INSTRUKCJA do ćwiczenia pomiar temperatury obrabiarek v3 ver robocza
KATEDRA BUDOWY MASZYN Wydział Mechaniczny Technologiczny POLITECHNIKA ŚLSKA 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 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. 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.Śl. 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 ŚLSKA INSTRUKCJA SZCZEGÓAOWA 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 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. 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 zródeł ciepła (silnik, węzły ło\yskowe, sprzęgła, przekładnie kinematyczne: zębate, łańcuchowe, pasowe, pompy, układy elektryczne, prowadnice). Bilans dotyczy równie\ zewnętrznych zródeł 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 mogą świadczyć o uszkodzeniu, nadmiernym zu\yciu, lub nieprawidłowym monta\u danego podzespołu maszyny. Sprzę\enie zwrotne w układzie sterowania (kompensacja odkształceń cieplnych) Nowoczesne maszyny CNC posiadają serwonapędy o zło\onej strukturze, pozwalające 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 sprzę\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 zródła. Rodzaj czujnika pomiarowego i wartość sygnału wyjściowego decydując elektrycznym układzie pomiarowym. 1 Klasyfikacja przyrządów do pomiaru temperatury. Przemysłowe urządzenia elektrotermiczne zawsze wyposa\one są w aparaturę 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 -ultradzwiękowe 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. Przyrządy 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 się 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 się 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 wykorzystują 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(�)=R0[ 1+A(� -�0)+B(�-�0)2+...] (1) gdzie: R0 rezystancja w temperaturze �0 �0 - temperatura odniesienia, zwykle �0 = 0 lub �0 = 20 �C, A, B temperatura współczynnika rezystancji zale\ne od rodzaju metalu i temperatury. Dla niezbyt szerokiego przedziału temperatur przyjmując �0 = 0 zale\ność (1) mo\na przedstawić w postaci: R(�)=R0[1+A�] (2) przy czym współczynnik temperaturowy rezystancji A podany jest najczęściej jako średni dla zakresu temperatury 0 - 100�C i wyra\a się 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 zmieniająca swą rezystancję 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 temperaturą, " mo\liwie du\ą rezystywność, co umo\liwia wykonanie rezystorów o małych wymiarach, " mo\liwie wysoką temperaturę topnienia, " odporność na korozję, " łatwą odtwarzalność metalu o identycznych własnościach, co zapewnia wymienialność rezystorów termometrycznych, " ciągłą i mo\liwie liniową 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 są w technologii: tradycyjnej jako rezystory walcowe ceramiczne oraz cienkowarstwowej. Do jednoczesnego pomiaru i regulacji stosuje się rezystory podwójne dwuuzwojeniowe. Dopuszczalne wartości prądu pomiarowego wynoszą 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 posiadający rezystancję 100 &!, w temperaturze 0�C; produkowane są 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 R� = R0[1+ A� + B� + (C� -100�C)t3] (4) w zakresie: 0�C do 850�C R� = R0(1+ A0 + B� 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 rzędu 200�C, poniewa\ posiada nieliniową zmianę 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 zastosowań 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\ tę 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\ą do zasilania rt prądem, 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 są termoelektrodami. Na termoelektrody nale\y wybierać taki zestaw materiałów, które w szeregu termoelektrycznym le\ą 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: " wysoką temperaturę 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 ciągłej 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 elektrodę dodatnią z czystego \elaza, elektrodę ujemną ze stopu o zawartości od 45 do 60% miedzi [7]. Otrzymanie charakterystyki termometrycznej zgodnej z normą 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 elektrodę dodatnią 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 się prostoliniową charakterystyką termometryczną. Jest on odporny na atmosferę utleniającą, 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. Głowica nagrzewa się 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 są 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 ciśnieniowym i spiekaniu w temperaturze 1000�C. Ogromny wpływ 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 plastyczną lub szkłem. W temperaturze 20�C rezystancja termistorów mieści się w zakresie od kilku k&! do około 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 ą = - (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 �0=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 znaczących wad nale\y zaliczyć: " ni\sze temperatury pracy i wę\sze zakresy pomiarowe, " nieliniową 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 - prąd nasycenia diody w kierunku zaporowym, T temperatura, q ładunek 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 charakteryzują się zakresem pomiaru temperatury ograniczonym temperaturą, jaką wytrzymuje złącze diody, oraz liniowością charakterystyki termometrycznej. Dla diody krzemowej typowy zakres mieści się w przedziale 50 - 150�C. Termometry bazujące na półprzewodnikach z GaAs stosuje się 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 są 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 prądu 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 prądowym. W wersji z wyjściem prądowym uzyskuje się czułość 1 �A/�C, zaś z wyjściem napięciowym 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 obejmują 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 wyraznie 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 �ł W łł E0 = c2 �łm2 �mśł �ł �ł eT -1 gdzie: E0 monochromatyczne natę\enie promieniowania ciała doskonale czarnego, długość fali [�m], T temperatura bezwzględna ciała promieniującego [K], c1 3,7415*10 -16 W�"m2, c2 14380 �m�"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\ą dodatkowo od długości fali . Monochromatyczne natę\enie promieniowania E wyra\a się 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 wynikający z zastąpienia 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 �"T = 2896�m �" 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 natę\enia promieniowania E o danej długości fali dla ciała nieczarnego do monochromatycznego natę\enia promieniowania E0 o tej samej długości fali dla ciała czarnego znajdującego się w tej samej temperaturze, nazywa się emisyjnością monochromatyczną �: E � = E0 Je\eli dla pewnego ciała o dowolnej długości fali , spełniony jest warunek �=const., ciało takie nazywa się ciałem szarym. Wiele materiałów spotykanych w technice ma własności zbli\one do ciała szarego. Emisyjnością � danego ciała dla całkowitego zakresu promieniowania, zwaną równie\ emisyjnością całkowitą, nazywa się stosunek natę\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 � = 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, jaką emituje musi być równa ilości energii, jaką absorbuje, tak więc A = � (emisyjność). Mo\emy więc stwierdzić, \e monochromatyczny współczynnik pochłaniania A jest równy emisyjności monochromatycznej �. A=� Podobnie dla określonego pasma promieniowania w zakresie od 1, do 2 słuszna jest zale\ność: A -2 = � -2 1 1 gdzie: A1-2 - jest współczynnikiem pochłaniania dla zakresu fal od 1 do 2, �1-2 - jest emisyjnością pasmową dla zakresu długości fal od 1 do 2. Zale\ność jest słuszna równie\ dla przypadku 10, 2" tj. dla pełnego zakresu promieniowania. Mamy wówczas: A = � Prawo Stefana - Boltzmanna dla ciała czarnego podaje zale\ność całkowitego natę\enia promieniowania wysyłanego E0 od temperatury absolutnej T ciała promieniującego: 4 E0 = � T 0 gdzie: �0 - jest stałą promieniowania ciała doskonale czarnego, która wynosi: �0 = 5,6697�"10-8 W/(m2�"K4). Wzór podaje się częściej w innej postaci, a mianowicie: 4 T E0 = C0�ł �ł �ł �ł �ł100 łł gdzie: C0 -jest techniczną stałą promieniowania ciała doskonale czarnego, która wynosi C0 = �0�"108 = 5,6697 W/(m2�"K4). W odniesieniu do ciał szarych natę\enie promieniowania wyra\a się wzorem: 4 T �ł �ł E = C0� �ł �ł �ł100 łł gdzie: � - emisyjność dla pełnego 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\nicą, \e układy takie powinny cechować się du\ą przepuszczalnością w zakresie spektralnym działania pirometru. Problem z budową takich układów jest tym większy im dalej poło\ony jest zakres podczerwieni, w jakim pracuje urządzenie. Podstawowy parametr charakteryzujący 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 charakteryzującą 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 czasową detektora. Mo\e ona wynosić od kilku nanosekund (np. ultra szybka termografia) dla detektorów fotonowych do kilku sekund dla detektorów termicznych. ś 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. Pracą 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 zródło promieniowania (tak zwane ciało doskonale czarne) w tej samej temperaturze. Idealnym z metrologicznego punktu widzenia jest obiekt o emisyjności �=1. Wzorcowanie przyrządów pirometrycznych odbywa się dla emisyjności �=1. W praktyce większość ciał 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 �. Urządzenia wskazują wówczas temperaturę skorygowaną. Często jednak rejestracja odbywa się dla emisyjności �=1, a kompensacja odbywa się na drodze programowej w dedykowanym danemu urządzeniu 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 przyrządy, pracują zazwyczaj na pewnej długości fali lub jej paśmie, odpowiednie współczynniki �, A, R oraz P są związane z długościami fali. Wyró\niamy wtedy dla promieniowania monochromatycznego: A=�, R oraz P, lub dla określonego pasma promieniowania w zakresie od 1 do 2: A -2 = � -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\ą 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\ pojęcie emisyjności właściwej, oznaczanej odpowiednio: �' - emisyjność właściwa całkowita i �' - emisyjność właściwa monochromatyczna. Emisyjność właściwa �' lub �' jest to emisyjność wyznaczana w kierunku normalnym do powierzchni. Nale\y zwrócić uwagę, \e wartości emisyjności dla powierzchni chropowatych, szorstkich oraz powierzchni \łobkowanych 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: � + 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. Urządzenia bazujące na bardzo wąskim zakresie spektralnym, pracują 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 względu na niską energię promieniowania w tak małym zakresie spektralnym dość wysoka i sięga kilkuset �C. Najczęściej spotykanym pasmem w pomiarach niskotemperaturowych (zakres od temperatury otoczenia do kilkuset �C) jest zakres dalekiej podczerwieni 8-14�m. Jest to pasmo znajdujące się w oknie atmosferycznym , stąd 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 nadającym się do pomiaru temperatury metali, jest zakres ok. 3,8�m. 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 natę\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 osłon reflekcyjnych, gdzie: 1- osłona o małym �, 2- powierzchnia mierzona, 3- urządzenie pirometryczne Podczas pomiarów powierzchni metalowych mo\liwe jest te\ stosowanie filtrów polaryzacyjnych. Emisyjność powierzchni metalowych, których temperatura jest obserwowana pod kątem 45� przez filtr polaryzujący 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 temperaturę wzorcową, natomiast dla urządzenia IR dokonujemy zmiany nastaw współczynnika emisyjności �. Temperatura wskazywana Tw zmienia swoją wartość. W przypadku gdy Tw E" Trz, mo\na przyjąć \e emisyjność � 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 � = 0,5, poniewa\ dla tej wartości 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 przyrządem 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 ś 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 emisyjności � temperatura wskazywana - Tw temperatura rzeczywista - Trz Rys. 18. Przykładowa zale\ność temperatury wskazywanej przez urządzenie pirometryczne Tw od wartości nastawionego w urządzeniu współczynnika emisyjności � 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 temperatura rzeczywista Trz [�C] �=0.9 �=0.5 temperatura otoczenia To Rys. 19. Przykładowa zale\ność temperatury wskazywanej przez urządzenie pirometryczne Tw od temperatury rzeczywistej Trz dla ró\nych wartości nastawionego w urządzeniu współczynnika emisyjności � 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 (urządzenie 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 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. 4.3. 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.Śl. 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.