KATEDRA BUDOWY MASZYN
Wydział Mechaniczny Technologiczny
POLITECHNIKA ÅšL
SKA
INSTRUKCJA DO ĆWICZEC
LABORATORYJNYCH
Przedmiot:
Kod przedmiotu:
Kod ćwiczenia:
Nr ćwiczenia:
Temat:
Kierunek: Specjalizacja:
Pomiar temperatury obrabiarek
1 Zadanie
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów temperatur w dziedzinie budowy maszyn, ze szczególnym
uwzględnieniem tego typu pomiarów w obrabiarkach. W ramach ćwiczenia poruszana jest tematyka dotycząca metod
oraz celowości przeprowadzania pomiarów temperatury w obrabiarkach.
W ćwiczeniu przeprowadza się pomiary temperatur wybranych powierzchni obrabiarek. Pomiar dokonuje się zarówno
metodami kontaktowymi, jak i metodami pirometrycznymi, na stanowisku pozwalajÄ…cym na uzyskanie temperatury z
zakresu: od temperatury otoczenia do temperatury ok.100C. Studenci obliczając ró\
nicę pomiędzy wartościami
temperatur uzyskanych z zastosowaniem obydwu metod, wskazujÄ…c na przyczyny rozbie\
ności.
2 Wyposa\
enie stanowiska
" Płyta grzejna z przygotowanymi powierzchniami imitującymi ró\
ne powierzchnie występujące w
maszynach (szlifowana, frezowana, polerowana, malowana farbami o ró\
nych kolorach )
" Termopara typu K ze wzmacniaczem termoparowym oraz urządzeniem wskazującym i kalibrującym sygnał
wyposa\
ony w układ kompensacji zimnych końców
" Kamera termowizyjna V20 firmy Vigo
" Regulator temperatury RE3 firmy Lumel
" Komputer pomiarowy wyposa\
ony w oprogramowanie do akwizycji i analizy danych z kamery
termograficznej
3 Przebieg ćwiczenia
3.1.1. Zmontować układ pomiarowy
3.1.2. Dokonać pomiaru metodą kontaktową (termopara) oraz pirometryczną (kamera IR) temperatury
wybranych powierzchni płyty grzejnej dla temperatur od temperatury otoczenia do temperatury 90C. Pomiaru
dokonywać dyskretnie, co 10K. Pomiaru dokonywać dla emisyjności powierzchni e=1.
4 Uwagi do sprawozdania
4.1.1. Wyznaczyć emisyjność wybranych powierzchni dla mierzonych temperatur traktując temperaturę
mierzoną termoparą jak rzeczywistą. Analizę przeprowadzić w oprogramowaniu do analizy i rejestracji obrazów
termograficznych.
4.1.2. Wartości emisyjności określonych powierzchni zestawić na wykresach w funkcji temperatury.
4.1.3. Sporządzić wnioski do ćwiczenia.
LITERATURA:
[1] Michalski L., Eckensdorf K.: Pomiary temperatury. WNT, Warszawa 1986.
[2] Afanasewicz Z., Darlewski J.: Ćwiczenia laboratoryjne z obróbki skrawaniem. Pomiar temperatury skrawania
metodami termoelektrycznymi. Skrypt Pol.Åšl. Nr 721, Gliwice 1977.
[3] Lis K.: Problem emisyjności w pomiarach pirometrycznych temperatury, Prace Naukowe Katedry Budowy Maszyn
Nr 2/2006, Gliwice, 2006;
[4] DT skanera termograficznego VIGOV20,
[5] Praca zbiorowa pod red. Jana Kosmola; Laboratorium z układów pomiarowo-kontrolnych i
diagnostycznych;s.21,s.67; skrypt uczelniany nr. 1985.
Opracował: Sprawdził: Zatwierdził:
dr in\
. Krzysztof Lis
Uwagi:
Załącznikiem jest instrukcja szczegółowa
KATEDRA BUDOWY MASZYN
Wydział Mechaniczny Technologiczny
POLITECHNIKA ÅšL
SKA
INSTRUKCJA SZCZEGÓA
OWA DO ĆWICZEC

LABORATORYJNYCH
Temat: Pomiar temperatury obrabiarek
(wersja robocza: 20-04-09)
1 Wstęp
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów temperatur w dziedzinie budowy maszyn, ze
szczególnym uwzględnieniem tego typu pomiarów w obrabiarkach. W ramach ćwiczenia poruszana jest tematyka
dotycząca metod oraz celowości przeprowadzania pomiarów temperatury w obrabiarkach.
W ćwiczeniu przeprowadza się pomiary temperatur wybranych powierzchni obrabiarek. Pomiar dokonuje się zarówno
metodami kontaktowymi, jak i metodami pirometrycznymi, na stanowisku pozwalajÄ…cym na uzyskanie temperatury z
zakresu: od temperatury otoczenia do temperatury ok.100C. Studenci obliczając ró\
nicę pomiędzy wartościami
temperatur uzyskanych z zastosowaniem obydwu metod, wskazujÄ…c na przyczyny rozbie\
ności.
Pomiar temperatury lub rozkładu temperatur w obrabiarce przeprowadzany jest w celu określenia stanu cieplnego
maszyny. Stan ten mo\
e mieć charakter ustabilizowany (dłu\
sza praca maszyny) lub nieustalony (rozgrzewanie,
chłodzenie maszyny). Stan ustalony nastąpi kiedy bilans odpływu ciepła z zewnętrznych powierzchni obrabiarki na
drodze: przewodzenia, konwekcji, radiacji ciepła oraz wymiany ciepła związanej z unoszeniem ciepła wraz z
produktami procesu skrawania równy jest ciepłu pochodzącemu z wewnętrznych z
ródeł ciepła (silnik, węzły
Å‚o\
yskowe, sprzęgła, przekładnie kinematyczne: zębate, łańcuchowe, pasowe, pompy, układy elektryczne, prowadnice).
Bilans dotyczy równie\
zewnętrznych z
ródeł ciepła takich jak proces skrawania oraz ciepła pochodzącego z otoczenia
obrabiarki (promieniowanie innych obrabiarek i przedmiotów znajdujących się w pobli\
u).
Pomiaru temperatury w obrabiarce dokonuje się z kilku powodów:
Diagnostyka maszyny:
Pomiar temperatury mo\
e stanowić jeden ze środków w diagnozowaniu stanu maszyny. Mierzona w procesie
diagnozowania stanu obrabiarki temperatura mo\
e być większa ni\
temperatura, jaka powinna wynikać ze sprawności
układów napędowych i kinematycznych maszyny. Anomalia w rozkładzie temperatury na powierzchni korpusów
maszyny lub temperatury mierzonej w pobli\
u wspomnianych układów (czujniki pomiarowe umieszczone w
przygotowanych otworach) w stosunku do temperatur uznawanych dla danego elementu maszyny jako normalne mogÄ…
świadczyć o uszkodzeniu, nadmiernym zu\
yciu, lub nieprawidłowym monta\
u danego podzespołu maszyny.
SprzÄ™\
enie zwrotne w układzie sterowania (kompensacja odkształceń cieplnych)
Nowoczesne maszyny CNC posiadają serwonapędy o zło\
onej strukturze, pozwalajÄ…ce na uzyskiwanie du\
ych
dokładności pozycjonowania. Niestety zjawisko rozszerzalności cieplnej, (współczynnik rozszerzalności cieplnej dla
stali wynosi ok. 1.3e-5_1/C) sprawia i\
bez uwzględnienia tego zjawiska dokładność tego typu maszyn jest du\
o
mniejsza. Pomiar temperatury mo\
e stanowić dodatkowe sprzę\
enie zwrotne w układzie regulacji jakim jest
serwonapęd. Ponadto pomiar temperatury stosowany jest te\
jako sprzÄ™\
enie zwrotne w układzie zabezpieczenia
przeciw przegrzaniu elementów elektrycznych.
Elektryczne pomiary wielkości nieelektrycznych są stosowane niemal we wszystkich dziedzinach nauki i techniki
ze względu na ich liczne zalety. Metody elektryczne umo\
liwiają przeprowadzenie pomiarów na odległość,
automatyzację wykonywania pomiarów, du\
ą dokładność pomiarów oraz zastosowanie wyników pomiarów do
sterowania procesem technologicznym.
Ze względu na rodzaj wielkości wyjściowej rozró\
nia się czujniki parametryczne, w których wielkością
wyjściową jest rezystancja, pojemność lub przenikalność magnetyczna i generacyjne, w których wielkością wyjściową
jest siła elektromotoryczna, prąd lub ładunek elektryczny. Aby zmierzyć wielkość nieelektryczne ,za pomocą czujnika
parametrycznego, trzeba do układu pomiarowego dostarczyć energię elektryczną z zewnętrznego z
ródła. Rodzaj
czujnika pomiarowego i wartość sygnału wyjściowego decydując elektrycznym układzie pomiarowym.
1 Klasyfikacja przyrządów do pomiaru temperatury.
Przemysłowe urządzenia elektrotermiczne zawsze wyposa\
one sÄ… w aparaturÄ™ do pomiaru temperatury, a tak\
e w
układy do samoczynnej regulacji i stabilizacji wymaganej w procesie technologicznym temperatury.
Przejmuje one informacje o temperaturze mierzonej i przekształca ją na inną wielkość fizyczną, której zmienność w
funkcji temperatury decyduje o charakterystyce układu pomiarowego. Taka wielkość fizyczna stanowi sygnał
pomiarowy temperatury, który mo\
e być przetworzony za pomocą odpowiedniego przetwornika do postaci wymaganej
w układzie regulacji. Rodzaj wielkości fizycznej wykorzystywanej w danym układzie pomiarowym jest podstawą
podziału na termometry nieelektryczne oraz elektryczne, w których sygnał zale\
ny od temperatury zamieniany jest na
jedną z wielkości elektrycznych.
Temperatura
dlugości drgadnia akustyczne objętości cieczy ciśnienie gazu promieniowanie termiczne
a)
- dylatacyjne -ultradz
więkowe cieczowe -manometryczne -pirometryczne
-bimetalowe -szklane
-manometryczne
Temperatura
rezystancyjne czestotliwościowe napięcie lub prąd
b)
-rezystancyjne -kwarcowe -termoelektryczne -pirometry samoczynne
-termistorowe -tranzystorowe
-krzemowe -diodowe
-światłowodowe
Rys. 1. Klasyfikacja termometrów: a) nieelektrycznych, b) elektrycznych.
 PrzyrzÄ…dy termometryczne mo\
emy równie\
sklasyfikować ze względu na sposób przejmowania ciepła między
termometrem, a ciałem lub ośrodkiem, którego temperaturę się mierzy. Według tego kryterium wyró\
nia siÄ™ stykowe i
bezstykowe
metody pomiaru temperatury.
W metodzie stykowej czujnik temperatury styka się bezpośrednio z ciałem lub z ośrodkiem badanym i wymienia ciepło
przez przewodzenie. Przyrząd stosowany do pomiarów temperatury metodą stykową wraz z układem pomiarowym
nazywa siÄ™ termometrem.
W bezstykowej metodzie pomiarów temperatury powierzchni ciała wykorzystuje się zale\
ność wysyłanego
promieniowania cieplnego przez nagrzanie ciało od jego temperatury. Przyrząd stosowany do pomiarów temperatury
metodą bezstykową wraz z układem pomiarowym nazywa się pirometrem.
2 Pomiary stykowe
2.1. Termometry rezystancyjne
Termometry rezystancyjne wykorzystujÄ… zjawisko zmiany rezystancji metali wraz z temperatura. Wraz ze wzrostem
temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i
jonów, co powoduje wzrost rezystancji. Wzrost rezystancji danego metalu określany jest ogólną zale\
nością:
R(Å)=R0[ 1+A(Å -Å0)+B(Å-Å0)2+...] (1)
gdzie: R0  rezystancja w temperaturze Å0
Å0 - temperatura odniesienia, zwykle Å0 = 0 lub Å0 = 20 °C,
A, B  temperatura współczynnika rezystancji zale\
ne od rodzaju metalu i temperatury.
Dla niezbyt szerokiego przedziaÅ‚u temperatur przyjmujÄ…c Å0 = 0 zale\
ność (1) mo\
na przedstawić w postaci:
R(Å)=R0[1+AÅ] (2)
przy czym współczynnik temperaturowy rezystancji A podany jest najczęściej jako średni dla zakresu temperatury
0 - 100°C i wyra\
a siÄ™ zale\
nością:
1 R100 - R0
A = (3)
R0 100
Współczynnik ten jest zawsze dodatni, to znaczy, \
e rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury.
Rezystor termometryczny jest to metalowe uzwojenie lub warstwa rezystancyjna zmieniajÄ…ca swÄ… rezystancjÄ™ w
funkcji temperatury mierzonej, umieszczone na kształtce z materiału izolacyjnego.
Rezystancja znamionowa rezystora termoelektrycznego jest to rezystancja w temperaturze 0°C. Do pomiarów
technicznych są najczęściej stosowane rezystory o rezystancji znamionowej 100 &! rzadziej stosuje się rezystory
miniaturowe, które mają rezystancję znamionową 50 &!. Mniejsze wartości rezystancji znamionowej, 10 &! i 2 &!,
przyjęto dla platynowych rezystorów du\
ej dokładności, stosowanych w laboratoriach.
Metale stosowane na rezystory termometryczne powinny mieć następujące właściwości:
" mo\
liwie du\
y cieplny współczynnik zmian rezystancji, co zapewnia du\
e przyrosty rezystancji rezystora
wraz z temperaturÄ…,
" mo\
liwie du\
ą rezystywność, co umo\
liwia wykonanie rezystorów o małych wymiarach,
" mo\
liwie wysokÄ… temperaturÄ™ topnienia,
" odporność na korozję,
" łatwą odtwarzalność metalu o identycznych własnościach, co zapewnia wymienialność rezystorów
termometrycznych,
" ciągłą i mo\
liwie liniowÄ… zale\
ność rezystancji od temperatury bez
występowania histerezy.
Ze względu na wymóg łatwej odtwarzalności, na rezystory termometryczne stosuje
się prawie wyłącznie metale czyste. Metalem, który najlepiej łączy w sobie wymienione właściwości, jest platyna.
Dodatkowo do wykonywania rezystorów termometrycznych stosuje się równie\
nikiel i miedz
.
Rys. 2. Charakterystyki termometryczne platyny, miedzi i niklu.
a) rezystory platynowe
Rezystory platynowe z uwagi na wysoką dokładność i stabilność są najpowszechniej stosowane w przemyśle.
Wykonane sÄ… w technologii: tradycyjnej jako rezystory walcowe ceramiczne oraz cienkowarstwowej. Do
jednoczesnego pomiaru i regulacji stosuje się rezystory podwójne dwuuzwojeniowe. Dopuszczalne wartości prądu
pomiarowego wynoszÄ… od 1mA (cienka warstwa) do 5mA (rezystor ceramiczny) i odpowiednio zakres pracy: -70 do
500 (cienka warstwa) i - 200 do 850 (rezystor ceramiczny).
Podstawowym typem rezystora jest Pt 100 posiadajÄ…cy rezystancjÄ™ 100 &!, w temperaturze 0°C; produkowane sÄ… tak\
e
rezystory Pt 500, Pt 1000.
Zale\
ności między temperaturą, a rezystancją dla rezystorów platynowych określona jest na podstawie poni\
szych
wzorów [9]:
w zakresie : -200 °C do 0°C
RÅ = R0[1+ AÅ + BÅ + (CÅ -100°C)t3] (4)
w zakresie: 0°C do 850°C
RÅ = R0(1+ A0 + BÅ 2)
(5)
Dla platyny stosowanej w przemysłowych termometrach rezystancyjnych w powy\
szych równaniach przyjęto stałe o
wartościach:
A = 3,9083x10-3°C-1
B = -5,802x10-7°C-2
b) rezystory niklowe
Ze wszystkich metali stosowanych na rezystory termometryczne nikiel ma największy temperaturowy
współczynnik rezystancji. Wykazuje du\
ą odporność na wpływy chemiczne i korozję. Mo\
e być stosowany do
temperatur rzÄ™du 200°C, poniewa\
posiada nieliniowÄ… zmianÄ™ charakterystyki termometrycznej.
c) rezystory miedziane
Mimo wysokiej temperatury topnienia i liniowej charakterystyki termometrycznej ze względu na małą odporność na
utlenianie, miedz jest stosowana głównie na rezystory do pomiaru niskich temperatur, głównie w chłodnictwie.
Najbardziej rozpowszechnioną formą platynowych rezystorów termometrycznych są rezystory pałeczkowe, w
których uzwojenie rezystancyjne nawinięte jest na rurce ze szkła lub kwarcu. Po nawinięciu uzwojenia nasuwa się
cienkościenną rurkę z tego samego materiału na korpus rezystora. A następnie przez nagrzewanie powoduje się
stopienie rurki zewnętrznej, która oblewa uzwojenie cienką warstwą chroniącą od uszkodzeń mechanicznych i
wpływów chemicznych.
Typowy zakres zastosowaÅ„ tego rodzaju rezystorów wynosi -200-550°C. Dla zakresu temperatur 0-850°C stosuje
się rezystory termometryczne z drutu platynowego nawinięte na rurkach lub prętach z AL2O3 i pokryte z zewnątrz tym
samym materiałem. Rezystory pałeczkowe wykonuje się równie\
z uzwojeniem rezystancyjnym w formie spirali
umieszczanych w otworach poosiowych rurki ceramicznej, co zapewnia du\
ą odporność na wstrząsy i wibracje.
Rezystory pałeczkowe są wykonywane równie\
jako rezystory z dwoma lub nawet trzema niezale\
nymi uzwojeniami
pomiarowymi. Rezystory takie stosuje się wówczas, gdy istnieje potrzeba jednoczesnego pomiaru i regulacji
temperatury tego samego obiektu oraz niekiedy w układach pomiarowych mostkowych w celu zwiększenia ich
czułości.
2.1.1. Metody pomiarowe.
Czujniki rezystancyjne mogą być włączane do układów pomiarowych za pomocą linii 2-, 3- lub 4- przewodowej.
Wybór zale\
y od rezystancji przewodów łączonych, a więc od odległości czujnika, i od wymaganej dokładności. Pod
uwagę bierzemy nie sam fakt rezystancji połączeń, gdy\
tÄ™ mo\
na by uwzględnić przez korekcję charakterystyki
układu, gdyby rezystancja była stała. Rezystancja przewodów zmienia się wskutek zmian temperatury. W układzie 3-
przewodowym rezystancja przewodów jest w gałęzi r1 czujnika i w gałęzi R3. Wpływ Rp znacznie redukuje się. Układ
4-przewodowy (Rys.4.5d) całkowicie redukuje wpływ przewodów, gdy\
2 przewody słu\
Ä… do zasilania rt prÄ…dem, a w
dwóch napięciowych przewodach nie ma spadku napięcia, gdy układ pomiarowy nie pobiera prądu. W pomiarach
wielomiejscowych za pomocą jednego układu pomiarowego czujniki są przełączane komutatorem 2-, 3-, lub 4-
biegunowym.
Powszechnie do pomiaru RT stosuje się mostki prądu stałego lub układy mostkowe niezrównowa\
one. Układ mostka
zrównowa\
onego stosuje się tylko do pomiarów wzorcowych. Napięcie Uwy doprowadza się do detektora zera, a
mostek równowa\
y się rezystorem R2. Najczęściej jest u\
ywany układ mostka niezrównowa\
onego, w którym jest
stosowana ró\
nicowa metoda pomiaru. Przez dobór rezystora R2 przesuwa się zakres pomiarowy (korekcja zera), a
czułość zmienia się bądz
doborem napięcia zasilania, bądz
redukując napięcie wyjściowe mostka (korekcja czułości).
W pomiarach przemysłowych, gdy czujnik jest znacznie oddalony, trzeba stosować układ 3- lub 4-przewodowy.
Rys. 3. Układy pomiarowe czujników rezystancyjnych metalowych: a) mostkowy 2-przewodowy; b)mostkowy 3-
przewodowy; c) układ 4-przewodowy; d) pomiar metodą komparacyjną.
2.2. Termometry termoelektryczne.
2.2.1. Budowa i zastosowanie czujników termoelektrycznych.
Podstawowym elementem składowym czujnika termoelektrycznego jest termoelement utworzony przez dwa połączone
na jednym końcu przewody z ró\
nych materiałów, którymi mogą być metale czyste, stopy metali lub niemetale.
Miejsce łączenia nazywa się spoiną pomiarową, pozostałe końce - końcami wolnymi. Przewody termoelementu
nazywane sÄ… termoelektrodami. Na termoelektrody nale\
y wybierać taki zestaw materiałów, które w szeregu
termoelektrycznym le\
Ä… mo\
liwie daleko od siebie, co zapewnia występowanie odpowiednio du\
ych napięć
termoelektrycznych przy określonej ró\
nicy temperatur.
Materiały stosowane na termoelementy powinny w miarę mo\
liwości wykazywać następujące cechy:
" wysokÄ… temperaturÄ™ topnienia,
" wysoką dopuszczalną temperaturę pracy ciągłej,
" du\
a odporność na wpływy atmosferyczne,
" mo\
liwie małą rezystywność,
" mo\
liwie mały cieplny współczynnik zmiany rezystancji,
" ciągłą i liniową zale\
ność siły termoelektrycznej od temperatury.
Praktycznie stosowane zestawy materiałów na termoelektrody stanowią kompromis między poszczególnymi
wymaganiami. Silą termoelektryczna powstaje zawsze, jeśli spoina pomiarowa ma temperaturę inną ni\
wolne końce.
Je\
eli temperatura wolnych końców jest stała i znana, to wartość siły termoelektrycznej jest miarą temperatury spoiny
pomiarowej. Zale\
ność siły termoelektrycznej od temperatury, przy temperaturze wolnych końców stałej równej zeru,
jest znormalizowana dla najczęściej stosowanych termoelementów i nosi nazwę charakterystyk termoelektrycznych
(Rys. 4.6). Na rysunku tym jak i równie\
w oznaczeniach termoelementów na pierwszym miejscu podaje się zawsze
materiał będący elektrodą dodatnią.
Rys. 4. Charakterystyki termometryczne najczęściej stosowanych termoelementów
Znane są następujące typy termoelementów o znormalizowanych charakterystykach:
a) Termoelement platyna - 10% rod/platyna, oznaczenie S lub Pt Rh 10-Pt jest
stosowany do 1300°C dla pracy ciÄ…gÅ‚ej i do 1600"C dla pracy dorywczej;
b) Termoelement platyna - 13% rod/platyna, oznaczenie R lub Pt Rh 13-Pt ma właściwości bardzo zbli\
one do
termoelementu typu S.
c) Termoelement platyna - 30% rod/platyna  6% rod, oznaczenie H lub Pt Rh 30-Pt Rh6
d) Termoelement \
elazo/miedz
- nikiel, oznaczenie J lub Fe-CuNi posiada elektrodÄ™ dodatniÄ… z czystego \
elaza,
elektrodę ujemną ze stopu o zawartości od 45 do 60% miedzi [7]. Otrzymanie charakterystyki termometrycznej zgodnej
z normÄ… zale\
y od wzajemnego dopasowania obu termoelektrod. Termoelement ten jest powszechnie stosowany ze
względu na niską cenę;
e) Termoelement miedz
/miedz
- nikiel , oznaczenie T lub Cu-CuNi posiada elektrodÄ™ dodatniÄ… z czystej miedzi, a
elektrodę ujemną ze stopu o wartości od 45 do 60% miedzi [7].
f) Termoelement nikiel - chrom/miedz
- nikiel oznaczenie E lub NiCr-CuNi wykonywany jest ze stopów o ró\
nych
nazwach handlowych;
g) Termoelement nikiel-chrom/nikiel - aluminium, oznaczenie K lub NiCr-NiAl, wykonywany jest ze stopów o
ró\
nych nazwach handlowych, których skład nie jest znormalizowany. Termoelement typu K jest najczęściej
stosownym termoelementem z metali nieszlachetnych w zakresie temperatur do 1000°C (dorywczo do 1200°C).
Charakteryzuje siÄ™ prostoliniowÄ… charakterystykÄ… termometrycznÄ…. Jest on odporny na atmosferÄ™ utleniajÄ…cÄ…, w
wy\
szych temperaturach jest wra\
liwy na atmosferę redukującą i na obecność związków siarki.
h) Termoelement nikiel - chrom - chrom /nikiel - krzem, oznaczenie N lub NiCrSi- NiSi.
2.2.2. Metody pomiarowe.
Stałość temperatury spoiny odniesienia termoelementu, lub inaczej, stałość temperatury wolnych końców
termoelementu, doprowadzonych do zacisków umieszczonych w głowicy czujnika jest warunkiem poprawnych
wskazań termoelementu termoelektrycznego. Głowica czujnika umieszczona jest na ogół w niewielkiej odległości od
powierzchni zewnętrznej urządzenia, w którym mierzy się temperaturę np., blisko powierzchni izolacji pieca
elektrycznego czy gazowego. GÅ‚owica nagrzewa siÄ™ do pewnej temperatury wy\
szej ni\
temperatura otoczenia przez
przewodzenie, promieniowanie i konwekcję. Temperatura głowicy mo\
e ulegać nieznacznym wahaniom nale\
nie od
zmian temperatury i warunków pracy urządzenia oraz temperatury otoczenia. Posługują się prawem kolejnych
temperatur przedłu\
a się więc termoelement przewodami kompensacyjnymi od głowicy do miejsca, gdzie mo\
na
utrzymać stałą temperaturę.
Rys. 5 Termoelement z przewodami kompensacyjnymi.
Przewody kompensacyjne są to przewody, których charakterystyka termometryczna jest taka sama jak charakterystyka
termometryczna termoelementu, z którym mają współpracować. Je\
eli przewody kompensacyjne sÄ… wykonane z tych
samych materiałów, co termoelement, to w miejscach ich połączeń z termoelementami nie powstają \
adne siły
termoelektryczne. Natomiast gdy przewody kompensacyjne są wykonane z innych materiałów ni\
termoelement, to w
celu poprawnego ich działania miejsca łączenia temoelektrod z przewodami kompensacyjnymi muszą mieć jednakową
temperaturę, tak by znosiły się ewentualnie powstające w miejscach ich łączenia, przeciwnie skierowane, siły
termoelektryczne. Z racji, \
e przewody kompensacyjne są częściej wykonywane z innych materiałów ni\

termoelementy i na ogół nie mają oznaczeń dotyczących zastosowanego materiału, w praktyce przyjmuje się, \
e
temperatury w miejscach ich łączenia z termoelementem są równe. Spoina odniesienia połączona jest układem
pomiarowym lub układem przetwarzającym sygnał proporcjonalny do temperatury na sygnał przydatny w układzie
regulacji temperatury. Często aby uwzględnić kompensację temperatury  zimnych końców stosuje się dodatkowy
czujnik pomiarowy.
2.3. Termometry termistorowe .
Termistory są to rezystory półprzewodnikowe, które posiadają du\
y temperaturowy współczynnik rezystancji. Do
pomiarów temperatury stosuje się prawie wyłącznie termistory o ujemnym temperaturowym współczynniku rezystancji
NTC (Negative Temperature Coefficient). Termistory o dodatnim temperaturowym współczynniku rezystancji - PTC
(Positive Temperaturę Coefficient) są stosowane raczej do sygnalizacji stanu przekroczenia określonej temperatury.
Produkcja
termistorów jest bardzo trudna i bazuje na technologiach stosowanych w ceramice, a mianowicie na rozdrabnianiu,
mieszaniu formowaniu ciÅ›nieniowym i spiekaniu w temperaturze 1000°C. Ogromny wpÅ‚yw na uzyskiwane parametry
termistorów ma temperatura, obróbki cieplnej, atmosfera oraz sposób starzenia. Termistory NTC wykonywane są, z
proszków tlenków Mn, Fe, Ni, Cu, Ti, Zn i Co. Termistory po obróbce cieplnej i starzeniu są powierzchniowo
metalizowane, dostrajana jest ich rezystancja, dolutowywane są końcówki metalowe a całość jest oblewana masą
plastycznÄ… lub szkÅ‚em. W temperaturze 20°C rezystancja termistorów mieÅ›ci siÄ™ w zakresie od kilku k&! do okoÅ‚o 40
M&!. Zale\
ność rezystancji termistorów NTC od temperatury opisuje równanie:
1 1
RT 0 = RT 0 exp B0 ( - )
T T0
gdzie: RTO  rezystancja w temperaturze odniesienia T0
T  temperatura termistora w K,
B0  stała zale\
na od materiału termistora.
Wprowadza się pojęcie cieplnego współczynnika zmiany rezystancji termistora określonego zale\
nością:
B0
Ä… = - (8)
2
T
Z powy\
szych wzorów wynika, \
e wartość bezwzględna, a zarazem czułość termistora maleje ze wzrostem temperatury
mierzonej.
Rys. 6. Zale\
ność RT/RTO w funkcji temperatury Å0=20°C dla termistorów o ró\
nych wartościach współczynnika aT-
oraz porównawczo dla rezystora platynowego.
W porównaniu z metalowymi rezystorami termometrycznymi termistory charakteryzują następujące zalety:
" większy cieplny współczynnik zmian rezystancji zapewnia wy\
szą czułość pomiaru,
" wielokrotnie większa rezystancja, eliminuje praktycznie wpływ rezystancji przewodów łączeniowych na
wskazania,
" mniejszymi wymiarami,
" mniejsze bezwładności cieplne,
" mo\
ność pomiaru małych ró\
nic temperatury.
Natomiast do ich znaczÄ…cych wad nale\
y zaliczyć:
" ni\
sze temperatury pracy i wÄ™\
sze zakresy pomiarowe,
" nieliniowÄ… zale\
ność rezystancji od temperatury.
2.4. Termometry półprzewodnikowe
Diody i tranzystory to elementy złączowe, których charakterystyki prądu w funkcji napięcia zale\
ą głównie od
gęstości nośników po obu stronach złącza. Gęstość ta silnie uzale\
niona jest od temperatury. Prąd diody płynący
przez złącze w kierunku przewodzenia mo\
na przedstawić zale\
nością:
qU
d
Id (T ) = IS 0 (T ) exp( ) (11)
kT
gdzie: ISO - prÄ…d nasycenia diody w kierunku zaporowym,
T  temperatura,
q  Å‚adunek elektryczny,
Ud  napięcie diody w kierunku przewodzenia,
k  stała Boltzmana.
Diody mogą być wykorzystywane do pomiaru temperatury zarówno przy polaryzacji w kierunku przewodzenia jak i
zaporowej. Jednak\
e ze względu na nieliniową zale\
ność prądu wstecznego od temperatury częściej do produkcji
czujników temperatury wykorzystuje się polaryzacje diod w kierunku przewodzenia.
Termometry diodowe charakteryzujÄ… siÄ™ zakresem pomiaru temperatury ograniczonym temperaturÄ…, jakÄ… wytrzymuje
złącze diody, oraz liniowością charakterystyki termometrycznej. Dla diody krzemowej typowy zakres mieści się w
przedziale 50 - 150°C. Termometry bazujÄ…ce na półprzewodnikach z GaAs stosuje siÄ™ w zakresie 270-300°C, lecz ich
czułość w porównaniu z diodami krzemowymi jest znacznie mniejsza. Charakterystyki termometryczne dla diod Ge, S i
GnAs, jako zale\
ności napięcia w kierunku przewodzenia Ud od temperatury T przy stałym prądzie przewodzenia Id
przedstawiono na rys. poni\
ej.
Rys. 7. Charakterystyki termometryczne diod (a) oraz układ pomiarowy z diodowym czujnikiem termometrycznym (b)
Rd- rezystor zapewniający stałość prądu przewodzenia diody
Termometry tranzystorowe, podobnie jak diodowe, maja zakres pomiarowy 50 150°C, co wynika głównie
wytrzymałości termicznej złącza. Charakterystyka termometryczna tranzystora wyra\
ona jako zale\
ność napięcia baza-
emiter Ube w funkcji temperatury.
Na czujniki stosowane sÄ… tranzystory o du\
ym wzmocnieniu i małej wartości prądu zerowego. Często stosuje się
układ przedstawiony na (rys. 4.17). Wzmacniacz W1 powinien się odznaczać mo\
liwie małymi zmianami prądu, a
wzmacniacz W2 małymi zmianami napięcia. Rezystor R1 słu\
y do ustawiania prÄ…du kolektora tranzystora. Rezystorem
R2 wyznacza się temperaturę odniesienia. Rezystorem R4 ustawia się wzmocnienie układu zale\
nie od stosowanego
miernika, najczęściej woltomierza cyfrowego. Tranzystory mogą pracować jako czujniki temperatury w ro\
nych
układach połączeń. Na rys. 4.18 pokazano przykładowe charakterystyki termometryczne tranzystorów przy ró\
nych
sposobach połączenia. Dokładne termometry tranzystorowe wymagają stosowania układów linearyzujących
charakterystyki termometryczne, poniewa\
w realizacjach precyzyjnych czujników pomiarowych stonuje się parę
tranyzystorów w jednej obudowie wykorzystujących ró\
nicę napięć baza-emiter dwóch tranzystorów.
Rys. 8. Transformator jako czujnik termometryczny.
Rys. 9. Charakterystyki termometryczne tranzystorów dla ró\
nych sposobów połączenia.
Ró\
nica ta jest dokładnie liniową funkcją temperatury bezwzględnej, nawet gdy parametry obu tranzystorów nie
są w pełni takie same. Rozwiązania takie wykonywane są w praktyce jako układy scalone z wyjściem napięciowym lub
prÄ…dowym. W wersji z wyjÅ›ciem prÄ…dowym uzyskuje siÄ™ czuÅ‚ość 1 µA/°C, zaÅ› z wyjÅ›ciem napiÄ™ciowym l mV/°C,
natomiast przy zastosowaniu dodatkowego wzmacniacza operacyjnego 100 mV/°C.
2.5. Dynamiczne pomiary temperatury
Przez pojecie dynamiczny pomiar temperatury nale\
y rozumieć taki pomiar, któremu towarzyszy występowanie
cieplnego stanu nieustalonego termometru i związany z tym błąd zwany dynamicznym błędem pomiaru. Dynamiczne
pomiary temperatury obejmujÄ… zatem pomiary temperatury zmiennej w czasie, a tak\
e pomiary stałej temperatury
podczas ustalania się wskazań termometru. Do oceny wartości dynamicznych błędów pomiaru jest potrzebna
znajomość własności dynamicznych termometrów.
W większości termometrów nieelektrycznych czujniki termometryczne stanowią integralna, nierozłączna część całego
termometru. Mo\
na wówczas rozwa\
ać własności dynamiczne termometru jako całości. W termometrach elektrycznych
czujnik termometryczny stanowi wyraz
nie wydzieloną konstrukcyjnie, wymienną część termometru. W tych
warunkach pomiaru, w których błędy dynamiczne musza być uwzględniane przy interpretowaniu wyników pomiarów,
zarówno w laboratorium, jak i w przemyśle znacznie częściej stosuje się termometry elektryczne. Nale\
y równie\

uwzględnić własności termometrów nieelektrycznych.
Znajomość własności dynamicznych czujników termometrycznych jest szczególnie potrzebna do:
" określenia niezbędnego czasu umieszczenia czujnika w ośrodku badanym o stałej temperaturze przy
pomiarach dorywczych,
" wyznaczanie błędów dynamicznych pomiaru w celu właściwego doboru czujników przy pomiarach
temperatury zmiennej w czasie,
" wyznaczanie rzeczywistych przebiegów temperatury mierzonej,
" doboru układów do korekcji własności dynamicznych czujników, stosowanych w celu zmniejszenia
błędów dynamicznych pomiaru.
3 PIROMERIA  termowizja
3.1. Promieniowanie temperaturowe  prawa i definicje
Fizykalnie zasadę działania urządzeń pirometrycznych obrazuje prawo Plancka, opisujące rozkład energii ciała
doskonale czarnego w funkcji długości fali:
c1-5 îÅ‚ W Å‚Å‚
E0 =
c2 ïÅ‚m2
µmśł
ðÅ‚ ûÅ‚
eT -1
gdzie: E0  monochromatyczne natÄ™\
enie promieniowania ciała doskonale czarnego,
  dÅ‚ugość fali [µm],
T  temperatura bezwzględna ciała promieniującego [K],
c1  3,7415*10 -16 WÅ"m2, c2  14380 µmÅ"K.
Rys. 10. Zale\
ność monochromatycznego natę\
enia promieniowania E0 ciała doskonale czarnego od długości fali ,
według prawa Plancka
Rys. 11. Rozkład strumienia cieplnego q padającego na powierzchnię ciała stałego
: qA - strumień pochłonięty, qR - strumień odbity, qP - strumień przepuszczony
Zakładając, \
e na powierzchnię ciała pada strumień cieplny q, z którego strumień qA - zostanie pochłonięty, qR
- odbity, zaś qP - przepuszczony , wprowadza się następujące określenia:
- współczynnik pochłaniania (absorpcji) A=qA/q,
- współczynnik odbicia (refleksji) R=qR/q,
- współczynnik przepuszczania (transmisji) P=qP/q.
Poniewa\
całe promieniowanie musi być przepuszczone, odbite lub zaabsorbowane to:
A + R + P = 1
W szczególnym przypadku, gdy A=1, R=0, P=0 mamy do czynienia z ciałem doskonale czarnym, tj. ciałem, które
pochłania całe padające nań promieniowanie.
Analogicznie do współczynników pochłaniania, odbicia i przepuszczania dla promieniowania całkowitego,
wprowadzić równie\
mo\
na współczynniki dla promieniowania monochromatycznego:
A=qA/q
R=qR/q
P=qP/q
stosowane dla promieniowania o jednej określonej długości fali . Równie\
i w tym przypadku słuszna jest zale\
ność:
A + R + P = 1
Współczynniki A, R i P zale\
ą od rodzaju materiału i stanu powierzchni, zaś współczynniki A, R i P zale\
Ä…
dodatkowo od długości fali .
Monochromatyczne natÄ™\
enie promieniowania E wyra\
a siÄ™ zale\
nością:
dE
E =
d
a więc równe jest stosunkowi ilości energii dE wypromieniowanej w jednostce czasu w zakresie długości fali od  do
(+d) do rozpatrywanego zakresu długości fali d, gdy d dą\
y da zera. Dla małych wartości T prawo Plancka
mo\
na zastąpić prawem promieniowania Wiena:
c1 1
E0 =
5 c2
eT
W zakresie temperatur spotykanych w pirometrii optycznej, uchyb wynikajÄ…cy z zastÄ…pienia prawa Plancka prawem
Wiena jest pomijalnie mały. Ze wzrostem temperatury ciała promieniującego maksimum natę\
enia promieniowania
przesuwa się w kierunku mniejszych długości fal. Długość fali max, przy której występuje maksimum natę\
enia
promieniowania w danej temperaturze T, wyznaczyć mo\
na według prawa przesunięć Wiena:
max Å"T = 2896µm Å" K
Prawo Plancka dla zakresu długości fali: 1 do 2 przybiera postać:
 2
c1-5
E0(1- 2) = d
+" c2
1
eT -1
Stosunek monochromatycznego natÄ™\
enia promieniowania E o danej długości fali  dla ciała nieczarnego do
monochromatycznego natÄ™\
enia promieniowania E0 o tej samej długości fali  dla ciała czarnego znajdującego się w
tej samej temperaturze, nazywa siÄ™ emisyjnoÅ›ciÄ… monochromatycznÄ… µ:
E
µ =
E0
Je\
eli dla pewnego ciaÅ‚a o dowolnej dÅ‚ugoÅ›ci fali , speÅ‚niony jest warunek µ=const., ciaÅ‚o takie nazywa siÄ™
ciałem szarym. Wiele materiałów spotykanych w technice ma własności zbli\
one do ciała szarego.
EmisyjnoÅ›ciÄ… µ danego ciaÅ‚a dla caÅ‚kowitego zakresu promieniowania, zwanÄ… równie\
emisyjnością całkowitą, nazywa
siÄ™ stosunek natÄ™\
enia promieniowania E w pełnym zakresie promieniowania dla tego ciała do natę\
enia
promieniowania E0 w pełnym zakresie promieniowania dla ciała czarnego, znajdującego się w tej samej temperaturze.
E
µ =
E0
Podstawowym prawem odnoszącym się do promieniowania termicznego ciał jest prawo Kirchoffa, które
mówi, \
e stosunek zdolności emisyjnej do zdolności absorpcyjnej jest dla wszystkich powierzchni jednakowy. Je\
eli
więc dany obiekt znajduje się w stanie równowagi cieplnej, nie staje się on ani cieplejszy ani zimniejszy; ilość energii,
jakÄ… emituje musi być równa iloÅ›ci energii, jakÄ… absorbuje, tak wiÄ™c A = µ (emisyjność). Mo\
emy więc stwierdzić, \
e
monochromatyczny współczynnik pochÅ‚aniania A jest równy emisyjnoÅ›ci monochromatycznej µ.
A=µ
Podobnie dla określonego pasma promieniowania w zakresie od 1, do 2 słuszna jest zale\
ność:
A -2 = µ -2
1 1
gdzie: A1-2 - jest współczynnikiem pochłaniania dla zakresu fal od 1 do 2,
µ1-2 - jest emisyjnoÅ›ciÄ… pasmowÄ… dla zakresu dÅ‚ugoÅ›ci fal od 1 do 2.
Zale\
ność jest słuszna równie\
dla przypadku 10, 2" tj. dla pełnego zakresu promieniowania. Mamy wówczas:
A = µ
Prawo Stefana - Boltzmanna dla ciała czarnego podaje zale\
ność całkowitego natę\
enia promieniowania wysyłanego E0
od temperatury absolutnej T ciała promieniującego:
4
E0 = Ã T
0
gdzie: Ã0 - jest staÅ‚Ä… promieniowania ciaÅ‚a doskonale czarnego, która wynosi:
Ã0 = 5,6697Å"10-8 W/(m2Å"K4).
Wzór podaje się częściej w innej postaci, a mianowicie:
4
T
E0 = C0ëÅ‚ öÅ‚
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚100 Å‚Å‚
gdzie: C0 -jest techniczną stałą promieniowania ciała doskonale czarnego, która wynosi
C0 = Ã0Å"108 = 5,6697 W/(m2Å"K4).
W odniesieniu do ciał szarych natę\
enie promieniowania wyra\
a siÄ™ wzorem:
4
T
ëÅ‚ öÅ‚
E = C0µ
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚100 Å‚Å‚
gdzie: µ - emisyjność dla peÅ‚nego zakresu promieniowania.
3.2. Parametry i dobór urządzeń pirometrycznych
Urządzenia pirometryczne charakteryzuje kilka parametrów. Pierwszymi z nich są: zakres temperatury
mierzonej oraz rozdzielczość temperaturowa. Parametry te są silnie zale\
ne od zakresu spektralnego, w jakim działa
określone urządzenie.
Kolejne parametry dotyczą optyki urządzenia, która skupia promieniowanie obserwowanego obiektu na
powierzchni detektora promieniowania, wykorzystując prawa optyki fizycznej, analogiczne do urządzeń optycznych
pracujących w zakresie promieniowania widzialnego z tą ró\
nicÄ…, \
e układy takie powinny cechować się du\
Ä…
przepuszczalnością w zakresie spektralnym działania pirometru. Problem z budową takich układów jest tym większy im
dalej poło\
ony jest zakres podczerwieni, w jakim pracuje urzÄ…dzenie. Podstawowy parametr charakteryzujÄ…cy pirometr
w tych kategoriach to jego rozdzielczość optyczna, wyra\
ona stosunkiem Ds/S (ang. Distance/Spot), gdzie Ds 
odległość od obiektu, S  średnica pola widzenia. Współczynnik Ds/S mo\
e być zastąpiony kątem widzenia.
Charakterystykę optyczną pirometrów często przedstawia się w formie wykresów stanowiących cenniejszą informację
charakteryzujÄ…cÄ… pirometr ni\
rozdzielczość optyczna, poniewa\
parametr Ds/S zazwyczaj nie jest wielkością stałą, lecz
zale\
y od odległości. Ponadto niesie równie\
informację o wielkości pola widzenia (S) w ogniskowej układu
optycznego (ang. Focussed Spod Size).
Ds [mm] S [mm]
40
0 17
30
76 1,3*
20
10 500 66
*
0
ogniskowa układu
-10
optycznego
-20
-30
-40
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550
odległość od obiektywu Ds [mm]
Rys. 12. Przykładowa charakterystyka pola widzenia pirometru serii TXHT firmy Raytek
Dla określonej aplikacji pirometrów bardzo istotnym parametrem jest szybkość odpowiedzi pirometru, wyra\
oną stałą
czasowÄ… detektora. Mo\
e ona wynosić od kilku nanosekund (np. ultra szybka termografia) dla detektorów fotonowych
do kilku sekund dla detektorów termicznych.
Å›
rednica pola widzenia S [mm]
Rys. 13. Przepuszczalność promieniowania podczerwonego warstwy atmosferycznej -ziemskiej o grubości 8m.
Oznaczono  okna atmosferyczne wykorzystywane w budowie pirometrów fotoelektrycznych.
Pomiar temperatur ciał nieczarnych o zmiennej emisyjności w obecności atmosfery zakłócającej pomiary
pirometryczne jest mo\
liwy dzięki stosowaniu pirometrów dwubarwowych samoczynnych. Dokładność tego typu
pirometrów zastosowanych do pomiaru ciał nieczarnych jest większa od dokładności pirometru fotoelektrycznego.
PracÄ… w  oknie atmosferycznym (rysunek powy\
ej)- eliminuje wpływ absorpcji promieniowania przez atmosferę.
3.3. Problematyka emisyjności
Techniczna realizacja pomiarów pirometrycznych sprawia wiele problemów, które niniejszy rozdział próbuje
przedstawić. Szczególną uwagę poświęcono zagadnieniu emisyjności, sposobom jej wyznaczania oraz jej wpływowi na
dokładność pomiarów temperatury metodami bezkontaktowymi.
Metody określające temperaturę ciała na podstawie jego stanu energetycznego, wymagają precyzyjnego
zidentyfikowania tych własności ciała, które opisują jego zdolność do emisji promieniowania. Promieniowanie to
określone zakresem długości fali zwane jest promieniowaniem temperaturowym. Zdolność do emisji promieniowania
opisuje współczynnik emisyjności, zdefiniowany jako stosunek ilości energii wypromieniowanej przez obiekt
znajdujący się w określonej temperaturze do energii wyemitowanej przez idealne z
ródło promieniowania (tak zwane
ciało doskonale czarne) w tej samej temperaturze. Idealnym z metrologicznego punktu widzenia jest obiekt
o emisyjnoÅ›ci µ=1.
Wzorcowanie przyrzÄ…dów pirometrycznych odbywa siÄ™ dla emisyjnoÅ›ci µ=1. W praktyce wiÄ™kszość ciaÅ‚ jest
ciałami nieczarnymi, których emisyjność jest mniejsza od jedności. Aby zapewnić poprawne wskazania podczas
pomiarów ciał nieczarnych, musi zostać wyznaczona poprawka do wskazań pirometru. Większość nowoczesnych
urządzeń posiada układy elektronicznej kompensacji emisyjności, uwzględniające wprowadzany do urządzenia
współczynnik µ. UrzÄ…dzenia wskazujÄ… wówczas temperaturÄ™ skorygowanÄ…. CzÄ™sto jednak rejestracja odbywa siÄ™ dla
emisyjnoÅ›ci µ=1, a kompensacja odbywa siÄ™ na drodze programowej w dedykowanym danemu urzÄ…dzeniu
oprogramowaniu, słu\
ącym do analizy wyników pomiarów. Ta sama korekcja mo\
e zostać wykorzystana do
skompensowania strat promieniowania podczas przechodzenia przez absorbujące środowisko np. dym, pył, okienka
zabezpieczające itp. Określić nale\
y wówczas współczynnik absorbcyjności ośrodka. Współczynnik emisyjności
wykorzystywany podczas kompensacji jest wówczas wyznaczany jako iloczyn współczynnika emisyjności obiektu
badanego i współczynnika absorbcyjności ośrodka pośredniczącego w pomiarze.
Poniewa\
stosowane w bezkontaktowych pomiarach temperatury przyrzÄ…dy, pracujÄ… zazwyczaj na pewnej
dÅ‚ugoÅ›ci fali lub jej paÅ›mie, odpowiednie współczynniki µ, A, R oraz P sÄ… zwiÄ…zane z dÅ‚ugoÅ›ciami fali. Wyró\
niamy
wtedy dla promieniowania monochromatycznego: A=µ, R oraz P, lub dla okreÅ›lonego pasma promieniowania w
zakresie od 1 do 2: A -2 = µ -2 , R -2 oraz P -2 .
1 1 1 1
W praktyce większość ciał jest ciałami szarym (których emisyjność jest mniejszą od jedności, ale taka sam dla
ró\
nych długości fal), lub nieszarymi (których emisyjność zmienia się w zale\
ności od długości fali lub/i temperatury).
Wyznaczając poprawki do wskazań urządzeń IR nale\
y zamiast emisyjności całkowitej uwzględniać
emisyjność pasmową ciała promieniującego w odpowiednim dla danego urządzenia zakresie długości fal. Zazwyczaj
emisyjność taka nie jest znana. Literatura podaje wartości emisyjności, które zale\
Ä… w znacznym stopniu od
temperatury, jakości powierzchni, stopnia pokrycia tlenkami, stąd te\
są to jedynie wartości orientacyjne.
Celem umo\
liwienia porównywania własności ró\
nych materiałów w sposób niezale\
ny od stanu ich
powierzchni, stosowane jest równie\
pojÄ™cie emisyjnoÅ›ci wÅ‚aÅ›ciwej, oznaczanej odpowiednio: µ' - emisyjność wÅ‚aÅ›ciwa
caÅ‚kowita i µ' - emisyjność wÅ‚aÅ›ciwa monochromatyczna.
Emisyjność wÅ‚aÅ›ciwa µ' lub µ' jest to emisyjność wyznaczana w kierunku normalnym do powierzchni. Nale\
y
zwrócić uwagę, \
e wartości emisyjności dla powierzchni chropowatych, szorstkich oraz powierzchni \
Å‚obkowanych itp.
mogą być znacznie wy\
sze ni\
odpowiednie wartości emisyjności właściwych dla tych samych materiałów.
a- lód, b- drewno, c- szkoło, d- papier, e- ił, f- tlenek miedzi, g- szorstki korund, h- nikiel polerowany, i- nikiel
matowy, k- Cr, l- Mn, m- Al, n- Fe matowe
Rys. 14. Zale\
ność promieniowania cieplnego w funkcji kierunku jego rozchodzenia:
a  niemetale, b  metale o gładkiej powierzchni
Poza samą emisyjnością istotna dla pomiarów pirometrycznych jest równie\
refleksyjność. Dla ciał
nieprzepuszczalnych, dla których współczynnik transmisyjności jest równy zeru (P=0), równanie przyjmuje postać:
µ + R= 1
Te ciała nieczarne, które charakteryzują się niską emisyjnością, zgodnie z równaniem posiadają większą
refleksyjność. Sam fakt niskiej emisyjności mo\
e być z większą lub mniejszą dokładnością skompensowany przez
zastosowanie korekcji emisyjności. Du\
a refleksyjność natomiast powoduje zazwyczaj wzrost wpływu otoczenia na
wartość wskazywanej temperatury.
a)
b)
Rys. 15. Pomiar temperatury wypolerowanych metali: a) pomiar rzeczywisty,
b) próba rozwiązania problemu przy pomocy tuby wziernikowej (ang. sighting tube)
Jest to szczególnie ucią\
liwe, gdy w pobli\
u znajdują się ciała o wysokiej temperaturze i du\
ej emisyjności.
Promieniowanie cieplne obserwowanego obiektu stanowi wówczas w du\
ej części promieniowanie odbite innych ciał.
Mo\
na wtedy ograniczyć wpływ otoczenia przez zastosowanie osłon (najlepiej o du\
ej refleksyjności) lub pokrywanie
obiektu badanego powłoką o większej emisyjności, a tym samym niskiej refleksyjności (powlekanie, oksydowanie).
3.4. Zakres spektralny urządzeń pirometrycznych a ich własności metrologiczne
Część przyrządów pirometrycznych korzysta z bardzo szerokiego pasma promieniowania (pirometry
radiacyjne, czyli całkowitego promieniowania). Mimo niskiej ceny tych urządzeń, ze względu na brak konieczności
stosowania wysokiej klasy czułych detektorów, specjalnych układów optycznych i wzmacniaczy sygnału o du\
ym
wzmocnieniu, dokładność tych urządzeń jest niewielka. Ponadto są one czułe na odległość od obiektu, poniewa\
ich
pasmo obejmuje niektóre obszary pochłaniania atmosferycznego.
UrzÄ…dzenia bazujÄ…ce na bardzo wÄ…skim zakresie spektralnym, pracujÄ… zazwyczaj w tzw.  oknie
atmosferycznym tzn. takim zakresie spektralnym, w którym transmisyjność atmosfery jest w przybli\
eniu równa
jedności. Urządzenia tego typu charakteryzuje zazwyczaj wysoka cena, a minimalna temperatura mierzona, jest ze
wzglÄ™du na niskÄ… energiÄ™ promieniowania w tak maÅ‚ym zakresie spektralnym dość wysoka i siÄ™ga kilkuset °C.
Najczęściej spotykanym pasmem w pomiarach niskotemperaturowych (zakres od temperatury otoczenia do
kilkuset °C) jest zakres dalekiej podczerwieni 8-14µm. Jest to pasmo znajdujÄ…ce siÄ™ w  oknie atmosferycznym , stÄ…d
wpływ odległości od obiektu badanego jest pomijalny. Urządzenia pracujące w tym paśmie nadają się do pomiaru
temperatury większości tworzyw sztucznych i dobrze oksydowanych metali. Problem w przypadku większości metali
mo\
e stanowić zwiększająca się ze wzrostem długości fali refleksyjność. Wpływ temperatury obiektów, których
promieniowanie zostaje odbite przez obiekt badany mo\
e być wówczas du\
y.
Innym pasmem, bardziej nadajÄ…cym siÄ™ do pomiaru temperatury metali, jest zakres ok. 3,8µm. Jest to zakres
równie\
znajdujący się w  oknie atmosferycznym . Metale posiadają w tym zakresie mniejszą refleksyjność, lecz
dokładność pomiarów w niskich temperaturach jest ze względu na poło\
enie tego zakresu bli\
ej zakresu widzialnego,
du\
o mniejsza. Dla tego pasma maksimum natÄ™\
enia promieniowania (zgodnie z prawem przesunięć Wiena) występuje
w temperaturze ok. 200°C, a zatem ilość energii promieniowania w temperaturze otoczenia jest w tym zakresie
niewystarczająca do określenia temperatury obiektu badanego. W niektórych urządzeniach pracujących w tym zakresie
stosuje się chłodzenie termoelektryczne detektora, zwiększając tym samym czułość w zakresie niskich temperatur.
3.5. Pomiar temperatury ciał nieczarnych
Pomiar temperatury ciał nieczarnych mo\
na realizować zbli\
ając warunki pomiarów mierzonej powierzchni do
warunków panujących podczas pomiarów ciała doskonale czarnego, np. przez wiercenie odpowiednio głębokich
otworów, stosowanie osłon refleksyjnych, itp.
 Mo\
na równie\
zrezygnować z pomiaru rzeczywistej wartości temperatury ciała, w przypadku powtarzającego
się procesu przebiegającego w podobnych warunkach. Gdy wartość wskazywana zostanie odpowiednio oszacowana na
podstawie wartości wzorcowej to wiadomo dla jakich pozornych wartości wskazywanych, wartość rzeczywista
temperatury danego procesu jest odpowiednia.
a) b)
Rys. 16. Sposoby realizacji pomiarów ciał nieczarnych: a) przez wiercenie otworów imitujących ciało doskonale
czarne, b) przez stosowanie osÅ‚on reflekcyjnych, gdzie: 1- osÅ‚ona o maÅ‚ym µ, 2- powierzchnia mierzona, 3- urzÄ…dzenie
pirometryczne
Podczas pomiarów powierzchni metalowych mo\
liwe jest te\
stosowanie filtrów polaryzacyjnych. Emisyjność
powierzchni metalowych, których temperatura jest obserwowana pod kÄ…tem 45° przez filtr polaryzujÄ…cy równolegle jest
około dwukrotnie wy\
sza ni\
emisyjność tej powierzchni w kierunku normalnym . Problemem mo\
e być współczynnik
pochłaniania samego filtra. W praktyce podczas pomiaru pirometrycznego powierzchni ciał nieczarnych mo\
liwe jest
obliczenie poprawki do wskazań pirometru na podstawie modelu fizycznego opisującego zjawisko radiacji.
3.6. Metody wyznaczania emisyjności ciała nieczarnego
Istotny z punktu widzenia pomiarów pirometrycznych współczynnik emisyjności mo\
e zostać
zidentyfikowany równie\
na drodze eksperymentalnej. W przypadku gdy urządzenie posługuje się nieznanym modelem
kompensacji emisyjności, mo\
na oszacować przybli\
oną wartość współczynnika emisyjności powierzchni ciała
w określonej temperaturze rzeczywistej Trz, na podstawie obserwacji wpływu zmian nastaw kompensatora emisyjności
urządzenia na temperaturę wskazywaną Tw. Pomiar temperatury Trz odbywa się wówczas metodą stykową, stanowiącą
temperaturÄ™ wzorcowÄ…, natomiast dla urzÄ…dzenia IR dokonujemy zmiany nastaw współczynnika emisyjnoÅ›ci µ.
Temperatura wskazywana Tw zmienia swoją wartość. W przypadku gdy Tw E" Trz, mo\
na przyjąć \
e emisyjność µ jest
emisyjnością rzeczywistą powierzchni, dla której urządzenie jest prawidłowo wyskalowane. Sposób postępowania
ilustruje wykres (Rys. 18). Jak wynika z rysunku emisyjność w rozpatrywanym przypadku wynosi µ = 0,5, poniewa\

dla tej wartoÅ›ci współczynnika Tw=Trz=150 °C.
Inna metoda pozwalająca na doświadczalne, przybli\
one oszacowanie współczynnika emisyjności polega na
pomiarze temperatury zmiennej w czasie urządzeniem IR o wprowadzonej wartości współczynnika emisyjności oraz
pomiarze temperatury rzeczywistej przyrzÄ…dem wzorcowym. Na wykresie (Rys. 19) przedstawiono zale\
ność
temperatury wskazywanej w funkcji temperatury rzeczywistej, dla dwóch przykładowych wartości współczynnika
emisyjności.
1
Trz=99 C
°
0.9
Trz=73 C
°
Trz=38 C
0.8 °
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
temperatura wskazywana Tw [ C]
°
Rys. 17. Zale\
ność temperatury wskazywanej przez pirometr RAYTXSLTCF2 od wprowadzonej emisyjności, dla
ró\
nych przykładowych wartości temperatury rzeczywistej
współczynnik emisyjno
Å›
ci
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
współczynnik emisyjnoÅ›ci µ
temperatura wskazywana - Tw temperatura rzeczywista - Trz
Rys. 18. Przykładowa zale\
ność temperatury wskazywanej przez urządzenie pirometryczne Tw od wartości
nastawionego w urzÄ…dzeniu współczynnika emisyjnoÅ›ci µ
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
temperatura rzeczywista Trz [°C]
µ=0.9 µ=0.5 temperatura otoczenia To
Rys. 19. Przykładowa zale\
ność temperatury wskazywanej przez urządzenie pirometryczne Tw od temperatury
rzeczywistej Trz dla ró\
nych wartoÅ›ci nastawionego w urzÄ…dzeniu współczynnika emisyjnoÅ›ci µ
Temperatura otoczenia ma stałą wartość. Zbiór krzywych dla ró\
nych współczynników emisyjności ma punkt wspólny
w temperaturze otoczenia To (lub w temperaturze fotodetektora w urządzeniach z chłodzonym detektorem). Prawidłowa
wartość współczynnika emisyjności jest dla krzywej o współczynniku nachylenia prostej regresji liniowej równym 1. Z
zale\
ności przedstawionych na Rys. 19 wynika istotny wniosek: określanie współczynnika emisyjności w niskich
temperaturach jest mniej dokładne a dokładność rośnie wraz ze wzrostem temperatury rzeczywistej. Najdokładniejszym
jest pomiar emisyjności w temperaturze bliskiej górnemu zakresowi urządzenia IR.
4 Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych - pomiar temperatury obrabiarek
4.1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiarów temperatur w dziedzinie budowy maszyn, ze
szczególnym uwzględnieniem tego typu pomiarów w obrabiarkach. W ramach ćwiczenia poruszana jest tematyka
dotycząca metod oraz celowości przeprowadzania pomiarów temperatury w obrabiarkach.
W ćwiczeniu przeprowadza się pomiary temperatur wybranych powierzchni obrabiarek. Pomiar dokonuje się
zarówno metodami kontaktowymi, jak i metodami pirometrycznymi, na stanowisku pozwalającym na uzyskanie
temperatury z zakresu: od temperatury otoczenia do temperatury ok.100C. Studenci obliczając ró\
nicę pomiędzy
wartościami temperatur uzyskanych z zastosowaniem obydwu metod, wskazując na przyczyny rozbie\
ności.
4.2. Przebieg ćwiczenia:
4.2.1. Zmontowanie układu pomiarowego składającego się z:
" Płyty grzejnej z przygotowanymi powierzchniami imitującymi ró\
ne powierzchnie występujące w
maszynach (szlifowana, frezowana, polerowana, malowana farbami o ró\
nych kolorach ),
" Termopary typu K,
" Wzmacniacza termoparowego z urządzeniem wskazującym i kalibrującym sygnał wyposa\
onego w
układ kompensacji zimnych końców,
temperatura [
°
C]
w
temperatura wskazywana T [
°
C]
" Kamery termowizyjnej V20 firmy Vigo (urzÄ…dzenie pirometryczne),
" Regulatora temperatury RE3 firmy Lumel,
" Komputera pomiarowego wyposa\
onego w oprogramowanie do akwizycji i analizy danych z kamery
termograficznej.
Rys. 20. Schemat stanowiska pomiarowego słu\
ącego do wyznaczania emisyjności powierzchni maszyn
4.2.2. Dokonanie pomiaru metodÄ… kontaktowÄ… (termopara) oraz pirometrycznÄ… (kamera IR) temperatury
wybranych powierzchni płyty grzejnej dla temperatur od temperatury otoczenia do temperatury 90C.
Pomiaru dokonywać dyskretnie, co 10K. Pomiaru dokonywać dla emisyjności powierzchni e=1.
4.3. Opracowanie wyników pomiarów
" Przy pomocy oprogramowania do analizy termogramów wyznaczyć emisyjność wybranych powierzchni dla
mierzonych temperatur traktując temperaturę mierzoną termoparą jak rzeczywistą. Wyznaczanie emisyjności
przeprowadzić według metody opisanej w punkcie Metody wyznaczania emisyjności ciała nieczarnego
" Wartości emisyjności określonych powierzchni zestawić na wykresach w funkcji temperatury.
" Sporządzić wnioski do ćwiczenia.
LITERATURA:
[6] Michalski L., Eckensdorf K.: Pomiary temperatury. WNT, Warszawa 1986.
[7] Afanasewicz Z., Darlewski J.: Ćwiczenia laboratoryjne z obróbki skrawaniem. Pomiar temperatury skrawania
metodami termoelektrycznymi. Skrypt Pol.Åšl. Nr 721, Gliwice 1977.
[8] Lis K.: Problem emisyjności w pomiarach pirometrycznych temperatury, Prace Naukowe Katedry Budowy
Maszyn Nr 2/2006, Gliwice, 2006
[9] DT skanera termograficznego VIGOV20,
[10] Praca zbiorowa pod red. Jana Kosmola; Laboratorium z układów pomiarowo-kontrolnych i
diagnostycznych;s.21,s.67; skrypt uczelniany nr. 1985.