BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK HŐTECHNIKAI LABORATÓRIUM OKTATÁSI SEGÉDANYAG

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR

ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK

HŐTECHNIKAI LABORATÓRIUM OKTATÁSI SEGÉDANYAG

BUDAPEST, 2003

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag

Oktatási segédanyag Készítették:

Fazekas Miklós Könczöl Sándor Dr. Scharle Péterné az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék munkatársai

TARTALOMJEGYZÉK I. LÉGÁLLAPOT MÉRÉS

3

II. HŐTÁGULÁS ELVÉN MŰKÖDŐ HŐMÉRŐK 13 III. HŐMÉRSÉKLETFÜGGŐ ELLENÁLLÁSOK IV. TERMOELEKTROMOS ÁTALAKÍTÓK Fogalomgyűjtemény

20 31

39

Fontosabb metrológiai alapfogalmak Szakirodalom jegyzék

52

Összefoglaló kérdések

53

46

2


ENERGETIKAI MÉRÉSEK az Energetikus mérnökök képzésében Bevezetés A méréstechnika feladata a technológiai folyamatok mérhető jellemzőinek érzékelése, átalakítása és feldolgozása annak érdekében, hogy a szükséges információk birtokába kerüljünk. A méréstechnika alkalmazásának három fő területe: -

kutatás-fejlesztési laboratóriumokban, kísérleti berendezések vizsgálatánál,

-

nagyipari technológiai, energetikai és gyártó berendezések, irányításában,

-

elosztott folyamatok, technológiák és háztartások kiszolgálásában.

A mérés célja lehet: -

vezérlés, szabályozás,

-

védelmi jelzés vagy beavatkozás,

-

minőségbiztosítás,

-

fogyasztás elszámolása, stb.

Az energetikai berendezésekben előforduló mérések között a leggyakoribbak: nyugvó vagy áramló munkaközeg illetve szilárd test (gépszerkezet) hőmérsékletének mérése, munkaközeg tömeg illetve térfogatáramának mérése, nyugvó vagy áramló munkaközeg nyomásának mérése, nyugvó vagy áramló munkaközeg összetételének, illetve egy vagy több alkotó koncentrációjának mérése. Az Energetikus mérnökök részére szervezett alapmérésekkel foglalkozó tárgyak a fent felsorolt tárgykörökkel ismertetik meg a hallgatókat.

3


A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérése az egyik legfontosabb intenzív termikus állapotjelző megismerésére irányuló tevékenység. Az ember természeti adottsága a hőérzet. Az ehhez kapcsolódó fogalmaink: hideg, meleg, langyos, forró azonban szubjektívek, és csak a környezet testünkre gyakorolt hatásának (hőközlés vagy hőelvonás) intenzitását jellemzik. A hőmérsékleti skála alappontjai és az ehhez kapcsolódó beosztás az elmúlt évszázadok során folyamatosan alakult ki és még ma is változáson megy át. Jelenleg az ITS-90 (International Temperature Scale-1990) a CWM által 1989-ben elfogadott termodinamikai hőmérséklet skála van érvényben. A termodinamikai hőmérséklet egysége (kelvin, jele: K) a víz hármasponti hőmérsékletének 1/273.16 -od része. A termodinamikai hőmérséklet kifejezhető a Celsius skálán is: t[°C]=T[K]-273,15K Az ITS-90 a korábbi IPTS-68-hoz (és ITS-27,ITS-48 stb.) hasonlóan fix pontokat definiál a hőmérséklet skálán, amely értékek között interpoláló mérőműszerrel (0°C-961.78°C között Pt ellenállás hőmérővel) állítják elő a folytonos értéket. Egy test hőmérsékletének megismerése jellegét tekintve lehet kvalitatív (megfigyelés), illetve kvantitatív (mérés) megfigyelés

mérés

Pl.: Az utcán befagyott tócsát látunk  t<0°C

A gépészmérnök munkájában ez a meghatározó

A kovácsolás hőmérséklete az izzás színe alapján

jelentőségű, ezért a továbbiakban ezzel

becsülhető:

foglalkozunk.

540°C : halvány vörös 680°C : közepes meggy piros 1000°C : narancs sárga 1300°C : fehér

4


A mérés mindig feltételezi, hogy a mérni kívánt fizikai jellemző létezik és egyértékű. A hőmérséklet esetében tudnunk kell, hogy értéke statisztikus mechanikai folyamat eredménye, és az anyag mikrorészecskéinek transzlációs, vibrációs és rotációs mozgásában ölt testet. Értéke akkor létezik, ha a részecskék közötti kellően nagy számú ütközés létrejöttének idejéig, vagy a részecskék elmozdulása során érintett térrészben értéke nem változik. Ez a termodinamikai egyensúly lokális fennállását jelenti, ami egy kis térrészben a hőmérséklet létének feltétele. Normál légköri állapotú 7 gázban gradT<10 [K/m] fennállása esetén már kialakul a lokális egyensúly és ezzel a hőmérséklet.

Gyakorlati esetek, melyekben a hőmérséklet létezése kérdéses lehet: hegesztőpisztoly lángjának magjában, lökéshullámban, gyors termokémiai folyamatokban (robbanás), nagy intenzitású turbulens folyamatokban, plazmákban stb. Megállapíthatjuk, hogy a gépészmérnöki gyakorlat során előforduló berendezésekben a hőmérséklet létező és így mérhető is. A hőmérséklet létezése mellett is vannak egzisztencia és mérhetőségi problémák. Ezek közül példának egy szénportüzelésű kazán tűzterének egy pontja körüli kis térrészt tekintsünk, melyben létezik a gáz hőmérséklete, létezik az ettől különböző (izzó) szilárd szemcsék hőmérséklete és a hőmérsékleti sugárzási térrel egyensúlyt tartó “besugárzási” hőmérséklet is. A hőmérsékletmérő eszközöket az anyagok fizikai tulajdonsága és a hőmérséklet közötti összefüggés alapján az alábbi érzékelési elvek szerint csoportosítjuk.: -hőtágulás elvén mérő eszközök -ellenállás változás alapján mérő eszközök -termoelektromos érzékelők -infravörös (hőmérsékleti) sugárzást érzékelő hőmérők -állapotukat megváltoztató hőmérők (színváltó festék, folyadék kristály stb.) A felsoroltakon kívül is vannak hőmérséklet mérő eljárások és várhatóan lesznek újabbak a jövőben is. (pl: interferometriás, Schlieren-Toepler, ultrahang stb. módszer, )

5


A hőmérséklet mérése érintkezés alapján A hőmérséklet mérése hőmérővel a testek közötti hőcserén alapul, ami a hőmérséklet kiegyenlítődéséig tart. Az érintkezéses hőmérséklet mérés során az érzékelő hőmérsékletét a mérni kívánt közeg hőmérsékletével tételezzük azonosnak, a termikus egyensúly kialakulása miatt. Az érzékelőt összehasonlítva a hőmérséklet skála alappontjaival, kalibrálva azt, a mért eredményt megkapjuk.

A hőmérséklet mérése érintkezés nélkül A testek által kibocsátott infravörös vagy hőmérsékleti sugárzás lehetővé teszi az érintkezés nélküli hőmérséklet mérést. A test által kibocsátott hőmérsékleti sugárzás általában függ az anyagi minőségtől, a felület simaságától, a környezetből oda érkező és visszatükröződő illetve áteső hősugárzástól. Ezen zavaró hatások kiküszöbölése általában nehezen valósítható meg, de a gyakorlat számára megfelelő mérési eredmények biztosíthatók.

6


I. Légállapot mérés A gépek, berendezések működését és közérzetünket jelentősen befolyásolja a környező levegő állapota, amit nyomásával, hőmérsékletével, nedvességtartalmával (összetételével jellemezhetünk. E három jellemző azonos helyen történő egyidejű meghatározása jelenti a légállapot, s egyben a mérés körülményeinek egyértelmű megadását. A légnyomás mérése A levegő nyomása definíció szerűen:

pb Pa 

F N A m2

A légnyomásmérés klasszikus eszköze a Torricelli féle higany töltésű "U"-csöves barométer.

A műszer felépítése az 1./a ábra rajzán látható. A műszer egyik üvegcsöve leforrasztott végű, a másik a környező levegő felé nyitott. A higanyt a leforrasztott üvegcsőbe töltve majd függőleges helyzetbe állítva, az alábbi erőhatások egyensúlya írható fel:

pb  b  g  Hg  psHg Ahol:

b: g:

Hg:

PsHg:

a higany két csőben levő felszínének magasság különbsége. a mérés helyén a nehézségi gyorsulás, figyelembe véve a szélességi kör és a tengerszint feletti magasság hatását. a higany sűrűsége a méréskori hőmérsékleten. a higany telített gőzének nyomása a méréskori hőmérsékleten.

A nehézségi gyorsulás függése a délkörtől és a tengerszint feletti magasságtól közelítőleg:

7



g  g n  1  0.0026  cos 2  0,2 10 6 Ahol:




gn:=9,80665 m/s2 a normál nehézségi gyorsulás.

A szintkülönbséget sárgarézből készült mérővonalzón leolvasva 0 C hőmérsékletre átszámítható a magasság:

b0  bt  1       t  Ahol: : a higany térfogati hőtágulási tényezője: 0,00018 1/C : a sárgaréz lineáris hőtágulási tényezője: 0,00019 1/C A mérés elvégzése két folyadékszint leolvasását igényli. A műszer felépítésének előnye, hogy a higany görbült felszínéből származó kapilláris depresszió hatása kiesik. A leolvasás egyszerűbbé tételére alakították ki a körtés rendszerű barométert, melynek csak egy üvegcsövében kell a szintet leolvasni. (lásd az 1./b ábra rajzát A konstrukciós kialakítással kell gondoskodni arról, hogy a higanyszint megváltozása az üvegcsőben az alsó edényben ne okozzon mérési bizonytalanságot elérő szintváltozást. (Nagy átmérő viszony kell az üvegcső és az edény között.) Az erőegyensúlyt felírva:

pb  b  g  Hg  psHg  p

kapill lláris

Ahol:

b:

a csőben levő higany felszínének magassága az edény felszínéhez képest. az üvegcsőben a higany görbült felszínének két oldala között kialakuló nyomáskülönbség a felületi feszültség miatt. A higanygőz telítési gőznyomása a hőmérséklet függvényében:

pkapilláris:

tC PsHgtorr

20 0,0013

30 0,0030

40 0,006

50 0,0130

A kapillárdepresszió értéke az üveg -higany anyagpárra: Hgmm=torr

Csőátmérőmm

A görbült higanyfelület magassága mm

8 10

0,4 0,27 0,16

0,8 0,49 0,3

1,2 0,68 0,42

Fémrugós vagy aneroid barométer A higanyos barométer alkalmazása időigényes és nagy hozzáértést kíván, továbbá nem automatizálható ezen hátrányok kiküszöbölésére fejlesztették ki a precíziós fémrugós légnyomás mérőket. Ezen készülékekben ultra vákuumozott edény egyik felülete rugalmas alakváltozásra képes. A rugalmas alakváltozás a légnyomás változásával arányos, megfelelő áttétellel működtetheti a mutatót, de átalakítható villamos jellé is, és így digitális leolvasási és jeltovábbítási lehetőség áll rendelkezésre. A metrológiai és egyéb méréstechnikai alkalmazásokban már szinte kizárólag digitális kijelzésű aneroid barométereket használnak.

8

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A műszer mechanikus felépítését a 2.ábra mutatja.

2.ábra

A levegő nedvességtartalma Alapfogalmak A levegő nedvességtartalma többféle módon jellemezhető: pg: vízgőz parciális nyomása a levegőben, x: abszolút nedvességtartalom, : relatív nedvességtartalom, th: harmatpont hőmérséklete, stb.

3.ábra

9

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A víz hőmérséklete és gőzének egyensúlyi nyomás a 3.ábra szerinti kapcsolatban van. A t hőmérsékletű levegőben lévő vízgőz egyensúlyi állapotban maximálisan annyi vízgőzt tartalmaz, mint az ugyanezen a hőmérsékleten lévő telítési gőznyomás. A környezeti légállapot általában a telítésinél kevesebb vízgőzt tartalmaz. Azt a mérőszámot, ami megadja, hogy a levegőben lévő vízgőz parciális nyomása hányszorosa az ugyanazon a hőmérsékleten telítési állapotú vízgőz nyomásának, relatív páratartalomnak nevezzük. A relatív légnedvesség csak a hőmérséklettel együtt határozza meg a levegő állapotát. A pb barometrikus nyomáson a levegő parciális nyomása vízgőz jelenléte esetén: pl=pb-pg ahol pg a vízgőz parciális nyomása. A th harmatpont (dérpont) az a hőmérséklet, melyen a víz (jég) telítési gőznyomása megegyezik a levegőben lévő vízgőz parciális nyomásával. A levegő nedvességtartalmának különböző kifejezés formái közötti kapcsolat: Relatív nedvességtartalom: Jellemző Vízgőznyomás Relatív nedvesség:  Abszolút nedvesség: x

PgPa pb-pl pg/pgs 0,622pg/(pb-pg)

% pgs 0,622pgs/(pb-pgs)

xg/kg xpb/(0,622+x) xpb/(pgs (0,622+x)) mv/ml

A levegő nedvességtartalmának mérése Levegő nedvességtartalmának mérésére felhasználható mérési módszerek: mechanikus érzékelők, száraz-nedves hőmérős érzékelők (pszichrométerek), harmatpont érzékelők, lítium kloridos higrométer, szilícium higrométer, stb. Mechanikai nedvesség érzékelők A mechanikus érzékelők a kapilláris-pórusos testek azon tulajdonságait használják fel, hogy azok belsejében a víz kisebb telítési nyomással rendelkezik, mint a környező térben. Ezért a környező telítési állapotnál kevesebb vízgőzt tartalmazó levegőből is meg tudnak kötni cseppfolyós vizet a kapilláris struktúra átmérő eloszlásának megfelelően. A kapilláris átmérő függvényében a víz nyomása:

Kapilláris átmérő 1m 0,1m 0,01m

Kapilláris nyomás 2,9 bar 29 bar 290 bar

10

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A megkötött víz diffúzióval kerül az anyag belsejébe, amihez idő kell. A megkötött víz hatására az anyagok mérésre alkalmas megváltozó tulajdonságai: hosszváltozás: pl.: hajszál, textil, szövet, stb. tömegváltozás A legelterjedtebbek a hosszváltozás alapján működő relatív nedvességtartalomra kalibrált műszerek (hajszálas higrométer). Előnyük, hogy nem igényelnek segédenergiát, olcsók és egy szűk tartományban viszonylag érzéketlenek a hőmérsékletre. Hátrányaik: hiszterezésük van, a skála idővel módosul (eltolódik és csökken az érzékenység), a kimeneti elmozdulás nem lineáris, korlátozott hőmérsékleti tartományban használhatók. Száraz-nedves hőmérő (pszichrométer) Áramló levegőbe helyezett vízzel átitatott textil felülete mentén a határrétegen át párolgás indul meg, ha a levegőben nem éri el a vízgőz parciális nyomása a telítési értéket. A párolgás intenzitása annál nagyobb, minél kisebb a környező levegő telítettségének mértéke. Ha két hőmérő közül az egyiket nedves textillel borítjuk, a másikat csupaszon hagyjuk, és megfelelő áramlási sebességet (2,5 m/swlev) biztosítunk az érzékelő felületek mellett, száraz-nedves hőmérsékletet mérhetünk. A száraz és a nedves hőmérőn mért hőmérséklet értékekből a légköri nyomás ismeretében meghatározható a levegő nedvességtartalma.

p g  p g  pb  B  t  t n   1  A  t n  s

ahol:

pg: pb: pgs: t: tn: A:

vízgőz parciális nyomása a levegőben levegő nyomása vízgőz telítési nyomása t hőmérsékleten levegő hőmérséklete (száraz hőmérő hőmérséklete) nedves hőmérő hőmérséklete állandó

Az összefüggésben a B konstans a légnyomás szorzója. A mérés eredménye átszámítható a légnedvesség más kifejezéseire. Sok esetben elegendő a két hőmérséklet különbségének ismerete, különösen ipari technológiák szabályozása esetén. A pszichrometrikus mérés előnyei: Közvetlenül a levegő relatív páratartalmával arányos mennyiséget jelez a különbség. Egyszerű és olcsó, ennek ellenére elméletileg jól alátámasztott elven mér. A hőmérséklet változás kis mértékben módosítja az eredményt, de szárító szabályozókban ez elfogadható. Hátrányai: A textilen kialakuló párolgási sebességet csökkenti a lerakódás, elsózódás. A mérés eredményét a kis áramlási sebesség (w2,5 m/s) jelentősen befolyásolja. A folyadék fogyását pótolni kell.

11

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Harmatpont hőmérő A pg parciális nyomású vízgőzt tartalmazó levegő hűtött felület menti határrétege telítetté válik, ha hőmérsékletére fennáll: pgs(th)=pg(t) s vízgőz telítési nyomása a harmatponti hőmérsékleten ahol: pg (th): pg(t): vízgőz parciális nyomása a levegőben A harmatpont alatti hőmérsékletű felületre megindul a felesleges vízgőz kondenzálódása. A 0C alatti harmatpont esetén dér (jég) válik ki a levegőből. A harmatponti hőmérséklet mérésével meghatározható a levegőben a vízgőz parciális nyomása a fenti összefüggésnek megfelelően. A harmatpont észlelése megvalósítható optikai, vagy elektromos érzékeléssel. Optikai érzékelésnél a hűtött felület egy tükör, ami mentén a mérni kívánt levegő eláramlik. A tükör optikai kapu részeként lehetővé teszi a harmat megjelenésének mérését. Elektronikusan szabályozott hűtésű tükör hőmérsékletét a harmatpont alá majd fölé szabályozva, a harmat megjelenése és elpárolgása indukálható. A tükör két állapotának változásához tartozó hőmérsékletek közrefogják a harmatpontot. Mint másodlagos nedvességtartalom referencia is használatos a harmatponti hőmérséklet mérése. A harmatpontmérő tükrére az elhomályosodáshoz kb: 0,05 g/cm2 víz kell. A harmatponti hőmérséklet alacsony értékeinél a szükséges levegőmennyiség nagyon növekszik, ami a mérést lassúvá teszi.

12


II. HŐTÁGULÁS ELVÉN MŰKÖDŐ HŐMÉRŐK A hőtágulás fogalma és nagysága A testek hosszukat, térfogatukat változtatják a hőmérséklet függvényében. A mérések tapasztalata szerint ezek a változások jó közelítéssel leírhatóak a hőmérsékletváltozás kis fokszámú polinomjával. Legyen egy test hossza T0 hőmérsékleten l0, akkor a hőtágulás:



l  l 0    T  T0      T  T0      T  T0  2

2



ahol : ,  ,  ....anyagi _ állandók A gyakorlati számításokban sokszor megfelel csak az első tényezővel számolni, mert a többi nagyon kis érték. Ennek szokásos elnevezése:  a lineáris hőtágulási tényező. A fenti összefüggéshez hasonló kifejezéssel írható le a térfogat megváltozása is: A gyakorlati életben megfelelő az első tag alkalmazása. A  a térfogati hőtágulási tényező.



V  V0    T  T0      T  T0      T  T0  2

2



Folyadékok esetén csak a térfogati hőtágulás értelmezhető, de szilárd testeknél mind a kettő. A magasabb rendű tagok elhagyása néhány esetben nagyon jelentős hiba forrása lehet, pl. a víz esetében. A mérések szerint a víz sűrűsége 4°C-on a legnagyobb, ettől magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékleten egyaránt csökken. A második tag felhasználásával a víz sajátos viselkedése is jól leírható. A gyakorlat számára ebből annyi következik, hogy a folyadék hőmérők skálája a két alappont között nem lineáris. A lineáris és a térfogati hőtágulás szilárd testeknél nem független egymástól. Illusztrálja ezt egy “a” oldalú négyzetre felírt térfogat.

a  a 0  1    T  V  (1    T ) 3   0

3

Jó közelítésként használhatjuk a  összefüggést, ami a műveletek elvégzése után adódik.

13

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Folyadék töltetű hőmérők A folyadék töltésű üveg hőmérők –200...+750°C hőmérséklet tartományban széles körben használatosak. Laboratóriumi és ipari elterjedtségük oka alkalmazásuk egyszerűsége, a meglehetősen nagy pontosság és az olcsóság. Működésük alapja a folyadék töltet és a hőmérő test anyaga közötti hőtágulási tényező különbség. Ennek értékét mint látszólagos hőtágulási tényezőt szokták jelölni. Néhány hőmérő töltet anyagra az alkalmazhatóság hőmérséklet határai és a hőtágulási tényező: Folyadék

Alkalmazhatóság határa [°C]

Átlagos térfogati hőtágulási tényező tényleges [1/K]

látszólagos [1/K]

Alsó

Felső

Higany

-35

750

0,00018

0,00016

Higany-Tallium

-58

30

0.00018

0.00016

Toluol

-90

200

0,00109

0,00107

Etil alkohol

-80

70

0,00105

0,00103

Pentán

-200

20

0,00092

0,0009

Megjegyzés: A higany hőmérőben a látszólagos hőtágulási tényező borszilikát üvegre: 0,000164 [1/K] és kvarc üvegre: 0,00018 [1/K]. A higanyt hőmérő töltetként azért használják, mert könnyű tiszta állapotban előállítani, nem nedvesíti az üveget, könnyű megfigyelni a meniszkuszt és széles hőmérséklet tartományban folyékony: 38,87...+356,58°C. Még azt érdemes megjegyezni, hogy 356,58°C fölött is csekély a higany gőznyomása más folyadékokkal összehasonlítva. A higany fölötti térben semleges gáz töltettel túlnyomást létrehozva, az érzékelhető hőmérséklet jelentősen megemelkedik, mert a forrás elkerülhető. A higany legfőbb hátránya a viszonylag kis térfogati hőtágulási tényezője és mérgező hatása. A szerves folyadék töltetek nedvesítik az üveget, ezért a pontosságuk változhat.

14

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A higany töltetű üveghőmérők kapillárisába kb. 200°C fölött nem vákuum van, hanem semleges szárított gáz töltet, hogy a higany forrását megakadályozzák. A precíziós hőmérőkbe már 105°C méréshatár fölött nitrogén párnát töltenek. A folyadék hőmérők használatuk módja szerint kétfélék lehetnek: teljes bemerülésű (pl. laboratóriumi hőmérők) és részleges bemerülésű (ipari) hőmérők. A teljes bemerülésű hőmérőt úgy készítik, hogy akkor mutasson pontos értéket, amikor az egész folyadék töltet a mérni kívánt hőmérsékleten van. A hőmérő bemerülését a mindenkori mért értékhez kell igazítani mind a kalibrációnál mind a mérésnél.

1.ábra:

a: laboratóriumi

b: ipari kivitel

A részleges bemerülésű hőmérőt csak egy megjelölt hosszig kell bemeríteni a mérendő folyadékba, ami a mérési tartomány alatt van. A folyadék hőmérő működését leírhatjuk a hőtágulás segítségével:

V  V    T f  T0 

ahol:

V: [m3] a folyadéktartály (hőmérőzsák) térfogata,

: [1/K] a folyadék köbös hőtágulási tényezője, : [1/K] a folyadéktartály (üveg) hőtágulási tényezője Tf - To[°C]

a folyadék hőmérséklet növekedése

A kapillárisban a folyadékkal töltött hossz megváltozása:

L  ahol:

V A0

Ao: [m2] a kapilláris keresztmetszete

15


Hibalehetőségek a folyadék hőmérőknél Az üveg hőmérők esetén számolni kell az üveg öregedésével, aminek következtében a tartály térfogata a gyártás után az időben csökkenhet. Az üveg alkatrészek gyártása során végzett öregbítéssel (hőkezelés) a jelenség hatása mérsékelhető. Ennek ellenére a folyadéktartály térfogata “emlékszik” a korábbi állapotára, és ezért időnként ellenőrizni kell 0°C-on (olvadó jégkásában) a skálán mutatott érték változását. Az így kiadódó skála eltolódás felhasználható a leolvasott érték korrigálására, és az állandó hiba egyik összetevőjének csökkentésére. A folyadék töltetű üveghőmérő laboratóriumi változatait az egyértelmű állapot érdekében teljes bemerülés mellett kalibrálják. Ez azt jelenti, hogy a folyadéktartályban és a kapillárisban lévő folyadék egyaránt a mérni kívánt közeg hőmérsékletén van. Ha egy mérés körülményei nem teszik lehetővé a hőmérő teljes bemerítését és a töltet a kapillárisban n [°C] osztáshosszban tsz [°C] szálhőmérséklettel kiáll a t [°C] hőmérsékletű mérni kívánt folyadékból, kisebb lesz a hőtágulása. A hőtágulás elmaradása által okozott állandó jellegű hiba mérés és számítás segítségével korrigálható. A szálkorrekció nagysága a  relatív térfogati hőtágulási tényezőjű üveg-töltet anyagpárra:

t  n    t  t sz 

2.ábra

Bizonytalanságot jelent a kiálló szál közepes hőmérsékletének meghatározása méréssel vagy becsléssel. Az ipari kivitelű folyadék töltésű üveg hőmérők mindig részleges bemerülésűek. Ezeken mindig bejelölik, hogy meddig kell a mérni kívánt közegbe meríteni. A kalibrálás körülményeikor fennálló közepes szálhőmérséklet mellett lehet a helyes értéket leolvasni az ipari hőmérőkről. Ez megkívánja, hogy a beépítés a kalibrációval egyező kialakítású legyen, és a környezeti körülmények se térjenek el jelentősen.

16


Szilárd anyagú hőtágulásos hőmérők Működésük alapja, a fémek hőtágulási tényezőjének különbözősége. A létrejövő hosszváltozás különbség a hőmérséklet változás hatására:

L  L1  L2  L0   1   2   T f  T0  L s T f  T0  A hosszváltozás alapján felírható az érzékenység Gyakorlati megvalósításuk az

- invar-rudas hőmérő (lineáris kialakítás ) -kettősfém (ikerfém, bimetal ) hőmérő

A lineáris kialakításnál a csövet sárgarézből vagy rozsdamentes acélból, a rudat közel zérus hőtágulási tényezőjű anyagból (invar) készítik. Bimetal hőmérő: Ha két különböző hőtágulási tényezőjü fémszalagot egymásra fektetve összeforrasztanak vagy egymáshoz hengerelnek , és azt melegítik , a szalag elhajlik.

3. ábra Néhány használatos anyag jellemzői

106 [1/°C]

Hőmérséklet tartomány [°C]

Sárgaréz

18.3 – 23.6

0 – 400

Vörösréz

15.3

0 – 150

Ni-Cr acél (20-22% Ni)

20

0 – 500

Invar

0,9

0 – 200

Olvasztott kvarc

0,55



Anyag

17

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A nagyobb elmozdulást eredményező pl. felcsavart bimetall szalag kisebb erőhatásra képes, mint az egyszerű rudazatos megoldások. A nagyobb erőhatással közvetlen működtetésre, segédenergia nélküli szabályozásra is lehetőség van.

Nyomásváltozáson alapuló hőmérők Ezek hermetikusan zárt térbe töltött munkaközeg hőmérséklete és nyomása közötti kapcsolat alapján jelzik a hőmérsékletet. A töltet anyaga lehet gáz, folyadék és gőzével érintkező telített folyadék. Gáz töltet esetén a gáz nyomása a hőmérséklet függvénye:

p f  p0    T f Ahol:

=1/273 [1/K] a gáz köbös hőtágulási tényezője. Tf [K] az érzékelő hőmérséklete a méréskor. p0 [Pa] a gáztöltet nyomása T0=273K hőmérsékleten.

Az öszenyomhatatlannak tekinthető folyadékkal teljes térfogatában megtöltött hőmérőben a térfogati hőtágulás hatására a rugalmas elem alakváltozása hoz létre leolvasható jelet. A rugalmas elem hengerben elmozduló dugattyú, vagy csőrugó lehet. Az elmozdulást eredményező térfogatváltozás:

V  V    3     T f  T0  Ahol:

V: a folyadék tartály térfogata,

: a folyadék térfogati hőtágulási tényezője, : a folyadék tartály anyagának hőtágulási tényezője. A folyadékkal töltött hőmérőknél tudomásul kell venni, hogy a kijelzett hőmérséklet függ a környezet állapotán lévő kijelző egység térfogatának hőtágulásától is. Telitett állapotú közeg gőznyomását felhasználva a hőmérséklet mérésére, a térfogatot csak részlegesen töltik meg folyadékkal. Az alkalmazott töltet anyagok és az alkalmazási hőmérséklet: -25  +80°C :

Freon 22.

-50  -60:

propilén.

+100  +200:

aceton, stb

18

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A töltet gőznyomása a hőmérsékletnek exponenciális függvénye, ezért az ilyen elven működő érzékelők skálája nem egyenletes osztású.

4.ábra

A hőmérséklet mérés módszere A hőmérséklet mérése két alapvető lépésben hajtható végre: a./ Termikus csatolást hozunk létre az érzékelő és a mérni kívánt munkaközeg illetve test között, hogy a hőcsere révén hőmérséklet kiegyenlítődés (egyensúly) jöjjön létre, b./ Megmérjük (leolvassuk) a hőmérő hőmérsékletét. A hőmérő a termikus kontaktus következtében felmelegszik, (lehül) és eközben megzavarja a vizsgált test hőállapotát. Ennek hatását a mért közeg folyamatos áramlásának (kicserélődésének) biztosításával lehet csökkenteni. A hőmérő nem csak a vizsgált testtel van hőcsere kapcsolatban, hanem zavaró hőáramok is felléphetnek. A zavaró hőáramok származhatnak a hőmérő és a körülötte levő felületek közötti sugárzásos hőcseréből, vagy a hőmérő hüvely hőelvezetéséből. A hőmérő a véges hőátadási tényező miatt véges idő alatt érheti el a vizsgált közeg hőmérsékletét. Fenti hibaforrások elkerülésével és a számítható korrekciókkal a későbbiekben foglalkozunk.

19


III. HŐMÉRSÉKLETFÜGGŐ ELLENÁLLÁSOK Alapfogalmak és meghatározások Az ellenállás fogalma és egysége Valamely homogén, végig állandó keresztmetszetű vezető ellenállásán a vezető végpontjaira kapcsolt U feszültség és hatására a vezetőben folyó I áram hányadosát értjük:

R

U I

Ez az összefüggés Ohm törvénye. Az ellenállás a vezető anyagának és méreteinek ismeretében rendszerint kiszámítható. Az ellenállás egysége az ohm . A hőmérsékletfüggő ellenállások olyan villamos jelátalakítók, amelyek a hőmérséklet változásait ellenállásváltozássá alakítják át. Hőmérséklettényező (): Az érzékelő fajlagos ellenállásváltozása 0C és 100C között.



 

R100  R0 1 K 100 R0

Ahol a nevezőben szereplő 100, 100C-nak felel meg. A felhasznált anyagokkal szemben támasztott követelmények: 1. Az ellenállásanyag hőmérséklettényezője nagy legyen. Ez hőmérsékletváltozásnak minél nagyobb ellenállásváltozás feleljen meg.

azt

jelenti,

hogy

1 C

2. A fajlagos ellenállás legyen nagy. (Kis tömegű érzékelőnek legyen jól mérhető ellenállása.) 3. A statikus karakterisztika legyen lineáris. 4. A jellemzők legyenek stabilak. Az anyagnak nem szabad oxidálódnia, vagy más kölcsönhatásba lépnie a mérendő közeggel. A felhasznált anyagok : I.FÉM ELLENÁLLÁSHŐMÉRŐK II. FÉLVEZETŐK

20


I.

FÉM ELLENÁLLÁSHŐMÉRŐK

A fémek ellenállásának hőmérsékletfüggése: Rt=R0(1+At+Bt2+...) ahol R0 0 C-on mért ellenállás, A és B állandók. Az alkalmazott anyagok többségénél elegendő az elsőfokú közelítés. Rt=R0(1+t)

 a hőmérséklettényező, katalógusban gyakran nevezik lineáris hőmérsékleti együtthatónak ( nem

azonos A-val) Precíziós méréseknél lehetséges a magasabb fokú tagok figyelembe vétele is. Néhány anyag lineáris hőmérsékleti együtthatója: 2-610-3 1/C 510-3 1/C 410-3 1/C 910-3 1/C 4,010-3 1/C 4,010-3 1/C 6,1710-3 1/C

vas wolfram alumínium higany réz platina nikkel

ELLENÁLLÁSHŐMÉRŐK JELLEMZŐI MÉRÉSI TARTOMÁNY ELLENÁLLÁSVÁLTOZÁS 100 C-RA ALAPELLENÁLLÁS 0 C-ON

ELŐNYÖK

HÁTRÁNYOK

PLATINA -190...+630 C 40%

NIKKEL -100...+300 C 60%

RÉZ 0...+150 C 40%

100

100

10

- nagy vegyi ellenállóképesség - magas olvadáspont - lineáris statikus - karakterisztika - gyártása reprodukálható - drága az alapanyag

- hőmérsékleti együtthatója nagyobb mint a platináé - alapanyaga olcsóbb

- karakterisztikája lineáris - olcsó - gyártása reprodukálható

- karakterisztikája nem lineáris - gyártása nehezen reprodukálható

- oxidálódik - fajlagos ellenállása kicsi

21

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag II.FÉLVEZETŐ ELLENÁLLÁSHŐMÉRŐK A félvezető ellenállások anyaga korábban fémoxid kerámia volt, az anyagtechnológia fejlődésével az anyagválaszték bővült. Ide tartoznak az eredetileg nem félvezetőként ismert, szénből és más anyagokból készült villamos ellenállások, a germániumból, sziliciumból stb. készített passzív (ellenállás) és aktív (dióda) érzékelők a hőmérsékletre érzékeny karakterisztikájú tranzisztorok, sőt integrált áramkörű műveleti eszközök is. A csoport tipikus képviselője a termisztor. A legtöbb termisztor ellenállása a hőmérséklettel csökken, azaz hőmérséklettényezője negatív.(Negativ Temperaturkoeffizient, NTK) A félvezető ellenállás hőmérsékletfüggésének közelítő összefüggése: R  ae

ahol

R a b T

b T

a félvezető ellenállása az anyagállandó az energiaállandó az abszolút hőmérséklet.

1.ábra Félvezető ellenálláshőmérő (termisztor) statikus karakterisztikája. R: a termisztor ellenállása, a: anyagállandó, b: energiaállandó, T: abszolút hőmérséklet K. Az érzékenység: É  R 

Az átalakítási tényező: S

b T2

b T

Szokásos katalógus adat:

22




É b  2 R T

Ez a mennyiség felel meg a fémek hőmérséklettényezőjének. Erre utal a jelölés is. Az ellenállás hőmérsékletfüggését leíró egyenlet másik alakja:

R  R0  e

b b     T T0

ahol R0 a T0 hőmérsékleten mért ellenállás. A statikus karakterisztika jellegzetességei: 1. nemlineáris 2. az érzékenység negatív, tehát növekvő hőmérsékletek esetén az ellenállás csökken.

A termisztorok jellemző adatai: 1. ellenállás 25 ºC-on: néhány száz  - néhány száz k. 2. ellenállás 80 ºC-on: a 25 ºC-on mért érték 5-8-ad része. 3. hőmérséklettényező () 25 ºC-on -0,04...-0,15/ ºC. 4. maximális teljesítmény: néhány tíz W - néhány W. 5. időállandó: 10-2 s - néhány perc. 6. mérési tartomány: -200 ºC és +200 ºC között. A termisztorok legfőbb hibája, csak nagy szórással gyárthatók, ezért műszerekben csak hitelesítéssel cserélhetők.

A hőmérsékletfüggő ellenállás, Rt mérése Az ellenállás mérésének módszerei Az ellenállás mérésére szolgáló módszerek a következő csoportba sorolhatók. a. Az ellenálláson átfolyó áram és a kapcsain észlelhető feszültségesés mérése (Volt-Amper mérés). b. Az ellenállás ismert ellenállással való összehasonlítása. Az ismert és az ismeretlen ellenállást összehasonlíthatjuk soros kapcsolásban a keletkező feszültségek mérésével, vagy párhuzamos kapcsolásban az átfolyó áramok mérésével. Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak az ellenállások pontosabb összehasonlítását teszik lehetővé. c. Ohmmérők ellenállásméréshez kidolgozott olyan kapcsolások, amelyekkel az ismeretlen ellenállás értéke közvetlenül a műszerről leolvasható.

23

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Bármelyik módszer szerint mérjünk is, az ismeretlen ellenálláson áram folyik keresztül. A mérés rendszerint annál érzékenyebb, és ezzel annál pontosabb, minél nagyobb az átfolyó áram. Ez az áram azonban az ellenállást melegíti, és ezzel értékét megváltoztatja. Minthogy az ellenállás a kapcsain mérhető feszültség és a rajta átfolyó áram hányadosával határozható meg, a precíziós ellenállásokon külön kapocspárt kell készíteni az áram bevezetésére (árambevezető kapcsok) és a keletkező feszültségesés letapintására (feszültségmérő kapcsok). Gyakran adódik olyan mérési feladat, ahol eredetileg nem alakítottak ki külön kapocspárokat. Ilyen esetben a mérés során mesterségesen szét kell választani az áram bevezetését és a keletkező feszültség levételét.

Ellenállásmérés volt-ampermérős módszerrel

2.ábra Ohm törvénye alapján az ismeretlen ellenálláson átfolyó áram és a kapcsain mérhető feszültség ismeretében számítható az ellenállás. Kis ellenállások méréséhez a 2.ábra szerinti kapcsolást ajánlatos használni. (A hőmérsékletfüggő ellenállások ebbe a kategóriákba tartoznak.) Ha I az ampermérő által mutatott áram, és U a voltmérő által mutatott feszültség, valamint Ru a voltmérő ellenállása, az ismeretlen Rt ellenállás:

Rt 

U  I

1 U /I 1 Ru

A kifejezésből látható, hogy az Ohm törvényéből számítható U/I értéket annál jobban megközelítjük, minél nagyobb a voltmérő ellenállása a mérendő ellenálláshoz képest. Ha el tudjuk érni azt, hogy a voltmérő ellenállása mintegy három nagyságrenddel nagyobb, mint a mérendő ellenállás, azaz Ru103Rt , akkor 0,1%-ot nem haladja meg az abból adódó hiba, hogy egyszerűen Ohm törvénnyel számolunk.

24

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Ellenállás mérése a feszültségek összehasonlításával

3.ábra Az ismeretlen Rt ellenállás az ismert Rn ellenállással (normálellenállással) a 3.ábra kapcsolása szerint összehasonlítható úgy, hogy a két ellenállást sorbakapcsolva áramforrásra kötjük. A beiktatott ampermérővel ellenőrizni lehet azt, hogy az ellenállásokat nem terheltük -e túl, és azt hogy az áram a mérés folyamán változatlan maradt -e. Az Rsz szabályozóellenállással a megfelelő áram beállítható. A feszültségmérő műszerrel mérve az Rn ellenállás kapcsain az Un valamint az Rt kapcsain az Ut feszültséget, az ismeretlen ellenállás: Ut Un Ha a mérésre közönséges voltmérőt használunk, alapfeltétel az, hogy a voltmérő beiktatása ne változtassa meg az áramköri viszonyokat, ami akkor teljesül, ha ellenállása legalább két nagyságrenddel nagyobb, mint a mérendő ellenállások. Rt  Rn

Ellenállásmérés Wheatstone-híddal

4.ábra

25

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A mérőhidak az ismeretlen ellenállás nagypontosságú, összehasonlító jellegű mérését teszik lehetővé. A 4.ábrán a Wheatstone-híd elvi kapcsolása látható. A mérendő ellenállás az Rt, a híd többi ellenállásai ismert értékűek. A hidat egyenáramú áramforrás táplálja. Ha az RN ellenállást úgy változtatjuk, hogy a B és D pontok egypotenciálúak legyenek, a hidat kiegyenlítettük. A G galvanométer a kiegyenlített állapotot jelzi. Ekkor: Rt  R N

R1 R2

Kiegyenlített állapotban tehát a híd ismert ellenállásaiból az ismeretlen ellenállás meghatározható. Az ellenálláshőmérők egy-egy hozzávető huzalának ellenállását Rv-vel jelöljük. A huzalok ellenállása mérési hibát okoz. A pontos érték számítható:

Rt  R N 

R1  2 Rv R2

Háromvezetékes Wheatstone híd

5.ábra A háromvezetékes rendszer ( 5.ábra), esetén a megfelelően kiképzett ellenállás-hőérzékelő harmadik vezetékére kapcsoljuk a telep vezetékét, az egyenlet a következőképpen alakul: R1 R2  Rt  R v R N  R v

Rt  R N

 R R1  Rv  1  1 R2   R2

26

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A vezetékellenállás hatása tehát teljesen kiesik a mérésből, ha az R1 és R2 ellenállások egyenlők. Az R1 és R2 ellenállásokat a híd arányellenállásainak nevezzük. Értékük a legtöbb hídon 1, 10, 100, 1000 ohmra beállítható, hogy így az RN érték 1/10-e, 1/100-a avagy 10, 100-szorosa stb. is mérhető legyen. Ha tehát háromvezetékes rendszert használunk, vigyáznunk kell, hogy az R1/R2 viszony 1-re legyen beállítva, s a kiegyenlítő vezetékellenállás RN-nel legyen sorba kötve. Ilyenkor: Rt=RN. Háromvezetékes rendszerben minden Wheatstone-híd használható, avagy erre átalakítható. Megjegyzendő, hogy a híd galvanométer- és telepkörei egymással felcserélhetők, azaz a galvanométer a telep helyére köthető és viszont. FONTOS: A pontosság előfeltétele a három vezetékellenállás egyezése. Ellenállásmérés ohmmérővel

6.ábra Ohmmérőnek nevezzük az olyan mutató műszert, ami lehetővé teszi azt, hogy a mérendő ellenállás értékét a műszer skálájáról közvetlenül leolvassuk. Állandómágneses műszerrel a 6.ábrán vázolt módon alakítanak ki soros ohmmérő kapcsolást. A kör árama:

I

U Rb  Rt

ahol Rb-vel jelöltük a kapcsolás teljes belsőellenállását. A műszer  kitérése kműszerállandó és az I áram függvénye:

  kI 

kU Rb  Rt

Ha biztosítani tudjuk azt, hogy az Rb ellenállás és a tápfeszültség állandó legyen, a műszer kitérése kizárólag az Rt mérendő ellenállástól függ, a skála tehát közvetlenül ennek egységeiben készíthető el.

27


Hányadosmérő műszer

7.ábra Ha az ohmmérő kapcsolását hányadosmérő műszerrel építjük fel, a telep feszültségének kisebb változásai a műszer mutatását nem befolyásolják. Állandómágneses hányadosmérővel többféle kapcsolást alakítottak ki, egyik lehetséges megoldás vázlata a 7.ábrán látható. Ha R1-gyel jelöljük az Rtvel sorbakapcsolt kör, és R2-vel az Rn ismert ellenállással sorbakapcsolt kör ellenállását, a két ág árama:

I1 

U Rn  R1 és

U Rt  R2 Minthogy a hányadosmérő kitérése a két tekercsben folyó áramok hányadosától függ:  R  R2  I     kf  1   kf  t  I2   Rn  R1  A műszer kitérése a tápfeszültségtől független, és amennyiben a kör ellenállásai állandóak, kizárólag Rt-től függ. A műszer skálája közvetlenül a mérendő ellenállás egységeiben készíthető. Az ohmmérők nagy előnye, hogy a mérés egyszerűen, gyorsan végrehajtható, ezért üzemi mérésekre nagyon alkalmasak. Számolni kell azonban azzal, hogy pontosságuk meglehetősen korlátozott, rendszerint nem nagyobb néhány százaléknál, ezért inkább tájékoztató, ellenőrző mérésekre ajánlott. Az ellenálláshőmérő vezetékeinek ellenállása befolyásolja a műszer mutatását. A kalibrálásnál figyelembe kell venni. A készülék csak akkor jelez pontosan, ha a skálán megjelölt (többnyire Rv-vel jelölt) vezetékellenállásra kiegészítjük a hőérzékelő vezetékeinek ellenállását. I2 

28

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Digitális ohmmérő

8.ábra A 8.ábrán digitális ellenállásmérő blokkváltozata látható. A bemeneti fokozat lényegében egy R/U konverter. A bemenetén egy Rt ellenállás van, a kimenetén ezzel arányos Ut feszültséget szolgáltat. Az ellenállás-feszültség konverziót többféleképpen meg lehet valósítani. Az egyik legelterjedtebb megoldás, hogy áramgenerátorral tápláljuk meg a mérendő ellenállást, és mérjük a rajta eső feszültséget. Az áramgenerátor áramából és a rajta eső feszültségből a mérendő ellenállás meghatározható. A bemeneti fokozat feszültségét az A/D konverter digitális jellé alakítja. A feldolgozó egység a jelet értékeli -átalakítja a szükséges formára. Hőmérsékletméréskor a kijelzés történhet közvetlenül C- K-ben …vagy a programozás szerinti más egységekben is. A vezérlő egység a mérési információt interfész egységen keresztül továbbítani tudja. Az ismertetett eljárás (ún. kétvezetékes ellenállásmérés) hátránya, hogy a hozzávezető huzalok ellenállásával többet mérünk. A pontosság javítható négyvezetékes ellenállásméréssel.

29

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Négyvezetékes ellenállásmérés A négyvezetékes ellenállásmérő a bemeneti fokozatban tér el az előbbiekben ismertetett megoldástól.

9.ábra / áramgenerátor: a rákapcsolt ellenállástól függetlenül stabil és pontos áramot ad ki./ A négyvezetékes ellenállásmérés bemeneti fokozatának működése a 9.ábra alapján követhető. I+  Iárambevezető kapcsokon az áramgenerátor mérőáramot hajt keresztül a rákapcsolt ellenálláson. A feszültségérzékelő kapcsokon nagy belső ellenállású (Rbe107) műszerrel mérjük az Rt ellenálláson eső feszültséget. Rv3 és Rv4 vezetékellenállások nem okoznak feszültségmérési hibát, mivel a rajtuk folyó áram rendkívül kicsi nA-A nagyságrendű. Rv1 és Rv2-n eső feszültséget pedig nem mérjük, mivel a feszültségérzékelő kapcsok közvetlenül az Rt-n vannak elhelyezve. Az Rv ellenállások értékeinek eltérése a mérés pontosságát nem befolyásolja.

30


IV. TERMOELEKTROMOS ÁTALAKÍTÓK Alapfogalmak, meghatározások A termoelektromos átalakítók hőmérsékletkülönbség hatására villamos feszültséget szolgáltatnak. Ezért a termoelektromos jelátalakítók aktív átalakítók. A termoelektromos átalakítók működési elvének megértéséhez: Az 1.ábrán az A és B anyagi minőségű huzalok mindkét végét érintkezésbe hoztuk. Az egyik érintkezési pont hőmérséklete: t1 A másik érintkezési pont hőmérséklete: t2

1.ábra Elnevezések: Az 1.ábrán látható kapcsolást termoelemnek (hőelemnek), a magasabb hőmérsékletű csatlakozási pontot melegpontnak, az alacsonyabb hőmérsékletű csatlakozási pontot hidegpontnak nevezzük. UAB(t1)-UAB(t2) 0 Ha az érintkezési helyek különböző hőmérsékleten vannak, a két fémvezető által létrehozott áramkörben villamos áram folyik. A vezetékben keletkező elektromotoros erőt termofeszültségnek nevezzük. A termofeszültség az érintkezési helyek hőfokkülönbségétől és az alkalmazott anyagpártól függ. Adott huzalpár esetén a termofeszültség csak a hőfokkülönbség függvénye. A termofeszültség hőmérséklet függése: A 0 C-hoz viszonyított termofeszültség a következő egyenlettel adható meg:

U AB (t ,0)  t 

 2

t2 

 3

t3

Az érzékenység:

É     t  t2 Látható: Az érzékenység függ a hőmérséklettől, ennek megfelelően a termofeszültség a hőmérséklet nemlineáris függvénye. Az ,  és  állandók meghatározása mérés utján történik. A három ismeretlen kiszámításához három pontban kell a termofeszültséget mérni.

31


1.TÁBLÁZAT Különböző fémek és ötvözetek termofeszültsége a kémiailag tiszta platinával 0 és 100C között. Bármely két fémből alkotott termoelem feszültségét a két fém táblázati feszültségének különbsége adja. Termopotenciális sor Megnevezés Termoelektro- Alkalmazási hőmérsékletek OlvadásJel. ill. pont mos feszültség [C] összetétel [mV] [C] tartós rövid Alumínium Alumel

Al 95% Ni+5%(Al, Si, Mg)

+0,40 -1,02…-1,38

Iridium Kadmium Kobalt Konstantán Kopel Kromel Manganin

Ir Cd Co 60%Cu+40%Ni 56%Cu+44%Ni 90%Ni+10%Cr 84%Cu+13%Mn+2 %Ni+1%Fe Ni 80%Ni+20%Cr Pt 90%Pt+10%Ir 90%Pt+10%Rh Cu Cu Rh C Si Te Fe Fe W

+0,65 +0,90 -1,68…-1,76 -3,5 -4,0 -2,71…-3,13 +0,8

Nikkel Nikróm Platina Platinairidium Platinaródium Réz (tiszta) Réz Ródium Szén (grafit) Szilicium Tellur Vas (tiszta) Vas Wolfram

-1,50…-1,54 +1,5…+2,5 0,000 +1,3 +0,64 +0,76 +0,75 +0,64 +0,25 +44,8 +50,0 +1,80 +1,87 +0,79

1000

1250

1200

1800

600 600 1000

800 800 1250

800 1000 1300 1000 1300 350 350

1100 1100 1600 1200 1600 500 500

2000

2500

600 600 2000

800 800 2500

658 1450

2350 321 1490 1250 1250 1450 910 1452 1500 1770 1083 1967 3570 1420 350 1530 1400 3400

A termoelemek készítését és használatát meghatározó törvények: 1. Homogén áramkörök törvénye: Termoelektromosan egynemű fémekből álló áramkörben csak a hőmérsékletkülönbség hatására nem keletkezik termofeszültség. A termofeszültség csak a választott anyagpártól és a csatlakozási pontok hőmérséklet különbségétől függ. A vezeték mentén kialakuló hőmérsékleteloszlástól független.

32

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag 2. Közbenső vezetők törvénye: Ha a két vezető közé egy vagy több közbenső, fémet építünk, s a csatlakozások hőmérséklete azonos és állandó, akkor a közbenső fém jelenléte nem befolyásolja a termofeszültséget. Ezt nevezik úgy, hogy termikus rövidzár. A törvény megértését egy egyszerű példával szemléltetjük:

2.ábra Ebből a tételből két fontos méréstechnikai következtetés adódik: 1. Termoelemek gyártásakor a termoelemet képező anyagok csatlakozási pontja forrasztható (3.ábra) 2. Ha a termofeszültség mérésére használt mérőműszer termikus rövidzár, akkor a műszer anyaga (kapcsok, tekercs stb.) nem befolyásolja a termofeszültség nagyságát. A termofeszültség mérésének legegyszerűbb módját a 3.ábrán látjuk. 3. Közbenső hőmérsékletek törvénye: A több különböző homogén fémet tartalmazó áramkörben létrejövő termoelektromos erők algebrai összege a csatlakozási pontok hőmérsékletének függvénye. Ha a hőmérséklet nem állandó –másodlagos (parazita) feszültségek keletkeznek. Járulékos termofeszültség nem keletkezik, ha az inhomogenitásos szakaszok végpontjai azonos hőmérsékleten vannak A termoelemes körben folyó áram hatásai: 1. Az ellenállások (a huzalok és a műszer) melegednek (Joule-hatás). 2. Az érintkezési pontok hőmérséklete úgy változik, hogy az a termofeszültséget létrehozó hőmérséklet különbséget csökkenteni igyekszik (Peltier-hatás). A Peltier-hatás azt jelenti, hogy a melegebb érintkezési pont lehűl, a hidegebb érintkezési pont felmelegszik. Az áram fenti hatásai mérési hibát okoznak, ezért pontos mérésnél törekedni kell az áram csökkentésére. Az áram csökkenthető: a. nagy belső ellenállású műszer alkalmazásával, b. kompenzációs feszültség-mérési módszerekkel. A termoelemek anyagai: fém, félvezető.

33

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A gyakorlatban ma fémekből készült termoelemeket használnak. Az anyagkiválasztás fő szempontjai: 1. lehetőleg nagy érzékenység 2. széles alkalmazási hőmérséklettartomány 3. korrózióállóság 4. stabil és reprodukálható mérés biztosítása. A fémek kiválasztását megkönnyíti az úgynevezett termopotenciál-sor ismerete. A termopotenciál-sort az egyes fémek és a tiszta platina között fellépő termofeszültség alapján állították fel. A 1.táblázatban az egyes anyagok és a platina között 0C-100C hőmérsékletkülönbség hatására fellépő termofeszültségeket találjuk. A termoelemek által szolgáltatott feszültség: néhány mV/100 C. A termoelemek belső ellenállás: néhány ohm. Szabvány szerint: A termoelemes körök meleg ellenállását a műszer felől nézve kiegészítő ellenállással 20 ohmra kell beállítani. A félvezető anyagokból, valamint a fém-félvezető kombinációkból felépített termoelemek nagy előnye, hogy érzékenységük jóval nagyobb (~10 szerese), mint a fémből készült termoelemeké, de nemlineárisak nem eléggé stabilak. A leggyakrabban használt termoelem anyagpárosításokat és jelölésüket a 2. táblázatban foglaltuk össze. 2. TÁBLÁZAT TIPUS T J K S

TERMOELEM

ALKALMAZÁSI TARTOMÁNY C -200...600 Cu-Ko  -200...900 Fe-Ko NiCr-Ni -200...1200 PtRh-Pt 0...1500  Ko=Konstantán (60% Cu+40% Ni)

TERMOFESZÜLTSÉG 100C-ra mV 4,25 5,37 4,04 0,64



A meleg ellenállás a felmelegedett huzal ellenállása, ami -természetesen- nagyobb, mint a hidegellenállás. A huzalok hővezetőképessége következtében ugyanis mérés alatt a termoelem anyaga felmelegszik

34

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag A termoelemes (hőelemes) mérőkör elemei:

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Hőelem-huzalpár (pozitív és negatív szál) Érzékelési pont Csatlakozási hely Kompenzációs vezeték (pozitív és negatív szál) Hidegpont Mérővezeték Vezetékkiegészítő ellenállás Jelfeldolgozó egység (mérő-, regisztráló-, szabályozóműszer, távadó stb.)

3.ábra A termoelemek alkalmazásának méréstechnikai problémái A hidegpont hőmérsékletének változása. A mérendő "melegponti" hőmérsékletet mindig a hidegponti hőmérséklethez viszonyítva tudjuk csak mérni, ezért a hidegponti hőmérsékletet állandó értéken kell tartani. Mivel a hidegponti hőmérséklet változása mérési hibát okoz, biztosítani kell, hogy a hidegponti hőmérséklet változása elhanyagolható legyen. A hidegpontot a mérés helyétől távol, külön műszerszobában, stabilizáltan szokták kialakítani. Ezekben az esetekben problémát okozhatnak a hosszú összekötő vezetékek. Ilyenkor kompenzáló vezetéket alkalmazunk. A kompenzáló vezeték olyan ötvözött anyagpár, melynek termoelektromos tulajdonságai 0-200 C között megegyeznek a termoelemével. Olyan olcsó, kis fajlagos ellenállású anyagból készül, amely nem hoz létre inhomogenitást, termoelektromos szempontból, vagyis járulékos termoelem nem jön létre. A kompenzáló vezetéket bevezetjük a kis hőmérséklet ingadozású mérőhelyiségbe, s ott alakítjuk ki a hidegpontot. A hidegpont után rézvezetékkel köthetjük be a mérőműszert.

Dinamikus tulajdonságok A termoelemek -kis tömegük miatt- önmagukban kedvező dinamikai tulajdonságokkal rendelkeznek: időállandójuk néhány másodperc. Alkalmazásokban a termoelemet -a külső hatások elleni védelem

35

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag érdekében- védőszerelvényekben helyezik el. A védőszerelvények jelentősen megváltoztatják a termoelemek kedvező dinamikai tulajdonságait. Megállapítjuk: A védőszerelvénybe helyezett termoelemes mérés dinamikai tulajdonságait alapvető módon a védőszerelvény kialakítása határozza meg.

A termofeszültség mérési módszerei A termoelemek általában csekély feszültséget szolgáltatnak, ezért mérésükhöz igen érzékeny műszerekre van szükség. Három alapvető eljárást különböztetünk meg:

Feszültségmérés állandó mágneses műszerrel (Deprez-rendszerű milivoltmérők) Az állandómágneses voltmérős mérőműszer általában áramot mér, a 3.ábra szerinti elrendezésben. Ha a kör ellenállása állandó, a műszer árama azonos a feszültséggel. A műszer kitérése:

  k U  a kitérés, k arányossági tényező, U mérendő feszültség. A termoelem elektromos ereje U, összellenállása R. A műszer belső ellenállása RM. A körben folyó áram: U I R  RM A műszer kapcsain létrejövő feszültség:

RM R U  U  U R  RM R  RM A műszerre tehát kisebb feszültség jut, mint az elektromotoros erő. UM 

Ha

RRM, akkor UM~U

A hiba csökkenthető, ha a műszer skálázásánál egy meghatározott vezetékellenállást veszünk figyelembe. Értékét a skálán feltüntetik (Rv). A magyar gyártmányú műszereknél ez rendszerint 20, de szokásos kisebb érték is.

Feszültségmérés egyenáramú kompenzátorral Valamely ismeretlen U feszültség mérhető úgy, hogy vele ismert értékű Uk feszültséget kapcsolunk szembe (4.ábra). Az Uk feszültséget a kompenzátor szolgáltatja. A feszültségek egyenlősége esetén a közbeiktatott érzékeny galvanométer nem jelez áramot. Áram nem folyik, olyan mintha a kompenzátor végtelen nagy ellenállású lenne. A kompenzátorok legfőbb elnőnye, hogy a feszültséget terhelés nélkül mérik.

36


4.ábra A kompenzáló Uk feszültséget a kompenzátorok mindegyike ismert ellenálláson átfolyó ismert áram által létesített feszültségeséssel állítja elő. Az egyik legegyszerűbb kompenzációs kapcsolás (5.ábra) a Lindeck-Rothe kompenzátor.

5.ábra Az Uk kompenzáló feszültséget RN etalonellenálláson állítják elő, Rsz szabályozható ellenállás segítségével. Amikor a galvanométer nullát jelez, a termoelem elektromotoros ereje megegyezik az RN etalonellenálláson eső feszültséggel.

Digitális feszültségmérők

6.ábra

37

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Korszerű digitális egyenfeszültségmérő (DVM) blokkvázlata látható a 6.ábrán. A termoelem feszültségét a bemenő fokozat fogadja. A fokozat lényeges eleme a bemenő erősítő. Az erősítő bemeneti impedanciája 107-1012 nagyságrendű lehet. Ez annyira kis bemeneti áramot jelent, hogy gyakorlatilag elhanyagolható, a termoelem elektromotoros erejét tudjuk mérni. A bemenő erősítő erősítését a mérendő feszültség függvényében a vezérlő egység állítja be. A bementei egység kimenő jelét az analóg-digitális átalakító alakítja át digitális információvá. A vezérlő egység a jelet feldolgozza és továbbítja a kijelző, és más egységek felé. A vezérlő egység ismeri a különböző termoelem karakterisztikákat, s így hőmérsékletre konvertálva adja tovább a mérési értéket. Az elérhető pontosság jelenleg  0,001%  1 digit.

38


Fogalomgyűjtemény Ez a fogalomgyűjtemény a mérésügyi adatbázisban alkalmazott, nem közismert fogalmakat ábécésorrendben tartalmazza, és azokra közérthető, rövid meghatározásokat ad. A metrológiai szakkifejezések az "Alapvetõ metrológiai fogalmak nemzetközi értelmező szótára" (International Vocabulary of basic and general terms in metrology) 1993. évi kiadásán és a mérésügyi értelmező szótár (Vocabulary of legal metrology) fogalmain alapulnak.

A akkreditálás annak a hivatalos elismerése, hogy a laboratórium (szervezet) bizonyos szolgáltatás teljesítésére megfelelõen felkészült akkreditálási okirat dokumentum, amely tartalmazza az akkreditált státusz fennállását és azt a területet, amire az akkreditálás vonatkozik akkreditált kalibrálólaboratórium kalibrálólaboratórium, melyet a Metrológiai Akkreditáló Bizottság akkreditált alkalmazott metrológia a mérések gyakorlati elvégzéséhez kapcsolódó metrológiai tevékenység átszármaztatás összehasonlító mérés vagy mérések sorozata, amellyel a mértékegység és a mérési pontosság az etanolról a használati mérőeszközre ismert vagy elõirt bizonytalansággal átvihető

39


B BIML (Bureau International de Métrologie Légale) Nemzetközi Mérésügyi Iroda

BIPM

(Bureau International des Poids et Mesures) Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal

bizonyítvány a hitelesítés vagy kalibrálás eredményét igazoló okirat

E EAL (European Cooperation for Accreditation of Laboratories) Európai Laboratórium-akkreditálási Együttmûködés első hitelesítés a mérőeszköz forgalombahozatala vagy használatba vétele előtt végzett hitelesítés etalon mérőeszköz (ritkán fizikai jelenség), amelynek rendeltetése a mértékegység megvalósítása, fenntartása és más mérõeszközökre való átszármaztatása etalonok nemzetközi összehasonlítása azonos metrológiai minõségû etalonok összehasonlító mérése, melynek célja az etalonok közötti rendszeres eltérés értékének megállapítása

EUROMET (European Cooperation of National Metrological Institutions) az Európai Unió és az EFTA tagállamainak metrológiai együttműködését szolgáló szervezet

H használati etalon etalon, melynek rendeltetése a használati mérőeszközök pontosságának ellenőrzése

40

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag használati mérõeszköz egy vagy több mérhető fizikai mennyiség értékének meghatározására szolgáló mérőeszköz helyhezkötött mérőeszköz mérőeszköz, mely telepítése után nem mozdítható, és amelyet ezért a telepítés helyszínén kell hitelesíteni helyszíni hitelesítés a mérőeszköz telepítésének vagy alkalmazásának helyszínén, nem laboratóriumi feltételek mellett végzett hitelesítés hiteles anyagminta anyagminta, amelynek összetétele vagy tulajdonságai kellő pontossággal ismertek és tanúsítottak ahhoz, hogy vele mérőeszközöket kalibráljanak hitelesítés hatósági eljárás, mely objektíven vizsgálja és tanúsítja azt, hogy a mérőeszköz pontossága a hitelesítési hibahatár követelményének megfelelő hitelesítés tanúsító jele

jogszabályban előirt kivitelű jel (bélyegzőlenyomat, levonóképes bélyeg, címke stb.) mely szemmel láthatóan igazolja, hogy a mérőeszköz hiteles állapota fennáll vagy vélelmezhető hitelesítési elõírás a hitelesítési eljárás eszközeit, feltételeit és végrehajtásának módját szabályozó dokumentum, melyet az OMH bocsát ki hitelesítési hibahatár a hitelesítéskor megengedett legnagyobb (negatív vagy pozitív) hiba, amelynél a mérőeszköz még hitelesíthetőnek minősül

I időszakos hitelesítés a mérőeszköz rendszeres időtartamonként megismétlődő hitelesítése

41


ILAC (International Laboratory Accreditation Cooperation) Nemzetközi Laboratórium Akkreditálási Együttműködés

ISO (International Standard Organisation) Nemzetközi Szabványügyi Szervezet

J joghatással járó mérés mérés, melynek eredménye az állampolgárok és/vagy jogi személyek jogát vagy jogi érdekeit érinti

K kalibrálás a mérőeszköz pontosságának ellenõrzése céljából végzett mérés, ha azt nem hatóság végzi kalibrálási lánc pontosságuk tekintetében hierarchikusan összerendezett átszármaztató mérések sorozata

kirendeltség a mérésügyi hitelesítő hálózat legkisebb szervezetileg elkülönülő része, mely megadott hitelesítő tevékenységet végez az illetékes mértékhitelesítő hivatal felügyelete mellett kötelező hitelesítés (hitelesíttetési kötelezettség) hitelesítés, melyet azzal a céllal végeznek, hogy a mérőeszköz használatát ne kelljen megtiltani

L legális metrológia a magyar mérésügy szónak megfelelõ tartalmat fedő fogalom: a metrológia jogi eszközökkel szabályozott része

42

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag leszármaztatási lánc lásd: kalibrálási lánc

M mérések egységessége a méréseknek az a tulajdonsága, hogy a mérés eredményét a törvényes mértékegység(ek)ben fejezik ki és azonos elvek alapján, előírt módszerrel határozzák meg a mérési bizonytalanságot mérések pontossága a mérésnek az a tulajdonsága, hogy a mérési eredmény kellően közel van a (konvencionális) valódi értékhez

Mérésügyi Közlemények az Országos Mérésügyi Hivatal negyedévenként megjelenő hivatalos kiadványa mérésügyi szervek az Országos Mérésügyi Hivatal (mint központ) és a mértékhitelesítő hivatalok (mint területi szervek) mértékegység megállapodással elfogadott konkrét mennyiség, amellyel az ugyanolyan fajtájú más mennyiségeket összehasonlítják azzal a céllal, hogy kifejezzék az ehhez a mennyiséghez viszonyított arányukat

mértékhitelesítõ hivatal az Országos Mérésügyi Hivatal területi szerve

Méteregyezmény (La Convention du métre) 1875-ben Párizsban megkötött nemzetközi egyezmény, mely elõmozdította az egységes méterrendszer világméretû bevezetését és az ahhoz szükséges nemzetközi intézményrendszert Metrológiai Akkreditáló Bizottság (MAB) a Nemzeti Akkreditáló Testület szakmai akkreditáló bizottsága, amely akkreditálja

43

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag a kalibrálólaboratóriumokat mindendarabos hitelesítés olyan hitelesítés, amely a hitelesítésre bemutatott mérőeszközök tételének minden darabjára kiterjed minősítésre feljogosítás mérésügyi engedélyezési eljárás, amely a nem-mérésügyi laboratóriumot feljogosítja arra, hogy - elõirt feltételek teljesítése esetén - kötelezõ hitelesítésû mérőeszközök idõszakos- és javítás utáni hitelesítést helyettesítő minősítését végezhesse mintavételes hitelesítés hitelesítés, mely a tételből kiválasztott minta alapján von le statisztikai következtetést az egész tétel hitelesíthetőségéről

N Nemzeti Akkreditáló Testület (NAT) a laboratóriumok, a tanúsító és az ellenőrző szervezetek nemzeti akkreditálási rendszerét irányító köztestület nemzetközi etalon nemzetközi megállapodással elfogadott etalon, mely arra szolgál, hogy az adott mennyiség más etalonjai értékmegállapításának nemzetközi alapja legyen

Nemzetközi Mértékegység-rendszer (Le Systéme International d’Unités) a CGPM által elfogadott koherens mértékegység-rendszer, rövid neve: SI

O OIML Organization Internationale de Métrologie Légale) Nemzetközi Mérésügyi Szervezet országos etalon nemzeti döntéssel elfogadott etalon, mely arra szolgál, hogy az adott mennyiség más etalonjai értékmegállapításának alapja legyen

44


R referencia etalon adott helyen vagy adott szervezetben a legmagasabb metrológiai minőségű etalon, amelyről az ott végzett méréseket származtatják

S SI (Le Systéme International d’Unités) lásd: Nemzetközi Mértékegység-rendszer

T típusvizsgálat egy vagy több azonos típusú mérõeszközön elvégzett, a típusengedélyezéshez szükséges vizsgálat törvényes mértékegység mértékegység, melyet a nemzeti mérésügyi jogszabály törvényesként határoz meg

tudományos metrológia a metrológiának a méréselmélettel, az új etalonok kifejlesztésével és a fizikai állandók meghatározásával foglalkozó ága

V Visszavezethetőség az etalonnak vagy a mérési eredménynek az a tulajdonsága, hogy megszakítatlan kalibrálási láncon keresztül a nemzeti vagy nemzetközi etalonig visszakövethetõ

45


Fontosabb metrológiai alapfogalmak

Metrológia: A mérésre vonatkozó ismeretek összessége. Méréstechnika: A metrológiának a mérés gyakorlati megvalósításával foglalkozó része. Mérésügy: A metrológiának a mértékegységek meghatározásával és etalonjaival, továbbá mérésekre és mérőeszközökre vonatkozó szabályokkal és ezek megtartásának ellenőrzésével foglalkozó része, amely tudományos, műszaki, hatósági, jogi és igazgatási jellegű ismereteket, illetve tevékenységeket foglal magában. A mérésügy országos hatáskörű irányító és ellenőrző hatósága Magyarországon az Országos Mérésügyi Hivatal (OMH). Mérés: Tervszerűen végrehajtott gyakorlati tevékenységek összessége, amelyekkel valamely fizikai vagy kémiai mennyiség nagyságának jellemzésére alkalmas, a választott mértékegységben kifejezett számértéket kapunk. Mérendő mennyiség: A méréssel meghatározandó mennyiség. Mértékegység: A mérendő mennyiségnek az az értéke, amelynek számértéke megállapodás szerint 1. Mennyiség értéke: A számérték és mértékegység szorzata. Mennyiség számértéke: Szám, amely megmutatja, hogy a mérendő mennyiségben hányszor van meg a választott mértékegység.

46

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Mérési elv: A mérés alapjául szolgáló fizikai jelenség (összefüggés). Mérési módszer: A mérési elv és a mérőeszközök alkalmazásának módja. Példák: Alapmérés. Összehasonlító (komparáló) mérési módszer. Nullázó mérési módszer. Analóg mérési rendszer: A módszer a mérendő mennyiségekhez folytonosan változó mennyiségeket rendel. Teljes szigorúsággal ez csak ideális esetben teljesül. Digitális mérési módszer:

A módszer a mérendő mennyiségekhez egymástól adott lépésnagyságokkal különböző kvantált - mennyiségeket rendel. Mérések megismételhetősége: Ugyanazon mérendő mennyiségen több, megismételt méréssel kapott mérőszámok egymással való megegyezése, ha a méréseket egyforma feltételek mellett végezték, vagyis: - ugyanazzal a mérési módszerrel, - ugyanazokkal a mérőeszközökkel (mérőműszerekkel), - ugyanaz a személy, ugyanabban a helyiségben, - a mérések tartamához képest rövid idő alatt (vagyis egymást követően), - a befolyásoló mennyiségek a gyakorlatnak megfelelő állandó értékei mellett. Megjegyzés: A mérések megismételhetőségét rövididejű stabilitásnak is nevezik.

47

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Mérések reprodukálhatósága: Ugyanazon mérendő mennyiségre több méréssel kapott mérőszámok egymással való megegyezése, ha az egyes méréseket különböző feltételek mellett végezték, vagyis: - különböző mérési módszerekkel, - különböző mérőeszközökkel (mérőműszerekkel), - különböző személyek, különböző mérőhelyeken, - a mérések tartamához képest elég nagy időközben, - különböző használati feltételek között. Mérések pontossága: Mérés jellemzője, amely megmutatja, hogy egy adott mérendő mennyiségre kapott érték a mérendő mennyiség valódi értékének közelébe esik. A MINISZTERTANÁCS 8/1976 (iv.27) SZÁMÚ RENDELETE A MÉRÉSÜGYRŐL (KIVONAT). A nemzetközi mértékegység-rendszer mértékegységei: (SI Systeme International). A nemzetközi mértékegység-rendszer mértékegységei: A. az alapegységek, B. a kiegészítő-egységek, C. a származtatott egységek. A.

A nemzetközi mértékegység-rendszer alapegységei: a - méter, a hosszúság mértékegysége b - kilogramm, a tömeg mértékegysége c - másodperc, az idő mértékegysége d - az amper, az elektromos áramerősség mértékegysége e - Kelvin, a termodinamikai hőmérséklet mértékegysége f.- mól, az anyagmennyiség mértékegysége g - kandela, a fényerősség mértékegysége

B.

jele: m jele: kg jele: s jele: A jele: K jele: mol jele: cd

A nemzetközi mértékegység-rendszer kiegészítő egységei: a - a radián, a síkszög mértékegysége b - a szteradián, a térszög mértékegysége

jele: rad jele: sr

A nemzetközi mértékegység-rendszer egységei (példák).

48

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Hosszúság: A hosszúság mértékegysége a méter

jele: m

A méter a kripton-86-atom 2p10 és 5d5 energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő, vákuumban terjedő sugárzás hullámhosszúságának 1 650 763,73-szorosa. Tömeg: A tömeg mértékegysége a kilogramm

jele: kg

A kilogramm az 1889. évben Párizsban megtartott Első Általános Súly- és Mértékügyi Értekezlet által a tömeg nemzetközi etalonjának elfogadott, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatalban, Sevres-ben őrzött platina-irídium henger tömege. Termodinamikai hőmérséklet: A termodinamikai hőmérséklet mértékegysége a Kelvin

jele: K

A Kelvin a víz hármaspont termodinamikai hőmérsékletének 1/273,16-szorosa. Hővezető képesség: A hővezető képesség mértékegysége a watt per méterkelvin  W.m-1 .K-1.

jele: W/(m.K) vagy

A watt per méterkelvin olyan homogén anyag hővezető képessége, amelynek két, egymással párhuzamos, egymástól 1 méter távolságban levő sík rétege között, 1 Kelvin hőmérsékletkülönbség hatására, a réteg felületének 1 négyzetméterén 1 másodperc idő alatt 1 joule hőmennyiség halad át. Hitelesítési kötelezettség: Az olyan mérésekre, amelyekhez valamilyen joghatás fűződhet, hitelesített mérőeszközt kell használni. A kötelező hitelesítésű mérőeszközök és a mérésügyi szempontból ezekkel egy tekintet alá eső egyéb eszközök, felsorolását a rendelet 2. számú melléklete tartalmazza. Mérésügyi ellenőrzése: A mérésügyi szervek jogosultak a mérőeszközök előállítása, forgalombahozatala, javítása és használata során a mérésügyi jogszabályok megtartásának ellenőrzésére.

49

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Jelátalakító A fizikai-kémiai (egyéb) mennyiségek átalakítására szolgáló eszközöket jelátalakítóknak nevezzük. Jelváltó Ha a jelátalakító bemeneti és kimeneti mennyisége azonos dimenziójú, akkor jelváltóról beszélünk. (pl. transzformátor feszültség-feszültség, fogaskerék áttétel fordulatszám-fordulatszám)

Mérőátalakító Azt a jelátalakítót, mely közvetlen kapcsolatban van a mérendő jellel mérőátalakítónak nevezzük. Karakterisztika (jelátalakítók) A bementi és kimeneti mennyiségek közötti kapcsolatot leíró, bemutató összefüggést karakterisztikának nevezzük. Statikus karakterisztika Ha a karakterisztikát állandó be- és kimenőjelekkel határozzuk meg, statikus karakterisztikáról beszélünk. Dinamikus karakterisztika Ha a karakterisztikát úgy határozzuk meg, hogy a bemeneti mennyiség időben változik, dinamikus karakterisztikáról beszélünk. Időfüggő differenciálegyenlet adja meg a pontos kapcsolatot. (Nehéz meghatározni.) Érzékenység A jelátalakító érzékenységét a statikus karakterisztika alapján definiáljuk. Az érzékenység a statikus karakterisztika meredeksége:

É

K  dK    B  dB 

Ha statikus karakterisztika megadható matematikai függvénnyel, akkor az érzékenység az első differenciálhányados. (pl: statikus karakterisztika K=C·B2 , az érzékenység É=2CB.)

50

Hőtechnikai laboratórium Oktatási segédanyag Beállási idő TB Az az idő, amely a bemenőjel egységugrásnyi megváltozásától –addig eltelik, amíg a kimenőjel az előírt hibasávon belül megközelíti a végleges értékeket. A beállási idő függ: - a jelátalakító fizikai tulajdonságaitól (kimeneti mennyiség időfüggvénye) - a választott hibaintervallumtól Félérték idő, felezési idő Tf

A bemenőjel egységugrásnyi megváltozásától eltelt idő, amíg a kimenőjel a végleges kimenőjel 50%-t eléri.

Időállandó T Időállandónak azt a T időtartamot nevezzük, amely mellett az exponenciális kifejezés kitevőjének abszolút értéke éppen 1. (e-t T=1) Ezen időszak alatt az exponenciális kifejezés értéke e-ed részére csökken, ill. nő. Idő állandó az az idő, mely alatt a kimenő jel a változás kezdeti sebességével futná be a változás teljes

B B2 B1 K2

K1

K 1/e

T

T

T

tartományát.

51


Szakirodalom jegyzék

Szabványok: Metrológiai alapfogalmak

MSz 18200-73 MSz 18200-73K

A Minisztertanács 8/1976. (IV.27.) számú rendelete a mérésügyről (Magyar Közlöny) Ellenállás hőmérők Hőelemek Kompenzációs vezeték hőelemhez Hőelemes érzékelők és ellenállásos hőérzékelők. Védőszerelvények Ált. beszerzési előírások Mérőhely-átkapcsoló hőelemekhez és ellenállás hőmérőkhöz

MSz MSz MSZ MSz

14010/1,2,3,4-76 11290/1,2-75 11295-73 11297-66

MSz 11298 R MSz 13991-54

Szakkönyvek: Fülöp Z.: Helm L.. Nagy D.:

Hőtechnikai alapmérések Ipari folyamatok műszerezése Hőmérsékletmérés

Folyamatszabályozási Tsz. Munkaközössége: Ipari folyamatok méréstechnikája és műszerei. Jelátalakítók. Schmidt-Kuzma: A termisztor Hargittay Emil: A hőmérséklet mérése D. Hofmann: Az ipari méréstechnika

52


Összefoglaló kérdések. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28.

A környező levegő állapotának jellemzői? Légnyomásmérő eszközök? Higanyos barométer működése, hibaforrásai? Relatív-, abszolút nedvességtartalom? Nedves-, harmatponti hőmérséklet? Fémrugós v. aneroid barométer? Levegő nedvességtartalmának mérési módszerei? Folyadéktöltésű hőmérők, előnyeik, hibaforrásaik? Hőmérsékletfüggő ellenállások? Fém ellenállás-hőmérők? Félvezető ellenállás-hőmérők? Ellenállás-mérési módszerek? Négyvezetékes ellenállásmérés lényege, előnyei? Termoelektromos átalakítók? Mitől függ a termofeszültség és mitől nem függ? Termopotenciális sor? Homogén áramkörök törvénye? Közbenső vezetők törvénye? Közbenső hőmérsékletek törvénye? Termoelem típusok jellemzőkkel, termoelemes mérőkör elemei? Termoelemek alkalmazásának méréstechnikai problémái, kompenzáló vezeték? Termofeszültség mérési módszerei? Kalibrálás, Nemzetközi Mértékegység Rendszer(SI), törvényes mértékegység? Metrológia, méréstechnika, mérés? Analóg-, digitális mérési módszer? Statikus karakterisztika, érzékenység? Beéllási idő, félérték idő? Időállandó?

53

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK HŐTECHNIKAI LABORATÓRIUM OKTATÁSI SEGÉDANYAG

Recommend Documents