Zakład Procesów Chemicznych i Biochemicznych Politechniki Wrocławskiej Laboratorium Termodynamika Procesowa
Pomiar temperatury - IR
Wrocław 2008
Skonstruowanie pierwszego urządzenia do pomiaru temperatury przypisuje się Galileuszowi około 1592 r. Wskazania tego urządzenia były zależne od ciśnienia atmosferycznego w chwili pomiaru i co gorsza nie było skali.
Dopiero w XVIII wieku Gabriel Fahrenheit zaprojektował rtęciowe urządzenie do pomiaru temperatury, gdzie jako dolny punkt skali przyjęto temperaturę mieszaniny zmrożonej wody z solą (chlorkiem amonu)- to była najniższa temperatura jaką był w stanie uzyskać. Górnym punktem odniesienia była temperatura ludzkiej krwi odpowiadająca 96
stopniom w jego skali.
Około 1742 roku Anders Celsius zaproponował temperaturę topnienia lodu i temperaturę wrzenia wody jako dwa punkty odniesienia. I tak przyjął 0 stopni dla temperatury wrzenia wody i 0 stopni dla temperatury topnienia lodu. Później zamieniono te wskazania i powstała znana do tej pory skala. W 1948 roku oficjalnie nazwano ją skalą Celsiusza.
We wczesnych latach XIX wieku William Thomson (Lord Kelvin) sporządził
uniwersalną termodynamiczną skalę opierającą się na ekspansji gazu naturalnego. Kelvin sformułował koncepcję zera absolutnego i jego skala pozostaje standardem w pomiarach temperatury.
Przeliczanie 4 różnych skal temperatury:
o
9
o
5
C =
( oF − 32)
F = oC + 32
9
5
K = oC + 273 1
. 5
o R= oF + 459 6
. 7
Skala Rankina jest przedstawieniem skali Kelvina w stopniach Fahrenheita i została tak nazwana na cześć badacza W.J.M. Rankina.
W przypadku wszystkich urządzeń mierzących temperaturę wybór konkretnego urządzenia jest zależny od następujących parametrów:
• Zakres mierzonej temperatury
• Czułość urządzenia pomiarowego
• Czas reakcji
• Siła sygnału wyjściowego
• Liniowa zależność sygnału liniowego od temperatury
• Odporność mechaniczna
• Cena
Metody pomiaru temperatury można również podzielić pod względem sposobu kontaktu urządzenia pomiarowego z badanym medium na kontaktowe (termopara, termistor, czujnik 2
termorezystancyjny) i bezkontaktowe (pirometr, termowizja). Jest wiele przypadków, w których nie jesteśmy w stanie zapewnić bezpośredni kontakt urządzenia pomiarowego / sondy z materiałem (np. obecność pola elektromagnetycznego, zbyt wysoka temperatura, odległość itd.). W tym celu stosowane są metody tzw. bezkontaktowego pomiaru temperatury. Warto również nadmienić, że kontaktowy pomiar temperatury daje informacje o temperaturze w konkretnym miejscu i w wypadku materiałów o większych wymiarach taki pomiar nie daje pełnego obrazu rozkładu temperatury w obrębie badanej próbki.
3
Termopara należy do grupy czujników generacyjnych, tzn. jest ogniwem, którego napięcie termoelektryczne zależy od różnicy temperatur. Kiedy utworzony zostanie obwód składający się z dwóch różnych metali i złącza zostaną umieszczone w różnej temperaturze, powstają dwa napięcia kontaktowe przeciwnie skierowane. Przy jednakowej temperaturze złącz napięcia się wzajemnie kompensują, gdy jedno z nich umieścimy w innej temperaturze pojawia się różnica potencjałów zwana napięcie termoelektrycznym, które jest proporcjonalne do różnice temperatur obu złącz. Zjawisko to zostało odkryte przez Thomasa Seebecka w 1821 roku.
Metal A
Metal A
Metal B
Rys1. Schemat konstrukcji termopary.
E [mV]
T [C]
Rys.2 Schematyczny wykres zależności napięcia od temperatury dla termopary.
Zależność napięcia termoelektrycznego od temperatury, gdzie Tx – jest temperaturą złącza, T0
– temperaturą odniesienia.
E( T ) = α ( T − T ) x
0
4
Jeżeli przewód zostanie przecięty, różnica potencjałów na obu końcach jest funkcją temperatury połączenia i rodzajów połączonych metali:
• miedź i konstantan (stop miedzi 55% i niklu 45%) - typ T
• żelazo i konstantan – typ J
• nikiel – chrom i nikiel – aluminium – typ K
• nikiel – chrom i konstantan – typ E
• platyna 13%– rod i platyna – typ R
• platyna 11% – rod i platyna – typ S
Przykłady układów pomiarowych z termoparami.
• bez stabilizacji temperatury
To
mV
Tx
• ze stabilizacją temperatury – umieszczenie spoiny odniesienia w wodzie lodowej, lub termostacie o stałej temperaturze
mV
Tx
To
5
Wady:
• nie wymaga zasilania
• nie liniowa zależność U = f(T)
• prosta w budowie
• niskie napięcie
• odporna
• potrzebny punkt odniesienia /
• tania
kalibracja
• o dużej różnorodności
• niestabilne
• duży zakres temperatur
• mała czułość
6
Czujniki termorezystancyjne – wykorzystuje się w nich wpływ temperatury na rezystancję przewodników lub półprzewodników. Do tego rodzaju czujników zaliczamy czujniki termorezystory i termistory. Opór elektryczny różnych metali zależy od temperatury, można to przedstawić ogólną postacią równania:
R( T ) = R + α T − T + β T − T
+
0 [1
(
0 )
(
0 ) 2
.. ].
gdzie
R0 – opór (rezystancja) w temperaturze T0
α , β
- współczynniki rezystancji zależne od rodzaju materiału czujnika i temperatury.
RTD…
czyli platynowe rezystancyjne czujniki temperatury (Resistance Temperature Detectors).
W 1821 roku Sir Humprey Davy ogłosił, że opór elektryczny niektórych metali zależy od temperatury. 50 lat później, Sir William Siemens zaczął wykorzystywać platynę jako element termometrów oporowych. Jego wybór okazał się trafny gdyż do dzisiaj właśnie platyna jest wykorzystywana w czujnikach RTD. Platyna może wytrzymywać wysokie temperatury przy zachowaniu wyjątkowej stabilności. Jako metal szlachetny nie jest podatna na zanieczyszczenia. Klasyczna budowa czujnika RTD została zaproponowana przez C.H.
Meyersa w 1932 roku. Owinął on spiralnie zwinięty drut platynowy na siatce z miki i zamocował całość wewnątrz szklanej tuby. Taka konstrukcja zabezpieczała drut platynowy przed przypadkowym naciągnięciem.
Rys.3 Konstrukcja Meyersa
7
pórO
Temperatura
T
Rys.4 Schematyczny wykres zależności oporu od temperatury dla czujnika RTD.
Zalety:
Wady:
• bardzo stabilny
• drogi
• dokładny
• wymaga zasilania
• bardziej liniowa zależność od
• mała różnica oporności
termopary
• niska oporność całkowita
• może się nagrzewać
8
Podobnie jak czujnik RTD termistor jest wrażliwym na temperaturę opornikiem. Jeżeli możemy powiedzieć o termoparze, że jest najbardziej wszechstronna, o czujniku RTD, że jest najbardziej dokładny, o termistorze można powiedzieć, że jest najbardziej czuły na wahania temperatury. Z trzech wspomnianych wyżej czujników, termistor wykazuje najmocniejszy sygnał wyjściowy w zależności od temperatury.
Termistory są zrobione z półprzewodników i w większości przypadków ich sygnał
maleje wraz ze wzrostem temperatury otoczenia (rys.5). Czyli ich opór maleje wraz ze wzrostem temperatury.
R
r
póO
Temperatura
T
Rys. 5 Schematyczny wykres zależności oporu od temperatury dla termistora.
Zmniejszenie poziomu oporu jest duże , rzędu kilku procent na stopień Celsiusza, co umożliwia obwodowi termistora do wykrycia / zareagowania błyskawicznie na zmiany temperatury, które nie mogłyby zostać wykryte przez termoparę czy czujnik RTD, kosztem utraty liniowości zależność spadku oporu od temperatury.
Zalety:
Wady:
• wysoka moc wyjściowa
• nie liniowy
• czuły
• ograniczony zakres temperatur
• szybki
• wymaga zasilania
• pomiar ohmowy
• może się nagrzewać
9
Pirometr
Promieniowanie podczerwone jest emitowana przez wszystkie obiekty o temperaturze wyższej niż absolutne zero. W miarę wzrostu temperatury rośnie też ilość wypromieniowanej energii, zwłaszcza w podczerwonym obszarze widma elektromagnetycznego.
10