14. Pomiary temperatury powierzchni ciał stałych

Pomiar temperatury powierzchni ciał stałych graniczących z płynem (gazem lub cieczą)

należy do najczęściej spotykanych w termometrii. Pomiarów temperatury w takich

przypadkach można dokonywać przy użyciu termometrów stykowych lub pirometrów (ter-

mometrów bezstykowych).

14.1. Metoda stykowa

Zakładamy, że jednorodne ciało stałe, graniczące z ośrodkiem gazowym, znajduje się w stanie

cieplnie ustalonym. Pokazano to na rysunku 14.1. Powierzchniowe źródło ciepła znajduje się

we wnętrzu ciała stałego. Temperatura t

r

na powierzchni ciała jest wyższa niż temperatura

gazu t

o

. Pierwotny przebieg izoterm we wnętrzu ciała stałego (rysunek 14.1a) po przyłożeniu

termometru ulega odkształceniu (rysunek 14.1b). Pomiar jest dokonywany termoelementem

nieosłoniętym, z płasko szlifowaną spoiną pomiarową, dosuniętą do badanej powierzchni.

Zakładając, że wymiana ciepła miedzy badana powierzchnią a otaczającym ośrodkiem gazo-

wym odbywa się na drodze konwekcji i przewodzenia, również izotermy w gazie ulegają

odkształceniu w najbliższym otoczeniu termometru (rysunek 14.1b). Pod obu obrazami pola

temperatury pokazano również rozkład temperatury w kierunku normalnym do powierzchni

(rysunek 14.1c oraz d). jak widać z rysunku 14.1d, po dosunięciu termometru do badanej

powierzchni, w miejscu styku, na skutek intensywniejszego odprowadzania ciepła, tempe-

ratura powierzchni badanej spadła od wartości początkowej t

r

do wartości

'
r

t . Różnica tempe-

ratur

'
r

r

'
r

t

t

t

∆

=

−

jest pierwszym częściowym uchybem pomiaru, wynikającym z odkszta-

łcenia pierwotnego pola temperatury przez dosunięcie termometru do badanej powierzchni.

146

Rys.14.1. Pomiar temperatury powierzchni ciała stałego termometrem stykowym:

a) pole temperatury przed dosunięciem termometru, b) pole temperatury po
dosunięciu termometru, c) rozkład temperatury w kierunku normalnym do
powierzchni dla przypadku a, d) rozkład temperatury w kierunku normalnym do
powierzchni dla przypadku b; q – linie gęstości strumienia cieplnego, t

r

– tempe-

ratura powierzchni badanego ciała,

'
r

t

- temperatura na powierzchni styku ba-

danego ciała i termometru,

"

r

t

- średnia temperatura czułej części czujnika, t

o

–

temperatura otoczenia, t

1

, t

2

, t

3

, … izotermy

Wskazania termometru zależą od pewnej średniej temperatury czułej części termometru, która

w rozważanym przykładzie jest temperaturą punktu A spoiny pomiarowej, znajdującego się w

odległości l

’

od powierzchni styku z ciałem badanym (rys.14.1b). Temperatura

"

r

t

w punkcie

A różni się od temperatury

'
r

t

o wartość

'
r

"

r

"

r

t

t

t

−

=

∆

. Jest to drugi częściowy uchyb pomiaru

wynikający z konstrukcji czujnika.

Obliczeniowe wyznaczenie uchybu

"

r

t

∆

jest praktycznie niemożliwe.

Istnieją różne sposoby zmniejszania uchybów

'
r

t

∆

i

"

r

t

∆

.

– Uchyb

'
r

t

∆

można zmniejszyć przez zwiększenie powierzchni styku termometru z ciałem

badanym, przez co zmniejsza się gęstość strumienia cieplnego w miejscu styku i mniejsze

jest odkształcenie pola temperatury. Można to uzyskać, miedzy innymi, przez

147

zastosowanie dodatkowej płytki pośredniczącej z metalu o dużym współczynniku przewo-

dzenia ciepła, jak pokazano na rysunku 14.2a;

– Zmniejszenie uchybu

'
r

t

∆

można uzyskać również przez zmniejszenie ilości ciepła

odprowadzanej od miejsca pomiaru wzdłuż termometru lub wzdłuż przewodów ter-

mometru. Można to osiągnąć przez zastosowanie możliwie cienkich przewodów doprowa-

dzających oraz prowadzenie ich na początkowym odcinku w płaszczyźnie równoległej do

powierzchni ciała badanego (rys. 14.2b);

– Uchyb

"

r

t

∆

można zmniejszyć przez stosowanie termometru o możliwie małej odległości

punktu A od powierzchni styku (l

’

na rys. 14.1b).

Rys.14.2. Pomiar temperatury powierzchni ciała stałego termometrem stykowym z płytką

pośredniczącą: a) termoelektrody grube odprowadzone prostopadle do
powierzchni ciała badanego, b) termoelektrody cienkie odprowadzone wzdłuż
izoterm. Oznaczenia jak na rys. 14.1.

Czujniki do pomiaru temperatury powierzchni

Do pomiaru temperatury powierzchni ciał stałych najczęściej stosuje się czujniki termoelek-

tryczne (termoelementy). Są to termoelementy zamontowane na stałe oraz termoelementy

przenośne.

148

Na rys. 14.3 pokazano typowy sposób umieszczania na stałe termoelektrod w otworach

nawierconych w powierzchni metalu. Spoinę pomiarową stanowi powierzchnia ciała ba-

danego. Zgodnie z prawem trzeciego metalu, połączenie obu termoelektrod metalem, którego

temperaturę mierzymy, nie zmienia wyników pomiaru. Odprowadzenie przewodów ter-

moelektrod wzdłuż izoterm oraz fakt, że sama powierzchnia metalu staje się spoina

pomiarową, pozwala na uniknięcie uchybów pomiaru. Niekiedy stosuje się lutowanie ter-

moelektrod do metalowej powierzchni badanej lub przyklejanie ich do powierzchni

niemetalowych (rys. 14.4).

Rys.14.3. Termoelement umieszczony na powierzchni metalowej przez zaciśnięcie

Rys.14.4. Termoelement przymocowany do powierzchni za pomocą lutu lub cementu: 1 – ter-

moelektroda, 2 – lut lub cement, 3 – izolacja termoelektrody

Na rys. 14.5 pokazano wygląd termoelementu płytkowego, przeznaczonego do pomiaru tem-

peratury powierzchni płaskich.

Rys.14.5. Termoelement płytkowy: 1 – płytka, 2 – termoelektrody, 3 – osłona izolacyjna, 4 –

lut

149

Do pomiaru temperatury powierzchni walcowych służą termoelementy smyczkowe (rys.14.6)

wykonane z termoelektrod w kształcie płaskiej taśmy 1, rozpiętej na sprężynujących

uchwytach 4. Po przyłożeniu czujnika do powierzchni walcowej taśma 1 ugina się, zapew-

niając dobry styk spoiny pomiarowej 2 z badana powierzchnią. Jednocześnie, dzięki ułożeniu

się taśmy wzdłuż izotermy temperatury powierzchni, nie występuje zakłócenie pola tempe-

ratury w pobliżu spoiny pomiarowej.

Rys.14.6. Termoelement taśmowy smyczkowy: 1 – termoelektrody taśmowe, 2 – spoina

pomiarowa, 3 – termoelektrody drutowe, 4 – uchwyty sprężynujące, 5 – korpus
izolacyjny

Konstrukcję zbliżoną do termoelementu smyczkowego ma termoelement taśmowy płaski

(rys.14.7), przeznaczony do pomiaru temperatury płaskich powierzchni niemetalowych. W

czujniku tym dobry styk spoiny pomiarowej 2 z płaska powierzchnia badaną zapewnia zespól

napinający 6 o możliwie małej przewodności cieplnej. Parametry konstrukcyjne zespołu

napinającego powinny być tak dobrane, aby strumień cieplny wnikający do ostrzy nie

zakłócał pola temperaturowego w miejscu styku spoiny pomiarowej termoelementu z ciałem

badanym.

150

Rys.14.7. Termoelement taśmowy płaski: 1 – termoelektrody taśmowe, 2 – spoina pomiarowa,

3 – termoelektrody drutowe, 4 – uchwyty sprężynujące, 5 – korpus izolacyjny,
6 – zespół napinający taśmę

Do stykowego pomiaru temperatury mogą być stosowane również termistory. Termistor

umieszcza się zazwyczaj w małej płytce ze srebra w celu zapewnienia dobrej wymiany ciepła

miedzy perełką termistora a powierzchnią badaną. Czujniki przylgowe termistorowe są

stosowane głównie do powierzchni metalowych. Charakteryzują się one krótkim czasem

ustalania wskazań.

Do mniej dokładnych pomiarów temperatury powierzchni stosuje się termometry rtęciowe,

umieszczane bądź w specjalnych otworach termometrycznych, bądź w metalowych podstaw-

kach (rys. 14.8). Przy umieszczaniu termometru w otworze termometrycznym, ze względu na

dużą głębokość otworu, temperatura mierzona może znacznie odbiegać od temperatury

powierzchni badanej. Pośredniczące podstawki metalowe wykonuje się najczęściej z miedzi

lub mosiądzu.

Rys.14.8. Pomiar temperatury powierzchni termometrami rtęciowymi: a) w otworze ter-

mometrycznym, b) z zastosowaniem podstawki pośredniczącej; 1 – termometr, 2 –
folia metalowa, 3 – podstawka pośrednicząca

Czujniki z kompensacją cieplną

Modyfikacją metody stykowej pomiaru temperatury powierzchni jest metoda stykowa z kom-

pensacją cieplną z czujnikami podgrzewanymi. Zasada ich działania polega na podgrzaniu

czujnika stykowego dodatkowym elementem grzejnym do temperatury równej temperaturze

powierzchni badanej. W ten sposób eliminuje się wymianę ciepła między czujnikiem a ciałem

151

badanym, stanowiącą przyczynę zakłócenia pierwotnego pola temperatury. Najczęściej z

kompensacja cieplna wykonuje się czujniki termoelektryczne, rzadziej rezystancyjne.

Czujnik termoelektryczny z kompensacją cieplną, wykonany jako czujnik podwójny

pokazano na rys. 14.9. Czujnik zawiera dwa termoelementy o nieosłoniętych spoinach

pomiarowych, z których jedna 1 dotyka badanej powierzchni 3, zaś druga 2 znajduje się w

niewielkiej odległości od niej. Termoelementy sa umieszczone w rurce izolacyjnej 4, na której

jest nawinięty grzejnik elektryczny 5 o regulowanej mocy. Przed przystąpieniem do pomiaru

nastawia się moc grzejnika 5 tak, by miernik połączony z termoelementem 1 wskazywał w

przybliżeniu przewidywana wartość temperatury mierzonej. Następnie ten sam miernik łączy

się z zaciskami połączonych przeciwsobnie termoelementów 1 i 2 i dosuwa się czujnik do

zetknięcia spoiny termoelementu1 z badaną powierzchnią. Moc grzejnika 5 reguluje się

następnie tak, aby wskazówka miernika przyjęła położenie zerowe, co dowodzi równości tem-

peratur spoin 1 i 2, a wiec i braku wymiany ciepła między czujnikiem a ciałem badanym.

Łącząc ponownie miernik z zaciskami termoelementu 1 odczytujemy temperaturę mierzoną.

Zasadniczą wadą tego sposobu pomiaru jest zmniejszanie strat cieplnych ściany w miejscu

styku ze spoiną pomiarową 1, przez co temperatura w miejscu styku przyjmuje wartość

wyższą od pierwotnej.

Rys.14.9. Czujnik podwójny z kompensacją cieplną: 1, 2 – spoiny termoelementów, 3 - ba-

dana powierzchnia, 4 – rurka izolacyjna, 5 – uzwojenie grzejne

Metoda ekstrapolacyjna

152

Jedną z dokładniejszych metod wyznaczania temperatury powierzchni ciał stałych

jednorodnych jest metoda ekstrapolacyjna. Założenia tej metody pokazano na rys. 14.10. Do

wnętrza ciała stałego nieprzewodzącego wprowadza się wzdłuż izoterm cienkie termoelemen-

ty nieosłonięte lub płaszczowe, w metalach i półprzewodnikach wyłącznie termoelementy

płaszczowe z odizolowaną spoiną pomiarową. Na podstawie wskazań poszczególnych ter-

moelementów na drodze ekstrapolacji wyznacza się wartość temperatury t

r

powierzchni.

Rys.14.10. Metoda ekstrapolacyjna pomiaru temperatury powierzchni: a) umieszczenie ter-

moelementów, b) ekstrapolacja; 1-5 – termoelementy, t

r

– temperatura

powierzchni, t

o

- temperatura otoczenia

14.2. Pomiar temperatury gazów i cieczy
Przy pomiarze temperatury gazów i cieczy czujnikami temperatury, zmniejszenie uchybów

wskazań zmniejsza się przez:

– zwiększenie strumienia cieplnego dopływającego do czujnika przez konwekcję,
– zmniejszenie strumienia cieplnego odpływającego na drodze przewodzenia ciepła,
– zmniejszenie strumienia cieplnego odpływającego przez promieniowanie.
Zwiększenie strumienia cieplnego dopływającego do czujnika przez konwekcję

Można to osiągnąć przez zwiększenie powierzchni konwekcyjnej wymiany ciepła, stosując

czujnik użebrowany poprzecznie lub wzdłużnie, przy czym żebra muszą być wykonane z

materiału o dużym współczynniku przewodzenia ciepła i jednocześnie małej emisyjności, w

celu zmniejszenia odpływu ciepła przez promieniowanie (rysunek 14.11).

153

Rys.14.11. Czujnik użebrowany: a) użebrowanie poprzeczne, b) użebrowanie wzdłużne

Kolejnym sposobem zmniejszenia uchybu jest zwiększenie współczynnika konwekcyjnego

przejmowania ciepła przez zastosowanie możliwie dużych prędkości przepływu gazu lub

cieczy w rurze, a także użycie jak najmniejszej średnicy osłony czujnika ustawionej

prostopadle do kierunku przepływu ośrodka.

Można to osiągnąć również przez zastosowanie termometrów zasysających, w których zwięk-

sza się prędkość przepływu gazu jedynie wokół samego czujnika termometru, gdy zwięk-

szenie prędkości przepływu gazu w rurze nie jest możliwe. Zasadę działania termometru

zasysającego pokazano na rysunku 14.12. Sprężone powietrze doprowadzone do dyszy 1

wywołuje podciśnienie i zassanie gazu przez przewód 2. Gaz opływa z dużą szybkością

spoinę 3 termoelementu pomiarowego.

Rys.14.12. Termometr zasysający: 1 – dysza, 2 – przewód zasysający, 3 – spoina ter-

moelementu, 4 – zwężka pomiarowa

Zmniejszenie strumienia ciepła odpływającego od czujnika przez przewodzenie ciepła

Można to uzyskać przez zastosowanie długich czujników o małym przekroju poprzecznym,

wykonanych z materiału o małym współczynniku przewodności cieplnej, a także przez

prowadzenie czujnika od miejsca pomiaru po izotermie. Sposoby umieszczenia czujników

pokazano na rysunek 14.13.

154

Rys.14.13. Sposoby umieszczania czujników w rurociągu: a) w kolanie, b) skośnie, c) wzdłuż

osi przewodu

Zmniejszenie strumienia ciepła odpływającego od czujnika przez promieniowanie

Uzyskuje się przez pokrycie powierzchni czujnika materiałem o małej emisyjności (złoto,

srebro, platyna) oraz zastosowanie ekranów osłonowych zmniejszających straty przez

promieniowanie (rysunek 14.14).

Rys.14.14. Czujnik z ekranem walcowym: 1 – czujnik, 2 – ekran, 3 - rurociąg

Pomiar temperatury spokojnego powietrza

Bardzo częstym przypadkiem pomiaru temperatury gazu płynącego z małą prędkością jest

pomiar przy występowaniu jedynie ruchów wynikających z konwekcji swobodnej lub bardzo

wolnych przepływów wymuszonych. Zjawiska takie wystepują miedzy innymi przy pomiarze

temperatury powietrza w pomieszczeniach.

Przy pomiarze temperatury bliskiej temperaturze otoczenia, wymiana ciepła między czuj-

nikiem a otoczeniem przez konwekcję swobodną i promieniowanie jest bardzo mało inten-

sywna. Ponieważ cały czujnik wraz z osłoną znajduje się w prawie jednakowej temperaturze,

niewielkie są błędy pomiaru wynikające z odprowadzania ciepła przez przewodzenie oraz

wymianę przez promieniowanie z otaczającymi ścianami.

155

Prawidłowa konstrukcja czujnika powinna więc być następująca:

– możliwie mała masa czujnika przy jak największej powierzchni wymiany konwekcyjnej.

Pożądany jest układ wymuszający lokalnie ruch powietrza.

– ekran osłaniający od wymiany promieniowania z otoczeniem,

– czujnik o powierzchni pokrytej materiałem o małej emisyjności, odsunięty i izolowany

cieplnie od ściany pomieszczenia.

Bardzo ważne jest właściwe usytuowanie czujnika w pomieszczeniu, takie, by wynik pomiaru

był zbliżony do średniej wartości temperatury. Należy unikać bliskości okien, drzwi, grzej-

ników i lamp.

Do pomiarów temperatury spokojnego powietrza najczęściej stosuje się termometry rtęciowe,

rezystancyjne i termistory.

Przy pomiarach temperatury cieczy wolno przepływającej lub spokojnej, obowiązują te same

zasady co przy pomiarze temperatury gazów, bez uwzględnienia radiacyjnej wymiany ciepła.

156