Temperatura jest jedną z podstawowych wielkości termodynamicznych, charakteryzujących stan ciała. Pomiar bezpośredni temperatury nie jest niemożliwy. Zmierzyć ją można w sposób pośredni poprzez pomiar wielkości fizycznych zależnych od temperatury (objętość, rezystancja, siła termoelektryczna, ciśnienie, natężenie promieniowania). Jednoznaczny, bezwzględnie pewny sposób pomiaru temperatury polega na zastosowaniu idealnego obiegu Carnota. Sprawność idealnego obiegu Carnota jest wyłącznie funkcją temperatury źródła ciepła T₁ i temperatury chłodnicy T₂ niezależnie od rodzaju ciała termometrycznego. Prawo to przyjęto jako podstawę do opracowania termodynamicznej skali temperatur.

Rodzaje skali:

• skala termodynamiczna (skala Kelwina) ^oK

• skala Celcjusza ^oC

• skala Fahrenheita ^oF

• skala Reaumura ^oR

O^oC = 273,15^oK

1^oC = 0,8^oR = 1,8^oF

1^oF = 0,555^oC = 0,444^oR

Na podstawie dokładnych pomiarów i przeliczeń ustalono bezwzględnie pewne temperatury, przy których zachodzi zmiana stanu skupienia (przejście od stanu stałego do ciekłego lub od ciekłego do parowego) niektórych ciał czystych.

Temperatury równowagi między dwoma fazami (ciało stałe - ciecz, ciecz - para) przy ciśnieniu jednej atmosfery fizycznej (760 Tr):

• pomiędzy lodem i wodą nasyconą powietrzem (punkt topnienia lodu) 0,00^oC

• pomiędzy wodą i jej parą (punkt wrzenia wody) 100,00^oC

• pomiędzy ciekłą siarką a jej parą (punkt wrzenia siarki) 444,50^oC

• pomiędzy stałym a ciekłym złotem (punkt krzepnięcia złota) 1063,00^oC

• pomiędzy ciekłym tlenem i jego parą (punkt wrzenia tlenu) -182,97^oC

Przyrządy do pomiaru temperatur:

1. Rozszerzalnościowe (dylatacyjne)

• szklane

• prętowe

• bimetalowe

• ciśnieniowe (manometryczne)

2. Rezystancyjne

• ilorazowe

• mostkowe

3. Termoelektryczne

• wychyłowe

• kompensacyjne

4. Optyczne

• pirometry dwubarwne

• pirometry fotoelektryczne

• pirometry całkowitego promieniowania

• pirometry częściowego promieniowania

TERMOMETRY SZKLANE

Najczęściej używany jest termometr szklany rtęciowy, wykonywany jako rurkowy lub pałeczkowy.

Termometr szklany składa się ze zbiorniczka termometrycznego i z połączonej z nim cienkiej rurki kapilarnej przymocowanej do skali. Miarą przyrostu temperatury jest różnica rozszerzalności cieplnej cieczy termometrycznej. Zakres stosowania termometrów szklanych zależy od rodzaju użytej cieczy manometrycznej oraz szkła, z którego są wykonane. Zakresy pomiarowe termometrów napełnionych rtęcią wynoszą od 35-500^oC . Praktyczne granice czułości termometrów wynoszą od 0,002-10^oC na działkę.

TERMOMETRY REZYSTANCYJNE

Zasada działania termometrów rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zmiany rezystancji właściwej czystych metali i półprzewodników przy zmianach temperatury. Termometry rezystancyjne należą do najdokładniejszych przyrządów służących do pomiaru temperatury. Składają się z czujnika pomiarowego, który przetwarza zmiany temperatury na zmiany wielkości elektrycznych i elektrycznego miernika tej wielkości, wyskalowanego w jednostce temperatury.

Wykazują one wiele zalet, jak możliwość przesyłania sygnału pomiarowego na duże odległości, małe wymiary i mała bezwładność cieplna, możliwość pomiaru temperatury kilku ośrodków jednym układem pomiarowym, oraz łatwość sprawdzania, prosta konstrukcja i konserwacja.

Do najczęściej stosowanych materiałów na czujniki rezystancyjne należą: platyna, nikiel, miedź. Czujniki półprzewodnikowe (termistorowe) wykonywane są w postaci perełek, płytek i pręcików z tlenków żelaza, niklu, cynku i manganu, spiekanych wraz z elektrodami.

ZASADA DZIAŁANIA PG-103

Przykładem praktycznego zastosowania czujników półprzewodnikowych do pomiaru temperatur do 100^oC jest techniczny termometr termistorowy PG-103.

W połączeniu spoczynkowym (gdy wszystkie przyciski klawiszowe są zwolnione) przyrząd jest wyłączony. Wskazówka miernika powinna znajdować się wtedy na początku skali (jeśli nie - ustawiamy ją pokręcając zerownikiem). Po wciśnięciu przycisku klawiszowego oznaczonego literą K wskazówka miernika powinna się wtedy wychylić i zatrzymać na końcu skali (czerwona kreska)(jeśli nie - należy sprowadzić ją w powyższy punkt pokręcając pokrętłem znajdującym się z prawej strony obudowy). Następnie wciskają klawisz A (0-55^oC) lub B (50-105^oC) wybieramy odpowiedni zakres pomiarowy. Gdy w czasie pomiaru na pierwszym zakresie wskazówka wychyli się poza koniec skali, należy zwolnić klawisz A przez naciśnięcie przycisku W i wcisnąć przycisk oznaczony B (drugi zakres pomiarowy).

Przed wybraniem odpowiedniego zakresu pomiarowego czujnik termomeru umieścić w badanym środowisku. Przyrząd pokazuje temperaturę jaką posiada końcówka pomiarowa czujnika. Pomiar temperatury przy użyciu czujnika polega na dotknięciu końcówki czujnika do przedmiotu badanego do momentu ustalenia wskazania. W przypadku pomiaru temperatur cieczy pomiar polega na zanurzeniu w niej końcówki czujnika.

ZASADA DZIAŁANIA EMT 01 i EMT 03

Przykładem praktycznego zastosowania czujników termoelektrycznych do pomiaru temperatur są elektroniczne mierniki temperatury EMT 01 i EMT 03. Służą one do szybkich pomiarów temperatury ciał stałych, ciekłych i gazów.

Zakres pomiarowy dla przyrządu RMT 01 zawiera się w przedziale 0-1200^oC w podzakresach co 200^oC, dla EMT 03 od -50^oC do 250^oC w podzakresach co 50^oC.

Miernik posiada układ automatycznej kompensacji temperatury otoczenia.

Na płycie czołowej znajduje się zespół przełączników realizujących odpowiednie funkcje pomiarowe oraz potencjometr kalibracji zera:

BATT - klawisz kontroli napięcia zasilania

CAL 0 - klawisz kalibracji zera

ON / OFF - wyłącznik zasilania

Po wykonaniu czynności przygotowawczych w zależności od przewidywanego zakresu temperatury należy wcisnąć jeden z klawiszy przełącznika zmiany zakresów. Jeżeli w czasie pomiaru temperatura obiektu zmienia się i wskazówka wychyla się poza skalę, należy zmienić zakres pomiarowy na wyższy. W przypadku gdy wskazówka wychyla się w lewo poza punkt zerowy skali zakres pomiarowy należy zmienić na niższy.

TERMOMETRY TERMOELEKTRYCZNE

Działanie termometrów termoelektrycznych oparte jest na zjawisku powstawania siły termoelektrycznej w miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników w zależności od temperatury. Połączone na jednym końcu metale tworzą ogniwo termoelektryczne - termoelement. Termometry termoelektryczne należą do najbardziej rozpowszechnionych przyrządów, służących do pomiaru temperatur (pomiar do 3000^oC).

Materiały stosowane na termoelementy powinny wykazywać liniową zależność siły termoelektrycznej od temperatury, możliwie mały cieplny współczynnik zmiany rezystancji, wysoką dopuszczalną temperaturę pracy ciągłej oraz odporność na oddziaływanie chemiczne. Najczęściej spotykane zestawienia par metali to:

platyna - rod platyna

nikiel - chrom nikiel

chromel alumel

żelazo konstantan

miedź konstantan

Czujniki przemysłowe wykonane są z materiałów termoelektrycznych w postaci drutów o średnicy od 1 mm do 3mm. Spojenie pomiarowe wykonane jest w postaci zgrzewanej spoiny. Druty izolowane są za pomocą rurek ceramicznych i osadzone w osłonie stalowej lub ceramicznej. Rodzaj materiału osłony dobierany jest w zależności od rodzaju i temperatury ośrodka, w którym mierzona jest temperatura. Zaciski czujnika znajdują się w szczelnej głowicy, która zabezpiecza czujnik przed zanieczyszczeniem i wilgocią. Typową konstrukcję czujnika termoelektrycznego przedstawia poniższy rysunek.

RYS. Przemysłowy czujnik termoelekrtyczny

TERMOMETRY OPTYCZNE

Umożliwiają dokonanie pomiaru z odległości bez wprowadzania czujnika w ośrodek, którego mierzy się temperaturę. Służą one zasadniczo do pomiaru temperatury powierzchni ciał stałych i substancji roztopionych. Zasada działania opiera się na wykorzystaniu zależności emisji energii promienistej od temperatury. Emisja energii promienistej ciał stałych i cieczy składa się z energii wysyłanych fal elektromagnetycznych wszystkich długości. Ilość emitowanej energii promienistej zależy od temperatury powierzchni ciała i jej właściwości. Tylko dla powierzchni doskonale czarnych emisja nie zależy od właściwości powierzchni promieniującej.

Pod względem zasady działania stosowane w technice pirometry można podzielić na dwie grupy:

• pirometry częściowego promieniowania

• pirometry całkowitego promieniowania (ardometry).

Zasada działania pirometrów częściowego promieniowania polega na pomiarze natężenia promieniowania monochromatycznego emitowanego przez ciało.

TABELE POMIAROWE

	Termometr rtęciowy	Miernik EMT 03	Miernik PG 103
Temperatura miesz. wody z lodem	^oC	^oC	^oC
0	1,5	0	1
10	12	10	12
20	19,5	20	21
30	30,5	30	31
40	41	40	42
50	51,5	50	54
60	60	60	62,5
70	70,5	70	73
80	81	80	84
90	91	90	94,5
tempera. wrzenia	98	97	101

Lutownica	Żarówka
		na powierzchni
^oC	^oC
512	142

Wnioski:

Podczas pomiaru temperatury mieszaniny wody z lodem okazało się, że najbardziej dokładnym przyrządem jest miernik EMT 03, natomiast dwa pozostałe posiadają zakres błędu wahający się w granicach 0,5 ÷ 2^oC.

6

---