Temat nr 19 Metody pomiaru temperatury Tomasz Fiedorek Dawid Bogdał Wydział Górnictwa i Geoinżynierii Kierunek Górnictwo i Geologia Rok 1 mgr, grupa 1 Kraków 13.05.2015 www.agh.edu.pl

Plan prezentacji Wprowadzenie Skale termometryczne Rodzaje pomiarów wraz z przyrządami Wnioski Bibliografia

Wprowadzenie Temperatura - to wielkość fizyczna, która zaliczana jest do grona podstawowych parametrów stanu w nauce o energii, jaką jest termodynamika. Wielkość ta jest miarą pozwalającą określić stopień nagrzania ciał. Temperatura to ściśle powiązana wartość ze średnią energią kinetyczną zarówno ruchu jak i drgań wszelkich cząsteczek, które wchodzą w skład konkretnego układu. www.agh.edu.pl

Wprowadzenie Gallileusz (w latach 1592 – 1603) – wynalazł urządzenie nazywane dziś TERMOMETREM Ok. 1650 r. Na Florenckiej Akademii Nauk, skonstruowano termometr z zasklepioną rurką zaopatrzony w podziałkę. www.agh.edu.pl

Wprowadzenie H. Fabri w 1669 roku przyjął pierwsze stałe punkty termometryczne: temperaturę śniegu i temperaturę największego upału w lecie. C. Rinaldini z Padwy w 1693 roku zmienił stałe punkty termometryczne na: temperatura topniejącego lodu i wrzącej wody . E. Halley w 1693 roku pierwszy zastosował rtęć jako ciecz termometryczną.

Wprowadzenie D. Fahrenheit w 1724 roku stworzył własną skale pomiaru temperatury która jest stosowana do dziś w niektórych krajach np. USA, Kajmany, Bahama. A. Celsjusz w 1742 r. opracował swój pierwszy termometr rtęciowy i opracował do niego skale pomiaru temperatury, która jest stosowana powszechnie do dziś. 1854r. uczony Lord Kelvin (W. Thomson) podał założenia termodynamicznej skali temperatury.

Skale termometryczne Skala Kelvina Jednostka układu SI, oznaczenie: K Punktem zerowym w skali Kelvina jest 0 bezwzględne, odpowiadające temperaturze w skali Celsjusza -273.15° C. Przejście ze skali Celsjusza na bezwzględną skalę: K = t °C + 273,15. Skala rzadko jest stosowana w praktyce meteorologicznej. W tej skali nie mogą wystąpić ujemne temperatury!

Skale termometryczne Skala Celcjusza oznaczenie: °C: Punktem zerowym jest punkt potrójny wody, Uzyskano wymiar 1° dzieląc na 100 równych części interwał temperatury między punktem zerowym, a punktem wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu. Przejście ze skali Celsjusza na skalę Fahrenheita: t°F = (1.8 * t°C) + 32.

Skale termometryczne Skala Fahrenheita oznaczenie: °F. Punktem zerowym tej skali jest temperatura zamarzania mieszaniny salmiaku i lodu a temperaturę wrzenia wody określono na 212°F. Przejście z Fahrenheita na skalę Celsjusza  przeprowadza się za pomocą formuły: t°C = (5/9)*(t°F - 32). Skala Fahrenheita jest powszechnie stosowana w USA

Metody pomiarów Pomiar temperatury może być realizowany na wiele sposobów. W zależności od interakcji pomiędzy badanym obiektem pomiarowym , a czujnikiem pomiarowym wyróżnić można: Pomiar dotykowy (pomiar kontaktowy)-po przez kontakt z powierzchnią badanego ciała. Pomiar bezdotykowy (pomiar bezkontaktowy)-bez kontaktu z powierzchnią badanego ciała

Klasyfikacja przyrządów do pomiaru temperatury

Przyrządy służące do pomiaru temperatury Przyrządy służące do pomiaru temperatury powietrza noszą ogólną nazwę termometrów lub termografów. W meteorologii stosuje się kilka podstawowych grup przyrządów, wśród  których wyróżnia się miedzy innymi: Termopary Termometry rezystancyjne, oporowe Termometry półprzewodnikowe Pirometry Termometry bimetalowe Termometry cieczowe Termometr gazowy Termometry psychrometryczne Termografy

Termometry cieczowe Termometr cieczowy to rodzaj termometru składającego się z kapilary szklanej, wewnątrz której panuje próżnia, skali oraz zbiornika z cieczą, którą może być rtęć lub alkohol. Termometry te wykorzystują zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy

Wykres zależności zmiany objętości rtęci od temperatury (zależność monotoniczna i liniowa).

Wykres zależności zmiany objętości alkoholu etylowego od temperatury (zależność monotoniczna, ale nieliniowa)

Wykres zależności zmiany objętości wody od temperatury(zależność monotoniczna, nieliniowa)

Termometry bimetaliczne Termometr bimetaliczny – termometr, w którym pomiar temperatury odbywa się za pomocą układu bimetalicznego wewnątrz czujnika termometrycznego.

Termopara Termopara - to połączenie dwóch różnych metali, tak że tworzy się złącze między nimi. Wykorzystuje ona zjawisko Seebecka. Odkryte w 1821 roku przez fizyka niemieckiego (pochodzenia estońskiego) Thomas Johann Seebecka.

Termopary Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości posiadać: wysoką temperaturę topnienia dużą odporność na czynniki zewnętrzne małą rezystywność wysoką temperaturę pracy ciągłej mały współczynnik cieplny rezystancji niezmienność parametrów w czasie

Zalety termopar nie wymagają zewnętrznego zasilania niewielkie rozmiary niska pojemność cieplna mała bezwładność czasowa szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości prostota i niskie koszty wykonania duża niezawodność

Termometry rezystancyjne, oporowe Zasada działania termometrów rezystancyjnych polega na wykorzystywaniu zjawiska zmiany rezystancji metali wraz z temperaturą. Wzrost rezystancji danego metalu określa jego średni cieplny współczynnik zmiany rezystancji α . Podawany najczęściej dla zakresu od 0ºC do100ºC; wyraża się on zależnością;

Termometry rezystancyjne, oporowe Zależność oporu platyny od temperatury

Termometry rezystancyjne, oporowe Metale z których wykonuje się rezystory termometryczne powinny charakteryzować się : Dużym cieplnym współczynnikiem zmian rezystancji. Duża rezystancją. Wysoką temperatura topnienia. Stałością własności fizycznych w zakresie temperatur stosowania. Brakiem pętli histerezy. Odpornością na korozję oraz wytrzymałością

Termometry rezystancyjne, oporowe Najważniejszym elementem termometru oporowego z metalu jest cienki drut, najczęściej zwinięty w spiralę i rozpięty na izolatorach. Całość mieści się w dobrze przewodzącej ciepło metalowej obudowie, którą wsuwamy do obszaru mierzonej temperatury. Termometr oporowy

Termometry półprzewodnikowe (termistory) Termometry półprzewodnikowe są to termometry elektryczne z czujnikiem zawierającym termistor, tranzystor lub diodę. Oporność termistorów najczęściej maleje ze wzrostem temperatury. Niestety żeby uzyskać dokładny przebieg temperatury czujnik termistorowy musi być wzorcowany w większej liczbie punktów termometrycznych.

Charakterystyka rezystancji w funkcji temperatury dla termistora. Zależność Charakterystyka rezystancji w funkcji temperatury dla termistora. Na wykresie :R [Ω], T[°]

Rodzaje ternistorów NTC PTC CTR CTR – polimerowe bezpieczniki Termistor NTC

Termometry termistorowe Zastosowanie : Pomiar temperatury gazów Cieczy Materiałów sypkich Jako elementy zabezpieczające przed przegrzaniem układów (CTR)

Pirometry Pirometria metoda pomiaru wysokich temperatur, wykorzystuje zależność całkowitej energii promieniowania od temperatury. Pirometry należą do grupy bezstykowych przyrządów do pomiaru temperatury. Rodzaje pirometrów: Radiacyjne Fotoelektryczne Pasmowe Monochromatyczne Dwubarwowe

Zasada działania pirometru

Przykłady - pirometry FoodPro/FoodPro Plus – do zastosowań spożywczych Pirometry te wyposażono w unikalną funkcję HACCP Check pokazującą za pomocą diod czy temperatura mieści się w normie. Zakres pomiarowy: FoodPro:-30-200°C FoodProPlus:-35-275°C Zakres zastosowania: Konwertory katalityczne, diagnostyka samochodów m.in. układy wydechowe, chłodzenia Instalacje elektryczne i energetyczne, konserwacje Przetwórstwo, przechowywanie produktów żywnościowych Pokrycia dachów, asfalt Tworzywa sztuczne Klimatyzacja, ogrzewanie podłogowe

Zdalne pomiary temperatury Promieniowanie elektromagnetyczne emitowane przez ciało może być wykorzystane do wyznaczenia jego temperatury. Ilość energii zależy silnie od długości fali oraz temperatury ciała. Tak więc na podstawie ilości promieniowania docierającego do detektora można oszacować temperaturę obiektu.

Wnioski Pomiar temperatury może być realizowany na wiele sposobów. W zależności od interakcji pomiędzy badanym obiektem pomiarowym a czujnikiem pomiarowym Termopary mają bardzo szeroki zakres stosowalności: od 10 K do 2000 K - nie wymagają zewnętrznego zasilania - niewielkie rozmiary - prostota i niskie koszty wykonania - duża niezawodność Termometry rezystancyjne: - opór metali rośnie z temperaturą - pomiaru temperatury dokonuje się przez pomiar spadku napięcia na oporze platynowym przy precyzyjnie ustalonym prądzie. Termometrem platynowym mierzy się temperatury w przedziale od 14 K do 2000 K

Wnioski Termometry półprzewodnikowe: W przypadku półprzewodników zasadniczą rolę odgrywa silny wzrost koncentracji nośników przy rosnącej temperaturze Są coraz częściej stosowane w życiu codziennym. Używa się ich również w laboratoriach, szczególnie do pomiarów niskich temperatur

Bibliografia Michalski L.: Pomiary temperatury. Warszawa, WNT 1986.