4. Ogólna charakterystyka narzędzi termometrycznych
4.1. Kryteria podziału
Narzędzia termometryczne można klasyfikować przyjmując różne kryteria podziału. Najwa-
żniejsze z nich są następujące: dokładność odtwarzania skali temperatur, zasada działania,
wartość określanej temperatury.
Dokładność odtwarzania skali temperatur
Pod względem dokładności odtwarzania skali temperatur narzędzia termometryczne dzielą się
na 3 grupy;
Narzędzia termometryczne wzorcowe (wzorce) – narzędzia o najwyższej dokładności, słu-
żące do odtwarzania międzynarodowej praktycznej skali temperatur MPST – 68, oraz do
wzorcowania narzędzi termometrycznych kontrolnych.
Narzędzia termometryczne kontrolne – narzędzia o niższej dokładności, służące do wzor-
cowania narzędzi termometrycznych użytkowych.
Narzędzia termometryczne użytkowe – narzędzia o najniższej dokładności, stosowane w
praktyce do pomiaru temperatur. Dzielą się na:
Narzędzia termometryczne techniczne – przeznaczone do pomiarów przemysłowych i użytku
ogólnego,
Narzędzia termometryczne laboratoryjne – przeznaczone do pomiarów laboratoryjnych, o
dokładności zwykle większej niż techniczna.
Zasada działania
Zasadę działania narzędzi termometrycznych można rozpatrywać w różnych aspektach.
Najbardziej ogólne są trzy następujące: sposób określania temperatury, charakter zmian wła-
ściwości pomiarowych ciała termometrycznego, możliwości pomiarowe.
Pod względem sposobu określania temperatury narzędzia termometryczne dzielą się na:
– stykowe, w których ciało termometryczne zawsze styka się z przedmiotem pomiaru
(ciałem stałym lub płynem),
– bezstykowe, w których ciało termometryczne nie styka się z przedmiotem pomiaru.
Pomiar bezstykowy jest zazwyczaj pomiarem zdalnym.
Pod względem charakteru zmian właściwości pomiarowych ciała termometrycznego
narzędzia termometryczne dzielą się na:
– nieelektryczne, pozwalające na określenie temperatury na podstawie zmian wielkości
nieelektrycznych: barwy, stanu skupienia, rozszerzalności płynów i ciał stałych,
– elektryczne, pozwalające na określenie temperatury na podstawie zmian wielkości
elektrycznych: siły termoelektrycznej i rezystancji.
Pod względem możliwości pomiarowych narzędzia termometryczne dzielą się na:
– wskazujące przybliżoną wartość temperatury, zwane termoskopami lub wskaźnikami,
– mierzące, zwykle w sposób ciągły, temperaturę, zwane termometrami i pirometrami,
– pozwalające na uzyskiwanie obrazów pół temperatur (obrazów cieplnych), zwane ter-
mografami.
19
Każda z tych grup narzędzi termometrycznych dzieli się w sposób pokazany na rys. 4.1.
Rys.4.1. Podział termometrycznych narzędzi pomiarowych
Wartość określanej temperatury
Pod względem wartości określanej temperatury narzędzia termometryczne można podzielić
na:
– niskotemperaturowe, o zakresie pomiarowym od temperatur ujemnych (ok. - 272
o
C)
do ok. 600
o
C,
– średniotemperaturowe, o zakresie pomiarowym 600 … 1000
o
C,
– wysokotemperaturowe, o zakresie pomiarowym 1000 … 1800
o
C,
– bardzo wysokotemperaturowe, o zakresie pomiarowym powyżej 1800
o
C.
4.2. Podstawowe właściwości użytkowe
Zakres pomiarowy. Najważniejszą właściwością użytkową narzędzi termometrycznych jest
zakres pomiarowy, tzn. zakres temperatury, w jakim narzędzie termometryczne może być
używane z wymaganą dokładnością.
Zakres pomiarowy narzędzi specjalnych, rozumianych jako narzędzia kontrolne czy wzorco-
we, oraz obejmujących także wybrane narzędzia użytkowe laboratoryjne i – wyjątkowo –
techniczne, jest zawsze znacznie większy niż narzędzi typowych, rozumianych głównie jako
narzędzia użytkowe techniczne. Zakres pomiarowy wszystkich narzędzi specjalnych w zasa-
dzie obejmuje cały zakres spotykanych praktycznie temperatur – od nieco wyższych niż zero
bezwzględne do kilku tysięcy stopni.
Dokładność. Z zakresem pomiarowym nierozłącznie jest związana dokładność pomiaru,
podawana bądź w wartościach bezwzględnych, bądź w procentach zakresu pomiarowego.
Dla narzędzi typowych waha się ona zazwyczaj w przedziale 1 … 2 % zakresu pomiarowego.
Dla narzędzi specjalnych, zwłaszcza kontrolnych i wzorcowych, jest wyższa co najmniej o je-
den lub dwa rzędy wartości, dochodząc nawet do 0,0001 K.
20
Parametry geometryczne. Długość i średnica (rzadziej objętość) ciała termometrycznego –
najczęściej praktycznie rozumianego jako detektor lub czujnik – w połączeniu z odległością
od ciała termometrycznego, w jakiej może znajdować się miernik, pozwalają określić prak-
tycznie możliwości zastosowania konkretnej grupy narzędzi termometrycznych do
rzeczywistych warunków pracy w urządzeniu technicznym grzejnym lub chłodzącym.
Rejestracja i regulacja. Wytworzony w ciele termometrycznym sygnał pomiarowy tempe-
ratury może mieć różne postacie: zmiana barwy lub poziomu słupka cieczy, zwielokrotnione
odkształcenie albo sygnał elektryczny. Między przetwornikiem a punktem wyjściowym ukła-
du pomiarowego następuje zazwyczaj przekształcenie sygnału tak, aby był ujawniony w
postaci czytelnego wskazania. Do tego celu najczęściej stosowane są mierniki wskazujące.
Istnieje również możliwość odczytu właściwej temperatury za pomocą przyrządu nie
wskazującego.
Często nieodzowna jest rejestracja przebiegu temperatury podczas procesu technologicznego
– w postaci wykresu lub zapisu. Rejestracja przebiegu procesu odbywa się za pomocą
rejestratorów analogowych lub w postaci zapisu cyfrowego.
Jeszcze częściej pożądana jest regulacja przebiegu procesu technologicznego. Może być ona
połączona z jednoczesnym wskazywaniem wartości mierzonej temperatury. Obecnie coraz
częściej rezygnuje się z ciągłego ujawniania sygnału pomiarowego; sygnał doprowadzany
jest do układów regulujących nie wskazujących, realizujących narzucone parametry procesu
technologicznego podlegającego kontroli., taki sygnał w postaci „niejawnej” może być
doprowadzany do węzłów sumacyjnych lub do urządzeń centralnej rejestracji przetwarzania
danych.
Stała czasowa. Każde ciało termometryczne charakteryzuje się określoną bezwładnością
cieplna, powodującą opóźnienie powstania sygnału pomiarowego w czasie, zwiększane
dodatkowo przez występującą zazwyczaj w praktyce konieczność osłaniania ciała
odpowiednimi elementami konstrukcyjnymi ochronnymi lub nośnymi, tworzącymi wraz z
ciałem element, zwany czujnikiem pomiarowym. Opóźnienie działania czujnika
pomiarowego, tzw. czas odpowiedzi czujnika, charakteryzuje jego właściwości dynamiczne,
niezbędne do:
– określania minimalnego czasu przetrzymywania czujnika w ośrodku badanym o stałej
temperaturze przy pomiarach dorywczych,
– wyznaczania uchybów pomiaru w celu właściwego doboru czujnika przy pomiarach
temperatur zmiennych w czasie,
– uzyskania orientacyjnej oceny porównawczej właściwości poszczególnych czujników,
– określania właściwości czujników jako części zamkniętego obwodu automatycznej
regulacji temperatury.
We wszystkich przypadkach duża stała czasowa narzędzi termometrycznych jest
niekorzystna. Stałe czasowe czujników rzeczywistych narzędzi termometrycznych zawierają
się w zakresie od setnych części sekundy do nawet kilkudziesięciu minut.
W tablicy 4 pokazano podstawowe właściwości użytkowe głównych grup narzędzi ter-
mometrycznych.
Zakresy pomiarowe narzędzi termometrycznych i - dla zobrazowania ich zastosowań -
zakresy ich stosowania w obróbce cieplnej, pokazano na rys. 4.2.
21
Rys. 4.2. Zakresy pomiarowe narzędzi termometrycznych i zakres ich zastosowań w obróbce
cieplnej
5. Wskaźniki termometryczne
Wskaźniki termometryczne (termoskopy) wykonuje się z ciał termometrycznych
zmieniających swe właściwości fizyczne i chemiczne, głownie barwę i stan skupienia, w
określonych temperaturach. Ciałem termometrycznym może być bądź ciało, którego tempe-
raturę się mierzy, bądź inne ciało. W pierwszym przypadku temperaturę można określać na
podstawie barw nalotowych lub barw żarzenia wsadów metalowych poddawanych obróbce
cieplnej, w drugim – przy użyciu farb, kredek, papierów, topników i cieczy nakładanych na
elementy wsadu oraz przy użyciu kształtek ceramicznych umieszczanych w urządzeniach
grzejnych razem ze wsadem.
Wskaźniki termometryczne pozwalają jedynie na stwierdzenie, czy osiągnięto lub
przekroczono określoną wartość temperatury, nie pozwalają natomiast na dokładny jej
pomiar. Wszystkie wskaźniki – za wyjątkiem pierścieni Bullera – pozwalają na zdalne
(wzrokowe) określanie temperatury.
5.1.Barwy nalotowe
Na powierzchni większości metali i stopów grzanych w powietrzu powstają barwy nalotowe,
występujące dla danego materiału zawsze w jednakowej kolejności i przechodzące stopniowo
jedna w drugą.
Najłatwiej zaobserwować powstawanie barw nalotowych na czystej powierzchni stali.
Podczas wygrzewania stali węglowej w atmosferze powietrza w określonej temperaturze, na
jej powierzchni tworzy się warstewka tlenków żelaza o grubości zależnej od temperatury i
czasu wygrzewania. Warstewka powstała w niskich temperaturach jest bardzo cienka i
przezroczysta dla promieniowania widzialnego. Stwarza ona u obserwatora wrażenie barwnej
na skutek interferencji promieniowania widzialnego padającego i odbitego od warstewki.
Temperatura początku zabarwienia oraz pojawiające się wraz ze wzrostem temperatury kolej-
ne barwy nalotowe zależą od rodzaju (gatunku) stali, głównie od zawartości składników
stopowych podwyższających żaroodporność (np. Cr, Ni, Mo, Al.), które zwiększając odporno-
ść na utlenianie przesuwają początek powstawania określonych barw w stronę wyższych tem-
22
peratur. Za właściwa temperaturę należy przyjmować temperaturę w chwili wyraźnego
pojawienia się barwy, gdyż z upływem czasu wygrzewania stali w tej temperaturze zabar-
wienie jej ulega zmianie. Dla stali węglowych pojawienie się barwy nalotowej przy szybkim
nagrzewaniu występuje już w temperaturze ok. 200
o
C, koniec przy ok. 330
o
C. Dla innych
gatunków stali temperatury te są oczywiście inne.
Dokładność określenia temperatury na podstawie barw nalotowych przy największej nawet
wprawie obserwatora nie przekracza ± 15
o
C.
5.2 Barwy żarzenia
Przy wzroście temperatury stali lub stopu powyżej 500
o
C ich powierzchnia zaczyna
emitować – obok wysyłanego wcześniej i zwiększającego swe natężenie promieniowania
podczerwonego – promieniowanie widzialne, które u obserwatora wywołuje wrażenie
żarzenia się, przechodzące w miarę wzrostu temperatury w wrażenie świecenia wsadu. Z
wystarczającą dla praktyki przemysłowej dokładnością można przyjąć, że natężenie
emitowanego promieniowania monochromatycznego (wywołującego wrażenie odpowiedniej
barwy) nie zależy od rodzaju wsadu metalowego i od czasu wygrzewania w danej tempe-
raturze. Ze wzrostem temperatury wsadu oko ludzkie uzyskuje wrażenie przedmiotu coraz
jaśniejszego – od barwy ciemnopurpurowej do białej. Znając temperatury odpowiadające
każdej barwie można wzrokowo, w sposób szacunkowy określić temperaturę wsadu.
Podobnie jak w przypadku barw nalotowych, ocenę temperatury utrudnia fakt, że barwy
żarzenia nie występują w odmianach kontrastujących z sobą, lecz zmieniających się w sposób
ciągły.
Dokładność oceny temperatury na podstawie barw żarzenia nie przekracza ± 25
o
C, a dla
obserwatora nieprawnego może wynosić nawet ± 100
o
C.
5.3. Farby termometryczne
Niektóre substancje, zwłaszcza sole metali ciężkich (przeważnie Hg, Co, Cr, Mo, oraz V, Ni,
Cu) zmieniają swą barwę wraz z temperaturą. Zmiana ta polega na zachodzeniu reakcji
chemicznej w określonej temperaturze, np. wydzielaniu wody krystalicznej (w zakresie tem-
peratur 40 … 150
o
C), dwutlenku węgla lub amoniaku czy też utleniania pigmentu podczas
wygrzewania (np. jodek rtęciowy, będący w temperaturze otoczenia proszkiem o intensywnej
barwie pomarańczowo-czerwonej, w temperaturze 150
o
C zmienia barwę na żółto-cytrynową;
kilkadziesiąt sekund po obniżeniu o kilka stopni temperatury poniżej 150
o
C – zmienia barwę
na wyjściową).
Substancje te mogą być użyte jako ciała termometryczne pod warunkiem uprzedniej
znajomości temperatury zmiany barwy; znane pod nazwą farb termometrycznych,
produkowane zazwyczaj w postaci proszku, dodawane były pierwotnie do farb olejnych lub
werniksowych. Obecnie do zmieniającego kolor pigmentu dodaje się drobno zmielone żywice
syntetyczne jako spoiwo charakteryzujące się dobrym przyleganiem do podłoża.
Obecnie producenci wytwarzają farby termometryczne w postaci proszku lub gotowego
produktu. Proszek miesza się z alkoholem i ciekła mieszaninę nanosi na powierzchnie wsadu.
Wsad poddaje się działaniu temperatury i po jej ustaleniu obserwuje zmianę barwy (zwykle
po upływie 30 min od chwili ustalenia się temperatury). Powierzchnię wsadu pokrywa się far-
bą o temperaturze zmiany barwy najbardziej zbliżonej do spodziewanej temperatury. W
przypadku nieznanej temperatury, wsad pokrywa się szeregiem prążków z farb o kolejno
zmieniających się temperaturach przemiany barwy.
Farby termometryczne zmieniają barwę wraz ze zmianą temperatury w sposób ciągły (w
zakresie 120 … 140
o
C) lub nieciągły (w zakresie 40 … 1350
o
C) – jedno-, dwu-, trzy-, lub
23
nawet czterokrotnie. Farby zmieniają barwę w sposób odwracalny (po ochłodzeniu wracają
do pierwotnej barwy) lub nieodwracalny (zmieniają barwę w sposób trwały). Farby odwracal-
ne produkowane są dla zakresu temperatur – 20 … + 250
o
C.
Większość farb termometrycznych jest odporna na działanie pól magnetycznych, wysokich
napięci elektrostatycznych i zjonizowanych gazów. Można je stosować do określania tempe-
ratury wsadu grzanego w atmosferze powietrza, w atmosferach redukujących, w warunkach
wilgoci atmosferycznej, w obecności śladów siarkowodoru oraz dwutlenku węgla o stężeniu
do 50 %. Przy długotrwałym przebywaniu farb termometrycznych w atmosferze o dużej wil-
gotności oraz dużej zawartości dwutlenku węgla i siarki, amoniaku czy siarkowodoru –
należy się liczyć, że zmiana barwy może nastąpić przy innej temperaturze niż podaje wytwór-
ca. Próżnia zawsze wpływa na obniżenie temperatury zmiany barwy.
Zaletą farb termometrycznych jest możliwość dokładnej oceny temperatury na odległość, w
przypadku elementów trudno dostępnych lub obracających się – nie tylko w czasie
nagrzewania, ale także po ich ostygnięciu, ora stosunkowo niska cena. Wadą – konieczność
dysponowania dużym zestawem farb dla dokładnego określania temperatury, dość skom-
plikowana technologia ich stosowania, zależność temperatury zmiany barwy od czasu
wygrzewania, wartość podciśnienia, a także od obecności niektórych substancji szkodliwych
w atmosferze otaczającej wsad.
W Polsce nie produkuje się obecnie farb termometrycznych. W Niemczech największy asor-
tyment farb wytwarzają firmy Faber - Castell i BASF. W USA produkuje się farby
„Tempilaq”, w W. Brytanii – farby „Thermindex”, w Szwajcarii – farby „Celsipoint”
produkuje firma E. Spirig.
5.4.Kredki termometryczne
Kredki te służą do szybkiego określania temperatury w zakresie 60 … 670
o
C. Zakres
pomiarowy stopniowany jest co 10 K lub co większa liczb stopni (do 100 K). Kredki
zmieniają kolor zazwyczaj po upływie 1 … 2 sek od chwili dojścia do temperatury zmiany.
Kredki są zazwyczaj odporniejsze na działanie środowiska niż farby Pozwalają na określenie
temperatury nagrzanych uprzednio wsadów oraz na określenie temperatury podczas
nagrzewania. Są proste w obsłudze i tanie. Dokładność określania temperatury przy ich
użyciu jest podobna jak farb termometrycznych.
5.5. Papiery termometryczne
Wskaźniki te wykonywane są z masy papierowej nasycanej substancją termo czułą, która w
momencie osiągnięcia temperatury przemiany w zakresie 40 … 260
o
C powoduje zawsze
nieodwracalną zmianę barwy papieru z białej na czarną.
Papiery termometryczne powlekane od zewnątrz lub nie powlekane ochronną warstwą
plastiku, zazwyczaj od spodu są pokrywane substancją umożliwiającą ich przyklejanie do
powierzchni wsadu.
Dokładność określania temperatury przy użyciu papierów termometrycznych wynosi ±1 …
± 2 % wartości mierzonej. Są one proste w użyciu i bardzo tanie.
5.6. Folie termometryczne
Dla temperatur do 250
o
C produkowane są folie plastikowe pokrywane substancją termo czu-
łą, dla temperatur 50 … 600
o
C – folie metalowe dobrze przewodzące ciepło, pokrywane sub-
stancją termo czułą. Obydwa rodzaje folii od dołu pokrywane są klejem umożliwiającym ich
mocowanie do powierzchni wsadu. Dla każdej temperatury zmiany barwy powierzchnia ter-
mo czuła ma wielkość kilku mm
2
lub cm
2
. Folie są zwykle odporne na działanie środowisk
24
gazowych i ciekłych. Czas ich reakcji nie przekracza 1 sek. Uzyskiwana dokładność pomiaru
wynosi ok. 1 % wartości mierzonej.
5.7. Wskaźniki cieczowo-krystaliczne (ciekłe kryształy)
Wskaźniki te pozwalając obserwować zmianę temperatury poprzez zmianę barwy. Są to
związki chemiczne, które naniesione na badaną powierzchnię warstwą o grubości 10 … 20
μm zmieniają w funkcji temperatury współczynnik odbicia promieniowania widzialnego, co
powoduje wrażenie zmiany ich barwy. Zmiana ta powstaje na skutek zmiany stanu jego sku-
pienia – ze stanu stałego krystalicznego do stanu ciekłego (i odwrotnie) i związana jest z
istnieniem fazy ciekłokrystalicznej, zwanej również ciekłym kryształem.
Np. benzoesan cholesterolu podgrzany do 145,5
o
C (tzw. pierwsze topnienie) przechodzi w
mętną ciecz (która w czasie chłodzenia uzyskuje szybko znikające zabarwienie), a podgrzany
do 175,5
o
C (tzw. drugie topnienie) – przechodzi w czysty oleisty płyn; faza ciekła
występująca między dwiema temperaturami topnienia jest właśnie fazą ciekłokrystaliczną. W
tej fazie substancja jest cieczą, lecz zachowuje anizotropowe optyczne właściwości kryszta-
łów. Substancje odznaczające się istnieniem fazy ciekłokrystalicznej nazywają się potocznie –
podobnie jak sama faza – ciekłymi kryształami.
Obecnie znanych jest ok. 7000 substancji organicznych i wielka ilość ich mieszanin, we
których występuje faza ciekłokrystaliczna. Jako wskaźniki temperatury stosuje się choleste-
rolowe ciekłe kryształy, a ściślej – planarnie zorientowane warstwy tych kryształów, które
odbijają selektywnie promieniowanie widzialne. Długość fali promieniowania (barwa światła)
selektywnie odbitego, zależy od wielu czynników zewnętrznych – mechanicznych, elektrycz-
nych, magnetycznych, termicznych. Do celów termometrycznych wykorzystywana jest ta
ostatnia zależność. Ze wzrostem temperatury wsadu pokrytego cholesterolowymi ciekłymi
kryształami maleje hiperbolicznie długość fali promieniowania odbitego – najpierw gwałtow-
nie, później łagodnie. W praktyce wykorzystuje się tylko obszar gwałtownej zmiany zależno-
ści (obszar dużej czułości) i tak dobiera mieszaninę cholesterolowa, aby w najniższej tempe-
raturze spodziewanej na wsadzie, selektywnie odbite promieniowanie monochromatyczne
odpowiadało barwie czerwonej, a w najwyższej – fioletowej.
Zaletą ciekłych kryształów jest możliwość bardzo dokładnego odwzorowania pól temperatury
wsadu, w tym w różnych miejscach z różną dokładnością; wada – konieczność wstępnego
przygotowania mieszanin dostosowanych do różnych zakresów temperaturowych oraz histe-
reza termo optyczna (barwa selektywnego odbicia w tej samej temperaturze jest różna w
czasie ogrzewania i w czasie chłodzenia).
Technika stosowania ciekłych kryształów polega bądź na uprzednim pokryciu wsadu czarnym
barwnikiem nie rozpuszczającym się w barwnikach organicznych (np. czarnym tuszem) i po
jego wyschnięciu na nanoszeniu na tak przygotowane podłoże pędzelkiem ciekłych kryszta-
łów, bądź na przykładaniu odpowiednio spreparowanych folii lub taśm.
5.8. Wskaźniki topikowe
Wskaźniki wykonywane są w postaci kredek, pastylek, szybkoschnących substancji
nanoszonych pędzlem lub rozpylanych, sporządzanych z kompozycji różnych związków
chemicznych o różnych temperaturach topnienia. Przejście ze stanu stałego w stan ciekły
określone jest jako znamionowa temperatura wskaźnika. W temperaturach niższych od tempe-
ratury topnienia znaki naniesione tymi wskaźnikami są matowe i chropowate, zaś po
przekroczeniu temperatury topnienia (i ostudzeniu) – gładkie i zwykle błyszczące.
Wskaźniki topikowe produkowane są głównie w USA dla zakresu temperatur 50 … 1800
o
C,
ze stopniowaniem co 5 … 30 K. Ich dokładność wskazań dochodzi nawet do ± 1 %.
25
5.9.Wskaźniki mięknące
Wskaźniki te zwane są zwyczajowo wskaźnikami ceramicznymi lub pirometrycznymi.
Spośród nich najbardziej popularne w Europie są stożki Segera, w USA - stożki Ortona.
Ponadto znane są, używane zwłaszcza w Anglii i tam znormalizowane – walce Watkina i
pręty Holdcrofta.
Stożki pirometryczne wytwarzane są z kwarcu (SiO
2
), kaolinu (Al
2
O
3
ּ2SiO
2
ּ2H
2
O), skalenia
(grupa minerałów obejmująca glinokrzemiany sodu, wapnia i potasu) i talku (3M-
gOּ4SiO
2
ּH
2
O), mieszanych w ściśle dobranym stosunku w celu uzyskania róznych tempe-
ratur mięknięcia. Chemiczną podstawę kompozycji ceramicznej stanowi tlenek krzemu SiO
2
(o temperaturze topnienia 1680
o
C) i tlenek glinu Al
2
O
3
(o temperaturze topnienia 2050
o
C),
do których – w celu obniżenia temperatury topnienia – dodawane sa tlenki metali (MgO, K
2
O,
Na
2
O, CaO, B
2
O
3
, PbO) zawarte w minerałach bądź dodawane oddzielnie. Stożki
pirometryczne mają kształty wydłużonych ostrosłupów (zwykle ściętych) o określonych
wymiarach i o podstawie trójkątnej (trójkąt równoramienny o boku ok. 7 … 16 mm) i
wysokości 30 mm (laboratoryjne) oraz 60 mm (przemysłowe), przy czym jedna z krawędzi
bocznych jest prostopadła do podstawy w celu zapewnienia prawidłowego, jednakowego
odkształcenia stożka po osiągnięciu przez materiał ceramiczny temperatury mięknięcia.
Zakres temperatur początku i końca mięknięcia zawiera się w granicach 25 … 40 K. Za tem-
peraturę pomiaru przyjmuje się temperaturę zgięcia stożka określoną jako temperatura, przy
której wierzchołek stożka dotyka usytuowanej poziomo podstawki (rysunek 5.1)
Rys.5.1. Odkształcenie stożków Segera podczas pomiaru temperatury
Wzrastająca numeracja stożków odpowiada temperaturze odkształcenia (zgięcia). PN-70/H-
04175, odpowiadająca normie niemieckiej DIN 51063 przewiduje 61 stożków, obejmujących
zakres 600 … 2000
o
C, stopniowanych co 15 … 40
o
C.
Dopuszczalne odchyłki temperatury zgięcia w stosunku do wartości podawanych w normie
wynoszą ± 15 K dla stożków przemysłowych i ± 10 K dla stożków laboratoryjnych. Nume-
racja stożków pirometrycznych stosowanych w Polsce odpowiada temperaturze zgięcia
podzielonej przez 10. Rozpowszechnione w USA stożki Ortona różnią się nieco od stożków
europejskich, głównie temperaturami mięknięcia.
Podobnie jak w przypadku farb termometrycznych, na dokładność określenia temperatury
przy użyciu stożków pirometrycznych wpływa szybkość zmian temperatury. Przy wzroście
26
szybkości nagrzewania temperatura pokazywana przez te same stożki ulega obniżeniu. Pona-
dto dokładność określania temperatury zależy od wymiaru stożka, otaczającej atmosfery i
usytuowania stożka (pozycja pracy) w miejscu pomiaru.
Stożki pirometryczne przylepia się za pomoc gliny do podstawki ogniotrwałej w taki sposób,
aby jedna z powierzchni bocznych prostopadłych do powierzchni stożka była lekko nachylona
do podstawki. Określenie temperatury polega na obserwowaniu odkształcenia kilku (co
najmniej trzech) stożków o kolejnych temperaturach mięknięcia.
Walce Watkina (średnica ok. 6,5 mm, wysokość ok. 10 mm) wykonuje się z tych samych
materiałów i wykazują one te same właściwości co stożki pirometryczne. Temperaturę określa
się na podstawie obserwacji odkształceń mięknącego walca, umieszczonego w specjalnej
podstawce.
Pręty Holdcrofta (prostopadłościan o wymiarach ok. 55x6,5x8 mm) wykonane są z podob-
nych materiałów i służą do określania temperatury w zakresie co 15 … 20 K. Temperaturę
określa się na podstawie obserwacji odkształceń prętów umieszczonych w specjalnej
podstawce (podpartych w środku, o końcach zwisających swobodnie).
Wszystkie wskaźniki ceramiczne odznaczają się małą dokładnością określania temperatury,
skomplikowaną obsługą oraz koniecznością znajomości przybliżonej wartości temperatury
przed pomiarem. Przewaga wad nad zaletami powoduje, że wypierane są one przez wskaźniki
topikowe oraz zmieniające barwę.
Spośród wskaźników termometrycznych najczęściej w obróbce cieplnej stosowane są
wskaźniki wykorzystujące zmianę barwy; przeważnie określa się temperaturę na podstawie
barw nalotowych i barw żarzenia. Dokładność wzrokowego określania temperatury wynosi
kilkadziesiąt kelwinów. Nie są to metody zalecane, tym niemniej jeszcze niekiedy stosowane
w praktyce obróbki cieplnej. Wzrokowo można w zasadzie tylko porównywać równomierno-
ść nagrzewania dużych wsadów, równomierność rozkładu temperatury w komorze grzejnej
pieca, stwierdzać czy wsad osiągnął już temperaturę pieca – przy jednoczesnym pomiarze
temperatury za pomocą przyrządów pomiarowych.
Farby termometryczne znajdują zastosowanie przy określaniu temperatury dużych wsadów
nagrzewanych miejscowo (np. hartowanych indukcyjnie) lub wsadów ruchomych (np.
nagrzewanych w piecach przelotowych) oraz przy określaniu rozkładu temperatury na
różnych wsadach.
Podobne zastosowanie mogą mieć kredki lub papiery czy folie termometryczne; ponadto są
one przydatne do szybkiego określania temperatury nagrzanych uprzednio wsadów (lub w
trakcie ich nagrzewania).
Ciekłe kryształy w technice wykorzystywane są w zakresie temperatur nie przekraczających
200
o
C – do badania nagrzewania pracujących elementów konstrukcji, modeli lotniczych, w
badaniach nieniszczących, do rozwiązywania analogowego równań różniczkowych o skom-
plikowanych warunkach brzegowych, w budowie noktowizorów, przy sporządzaniu
hologramów w podczerwieni.
Zbliżone do farb i kredek termometrycznych zastosowanie mają topikowe.
Wskaźniki mięknące są sporadycznie stosowane w obróbce cieplnej. Mogą być
wykorzystywane przy badaniach prototypów urządzeń grzejnych, zwłaszcza wysokotempe-
raturowych oraz doraźnie przy ustalaniu temperatury mniej odpowiedzialnych procesów
technologicznych, zwłaszcza w zakresie temperatur 1400 … 2000
o
C. Wskaźniki te są dość
szeroko stosowane w przemyśle ceramicznym.
27
Document Outline