Hőmérséklet mérése Sarkadi Tamás
Hőtáguláson alapuló hőmérés Gázhőmérő Gay-Lussac törvények
V1 V2 T1 T2
P1 P2 T1 T2
Előnyei: Egyszerű, lineáris
V1 V 2 T2 T1
P2 T2
P1 T1
Érzékeny: dT=1C°
dV=0,33%
Széles hőmérséklettartomány (He: 4K-…)
Hátránya: Nyomásérzékeny
Hőtáguláson alapuló hőmérés Folyadékhőmérő Térfogati hőtágulás:
V VT Higany: B=0,000181 1/C° Olvadáspont: -38,7 C° Forráspont: 357 C° Alkohol: B=0,0011 1/C° Olvadáspont: -110 C° Forráspont: 50 C° Galinstan: Gallium+Indium+Ón Olvadáspont: -19 C° Forráspont: 1300 C°
Előnyei:
Kompakt, nyomásfüggetlen Hátránya: B kicsi => kis érzékenység Méréstartományt korlátozza az olvadás és forrás Nemlineáris (pl: Víz)
Hőtáguláson alapuló hőmérés Szilárd test hőmérő
Bimetall hőmérő:
Lineáris hőtágulás
l l T
Előnyei: Nagy erőt képes kifejteni
Vas: a=0,0000118 1/C°
Hátránya: a kicsi => kis érzékenység
Réz: a=0,0000168 1/C° Alumínium: a=0,0000239 1/C°
Bimetall hőmérő
Ellenálláshőmérők Fém ellenálláshőmérők: Ellenállás hőmérsékletfüggése: ~lineáris, hőmérséklet növekedésével nő
R R0T
R
Platina: a=0,004 1/C° ro=1*10-7 Ohm / m Réz: a=0,004 1/C° ro=1,5*10-8 Ohm / m
Milyen a jó ellenálláshőmérő? -a legyen nagy -legyen lineáris B=0 -legyen nagy R0 -kis hőkapacitás=>gyors (0,05 s)
Nikkel: a=0,0061 1/C° (nemlineáris) ro=7*10-8 Ohm / m
R R0T R0T 2
-mérőáram ne melegítse jelentősen az ellenálláshőmérőt!
Ellenálláshőmérők Félvezető ellenálláshőmérők (Termisztorok) Anyaga: Germánium
Ellenállás hőmérsékletfüggése: exponenciális, a hőmérséklet növekedésével csökken:
E R R0 exp kT Előnye a fém ellenálláshőmérőhöz képest:
Szobahőmérsékleten érzékenyebb: a=0,01…0,1 1/C°
E R R0 exp R0 1 T kT T 20C o Hátránya: Kis hőmérséklettartomány: -50… 100 C°
Ellenálláshőmérők Mérőáramkörök:
Hídkapcsolás:
V
R R(T)
G
R U
A R(T)
U
Nagy (~0,1…1 mA) folyik az áramkörben Melegíti az ellenálláshőmérőt
Rs=R(T) Galvanométer kinullázása az Rs szabályozható ellenállással
Galvani-feszültség Fémkontaktus
Zárt hurok két eltérő anyagú vezetőből
Potenciál helyfüggése Potenciál helyfüggése a zárt görbe mentén
Kontaktpotenciálok: Uk12=Uk21
Seebeck effektus Kontaktpotenciál hőmérsékletfüggő
Demonstráció:
Alkalmazás: Biztonsági tűzhely
Seebeck effektus Kontaktpotenciál hőmérsékletfüggő
Elektromotoros erő:
Közelítőleg a hőmérséklet
lineáris függvénye
Alfa: függ a két fém anyagi minőségétől.
Termopotenciális sor Mérés: Platina X fém
Anyag
Pt
Vas
+1,5 mV/C°
Réz
+0,76 mV/C°
Alumínium
+0,4 mV/C°
Platina
0 mV/C°
Nikkel
-1,5 mV/C°
Konstantán (réz-nikkel)
-3,5 mV/C°
X fém
Vas+konstantán ΔT=100 C° 0,0015-(-0,0035)*100=0,5 V
A jó termoelem A két fém kiválasztása:
- -Pt2 legyen nagy Pt1
-Két kontaktus közti hőmérsékletkülönbség legyen nagy -Olvadáspont legyen magas
-Elektromos vezetőképesség legyen nagy -Hővezető képesség legyen kicsi (termikus rövidzár) hőáram Félvezető termoelem:
αSzilícium =44 mV /C°
Peltier effektus Peltier effektus a Seebeck effektus inverze: Seebeck effektus: Hőmérséklet különbség => Áram
Peltier effektus: Áram => Hőelvonás, hőleadás a kontaktusokon Processzor hűtés:
I
Hőleadás:
Hőelvonás:
Kontaktus melegszik
Kontaktus hűl
Termoelem, mint hőerőgép Ideális esetben:
U Hatásfok: Mint az ideális hőerőgép esetén (Carnot ciklus):
A Fogyasztó: P=UI
Tm Th Tm
Seebeck eff. miatt áram indul
-Melegítjük
-Peltier eff. miatt hűl
TM
TH
-Hűtjük
-Peltier eff. miatt melegszik
Termoelem, mint hőerőgép Valóságban:
U
A Hatásfok: Fogyasztó: P=UI
Tm Th Tm
Hővezetés (termikus rövidzár)
-Melegítjük
-Peltier eff. miatt hűl
TM
TH Joule-hő
-Hűtjük
-Peltier eff. miatt melegszik
Termoelem, mint hőmérő Hőmérséklet különbség mérésére alkalmas:
U
T0=0 C° referencia hőmérséklet alkalmazásakor: U T Előnyök: Nagy felbontás: Vas-konstantán elem; 10 mikrovoltos érzékenység: 0,002 C° felbontás
Gyorsaság (kis hőkapacitás) Ügyelni kell rá:
Kis mérőáram: (Peltier eff. Módosítja a termoelem Olvadó jég: T=?
T0=0 C°
hőmérsékletét)
Korrózió védelem
Spontán polarizáció Közönséges szigetelők: Diptólusok közt nincs kitüntetett irány
Külső elektromos tér hatására: polarizáció E
Dipólusok rendeződnek
Elektromos tér kikapcsolása után: Visszaáll az eredeti állapot
A rendezetlen állapot energetikailag kedvezőbb
Spontán polarizáció:
Polarizált állapot külső elektromos tér nélkül
A rendezett állapot energetikailag kedvezőbb
Piroelektromos jelenség Polarizáltsági fok hőmérsékletfüggő:
T1< Rendezett Anyagok: Gallium nitrit: GaN Cézium nitrát: CsNO3
Piroelektromos hőmérő Hőmérséklet-változás mérésére alkalmas:
Áram arányos a hőmérséklet változás sebességével:
dT I~ dt
Fémelektródák
Alkalmazás: Hősugarak detektálása, infra (mozgás) érzékelők, hőkamerák
Hőmérsékleti sugárzás Nap
Hő+fehér fény
izzó vas T=1000K
Radiátor
hő
T=330K
Jég T=273K
hő
Kisugárzott teljesítmény nő
Hőmérséklet nő
Hő+piros fény
Kisugárzott elektromágneses sugárzás hullámhossza csökken
T=6000K
Elektromágneses spektrum
Hőmérsékleti sugárzás Planck-féle feketetest sugárzás:
I ( , T )
2hc2
5
1 hc exp 1 kT
h= Planck állandó c= fénysebesség
k= Boltzmann állandó Wien-törvény:
1 m ~ T
Ahol:
I max I (m , T )
Hőmérséklet
szín
Stefan-Boltzmann törvény: 4 Ahol: J ~ I ( ) d
J T
0
Hőmérséklet
teljesítmény
Infravörös hőmérő Fekete test hőmérsékletének meghatározása az általa kibocsátott infravörös sugárzás intenzitásának mérésével:
T=?
IR Optika
I~
dT dt
Piroelektromos detektor
Detektált teljesítmény
Tárgy
Stefan-Boltzmann törvény:
J T 4
Hőmérséklet Előny: Távmérés
IR optika: Lencse, ablak: Germánium, Cink Szelenid, Kősó (higroszkópikus) Tükör: Arany
Infravörös hőmérő Mérés nehézségei:
Stefan-Boltzmann törvény
-Háttérsugárzás (T~=T0)
Szürke test esetén:
Környezet T0
Tárgy
T=?
Háttérsugárzás
Piroelektromos detektor
Detektált teljesítmény
-Szürke test sugárzás
J eT
4
e anyagfüggő állandó
Hőmérséklet
Infravörös hőmérő Megoldás: Több detektor IR szűrő 1 Tárgy
Planck-féle sugárzási törvény
1 2 3
IR Optika IR szűrő
2
T=? IR szűrő 3
Minél több hullámhosszon ismert a Planck görbe, annál megbízhatóbb a mérés
Termokamerák Piroelektromos vagy félvezető detektormátrix Tárgy
Hőtérkép
IR optika
Leképzés (hamis színezés) (kb 256x256 pixel)
Termokamerák Alkalmazások:
Éjjellátás
Épület energetika
Orvos diagnosztika
Gépészeti energetika
Meteorológia
