°C rezystancja termistorów mieści się w zakresie od kilku k

Ω

do około 40

M

Ω

. Zależność rezystancji termistorów NTC od temperatury opisuje równanie:

gdzie: R

TO

– rezystancja w temperaturze odniesienia T

0

T – temperatura termistora w K,
B

0

– stała zależna od materiału termistora.

Wprowadza się pojęcie cieplnego współczynnika zmiany rezystancji termistora określonego zależnością:

2

0

T

B

−

=

α

(8)

Z powyższych wzorów wynika, że wartość bezwzględna, a zarazem czułość termistora maleje ze wzrostem temperatury
mierzonej.

Rys. 6. Zależność R

T

/R

TO

w funkcji temperatury

υ

0

=20°C dla termistorów o różnych wartościach współczynnika a

T

-

oraz porównawczo dla rezystora platynowego.

W porównaniu z metalowymi rezystorami termometrycznymi termistory charakteryzują następujące zalety:

•

większy cieplny współczynnik zmian rezystancji zapewnia wyższą czułość pomiaru,

•

wielokrotnie większa rezystancja, eliminuje praktycznie wpływ rezystancji przewodów łączeniowych na
wskazania,

•

mniejszymi wymiarami,

•

mniejsze bezwładności cieplne,

•

możność pomiaru małych różnic temperatury.

Natomiast do ich znaczących wad należy zaliczyć:

•

niższe temperatury pracy i węższe zakresy pomiarowe,

•

nieliniową zależność rezystancji od temperatury.

2.4.

Termometry półprzewodnikowe

Diody i tranzystory to elementy złączowe, których charakterystyki prądu w funkcji napięcia zależą głównie od
gęstości nośników po obu stronach złącza. Gęstość ta silnie uzależniona jest od temperatury. Prąd diody płynący
przez złącze w kierunku przewodzenia można przedstawić zależnością:

)

exp(

)

(

)

(

0

kT

qU

T

I

T

I

d

S

d

=

(11)

gdzie: I

SO

- prąd nasycenia diody w kierunku zaporowym,

T – temperatura,
q – ładunek elektryczny,
U

d

– napięcie diody w kierunku przewodzenia,

k – stała Boltzmana.

Diody mogą być wykorzystywane do pomiaru temperatury zarówno przy polaryzacji w kierunku przewodzenia jak i
zaporowej. Jednakże ze względu na nieliniową zależność prądu wstecznego od temperatury częściej do produkcji
czujników temperatury wykorzystuje się polaryzacje diod w kierunku przewodzenia.
Termometry diodowe charakteryzują się zakresem pomiaru temperatury ograniczonym temperaturą, jaką wytrzymuje
złącze diody, oraz liniowością charakterystyki termometrycznej. Dla diody krzemowej typowy zakres mieści się w
przedziale 50 - 150°C. Termometry bazujące na półprzewodnikach z GaAs stosuje się w zakresie 270-300°C, lecz ich
czułość w porównaniu z diodami krzemowymi jest znacznie mniejsza. Charakterystyki termometryczne dla diod Ge, S i
GnAs, jako zależności napięcia w kierunku przewodzenia U

d

od temperatury T przy stałym prądzie przewodzenia I

d

przedstawiono na rys. poniżej.

)

1

1

(

exp

0

0

0

0

T

T

B

R

R

T

T

−

=

Rys. 7. Charakterystyki termometryczne diod (a) oraz układ pomiarowy z diodowym czujnikiem termometrycznym (b)

R

d

- rezystor zapewniający stałość prądu przewodzenia diody

Termometry tranzystorowe, podobnie jak diodowe, maja zakres pomiarowy 50—150°C, co wynika głównie
wytrzymałości termicznej złącza. Charakterystyka termometryczna tranzystora wyrażona jako zależność napięcia baza-
emiter U

be

w funkcji temperatury.

Na czujniki stosowane są tranzystory o dużym wzmocnieniu i małej wartości prądu zerowego. Często stosuje się

układ przedstawiony na (rys. 4.17). Wzmacniacz W

1

powinien się odznaczać możliwie małymi zmianami prądu, a

wzmacniacz W

2

małymi zmianami napięcia. Rezystor R

1

służy do ustawiania prądu kolektora tranzystora. Rezystorem

R

2

wyznacza się temperaturę odniesienia. Rezystorem R

4

ustawia się wzmocnienie układu zależnie od stosowanego

miernika, najczęściej woltomierza cyfrowego. Tranzystory mogą pracować jako czujniki temperatury w rożnych
układach połączeń. Na rys. 4.18 pokazano przykładowe charakterystyki termometryczne tranzystorów przy różnych
sposobach połączenia. Dokładne termometry tranzystorowe wymagają stosowania układów linearyzujących
charakterystyki termometryczne, ponieważ w realizacjach precyzyjnych czujników pomiarowych stonuje się parę
tranyzystorów w jednej obudowie wykorzystujących różnicę napięć baza-emiter dwóch tranzystorów.

Rys. 8. Transformator jako czujnik termometryczny.

Rys. 9. Charakterystyki termometryczne tranzystorów dla różnych sposobów połączenia.

Różnica ta jest dokładnie liniową funkcją temperatury bezwzględnej, nawet gdy parametry obu tranzystorów nie

są w pełni takie same. Rozwiązania takie wykonywane są w praktyce jako układy scalone z wyjściem napięciowym lub
prądowym. W wersji z wyjściem prądowym uzyskuje się czułość 1

µ

A/°C, zaś z wyjściem napięciowym l mV/°C,

natomiast przy zastosowaniu dodatkowego wzmacniacza operacyjnego 100 mV/°C.

2.5.

Dynamiczne pomiary temperatury

Przez pojecie dynamiczny pomiar temperatury należy rozumieć taki pomiar, któremu towarzyszy występowanie

cieplnego stanu nieustalonego termometru i związany z tym błąd zwany dynamicznym błędem pomiaru. Dynamiczne
pomiary temperatury obejmują zatem pomiary temperatury zmiennej w czasie, a także pomiary stałej temperatury
podczas ustalania się wskazań termometru. Do oceny wartości dynamicznych błędów pomiaru jest potrzebna
znajomość własności dynamicznych termometrów.

W większości termometrów nieelektrycznych czujniki termometryczne stanowią integralna, nierozłączna część całego
termometru. Można wówczas rozważać własności dynamiczne termometru jako całości. W termometrach elektrycznych
czujnik termometryczny stanowi wyraźnie wydzieloną konstrukcyjnie, wymienną część termometru. W tych
warunkach pomiaru, w których błędy dynamiczne musza być uwzględniane przy interpretowaniu wyników pomiarów,
zarówno w laboratorium, jak i w przemyśle znacznie częściej stosuje się termometry elektryczne. Należy również
uwzględnić własności termometrów nieelektrycznych.

Znajomość własności dynamicznych czujników termometrycznych jest szczególnie potrzebna do:

•

określenia niezbędnego czasu umieszczenia czujnika w ośrodku badanym o stałej temperaturze przy
pomiarach dorywczych,

•

wyznaczanie błędów dynamicznych pomiaru w celu właściwego doboru czujników przy pomiarach
temperatury zmiennej w czasie,

•

wyznaczanie rzeczywistych przebiegów temperatury mierzonej,

•

doboru układów do korekcji własności dynamicznych czujników, stosowanych w celu zmniejszenia
błędów dynamicznych pomiaru.

3

PIROMERIA – termowizja

3.1.

Promieniowanie temperaturowe – prawa i definicje

Fizykalnie zasadę działania urządzeń pirometrycznych obrazuje prawo Plancka, opisujące rozkład energii ciała

doskonale czarnego w funkcji długości fali:













−

=

−

m

m

W

e

c

E

T

c

µ

λ

λ

λ

2

5

1

0

1

2

gdzie:

E

0

λ

– monochromatyczne natężenie promieniowania ciała doskonale czarnego,

λ

– długość fali [

µ

m],

T – temperatura bezwzględna ciała promieniującego [K],

c

1

– 3,7415*10

-16

W

⋅

m

2

, c

2

– 14380

µ

m

⋅

K.

Rys. 10. Zależność monochromatycznego natężenia promieniowania E

0

λ

ciała doskonale czarnego od długości fali

λ

,

według prawa Plancka

Rys. 11. Rozkład strumienia cieplnego q padającego na powierzchnię ciała stałego

: qA - strumień pochłonięty, qR - strumień odbity, qP - strumień przepuszczony

Zakładając, że na powierzchnię ciała pada strumień cieplny q, z którego strumień q

A

- zostanie pochłonięty, q

R

- odbity, zaś q

P

- przepuszczony , wprowadza się następujące określenia:

−

współczynnik pochłaniania (absorpcji) A=q

A

/q,

−

współczynnik odbicia (refleksji) R=q

R

/q,

−

współczynnik przepuszczania (transmisji) P=q

P

/q.

Ponieważ całe promieniowanie musi być przepuszczone, odbite lub zaabsorbowane to:

A + R + P = 1

W szczególnym przypadku, gdy A=1, R=0, P=0 mamy do czynienia z ciałem doskonale czarnym, tj. ciałem, które
pochłania całe padające nań promieniowanie.

Analogicznie do współczynników pochłaniania, odbicia i przepuszczania dla promieniowania całkowitego,

wprowadzić również można współczynniki dla promieniowania monochromatycznego:

A

λ

=q

λ

A

/q

λ

R

λ

=q

λ

R

/q

λ

P

λ

=q

λ

P

/q

λ

stosowane dla promieniowania o jednej określonej długości fali

λ

. Również i w tym przypadku słuszna jest zależność:

A

λ

+ R

λ

+ P

λ

= 1

Współczynniki A, R i P zależą od rodzaju materiału i stanu powierzchni, zaś współczynniki A

λ

, R

λ

i P

λ

zależą

dodatkowo od długości fali

λ

.

Monochromatyczne natężenie promieniowania E

λ

wyraża się zależnością:

λ

λ

d

dE

E

=

a więc równe jest stosunkowi ilości energii dE wypromieniowanej w jednostce czasu w zakresie długości fali od

λ

do

(

λ

+d

λ

) do rozpatrywanego zakresu długości fali d

λ

, gdy d

λ

dąży da zera. Dla małych wartości

λ

T prawo Plancka

można zastąpić prawem promieniowania Wiena:

T

c

e

c

E

λ

λ

λ

2

1

5

1

0

=

W zakresie temperatur spotykanych w pirometrii optycznej, uchyb wynikający z zastąpienia prawa Plancka prawem
Wiena jest pomijalnie mały. Ze wzrostem temperatury ciała promieniującego maksimum natężenia promieniowania
przesuwa się w kierunku mniejszych długości fal. Długość fali

λ

max

, przy której występuje maksimum natężenia

promieniowania w danej temperaturze T, wyznaczyć można według prawa przesunięć Wiena:

K

m

T

⋅

=

⋅

µ

λ

2896

max

Prawo Plancka dla zakresu długości fali:

λ

1

do

λ

2

przybiera postać:

∫

−

=

−

−

2

1

5

1

)

2

1

(

0

1

2

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

d

e

c

E

T

c

Stosunek monochromatycznego natężenia promieniowania E

λ

o danej długości fali

λ

dla ciała nieczarnego do

monochromatycznego natężenia promieniowania E

0

λ

o tej samej długości fali

λ

dla ciała czarnego znajdującego się w

tej samej temperaturze, nazywa się emisyjnością monochromatyczną

ε

λ

:

λ

λ

λ

ε

0

E

E

=

Jeżeli dla pewnego ciała o dowolnej długości fali

λ

, spełniony jest warunek

ε

λ

=const., ciało takie nazywa się

ciałem szarym. Wiele materiałów spotykanych w technice ma własności zbliżone do ciała szarego.
Emisyjnością

ε

danego ciała dla całkowitego zakresu promieniowania, zwaną również emisyjnością całkowitą, nazywa

się stosunek natężenia promieniowania E w pełnym zakresie promieniowania dla tego ciała do natężenia
promieniowania E

0

w pełnym zakresie promieniowania dla ciała czarnego, znajdującego się w tej samej temperaturze.

0

E

E

=

ε

Podstawowym prawem odnoszącym się do promieniowania termicznego ciał jest prawo Kirchoffa, które

mówi, że stosunek zdolności emisyjnej do zdolności absorpcyjnej jest dla wszystkich powierzchni jednakowy. Jeżeli
więc dany obiekt znajduje się w stanie równowagi cieplnej, nie staje się on ani cieplejszy ani zimniejszy; ilość energii,

jaką emituje musi być równa ilości energii, jaką absorbuje, tak więc A =

ε

(emisyjność). Możemy więc stwierdzić, że

monochromatyczny współczynnik pochłaniania A

λ

jest równy emisyjności monochromatycznej

ε

λ

.

A

λ

=

ε

λ

Podobnie dla określonego pasma promieniowania w zakresie od

λ

1

, do

λ

2

słuszna jest zależność:

2

1

2

1

λ

λ

λ

λ

ε

−

−

=

A

gdzie: A

λ

1-

λ

2

−

jest współczynnikiem pochłaniania dla zakresu fal od

λ

1

do

λ

2

,

ε

λ

1-

λ

2

−

jest emisyjnością pasmową dla zakresu długości fal od

λ

1

do

λ

2

.

Zależność jest słuszna również dla przypadku

λ

1

→

0,

λ

2

→∞

tj. dla pełnego zakresu promieniowania. Mamy wówczas:

ε

=

A

Prawo Stefana - Boltzmanna dla ciała czarnego podaje zależność całkowitego natężenia promieniowania wysyłanego E

0

od temperatury absolutnej T ciała promieniującego:

4

0

0

T

E

σ

=

gdzie:

σ

0

−

jest stałą promieniowania ciała doskonale czarnego, która wynosi:

σ

0

= 5,6697

⋅

10

-8

W/(m

2

⋅

K

4

).

Wzór podaje się częściej w innej postaci, a mianowicie:

4

0

0

100













=

T

C

E

gdzie: C

0

−

jest techniczną stałą promieniowania ciała doskonale czarnego, która wynosi

C

0

=

σ

0

⋅

10

8

= 5,6697 W/(m

2

⋅

K

4

).

W odniesieniu do ciał szarych natężenie promieniowania wyraża się wzorem:

4

0

100













=

T

C

E

ε

gdzie:

ε

−

emisyjność dla pełnego zakresu promieniowania.

3.2.

Parametry i dobór urządzeń pirometrycznych

Urządzenia pirometryczne charakteryzuje kilka parametrów. Pierwszymi z nich są: zakres temperatury

mierzonej oraz rozdzielczość temperaturowa. Parametry te są silnie zależne od zakresu spektralnego, w jakim działa
określone urządzenie.

Kolejne parametry dotyczą optyki urządzenia, która skupia promieniowanie obserwowanego obiektu na

powierzchni detektora promieniowania, wykorzystując prawa optyki fizycznej, analogiczne do urządzeń optycznych
pracujących w zakresie promieniowania widzialnego z tą różnicą, że układy takie powinny cechować się dużą
przepuszczalnością w zakresie spektralnym działania pirometru. Problem z budową takich układów jest tym większy im
dalej położony jest zakres podczerwieni, w jakim pracuje urządzenie. Podstawowy parametr charakteryzujący pirometr
w tych kategoriach to jego rozdzielczość optyczna, wyrażona stosunkiem D

s

/S (ang. Distance/Spot), gdzie D

s

–

odległość od obiektu, S – średnica pola widzenia. Współczynnik D

s

/S może być zastąpiony kątem widzenia.

Charakterystykę optyczną pirometrów często przedstawia się w formie wykresów stanowiących cenniejszą informację
charakteryzującą pirometr niż rozdzielczość optyczna, ponieważ parametr D

s

/S zazwyczaj nie jest wielkością stałą, lecz

zależy od odległości. Ponadto niesie również informację o wielkości pola widzenia (S) w ogniskowej układu
optycznego (ang. Focussed Spod Size).

D

s

[mm]

S [mm]

0

17

76

1,3

*

500

66

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

odległo

ść

od obiektywu D

s

[mm]

ś

re

d

n

ic

a

p

o

la

w

id

z

e

n

ia

S

[

m

m

]

*

ogniskowa układu

optycznego

Rys. 12. Przykładowa charakterystyka pola widzenia pirometru serii TXHT firmy Raytek

Dla określonej aplikacji pirometrów bardzo istotnym parametrem jest szybkość odpowiedzi pirometru, wyrażoną stałą
czasową detektora. Może ona wynosić od kilku nanosekund (np. ultra szybka termografia) dla detektorów fotonowych
do kilku sekund dla detektorów termicznych.

Rys. 13. Przepuszczalność promieniowania podczerwonego warstwy atmosferycznej -ziemskiej o grubości 8m.

Oznaczono „okna atmosferyczne” wykorzystywane w budowie pirometrów fotoelektrycznych.

Pomiar temperatur ciał nieczarnych o zmiennej emisyjności w obecności atmosfery zakłócającej pomiary

pirometryczne jest możliwy dzięki stosowaniu pirometrów dwubarwowych samoczynnych. Dokładność tego typu
pirometrów zastosowanych do pomiaru ciał nieczarnych jest większa od dokładności pirometru fotoelektrycznego.
Pracą w „oknie atmosferycznym” (rysunek powyżej)- eliminuje wpływ absorpcji promieniowania przez atmosferę.

3.3.

Problematyka emisyjności

Techniczna realizacja pomiarów pirometrycznych sprawia wiele problemów, które niniejszy rozdział próbuje

przedstawić. Szczególną uwagę poświęcono zagadnieniu emisyjności, sposobom jej wyznaczania oraz jej wpływowi na
dokładność pomiarów temperatury metodami bezkontaktowymi.

Metody określające temperaturę ciała na podstawie jego stanu energetycznego, wymagają precyzyjnego

zidentyfikowania tych własności ciała, które opisują jego zdolność do emisji promieniowania. Promieniowanie to
określone zakresem długości fali zwane jest promieniowaniem temperaturowym. Zdolność do emisji promieniowania
opisuje współczynnik emisyjności, zdefiniowany jako stosunek ilości energii wypromieniowanej przez obiekt
znajdujący się w określonej temperaturze do energii wyemitowanej przez idealne źródło promieniowania (tak zwane
ciało doskonale czarne) w tej samej temperaturze. Idealnym z metrologicznego punktu widzenia jest obiekt
o emisyjności

ε

=1.

Wzorcowanie przyrządów pirometrycznych odbywa się dla emisyjności

ε

=1. W praktyce większość ciał jest

ciałami nieczarnymi, których emisyjność jest mniejsza od jedności. Aby zapewnić poprawne wskazania podczas
pomiarów ciał nieczarnych, musi zostać wyznaczona poprawka do wskazań pirometru. Większość nowoczesnych
urządzeń posiada układy elektronicznej kompensacji emisyjności, uwzględniające wprowadzany do urządzenia
współczynnik

ε

. Urządzenia wskazują wówczas temperaturę skorygowaną. Często jednak rejestracja odbywa się dla

emisyjności

ε

=1, a kompensacja odbywa się na drodze programowej w dedykowanym danemu urządzeniu

oprogramowaniu, służącym do analizy wyników pomiarów. Ta sama korekcja może zostać wykorzystana do
skompensowania strat promieniowania podczas przechodzenia przez absorbujące środowisko np. dym, pył, okienka
zabezpieczające itp. Określić należy wówczas współczynnik absorbcyjności ośrodka. Współczynnik emisyjności
wykorzystywany podczas kompensacji jest wówczas wyznaczany jako iloczyn współczynnika emisyjności obiektu
badanego i współczynnika absorbcyjności ośrodka pośredniczącego w pomiarze.

Ponieważ stosowane w bezkontaktowych pomiarach temperatury przyrządy, pracują zazwyczaj na pewnej

długości fali lub jej paśmie, odpowiednie współczynniki

ε

, A, R oraz P są związane z długościami fali. Wyróżniamy

wtedy dla promieniowania monochromatycznego: A

λ

=

ε

λ

,

R

λ

oraz P

λ

, lub dla określonego pasma promieniowania w

zakresie od

λ

1

do

λ

2

:

2

1

2

1

λ

λ

λ

λ

ε

−

−

=

A

,

2

1

λ

λ

−

R

oraz

2

1

λ

λ

−

P

.

W praktyce większość ciał jest ciałami szarym (których emisyjność jest mniejszą od jedności, ale taka sam dla

różnych długości fal), lub nieszarymi (których emisyjność zmienia się w zależności od długości fali lub/i temperatury).

Wyznaczając poprawki do wskazań urządzeń IR należy zamiast emisyjności całkowitej uwzględniać

emisyjność pasmową ciała promieniującego w odpowiednim dla danego urządzenia zakresie długości fal. Zazwyczaj
emisyjność taka nie jest znana. Literatura podaje wartości emisyjności, które zależą w znacznym stopniu od
temperatury, jakości powierzchni, stopnia pokrycia tlenkami, stąd też są to jedynie wartości orientacyjne.

Celem umożliwienia porównywania własności różnych materiałów w sposób niezależny od stanu ich

powierzchni, stosowane jest również pojęcie emisyjności właściwej, oznaczanej odpowiednio:

ε

'

−

emisyjność właściwa

całkowita i

ε

'

λ

−

emisyjność właściwa monochromatyczna.

Emisyjność właściwa

ε

' lub

ε

'

λ

jest to emisyjność wyznaczana w kierunku normalnym do powierzchni. Należy

zwrócić uwagę, że wartości emisyjności dla powierzchni chropowatych, szorstkich oraz powierzchni żłobkowanych itp.
mogą być znacznie wyższe niż odpowiednie wartości emisyjności właściwych dla tych samych materiałów.

a- lód, b- drewno, c- szkoło, d- papier, e- ił, f- tlenek miedzi, g- szorstki korund, h- nikiel polerowany, i- nikiel

matowy, k- Cr, l- Mn, m- Al, n- Fe matowe

Rys. 14. Zależność promieniowania cieplnego w funkcji kierunku jego rozchodzenia:

a – niemetale, b – metale o gładkiej powierzchni

Poza samą emisyjnością istotna dla pomiarów pirometrycznych jest również refleksyjność. Dla ciał

nieprzepuszczalnych, dla których współczynnik transmisyjności jest równy zeru (P=0), równanie przyjmuje postać:

ε

+ R= 1

Te ciała nieczarne, które charakteryzują się niską emisyjnością, zgodnie z równaniem posiadają większą

refleksyjność. Sam fakt niskiej emisyjności może być z większą lub mniejszą dokładnością skompensowany przez
zastosowanie korekcji emisyjności. Duża refleksyjność natomiast powoduje zazwyczaj wzrost wpływu otoczenia na
wartość wskazywanej temperatury.

a)

b)

Rys. 15. Pomiar temperatury wypolerowanych metali: a) pomiar rzeczywisty,

b) próba rozwiązania problemu przy pomocy tuby wziernikowej (ang. sighting tube)

Jest to szczególnie uciążliwe, gdy w pobliżu znajdują się ciała o wysokiej temperaturze i dużej emisyjności.

Promieniowanie cieplne obserwowanego obiektu stanowi wówczas w dużej części promieniowanie odbite innych ciał.
Można wtedy ograniczyć wpływ otoczenia przez zastosowanie osłon (najlepiej o dużej refleksyjności) lub pokrywanie
obiektu badanego powłoką o większej emisyjności, a tym samym niskiej refleksyjności (powlekanie, oksydowanie).

3.4.

Zakres spektralny urządzeń pirometrycznych a ich własności metrologiczne

Część przyrządów pirometrycznych korzysta z bardzo szerokiego pasma promieniowania (pirometry

radiacyjne, czyli całkowitego promieniowania). Mimo niskiej ceny tych urządzeń, ze względu na brak konieczności
stosowania wysokiej klasy czułych detektorów, specjalnych układów optycznych i wzmacniaczy sygnału o dużym
wzmocnieniu, dokładność tych urządzeń jest niewielka. Ponadto są one czułe na odległość od obiektu, ponieważ ich
pasmo obejmuje niektóre obszary pochłaniania atmosferycznego.

Urządzenia bazujące na bardzo wąskim zakresie spektralnym, pracują zazwyczaj w tzw. „oknie

atmosferycznym” tzn. takim zakresie spektralnym, w którym transmisyjność atmosfery jest w przybliżeniu równa
jedności. Urządzenia tego typu charakteryzuje zazwyczaj wysoka cena, a minimalna temperatura mierzona, jest ze
względu na niską energię promieniowania w tak małym zakresie spektralnym dość wysoka i sięga kilkuset

°

C.

Najczęściej spotykanym pasmem w pomiarach niskotemperaturowych (zakres od temperatury otoczenia do

kilkuset

°

C) jest zakres dalekiej podczerwieni 8-14

µ

m. Jest to pasmo znajdujące się w „oknie atmosferycznym”, stąd

wpływ odległości od obiektu badanego jest pomijalny. Urządzenia pracujące w tym paśmie nadają się do pomiaru
temperatury większości tworzyw sztucznych i dobrze oksydowanych metali. Problem w przypadku większości metali
może stanowić zwiększająca się ze wzrostem długości fali refleksyjność. Wpływ temperatury obiektów, których
promieniowanie zostaje odbite przez obiekt badany może być wówczas duży.

Innym pasmem, bardziej nadającym się do pomiaru temperatury metali, jest zakres ok. 3,8

µ

m. Jest to zakres

również znajdujący się w „oknie atmosferycznym”. Metale posiadają w tym zakresie mniejszą refleksyjność, lecz
dokładność pomiarów w niskich temperaturach jest ze względu na położenie tego zakresu bliżej zakresu widzialnego,
dużo mniejsza. Dla tego pasma maksimum natężenia promieniowania (zgodnie z prawem przesunięć Wiena) występuje
w temperaturze ok. 200

°

C, a zatem ilość energii promieniowania w temperaturze otoczenia jest w tym zakresie

niewystarczająca do określenia temperatury obiektu badanego. W niektórych urządzeniach pracujących w tym zakresie
stosuje się chłodzenie termoelektryczne detektora, zwiększając tym samym czułość w zakresie niskich temperatur.

3.5.

Pomiar temperatury ciał nieczarnych

Pomiar temperatury ciał nieczarnych można realizować zbliżając warunki pomiarów mierzonej powierzchni do

warunków panujących podczas pomiarów ciała doskonale czarnego, np. przez wiercenie odpowiednio głębokich
otworów, stosowanie osłon refleksyjnych, itp.

Można również zrezygnować z pomiaru rzeczywistej wartości temperatury ciała, w przypadku powtarzającego

się procesu przebiegającego w podobnych warunkach. Gdy wartość wskazywana zostanie odpowiednio oszacowana na
podstawie wartości wzorcowej to wiadomo dla jakich pozornych wartości wskazywanych, wartość rzeczywista
temperatury danego procesu jest odpowiednia.

Rys. 16. Sposoby realizacji pomiarów ciał nieczarnych: a) przez wiercenie otworów imitujących ciało doskonale

czarne, b) przez stosowanie osłon reflekcyjnych, gdzie: 1- osłona o małym

ε

, 2- powierzchnia mierzona, 3- urządzenie

pirometryczne

Podczas pomiarów powierzchni metalowych możliwe jest też stosowanie filtrów polaryzacyjnych. Emisyjność

powierzchni metalowych, których temperatura jest obserwowana pod kątem 45

°

przez filtr polaryzujący równolegle jest

około dwukrotnie wyższa niż emisyjność tej powierzchni w kierunku normalnym . Problemem może być współczynnik
pochłaniania samego filtra. W praktyce podczas pomiaru pirometrycznego powierzchni ciał nieczarnych możliwe jest
obliczenie poprawki do wskazań pirometru na podstawie modelu fizycznego opisującego zjawisko radiacji.

3.6.

Metody wyznaczania emisyjności ciała nieczarnego

Istotny z punktu widzenia pomiarów pirometrycznych współczynnik emisyjności może zostać

zidentyfikowany również na drodze eksperymentalnej. W przypadku gdy urządzenie posługuje się nieznanym modelem
kompensacji emisyjności, można oszacować przybliżoną wartość współczynnika emisyjności powierzchni ciała
w określonej temperaturze rzeczywistej T

rz

, na podstawie obserwacji wpływu zmian nastaw kompensatora emisyjności

urządzenia na temperaturę wskazywaną T

w

. Pomiar temperatury T

rz

odbywa się wówczas metodą stykową, stanowiącą

temperaturę wzorcową, natomiast dla urządzenia IR dokonujemy zmiany nastaw współczynnika emisyjności

ε

.

Temperatura wskazywana T

w

zmienia swoją wartość. W przypadku gdy T

w

≅

T

rz

, można przyjąć że emisyjność

ε

jest

emisyjnością rzeczywistą powierzchni, dla której urządzenie jest prawidłowo wyskalowane. Sposób postępowania
ilustruje wykres (Rys. 18). Jak wynika z rysunku emisyjność w rozpatrywanym przypadku wynosi

ε

= 0,5, ponieważ

dla tej wartości współczynnika T

w

=T

rz

=150

°

C.

Inna metoda pozwalająca na doświadczalne, przybliżone oszacowanie współczynnika emisyjności polega na

pomiarze temperatury zmiennej w czasie urządzeniem IR o wprowadzonej wartości współczynnika emisyjności oraz
pomiarze temperatury rzeczywistej przyrządem wzorcowym. Na wykresie (Rys. 19) przedstawiono zależność
temperatury wskazywanej w funkcji temperatury rzeczywistej, dla dwóch przykładowych wartości współczynnika
emisyjności.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

temperatura wskazywana T

w

[

°

C]

w

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

e

m

is

y

jn

o

ś

c

i

T

rz

=99

°

C

T

rz

=73

°

C

T

rz

=38

°

C

Rys. 17. Zależność temperatury wskazywanej przez pirometr RAYTXSLTCF2 od wprowadzonej emisyjności, dla

różnych przykładowych wartości temperatury rzeczywistej

b)

a)

temperatura wskazywana - T

w

temperatura rzeczywista - T

rz

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

współczynnik emisyjno

ś

ci

ε

50

100

150

200

250

300

350

400

450

te

m

p

e

ra

tu

ra

[

°

C

]

Rys. 18. Przykładowa zależność temperatury wskazywanej przez urządzenie pirometryczne T

w

od wartości

nastawionego w urządzeniu współczynnika emisyjności

ε

ε

=0.9

ε

=0.5

temperatura otoczenia T

o

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

temperatura rzeczywista T

rz

[

°

C]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

te

m

p

e

ra

tu

ra

w

s

k

a

z

y

w

a

n

a

T

w

[

°

C

]

Rys. 19. Przykładowa zależność temperatury wskazywanej przez urządzenie pirometryczne T

w

od temperatury

rzeczywistej T

rz

dla różnych wartości nastawionego w urządzeniu współczynnika emisyjności

ε

Temperatura otoczenia ma stałą wartość. Zbiór krzywych dla różnych współczynników emisyjności ma punkt wspólny
w temperaturze otoczenia T

o

(lub w temperaturze fotodetektora w urządzeniach z chłodzonym detektorem). Prawidłowa

wartość współczynnika emisyjności jest dla krzywej o współczynniku nachylenia prostej regresji liniowej równym 1. Z
zależności przedstawionych na Rys. 19 wynika istotny wniosek: określanie współczynnika emisyjności w niskich
temperaturach jest mniej dokładne a dokładność rośnie wraz ze wzrostem temperatury rzeczywistej. Najdokładniejszym
jest pomiar emisyjności w temperaturze bliskiej górnemu zakresowi urządzenia IR.

4

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych - pomiar temperatury obrabiarek

4.1.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów temperatur w dziedzinie budowy maszyn, ze
szczególnym uwzględnieniem tego typu pomiarów w obrabiarkach. W ramach ćwiczenia poruszana jest tematyka
dotycząca metod oraz celowości przeprowadzania pomiarów temperatury w obrabiarkach.
W ćwiczeniu przeprowadza się pomiary temperatur wybranych powierzchni obrabiarek. Pomiar dokonuje się
zarówno metodami kontaktowymi, jak i metodami pirometrycznymi, na stanowisku pozwalającym na uzyskanie
temperatury z zakresu: od temperatury otoczenia do temperatury ok.100C. Studenci obliczając różnicę pomiędzy
wartościami temperatur uzyskanych z zastosowaniem obydwu metod, wskazując na przyczyny rozbieżności.

4.2.

Przebieg ćwiczenia:

4.2.1.

Zmontowanie układu pomiarowego składającego się z:

•

Płyty grzejnej z przygotowanymi powierzchniami imitującymi różne powierzchnie występujące w
maszynach (szlifowana, frezowana, polerowana, malowana farbami o różnych kolorach ),

•

Termopary typu K,

•

Wzmacniacza termoparowego z urządzeniem wskazującym i kalibrującym sygnał wyposażonego w
układ kompensacji zimnych końców,

•

Kamery termowizyjnej V20 firmy Vigo (urządzenie pirometryczne),

•

Regulatora temperatury RE3 firmy Lumel,

•

Komputera pomiarowego wyposażonego w oprogramowanie do akwizycji i analizy danych z kamery
termograficznej.

Rys. 20. Schemat stanowiska pomiarowego służącego do wyznaczania emisyjności powierzchni maszyn

4.2.2.

Dokonanie pomiaru metodą kontaktową (termopara) oraz pirometryczną (kamera IR) temperatury

wybranych powierzchni płyty grzejnej dla temperatur od temperatury otoczenia do temperatury 90C.
Pomiaru dokonywać dyskretnie, co 10K. Pomiaru dokonywać dla emisyjności powierzchni e=1.

4.3.

Opracowanie wyników pomiarów

•

Przy pomocy oprogramowania do analizy termogramów wyznaczyć emisyjność wybranych powierzchni dla
mierzonych temperatur traktując temperaturę mierzoną termoparą jak rzeczywistą. Wyznaczanie emisyjności
przeprowadzić według metody opisanej w punkcie”

Metody wyznaczania emisyjności ciała nieczarnego”

•

Wartości emisyjności określonych powierzchni zestawić na wykresach w funkcji temperatury.

•

Sporządzić wnioski do ćwiczenia.

LITERATURA:

[6]

Michalski L., Eckensdorf K.: Pomiary temperatury. WNT, Warszawa 1986.

[7]

Afanasewicz Z., Darlewski J.: Ćwiczenia laboratoryjne z obróbki skrawaniem. Pomiar temperatury skrawania

metodami termoelektrycznymi. Skrypt Pol.Śl. Nr 721, Gliwice 1977.

[8]

Lis K.: Problem emisyjności w pomiarach pirometrycznych temperatury, Prace Naukowe Katedry Budowy

Maszyn Nr 2/2006, Gliwice, 2006

[9]

DT skanera termograficznego VIGOV20,

[10]

Praca

zbiorowa

pod

red.

Jana

Kosmola;

Laboratorium

z

układów

pomiarowo-kontrolnych

i

diagnostycznych;s.21,s.67; skrypt uczelniany nr. 1985.