Rok: II	KATEDRA SYSTEMÓW ENERGETYCZNYCH I URZĄDZEŃ OCHRONY ŚRODOWISKA
Grupa: H30	LABORATORIUM Z TERMODYNAMIKI
Prowadzący: Dr inż. P. Pytko	Nazwisko i imię: Damian Surmik	Data: 23.11.11
	Temat: Pomiar temperatury.	Ocena:

1. Cel ćwiczenia.

Zapoznanie się z metodami pomiaru temperatury.

2. Wstęp teoretyczny:

Pomiar temperatury może zostać zrealizowany na wiele sposobów. Dobór metody zależy od interakcji pomiędzy czujnikiem temperatury a badanym ciałem. Możemy wyróżnić :

- metody kontaktowe – wymagają bezpośredniego fizycznego kontaktu czujnika z badanym ciałem, do takiego pomiaru służą czujniki zwane termometrami,

- metody bezkontaktowe – pomiar odbywa się poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego ( cieplnego) emitowanego przez ciało.

Termometry możemy podzielić w zależności od sposobu działania na:

- cieczowe – ( np. rtęciowy, alkoholowy ) wykorzystują one zjawisko rozszerzalności temperaturowej cieczy ( w miarę ogrzewania zwiększają objętość ),

- bimetalowe – wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieplnej metali ( dwa metale połączone ze sobą rozciągają się nierównomiernie wyginając się),

- gazowe – działanie opiera się na rozszerzalności temperaturowej gazu, mierzymy zmianę objętości przy stałym ciśnieniu lub zmianę ciśnienia przy stałej objętości,

- dylatacyjne – wykorzystują zjawisko zmiany długości pręta z odpowiedniego materiału pod wpływem temperatury,

- rezystancyjne – zasada ich działania opiera się na pomiarze zmiany oporu elektrycznego materiału przewodzącego, zachodzące pod wpływem zmiany jego temperatury ( wyróżniamy oporniki: metalowe i półprzewodnikowe – termistory),

- termoelektryczne – ( termopary) korzystają ze zjawiska Seebecka – mierzona jest tu siła elektromotoryczna powstała w obwodzie złożonym z dwóch różnych drutów (np. platynowego i rodowego), których miejsca połączenia znajdują się jedno w temperaturze mierzonej, a drugie w temperaturze odniesienia. Siła ta jest proporcjonalna do różnicy tych temperatur. Odznaczają się dużą dokładnością i elastycznością konstrukcji.

Drugą grupę stanowią bezdotykowe przyrządy do pomiaru temperatury, takie jak np. pirometry. Pirometr jest bezdotykowym optycznym urządzeniem odbierającym promieniowanie cieplne ( radiacyjne) obiektu i służące do pomiaru temperatury powierzchni tego obiektu. Tym samym jest to pewien rodzaj termometru, a dokładniej termometru radiacyjnego. Pirometr składa się z:

- systemu optycznego skupiającego promieniowanie na detektorze,

- detektora – zamieniającego bodziec (promieniowanie) na proporcjonalną wartość parametru prądu ( napięcie, natężenie, opór),

- układu pomiarowego z wyświetlaczem/wskaźnikiem,

Podział pirometrów:

- pirometry optyczne – ( radiacyjne ) reagują na całkowite promieniowanie – w całym widmie częstotliwości fal termicznych. Promieniowanie termiczne wnika przez przesłonę do pirometru, gdzie za soczewką zostaje skupione na powierzchni aktywnej detektora. Dodatkowy układ optyczny pozwala na śledzenie przez operatora powierzchni o mierzonej temperaturze,

- pirometry fotoelektryczne – ( pasmowe ) działają podobne do optycznych z tą różnicą, że ograniczają promieniowanie padające na detektor do wąskiego zakresu fal – eliminując zakłócenia spowodowane gazami jakie promieniowane napotyka na swojej drodze,

- pirometry monochromatyczne – pomiar polega wyizolowaniu fal emitowanych przez badane ciało (określonej długości) i porównaniu ich z falami tej samej długości, emitowanymi przez włókno o regulowanej temperaturze – gdy włókno przestanie być widoczne na tle promieniowania ciała badanego, odczytujemy jego temperaturę,

- pirometry dwubarwowe – wykorzystują zjawisko zmiany stosunku natężenia dwóch barw promieniowania emitowanego przez ciało ( najczęściej czerwonej i zielonej), stosunek ten zmienia się wraz z ze zmianą temperatury,

Termometry specjalne:

- termometr lekarski – wyskalowany w wąskim przedziale wokół 37°C,

- termometr meteorologiczny – zespół dwóch termometrów ( maksymalnego i minimalnego),

- termometr zaokienny – wyskalowany od -50 do +50 °C,

- termometr pokojowy – wyskalowany od 0 do 40°C

- termometr laboratoryjny – zazwyczaj od 0 do 150°C,

- termometry przemysłowe - przeznaczone do pomiarów temperatury w urządzeniach stosowanych w różnych dziedzinach przemysłu,

Wzorcowanie i sprawdzanie termometrów:

Wzorcowaniem ( kalibracją ) nazywamy ogół czynności prowadzących do wyznaczenia relacji między podziałką przyrządu wskazującego a wielkością temperatury. Sprawdzanie jest to czynność ustalenia, czy w sprawdzanym termometrze skala jest zgodna z rzeczywistością, tj. czy temperatura wskazywana przez termometr jest temperaturą czujnika. Przy wzorowaniu opieramy się na stałych pinkach termodynamicznych (temperatura topniejącego lodu - 0°C oraz wrzenia wody pod ciśnieniem 1025,13 hPa - 100°C) i punktów stałych pomocniczych ( temperatur krzepnięcia, topnienia, wrzenia czy sublimacji substancji łatwych do otrzymania w stanie czystym). Zazwyczaj sprawdzany termometr umieszczamy w urządzeniu o regulowanej temperaturze, określonej za pomocą termometru wzorcowego. Następnie wyznaczamy temperatury odniesienia z których będziemy korzystać. Ogrzewając termometr wzorcowany (sprawdzany) notujemy jego wskazania i odpowiadające mu wskazania termometru wzorcowego (sprawdzamy zgodność wskazań). Na podstawie otrzymanych wyników możemy wykreślić charakterystykę termometru wzorcowanego i wykreślić dla niego skalę/podziałkę ( stwierdzamy czy wskazania są zgodne, jeżeli nie są możemy termometr wzorcować ponownie lub wycofać z użytku ).

Metodyka prowadzenia pomiaru temperatury.

Dobór urządzenia pomiarowego:

- wybranie odpowiedniego sposobu pomiaru,

- dobór odpowiedniego urządzenia pomiarowego,

- dobór odpowiedniego zakresu urządzenia pomiarowego,

- dobór odpowiedniej dokładności urządzenia pomiarowego,

- dobór pozostałych właściwości urządzenia pomiarowego (stałej czasowej, bezwładności cieplnej, specjalnych uwarunkowań jak np.: odporność na atmosferę utleniającą/żrącą)

- dobór urządzenia ze względu na wpływ jaki wywrze on na temp. badanego ciała/czynnika,

Czynniki brane pod uwagę w czasie samego pomiaru:

- mierzymy temperaturę wewnątrz ciała, nie powierzchni (jeżeli zachodzi taka potrzeba termometr należy umieścić w wydrążonym otworze),

- czynnik, którego temperaturę mierzymy powinien pozostać w spoczynku ( należy zastosować odpowiedni zbiornik, lub osłony głowicy pomiarowej),

- podczas pomiarów temperatury cieczy i gazów musimy wziąć pod uwagę zjawisko konwekcji ( mierzymy temp. na kilku poziomach i wyciągamy średnią, lub mieszamy czynnik przed pomiarem),

- pomiar powinien być powtarzalny,

3. Wyniki pomiarów:

Temp. Wzorcowa [°C]	Opór [Ω]	Temp. Wzorcowa [°C]	Opór [Ω]	Temp. Wzorcowa [°C]	Opór [Ω]	Temp. Wzorcowa [°C]	Opór [Ω]
1	-	26	111,0	51	113.7	76	118,5
2	-	27	111,0	52	113,9	77	119,1
3	-	28	111,1	53	114,2	78	120,0
4	-	29	111,2	54	114,3	79	120,7
5	-	30	111,3	55	114,5	80	121,0
6	-	31	111,4	56	114,5	81	121,3
7	-	32	111,6	57	114,7	82	122,0
8	-	33	111,7	58	114,9	83	122,2
9	-	34	111,8	59	115,0	84	122,3
10	-	35	111,8	60	115,1	85	122,4
11	-	36	112,0	61	115,3	86	122,8
12	-	37	112,2	62	115,4	87	123,3
13	-	38	112,3	63	115,7	88	123,5
14	-	39	112,4	64	116,0	89	123,8
15	-	40	112,5	65	116,2	90	124,4
16	-	41	112,6	66	116,5	91	125,2
17	-	42	112,7	67	116,8	92	125,8
18	-	43	112,8	68	116,9	93	126,3
19	-	44	112,9	69	117,2	94	126,4
20	-	45	113,0	70	117,3	95	126,5
21	110,5	46	113,1	71	117,4	96	126,7
22	110,6	47	113,1	72	117,5	97	127,1
23	110,7	48	113,2	73	117,8	98	128,0
24	110,8	49	113,3	74	118,1	99	-
25	110,9	50	113,5	75	118,3	100	-

Wykres wyznaczonej charakterystyki rezystora PT-100:

Porównanie z normą PN-EN 60751:

Temp. Wzorcowa [°C]	Opór doświadczalny [Ω]	Opór wg PN-EN 60751 [Ω]	Odchylenie
21	110,5	108,18	+2,32
30	111,3	111,67	-0,37
40	112,5	115,54	-3,04
50	113,5	119,40	-5,9
60	115,1	123,24	-8,14
70	117,3	127,08	-9,78
80	121,0	130,90	-9,9
90	124,4	134,71	-10,31
98	128,0	137,75	-9,75
-------------------	-----------------	Średnie odchylenie:	6,6122(2)

Wykres porównawczy otrzymanych wyników z normą PN-EN 60751:

Pomiar temperatury za pomocą pirometru :

Temperatura pieca: 880°C

Temperatura zmierzona przez pirometr: 965°C

Czułość tremometru:

[ ]

Termometr 1 (0-300°C)

Skala:20°C

Czułość: 0.6 mm/°C

Termometr 2 (-1,2-51°C)

Skala: 5°C

Czułość: 4,4 mm/°C

Termometr 3 (-27 – 55°C)

Skala: 10°C

Czułość: 1,6 mm/°C

4. Wnioski i uwagi:

W pierwszym ćwiczeniu naszym zadaniem było wyznaczenie parametrów termometrów cieczowych. Do najważniejszych z nich należy zakres – czyli zakres temperatur jakie możemy zmierzyć danym termometrem, skala – skala naniesiona na podziałkę termometru, czułość – stosunek długości ( wysokości ) działki elementarnej podziałki do zmiany temperatury jaką reprezentuje – określa jaka zmiana wysokości słupa cieczy odpowiada zmianie temperatury o 1°C . Analizując te dane możemy dobrać odpowiedni termometr do właściwych zadań.

Następna część laboratorium dotyczyła wzorcowania termometru rezystancyjnego ( zbudowanego na bazie rezystora PT-100). Wzorcowanie odbyło się w metalowym naczyniu wypełnionym wodą, podgrzewanym palnikiem gazowym . Za termometr wzorcowy posłużyła termopara przemysłowa. Wzorcowanie rozpoczęliśmy w temperaturze 21°C, następnie w miarę podgrzewania zapisywaliśmy wskazania omomierza podłączonego do termometru rezystancyjnego co 1°C wg wskazań termopary. Badanie zakończono po osiągnięciu temperatury 98°C. Wyniki badania przedstawia wyżej zamieszczona tabela oraz wykres zależności oporu od temperatury. Jak widzimy zależność oporu od temperatury nie jest idealnie liniowa i znacznie odbiega od charakterystyki określonej w normie PN-EN 60751 . Duży wpływ na wyniki miały warunki w jakich przeprowadzono badanie. Ośrodek którego temperaturę badaliśmy ( woda ) nie był odizolowany od otoczenia – ciepło stale odpływało od układu – właściwe wzorcowanie powinno odbywać się w naczyniu odizolowanym od otoczenia termicznie np. kalorymetrze. Jako główne źródło błędu możemy uznać dynamikę wzrostu temperatury - stała czasowa termometrów przemysłowych jest wyższa od stałej termometrów tradycyjnych – innymi słowy: termometr nagrzewał się dużo wolniej od ośrodka w którym zostały umieszczone. Różnica stałych czasowych obu termometrów przy tej dynamice powodowała, iż nagrzewały się one w różnym tempie – odczytywaliśmy opór dla temperatury głowicy pomiarowej a nie wskazania termopary. Nie bez znaczenia pozostają wymiary obu urządzeń pomiarowych - ich obudowy ( części niezanurzone) zadziałały podczas badania jak chłodnice przekazując ciepło do otoczenia przyspieszając odpływ ciepła i spowalniając nagrzewanie głowic pomiarowych. Poziom cieczy w naczyniu nie był wysoki, oba urządzenia nie były całkiem zanurzone w wodzie oraz znajdowały się w pewnej odległości od siebie. Woda w naczyniu ogrzewała się nierównomiernie, temperatura mierzona była w dwóch punktach o potencjalnie nieznacznie różnej temperaturze. Wszystkie wyżej wymienione zjawiska miały wpływ na zaburzenia wyników pomiaru. Mimo to możemy stwierdzić, że zmiana oporu w stosunku do temperatury w wąskim przedziale jest w przybliżeniu liniowa.

Trzecią częścią ćwiczenia był pomiar temperatury pieca laboratoryjnego, za pomocą pirometru optycznego. Temperatura pieca wynosiła 880°C zaś wskazania pirometru - 965°C.

Analiza tego błędu sprowadza się do stwierdzenia, iż pirometr wycelowany był w kierunku grzałki, zaś termometr w piecu mierzył temperaturę w pewnej odległości od grzałki – bezwładność cieplna pieca spowodowała różnice w pomiarze. Pomiary temperatury pirometrami obarczone są błędami pomiaru spowodowanymi: zaburzeniami promieniowania cieplnego – jego kierunkowości, przez gazy i innych przeszkody jakie napotyka ono na swojej drodze . Emisyjność ciała rozgrzanego może być funkcją potęgową co zwiększa błąd popełniany przez pirometr. Ogólnie błędy w porównaniu do metody stykowej pomiaru wynoszą około 2%.

Schemat pirometru optycznego:

1-soczewka skupiająca promieniowanie, 2-zwierciadło proste, 3-szczelina, 4-obudowa próżniowa, 5-soczewka, 6-płytka jednostronnie przepuszczająca promieniowanie, 7-termostos ( ewentualnie inny przetwornik ), 8- układ pomiarowy zamieniający sygnał elektryczny na wskazanie temperatury.

Schemat stanowiska do wzorcowania rezystora: