Przedmiot: Metody badań wyrobów i procesów Data: 18.05.2014r.
Wykorzystanie metod pomiaru temperatury do
innowacyjnych procesów w metalurgii i odlewnictwie,
Temat ćwiczenia: Nr ćw.: 1
do identyfikacji zjawisk, poszerzania bazy danych i
sterowania procesami w metalurgii i odlewnictwie.
ImiÄ™/nazwisko: Dominika Felisiak Jonasz Stodolak MiBM/TPM sem. VI
Maria Kubacka Dariusz Molenda
Adam Wróblewski Piotr Klimczak
Temperatura jest wielkością fizyczną, której w odróżnieniu od innych nie można zmierzyć
bezpośrednio. Pomiar temperatury można wykonać jedynie metodą pośrednią, co wymaga od nas
pomiaru wielkości fizycznych, które są bezpośrednio związane ze zmianami temperatury i nie zależą
od innych czynników oraz jednocześnie są łatwe do określenia. Większość przyrządów do pomiaru
temperatury opiera się o zmiany: rezystywności, siły termoelektrycznej, objętości lub
promieniowania. Dokładność pomiaru zależy od dokładności przyrządów pomiarowych oraz
dokładności określenia zależności funkcyjnej między zmianami wyżej wymienionych wielkości
fizycznych a zmianą temperatury. Wyróżniamy dwie metody pomiaru temperatur: stykową oraz
bezstykową, którą zostały opisane poniżej.
METODY STYKOWE
Czujnik pomiarowy przyrządów stykowych zwanych termometrami, podczas wykonywania pomiaru
znajduje się w bezpośrednim styku z ciałem lub ośrodkiem, którego temperaturę się mierzy
i wymienia z nim ciepło głównie na drodze konwekcji i przewodzenia.
W metodach stykowych w zależności od zakresu mierzonej temperatury stosujemy różnego typu
przyrządy pomiarowe. Do najprostszych z nich możemy zaliczyć termometr rtęciowy służący głownie
do pomiaru temperatury ciała. Bardziej złożone są termometry termoelektryczne (zwane
termoelementami) wykorzystywane w przemyśle do pomiaru wysokich temperatur, którymi
charakteryzują się np. płynne żeliwo lub staliwo.
Zasada działania termometrów termoelektrycznych opiera się na zjawisku fizycznym, polegającym na
zależności siły termoelektrycznej ogniwa termoelektrycznego od temperatury. Ogniwo
termoelektryczne zwane termoelementem powstaje przez połączenie na jednym końcu dwóch
przewodników, wykonanych z dwóch różnych materiałów (metali, stopów lub niemetali). Zjawisko
termoelektryczne odkryte w 1821 r. przez T. Seebecka jest wynikiem jednoczesnego występowania:
- zjawiska Peltiera (1834 r.) - polegającego na powstaniu pewnej siły elektromotorycznej w punkcie
złączenia dwóch różnych metali;
- zjawiska Thomsona (1854 r.) - polegającego na powstaniu siły termoelektrycznej w jednorodnym
przewodzie metalowym, jeżeli na jego długości występuje pewien gradient temperatury (końce
przewodu mają różne temperatury).
Termometr termoelektryczny składa się z trzech zasadniczych części:
- ogniwa termoelektrycznego o termoelektrodach A i B,
- przewodów C łączących ogniwo z przyrządem pomiarowym,
- miernika mierzącego siłę termoelektryczną, na przykład miliwoltomierza mV.
Materiały na termoelementy powinny odpowiadać następującym wymaganiom:
- liniowość i powtarzalność w czasie eksploatacji,
- wysoka temperatura topnienia i wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej,
- duża czułość,
- możliwie mała rezystywność,
- odporność na wpływy spotykane w warunkach eksploatacyjnych,
- niskie koszty i łatwość produkcji (m.in. odpowiednia ciągliwość materiału, co ułatwia formowanie
drutów).
Ze względu na zastosowany materiał termoelementy można podzielić na trzy zasadnicze grupy:
a) termoelementy z metali szlachetnych,
b) termoelementy z metali nieszlachetnych,
c) termoelementy z niemetali.
Do grupy a) zalicza się przede wszystkim te termoelementy, w skład których wchodzi platyna.
W odlewnictwie stosuje siÄ™ termoelementy wysokotemperaturowe:
- grafit- wolfram  wykonany jako drut wolframowy umieszczony w rurze grafitowej, zakres pracy do
1800°C,
- grafit-węglik krzemu  dający dużą siłę termoelektryczną, wynoszącą około 500 mV w temperaturze
1700°C,
- tantal-krzem  pręt tantalu umieszczony w rurze krzemo-karbidu; siła termoelektryczna wynosi
okoÅ‚o 500 mV w temperaturze 1400°C.
Na zajęciach mówiliśmy także o trzech innych termoelementach szerzej opisanych poniżej.
Termoelement, żelazo-konstantan, oznaczenie J lub Fe-CuNi (Fe-Konst), jest powszechnie stosowany
ze względu na niską cenę, stosunkowo dużą wartość siły termoelektrycznej i możliwość stosowania
zarówno w atmosferze utleniajÄ…cej jak i redukcyjnej. Zakres zastosowania od -200 do +600°C
(dorywczo do +800°C). Termoelement ten powinien być chroniony od zetkniÄ™cia z gazami
zawierającymi wilgoć, tlen i siarkę. Bliskim odpowiednikiem termoelementu Fe-Konst jest
termoelement Fe-Kopel.
Termoelement nikielchrom-nikielaluminium, oznaczenie K lub NiCr-NiAl jest odporny na atmosferÄ™
utleniającą, w wyższych temperaturach jest wrażliwy na atmosferę redukcyjną i na obecność
związków siarki. Termoelement K odznacza się najwyższą temperaturą pracy z wszystkich innych
termoelementów z metali nieszlachetnych do 1000°C (nawet do 1300°C). Ma on prawie
prostoliniową charakterystykę termometryczną. Termoelement ten wyparł powszechnie stosowany
NiCr-Ni.
Termoelement platynarod-platyna, oznaczenie S lub PtRh10-Pt (90% Pt, 10% Rh-Pt) jest stosowany
do 1300°C (dorywczo do 1600°C). Jest on najbardziej rozpowszechnionym termoelementem
wykonanym z metali szlachetnych. Stosuje siÄ™ go jako termoelement wzorcowy przy odtwarzaniu
międzynarodowej skali temperatur.
POMIAR BEZSTYKOWY
Sposób pomiaru temperatury wykorzystujący promieniowanie cieplne. Promieniowanie cieplne
emitowane jest przez każdą materię o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego, zachodzi ono
w całej objętości ciała, jednak jest mało przenikliwe, dlatego w ciałach stałych oraz cieczach tylko
promieniowanie pochodzące z warstwy przypowierzchniowej o grubości kilku mikrometrów ma
szanse wydostania się na zewnątrz. Z tego względu promieniowanie cieplne ciał stałych i cieczy jest
traktowane, jako zjawisko powierzchniowe (z małymi wyjątkami). W odróżnieniu od przewodzenia
i konwekcji, które wymagają zetknięcia się ciał, promieniowanie może zachodzić w próżni.
a) Pirometry
Pirometry (termometry bezdotykowe) sÄ… przyrzÄ…dami
elektronicznymi, umożliwiającymi bezdotykowy pomiar
temperatury.
Zasada działania pirometru
Każdy przedmiot materialny emituje promieniowanie
podczerwone (cieplne), niewidoczne dla oczu, ale
wyczuwalne np. przy zbliżeniu ręki do gorącego żelazka.
Natężenie tego promieniowania jest tym większe, im wyższa jest temperatura przedmiotu.
Pirometr mierzy natężenie promieniowana podczerwonego dochodzącego od przedmiotu do
jego obiektywu (detektora podczerwieni).
Jednym z parametrów charakteryzujących pirometry jest rozdzielczość optyczna będąca
stosunkiem odległości od obiektu do średnicy pola, dla którego wykonywany jest pomiar.
Kolejnym, istotnym parametrem jest emisyjność badanego materiału, określająca zdolność
do "oddawania" promieniowania podczerwonego, mogąca przyjmować wartości od 0 do 1,0.
Emisyjność większości substancji organicznych jest zbliżona do 0,95. Do bezdotykowego
pomiaru temperatury metali, których emisyjność może być zdecydowanie mniejsza, zaleca
się stosowanie pirometrów z regulowanym współczynnikiem emisyjności.
b) Kamery termowizyjne
Kamera termowizyjna VIGO v50
Bardzo dobra czułość termiczna, dokładność pomiarowa kamery VIGOcam v50 oraz wysoka
rozdzielczość przestrzenna sprawiły, że znajduje ona szerokie zastosowanie w wielu
dziedzinach nauki i przemysłu. Kamera ma ergonomiczną konstrukcję i niewielkie wymiary.
Zainstalowano w niej wskaz
nik laserowy oraz kamerę video wraz z mikrofonem i głośnikiem,
gniazdo kart pamięci SD. Obrazy termiczne oraz w świetle widzialnym prezentowane są na
kolorowym wyświetlaczu LCD 3,5". Dla wygody użytkownika wyświetlacz ma regulację
jasności oraz położenia. Dane termograficzne mogą być przesyłane do komputera PC poprzez
port Ethernet. Możliwa jest również prezentacja obrazów termograficznych przez wyjście
video na ekranie TV.
Po przesłaniu danych pomiarowych do komputera, można dokonać ich analizy przy pomocy
oprogramowania THERM. Oprogramowanie daje szerokie możliwości różnego rodzaju analizy
rozkładu temperatur, definiowania regionów, wykresów, histogramów. Możliwe jest również
tworzenie raportów, zawierających nazwy termogramów, godziny, daty rejestracji,
emisyjność, temperatury ekstremalne i średnie z regionów. Są one pobierane automatycznie
z zarejestrowanych plików. Istnieje także możliwość łączenia obrazu termograficznego
z obrazem pochodzÄ…cym
z wbudowanej kamery video (miksowanie oraz funkcje limit i przedział). Kamera znajduje
zastosowanie w wielu dziedzinach gospodarki, np. budownictwie, przemyśle, energetyce,
medycynie, badaniach naukowych  wszędzie tam, gdzie temperatura jest ważnym
parametrem diagnostycznym stanu obiektu.