MĚŘENÍ TEPLOT

TEORETICKÁ ČÁST

Zpracoval: Ing.Petr CupákPoužitá literatura: Chudý, Balenčár, Valentová: Meranie technických veličín Čech, Pernikář: Strojírenská metrologie

K vyjadřování teploty se v současné době používá mezinárodní teplotní stupnice ITS 90 (International Temperature Scale) .1K – Kelvin … 273,16 díl teploty trojného bodu vody.

ITS 90 je sestavena výhradně z bodů tuhnutí a trojných bodů s jedinou výjimkou bodu tání galia.

1K = 1°C absolutní teplota T celsiova teplota υ

T = υ + To = υ + 273,15 [ K ]υ = T - To = T – 273,15 [°C ]

Historické stupnice:Reaumurova … 80 dílků mezi bodem tuhnutí a bodem varu vody

Fahrenheitova … υf = (9/5) υ + 32 [ °F ] υ = (5/9) . (υf - 32) [ °C ]

Rankinova … Tr = (9/5) T [ K ]; T = (5/9) Tr [ °R ] 1°R = 1°F

1

Termoelektrické teploměry - termočlánky

Jsou založeny na termoelektrickém jevu (Seebeck 1821, Peltier, Thomson). Termočlánek je tvořen dvojicí elektricky vodivých drátů různého chemického složení. Je-li spoj těchto drátů (teplý konec termočlánku) zahřát na teplotu větší než je teplota opačného konce drátu (studený konec termočlánku), vzniká elektromotorická síla – termočlánkové napětí.

2

Studený (srovnávací) konec termočlánku se musí udržovat na konstantní teplotě. Naměřená teplota totiž závisí na rozdílu teplot obou konců termočlánku. To se řeší použitím termostatu srovnávacích konců, který je vyhříván na konstantní teplotu (obvykle 50oC).

Také se může používat pomocného termočlánku, který měří kolísající teplotu srovnávacích konců.

3

Další možností je použití kompenzační krabice s můstkovým zapojením tepelně závislého odporu.

Na provedení teplého spoje termočlánku (nejdůležitější část obvodu) závisí kvalita měření. Teplý spoj může být proveden pájením (do 150oC měkké pájení, do 700oC tvrdé pájení) nebo svařením. Přesnost měření ovlivňuje i elektromotorické napětí na přívodních vodičích

4

k voltmetru a úbytek napětí vlivem skutečných odporů v obvodu. To vše je nutné kompenzovat.Obě větve termočlánku musí být elektricky izolovány (hedvábí, azbest atd.). Při teplotách nad 200oC se používají porcelánové korálky nebo kuličky s jedním či dvěma otvory.

Před mechanickým poškozením a účinky agresivních atmosfér se pro ochranu termočlánku používají kovové nebo keramické trubice.

5

MATERIÁLY VODIČŮ TERMOČLÁNKŮ A TEPLOTNÍ ROZSAHY MĚŘENÍ

Materiál vodiče 1.větve termočlánku

Materiál vodiče 2. větve termočlánku

Měřící rozsah [°C]

Fe CuNi (konstantan) -200 až +700

Cu CuNi -200 až +400

NiCr (chromel) Ni 0 až 1000

NiCr NiAl (alumel) 0 až 1000

NiCr CuNi 0 až 700

PtRh Pt 0 až 1300 (1600)

Rh Ir do 2000

W Ir do 2200

Studené konce termočlánkových drátů jsou vedeny do míst, kde jsou příznivé teplotní poměry (kompenzační krabice). To se provádí kompenzačním vedením. Bývá vyrobeno z takového materiálu, aby nevnášelo do obvodu parazitní termoelektrické napětí. Ideální aby bylo ze stejného materiálu jako termočlánek – to může být ale drahé. Proto se používají náhradní materiály (jejich ohmický odpor by měl být menší než u termočlánkového drátu, termoelektrické vlastnosti shodné s vlastnostmi termočlánku). Přípustné kombinace termočlánků a kompenzačních vedení udávají výrobci.

Teploměry optické – pyrometry

Pyrometry lze rozdělit podle oblasti záření, kterou využívají pro měření teploty do několika skupin:

1. Podle spektrální oblasti na - monochromatické - údaj je odvozen z intenzity záření na jediné vlnové délce - pásmově radiační – údaj je odvozen z intenzity záření v určité, poměrně úzké, oblasti infračerveného spektra - totálně radiační – měří teplotu v celém spektru nebo ve velice široké oblasti infračerveného záření

2. Podle vlnové délky záření na ultrafialové, optické, infračervené a radiové.3. Podle způsobu měření na srovnávací (jasové), distribuční (barevné) a radiační.4. Podle optické části pyrometru na čočkové, zrcadlové, clonkové a světlovodné5. Podle způsobu srovnávání záření na pyrometry se změnou jasu vlákna a se šedým

klínem.

Pyrometry se používají v rozsahu teplot od -40oC do 3500oC (ve speciálních případech od - 100oC do + 5000oC). Dovolená chyba měření bývá 1 ≅ 7 %, ve speciálních případech jen 0,02% měřícího rozsahu.

Pyrometry při své činnosti využívají základní vyzařovací zákony. Čím vyšší je teplota záření, tím kratší jsou vlnové délky, na kterých těleso vyzařuje .

6

Pomocí Planckova zákona lze určit vlnovou délku záření λ, při které je při dané teplotě T monochromatické vyzařování absolutně černého tělesa Mλ maximální: C1

Mλ = _________________ C1 ………….. první vyzařovací konstanta λ (C2/eλT – 1) C1 = 3,69 x 10-16 [ Wm2 ] C2 …………. druhá vyzařovací konstanta C2 = (0,01438769±12x10-8) [ mK ] λ …………. vlnová délka záření T ………….. absolutní teplota

Celková závislá energie Eo vysílaná černým zářičem při absolutní teplotě To je podle Stefan-Boltzmanova zákona rovna: Eo = σ . T4 resp. Eo = - Co (T/100)4 [ W m-2 ]

Kde Eo ……………. energie vyzářená černým tělesem [ W m-2 ]σ ……………. 5,3397 . 10-8 [ W m-2 K-4]T ……………… absolutní teplota [ K ]Co …………….. 5,6697 [ W m-2 K-4]

Pro reálné těleso o emisním součiniteli ε platí: Eo = ε . σ . T4

Takové těleso vysílá záření E, které je vždy menší než Eo. Jejich poměr vyjadřuje emisní součinitel ε, který je závislý na druhu materiálu zářiče i jeho povrchu a teplotě.Pro reálné těleso navíc přistupuje i úloha vlnové délky event. frekvence vyzařovaného záření.

Emisivita ε se definuje jako poměr intenzity vyzařování tepelného zářiče (reálného tělesa) a dokonalého zářiče (černého tělesa). Závisí na druhu materiálu, jeho povrchových vlastností (např. drsnost) a na teplotě. Pro černé těleso ε = 1, pro všechny ostatní tělesa platí ε< 1. Absolutní černé těleso na rozdíl od reálného tělesa všechnu dopadající energii pohlcuje, neodráží ani nepropouští tepelné paprsky.

Výrobci pyrometry kalibrují tak, jako by měřili teplotu absolutně černého tělesa (ε = 1). V důsledku toho se při měření reálných těles (ε< 1) naměří menší teplota než je skutečná. Moderní přístroje mají nastavitelnou emisivitu, která se dá měnit podle fyzikálních charakteristik měřeného objektu – tím se chyba měření podstatně zredukuje.Další chybu do měření vnáší přenos tepelného záření prostorem – bezztrátový přenos existuje pouze ve vakuu. V reálných podmínkách existuje mezi měřeným předmětem prostředí vyplněné plyny (CO2), parami, aerosoly (mlha) či pevnými částicemi (prach), které způsobuje rozptyl záření.

7

Vlivy určující přesnost měření lze tedy shrnout takto:

Měřený předmět - materiál, tvar, rozměry, umístění v prostoru - poměrná spektrální zářivost, odrazivost a propustnost v měřeném místě - směrová závislost vyzařování, polarizace záření

- úhel mezi normálou měřeného povrchu a optickou osou pyrometru, ovlivnění skutečné hodnoty poměrné zářivosti drsností povrchu, stopami po opracování, vrstvou barvy, oxidů atd.

Měřící přístroj - citlivost- tepelná rozlišovací schopnost- šířka a poloha spektrální oblasti- teplota pláště přístroje- poloha přístroje při měření- parametry cejchovacího zářiče

Prostředí- tlak a vlhkost vzduchu a dodatečné vlivy jako plyny, prach, mlha apod.- teplota prostředí a teplota pozadí předmětu- vzdálenost mezi měřenou plochou a vstupním otvorem pyrometru- působení dutin pecí apod.

Prostředí má velký vliv na přesnost měření monochromatickým pyrometrem, méně na měření prováděné pomocí poměrového pyrometru.

Jednotlivé typy pyrometrů

Pyrometr radiační – úhrnný

Pro svou činnost užívá přímo Stefan-Boltzmanův zákon. Je vhodný pro měření teploty těles jejichž vlastnosti se blíží vlastnostem černého tělesa. Rozsah použití je od – 40 do + 5000oC. Záření vysílané měřeným předmětem je optickou soustavou soustředěno do ohniska objektivu či zpravidla kde dopadá na termočlánek nebo bolometr. Tyto prvky pak udávají měřenou teplotu , která je ke skutečné teplotě vázána emisním součinitelem:

Ts = Tp / ε [ K ] Ts ………….. skutečná teplota [ K ] Tp ……….. naměřená teplota [ K ] ε………. emisní součinitel

Vlastnosti konkrétního pyrometru jsou dány druhem použitého snímacího elementu a druhem použitého optického systému. Často se používá sériově zapojených termočlánků tvořících tzv. termobaterii. Dodávající vyšší termočlánkové napětí než samostatný termočlánek.

8

Schéma radiačního pyrometru s termočlánkovým čidlem:

Termočlánkové čidlo – termobaterie:

Při měření radiačním pyrometrem je důležité, aby měřený povrch překryl celé zorné pole jinak dochází ke hrubým chybám měření. Dovolená chyba se pohybuje od 1% do 2% měřícího rozsahu. Doba odezvy je od 0,005 až do 5 sec.

Pyrometr pásmový – fotoelektrický

Pracuje na podobném principu jako radiační pyrometr, ale měří pouze v určitém pásmu vlnových délek. Toto pásmo je vymezeno použitým fotocitlivým prvkem. Používané prvky: fotonky, fotobuňky, fotoodpory, fotočlánky, fototranzistory …

9

Skutečná teplota se určí ze vztahu:

1/Ts = 1/Tp + λp/C2 ln εp Ts…….. skutečná teplota [ K ] Tp…….. naměřená teplota [ K ] λp ……. charak. vln. délka daná typem snímače [ m ] εp ……. poměrná emise pásma vln. délek C2 ……. 2. vyzařovací konst. dle Planckova zákona

Tyto pyrometry lze používat v prostředí, které absorbují určité vlnové délky záření – je však nutné zvolit vhodný citlivý prvek pyrometru pracující mimo rozsah potlačovaných frekvencí. Proto jsou tyto pyrometry vhodné pro práci např. ve slévárnách kde je atmosféra znečištěna CO2, vodní párou a dalšími zplodinami.

Pyrometr jasový – spektrální

Tyto pyrometry pracují pouze s jednou vlnovou délkou (nebo s velmi úzkým pásmem vlnových délek) – obvykle v oblasti viditelného záření. Nejčastěji se používá vlnová délka τ = 0,65m, která odpovídá červenému světlu. Jasové pyrometry pracují na dvou hlavních principech – jako přístroje jasové (srovnávací) nebo přístroje intenzitní. Jasové pyrometry porovnávají intenzitu přijatého záření s intenzitou záření pomocného srovnávacího zdroje. Srovnání je buď lidským okem nebo různými elektrooptickými kompenzačními metodami. Nejvýznamnější a ve slévárnách dosud nejčastěji používané jasové pyrometry používají jako srovnávacího zdroje žhavého kovového vlákna a označují se jako vláknové (s proměnným jasem) a pyrometry s mizejícím vláknem (se šedým klínem).

10

Schéma jasových pyrometrů s proměnným jasem srovnávacího zdroje a s šedým klínem a konstantním jasem srovnávacího zdroje:

Žhavící proud pyrometrické žárovky u pyrometru s proměnným jasem srovnávacího zdroje se mění tak dlouho až obraz vlákna žárovky zmizí na pozadí zářiče. Měřítkem teploty je velikost žhavícího proudu. Použitelné do 1500oC , při zařazení absorpčního šedého filtru mezi objektiv a žárovku se rozsah zvýší od 1300oC do 3500oC.

Jasový pyrometr s šedým klínem a konstantním jasem srovnávacího zdroje je použitelný i pro teploty nad 1500oC.Žhavící proud je stálý a pohybem klínového šedého filtru se mění záření zářiče tak dlouho, dokud nezmizí vlákno srovnávacího zdroje na pozadí zářiče. Měřítkem teploty je poloha šedého klínu.

11

Pohled do okuláru jasového pyrometru:

Skutečná teplota se určí ze vztahu: 1/Ts = 1/Tm + λ/C2 . ln ελ

Kde λ …….. použitá vlnová délka pyrometru [ m ] ελ …… poměrná spektrální emise při účinné vln. délce λ C2 ……. Vyzařovací konstanta 14,388 . 10-3 [ mk ]

12

Rychlejší je použití nomogramu, kde se korekční teplota Tk [oC ] připočte k teplotě naměřené Tm [ oC ]:

Pyrometr barvový - distribuční

Pracuje na shodném principu jako pyrometr jasový, není však potřebné přesně znát hodnotu poměrné spektrální emise. Stačí znalost přibližná, v některých případech není nutné znát επ

vůbec.Tento pyrometr pracuje se 2 vlnovými délkami, nejčastěji s π1 =0,65 µm (červená barva) a π2

= 0,55 µm (zelená barva)

Z konstrukčního hlediska se barvové pyrometry dělí na porovnávací a poměrové.

Barvový porovnávací pyrometr porovnává záření měřeného objektu a prometrické žárovky, kterou žhaví konstantní proud. Toto porovnávání se provádí při 2 výše zmíněných vlnových délkách. Obě vlnové délky jsou doplňkové (komplementární), tedy doplňují se na bílou barvu.

13

Schéma přístroje:

Záření vycházející z měřeného objektu vchází do pyrometru přes objektiv 2. Prochází přes dvojbarevný otočný klín 3. Zde se oddělí 2 barvy (červená a zelená). Pozorovatel si natáčí klín (a tak mění poměr červených a zelených paprsků) tak dlouho, až se mu zdá dopadající záření bílé. Záření z měřeného objektu dále přechází přes neutrální šedý klín 4 a dopadá polopropustný optický hranol 5. Jeho střed je postříbřený. Záření pyrometrické žárovky 6 prochází přes filtr 7 a oko ho také vnímá jako bílou barvu. Dále se toto záření odráží od zrcadlové části dělící plochy optického hranolu 5. Přes výstupní čočku se dostává k pozorovateli. Ten vidí v přístroji současně 2 porovnávací plošky: paprsky pyrometrické žárovky a paprsky, které přešly přes klíny. Aby se vyrovnal jas obou (pro pozorovatele bílých) záření, pootáčí se šedý klín. Údaj o barevné teplotě udává stupnice dvojbarevného otočného klínu. Údaj o jasové teplotě se odečítá na stupnici neutrálního šedého klínu.

Výsledná teplota se určí ze vztahu:

1/λ1T1 + 1/λ2T2 λ1, λ2 ……….. použité vlnové délky [ m ]1/Tb = _______________________ Tb …………… nastavená barevná teplota [ K ] 1/λ1. 1/λ2 T1, T2 ………. teploty určené při příslušných filtrech [ K ]

Pokud má těleso charakter šedého zářiče není třeba výsledek korigovat. Pokud se jeho emisivita mění při změně vlnové délky, korigují se výsledky podle vztahu:

T = Tm - Tk kde T …………. skutečná teplota Tm ………… naměřená teplota Tk ………… korekční teplota

14

Hodnota korekční teploty se určí ze vztahu:

Tk = a Tm2 / 1 + a Tm kde a = 14 380 µmK

Barvový poměrový pyrometr umožňuje měření poměru dvou intenzit záření na 2 vlnových délkách. Tento poměr lze stanovit 2 spektrálními pyrometry, z nichž každý měří na jiné vlnové délce (λ1, λ2). Poměr naměřených intenzit by měl odpovídat barvové teplotě. Konstrukce je uzpůsobena pro měření s obsluhou pro automatické vyhodnocování. Automatický barvový pyrometr rozdělí pomocí hranolů dopadající záření na 2 shodné cesty přes různé barevné filtry. Oba paprsky jsou přerušovány rotující clonou a střídavě dopadají na fotocitlivý prvek v elektronickém měřícím obvodu.

Měřící rozsah barvových pyrometrů bývá od 700oC do 2000oC. Dovolená chyba bývá 1,5 až 2% z naměřené teploty.

Infračervené pyrometry

Využívají také stejné vyzařovací zákony jako ostatní pyrometry, ale využívají velmi široký rozsah vlnových délek, který eliminuje vlivy prostředí (atmosféry) na měření. Lze je použít i pro měření teploty pohybujících se předmětů (válce, dopravníkové pásy, části strojů) a měřit z velké vzdálenosti od měřeného objektu.Vyrábějí se jako jasové a barvové. Vyhodnocení měřené teploty se děje v elektronickém obvodě.Tyto pyrometry mají v měřícím rozsahu od - 28oC do 870oC dovolenou chybu měření 1% z měřícího rozsahu.Dražší přístroje mají rozsah - 30oC až 1370oC případně od 400oC až po 3000oC.

KOREKCE A CHYBY MĚŘENÍ PYROMETRY

Přesnost měření závisí především na emisních vlastnostech měřených povrchů, druhu použitého pyrometru, prostředí kde měření probíhá a v nejmenší míře na vlastnostech měřícího přístroje. Při měření nesmí být opomenuta korekce na emisní součinitel měřeného objektu, jinak dochází k hrubým chybám. K velkým chybám dochází také, pokud měřený povrch nepokrývá celé zorné pole přístroje.

Pro stanovení teploty tělesa předpokládáme, že těleso má vlastnosti černého tělesa a u barvových přístrojů vlastnosti šedého tělesa. Reálné objekty však vždy ε<1 a naměřené hodnoty je nutno korigovat.Pyrometry radiační a spektrální měří teplotu nižší než je skutečná a korekční teplotu je nutno přičíst. Barvové pyrometry měří vyšší teplotu než je skutečná a korekční teplotu je třeba odečíst.Moderní přístroje mají již vestavěnu možnost korekce během měření.

15

Nomogram pro odečet korekční teploty v závislosti na teplotě naměřené, εr a druhu pyrometru:

Velký vliv na přesnost měření má i prostředí mezi měřeným objektem a pyrometrem, které může snížit intenzitu záření před jeho dopadem na čidlo pyrometru – následkem je nižší naměřená teplota než teplota skutečná. Největší vliv je u radiačních pyrometrů, u spektrálních je menší a u barvových skoro nulový.

ORIENTAČNÍ MĚŘENÍ TEPLOT

K tomuto účelu se používají:

16

Teploměrná tělíska vyrobená ze slitiny s přesně udanou teplotou tání při jejíž dosažení dojde k rychlému roztavení tělíska. Rozsah použití 100oC až 1600oC, přesnost ± 5oC.

Žároměrky: trojboké jehlany s teplotou deformace v rozmezí 600oC až 2000oC. Po dosažení určité teploty se žároměrka ohne natolik, že se její vrchol dotkne podložky.

Teploměrné barvy, tužky a křídy: používají se k orientačnímu měření povrchové teploty tělesa. Většinou se u nich jedná o nevratnou změnu barvy při dosažení určité teploty. Dle druhu lze použít až do teplot ≈ 1600oC.

Teploměrné nálepky: dosažení určité teploty indikují změnou barvy. Podobně se používají indikátory s tekutými krystaly – jejich reakce bývá zvratná a lze je používat dlouhodobě. Rozsah měření je od - 20oC až do 250oC s rozlišovací schopností až 0,1oC (v určitém intervalu teplot).

PRAKTICKÁ ČÁST – potřebné podklady

Mezinárodní značení termočlánků:

17

PYROMET

18

19

20

RAYNGER:

21

22

23