Mjerenje Temperature u Industriji_Amer Avdic

MAŠINSKI FAKULTET SARAJEVO Katedra za procesnu tehniku Pred Pr edme met: t: Ener getsk a p roces na mjere nja

Mjerenje temperature u industriji

Student: Amer Avdi ć Mentor: doc. dr Šefko Šikalo

1. Uvod 1.1. Definicija Temperatura je osobina toplote, koja omogućava da toplotna energija prelazi s toplijeg tijela na hladnije. Toplota je oblik energije, dok je temperatura stepen zagrijanosti nekog tijela, odnosno nivo toplotne energije. Kada se mijenja temperatura, ona na različitim tijelima izaziva razli čite promjene. Na primjer, dužina metalne šipke pove ćava sa sa povećanjem njene emperature, tečnosti i plinovi povećavaju svoju zapreminu, na izvjesnim temperaturama različiti materijali mijenjaju agregatno stanje, elektri čni provodnici mijenjaju svoj otpor, a zagrijavanjem na njihovim krajevima javlja se elektri čni napon i mnoge druge. Ovi fenomeni se, pod odreenim uslovima, mogu reproducirati i to omogu ćava konstruisanje ureaja koji mogu mjeriti temperaturu. Činjenica, da se promjene agregatnih stanja pojedinih materija uvijek doga aju na istim temperaturama omogućila je stvaranje temperaturne skale.

2.1. Temperaturna skala Prema Celzijusovojj temperaturnoj skali, temperatura mržnjenja vode uzima se za nultu temperaturu i označava sa 0°C . Temperatura klju čanja vode, pri atmosferskom pritisku, uzeta je kao 100°C . Sve temperature niže od 0°C imaju predznak minus. Kelvinova ili apsolutna temperaturna skala nema negativnih vrijednost temperature, a prema toj toj skali se nulta temperatura nalazi nalazi u apsolutnoj nuli 0K , odnosno na tempeaturi − 273,15°C . To je ujedno najniža mogu ća temperatura. Za označavanje temperature kao mjerne veličine uglavnom se služe sljedeće oznake: − T - za apsolutnu ili Kelvinovu temperaturu [K ] , −

t - za Celzijevu temperaturu [0°C ] ,

−

ϑ

- za relativnu temperaturu mjerenu po Fahrenheit-ovoj temperaturnoj skali [0° F ] .

Preračunavanje vrijednosti temperature izražene u jednoj skali (npr. Celzijevoj) u vrijednost po drugoj temperaturnoj skali (Kelvinovoj ili Fahrenheit-ovoj) vrši se prema sljede ćim formulama: 5

t = T − 273,15 = (ϑ − 32) , 9

5

T = t + 273,15 = ϑ + 255,382 , 9

ϑ =

9 5

9

t + 32 = T − 459,688 . 5

U tabeli 1 prikazan je pregled vrijednosti temperatura u sve tri temperaturne ljestvice. Vrijednosti temperatura su zaokruživane.

Mašinski fakultet Sarajevo


1

1. Uvod 1.1. Definicija Temperatura je osobina toplote, koja omogućava da toplotna energija prelazi s toplijeg tijela na hladnije. Toplota je oblik energije, dok je temperatura stepen zagrijanosti nekog tijela, odnosno nivo toplotne energije. Kada se mijenja temperatura, ona na različitim tijelima izaziva razli čite promjene. Na primjer, dužina metalne šipke pove ćava sa sa povećanjem njene emperature, tečnosti i plinovi povećavaju svoju zapreminu, na izvjesnim temperaturama različiti materijali mijenjaju agregatno stanje, elektri čni provodnici mijenjaju svoj otpor, a zagrijavanjem na njihovim krajevima javlja se elektri čni napon i mnoge druge. Ovi fenomeni se, pod odreenim uslovima, mogu reproducirati i to omogu ćava konstruisanje ureaja koji mogu mjeriti temperaturu. Činjenica, da se promjene agregatnih stanja pojedinih materija uvijek doga aju na istim temperaturama omogućila je stvaranje temperaturne skale.

2.1. Temperaturna skala Prema Celzijusovojj temperaturnoj skali, temperatura mržnjenja vode uzima se za nultu temperaturu i označava sa 0°C . Temperatura klju čanja vode, pri atmosferskom pritisku, uzeta je kao 100°C . Sve temperature niže od 0°C imaju predznak minus. Kelvinova ili apsolutna temperaturna skala nema negativnih vrijednost temperature, a prema toj toj skali se nulta temperatura nalazi nalazi u apsolutnoj nuli 0K , odnosno na tempeaturi − 273,15°C . To je ujedno najniža mogu ća temperatura. Za označavanje temperature kao mjerne veličine uglavnom se služe sljedeće oznake: − T - za apsolutnu ili Kelvinovu temperaturu [K ] , −

t - za Celzijevu temperaturu [0°C ] ,

−

ϑ

- za relativnu temperaturu mjerenu po Fahrenheit-ovoj temperaturnoj skali [0° F ] .

Preračunavanje vrijednosti temperature izražene u jednoj skali (npr. Celzijevoj) u vrijednost po drugoj temperaturnoj skali (Kelvinovoj ili Fahrenheit-ovoj) vrši se prema sljede ćim formulama: 5

t = T − 273,15 = (ϑ − 32) , 9

5

T = t + 273,15 = ϑ + 255,382 , 9

ϑ =

9 5

9

t + 32 = T − 459,688 . 5

U tabeli 1 prikazan je pregled vrijednosti temperatura u sve tri temperaturne ljestvice. Vrijednosti temperatura su zaokruživane.



1

Tabela 1.1 Vrijednosti temperatura u sve tri temperaturne ljestvice 0°C

0 K

0° F

0°C

0 K

0° F

-273

0

-459

200

473

392

-200

73

-328

250

523

482

-100

173

-148

300

573

572

-50

223

-58

350

623

662

0

273

32 32

400

673

752

15

288

59

500

773

932

25

298

77

600

873

1112

50

323

122

700

973

1292

75

348

167

800

1073

1472

100

373

212

900

1173

1652

150

423

302

1000

1273

1832

Za mjerenje temperature služimo se čitavim nizom razli čitih termometara. Oni se razlikuju kako prema principu, tako i prema mjernom područiju na koje se mogu primjeniti. Temperaturni senzori koji se koriste kod termičkog ispitivanja dijele se kontaktne i beskontaktne .

2. Štapni termometri 2.1. Princip mjerenja Štapni termometar se zasniva na širenju krutih tijela pod djelovanjem temperature. Ako se uzmu dva štapa iste dužine, ali od razli čitih materijala i zajedno urone u medij čija se temperatura mijenja, preciznim mjerenjem ćemo lahko ustanoviti da s porastom temperature nastaje razlika u dužini štapova, tj. dužina jednog štapa se pod utjecajem temperature mijenja brže nego dužina drugog štapa. Što je promjena temperature ve ća, veća je i razlika dužina. Ovaj fenomen se može iskoristiti za mjerenje temperature i upravo taj fenomen koriste štapni termometri. Slika 2.1. Princip rada štapnog termometra. Pomoću kazaljke (k) koja je uč vrš vrš ćena na osnovice (1) i (2) odre uje uje se razlika istezanja izme u štapa (š) i cijevi (c) Mašinski fakultet Sarajevo

Na slici 2.1. prikazan je termometar kod kojeg je umjesto dva štapa upotrebljena cijev od jednog materijala, a u nju je stavljen štap od drugog materijala. Kazaljka postavljena u ležajeve 1 i 2 pokazuje promjene temperature.


2

2.2. Izvedba Razlika u temperaturnom koeficijentu istezanja razli čitih krutih tijela relativno je mala i to predstavlja poteškoću pri konstrukciji štapnih termometara. Dva štapa različitog materijala, dužine 1m, pri promjeni temperature od 100°C, stvaraju dužinsku razliku od oko 1,5mm. To je vrlo malo linearno pomjeranje da bi se moglo lahko ostvariti kretanje kazaljke.

Slika 2.2. Istezanja, pod utjecajem temperature različ itih materijala koji se upotrebljavaju za konstrukciju štapnih termometara

Po pravilu se za oblogu detektora, odnosno za cijev, upotrebljava materijal s većim temperaturnim koeficijentom istezanja. Na slici 2.2 grafi čki je prikazana promjena dužine različitih materijala u zavisnosti od promjene temperature.

Pri izboru materijala moraju se uzeti u obzir slijede ći faktori: temperaturno područ je, tačnost instrumenta, agresivnost medija, dužina detektora itd. Na maksimalnim temperaturama se za razli čite materijale vodi ra čuna i o savijanju materijala. U tabeli 2.1. navedeni su temperaturni koeficijenti istezanja za neke materijale. Tabela 2.1. Temperaturni koeficijenti istezanja Materijal

Koeficijent 1 °C 0,5 ⋅ 10 −6 10,5 ⋅ 10 −6

Kremeno staklo Sivi liv Čelik

oko 11,5 ⋅ 10 −6

Željezo (hemijski čisto)

12,3 ⋅ 10 −6

Konstantan

15,23 ⋅ 10 −6

Bakar

16,5 ⋅ 10 −6

Bronza

oko 17,5 ⋅ 10 −6

Aluminij

23,8 ⋅ 10 −6



3

2.3. Mjerno područje i pogreške u mjerenju Minimalne temperature nisu oštro definirane principom mjerenja, dok su maksimalne ograničene promjenama u materijalu na višim temperaturama. Iz slike 2.2 vidi se da je moguće napraviti štapne termometre i do 1000°C. Pokazivanje štapnog termometra odgovara srednjoj temperaruri detektora, mjerenoj po cijeloj dužini detektora. Termometar je baždaren tako, da mu je cijela dužina detektora zagrijana na odreenu temperaturu baždarenja. Ukoliko se zagrijava samo jedan dio detektora, tada samo taj dio učestvuje u istezanju. Ukupno istezanje je u tom slu čaju manje i termometar pokazuje manju vrijednost temperature od stvarne. S obzirom na to da su detektori ove vrste termometara radi malog koeficijenta istezanja obi čno nešto duži, vrlo je čest slučaj u praksi da oni po cijeloj dužini nemaju istu temperaturu kao medij u koji su uronjeni. Zbog malog temperaturnog koeficijenta istezanja u prenosnom mehanizmu nastaju greške i mrtvi hod. Ovo još više smanjuje ta čnost štapnih termometara i ona iznosi oko ± 2% od krajnje vrijednosti skale, uz to da u ovu grešku nije ura čunata greška koja nastaje uslijed nejednako zagrijanog detektora.

2.4. Područje primjene, prednosti i nedostaci Iako je linearno pomjeranje izazvano razlikom istezanja kod štapnih termometara vrlo malo, sila kojom ovo istezanje djeluje vrlo je velika. Zato glavnu primjenu štapni termometri su našli u regulacionoj tehnici i to od vrlo jednostavnih regulatora, koji reguliraju temperaturu u raznim sušionicama i hladnjacima, pa sve do vrlo složenih automatskih regulatora za veće zahtjeve. Kao mjerni instrument, štapni termometri se primjenjuju prili čno rijetko. Oni se stavljaju u pogonu tamo gdje je potrebna robusna konstrukcija i gdje nije važna veća tačnost mjerenja. Primjena živinih staklenih termometara u prehrambenoj industriji izbjegava se i tamo ih dobro zamjenjuju štapni termometri. Zbog problema da se u primjeni postignu isti uvjeti kao i pri baždarenju, štapni termometri se ponekad isporu čuju s neutralnom podjelom skale. Tada se baždarenje obavlja na licu mjesta, pomo ću drugog kontrolnog termometra. Prednosti štapnih termometara: − neobično jednostavna i robusna izrada, − postizanje velikih sila (radi primjene u regulacionoj tehnici), mogućnost izrade veće skale, a time i o čitavanje s veće udaljenosti, − nije potrebna nikakva pomoćna energija. − Neki od nedostaka štapnih termometara: da bi se dobila dovoljno velika razlika istezanja, potrebna je radi malog − temperaturnog koeficijenta istezanja velika dužina detektora, velike greške radi nejednakog zagrijavanja detektora po cijeloj dužini, − velik uticaj hla enja dijela detektora koji nastaje radi odvo enja toplote. − Mašinski fakultet Sarajevo


4

3. Bimetalni termometri Bimetalni termometri, kao i štapni, djeluju na principu istezanja krutih tijela, ali je glavni nedostatak štapnih termometara (malo linearno pomjeranje) otklonjen konstrukcijom bimetalnog termometra.

3.1. Princip mjerenja

Slika 3.1.Bimetalna traka izra ena od metala (A) i (B)

Spojene su dvije trake različitog materijala što je prikazano na slici 3.1. Zagrijavanjem ovako dobivene bimetalne trake ona će se saviti na jednu stranu, jer materijal od kojeg je izraena jedna polovina trake (B) ima veći temperaturni koeficijenat istezanja od materijala druge polovine (A).

Za većinu materijala koji se primjenjuju za izradu bimetalnih traka ovo savijanje je direktno proporcionalno promjeni temperature, a raste s kvadratom dužine trake. Prema tome izraz koji povezuje ove dvije veli čine glasi: l 2 ∆s = K ⋅ (α A − α B )∆T , uz α A > α B , d

pri čemu su: K – koeficijent izvedbe, l – dužina trake, d – debljina trake,

∆T

– promjena temperature.

3.2. Izvedba Da bi se dobilo dovoljno savijanje, trake moraju biti duge i tanke. Uz ostale kombinacije, za bimetalne trake upotrebljava se i kombinacija Ni-Fe, koja kod dužine 100 mm i debljine 1mm daje specifično savijanje od 0,156mm za 1°C. Iz ovog primjera vidi se da bimetalne trake moraju biti prili čno duge. Da bi se savijanje bimetalne trake moglo što efikasnije prenjeti na skalu instrumenta, trake se savijaju u spirale. Jedan kraj spirale se u čvršćuje na kućište ili zaštitnu cijev detektora, a ugaono kretanje slobodnog kraja se koristi direktno za pokretanje kazaljke. Jedna izvedba bimetalnih termometara, kod koje je ravan skale paralelna s uzdužnom osom tijela termometra, koristi i prenosni mehanizam ili prenosnu oprugu savijenu pod uglom od 90°. Bimetalna spirala može biti savijena u ravni (pljosnata spirala, slika 3.2.) pri čemu se takvi instrumenti, kao otvorena konstrukcija, koriste za mjerenje temperature zraka. Spirala industrijskog tipa instrumenta nije pljosnata, nego je izvu čena u jednostruki ili višestruki pužni oblik (slika 3.3.). Jedan kraj bimetalne spirale je u čvršćen na zaštitnu cijev detektora, a slobodni kraj na kazaljku instrumenta. Detektori bimetalnih termometara mogu biti vrlo kratki i izra uju se od nekih 25mm do oko 150mm, a za specijalne svrhe i do 2 metra dužine. Mašinski fakultet Sarajevo


5

Slika 3.2. Bimetalna spirala savijena u ravni

Slika 3.3. Bimetalna spirala savijena u jednostruki pužni oblik

3.3. Mjerno područje i greške u mjerenju Bimetalni termometri izra uju se za primjenu od približno -160°C do 550°C. Na temperaturi ispod -160°C otklon je vrlo mali, što predstavlja problem pri konstrukciji bimetalnih termometara za rad ispod te temperature. Bimetalni termometri za ve će temperature nemaju dugotrajnu stabilnost, pa se ne preporučuju pri kontinuiranoj upotrebi za temperature preko 400°C. Kao što je prikazano, savijanje bimetalne trake je ve će što je ona duža, ali se ono povećava i sa smanjivanjem debljine trake. Me utim sila na slobodnom kraju trake naglo opada sa smanjivanjem debljine trake. Iako bimetalni termometri normalno nemaju nikakve prenosne mehanizme, ipak je za pokretanje kazaljke i savladavanje odre enih otpora potrebna neka minimalna sila. To može uzrokovati velike greške pri mjerenju. Tačnost bimetalnih termometara iznosi obično ±1%, ali se izra uju termometri i sa greškama od ± 0,5% do ± 3%.

Slika 3.4. Neke izvedbe bimetalnih termometara



6

Za najpreciznije instrumente skale se ne rade serijski, nego se za svaki precizni instrument ručno pravi posebna skala. Dobri bimetalni termometri dugo zadržavaju svoju ta čnost, a greške nastaju najčešće radi okretanja kazaljke oko svoje osovine. Baždarenje se vrši samo u dvije ta čke, a za kontrolu je dovoljno izmjeriti temperaturu samo na jednoj ta čki skale. Da bi se postigla minimalna ta čnost (koju garantira proizvoač) i kod ovih termometara cio detektor mora biti uronjen. Brzina odziva bimetalnih termometara može se uporediti s nekim staklenim termometrima. Na si. 3.4 prikazane su neke izvedbe bimetalnih termometara. Bimetalni termometri mogu, a da se ne oštete, biti izloženi znatno ve ćim temperaturama od maksimalne koja je označena na kraju skale. Ipak proizvoači garantiraju ova prekoračenja: bimetalni termometri sa skalom do 150°C mogu prekoračiti područ je 100%, − termometri sa skalom do 250°C mogu prekoračiti za 50%, − termometri sa skalom do 400°C mogu prekoračiti za 10%. −

3.4. Područje primjene, prednosti i nedostaci Bimetalne trake su, osim za izradu bimetalnih termometara, širu primjenu našle i u izradi različitih kompenzacionih aparata, za automatsku kompenzaciju utjecaja temperaturnih promjena na razne instrumente. Glavne prednosti bimetalnih termometara su slijedeće: − jednostavnost izvedbe, − relativno niska cijena, pregledna skala, − pokretanje kazaljke bez prenosnog mehanizma, − pouzdanost u radu, − lahko podešavanje tačnosti. − Primjenu bimetalnih termometara ograničavaju sljedeći nedostaci: − relativno usko mjerno područ je, neprimjenljivost (ili uz poteško će) pri izradi automatskih regulatora i pisača. −

Slika 3.5. Primjena bimetalnih termometara za regulaciju temperature - termostat



7

4. Industrijski stakleni termometri 4.1. Princip rada, karakteristike i podjela Stakleni termometar sastoji se od staklenog rezervoara, na koji se stavlja tanka prozirna staklena cijev (slika 4.1.). U rezervoaru se nalazi tečnost, na primjer živa. Porastom temperature živa se širi, pa iz rezervoara prelazi u tanku staklenu cjevčicu. Svakoj temperaturi unutar mjernog područija termometra odgovara visina do koje dopire tečnost u cjevčici. Očitavanje se vrši na skali koja se nalazi pored cijev čice ili je ugravirana na samu cjevčicu. Mjerno područije staklenih termometara ovisi od karakteristika upotrebljene tečnosti. Pored žive, za punjenje termometra može se iskoristiti gotovo svaka te čnost. Ipak, najčešće uzimaju se organske tečnosti kao što su etilni alkohol, touol i pentan. Alkohol je prilično nepovoljan. Na njegov koeficijent širenja znatno utiču razne nečistoće, a naručito voda. Područije primjene mu je od -110°C do 50°C. Ovako niska maksimalna temperatura znatno ograničava oblast primjene staklenih termometara sa alkoholom. U normalnim izvedbama prostor iznad tečnosti u termometru je prazan (vakum). Da bi se spriječilo ključanje tečnosti koja se nalazi u cjevčici taj prostor se kod termometara za mjerenje ve ćih temperatura puni inertnim plinovima. To su obi čno vodik, argon ili ugljen dioksid. Mnogi stakleni termometri na vrhu cjevčice imaju proširenje, koje služi kao zaštita, jer u slu čaju prekoračenja predviene maksimalne temperature dolazi do pucanja stakla. Proširenje zapravo predstavlja ekspanzionu komoru odnosno rezervoar za tečnost pri prekoračenju maksimalne temperature. S obzirom na primjenu i izvedbu, mogu će je napraviti nekoliko različitih podjela staklenih termometara. Prema primjeni dijele se na: industrijske, − laboratorijske, uključujući i ručne industrijske, − kliničke. − Pod industrijskim termometrima podrazumjevamo najčešće one staklene termometre koji su montirani u posebne zaštitne oklope (slika 4.1) i primjenjuju se tako da se fiksno instaliraju u cjevovode ili razne posude i postrojenja. Pored oklopa, njihova glavna karakteristika podrazumjeva i veću skalu, radi lakšeg očitanja. Prema DIN normama za termometre punjene sljede ćim tečnostima odgovaraju skale: − živa (bez plinskog punjenja) - 30°C do +280°C, − živa (sa plinskim punjenjem) - 30°C do +750°C, − tehnički pentan – skala: -200°C do + 20°C, − toluol - 70°C do +100°C. Mašinski fakultet Sarajevo


Slika 4.1. Industrijski stakleni termometri

8

4.2. Specijalni termometri 4.2.1. Beckmannov termometar Ovaj termometar služi za vrlo tačna mjerenja. Sastoji se od velikog detektora i komore za presipanje žive. Zapremina rezervoara (detektora) vrlo je velika u odnosu na zapreminu cjev čice. Radi toga mala promjena temperature detektora izaziva veliku promjenu visine žive u cjev čici. Tako njegova skala služi za više mjernih područ ja. Zagrijavanjem detektora na odreenu temperaturu živa iz detektora prolazi kroz cijevčicu u komoru za presipanje. Padom temperature nit žive se prekida. Sada je termometar spreman za mjerenje vrlo malih temperaturnih razlika, ali na nivou temperature na koju smo ga postavili. Što je u komori za presipanje ve ća količina žive, to instrumenat mjeri niže temperature. Ako je skala Beckmannova termometra duga 25 cm, mogu će je očitavati 0,01°C, a osim toga je mogu će ocijeniti čak i do 0,001 °C. Slika 4.2. Šema Beckmannov-og termometra

4.2.2. Termometri sa električkim kontaktima U gotovo svim oblastima primjene staklenih termometara susreću se i živini stakleni termometri s električkim kontaktima (slika 4.3.), koji su provučeni kroz stijenke kapilare. Ovi kontakti služe za uključivanje različitih alarmnih, signalnih ili regulacionih ure aja u trenutku kad nivo tečnosti doe do električkih spojeva i time zatvori strujni krug. Struja koja teče preko kontakata kroz tečnost ne bi smjela preći ja činu od 2 mA (kod 110 V). Normalna jačina struje treba da iznosi ispod 0,4 ili 0,6 mA.

Slika 4.3. Stakleni termometar sa električ nim kontaktima

4.3. Prednosti i nedostatci u primjeni Stakleni termometri punjeni tekućinama imaju nekoliko dobrih tehničkih karakteristika, važnih za njihovu primjenu. To su: velika jednostavnost u primjeni, − visok stupanj pouzdanosti u radu, − lahka uočljivost nekih grešaka (prekidanje niti, kondenzacija po stijenkama), − inertnost na agresivne tekućine i plinove, − nije potrebna nikakva pomoćna energija, − − jednostavna izvedba termometara za pokazivanje maksimalnih i minimalnih vrijednosti,



9

mogućnost ugradnje električkih kontakta za daljinsko signaliziranje ili za automatsko reguliranje odreene temperature, − brz odziv na temperaturne promjene u slučaju primjene termometra bez zaštitne cijevi, − niska cijena. − otežano očitavanje i potreba dovoljne osvijetljenosti, lahko se lome, − ograničenost primjene na višim pritiscima bez zaštitne cijevi. − Radi njihove jednostavnosti staklenim termometrom se služe gotovo svi koji se na bilo koji način bave temperaturnim mjerenjima. Treba naglasiti, da se vrlo malo, naro čito u industriji, vodi ra čuna o greškama koje mogu nastati upotrebom staklenih termometara. Vrlo se rijetko dogaa da netko vrši ispravku mjerenja, iako greške mogu biti prili čno velike. −

5. Infracrvena termografija

Slika 4.4. Stakleni termometar sa digitalnim oč itavanjem – smanjuje grešku pri oč itanju rezultata mjerenja

IC termografija je beskontaktna metoda mjerenja temperature i njezine raspodjele na površini tijela. Zasniva se na mjerenju intenziteta infracrvenog zra čenja s posmatrane površine. Sva tijela na temperaturama većim od apsolutne nule zrače elektromagnetne valove. Zračenje čiji je uzrok samo temperatura tijela zove se toplotno zra čenje. Rezultat termografskog mjerenja je termogram, koji u sivim tonovima ili nekom kodu boja daje sliku temperaturne raspodjele na površini posmatranog objekta. Temperaturna raspodjela posredno daje informaciju o razli čitim stanjima same površine ili je ipak odraz strukture i unutrašnjeg stanja posmatranog objekta.

Slika 5.1. Pore enje izgleda u vidljivom i infracrvenom spektru Mašinski fakultet Sarajevo


10

5.1 Elektromagnetno zračenje Sva tijela konstantno emituju elektromagnetno zračenje, koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 3 ⋅ 10 8 m/s. Eksperimenti su potvrdili da se zra čenje ponaša kao čestica u svojoj interakciji sa tvari, a kao val kad se širi kroz prostor. Elektromagnetni valovi tako imaju dualnu prirodu: valnu i korpuskularnu. Intenzitet zračenja tijela, te čnosti i plinova je funkcija temperature, valne dužine i opti čkih osobina posmatrane površine. Za apsolutno crno tijelo intenzitet zračenja zavisi samo od valne dužine i temperature, i prema Plankovom zakonu taj intenzitet iznosi: −5

I (λ , t ) = C 1 ⋅ λ

 λ C ⋅T 2  ⋅3 − 1    

−1

Gdje su C1 i C2 Plankove konstante.

Valna dužina zračenja λ vezana na frekvenciju vala f i brzinu širenja vala c preko izraza: c = f ⋅ λ

Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle, vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju. Emisioni spektri čvrstih tijela su konstantni i sastoje se od svih valnih dužina, od neke minimalne do maksimalne. Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim dužinama zavisi od temperature i osobina površine koja zra či.

Slika 5.2. Elektromagnetni spektar

Slika 5.3. Zavisnost valne dužine od temperature i intenziteta zrač enja

Slika 5.2. prikazuje elektromagnetski spektar. Toplotni efekti su vezani za zračenja u područ ju valnih dužina od 0,1 do 100 µm, dok vidljivi dio spektra obuhvata vrlo usko područ je unutar područ ja toplotnog zračenja, tj. dio toplotnog zra čenja kojeg može registrovati ljudsko oko. Nalazi se u podru č ju valnih dužina izmeu 0,4 do 0,7 µm, dok se infracrveni dio spektra nalazi neposredno iza vidljivog dijela spektra u područ ju valnih dužina od 0,7 do 100 µm. Posmatrajući u smjeru porasta valnih dužina područ je toplotnog zračenja se tako može podijeliti na tri uzastopne domene: ultraljubi často područ je, vidljivi dio i infracrveno (IC) područ je. Mašinski fakultet Sarajevo


11

5.2 Princip rada termografskih ureaja Termografski sistem se sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma. U samoj kameri integrirana je IC optika (B), osjetni element IC zra čenja (C), jedinica za pretvaranje električnog u video signal (D), monitor i kartica za snimanje podataka (E). Ra čunar služi za obradu termograma prema odreenom softveru i u njega se podaci u čitavaju s kartice koja se nalazi u kameri. Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar, optika koja se koristi u IC ure ajima po obliku jednaka je onoj kod fotografskih aparata, ali različita po materijalima od kojih je napravljena. Materijali koji se koriste za izradu le ća moraju biti propusni za IC zra čenje, a to su: germanij, cink sulfid, cink selenid za dugo valna IC zra čenja te silikon, safir, kvarc ili magnezij za srednje valna IC zra čenja.

Slika 5.4. Princip rada savremenog termografskog ure aja

Osjetni elemenat u termografskoj kameri mjeri koli činu energije koja pada na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra. Energija koja pada na osjetni elemenat E OS jednaka je sumi energija koje dolaze od posmatranog tijela, pri čemu se uzimaju u obzir: − − −

vlastita emisija i refleksija (E + r ⋅ E * ) , energija koja prolazi kroz tijelo d ⋅ E * * , energija koja dolazi od okoline E env .

Da bi se iz zra čenja dospjelog na osjetni elemenat kamere izračunala tačna vrijedost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati osobine površine objekta, temperaturu okolnih objekata, udaljenost kamere od posmatranog objekta, temperaturu i relativnu vlažnost zraka.



Slika 5.5. Primjer izvedbe infracrvene kamere 12

Sve ove podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere. Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum, osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj temperaturi okoline. Osim utvrivanja temperature objekta, softver u kameri pruža i drugu mogu ćnost. Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisionog faktora posmatrane p ovršine. Kad se ipak radi o potrebi uklanjanja zra čenja koje posmatrani objekat propušta, ispred objektiva kamere stavljaju se razli čiti filteri, čija je funkcija sprije čiti prolaz kroz objektiv elektromagnetnih valova onih valnih dužina za koje je posmatranih objekt propustan.

5.3 Termografske metode Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu, te na kvalitativnu i kvantitativnu. Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju. Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u osobinama promatrane površine. Ukoliko je njegova temperatura dovoljno razli čita od temperature okoline, tada će na termogramu objekt biti vidljiv. Na slici 5.6. prikazan je termogram zida na kojem se uo čavaju hladnija područ ja koja su posljedica prodora vlage.

a

b Slika 5.6. Fotografija a) i termogram zida b)

Naknadna obrada snimljenih termograma na ra čunaru može biti kvalitativna, što podrazumijeva samo uo čavanje mjesta promjene temperature, slika 5.7., ili kvantitativna što uklju čuje odreivanje iznosa temperatura, temperaturnih razlika ili emisionih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu, slike 5.8. i 5 .9.



13

Slika 5.7. Na termogramu se lahko uoč avaju područ ija različ itih temperatura

Slika 5.8. Toplotno opterećenje mašinskih dijelova sa prikazanim vrijednostima temperature

Slika 5.9. Termografska slika rezervoara sa vertikalnim prikazom promjene temperature



14

Aktivna termografija zasniva se na posmatranju dinamičkog ponašanja objekta izloženog toplotnoj pobudi. Dinami čke metode se koriste za otkrivanje anomalija kod kojih se temperatura mijenja tokom vremena. Cilj je odre eni vid energije, toplotu, koja se manifestuje promjenom temperature promatranog objekta očitati i pri tome pomoći pri upravljanju procesa u kojem taj objekat u čestvuje u industriji. Slika 5.10. Primjer aktivne termografije

Ovisno o strukturi objekta, materijala i njegovoj površini dobit termogrami posmatrane površine u vremenu.

a)

b)

će

se različiti

c)

Slika 5.11. Primjer dinamič kog mijenjenja temperature strukture usljed zagrijavanja u toku vremena

Predhodna slika daje primjer dinamičke obrade slike. 5.11.a je slika defekta 3 sekunde nakon zagrijavanja, 5.11.b predstavlja sliku defekta 5 sekundi nakon zagrijavanja, dok je 5.11.c razlika ove dvije slike i otkriva defekt usljed zagrijavanja objekta. Senzori su obično silikonski, za temperature ve će od 425 °C , ili od olovnog sulfida za temperature veće od 200°C .

Slika 5.12. Oprema za ispitivanje putem IC termografije



15

5.4 Primjeri korištenja IC termografije u industriji

Lijevo – Detekcija kvarova na cijevima

Desno – Provjera rada izmjenjivača toplote

Zatim, česte su primjene pri kontroli spremnika, dimnjaka, cjevovoda i izolacije:



16

5.5 Prednosti i nedostatci Infracrvena termografija ispunjava zahtjeve koji se dosta često postavljaju pri proizvodnji u industriji. Održavanje proizvodnog procesa 24 sata na dan, 365 dana u godini mogu će je zbog velike pouzdanosti opreme za ispitivanje pomo ću IC zračenja. Manji broj prekida pri mjerenju daje bolju produktivnost i na taj na čin se izbjegavaju veći i skupi kvarovi na postrojenjima. Dakle, to dalje dovodi do pove ćanja pouzdanosti cijelog postrojenja jer problemi u postrojenju se rješavaju prije nastanka kvara ili ošte ćenja ostalih dijelova postrojenja. Prepoznavajući moguće kvarove i planirajući popravke smanjuje se broj kriti čnih situacija i vrijeme skupog prekovremenog rada. Industrijski procesi postaju pouzdaniji, a samim tim radna okolina postaje sigurnija. Smanjuje se opasnost od požara. Loše projektirani, loše izvedeni ili preoptere ćeni električni spojevi koji uzrokuju pregrijanja mogu biti otkriveni na vrijeme(slika 5.13.). Još neke od prednosti ove metode mjeranja temperature su: − − − −

beskontaktno mjerenje, brzi odziv, relativno jednostavna interpretacija termograma, široke mogućnosti primjene.

Dok se pod loše osobine mogu navesti: utjecaj emisionog faktora, atmosfere, udaljenosti, geometrije objekta i ostalih osobina tijela na rezultat mjerenja, − teško provediva toplotna stimulacija velikih objekata, − mogućnost posmatranja samo površinskih efekata. Treba napomenuti da je za kvalitativne i kvantitativne analize termograma potrebno osposobiti kadrove koji za traženu primjenu moraju vladati termografskim sistemom i poznavati problematiku koja se rješava. −

Slika 5.13. Primjer nestabilnog električ nog spoja koji dovodi do pregrijanja Mašinski fakultet Sarajevo


17

Slika 5.14. Primjeri primjene opreme bazirane na infrecrvenoj termografiji

Slika 5.15. Primjena infracrvene tehnologije u automobilskoj industiji pri kontroli radne temperature motora

Slika 5.16. Primjena infracrvene tehnologije u medicini pri dijagnosticiranju raka

Slika 5.16. Primjeri izvedbe termografskih ure aja Mašinski fakultet Sarajevo


18

6. Radijacijski termometar (pirometar) Pomoću radijacijskih termometara moguće je mjeriti temperature do nekih 1300°C, a sa onima specijalne izvedbe čak do 3000°C. Na tim visokim temperaturama mjerenje predstavlja velike poteškoće, pa većina metala od kojih se izra uju zaštitne cijevi omekšavju i tale se. Na tim temperaturama su materijali podložni intenzivnoj oksidaciji, postaju propustljivi za plinove i ne štite detektor od agresivnog djelovanja istih. Izolacioni materijali, prisutni u termometru, dobijaju ve ću električnu provodljivost. Granica primjene pojedinih vrsta termometara na visokim temperaturama je ograni čena, nekih oštro a nekih manje oštro. Ovo ograničenje i potrebe mjerenja visokih temperatura, doveli su do razvoja termometra koji za mjerenje koriste toplotno zračenje. Takve termometre zovemo još i pirometrima za toplotno zračenje ili jednostavno pirometrima. U odnosu na neke termometare koji su ranije obra eni, za mjerenje temperature nekog medija morali smo detektor termometra dovesti u direktan kontakt (podrazumijevaju ći tu i zaštitnu cijev) sa mjernim medijem. Pirometrima mjerimo temperaturu na udaljenosti, odreujući energiju ili intenzitet zra čenja.

6.1. Princip rada i fizikalne osnove mjerenja Svjetlo koje pada na neki predmet dijelom je apsorbovano, a dijelom reflektovano. Izme u koeficijenta apsorpcije a , refleksije r i propuštanja p postoji veza a + r + p = 1. Zamišljeno tijelo koje apsorbira sve svjetlosne zrake koje na njega padnu, zovemo crnim tijelom, ili apsolutno crnim tijelom. Koeficijent apsorpcije crnog tijela jednak je jedinici (a =1). U prirodi ne postoji apsolutno crno tijelo. Možemo ga zamisliti kao neki potpuno zatvoren prostor, čije zidovi ne propuštaju svjetlosne zrake, a na svakom djelu zida je ista temperatura. Iz ovog prostora svjetlosne zrake izlaze samo kroz mali otvor. Pirometrom se odreuje temperatura mjerenjem ukupnog intenziteta elektromagnetskog zračenja. Stefan – Boltzmannov zakon omogućava jednostavno izračunavanje intenziteta zračenja I(T), i za za crno tijelo vrijedi: I = δ ⋅ T 4 .

Slika 6.1. Princip rada pirometra – šematski prikaz



19

Osnovni djelovi mjernog ureaja su prikazani na slici 6.1. Termometar se sastoji od cijevi u kojoj se na ulaznom dijelu nalazi objektiv (L) kojim se fokusira elektromagnetno zračenje koje dolazi sa površine objekta temperature T. U fokusu objektiva nalazi se detektor (crno tijelo) koja ima maksimalni faktor apsorpcije elektromagnetskog zra čenja. Na površini detektora zavaren je jedan ili više termoparova (termo članaka) pomoću kojih se mjeri temperatura detektora, a elektromotorna sila EMS termopara je mjerni signal za temperaturu objekta T. Analiza mjerenog ureaja zasniva se na primjeni Stefan – Boltzmanovog zakona. U početku mjerenja temperatura detektora je na temperaturi instrumenta i nakon što se instrument usmjeri prema površini objekta dolazi do apsorpcije elektromagnetskog zračenja u detektoru. Od po četka mjerenja temperatura detektora stalno raste ali sve sporije, jer pove ćanjem temperature detektora povećava se i intenzitet emisije. Mjerni signal se očita kada se uspostavi stacionarno stanje, odnosno kada je apsorbirani intenzitet zračenja na površini detektora jednak intenzitetu zračenja sa detektora. Slika 6.2. Korištenjem Stefan – Boltzmannov zakona mogu će je odrediti uslove Izgled ravnoteže: −

intenzitet apsorbovanog zračenja

I A = ε ⋅ δ ⋅ T 4 ,

−

intenzitet zračenja sa detektora

I I = δ ⋅ T C 4 .

detektora u pirometru

Izjednačavanjem ova dva izraza može se izraziti temperatura objekta kao temperatura detektora: 1 ⋅ T C . T = 4 ε

Tačnost mjerenja radijacijskim termometrom odreena je pouzdanošću poznavanja vrijednosti koeficijenta emisije ε . Najčešće se ε odreuje baždarenjem za pojedine materijale i uvjete mjerenja. Zagrijano tijelo zrači širok spektar elektromagnetskih valova, ali za razne temperature maksimum zračenja nije na istoj valnoj dužini. Tijela zagrijana ispod 500°C žare tamnocrvenim svjetlom. Daljim zagrijavanjem ta crvena užarenost postaje sve svjetlija, dok oko 1100°C prelazi u narandžastu, a na oko 1400°C tijelo postiže bijelo usijanje. Tijelo zra či bijelo svjetlo, jer na toj temperaturi zra či elektromagnetske valove koji odgovaraju svim bojama vidljivog spektra. Sva ova razmatranja se odnose na zračenje crnog tijela. Pirometri se baždare tako er sa apsolutno crnim tijelima. U praksi se susre ćemo s tijelima koja zra če manje nego crna tijela i ta tijela nazivamo sivim tijelima. Slika 6.2. Kriva 1 označ ava zrač enje crnog, a kriva 2 sivog tijela



20

Radi toga pri mjerenju temperature pirometri pokazuju uvijek manju temperaturu od stvarne i potrebno je vršiti korekcije. Omjer energije I A , koju zrači površina sivog tijela i energije I I , koju zrači pločica na istoj temperaturi, nazivamo koeficijentom emisije ε : ε =

I A I I

.

Na slici 6.2. prikazana je razlika izme u zračenja apsolutno crnog i sivog tijela. Sivo tijelo definisano je istim osobinama kao i crno, samo mu je spektralna snaga zra čenja proporcionalno manja. Prema tome, temperaturu zagrijanog tijela radijacijskim pirometrima možemo mjeriti na sljedeće načine: − može se mjeriti ukupna energija koju tijelo zra či. Osnovni zahtjev je da detektor pirometra primi što više energije koju tijelo zra či i to u cijelom spektru, − može se mjeriti energija koja pripada samo jednoj oblasti spektra od svega 0,01 µm i to na valnoj dužini od oko 0,65 µm. To je crveni dio vidljivog spektra, − energija koju zrači ugrijano tijelo u jednom odreenom područ ju spektra može se mjeriti posebnim detektorom, kao što je na primjer foto ćelija, − mjerenjem odnosa intenziteta dvaju boja.

b c

a

Slika 6.3. Radijacijski termometar: a) pirometar sa digitalnim oč itanjem, b) optič ki dio pirometra sa kablom za povezvanje sa instrumentom, c) baždarenje pirometra sa vrućom ploč om crnog tijela



21

6.2. Izvedbe pirometara Prema metodi mjerenja pirometri se mogu podijeljeni u sljede će grupe: − pirometri na principu ukupnog zračenja, − pirometri na principu djelomičnog zračenja (optički pirometri), − fotoelektrički pirometri, − pirometri na boje. Pirometar na principu ukupnog zračenja mjeri ukupnu energiju koju prema Stefan – Boltzmannovu zakonu zrači zagrijano tijelo. Da bi se toplotne zrake mogle fokusirati na što manju površinu, koriste se opti čke leće i ogledala. Meutim ova pomagala se ne mogu primijeniti na čitav spektar toplotnog zračenja. Primjenom staklene le će izdvaja se dio spektra, koji je samo malo širi od vidljivog djela spektra.

Prednosti radijacijski h Slika 6.4. Izvedbe radjacijskih termometara, prenosivi i pirometri za fiksnu ugradnju

Prednosti radijacijskih termometara ogledaju se u beskontaktnom mjerenju temperature, dobroj stabilnosti i brzom odzivu. U nedostatke, ubrajaju se visoka cijena i smetnje kao što su dim, prašina para i sli čno. Mašinski fakultet Sarajevo


22

6.2.1. Optički pirometri Sa ovim pirometrima, koji se nazivaju još i pirometri na djelimi čno zračenje, mjeri se intenzitet zračenja vrlo uskog područ ja spektra, izdvojenog iz cijelog spektra toplotnog zračenja. Mjerenje se vrši na taj na čin da se intenzitet izdvojenog dijela spektra upore uje s intenzitetom svjetlosti jednog baždarenog izvora svjetla. Na slici 6.5. prikazan je princip rada optičkog pirometra.

Slika 6.5. Princip rada optič kog pirometra – šematski prikaz

Instrument se sastoji od cijevi sa dvije konveksnog so čiva, žarne niti i filtera crvene boje. Žarna nit se zagrijava prolazom elektri čne struje, i sama struja je mjerni signal. Mjerenje se provodi tako da se otvor cijevi instrumenta usmjeri prema površini kojoj se mjeri temperatura. Elektromagnetno zračenje prolazi kroz prvo sočivo, i skuplja se u fokusu. U fokusu se nalazi staklena cijev sa žarnom niti. Ta ta čka je ujedno i fokus drugog so čiva. Kroz sočivo prolazi elektromagnetno zračenje sa mjerenog objekta i žarne niti. Iza drugog sočiva nastaje paralelan snop zraka koje zatim prolaze kroz filter crvene boje. Ako se odreivanje temperature, odnosno podešavanje pirometra, vrši ljudskim okom, tada se mora odabrati valna dužina koja se nalazi u vidljivom dijelu spektra. Da bi instrument mogao obuhvatiti i niže temperature, poželjno je da ta izdvojena valna dužina bude bliže crvenom dijelu spektra. Dakle filter je nepropustan za sve valne dužine vidljivog spektra osim za dio u podru čiju crvene boje, λ = 0,65 µm. Ova valna dužina je već prilično daleko od valne dužine na koju je oko maksimalno osjetljivo, ali se uporedna mjerenja još mogu vršiti i to s ta čnošću od ± 0,5% do ± 1%. Mjeritelj posmatra istovremeno sliku površine tijela i žarne niti. Mogu će su tri situacije: a) T < T n , b) T > T n , c) T ≅ T n . Sa T je označena temperatura mjerenog objekta, a T n je temperatura niti u fokusu instrumenta. Mjerni signal T n se očita sa instrumenta kada se izjedna či sjaj površine objekta i referentne niti instrumenta. U tom slu čaju intenzitet zra čenja na valnoj dužini crvene boje jednak je: I (λ 0 ,T n ) = ε (λ 0 ) ⋅ I (λ 0 ,T ) za valnu dužinu λ 0 .



23

Koeficijent emisije referentne niti ima vrijednost 1, ali za mjereni objekt treba uzeti vrijednost monohromatskog faktora emisije. U gornji izraz uvrstimo Planckove formule navedene u dijelu o elektromagnetnom zračenju (5.1. Elektromagnetno zračenje): C 1 C 1 . ε (λ ) ⋅ = 0

 λ C ⋅2T  λ o ⋅  ε 0 − 1     

 λ C ⋅T 2  λ o ⋅  ε 0 n − 1     

5

5

Dijeljenjem obje strane sa istim faktorima dobije se: C 2  λ C ⋅T 2  λ 0 ⋅T 0 n   ε (λ 0 ) ⋅ ε − 1 = ε − 1.    

Zanemare li se vrijednost konstante u odnosu na mnogo ve ću vrijednost eksponencijalne funkcije, i nakon toga ako se logaritmira izraz, dobija se kona čna formulu za izračunavanje temperature objekta T za izmjerenu vrijednost temperature niti T n : 1 T

=

1 T n

+

λ 0 ⋅ ln (ε (λ 0 )) . C 2

Postoje dvije osnovne izvedbe koje omogućavaju poreenje intenziteta zračenja. Prva metoda je da se zagrijavanje niti može podešavati, dok se ne izjedna či sa intenzitetom svjetlosti izvora. Struja ili napon za zagrijavanje niti, a isto tako i položaj na klizaču potenciometra, mogu biti mjerilo temperature.

a b c Slika 6.6. ispravno podešavanje intenziteta svijetlosti optič kog pirometra: a) struja struja koja prolazi kroz nit je

Drugom metodom se prigušuje intenzitet zračenja izvora i uporeuje s konstantnim intenzitetom svijetlosti niti. Ovdje se posebni zahtjevi postavljaju na nit i optiku, jer se moraju izbjeći razni efekti refleksije i savijanja svjetla.

preslaba T>Tn, b) ispravno podešeno pri č emu se ne može razlikovati svijetlost niti od svjetlosti posmatrane površine c) na prejakoj struji nit je svijetlija od pozadine T
Slika 6.7. Izvedbe optič kih pirometara Mašinski fakultet Sarajevo


24

6.2.2. Fotoelektrički pirometri Da bi se izbjegli štetni utjecaji apsorpcije toplotnog zra čenja, koju vrše CO2 i vodena para upotrebljavaju se fotoelektrički pirometri. Kao detektor kod ovih pirometara služi foto ćelija. Otklanjanje utjecaja apsorpcije postiže se na taj na čin da se spektralna osjetljivost fotoćelije smanji u onim oblastima spektra u kojima se utjecaj apsorpcije može mjeriti. Neki tipovi pirometra ne koriste čitav spektar toplotnog zračenja, a ne koriste ni ukupnu energiju koja je proporcionalna četvrtom stepenu apsolutne temperature. Primjenom staklenih so čiva eliminiraju se sve valne dužine ve će od oko 2,5µm, a fotoelektrički pirometri eliminiraju još ve ću oblast. Ako je greška zbog apsorpcije kod pirometara s ogledalom (pirometar na principu ukupnog zračenja) iznosila 50°C, na temperaturi od 1700°C, ona je kod pirometara s lećama iznosi 40°C, a kod fotoelektri čkih pirometara samo 15°C.

6.2.3. Piroimetar na boje Pored spomenutih metoda utvrivanja temperature mjerenjem energije i intenziteta zračenja, u praksi se primjenjuje još jedna metoda, kojom temperaturu utvr ujemo tako da odreujemo odnos izmeu dvije oblasti spektra. Unutar cijelog spektra toplotnog zračenja crnog tijela odnos energije zra čenja izmeu dvije uske spektralne oblasti (npr. crvena i zelena) jednoznačna je funkcija temperature. Kada se intenzitet zra čenja crnog ili sivog tijela oslabi za neki proporcionalni koeficijent, odnos intenziteta zra čenja odabranih frekvencija ostaje nepromijenjen, odnosno mjerenje je nezavisno od stepena prigušenja. Pirometri na boje rade naj češće s bikromatski obojenim klinom. Svjetlost filtriranog zračenja uporeuje se sa svjetlošću jedne referentne sijalice. Položaj bikromatskog klina je mjerilo za temperaturu. Ovi instrumenti se primjenjuju pri temperaturama od 1000°C do 2000°C.

6.3. Zaključak Radijacijski termometri svojim podru č jem primjene odlično nadopunjuju termometre. Pri mjerenju temperature detektor kontaktnih termometra mora doći u dodir sa mjernim medijem. U nekim slu čajevima to je neriješiv problem. Me utim, to ne vrijedi samo za vrlo visoke temperature. Nekada je potrebno mjeriti temperaturu nekih agresivnih medija, pri čemu kontakt nije poželjan, a teško je realizovati prenos toplote sa rotiraju ćih dijelova strojeva na detektor kontaktnih termometra. U tom slu čaju, gdje detektor iz bilo kojeg razloga ne može ili ne smije dodirivati mjerni medij, toplotno zra čenje ostavlja mogućnost za mjerenje. Za razliku od ostalih termometara, pirometri se primjenjuju uspješno pri mjerenju vrlo visokih temperatura. Oni imaju i nekoliko nedostataka, koji uglavnom proizlaze iz činjenice da emisioni koeficijent varira u vrlo širokom rasponu i da, osim od vrste materijala, zavisi i od kvalitete površine izvora toplotnog zračenja. Na nižim temperaturama svakako su pouzdanije razne vrste kontaktnih termometara.



25

7. Poluvodički ili termistorski termometri 7.1. Princip rada Uticaj temperature na električki otpor poluprovodnika poznat je još od Faradejevih eksperimenata sa srebrnim sulfidom, 1835 godine. Poluprovodnici sa stabilnijim karakteristikama dobiveni su znatno kasnije, a njihova primjena, pod nazivom termistori, počinje tek oko 1940 godine.

Slika 7.1. Prikaz promjene relativnog otpora metala i poluprovodnika u temperaturnom područ ju od 200 do 1000 K.

Provodnici i poluprovodnici imaju razli čit mehanizam prenosa naelektrisanja u materijalu. Kod metala naelektrisanje se prenosi kretanjem elektrona što dovodi do povećana temperature, pri čemu se povećava električni otpor zbog intenzivnijeg raspršenja nosioca naelektrisanja na kristalnoj rešetci. Kod poluprovodnika prenos naelektrisanja je limitiran brojem nosilaca naelektrisanja. Povećanjem temperature dolazi da prelaza nosioca naelektrisanja iz nižih energetski nivoa u vodljivi nivo tako da pove ćanje temperature kod termistora smanjuje elektri čni otpor što je i prikazano na sliici 7.1. Zavisnost električnog otpora provodnika od temperature teško je teoretski izvesti sa dovoljnom tačnošću za široki mjerni opseg, pa se zbog toga koriste aproksimacije sa parametrima procijenjenim metodom najmanjih kvadrata. Naj češće se upotrebljava polinomna aproksimacija: 2

R (T ) = R 0 1 + α ⋅ (T − T 0 ) + β ⋅ (T − T 0 ) + ... + (T − T 0 )

n

Pri čemu je T 0 referentna temperatura, najčešće 0°C, a R 0 je referentni otpor na toj temperaturi. Parametri α ,β i stepen aproksimacije n odreuju se tako da se postigne maksimalna točnost i pouzdanost aproksimacije.



26

Zavisnost otpora termistora od temperature može se izraziti eksponencijalnom jednačinom:  1 1  B  −   T T 0 

R (T ) = R 0 ⋅ e

,

gdje je: R – otpor termistora, T – apsolutna temperatura termistora, B – koeficijent konstantan za dati termistor, R 0 – otpor datog termistora na 20°C. Tipična vrijednost otpora R 0 je 3 – 20 kΩ na temperaturi od 300 K. Nominalna vrijednost otpora termistora mjeri se na 20°C. Dopušteno odstupanje otpora pojedinih termistora od nominalne vrijednosti iznosi ± 20%. Temperaturni koeficijent za pojedine proizvodne serije termistora istoga tipa može iznositi do ±0,2%. Ovako velika odstupanja stvaraju niz poteškoća u primjeni termistora, a naro čito u njihovim serijskim i paralelnim spojevima. Svi termistori koji se koriste u praksi imaju negativan temperaturni koeficijent. U područ ju oko sobne temperature taj koeficijent varira od 1 do 5% po jednom stepenu Celzijusa. Pri -60°C vrijednost temperaturnog koeficijenta je dvostruka, a pri 150°C smanjuje se na polovinu. Raspon nominalnih otpora termistora kreće se u granicama od 1 kΩ do 1000kΩ.

7.2. Izvedba termistora

Slika 7.2. Prikaz uobič ajnih izvedbi termistora

Poluprovodnički elementi materijal za termistore obi čno se sastoji od oksida nekog metala ili mješavine tih oksida. Radi čvrstoće izvedbe, taj materijal se nanosi u vrlo tankim slojevima na keramičku podlogu, a električki kontakt se ostvaruje pomo ću provodnika učvršćenih na različite načine za tu podlogu. Mašinski fakultet Sarajevo


27

Dimenzije termistora su vrlo male. Termistori se zašti ćuju na različite načine, a često se stavljaju u staklene obloge i drže pod vakuumom. Jedan od velikih nedostataka termistora jest njihova nestabilnost odnosa temperatura – otpor. Taj odnos se s vremenom mijenja, to brže, što je temperatura kojoj je termistor izložen viša.

Slika 7.3. Kriva 1 prikazuje promjenu specifič nog otpora termistora izra enog od oksida mangan-nikla, u zavisnosti od vremena upotrebe. Kriva 2 se odnosi na oksid mangan - kobalt

Na slici 7.3. prikazana je zavisnost promjene otpora od vremena trajanja izlaganja termistora pri temperaturi od 105°C. Ako termistor izložimo konstantnoj temperaturi, njegov će se otpor za godinu dana povećati prosječno za oko 1%. Temperaturno područije primjene termistora ograničeno je raznim fizikalnim pojavama. Ono obično iznosi od 100°C do 400°C. Termistori se odlikuju posebnim karakekteristikama tako da su naročito prikladni za mjerenja gdje je potrebno postići vrlo male vremenske konstante i veliku osjetljivost mjernog signala. Pri proizvodnji termistora koriste se mješavine sulfida, selenida i oksida kao što su Mg, Ni, Co, Cu, Fe itd. Ove mješavine se presaju u razli čite oblike, kao što su: kuglice, štapi ći, pločice itd. Osjetljivost mjernog signala termistora je vrlo velika. Uobi čajena vrijednost iznosi od 1 pa do 500 Ω /K na temperaturi od 0°C. Meu glavne osobine termistora ubrajaju se: − veliki otpor, − velika osjetljivost mjernog signala, − nelinearna funkcija, − mala vremenska konstanata (postoje izvedbe sa τ ≈ 1 ms), − mala jačina struje (manja opterećenja), I < 10 µA, − reproduktivnost temperature ±0,01°C. Slika 7.3. I vedbe i oblici termistora Mašinski fakultet Sarajevo


28

7.3. Primjena termistora Budući da se kod termistora radi o promjeni otpora s temperaturom, na mjerenje temperature mogu se primijeniti iste metode kao i pri otporni čkim termometrima. Osjetljivost mjerenja pomo ću termistora vrlo je velika, jer termistori imaju velik temperaturni koeficijent. Termistori se koriste i za termometre sa zračenjem. Njihove male dimenzije i mali toplotni kapacitet, te veliki specifi čni otpor, daju im u ovoj primjeni niz prednosti. Brzina odziva termistorskih termometara, kao što je već rečeno, vrlo je velika. Za specijalne svrhe se grade termistori s brzinom odziva od nekoliko milisekundi do jedne sekunde. Male dimenzije termistora, njihova jednostavna konstrukcija i velik specifični otpor znatno olakšavaju mjerenje temperature u mnogim slučajevima gdje se to s drugim metodama može vrlo teško provesti. Termistori se koriste i kao “enzim – termistori" za mjerenje koncentracije produkata tokom fermentacije.

Slika 7.4. Primjer primjene termistora u termostatima

Enzim – termistor sastoji se od poroznog zrna na koji je vezan enzim koji katalizira specifi čnu reakciju koja služi za dobivanje mjernog signala. Uglavnom se koriste enzimi oksidaze kojima se oksidiraju pojedine komponenete. Enzim je vezan u porama poroznog zrna i tijekom oksidacije se oslobaa toplota zbog koje dolazi do rasta temperature u središtu zrna u odnosu na okolinu. Temperaturno povećanje je proporcionalno brzini enzimske reakcije, a brzina reakcije je funkcija koncentracije, odreena sa Michaelis – Mentenovim kinetičkim modelom. U središtu se nalazi osjetljivi termistor tako da se otpor termistora, odnosno temperatura koristi kao mjerni signal koncentracije.



29

Mjerenje Temperature u Industriji_Amer Avdic

Recommend Documents