FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc.
EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 3. Měření teplot OSNOVA 3. KAPITOLY ● ● ● ● ● ● ● ●
Úvod do problematiky měření teplot Dilatační teploměry Tlakové teploměry Odporové teploměry Termoelektrické teploměry Radiační teploměry Dotykové teploměry Ochrana a zabudování teploměrů
Teploměry ve strojovně nízkoenergetického domu
ÚVOD DO PROBLEMATIKY MĚŘENÍ TEPLOT Teplota t [°C], T [K] je základní fyzikální veličinou, je makroskopickým projevem tepelného pohybu molekul v látce. Platí:
T = t + 273,15
Teplota je skalár, určuje stav soustavy a patří mezi měřitelné stavové veličiny.
Teplota mění vlastnosti látek, což se využívá k měření
Pro účely měření byl formulován Nultý zákon termodynamiky:
Z tohoto pohledu rozlišujeme
Je-li
TA=TC a TB=TC,
pak také TA=TB Při měření teplot je třeba vždy zajistit tepelnou rovnováhu
● ● ● ● ● ● ●
dilatační teploměry odporové teploměry termoelektrické teploměry tlakové teploměry radiační teploměry krystalové teploměry a jiné 2
DILATAČNÍ TEPLOMĚRY - 1 DILATAČNÍ TEPLOMĚRY DĚLÍME NA: ● Teploměry kapalinové ● Teploměry s pevnou látkou ● Teploměry plynové
Konstrukce kapalinových teploměrů
DILATAČNÍ TEPLOMĚRY KAPALINOVÉ Nejistoty od 0,2 do 2 K ● Rtuťové (vhodná roztažnost, tepelná vodivost, stlačitelnost, neprůhlednost, teplota tání -39 °C, varu 357 °C. Bod varu lze zvýšit přídavným tlakem nad hladinou do hodnoty 750 °C) ● Etanolové (-110 až +70 °C) S mezijímkou Tyčinkový ● Toluolové (-90 až +100 °C) ● S pentanovou směsí (-200 až +30 °C) Kontaktní Obalový ● Cínové (až do +1500 °C) s 1 teploměrná nádoba, 2 kapilára, porcelánovou či platinovou trubicí 3 koncová jímka, 4 stupnice, ● Galliové (-15 °C až +1000 °C) s 5 mezijímka, 6 ovládací hlavice, 7 matice, 8 šroub, 9 Pt drátek kapilárou z taveného křemene 3
DILATAČNÍ TEPLOMĚRY - 2 Korekce teploty na vyčnívající sloupec:
Δt βr βs ht x t 0
Korekční člen
br –bs [K-1] relativní objemová roztažnost h [m] tx [°C] t0 [°C]
teploměrné kapaliny ve skle vyčnívající sloupec měřená teplota teplota okolí
Výsledná teplota
t t X Δt
Kapalina
t0 [°C]
(br -bs ).10 6 [K-1] do 200 [°C]
Rtuť
< 100 100 až 200
158 161
Toluol
-80 až +20
1000
Etanol
-80 až +20
1000
Pentan
-60 až +20
1300
Amalgam thalia
-60 až +30
179
Relativní objemové roztažnosti teploměrných kapalin ve skle 4
DILATAČNÍ TEPLOMĚRY - 3 DILATAČNÍ TEPLOMĚRY VYUŽÍVAJÍCÍ ROZTAŽNOST PEVNÝCH LÁTEK Tyčové teploměry - monometalické Mosaz Invar Pouzdro s vysokou teplotní roztažností (mosaz, ocel, zinek) a tyč s malou roztažností (invar = 36% Ni, 64% Fe). Použití v regulační technice. Bimetalické teploměry - dvoukovové Dva kovové pásky (svařené a rozválcované) s rozdílnými součiniteli délkové roztažnosti (např. mosaz a invar). Použití v regulační technice a indikačních přístrojích. DILATAČNÍ TEPLOMĚRY PLYNOVÉ Teploměry stejnotlaké - V důsledku změny teploty se mění objem. 5
TLAKOVÉ TEPLOMĚRY V praktických aplikacích je jednodušší udržovat v senzoru teploty konstantní objem, proto se častěji setkáváme s plynovými teploměry tlakovými. TLAKOVÉ TEPLOMĚRY - PLYNOVÉ, KAPALINOVÉ A PARNÍ ● Plynové teploměry tlakové Naplněné „ideálním plynem“ Kovová baňka Měření tlaku vodíkem, heliem, neonem, dusíkem, vzduchem. p = f(T) Používají se např. v chladicích boxech, ledničkách aj. ● Kapalinové teploměry tlakové Naplněné rtutí, methylalkoholem apod. Mají velkou přestavující sílu, a proto jsou vhodné pro registraci a regulaci. ● Parní teploměry tlakové - thalpotasimetry Naplněné kapalinou - éter, freon, kysličník siřičitý, rtuť, nad níž je nasycená pára. 6
ODPOROVÉ TEPLOMĚRY Elektrický odpor se mění s teplotou R0 [] a [K-1]
a>0 a<0
R R0 1 α t t 0
Senzory vodičů: Drát 1m, 0,01 - 0,1 mm, na keramické či slídové kostře. Odporový pro vodiče (Pt, Ni, Pd, Au, Ag) pásek. Tělísko pro termistory PTC Senzory polovodičů: Perličky pro termistory NTC zatavené ve skle - citlivé odpor při teplotě t0 teplotní součinitel odporu
Teplota vzduchu se měří teploměry stíněnými vůči tepelnému záření okolního prostředí.
Teploměr THERM-AMR se senzorem Pt100 a přesností až 0,03 K 7
TERMOELEKTRICKÉ TEPLOMĚRY - 1 Termoelektrické teploměry - termočlánky DT = f (U) Senzor = dva různé spojené vodiče. V agresivním prostředí se používají plášťové termočlánky (plášť z nerezavějící oceli, inconelu apod.). Příklady značení termoelektrických senzorů dle ČSN 25 8304 T Cu - CuNi -200 až 400 °C J Fe - CuNi -200 až 900 °C rs E NiCr – CuNi -200 až 900 °C K NiCr - NiAl -200 až 1300 °C Přesnost laboratorních měření je až 0,2 K
Referenční spoje
Schéma zapojení termočlánků a) přímé
b) diferenční
c) sériové
8
TERMOELEKTRICKÉ TEPLOMĚRY - 2 Měření teplotních polí pomocí sítě termočlánků v tepelných, sterilizačních a klimatizačních komorách.
9
TERMOELEKTRICKÉ TEPLOMĚRY - 3 Napojením soustavy termočlánků na počítač a zviditelněním lze získat ucelenější informace o teplotním poli v prostoru. Teplotní pole při zátopu v místnosti v čase 0 až 5 min měřené soustavou 61 termočlánků
Konvektor 450 W Teplota el. spirál 70 °C
Radiátor 1850 W Povrchová teplota 90 °C
10
RADIAČNÍ TEPLOMĚRY - 1 Radiační teploměry slouží pro bezdotykové měření především povrchových teplot. Mají obvykle dobré dynamické vlastnosti, ale nejistoty měření mohou být až desítky K. Rozdělení radiačních teploměrů a) Jasové pyrometry Porovnávají záření části objektu s vláknem žárovky - jas se řídí žhavicím proudem, nebo šedým klínem b) Pyrometry na celkové záření Soustřeďují energii vyzářenou objektem do jednoho bodu, kde je termočlánek či jiný teploměr c) Pyrometry pásmové Viz předchozí, ale selekce pásma vlnových délek je pomocí filtrů, selektivních detektorů - fotonky, fotočlánky, fotodiody, fototranzistory, fotorezistory). Uplatnění tam, kde mezi pyrometrem a přístrojem je prostředí s absorpčními pásmy. 11
RADIAČNÍ TEPLOMĚRY - 2 Často se můžeme v praxi setkat s pyrometry na celkové záření a s pyrometry pásmovými. Reagují na hustotu zářivého toku E [W.m-2] (tepelného toku), viz Stefanův – Boltzmannův zákon
E ε σ 0 T 4
Radiační teploměr TESTO
V rovnici značí 0 = 5,669.10-8 Wm-2K-4 Stefanovu – Boltzmannovu konstantu Teploty povrchu TW [K] se určí ze vztahu T
W
e [-]
n
E 1 ε T
n R
k
ε
poměrná zářivost TR [K] radiační teplota okolí n [-] exponent závislý na rozsahu vlnových délek a teplot
Na stejném principu pracuje také termovize, viz další přednášky, kde uvedený vztah bude odvozen. 12
DOTYKOVÉ TEPLOMĚRY Dotykové teploměry slouží pro orientační měření teplot povrchů a pro servisní měření. Bývají vybaveny speciální dotykovou hlavou, zajišťující stejnou přítlačnou sílu, přičemž senzor musí mít malou tepelnou kapacitu a malou časovou konstantu.
Opěrky Dotyková hlava Planžeta
Dotykový teploměr TESTO
Senzor
13
Ochrana a zabudování teploměrů Ochrana před mechanickým a chemickým působením prostředí umístěním do jímek. Kovové jímky = dlouhé tenkostěnné > 300 mm trubky. Malý senzor zaléván vodou, olejem či cínovou pájkou. Termočlánkový a odporový senzor Zabudování jímek do potrubí musí být elektricky izolován. Ochrana před tepelným zářením okolního prostředí (stíněním, umístěním v prostoru) Dokonalý styk senzoru s měřeným objektem (zabudování do povrchu nebo dotyková hlava s opěrkou, planžetou a senzorem) Vodiče senzoru (i celý teploměr) by měly být vedeny po izotermě
14
