Mjerenje Temperature u Industriji_Amer Avdic

MAŠINSKI FAKULTET SARAJEVO

Katedra za procesnu tehniku

Predmet: Ene rge tsk a p roces na m je ren ja

M j e r e n j e t e m p e r a t u r e u i n d u s t r i j i

Student: Amer Avdić

Mentor: doc. dr Šefko Šikalo

Mašinski fakultet Sarajevo Mjerenje temperature u industriji 1

1. Uvod

1.1. Definicija

Temperatura je osobina toplote, koja omogućava da toplotna energija prelazi s toplijeg tijela na hladnije. Toplota je oblik energije, dok je temperatura stepen zagrijanosti nekog tijela, odnosno nivo toplotne energije.

Kada se mijenja temperatura, ona na različitim tijelima izaziva različite promjene. Na primjer, dužina metalne šipke povećava sa sa povećanjem njene emperature, tečnosti i plinovi povećavaju svoju zapreminu, na izvjesnim temperaturama različiti materijali mijenjaju agregatno stanje, električni provodnici mijenjaju svoj otpor, a zagrijavanjem na njihovim krajevima javlja se električni napon i mnoge druge.

Ovi fenomeni se, pod određenim uslovima, mogu reproducirati i to omogućava konstruisanje uređaja koji mogu mjeriti temperaturu.

Činjenica, da se promjene agregatnih stanja pojedinih materija uvijek događaju na istim temperaturama omogućila je stvaranje temperaturne skale.

2.1. Temperaturna skala

Prema Celzijusovojj temperaturnoj skali, temperatura mržnjenja vode uzima se za nultu temperaturu i označava sa C°0 . Temperatura ključanja vode, pri atmosferskom pritisku, uzeta je kao C°100 . Sve temperature niže od C°0 imaju predznak minus.

Kelvinova ili apsolutna temperaturna skala nema negativnih vrijednost temperature, a prema toj skali se nulta temperatura nalazi u apsolutnoj nuli K0 , odnosno na tempeaturi C°− 15,273 . To je ujedno najniža moguća temperatura. Za označavanje temperature kao mjerne veličine uglavnom se služe sljedeće oznake:

− T - za apsolutnu ili Kelvinovu temperaturu [ ]K ,

− t - za Celzijevu temperaturu [ ]C°0 ,

− ϑ - za relativnu temperaturu mjerenu po Fahrenheit-ovoj temperaturnoj skali [ ]F°0 .

Preračunavanje vrijednosti temperature izražene u jednoj skali (npr. Celzijevoj) u vrijednost po drugoj temperaturnoj skali (Kelvinovoj ili Fahrenheit-ovoj) vrši se prema sljedećim formulama:

( )329

515,273 −=−= ϑTt ,

382,2559

515,273 +=+= ϑtT ,

688,4595

932

5

9−=+= Ttϑ .

U tabeli 1 prikazan je pregled vrijednosti temperatura u sve tri temperaturne ljestvice. Vrijednosti temperatura su zaokruživane.


Tabela 1.1 Vrijednosti temperatura u sve tri temperaturne ljestvice

C°0 K0 F°0 C°0 K0 F°0

-273 0 -459 200 473 392

-200 73 -328 250 523 482

-100 173 -148 300 573 572

-50 223 -58 350 623 662

0 273 32 400 673 752

15 288 59 500 773 932

25 298 77 600 873 1112

50 323 122 700 973 1292

75 348 167 800 1073 1472

100 373 212 900 1173 1652

150 423 302 1000 1273 1832

Za mjerenje temperature služimo se čitavim nizom različitih termometara. Oni se razlikuju kako prema principu, tako i prema mjernom područiju na koje se mogu primjeniti.

Temperaturni senzori koji se koriste kod termičkog ispitivanja dijele se kontaktne i beskontaktne.

2. Štapni termometri

2.1. Princip mjerenja

Štapni termometar se zasniva na širenju krutih tijela pod djelovanjem temperature. Ako se uzmu dva štapa iste dužine, ali od različitih materijala i zajedno urone u medij čija se temperatura mijenja, preciznim mjerenjem ćemo lahko ustanoviti da s porastom temperature nastaje razlika u dužini štapova, tj. dužina jednog štapa se pod utjecajem temperature mijenja brže nego dužina drugog štapa. Što je promjena temperature veća, veća je i razlika dužina. Ovaj fenomen se može iskoristiti za mjerenje temperature i upravo taj fenomen koriste štapni termometri.

Na slici 2.1. prikazan je termometar kod kojeg je umjesto dva štapa upotrebljena cijev od jednog materijala, a u nju je stavljen štap od drugog materijala. Kazaljka postavljena u ležajeve 1 i 2 pokazuje promjene temperature.

Slika 2.1. Princip rada štapnog termometra. Pomoću kazaljke (k) koja

je učvršćena na osnovice (1) i (2) određuje se razlika istezanja između

štapa (š) i cijevi (c)


2.2. Izvedba

Razlika u temperaturnom koeficijentu istezanja različitih krutih tijela relativno je mala i to predstavlja poteškoću pri konstrukciji štapnih termometara.

Dva štapa različitog materijala, dužine 1m, pri promjeni temperature od 100°C, stvaraju dužinsku razliku od oko 1,5mm. To je vrlo malo linearno pomjeranje da bi se moglo lahko ostvariti kretanje kazaljke.

Po pravilu se za oblogu detektora, odnosno za cijev, upotrebljava materijal s većim temperaturnim koeficijentom istezanja. Na slici 2.2 grafički je prikazana promjena dužine različitih materijala u zavisnosti od promjene temperature.

Pri izboru materijala moraju se uzeti u obzir slijedeći faktori: temperaturno područje, tačnost instrumenta, agresivnost medija, dužina detektora itd.

Na maksimalnim temperaturama se za različite materijale vodi računa i o savijanju materijala. U tabeli 2.1. navedeni su temperaturni koeficijenti istezanja za neke materijale.

Materijal Koeficijent C°1

Kremeno staklo 6105,0 −⋅

Sivi liv 6105,10 −⋅

Čelik oko 6105,11 −⋅

Željezo (hemijski čisto) 6103,12 −⋅

Konstantan 61023,15 −⋅

Bakar 6105,16 −⋅

Bronza oko 6105,17 −⋅

Aluminij 6108,23 −⋅

Slika 2.2. Istezanja, pod utjecajem temperature različitih materijala koji se upotrebljavaju za

konstrukciju štapnih termometara

Tabela 2.1. Temperaturni koeficijenti istezanja


2.3. Mjerno područje i pogreške u mjerenju

Minimalne temperature nisu oštro definirane principom mjerenja, dok su maksimalne ograničene promjenama u materijalu na višim temperaturama. Iz slike 2.2 vidi se da je moguće napraviti štapne termometre i do 1000°C.

Pokazivanje štapnog termometra odgovara srednjoj temperaruri detektora, mjerenoj po cijeloj dužini detektora. Termometar je baždaren tako, da mu je cijela dužina detektora zagrijana na određenu temperaturu baždarenja. Ukoliko se zagrijava samo jedan dio detektora, tada samo taj dio učestvuje u istezanju. Ukupno istezanje je u tom slučaju manje i termometar pokazuje manju vrijednost temperature od stvarne. S obzirom na to da su detektori ove vrste termometara radi malog koeficijenta istezanja obično nešto duži, vrlo je čest slučaj u praksi da oni po cijeloj dužini nemaju istu temperaturu kao medij u koji su uronjeni.

Zbog malog temperaturnog koeficijenta istezanja u prenosnom mehanizmu nastaju greške i mrtvi hod. Ovo još više smanjuje tačnost štapnih termometara i ona iznosi oko ± 2% od krajnje vrijednosti skale, uz to da u ovu grešku nije uračunata greška koja nastaje uslijed nejednako zagrijanog detektora.

2.4. Područje primjene, prednosti i nedostaci

Iako je linearno pomjeranje izazvano razlikom istezanja kod štapnih termometara vrlo malo, sila kojom ovo istezanje djeluje vrlo je velika. Zato glavnu primjenu štapni termometri su našli u regulacionoj tehnici i to od vrlo jednostavnih regulatora, koji regu-liraju temperaturu u raznim sušionicama i hladnjacima, pa sve do vrlo složenih automatskih regulatora za veće zahtjeve.

Kao mjerni instrument, štapni termometri se primjenjuju prilično rijetko. Oni se stavljaju u pogonu tamo gdje je potrebna robusna konstrukcija i gdje nije važna veća tačnost mjerenja.

Primjena živinih staklenih termometara u prehrambenoj industriji izbjegava se i tamo ih dobro zamjenjuju štapni termometri. Zbog problema da se u primjeni postignu isti uvjeti kao i pri baždarenju, štapni termometri se ponekad isporučuju s neutralnom podjelom skale. Tada se baždarenje obavlja na licu mjesta, pomoću drugog kontrolnog termometra.

Prednosti štapnih termometara:

− neobično jednostavna i robusna izrada,

− postizanje velikih sila (radi primjene u regulacionoj tehnici),

− mogućnost izrade veće skale, a time i očitavanje s veće udaljenosti,

− nije potrebna nikakva pomoćna energija.

Neki od nedostaka štapnih termometara:

− da bi se dobila dovoljno velika razlika istezanja, potrebna je radi malog temperaturnog koeficijenta istezanja velika dužina detektora,

− velike greške radi nejednakog zagrijavanja detektora po cijeloj dužini,

− velik uticaj hlađenja dijela detektora koji nastaje radi odvođenja toplote.


3. Bimetalni termometri

Bimetalni termometri, kao i štapni, djeluju na principu istezanja krutih tijela, ali je glavni nedostatak štapnih termometara (malo linearno pomjeranje) otklonjen konstrukcijom bimetalnog termometra.

3.1. Princip mjerenja

Spojene su dvije trake različitog materijala što je prikazano na slici 3.1. Zagrijavanjem ovako dobivene bimetalne trake ona će se saviti na jednu stranu, jer materijal od kojeg je izrađena jedna polovina trake (B) ima veći temperaturni koeficijenat istezanja od materijala druge polovine (A).

Za većinu materijala koji se primjenjuju za izradu bimetalnih traka ovo savijanje je direktno proporcionalno promjeni temperature, a raste s kvadratom dužine trake. Prema tome izraz koji povezuje ove dvije veličine glasi:

( ) Td

lKs BA ∆−⋅=∆ αα

2

, uz BA αα > ,

pri čemu su:

K – koeficijent izvedbe, l – dužina trake, d – debljina trake, T∆ – promjena temperature.

3.2. Izvedba

Da bi se dobilo dovoljno savijanje, trake moraju biti duge i tanke. Uz ostale kombinacije, za bimetalne trake upotrebljava se i kombinacija Ni-Fe, koja kod dužine 100 mm i debljine 1mm daje specifično savijanje od 0,156mm za 1°C. Iz ovog primjera vidi se da bimetalne trake moraju biti prilično duge.

Da bi se savijanje bimetalne trake moglo što efikasnije prenjeti na skalu instrumenta, trake se savijaju u spirale. Jedan kraj spirale se učvršćuje na kućište ili zaštitnu cijev detektora, a ugaono kretanje slobodnog kraja se koristi direktno za pokretanje kazaljke. Jedna izvedba bimetalnih termometara, kod koje je ravan skale paralelna s uzdužnom osom tijela termometra, koristi i prenosni mehanizam ili prenosnu oprugu savijenu pod uglom od 90°.

Bimetalna spirala može biti savijena u ravni (pljosnata spirala, slika 3.2.) pri čemu se takvi instrumenti, kao otvorena konstrukcija, koriste za mjerenje temperature zraka. Spirala industrijskog tipa instrumenta nije pljosnata, nego je izvučena u jednostruki ili višestruki pužni oblik (slika 3.3.). Jedan kraj bimetalne spirale je učvršćen na zaštitnu cijev detektora, a slobodni kraj na kazaljku instrumenta. Detektori bimetalnih termometara mogu biti vrlo kratki i izrađuju se od nekih 25mm do oko 150mm, a za specijalne svrhe i do 2 metra dužine.

Slika 3.1.Bimetalna traka izrađena od metala (A) i (B)


3.3. Mjerno područje i greške u mjerenju

Bimetalni termometri izrađuju se za primjenu od približno -160°C do 550°C. Na temperaturi ispod -160°C otklon je vrlo mali, što predstavlja problem pri konstrukciji bimetalnih termometara za rad ispod te temperature. Bimetalni termometri za veće temperature nemaju dugotrajnu stabilnost, pa se ne preporučuju pri kontinuiranoj upotrebi za temperature preko 400°C.

Kao što je prikazano, savijanje bimetalne trake je veće što je ona duža, ali se ono povećava i sa smanjivanjem debljine trake. Međutim sila na slobodnom kraju trake naglo opada sa smanjivanjem debljine trake. Iako bimetalni termometri normalno nemaju nikakve prenosne mehanizme, ipak je za pokretanje kazaljke i savladavanje određenih otpora potrebna neka minimalna sila. To može uzrokovati velike greške pri mjerenju.

Tačnost bimetalnih termometara iznosi obično ±1%, ali se izrađuju termometri i sa greškama od ± 0,5% do ± 3%.

Slika 3.2. Bimetalna spirala savijena u ravni Slika 3.3. Bimetalna spirala savijena u jednostruki pužni oblik

Slika 3.4. Neke izvedbe bimetalnih termometara


Za najpreciznije instrumente skale se ne rade serijski, nego se za svaki precizni instrument ručno pravi posebna skala.

Dobri bimetalni termometri dugo zadržavaju svoju tačnost, a greške nastaju najčešće radi okretanja kazaljke oko svoje osovine. Baždarenje se vrši samo u dvije tačke, a za kontrolu je dovoljno izmjeriti temperaturu samo na jednoj tački skale.

Da bi se postigla minimalna tačnost (koju garantira proizvođač) i kod ovih termometara cio detektor mora biti uronjen. Brzina odziva bimetalnih termometara može se uporediti s nekim staklenim termometrima.

Na si. 3.4 prikazane su neke izvedbe bimetalnih termometara.

Bimetalni termometri mogu, a da se ne oštete, biti izloženi znatno većim temperaturama od maksimalne koja je označena na kraju skale. Ipak proizvođači garantiraju ova prekoračenja:

− bimetalni termometri sa skalom do 150°C mogu prekoračiti područje 100%,

− termometri sa skalom do 250°C mogu prekoračiti za 50%,

− termometri sa skalom do 400°C mogu prekoračiti za 10%.

3.4. Područje primjene, prednosti i nedostaci

Bimetalne trake su, osim za izradu bimetalnih termometara, širu primjenu našle i u izradi različitih kompenzacionih aparata, za automatsku kompenzaciju utjecaja temperaturnih promjena na razne instrumente.

Glavne prednosti bimetalnih termometara su slijedeće:

− jednostavnost izvedbe,

− relativno niska cijena,

− pregledna skala,

− pokretanje kazaljke bez prenosnog mehanizma,

− pouzdanost u radu,

− lahko podešavanje tačnosti.

Primjenu bimetalnih termometara ograničavaju sljedeći nedostaci:

− relativno usko mjerno područje,

− neprimjenljivost (ili uz poteškoće) pri izradi automatskih regulatora i pisača.

Slika 3.5. Primjena bimetalnih termometara za regulaciju temperature - termostat


4. Industrijski stakleni termometri

4.1. Princip rada, karakteristike i podjela

Stakleni termometar sastoji se od staklenog rezervoara, na koji se stavlja tanka prozirna staklena cijev (slika 4.1.). U rezervoaru se nalazi tečnost, na primjer živa. Porastom temperature živa se širi, pa iz rezervoara prelazi u tanku staklenu cjevčicu. Svakoj temperaturi unutar mjernog područija termometra odgovara visina do koje dopire tečnost u cjevčici. Očitavanje se vrši na skali koja se nalazi pored cijevčice ili je ugravirana na samu cjevčicu.

Mjerno područije staklenih termometara ovisi od karakteristika upotrebljene tečnosti. Pored žive, za punjenje termometra može se iskoristiti gotovo svaka tečnost. Ipak, najčešće uzimaju se organske tečnosti kao što su etilni alkohol, touol i pentan.

Alkohol je prilično nepovoljan. Na njegov koeficijent širenja znatno utiču razne nečistoće, a naručito voda. Područije primjene mu je od -110°C do 50°C. Ovako niska maksimalna temperatura znatno ograničava oblast primjene staklenih termometara sa alkoholom.

U normalnim izvedbama prostor iznad tečnosti u termometru je prazan (vakum). Da bi se spriječilo ključanje tečnosti koja se nalazi u cjevčici taj prostor se kod termometara za mjerenje većih temperatura puni inertnim plinovima. To su obično vodik, argon ili ugljen dioksid.

Mnogi stakleni termometri na vrhu cjevčice imaju proširenje, koje služi kao zaštita, jer u slučaju prekoračenja predviđene maksimalne temperature dolazi do pucanja stakla. Proširenje zapravo predstavlja ekspanzionu komoru odnosno rezervoar za tečnost pri prekoračenju maksimalne temperature.

S obzirom na primjenu i izvedbu, moguće je napraviti nekoliko različitih podjela staklenih termometara. Prema primjeni dijele se na:

− industrijske,

− laboratorijske, uključujući i ručne industrijske,

− kliničke.

Pod industrijskim termometrima podrazumjevamo najčešće one staklene termometre koji su montirani u posebne zaštitne oklope (slika 4.1) i primjenjuju se tako da se fiksno instaliraju u cjevovode ili razne posude i postrojenja. Pored oklopa, njihova glavna karakteristika podrazumjeva i veću skalu, radi lakšeg očitanja.

Prema DIN normama za termometre punjene sljedećim tečnostima odgovaraju skale:

− živa (bez plinskog punjenja) - 30°C do +280°C, − živa (sa plinskim punjenjem) - 30°C do +750°C, − tehnički pentan – skala: -200°C do + 20°C, − toluol - 70°C do +100°C.

Slika 4.1. Industrijski

stakleni termometri


4.2. Specijalni termometri

4.2.1. Beckmannov termometar

Ovaj termometar služi za vrlo tačna mjerenja. Sastoji se od velikog detektora i komore za presipanje žive. Zapremina rezervoara (detektora) vrlo je velika u odnosu na zapreminu cjevčice. Radi toga mala promjena temperature detektora izaziva veliku promjenu visine žive u cjevčici. Tako njegova skala služi za više mjernih područja.

Zagrijavanjem detektora na određenu temperaturu živa iz detektora prolazi kroz cijevčicu u komoru za presipanje. Padom temperature nit žive se prekida. Sada je termometar spreman za mjerenje vrlo malih temperaturnih razlika, ali na nivou temperature na koju smo ga postavili. Što je u komori za presipanje veća količina žive, to instrumenat mjeri niže temperature.

Ako je skala Beckmannova termometra duga 25 cm, moguće je očitavati 0,01°C, a osim toga je moguće ocijeniti čak i do 0,001 °C.

4.2.2. Termometri sa električkim kontaktima

U gotovo svim oblastima primjene staklenih termometara susreću se i živini stakleni termometri s električkim kontaktima (slika 4.3.), koji su provučeni kroz stijenke kapilare. Ovi kontakti služe za uključivanje različitih alarmnih, signalnih ili regulacionih uređaja u trenutku kad nivo tečnosti dođe do električkih spojeva i time zatvori strujni krug.

Struja koja teče preko kontakata kroz tečnost ne bi smjela preći jačinu od 2 mA (kod 110 V). Normalna jačina struje treba da iznosi ispod 0,4 ili 0,6 mA.

4.3. Prednosti i nedostatci u primjeni

Stakleni termometri punjeni tekućinama imaju nekoliko dobrih tehničkih karakteristika, važnih za njihovu primjenu. To su:

− velika jednostavnost u primjeni,

− visok stupanj pouzdanosti u radu,

− lahka uočljivost nekih grešaka (prekidanje niti, kondenzacija po stijenkama),

− inertnost na agresivne tekućine i plinove,

− nije potrebna nikakva pomoćna energija,

− jednostavna izvedba termometara za pokazivanje maksimalnih i minimalnih vrijednosti,

Slika 4.3. Stakleni termometar sa

električnim kontaktima

Slika 4.2. Šema Beckmannov-og termometra


− mogućnost ugradnje električkih kontakta za daljinsko signaliziranje ili za automatsko reguliranje određene temperature,

− brz odziv na temperaturne promjene u slučaju primjene termometra bez zaštitne cijevi,

− niska cijena.

− otežano očitavanje i potreba dovoljne osvijetljenosti,

− lahko se lome,

− ograničenost primjene na višim pritiscima bez zaštitne cijevi.

Radi njihove jednostavnosti staklenim termometrom se služe gotovo svi koji se na bilo koji način bave temperaturnim mjerenjima. Treba naglasiti, da se vrlo malo, naročito u industriji, vodi računa o greškama koje mogu nastati upotrebom staklenih termometara. Vrlo se rijetko događa da netko vrši ispravku mjerenja, iako greške mogu biti prilično velike.

5. Infracrvena termografija

IC termografija je beskontaktna metoda mjerenja temperature i njezine raspodjele na površini tijela. Zasniva se na mjerenju intenziteta infracrvenog zračenja s posmatrane površine. Sva tijela na temperaturama većim od apsolutne nule zrače elektromagnetne valove. Zračenje čiji je uzrok samo temperatura tijela zove se toplotno zračenje.

Rezultat termografskog mjerenja je termogram, koji u sivim tonovima ili nekom kodu boja daje sliku temperaturne raspodjele na površini posmatranog objekta. Temperaturna raspodjela posredno daje informaciju o različitim stanjima same površine ili je ipak odraz strukture i unutrašnjeg stanja posmatranog objekta.

Slika 5.1. Poređenje izgleda u vidljivom i infracrvenom spektru

Slika 4.4. Stakleni termometar sa digitalnim očitavanjem – smanjuje grešku pri očitanju

rezultata mjerenja


5.1 Elektromagnetno zračenje

Sva tijela konstantno emituju elektromagnetno zračenje, koje kroz vakuum putuje brzinom svjetlosti 8103 ⋅ m/s. Eksperimenti su potvrdili da se zračenje ponaša kao čestica u svojoj interakciji sa tvari, a kao val kad se širi kroz prostor. Elektromagnetni valovi tako imaju dualnu prirodu: valnu i korpuskularnu.

Intenzitet zračenja tijela, tečnosti i plinova je funkcija temperature, valne dužine i optičkih osobina posmatrane površine. Za apsolutno crno tijelo intenzitet zračenja zavisi samo od valne dužine i temperature, i prema Plankovom zakonu taj intenzitet iznosi:

Gdje su C1 i C2 Plankove konstante.

Valna dužina zračenja λ vezana na frekvenciju vala f i brzinu širenja vala c preko izraza:

λ⋅= fc

Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle, vidljiva svjetlost nije jedino zračenje koje ona emitiraju. Emisioni spektri čvrstih tijela su konstantni i sastoje se od svih valnih dužina, od neke minimalne do maksimalne. Oblik spektra i raspored energije po pojedinim valnim dužinama zavisi od temperature i osobina površine koja zrači.

Slika 5.2. Elektromagnetni spektar

Slika 5.2. prikazuje elektromagnetski spektar. Toplotni efekti su vezani za zračenja u području valnih dužina od 0,1 do 100 µm, dok vidljivi dio spektra obuhvata vrlo usko područje unutar područja toplotnog zračenja, tj. dio toplotnog zračenja kojeg može registrovati ljudsko oko. Nalazi se u području valnih dužina između 0,4 do 0,7 µm, dok se infracrveni dio spektra nalazi neposredno iza vidljivog dijela spektra u području valnih dužina od 0,7 do 100 µm.

Posmatrajući u smjeru porasta valnih dužina područje toplotnog zračenja se tako može podijeliti na tri uzastopne domene: ultraljubičasto područje, vidljivi dio i infracrveno (IC) područje.

( )1

51 13,

2−

⋅−

−⋅⋅= T

C

CtI λλλ

Slika 5.3. Zavisnost valne dužine od temperature i intenziteta zračenja


5.2 Princip rada termografskih uređaja

Termografski sistem se sastoji od termografske kamere i jedinice za obradu termograma. U samoj kameri integrirana je IC optika (B), osjetni element IC zračenja (C), jedinica za pretvaranje električnog u video signal (D), monitor i kartica za snimanje podataka (E). Računar služi za obradu termograma prema određenom softveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri.

Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetski spektar, optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka je onoj kod fotografskih aparata, ali različita po materijalima od kojih je napravljena. Materijali koji se koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje, a to su: germanij, cink sulfid, cink selenid za dugo valna IC zračenja te silikon, safir, kvarc ili magnezij za srednje valna IC zračenja.

Slika 5.4. Princip rada savremenog termografskog uređaja

Osjetni elemenat u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja pada na njegovu površinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra.

Energija koja pada na osjetni elemenat OSE jednaka je sumi energija koje dolaze od posmatranog tijela, pri čemu se uzimaju u obzir:

− vlastita emisija i refleksija ( )*ErE ⋅+ ,

− energija koja prolazi kroz tijelo **Ed ⋅ ,

− energija koja dolazi od okoline envE .

Da bi se iz zračenja dospjelog na osjetni elemenat kamere izračunala tačna vrijedost temperature promatranog objekta potrebno je poznavati osobine površine objekta, temperaturu okolnih objekata, udaljenost kamere od posmatranog objekta, temperaturu i relativnu vlažnost zraka. Slika 5.5. Primjer izvedbe

infracrvene kamere


Sve ove podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softveru kamere. Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum, osobito ako se radi o objektu koji je na temperaturi bliskoj temperaturi okoline.

Osim utvrđivanja temperature objekta, softver u kameri pruža i drugu mogućnost. Na temelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznih parametara moguće je dobiti vrijednost emisionog faktora posmatrane površine.

Kad se ipak radi o potrebi uklanjanja zračenja koje posmatrani objekat propušta, ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filteri, čija je funkcija spriječiti prolaz kroz objektiv elektromagnetnih valova onih valnih dužina za koje je posmatranih objekt propustan.

5.3 Termografske metode

Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu i pasivnu, te na kvalitativnu i kvantitativnu.

Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju. Razlike u iznosima infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika u temperaturi ili razlika u osobinama promatrane površine.

Ukoliko je njegova temperatura dovoljno različita od temperature okoline, tada će na termogramu objekt biti vidljiv.

Na slici 5.6. prikazan je termogram zida na kojem se uočavaju hladnija područja koja su posljedica prodora vlage.

Slika 5.6. Fotografija a) i termogram zida b)

Naknadna obrada snimljenih termograma na računaru može biti kvalitativna, što podrazumijeva samo uočavanje mjesta promjene temperature, slika 5.7., ili kvantitativna što uključuje određivanje iznosa temperatura, temperaturnih razlika ili emisionih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu, slike 5.8. i 5.9.

a) b)


Slika 5.7. Na termogramu se lahko uočavaju područija različitih temperatura

Slika 5.8. Toplotno opterećenje mašinskih dijelova sa prikazanim vrijednostima temperature

Slika 5.9. Termografska slika rezervoara sa vertikalnim prikazom promjene temperature


Aktivna termografija zasniva se na posmatranju dinamičkog ponašanja objekta izloženog toplotnoj pobudi. Dinamičke metode se koriste za otkrivanje anomalija kod kojih se temperatura mijenja tokom vremena. Cilj je određeni vid energije, toplotu, koja se manifestuje promjenom temperature promatranog objekta očitati i pri tome pomoći pri upravljanju procesa u kojem taj objekat učestvuje u industriji.

Slika 5.10. Primjer aktivne termografije

Ovisno o strukturi objekta, materijala i njegovoj površini dobit će se različiti termogrami posmatrane površine u vremenu.

a) b) c)

Slika 5.11. Primjer dinamičkog mijenjenja temperature strukture usljed zagrijavanja u toku vremena

Predhodna slika daje primjer dinamičke obrade slike. 5.11.a je slika defekta 3 sekunde nakon zagrijavanja, 5.11.b predstavlja sliku defekta 5 sekundi nakon zagrijavanja, dok je 5.11.c razlika ove dvije slike i otkriva defekt usljed zagrijavanja objekta.

Senzori su obično silikonski, za temperature veće od C°425 , ili od olovnog sulfida za temperature veće od C°200 .

Slika 5.12. Oprema za ispitivanje putem IC termografije


5.4 Primjeri korištenja IC termografije u industriji

Lijevo – Detekcija kvarova na cijevima

Desno – Provjera rada izmjenjivača toplote

Zatim, česte su primjene pri kontroli spremnika, dimnjaka, cjevovoda i izolacije:


5.5 Prednosti i nedostatci

Infracrvena termografija ispunjava zahtjeve koji se dosta često postavljaju pri proizvodnji u industriji. Održavanje proizvodnog procesa 24 sata na dan, 365 dana u godini moguće je zbog velike pouzdanosti opreme za ispitivanje pomoću IC zračenja. Manji broj prekida pri mjerenju daje bolju produktivnost i na taj način se izbjegavaju veći i skupi kvarovi na postrojenjima.

Dakle, to dalje dovodi do povećanja pouzdanosti cijelog postrojenja jer problemi u postrojenju se rješavaju prije nastanka kvara ili oštećenja ostalih dijelova postrojenja. Prepoznavajući moguće kvarove i planirajući popravke smanjuje se broj kritičnih situacija i vrijeme skupog prekovremenog rada.

Industrijski procesi postaju pouzdaniji, a samim tim radna okolina postaje sigurnija. Smanjuje se opasnost od požara. Loše projektirani, loše izvedeni ili preopterećeni električni spojevi koji uzrokuju pregrijanja mogu biti otkriveni na vrijeme(slika 5.13.).

Još neke od prednosti ove metode mjeranja temperature su:

− beskontaktno mjerenje,

− brzi odziv,

− relativno jednostavna interpretacija termograma,

− široke mogućnosti primjene.

Dok se pod loše osobine mogu navesti:

− utjecaj emisionog faktora, atmosfere, udaljenosti, geometrije objekta i ostalih osobina tijela na rezultat mjerenja,

− teško provediva toplotna stimulacija velikih objekata,

− mogućnost posmatranja samo površinskih efekata.

Treba napomenuti da je za kvalitativne i kvantitativne analize termograma potrebno osposobiti kadrove koji za traženu primjenu moraju vladati termografskim sistemom i poznavati problematiku koja se rješava.

Slika 5.13. Primjer nestabilnog električnog spoja koji dovodi do pregrijanja


Slika 5.14. Primjeri primjene opreme bazirane na infrecrvenoj termografiji

Slika 5.15. Primjena infracrvene tehnologije u automobilskoj industiji pri kontroli radne

temperature motora

Slika 5.16. Primjena infracrvene tehnologije u medicini pri dijagnosticiranju raka

Slika 5.16. Primjeri izvedbe termografskih uređaja


6. Radijacijski termometar (pirometar)

Pomoću radijacijskih termometara moguće je mjeriti temperature do nekih 1300°C, a sa onima specijalne izvedbe čak do 3000°C. Na tim visokim temperaturama mjerenje predstavlja velike poteškoće, pa većina metala od kojih se izrađuju zaštitne cijevi omekšavju i tale se. Na tim temperaturama su materijali podložni intenzivnoj oksidaciji, postaju propustljivi za plinove i ne štite detektor od agresivnog djelovanja istih. Izolacioni materijali, prisutni u termometru, dobijaju veću električnu provodljivost. Granica primjene pojedinih vrsta termometara na visokim temperaturama je ograničena, nekih oštro a nekih manje oštro. Ovo ograničenje i potrebe mjerenja visokih temperatura, doveli su do razvoja termometra koji za mjerenje koriste toplotno zračenje. Takve termometre zovemo još i pirometrima za toplotno zračenje ili jednostavno pirometrima.

U odnosu na neke termometare koji su ranije obrađeni, za mjerenje temperature nekog medija morali smo detektor termometra dovesti u direktan kontakt (podrazumijevajući tu i zaštitnu cijev) sa mjernim medijem. Pirometrima mjerimo temperaturu na udaljenosti, određujući energiju ili intenzitet zračenja.

6.1. Princip rada i fizikalne osnove mjerenja

Svjetlo koje pada na neki predmet dijelom je apsorbovano, a dijelom reflektovano. Između koeficijenta apsorpcije a, refleksije r i propuštanja p postoji veza a + r + p = 1.

Zamišljeno tijelo koje apsorbira sve svjetlosne zrake koje na njega padnu, zovemo crnim tijelom, ili apsolutno crnim tijelom. Koeficijent apsorpcije crnog tijela jednak je jedinici (a =1).

U prirodi ne postoji apsolutno crno tijelo. Možemo ga zamisliti kao neki potpuno zatvoren prostor, čije zidovi ne propuštaju svjetlosne zrake, a na svakom djelu zida je ista temperatura. Iz ovog prostora svjetlosne zrake izlaze samo kroz mali otvor.

Pirometrom se određuje temperatura mjerenjem ukupnog intenziteta elektromagnetskog zračenja. Stefan – Boltzmannov zakon omogućava jednostavno izračunavanje intenziteta zračenja I(T), i za za crno tijelo vrijedi: 4TI ⋅= δ .

Slika 6.1. Princip rada pirometra – šematski prikaz


Osnovni djelovi mjernog uređaja su prikazani na slici 6.1. Termometar se sastoji od cijevi u kojoj se na ulaznom dijelu nalazi objektiv (L) kojim se fokusira elektromagnetno zračenje koje dolazi sa površine objekta temperature T. U fokusu objektiva nalazi se detektor (crno tijelo) koja ima maksimalni faktor apsorpcije elektromagnetskog zračenja. Na površini detektora zavaren je jedan ili više termoparova (termočlanaka) pomoću kojih se mjeri temperatura detektora, a elektromotorna sila EMS termopara je mjerni signal za temperaturu objekta T.

Analiza mjerenog uređaja zasniva se na primjeni Stefan – Boltzmanovog zakona. U početku mjerenja temperatura detektora je na temperaturi instrumenta i nakon što se instrument usmjeri prema površini objekta dolazi do apsorpcije elektromagnetskog zračenja u detektoru. Od početka mjerenja temperatura detektora stalno raste ali sve sporije, jer povećanjem temperature detektora povećava se i intenzitet emisije.

Mjerni signal se očita kada se uspostavi stacionarno stanje, odnosno kada je apsorbirani intenzitet zračenja na površini detektora jednak intenzitetu zračenja sa detektora.

Korištenjem Stefan – Boltzmannov zakona moguće je odrediti uslove ravnoteže:

− intenzitet apsorbovanog zračenja 4TIA ⋅⋅= δε ,

− intenzitet zračenja sa detektora 4CI TI ⋅= δ .

Izjednačavanjem ova dva izraza može se izraziti temperatura objekta kao temperatura detektora:

CTT ⋅=4

1

ε.

Tačnost mjerenja radijacijskim termometrom određena je pouzdanošću poznavanja vrijednosti koeficijenta emisije ε . Najčešće se ε određuje baždarenjem za pojedine materijale i uvjete mjerenja.

Zagrijano tijelo zrači širok spektar elektromagnetskih valova, ali za razne temperature maksimum zračenja nije na istoj valnoj dužini. Tijela zagrijana ispod 500°C žare

tamnocrvenim svjetlom. Daljim zagrijavanjem ta crvena užarenost postaje sve svjetlija, dok oko 1100°C prelazi u narandžastu, a na oko 1400°C tijelo postiže bijelo usijanje. Tijelo zrači bijelo svjetlo, jer na toj temperaturi zrači elektromagnetske valove koji odgovaraju svim bojama vidljivog spektra.

Sva ova razmatranja se odnose na zračenje crnog tijela. Pirometri se baždare također sa apsolutno crnim tijelima. U praksi se susrećemo s tijelima koja zrače manje nego crna tijela i ta tijela nazivamo sivim tijelima.

Slika 6.2. Kriva 1 označava zračenje crnog, a kriva 2 sivog tijela

Slika 6.2. Izgled

detektora u pirometru


Radi toga pri mjerenju temperature pirometri pokazuju uvijek manju temperaturu od stvarne i potrebno je vršiti korekcije.

Omjer energije AI , koju zrači površina sivog tijela i energije II , koju zrači pločica na istoj temperaturi, nazivamo koeficijentom emisije ε :

I

A

I

I=ε .

Na slici 6.2. prikazana je razlika između zračenja apsolutno crnog i sivog tijela. Sivo tijelo definisano je istim osobinama kao i crno, samo mu je spektralna snaga zračenja proporcionalno manja.

Prema tome, temperaturu zagrijanog tijela radijacijskim pirometrima možemo mjeriti na sljedeće načine:

− može se mjeriti ukupna energija koju tijelo zrači. Osnovni zahtjev je da detektor pirometra primi što više energije koju tijelo zrači i to u cijelom spektru,

− može se mjeriti energija koja pripada samo jednoj oblasti spektra od svega 0,01 µm i to na valnoj dužini od oko 0,65 µm. To je crveni dio vidljivog spektra,

− energija koju zrači ugrijano tijelo u jednom određenom području spektra može se mjeriti posebnim detektorom, kao što je na primjer fotoćelija,

− mjerenjem odnosa intenziteta dvaju boja.

a)

b)

c)

Slika 6.3. Radijacijski termometar: a) pirometar sa digitalnim očitanjem, b) optički dio pirometra sa kablom za povezvanje sa instrumentom, c) baždarenje pirometra sa vrućom pločom crnog tijela


6.2. Izvedbe pirometara

Prema metodi mjerenja pirometri se mogu podijeljeni u sljedeće grupe:

− pirometri na principu ukupnog zračenja,

− pirometri na principu djelomičnog zračenja (optički pirometri),

− fotoelektrički pirometri,

− pirometri na boje.

Pirometar na principu ukupnog zračenja mjeri ukupnu energiju koju prema Stefan – Boltzmannovu zakonu zrači zagrijano tijelo. Da bi se toplotne zrake mogle fokusirati na što manju površinu, koriste se optičke leće i ogledala. Međutim ova pomagala se ne mogu primijeniti na čitav spektar toplotnog zračenja. Primjenom staklene leće izdvaja se dio spektra, koji je samo malo širi od vidljivog djela spektra.

Prednosti radijacijskih

Prednosti radijacijskih termometara ogledaju se u beskontaktnom mjerenju temperature, dobroj stabilnosti i brzom odzivu. U nedostatke, ubrajaju se visoka cijena i smetnje kao što su dim, prašina para i slično.

Slika 6.4. Izvedbe radjacijskih termometara, prenosivi i pirometri za fiksnu ugradnju


6.2.1. Optički pirometri

Sa ovim pirometrima, koji se nazivaju još i pirometri na djelimično zračenje, mjeri se intenzitet zračenja vrlo uskog područja spektra, izdvojenog iz cijelog spektra toplotnog zračenja. Mjerenje se vrši na taj način da se intenzitet izdvojenog dijela spektra upoređuje s intenzitetom svjetlosti jednog baždarenog izvora svjetla. Na slici 6.5. prikazan je princip rada optičkog pirometra.

Instrument se sastoji od cijevi sa dvije konveksnog sočiva, žarne niti i filtera crvene boje. Žarna nit se zagrijava prolazom električne struje, i sama struja je mjerni signal. Mjerenje se provodi tako da se otvor cijevi instrumenta usmjeri prema površini kojoj se mjeri temperatura. Elektromagnetno zračenje prolazi kroz prvo sočivo, i skuplja se u fokusu. U fokusu se nalazi staklena cijev sa žarnom niti. Ta tačka je ujedno i fokus drugog sočiva. Kroz sočivo prolazi elektromagnetno zračenje sa mjerenog objekta i žarne niti. Iza drugog sočiva nastaje paralelan snop zraka koje zatim prolaze kroz filter crvene boje.

Ako se određivanje temperature, odnosno podešavanje pirometra, vrši ljudskim okom, tada se mora odabrati valna dužina koja se nalazi u vidljivom dijelu spektra. Da bi instrument mogao obuhvatiti i niže temperature, poželjno je da ta izdvojena valna dužina bude bliže crvenom dijelu spektra. Dakle filter je nepropustan za sve valne dužine vidljivog spektra osim za dio u područiju crvene boje, =λ 0,65 µm. Ova valna dužina je već prilično daleko od valne dužine na koju je oko maksimalno osjetljivo, ali se uporedna mjerenja još mogu vršiti i to s tačnošću od ± 0,5% do ± 1%.

Mjeritelj posmatra istovremeno sliku površine tijela i žarne niti. Moguće su tri situacije:

a) T < Tn ,

b) T > Tn ,

c) T ≅ Tn .

Sa T je označena temperatura mjerenog objekta, a Tn je temperatura niti u fokusu instrumenta. Mjerni signal Tn se očita sa instrumenta kada se izjednači sjaj površine objekta i referentne niti instrumenta. U tom slučaju intenzitet zračenja na valnoj dužini crvene boje jednak je:

( ) ( ) ( )TITI n ,, 000 λλελ ⋅= za valnu dužinu 0λ .

Slika 6.5. Princip rada optičkog pirometra – šematski prikaz


Slika 6.6. ispravno podešavanje intenziteta svijetlosti optičkog pirometra:

a) struja struja koja prolazi kroz nit je

preslaba T>Tn,

b) ispravno podešeno pri čemu se ne može

razlikovati svijetlost niti od svjetlosti

posmatrane površine

c) na prejakoj struji nit je svijetlija od

pozadine T<Tn.

Koeficijent emisije referentne niti ima vrijednost 1, ali za mjereni objekt treba uzeti vrijednost monohromatskog faktora emisije. U gornji izraz uvrstimo Planckove formule navedene u dijelu o elektromagnetnom zračenju (5.1. Elektromagnetno zračenje):

( )

−⋅

=

−⋅

⋅

⋅⋅ 11 0

2

0

2

5

1

5

10

nT

C

o

T

C

o

CC

λλ ελελ

λε.

Dijeljenjem obje strane sa istim faktorima dobije se:

( ) 11 0

2

0

2

0 −=

−⋅ ⋅⋅ T

C

T

C

n λλ εελε .

Zanemare li se vrijednost konstante u odnosu na mnogo veću vrijednost eksponencijalne funkcije, i nakon toga ako se logaritmira izraz, dobija se konačna formulu za izračunavanje temperature objekta T za izmjerenu vrijednost temperature niti Tn :

( )( )02

0 ln11

λελ

⋅+=CTT n

.

Postoje dvije osnovne izvedbe koje omogućavaju poređenje intenziteta zračenja. Prva metoda je da se zagrijavanje niti može podešavati, dok se ne izjednači sa intenzitetom svjetlosti izvora. Struja ili napon za zagrijavanje niti, a isto tako i položaj na klizaču potenciometra, mogu biti mjerilo temperature.

Drugom metodom se prigušuje intenzitet zračenja izvora i upoređuje s konstantnim intenzitetom svijetlosti niti. Ovdje se posebni zahtjevi postavljaju na nit i optiku, jer se moraju izbjeći razni efekti refleksije i savijanja svjetla.

a) b) c)

Slika 6.7. Izvedbe optičkih pirometara


6.2.2. Fotoelektrički pirometri

Da bi se izbjegli štetni utjecaji apsorpcije toplotnog zračenja, koju vrše CO2 i vodena para upotrebljavaju se fotoelektrički pirometri. Kao detektor kod ovih pirometara služi fotoćelija. Otklanjanje utjecaja apsorpcije postiže se na taj način da se spektralna osjetljivost fotoćelije smanji u onim oblastima spektra u kojima se utjecaj apsorpcije može mjeriti.

Neki tipovi pirometra ne koriste čitav spektar toplotnog zračenja, a ne koriste ni ukupnu energiju koja je proporcionalna četvrtom stepenu apsolutne temperature.

Primjenom staklenih sočiva eliminiraju se sve valne dužine veće od oko 2,5µm, a fotoelektrički pirometri eliminiraju još veću oblast.

Ako je greška zbog apsorpcije kod pirometara s ogledalom (pirometar na principu ukupnog zračenja) iznosila 50°C, na temperaturi od 1700°C, ona je kod pirometara s lećama iznosi 40°C, a kod fotoelektričkih pirometara samo 15°C.

6.2.3. Piroimetar na boje

Pored spomenutih metoda utvrđivanja temperature mjerenjem energije i intenziteta zračenja, u praksi se primjenjuje još jedna metoda, kojom temperaturu utvrđujemo tako da određujemo odnos između dvije oblasti spektra. Unutar cijelog spektra toplotnog zračenja crnog tijela odnos energije zračenja između dvije uske spektralne oblasti (npr. crvena i zelena) jednoznačna je funkcija temperature. Kada se intenzitet zračenja crnog ili sivog tijela oslabi za neki proporcionalni koeficijent, odnos intenziteta zračenja odabranih frekvencija ostaje nepromijenjen, odnosno mjerenje je nezavisno od stepena prigušenja.

Pirometri na boje rade najčešće s bikromatski obojenim klinom. Svjetlost filtriranog zračenja upoređuje se sa svjetlošću jedne referentne sijalice. Položaj bikromatskog klina je mjerilo za temperaturu. Ovi instrumenti se primjenjuju pri temperaturama od 1000°C do 2000°C.

6.3. Zaključak

Radijacijski termometri svojim područjem primjene odlično nadopunjuju termometre. Pri mjerenju temperature detektor kontaktnih termometra mora doći u dodir sa mjernim medijem. U nekim slučajevima to je neriješiv problem. Međutim, to ne vrijedi samo za vrlo visoke temperature. Nekada je potrebno mjeriti temperaturu nekih agresivnih medija, pri čemu kontakt nije poželjan, a teško je realizovati prenos toplote sa rotirajućih dijelova strojeva na detektor kontaktnih termometra. U tom slučaju, gdje detektor iz bilo kojeg razloga ne može ili ne smije dodirivati mjerni medij, toplotno zračenje ostavlja mogućnost za mjerenje. Za razliku od ostalih termometara, pirometri se primjenjuju uspješno pri mjerenju vrlo visokih temperatura.

Oni imaju i nekoliko nedostataka, koji uglavnom proizlaze iz činjenice da emisioni koeficijent varira u vrlo širokom rasponu i da, osim od vrste materijala, zavisi i od kvalitete površine izvora toplotnog zračenja.

Na nižim temperaturama svakako su pouzdanije razne vrste kontaktnih termometara.


7. Poluvodički ili termistorski termometri

7.1. Princip rada

Uticaj temperature na električki otpor poluprovodnika poznat je još od Faradejevih eksperimenata sa srebrnim sulfidom, 1835 godine. Poluprovodnici sa stabilnijim karakteristikama dobiveni su znatno kasnije, a njihova primjena, pod nazivom termistori, počinje tek oko 1940 godine.

Provodnici i poluprovodnici imaju različit mehanizam prenosa naelektrisanja u materijalu. Kod metala naelektrisanje se prenosi kretanjem elektrona što dovodi do povećana temperature, pri čemu se povećava električni otpor zbog intenzivnijeg raspršenja nosioca naelektrisanja na kristalnoj rešetci.

Kod poluprovodnika prenos naelektrisanja je limitiran brojem nosilaca naelektrisanja. Povećanjem temperature dolazi da prelaza nosioca naelektrisanja iz nižih energetski nivoa u vodljivi nivo tako da povećanje temperature kod termistora smanjuje električni otpor što je i prikazano na sliici 7.1.

Zavisnost električnog otpora provodnika od temperature teško je teoretski izvesti sa dovoljnom tačnošću za široki mjerni opseg, pa se zbog toga koriste aproksimacije sa parametrima procijenjenim metodom najmanjih kvadrata. Najčešće se upotrebljava polinomna aproksimacija:

( ) ( ) ( ) ( )[ ]nTTTTTTRTR 0

2000 ...1 −++−⋅+−⋅+= βα

Pri čemu je 0T referentna temperatura, najčešće 0°C, a 0R je referentni otpor na toj

temperaturi. Parametri α ,β i stepen aproksimacije n određuju se tako da se postigne maksimalna točnost i pouzdanost aproksimacije.

Slika 7.1. Prikaz promjene relativnog otpora metala i poluprovodnika u temperaturnom području od 200 do 1000 K.


Zavisnost otpora termistora od temperature može se izraziti eksponencijalnom jednačinom:

( )

−

⋅= 0

11

0TT

B

eRTR ,

gdje je: R – otpor termistora, T – apsolutna temperatura termistora, B – koeficijent konstantan za dati termistor, 0R – otpor datog termistora na 20°C. Tipična vrijednost

otpora 0R je 3 – 20 kΩ na temperaturi od 300 K.

Nominalna vrijednost otpora termistora mjeri se na 20°C. Dopušteno odstupanje otpora pojedinih termistora od nominalne vrijednosti iznosi ± 20%. Temperaturni koeficijent za pojedine proizvodne serije termistora istoga tipa može iznositi do ±0,2%. Ovako velika odstupanja stvaraju niz poteškoća u primjeni termistora, a naročito u njihovim serijskim i paralelnim spojevima.

Svi termistori koji se koriste u praksi imaju negativan temperaturni koeficijent. U području oko sobne temperature taj koeficijent varira od 1 do 5% po jednom stepenu Celzijusa. Pri -60°C vrijednost temperaturnog koeficijenta je dvostruka, a pri 150°C smanjuje se na polovinu.

Raspon nominalnih otpora termistora kreće se u granicama od 1 kΩ do 1000kΩ.

7.2. Izvedba termistora

Poluprovodnički elementi materijal za termistore obično se sastoji od oksida nekog me-tala ili mješavine tih oksida. Radi čvrstoće izvedbe, taj materijal se nanosi u vrlo tankim slojevima na keramičku podlogu, a električki kontakt se ostvaruje pomoću provodnika učvršćenih na različite načine za tu podlogu.

Slika 7.2. Prikaz uobičajnih izvedbi termistora


Dimenzije termistora su vrlo male. Termistori se zaštićuju na različite načine, a često se stavljaju u staklene obloge i drže pod vakuumom.

Jedan od velikih nedostataka termistora jest njihova nestabilnost odnosa temperatura – otpor. Taj odnos se s vremenom mijenja, to brže, što je temperatura kojoj je termistor izložen viša.

Na slici 7.3. prikazana je zavisnost promjene otpora od vremena trajanja izlaganja termistora pri temperaturi od 105°C. Ako termistor izložimo konstantnoj temperaturi, njegov će se otpor za godinu dana povećati prosječno za oko 1%. Temperaturno područije primjene termistora ograničeno je raznim fizikalnim pojavama. Ono obično iznosi od 100°C do 400°C.

Termistori se odlikuju posebnim karakekteristikama tako da su naročito prikladni za mjerenja gdje je potrebno postići vrlo male vremenske konstante i veliku osjetljivost mjernog signala. Pri proizvodnji termistora koriste se mješavine sulfida, selenida i oksida kao što su Mg, Ni, Co, Cu, Fe itd. Ove mješavine se presaju u različite oblike, kao što su: kuglice, štapići, pločice itd.

Osjetljivost mjernog signala termistora je vrlo velika. Uobičajena vrijednost iznosi od 1 pa do 500 Ω/K na temperaturi od 0°C.

Među glavne osobine termistora ubrajaju se:

− veliki otpor,

− velika osjetljivost mjernog signala,

− nelinearna funkcija,

− mala vremenska konstanata (postoje izvedbe sa τ ≈ 1 ms),

− mala jačina struje (manja opterećenja), I < 10 µA,

− reproduktivnost temperature ±0,01°C.

Slika 7.3. Kriva 1 prikazuje promjenu specifičnog otpora termistora izrađenog od oksida mangan-nikla, u zavisnosti od vremena upotrebe. Kriva 2 se odnosi na oksid mangan - kobalt

Slika 7.3. Izvedbe i oblici termistora


7.3. Primjena termistora

Budući da se kod termistora radi o promjeni otpora s temperaturom, na mjerenje temperature mogu se primijeniti iste metode kao i pri otporničkim termometrima. Osjetljivost mjerenja pomoću termistora vrlo je velika, jer termistori imaju velik temperaturni koeficijent.

Termistori se koriste i za termometre sa zračenjem. Njihove male dimenzije i mali toplotni kapacitet, te veliki specifični otpor, daju im u ovoj primjeni niz prednosti.

Brzina odziva termistorskih termometara, kao što je već rečeno, vrlo je velika. Za specijalne svrhe se grade termistori s brzinom odziva od nekoliko milisekundi do jedne sekunde.

Male dimenzije termistora, njihova jednostavna konstrukcija i velik specifični otpor znatno olakšavaju mjerenje temperature u mnogim slučajevima gdje se to s drugim metodama može vrlo teško provesti.

Termistori se koriste i kao “enzim – termistori" za mjerenje koncentracije produkata tokom fermentacije.

Enzim – termistor sastoji se od poroznog zrna na koji je vezan enzim koji katalizira specifičnu reakciju koja služi za dobivanje mjernog signala.

Uglavnom se koriste enzimi oksidaze kojima se oksidiraju pojedine komponenete. Enzim je vezan u porama poroznog zrna i tijekom oksidacije se oslobađa toplota zbog koje dolazi do rasta temperature u središtu zrna u odnosu na okolinu. Temperaturno povećanje je proporcionalno brzini enzimske reakcije, a brzina reakcije je funkcija koncentracije, određena sa Michaelis – Mentenovim kinetičkim modelom. U središtu se nalazi osjetljivi termistor tako da se otpor termistora, odnosno temperatura koristi kao mjerni signal koncentracije.

Slika 7.4. Primjer primjene termistora u

termostatima


Literatura

Knjige

Filip Čorlukić, Mjerenje temperature u industriji, Zagreb, 1966,

Miroslav pavlović, Opšta razmatranja o mernim sistemima i instrumentima, Niš, 1980,

Internet

www.fsb.hr/termolab/nastava/IC%20prezentacija_FSB.pps,

www.fe.untz.ba/nastava/file.php/1/Materijali_u_elektrotehnici/poluvodicki_materijali.ppt,

http://helix.chem.bg.ac.yu/~manojlo,

www.fsb.hr/termolab/nastava,

http://www.riteh.hr/zav_katd_sluz/zvd_teh_term_energ/obv/INFRACRVENA%20TERMOGRAFIJA_VJEZBE_FSB.pdf,

http://www.pbf.hr/labmra,

http://www.fsb.hr/termolab/nastava/Infracrvena%20termografija_Vjezbe_FSB_Boras.pdf,

http://www.reotemp.com/index.php?option=displaypage&Itemid=211&op=page&PHPSESSID=b432fb6c2a114c33c4e55771e8080252,

http://www.fsb.hr/termolab/nastava/Kulturna%20bastina_Boras_1.pdf.

Documents

Mjerenje Temperature u Industriji_Amer Avdic