4.15 WZORCOWANIE I SPRAWDZANIE TERMOMETRÓW

Wszelkie przemysłowe termometry wymagają sporadycznego sprawdzania. W przypadku stwierdzenia błędnych wskazań, przekraczających dopuszczalne granice, niezbędne jest wzorcowanie. Okresy pomiędzy sprawdzeniani zależą od ich rodzaju, warunków pracy i dopuszczalnych błędów. Wahają się od kilku dni do roku, a nawet dłużej. Sprawdzanie i wzorcowanie przemysłowych urządzeń do pomiaru temperatury obejmuje dwa zadania:

• sprawdzanie czujnika termometrycznego

• sprawdzanie wtórnego urządzenia przetwarzającego oraz przyrządów wskazujących i rejestrujących.

Trzecią alternatywą jest sprawdzenie całego urządzenia równocześnie co zapewnia najwyższą dokładność.

Do pomiarów rezystancji stosuje się tradycyjnie mostki Wheastone'a równoważne ręcznie, a do pomiarów STE kompensatory elektryczne w układach pozbawionych sił termoelektrycznych. Obecnie stosuje się najdokładniejsze elektroniczne cyfrowe mierniki napięcia i oporu. Do sprawdzania urządzeń przetwarzających pierwotny sygnał pomiarowy niezbędne są dostatecznie precyzyjne źródła takich sygnałów. Są to: oporniki do sprawdzania termometrów rezystancyjnych oraz o dużej stałości źródła napięcia, ustawione w sposób precyzyjny dzielnikami napięć (potencjometrami) w granicach od 0 do 50 mV. Opór wewnętrzny tych źródeł powinien odpowiadać przewidywanemu oporowi termoelementu i sieci pomiarowej. Do porównawczego sprawdzania termometrów stosuje się dwa sposoby:

• bezpośrednie porównanie przez pomiar różnicy potencjałów termoelementu wzorcowego i sprawdzanego

• pośrednie porównanie przez osobny pomiar STE każdego z termoelementów sprawdzanych i wzorcowego.

Pierwszy sposób można stosować jedynie do identycznych ze wzorcowym termoelementów. Drugi sposób pozwala na porównanie termoelementów odmiennych, jest bardziej uniwersalny, ale wymaga odpowiedniej dokładności kompensatora lub woltomierza cyfrowego. Sprawdzanie i wzorcowanie innych termometrów np: cieczowych, ciśnieniowych wykonuje się przez pośrednie porównanie. Wzorcem może być analogiczny termometr w hierarchii o rząd dokładniejszy, albo inny - często jest to termometr oporowy obejmujący cały zakres temperatur w/w termometrów.

10. POMIAR WILGOTNOŚCI GAZÓW

Gazem wilgotnym nazywamy mieszaninę gazu i pary wodnej. Gazem wilgotnym jest otaczające nas powietrze. Masa pary wodnej znajdującej się w jednostce objętości powietrza jest zmienna, ale nie może przekroczyć pewnej maksymalnej wilgotności, która jest zależna od temperatury. W związku z tym rozróżniamy powietrze wilgotne nasycone i nienasycone. WILGOTNOŚĆ BEZWZGLĘDNA ρ_p - jest to stosunek masy pary wodnej m_p do objętości v gazu wilgotnego
. WILGOTNOŚĆ WZGLĘDNA ϕ - jest stosunkiem masy pary wodnej m_p zawartej w gazie wilgotnym o temperaturze t do masy pary wodnej w gazie wilgotnym nasyconym m_n w danej temperaturze t.
. WILGOTNOŚĆ BEZWZGLĘDNA MASOWA LUB STOPIEŃ ZAWILŻENIA X - jest stosunkiem masy pary wodnej m_p zawartej w gazie do masy m_g gazu suchego
. STOPIEŃ NASYCENIA ψ - jest stosunkiem panującej wilgotności bezwzględnej masowej x do wilgotności bezwzględnej pary nasyconej x_s w tej samej temperaturze
.

WYKRES MOLLIERA i-x - za pomocą tego wykresu możemy wyznaczyć wilgotność względną powietrza ϕ. Powietrze w otoczeniu termometru jest nasycone parą i określone temperaturą tm i wilgotnością ϕ=1pkt A, z punktu A prowadzimy izentalpę i=const. do przecięcia się z izotermą ts, pkt B. Linia stałej wilgotności względnej przechodząc przez ten punkt wyznacza mierzoną wilgotność względną powietrza.

PRZYRZĄDY DO POMIARU WILGOTNOŚCI WZGLĘDNEJ POWIETRZA. HIGROMETRY I PSYCHROMETRY

Metoda higroskopowa - oparta na zasadzie wykorzystywania zmian pewnych własności ciał stałych zależnych jednoznacznie od zmian wilgotności. Higrometr włosowy wykorzystujący zmianę długości włosów ludzkich lub zwierzęcych pod wpływem zmian wilgotności powietrza. Przyrząd ten charakteryzuje się prostą budową i działaniem, wymaga jednak okresowego sprawdzania i regulacji.

1. wiązka włosów

2. sprężyna naprężająca

3. śruba regulacyjna

4. wskazówka.

Metoda psychrometryczna - wykorzystuje dwa identyczne termometry, z których jeden tzw. suchy mierzy temperaturę otoczenia, natomiast drugi tzw. mokry, jego zbiorniczek z rtęcią jest owinięty gazą lub batystem nasyconymi wodą destylowaną. W powietrzu nienasyconym woda odparowuje i oziębia termometr. Zatem temperatura w termometrze mokrym jest niższa od temperatury termometru suchego t_s. Różnica wskazań (t_s-t_m) jest różnicą psychometryczną Δt i maleje wraz ze wzrostem wilgotności aż do zera przy ϕ=100%.

PSYCHROMETR ASSMANA - powietrze zasysane od dołu psychrometru za pomocą wentylatorka 1 napędzanego sprężyną nakręcaną kluczem 2, przepływa z jednakową i określoną prędkością w=2,5 m/s. Tulejka 3 jest umieszczona w osłonie 4 zapewniającej adiabatyczny proces nawilżania powietrza wokół naczynia termometru mokrego. Ciśnienie cząstkowe pary wodnej p_p określamy ze wzoru
gdzie: p_sm - ciśnienie nasycenia pary wodnej w temperaturze termometru mokrego, p_ot - ciśnienie otoczenia, A-stała psychrometryczna [1/°C], p_s- ciśnienie nasycenia pary wodnej w t_s. Wilgotność względną wyznacza się ze wzoru

4.14 POMIAR TEMPERATURY CIAŁ WIRUJĄCYCH

Pomiar temperatury ciał będących w ruchu wymaga rozwiązania tych samych problemów, jakie występują przy pomiarze nieruchomych ciał stałych oraz trudnego pod względem konstrukcyjnym i technologicznym, przekazywania sygnału z czynnika termometrycznego, zabudowanego wewnętrznie elementu ruchomego do znajdującego się na zewnątrz nieruchomego miernika. Przekazywanie sygnału odbywa się poprzez: układy ślizgowe (szczotka - pierścień); bezstykowe układy indukcyjne, których wirująca cewka, zasilana prądem proporcjonalnym do miernika temperatury, wytwarza pole magnetyczne; układy radiowe - cały układ przetwarzający wiruje wraz z badanym ciałem, zaś odbiornik jest umieszczony nieruchomo na zewnątrz.

4.13 POMIAR TEMPERATURY GAZU

Pomiar temperatury sprawia dość duże kłopoty ze względu na małe wartości przejmowania ciepła α od gazu oraz stosunkowo dużej wartości strumienia Orz. Ponadto na czynnik może oddziaływać strumień ciepła promieniowania z sąsiednich ośrodków w których panuje wyższa temperatura niż temperatura gazu omywającego czujnik. W celu zwiększenia strumienia ciepła dopływającego do czynnika na skutek konwekcji można: zwiększyć powierzchnię wymiany ciepła przez zabudowanie na osłonie z żeber z materiału o dużej przewodności cieplnej; zwiększyć prędkość „w” gazu omywającego czujnik oraz zmniejszyć średnicę „d” czujnika; zastosować termometr aspiracyjny (zasysający). W termometrze aspiracyjnym gaz zasysany z przestrzeni o małej prędkości przepływa z dużą prędkością przez rurę, omywając nieosłoniętą spoinę termoelementu, umieszczonego środkowo w rurze. Rura zewnętrznie jest chłodzona wodą. Termometr aspiracyjny jest stosowany do pomiaru temperatury spalin w komorze paleniskowej. Ponieważ spoina termoelementu jest osłonięta rurą zewnętrzną, która stanowi ekran osłony, więc nie oddziałuje na spoinę promieniowanie płomienia z paleniska.

4.13 POMIARY TEMPERATUR CIAŁ STAŁYCH

Metoda stykowa. W metodzie stykowej pomiaru temperatury, czujnik pomiarowy termometru, zawierający ciało termometryczne, jest zetknięty z ciałem stałym lub z ośrodkiem o mierzonej temperaturze. Jeżeli temperatura jest zmienna to dopiero po pewnym czasie, zależnym od tzw. bezwładności cieplnej czujnika, oba ciała osiągają stan równowagi cieplnej. W procesie tak przeprowadzonego pomiaru zachodzą błędy pomiaru wynikające z nie osiągnięcia stanu równowagi cieplnej w przypadkowych zmiennych w czasie temperatur, niewyrównania temperatur czujnika z temperaturą ciała badanego, wpływu czujnika pomiarowego na pierwotny rozkład temperatury w badanym ciele oraz dokładności zastosowanego termometru. Wprowadzenie czujnika termometru do ciała badanego z reguły powoduje zakłócenie pierwotnego pola temperatury. Błąd pomiaru spowodowany niewyrównaniem temperatur jest typowym błędem metody pomiarowej. Najważniejszy warunek prawidłowego pomiaru stykowego, tzn. wyrównanie temperatury czujnika z temperaturą badanego ciała, decyduje o wyborze właściwej metody pomiarowej i rodzaju termometru.

4.6 CZUJNIKI TERMOELEKTRYCZNE

Zasada działania opiera się na zjawisku fizycznym, polegającym na zależności siły termoelektrycznej ogniwa termoelektrycznego od temperatury. Ogniwo termoelektryczne zwane termoelementem powstaje przez połączenie na jednym końcu dwóch przewodników wykonanych z dwóch różnych materiałów (metali, stopów lub niemetali). Termometr termoelektryczny składa się z trzech zasadniczych części: ogniwa termoelektrycznego o termo elektrodach A i B, przewodów C łączących ogniwo z przyrządem pomiarowym, miernika mierzącego siłę termoelektryczną. Włączenie miernika spowodowało wprowadzenie do obwodu trzeciego metalu C. Siłę termoelektryczną obwodu wyraża się wzorem
. Jeżeli t₂=t₁=t₀, to:
czyli
,
. Aby nie było wpływu metalu C na wartość siły termoelektrycznej w obwodzie, powinien być spełniony warunek t2=t0, czyli oba końce przewodu z metalu C muszą znajdować się w takiej samej temperaturze (prawo trzeciego metalu). Równość temperatur obu końców przewodu z metalu C ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania prawidłowej wartości wypadkowej siły termoelektrycznej obwodu.

• Czujniki rezystancyjne termistorowe omówione są w pkt. 4.8.

• Czujniki bezstykowe - w pkt. 4.9.

4.8 TERMOMETRY OPOROWE

• Zjawiska, materiały, zakresy.

Zasada działania termometrów oporowych polega na wykorzystaniu zjawiska zmian rezystancji przewodników lub półprzewodników prądu elektrycznego wraz z temperaturą. Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co zwiększa hamowanie ruchu elektronów i powoduje wzrost rezystancji. W półprzewodnikach liczba swobodnych elektronów szybo rośnie ze wzrostem temperatury co powoduje zmniejszenie rezystancji.

Pomiar temperatury termometrami rezystancyjnymi polega na pomiarze rezystancji rezystora termoelektrycznego, tworzącego czujnik termoelektryczny. Termometr oporowy składa się z czujnika termoelektrycznego, przewodów łączących, miernika elektrycznego oraz źródła zasilania.

Materiały stosowane na rezystory termoelektryczne powinny: mieć dużą czułość temperaturową (duży cieplny współczynnik rezystywności α), mieć dużą rezystywność, wysoką temperaturę topnienia, stałość właściwości fizycznych, odporność na korozję, łatwość obróbki plastycznej, odtwarzalność właściwości fizycznych (wyłącznie metale czyste). Stosuje się przede wszystkim: platynę - duża stałość właściwości fizycznych, kowalna, odporna na korozję, przy pomocy platynowego termometru rezystancyjnego można mierzyć temperaturę z błędem mniejszym od ±0.001K; nikiel - duży współczynnik zmian rezystancji, zakres +180°C; miedź - mało odporna na utlenianie, stosowana głównie w chłodnictwie.

• Układy pomiarowe.

W zależności od rodzaju pomiarów i wymagań stawianych co do dokładności pomiaru stosowane są różne metody pomiaru rezystancji termoelektrycznych. W przemyśle są stosowane najczęściej skalowane w jednostkach temperatury, magnetoelektryczne mierniki ilorazowe. Aby zmniejszyć wpływ zmian temperatury otoczenia przewodów łączących stosuje się przede wszystkim układy trójprzewodowe. Organ ruchomy miernika składa się z dwóch skrzyżowanych pod kątem γ sztywno ze sobą związanych cewek C₁ i C₂, obracających się w polu magnetycznym miedzy nabiegunnikami magnesu trwałego. Prądy do cewek są doprowadzane za pomocą trzech płaskich tasiemek, które nie wytwarzają momentu zwrotnego. Organ roboczy nie ma momentu zwrotnego i gdy prąd w cewkach nie płynie, to wskazówka połączona z zespołem cewek może przyjmować dowolne położenie. Przez cewki C₁ i C₂, które są przeciwnie nawinięte, płyną prądy
;
i wytwarzają momenty napędowe przeciwnie skierowane:
,
. Jeżeli rezystancje w obwodach cewek są jednakowe, to J1=J2 i przy symetrycznym położeniu cewek względem nabiegunników Mn1=Mn2, a organ pomiarowy przyrządu będzie w stanie równowagi. Wzrost Rx powoduje w obwodzie cewki C2 zmniejszenie prądu J2 (Mn2<Mn1) i część ruchoma miernika zacznie obracać się w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara. Ponieważ walcowo ukształtowane powierzchnie nabiegunników oraz nieruchomy rdzeń mają różne promienie krzywizny, tak że szczelina między nimi jest nierównomierna, a zatem rozkład indukcji w szczelinie jest nierównomierny, przeto cewka C1, przez którą płynie prąd J1>J2, znajdzie się w szerszej części szczeliny i wartość momentu Mn1 ulegnie zmniejszeniu. Jednocześnie cewka C2 przesunie się do szczeliny o większej indukcji i moment Mn2 wzrośnie. Ruch organu pomiarowego ustanie gdy Mn1=Mn2. Na podstawie powyższych zależności oraz uwzględniając, że wartość indukcji jest funkcją kąta odchylenia organu pomiarowego (α) otrzymamy zależność:
. Po wywzorcowaniu i naniesieniu skali wyrażonej w jednostkach rezystancji otrzymuje się miernik rezystancji.

Przy dokładnych pomiarach temperatur stosuje się układy mostkowe, zasilane stabilizowanym napięciem. Układy mostkowe równoważone samoczynnie są wykonane jako odmiana samoczynnych kompensatorów napięcia. W układzie kompensatora automatycznego napięcie kompensacyjne Ux jest otrzymywane z przekątnej mostka zasilanego ze źródła napięcia wysokostabilizowanego US. Wartość napięcia U_k jest zmieniana położeniem ślizgacza (1) potencjometru R_p. Różnica napięć Uε=Ux-Uk zostaje przetworzona w fazo czułym przetworniku (3) z sygnału wartościowego na sygnał amplitudowy i po wzmocnieniu we wzmacniaczu (4) jest podawana na jego uzwojenie 2 - fazowego silnika wykonawczego (5), który poprzez przekładnię (6) steruje ślizgaczem i wskazówką. Ponieważ przetwornik pracuje synchronicznie z napięciem sieci U∼, więc przy zmianie znaku różnicy Uε zmienia się faz napięcia za przetwornikiem względem U∼ o 180°, następuje zmiana kierunku wirowania silnika. Ruch ślizgacza trwa do chwili, gdy Uk=Ux. Wartość U_x jest odczytywana na podziałce.

• Termistory - półprzewodnikowe rezystory termiczne. Do pomiaru temperatury stosowane są termistory z ujemnym cieplnym współczynnikiem zmian rezystancji (typu NTC) od -2*10^-2 do -6*10^-2 1/K. Istnieją termistory: perełkowe, pręcikowe, płytkowe. Charakterystykę termistora (termometryczną) można wyrazić zależnością:
  , gdzie: R_T - rezystancja termistora w temperaturze T [K], R_T0 - rezystancja termistora w temperaturze T₀ [K]=293K, B - stała zależna od materiału termistora [K]. W porównaniu z metalowymi rezystorami, termistory wykazują się zaletami: możliwość uzyskania dużych czułości pomiaru, wielokrotnie większe rezystancje, eliminują wpływ rezystancji przewodów, mniejsze wymiary i bezwładność cieplna. Wady: niższe temperatury pracy, węższe zakresy pomiarowe, duża nieliniowość charakterystyki termometrycznej, starzenie się materiału.

---