Osnovi savremene termometrije - etfbl.netetfbl.net/~aleksej/em/termometrija.pdf · Osnovi savremene termometrije ... – promjena otpornosti u zavisnosti od temperature ... od platinske

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost

Osnovi savremene termometrije

prof. dr. Jovan Bojkovski

Univerza v LjubljaniFakulteta za elektrotehniko

Laboratorij za metrologijo in kakovostTržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenija

Tel: +386 1 4768 798Fax: +386 1 4264 633

E-pošta: jovan.bojkovski@ fe.uni-lj.sihttp://lmk.fe.uni-lj.si


Osnovi savremene termometrije

prof. dr. Jovan Bojkovski


Laboratorij za metrologijo in kakovostTržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenija

Tel: +386 1 4768 798Fax: +386 1 4264 633

E-pošta: jovan.bojkovski@ fe.uni-lj.sihttp://lmk.fe.uni-lj.si


Sadržaj predavanja

• Osnovi mjerenja temperature• Mjerenje temperature platinskim otpornim

termometrima• Mjerenje temperature termoparovima

• Ocjena mjerne nesigurnosti pri mjerenjutemperature


• Osnovi mjerenja temperature• Mjerenje temperature platinskim otpornim

termometrima• Mjerenje temperature termoparovima

• Ocjena mjerne nesigurnosti pri mjerenjutemperature

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Termodinamička temperatura

• Oko 1850 godine je lord Kelvin sa upotrebomtermodinamičkih zakona definisao temperaturu

• Materija koja ima toplotu nula, ima i temperaturunula

• Temperatura koja slijedi tim zakonima je u praksipoznata kao termodinamička ili apsolutnatemperatura

• Teorija i istraživanja su dokazali da je temperaturaintenzivna i ne ekstenzivna fizička veličina (npr.dužina, masa, volumen, itd.).


• Oko 1850 godine je lord Kelvin sa upotrebomtermodinamičkih zakona definisao temperaturu

• Materija koja ima toplotu nula, ima i temperaturunula

• Temperatura koja slijedi tim zakonima je u praksipoznata kao termodinamička ili apsolutnatemperatura

• Teorija i istraživanja su dokazali da je temperaturaintenzivna i ne ekstenzivna fizička veličina (npr.dužina, masa, volumen, itd.).


Termodinamički(primarni) termometri

• Gasni termometri• Radi na osnovu jednačine stanja idealnog gasa

• Akustički termometar

• Šumni termometar

• Termometar cijelog spektra zračenja

• Uglavnom su nepraktični za rad, veoma skupi i u većinislučajeva manje tačni

TnpV R

MTc R2

0


• Gasni termometri• Radi na osnovu jednačine stanja idealnog gasa

• Akustički termometar

• Šumni termometar

• Termometar cijelog spektra zračenja

• Uglavnom su nepraktični za rad, veoma skupi i u većinislučajeva manje tačni

fTRU k42

4420

3

45

ch15k2)( TTTM


Temperaturne skale

• Temperaturna skala predstavlja najboljipribližak termodinamičke temperaturne skale

• Normalna hidrogenova skala (1. zasjedanjeCGPM 1889) upotrebljava rezultate Chappius-a.

• ITS-27 (7. zasjedanje CGPM 1927) (InternationalTemperature Scale)

• ITS-48 (9. zasjedanje CGPM 1948)• IPTS-48 (11. zasjedanje CGPM 1960)

(P=practical=empirička)• IPTS-68 (13. zasjedanje CGPM 1967-68)

– EPT-76 (prihvaćena BIPM 1979)Univerza v Ljubljani

Fakulteta za elektrotehniko

• Temperaturna skala predstavlja najboljipribližak termodinamičke temperaturne skale

• Normalna hidrogenova skala (1. zasjedanjeCGPM 1889) upotrebljava rezultate Chappius-a.

• ITS-27 (7. zasjedanje CGPM 1927) (InternationalTemperature Scale)

• ITS-48 (9. zasjedanje CGPM 1948)• IPTS-48 (11. zasjedanje CGPM 1960)

(P=practical=empirička)• IPTS-68 (13. zasjedanje CGPM 1967-68)

– EPT-76 (prihvaćena BIPM 1979)

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost ITS-90 i termodinamička skala

• ITS-90 (18. zasjedanje CGPM 1987,prihvaćeno na skupštini CIPM 1989)

• razlika između teoretske i praktične skale jeizmeđu 0,1 mK i 0,5 mK

tem

pera

tura

praktička skalaITS-90


toplotna energija

tem

pera

tura

fiksne tačke

praktička skalaITS-90

teoretička termodinamičkaskala


Fiksne tačke

• Fiksne tačke su karakteristične fizičke pojave, kojeimaju stabilnu temperaturu svo vrijeme trajanja tefizičke pojave

• Vrijednosti tih temperatura su ponovljive• Najpoznatije fiksne tačke nastupaju prilikom promjene

agregatnog stanja materije• Trojna tačka, očvršćavanje i topljenje


• Fiksne tačke su karakteristične fizičke pojave, kojeimaju stabilnu temperaturu svo vrijeme trajanja tefizičke pojave

• Vrijednosti tih temperatura su ponovljive• Najpoznatije fiksne tačke nastupaju prilikom promjene

agregatnog stanja materije• Trojna tačka, očvršćavanje i topljenje


Međunarodna temperaturnaskala ITS 90

13,8033 K trojna to ka Hč 2

trojna to ka Oč 2

trojna to ka H Oč 2

trojna to ka Neč

trojna to ka Arč

trojna to ka Hgč

tališ e Gač

strdiš e Inč

strdiš e Snč

strdiš e Znč

strdiš e Alč

strdiš e Agč

strdiš e Auč

strdiš e Cuč

tlak pare H (He)2

tlak pare H (He)2

tlak

pare

He

17 K

20,27 K

24,5561 K

54,3584 K

83,8058 K

234,3156 K

0,01 °C

29,7646 °C

156,5985 °C

231,928 °C

419,527 °C

660,323 °C

961,78 °C

1064,18 °C

1084,62 °C

Pla

tina

stiu

poro

vnit

erm

omet

ri

Sev

alni

term

omet

er

Plin

ski

term

omet

ri

Fiksne to keč Termometri Interpolacijska območja

Term

omet

ris

helij

evim

ite

koči

nski

mi

para

mi


13,8033 K trojna to ka Hč 2

trojna to ka Oč 2

trojna to ka H Oč 2

trojna to ka Neč

trojna to ka Arč

trojna to ka Hgč

tališ e Gač

strdiš e Inč

strdiš e Snč

strdiš e Znč

strdiš e Alč

strdiš e Agč

strdiš e Auč

strdiš e Cuč

tlak pare H (He)2

tlak pare H (He)2

tlak

pare

He

17 K

20,27 K

24,5561 K

54,3584 K

83,8058 K

234,3156 K

0,01 °C

29,7646 °C

156,5985 °C

231,928 °C

419,527 °C

660,323 °C

961,78 °C

1064,18 °C

1084,62 °C

Pla

tina

stiu

poro

vnit

erm

omet

ri

Sev

alni

term

omet

er

Plin

ski

term

omet

ri

Fiksne to keč Termometri Interpolacijska območja

Term

omet

ris

helij

evim

ite

koči

nski

mi

para

mi

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Trojna tačka vode (1)

• Trojna tačka vode predstavlja osnovnufiksnu tačku u temperaturnoj skali

• Jedinica za termodinamičku temperaturukelvin je definisana preko trojne tačkevode.


• Trojna tačka vode predstavlja osnovnufiksnu tačku u temperaturnoj skali

• Jedinica za termodinamičku temperaturukelvin je definisana preko trojne tačkevode.

TTVura temperat273,16

1=K1

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Trojna tačka vode (2)



Topljenje i očvršćavanja indija

Upornost v točki strdišča indija, Tinsley 274722

40,1883

40,18835

40,1884

40,18845

40,1885

40,18855

40,1886

40,18865

40,1887

28.08

.00 9:

46:41

28.08

.00 10

:29:29

28.08

.00 11

:10:58

28.08

.00 11

:49:50

28.08

.00 12

:28:43

29.08

.00 9:

43:58

29.08

.00 10

:40:21

29.08

.00 11

:19:24

29.08

.00 12

:04:36

29.08

.00 12

:49:08

29.08

.00 13

:28:07

29.08

.00 14

:07:22

29.08

.00 14

:46:25

29.08

.00 15

:25:20

29.08

.00 16

:04:26

29.08

.00 16

:43:24

29.08

.00 17

:22:22

29.08

.00 18

:01:21

taljenje strjevanje

0,5 mK


Upornost v točki strdišča indija, Tinsley 274722

40,1883

40,18835

40,1884

40,18845

40,1885

40,18855

40,1886

40,18865

40,1887

28.08

.00 9:

46:41

28.08

.00 10

:29:29

28.08

.00 11

:10:58

28.08

.00 11

:49:50

28.08

.00 12

:28:43

29.08

.00 9:

43:58

29.08

.00 10

:40:21

29.08

.00 11

:19:24

29.08

.00 12

:04:36

29.08

.00 12

:49:08

29.08

.00 13

:28:07

29.08

.00 14

:07:22

29.08

.00 14

:46:25

29.08

.00 15

:25:20

29.08

.00 16

:04:26

29.08

.00 16

:43:24

29.08

.00 17

:22:22

29.08

.00 18

:01:21

taljenje strjevanje

0,5 mK


Šema sljedljivostitemperature u Sloveniji


Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Podjela termometara

• Po signalu mjerenja• električni• mehanički

•tekućinski (živa, alkohol, ...)

• Po načinu mjerenja• kontaktni• bezkontaktni


• Po signalu mjerenja• električni• mehanički

•tekućinski (živa, alkohol, ...)

• Po načinu mjerenja• kontaktni• bezkontaktni

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Kontaktni termometri

• Kontaktni termometri su termometri kod kojih jesenzor termometra u neposrednom toplotnomkontaktu sa objektom mjerenja.

Objekt mjerenja


Kontaktni termometar

Objekt mjerenja

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Princip rada

• Kontaktni termometri rade na principuprimjene određene fizičke karakteristikesenzora u zavisnosti od temperature:– rastezanje predmeta u zavisnosti od temperature– promjena otpornosti u zavisnosti od temperature– proizvodnja termoelektričkog napona– mehanička deformacija– promjena gustine– itd.


• Kontaktni termometri rade na principuprimjene određene fizičke karakteristikesenzora u zavisnosti od temperature:– rastezanje predmeta u zavisnosti od temperature– promjena otpornosti u zavisnosti od temperature– proizvodnja termoelektričkog napona– mehanička deformacija– promjena gustine– itd.

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Vrste kontaktnih termometara

• otporni termometri i termistori• termoparovi• tekućinski termometri• sežerjeve kupe• bimetalni termometri• manometarski termometri• .....


• otporni termometri i termistori• termoparovi• tekućinski termometri• sežerjeve kupe• bimetalni termometri• manometarski termometri• .....

indikacijski termometriindikacijski termometri


Prvi zakon termometrije

"Kontaktni termometar uvijek mjeri svoju vlastitutemperaturu, koja nije uvijek jednaka temperaturiobjekta mjerenja."


Izmjerjena temperatura je jednaka temperaturi objektaIzmjerjena temperatura je jednaka temperaturi objektamjerenja jedino ako je između kontaktnog termometra imjerenja jedino ako je između kontaktnog termometra iobjekta mjerenja postignuta termička ravnoteža u skladuobjekta mjerenja postignuta termička ravnoteža u skladusa zakonima termodinamike.sa zakonima termodinamike.

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Dubina uronjavanja

• Dubina uronjavanja predstavlja mjerilo kvalitetatermičkog kontakta između termometra i objektamjerenja

• Potrebna dubina uronjavanja zavisi od osobinatermometra, osobina objekta mjerenja i potrebnetačnosti mjerenja


NE DA NE DA Površinsko mjerenje


Model dubine uronjavanja


ef

iDL

imo kTTT

eDef efektivni premjer termometraki geometrijska konstanta ( 1)Li dubina uronjavanja


Toplotna kapacitivnost

• Toplotna kapacitivnost kontaktnoga termometrapredstavlja količinu toplote, koja je potrebna, da setemperatura termometra promjeni za 1 °C.

• Termometer se grije na račun toplote, koja dolazi izobjekta mjerenja i obrnuto

• Toplotna kapacitivnost termometra zavisi odnjegovih materijalnih i geometrijskih osobina.


• Toplotna kapacitivnost kontaktnoga termometrapredstavlja količinu toplote, koja je potrebna, da setemperatura termometra promjeni za 1 °C.

• Termometer se grije na račun toplote, koja dolazi izobjekta mjerenja i obrnuto

• Toplotna kapacitivnost termometra zavisi odnjegovih materijalnih i geometrijskih osobina.

NE DA

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Vremenska konstanta

t

TTTT

e)( 010

0

T0

T1

• Temperatura termometra postane stabilna tek poslijeodređenog vremena, koje zavisi od vrijednostivremenske konstante termometra .

• Zavisnost proteklog vremena od temperature jeuobičajeno eksponencijalnog oblika:


t

TTTT

e)( 010

0

T0

T1

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Otporni termometri

• Otporni termometri rade na osnovu zavisnostiotpornosti senzora od temperature.


R( T )

T

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Vrste otpornih termometara

• U principu možemo svaki provodnik upotrijebiti kaootporni termometar

• U praksi su najčešći tipovi otpornih termometara :– platinski otporni termometri– termistori

• Mnogo ređe su u upotrebi druge vrste otpornihtermometara kao npr:– rodij-željezni otporni termometri– bakarni– Itd.


• U principu možemo svaki provodnik upotrijebiti kaootporni termometar

• U praksi su najčešći tipovi otpornih termometara :– platinski otporni termometri– termistori

• Mnogo ređe su u upotrebi druge vrste otpornihtermometara kao npr:– rodij-željezni otporni termometri– bakarni– Itd.


Platinski otpornitermometri

• Platinasti otporni termometri su napravljeni kao žicakoja je navita na termički izolator:



Vrste platinskihotpornih termometara

• kapsulni otporni termometri za niske temperature od13 K do 0 °C

• standardni otporni termometri sa dugom cijevi (SPRT)za temperature od -189 °C do 660 °C

• visokotemperaturni standardni otporni termometri(HTSPRT) za temperature od 0 °C do 961 °C

• industrijski otporni termometri (IPRT) zatemperature od -200 °C do 850 °C


• kapsulni otporni termometri za niske temperature od13 K do 0 °C

• standardni otporni termometri sa dugom cijevi (SPRT)za temperature od -189 °C do 660 °C

• visokotemperaturni standardni otporni termometri(HTSPRT) za temperature od 0 °C do 961 °C

• industrijski otporni termometri (IPRT) zatemperature od -200 °C do 850 °C

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Načini označavanja

• Platinski otporni termometri se označavaju pomoćunominalne otpornosti pri temperaturi 0 °C: Pt-25,Pt-100, Pt-200, Pt-1000

• Oznaka Pt-25 znači da ima platinski otpornitermometar u tački leđenja (ili trojnoj tački vode)ima otpornost približno 25 ohma.


• Platinski otporni termometri se označavaju pomoćunominalne otpornosti pri temperaturi 0 °C: Pt-25,Pt-100, Pt-200, Pt-1000

• Oznaka Pt-25 znači da ima platinski otpornitermometar u tački leđenja (ili trojnoj tački vode)ima otpornost približno 25 ohma.


Standardni platinski otpornitermometri

• Standardni platinski otporni termometri suinterpolacijski termometri međunarodne temperaturneskale ITS-90 u području od 13 K do 961 °C.

• Izrađeni su od veoma čiste platinske žice, koja jenavijena na termički izolator.

• Tipična mjerna nesigurnost, koja zavisi odtemperaturnog područja, je od 10 mK u tačkiočvršćavanja srebra (961 °C) do nekoliko desetinki mKu trojnoj tački vode (0,01 °C).


• Standardni platinski otporni termometri suinterpolacijski termometri međunarodne temperaturneskale ITS-90 u području od 13 K do 961 °C.

• Izrađeni su od veoma čiste platinske žice, koja jenavijena na termički izolator.

• Tipična mjerna nesigurnost, koja zavisi odtemperaturnog područja, je od 10 mK u tačkiočvršćavanja srebra (961 °C) do nekoliko desetinki mKu trojnoj tački vode (0,01 °C).


Standardni platinski otpornitermometri

• Zbog posebne konstrukcije su veoma osjetljivi namehanička opterećenja

• Prije svega se upotrebljavaju kao etaloni ukalibracijskim laboratorijima

• Pretvaranje otpornosti u temperaturu se izvodi uzpomoć funkcije W(T)

• Ta funkcija je definisana u temperaturnoj skali ITS-90.


• Zbog posebne konstrukcije su veoma osjetljivi namehanička opterećenja

• Prije svega se upotrebljavaju kao etaloni ukalibracijskim laboratorijima

• Pretvaranje otpornosti u temperaturu se izvodi uzpomoć funkcije W(T)

• Ta funkcija je definisana u temperaturnoj skali ITS-90.


Industrijski platinski otpornitermometri

• Industrijski platinski otporni termometri izrađeni suod platinske žice slabije čistoće i njihova konstrukcijaje mnogo otpornija na mehanička opterećenja

• Tipična mjerna nesigurnost od 10 do 100 mK upodručju od -100 °C do 450 °C.

• Pretvaranje otpornosti u temperaturu otpornosti, utemperaturu se izvodi uz pomoć standarda IEC 751odnosno Callender-van Dusenove jednačine:


• Industrijski platinski otporni termometri izrađeni suod platinske žice slabije čistoće i njihova konstrukcijaje mnogo otpornija na mehanička opterećenja

• Tipična mjerna nesigurnost od 10 do 100 mK upodručju od -100 °C do 450 °C.

• Pretvaranje otpornosti u temperaturu otpornosti, utemperaturu se izvodi uz pomoć standarda IEC 751odnosno Callender-van Dusenove jednačine:

))100(1()( 320 TTCTBTARTR

412-

27-

3-0

C/10183.4*C/10775.5C/109083.3

000,100

CBAR

• Kod temperatura iznad 0 °C je C jednak 0

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Termistori

• Termistori su poluprovodnički elementi, u osnoviizrađeni od različitih keramika (NTC i PTC)

• Glavna karakteristika im je da su u relativnom uskomtemperaturnom području veoma osjetljivi, stabilni iponovljivi,

• Otpornost se pretvara u temperaturu uz pomoćeksponencijalne jednačine:

• Često su termistori upotrebljeni kao senzori udigitalnim indikacijskim termometrima mikroprocesor je zadužen za pretvaranje iz izmjereneotpornosti u temperaturu


• Termistori su poluprovodnički elementi, u osnoviizrađeni od različitih keramika (NTC i PTC)

• Glavna karakteristika im je da su u relativnom uskomtemperaturnom području veoma osjetljivi, stabilni iponovljivi,

• Otpornost se pretvara u temperaturu uz pomoćeksponencijalne jednačine:

• Često su termistori upotrebljeni kao senzori udigitalnim indikacijskim termometrima mikroprocesor je zadužen za pretvaranje iz izmjereneotpornosti u temperaturu

0

11

0 e TTbRR

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Termistori



Mjerenje otpornosti

• Za mjerenje temperature sa otpornim termometrimaje potrebno tačno mjerenje otpornosti.

• U slučaju platinskih otpornih termometara (PRT) 1 %greške otpornosti približno predstavlja 2,5 °C greške uvrijednosti temperature.

• Mjerenje sa klasičnimi ohm-metrima omogoćavadostizanje mjerne nesigurnosti od nekoliko mK donekoliko 100 mK.

• U slučaju da je zahtjevana mjerna nesigurnost manjaod 1 mK, se upotrebljavaju specijalni automatskiotporni mostovi: :

– jednosmjerni– izmjenični


• Za mjerenje temperature sa otpornim termometrimaje potrebno tačno mjerenje otpornosti.

• U slučaju platinskih otpornih termometara (PRT) 1 %greške otpornosti približno predstavlja 2,5 °C greške uvrijednosti temperature.

• Mjerenje sa klasičnimi ohm-metrima omogoćavadostizanje mjerne nesigurnosti od nekoliko mK donekoliko 100 mK.

• U slučaju da je zahtjevana mjerna nesigurnost manjaod 1 mK, se upotrebljavaju specijalni automatskiotporni mostovi: :

– jednosmjerni– izmjenični


Mjerenje otpornosti

Digitalni ohmmetar (multimetar) Izmjenični otporni most



Priključivanjepomoću dvije žice

• Prilikom priključivanja pomoću dvije žice senzorotpornog termometra je neposredno povezan sakonektorima ohmmetra.

• Povezivanje je veoma jednostavno, ali izmjerenaotpornost uključuje i otpornost priključnih žica

• Problem je još više izražen ako su priključne žicepodložne temperaturnim promjenama ili ako ih semijenja tokom upotrebe.


• Prilikom priključivanja pomoću dvije žice senzorotpornog termometra je neposredno povezan sakonektorima ohmmetra.

• Povezivanje je veoma jednostavno, ali izmjerenaotpornost uključuje i otpornost priključnih žica

• Problem je još više izražen ako su priključne žicepodložne temperaturnim promjenama ili ako ih semijenja tokom upotrebe.

R( T )

T

Rp1 Rp2

21)( ppizm RRTRR

Im Im


Priključivanjepomoću četiri žice

• Prilikom priključivanja pomoću četiri žice grana krozkoju teče mjerna struja je odvojena od grane kojase upotrebljava za mjerenje pada napona

• Na taj način možemo u potpunosti eliminisati uticajotpornosti priključnih žica


• Prilikom priključivanja pomoću četiri žice grana krozkoju teče mjerna struja je odvojena od grane kojase upotrebljava za mjerenje pada napona

• Na taj način možemo u potpunosti eliminisati uticajotpornosti priključnih žica

R( T )

T

Rp1Rp3

)(TRIUR

mizm

Rp2 Rp4

Im Im

U


Priključivanjepomoću tri žice

• Priključivanje pomoću tri žice predstavlja kompromisizmeđu priključivanja pomoću dvije žice ipriključivanja pomoću četiri žice

• Takvo povezivanje omogućava mjerenje zbiraotpornosti žica 1 i 2, koje se naknadno mogu korigovati

• Metoda je uspješna pod uslovom da je otpornost svihpriključnih žica približno jednaka


• Priključivanje pomoću tri žice predstavlja kompromisizmeđu priključivanja pomoću dvije žice ipriključivanja pomoću četiri žice

• Takvo povezivanje omogućava mjerenje zbiraotpornosti žica 1 i 2, koje se naknadno mogu korigovati

• Metoda je uspješna pod uslovom da je otpornost svihpriključnih žica približno jednaka

R( T )

T

Rp1 Rp3

2)(

))(( 213

pppizm

RRRTRR

Rp2

ImIm

)())(( 2131 ppppizm RRRRTRR ali


Vlastito zagrijavanje

• Pojava vlastitog zagrijavanja (self-heating) je neposrednopovezana sa načinom mjerenja otpornosti

• Zbog struje koja teče kroz otporni termometar dolazi dovlastitog zagrijavanja

• Otporni termometar mjeri nešto višu temperaturu odstvarne.

• Vrijednost vlastitog zagrijavanja zavisi od upotrebljenestruje, konstrukcije termometra i karakteristika medija,tipična vrijednost je od 0,3 do 30 mK.

• Kod mjerenja sa najvećim stepenom tačnosti se vlastitozagrijavanje koriguje pomoću mjerenja sa dvije različitestruje

• Pri industrijskim mjerenjima je vlastito zagrijavanje diomjerne nesigurnosti mjerenja


• Pojava vlastitog zagrijavanja (self-heating) je neposrednopovezana sa načinom mjerenja otpornosti

• Zbog struje koja teče kroz otporni termometar dolazi dovlastitog zagrijavanja

• Otporni termometar mjeri nešto višu temperaturu odstvarne.

• Vrijednost vlastitog zagrijavanja zavisi od upotrebljenestruje, konstrukcije termometra i karakteristika medija,tipična vrijednost je od 0,3 do 30 mK.

• Kod mjerenja sa najvećim stepenom tačnosti se vlastitozagrijavanje koriguje pomoću mjerenja sa dvije različitestruje

• Pri industrijskim mjerenjima je vlastito zagrijavanje diomjerne nesigurnosti mjerenja


0,009

0,010

0,011

0,012

0,013

0,014

0,015

0,016

0 500 1000 1500 2000 2500 3000Time in seconds

Tem

pera

ture

in °C

I 1 = 1 mA I 1 = 1 mAI 2 = mA

t 1 t 1

t 2

t 0

t 1

212

122

121 I

IIttt

22

122

12mA1 )mA1(

IItttSH

Vlastito zagrijavanje


0,009

0,010

0,011

0,012

0,013

0,014

0,015

0,016

0 500 1000 1500 2000 2500 3000Time in seconds

Tem

pera

ture

in °C

I 1 = 1 mA I 1 = 1 mAI 2 = mA

t 1 t 1

t 2

t 0

t 1

22

122

12mA1 )mA1(

IItttSH

212

122

121110 I

IItttttt

21021 22/1/ tttII


21 struja (0,5 mA do 2,5 mA

0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,020

0,022

0,024

0,026

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00

Time in hours

Tem

pera

ture

in °C


0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,020

0,022

0,024

0,026

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00

Time in hours

Tem

pera

ture

in °C


Histereza



Histereza

• standard IEC 60751, tačka 6.5.6 »Uticaj histereze«(Tsp-Tsr-Tzg-Tsr)

• E644 američke organizacije ASTM International»Standardne testne metode za testiranjeindustrijskih otpornih termometara«, tačka 16opisuje »Test termične histereze«(Tzg-Tsr-Tsp-Tsr)

• Pored tih standardiziranih metoda još seupotrebljava i metoda kod koje mjerimo otpornosttermometra pri temperaturi 0 °C, a ne na sredinimjernog područja. (T(0 °C)-kalibracija-T(0 °C))


• standard IEC 60751, tačka 6.5.6 »Uticaj histereze«(Tsp-Tsr-Tzg-Tsr)

• E644 američke organizacije ASTM International»Standardne testne metode za testiranjeindustrijskih otpornih termometara«, tačka 16opisuje »Test termične histereze«(Tzg-Tsr-Tsp-Tsr)

• Pored tih standardiziranih metoda još seupotrebljava i metoda kod koje mjerimo otpornosttermometra pri temperaturi 0 °C, a ne na sredinimjernog područja. (T(0 °C)-kalibracija-T(0 °C))


Histereza


Promjena prikaza temperature u mK kod 50 °C i kod 0 °C za pojedine testnesenzore (Pt100 razred A) pri cikliranju –50 °C … 150 °C

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Kalibracija

• Standardni platinski otporni termometri obično sekalibriraju na primarnem nivou u fiksnim tačkama, mogui pomoću metode poređenja, ali sa slabijom mjernomnesigurnošću.

• Industrijski platinski otporni termometri i termistori segotovo uvijek kalibriraju pomoću metode poređenja saetalonom višega reda.

• Rezultat kalibracije je kriva, odnosno jednačina, kojanam opisuje zavisnost otpornosti od temperature, sapripadajućom mjernom nesigurnošću

• Mjerni uređaj za mjerenje otpornosti je potrebnokalibrirati dodatno.


• Standardni platinski otporni termometri obično sekalibriraju na primarnem nivou u fiksnim tačkama, mogui pomoću metode poređenja, ali sa slabijom mjernomnesigurnošću.

• Industrijski platinski otporni termometri i termistori segotovo uvijek kalibriraju pomoću metode poređenja saetalonom višega reda.

• Rezultat kalibracije je kriva, odnosno jednačina, kojanam opisuje zavisnost otpornosti od temperature, sapripadajućom mjernom nesigurnošću

• Mjerni uređaj za mjerenje otpornosti je potrebnokalibrirati dodatno.


Termoparovi

• Različitih razreda tačnosti (od 5 mK do 1 K)• Sposobni su mjereiti temperaturu u području od –270

°C do 2100 °C


Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Termoparovi

• U slučaju kada postoji temperaturna razlika po dužininekog provodnika, pojavljuje se termonapon kaoposljedica tog gradijenta.

• Termonapon se pojavljuje isto tako ako je materijal odkojega je provodnik napravljen nehomogen.

• Termopar je po svojoj prirodi diferentni termometar,koji sa jednom stranom, takozvanim vrućim spojem,mjeri nepoznatu temperaturu.


• U slučaju kada postoji temperaturna razlika po dužininekog provodnika, pojavljuje se termonapon kaoposljedica tog gradijenta.

• Termonapon se pojavljuje isto tako ako je materijal odkojega je provodnik napravljen nehomogen.

• Termopar je po svojoj prirodi diferentni termometar,koji sa jednom stranom, takozvanim vrućim spojem,mjeri nepoznatu temperaturu.


• Sposobnost provodnika,da proizvede termonaponse obično izražava uobliku Seebeck-ovogkoeficijenta Se.

Voltmetar

materijal A

materijal B

12


)(S))(SS( 21e21eBeA U


Seebeck-ovi koeficijenti(osjetljivost)



naponmali)(

naponveliki)(

naponmali)(

433434

322323

211212

SU

SU

SU


naponmali)(

naponveliki)(

naponmali)(

433434

322323

211212

SU

SU

SU


Objekatmjerenja

A

B


Objekatmjerenja

A

B


Vrste termoparova

• Termoparovi iz dragocjenih metalatip B (Pt-30%Rh/Pt-6%Rh), tip R (Pt-13%Rh/Pt) i tip S

(Pt-10%Rh/Pt). Svi predstavljaju kombinaciju platinei njene legure sa rodijem u različitim procentima,zbog toga se hemijsko inertni.

• Termoparovi iz metalatip T (Cu/Cu-Ni), tip J (Fe/Cu-Ni), tip K (Ni-Cr/Ni-Al),

tip E (Ni-Cr/Cu-Ni) i tip N (nicrosil/nisil). U svakomod tih tipov se na neki naki način nalazi nikl. Veomahitro oksidiraju.

• Nestandardni termoparovi (Au/Pt, Pt/Pd,...)


• Termoparovi iz dragocjenih metalatip B (Pt-30%Rh/Pt-6%Rh), tip R (Pt-13%Rh/Pt) i tip S

(Pt-10%Rh/Pt). Svi predstavljaju kombinaciju platinei njene legure sa rodijem u različitim procentima,zbog toga se hemijsko inertni.

• Termoparovi iz metalatip T (Cu/Cu-Ni), tip J (Fe/Cu-Ni), tip K (Ni-Cr/Ni-Al),

tip E (Ni-Cr/Cu-Ni) i tip N (nicrosil/nisil). U svakomod tih tipov se na neki naki način nalazi nikl. Veomahitro oksidiraju.

• Nestandardni termoparovi (Au/Pt, Pt/Pd,...)


Referentne funkcije zatermoparove

• Standard IEC 584

• Problem je homogenost prilikom izrade legura koje susastavni dio termopara

• Neke referentne funkcije nisu “glatke” okotemperature 0 °C

CVn

1=i

ii aU


• Standard IEC 584

• Problem je homogenost prilikom izrade legura koje susastavni dio termopara

• Neke referentne funkcije nisu “glatke” okotemperature 0 °C


Termonapon u zavisnostiod temperature



Princip mjerenja satermoparom

VoltmetarCu

Cu

A

Bvrućispoj hladni

spojuobičajeno 0 °C

Cu


VoltmetarCu

Cu

A

Bvrućispoj hladni

spojuobičajeno 0 °C

A’

B’kompenzacijska

žica

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Kako napraviti vrući spoj ?

• Vrući spoj je izveden kao kratki spoj između dvije žicetermopara na mjestu na kojem hoćemo mjerititemperaturu

• Nehomogeni dio žice neće proizvesti dodatnitermonapon, ako se nalazi na jednakoj temperaturi (T1)


• Vrući spoj je izveden kao kratki spoj između dvije žicetermopara na mjestu na kojem hoćemo mjerititemperaturu

• Nehomogeni dio žice neće proizvesti dodatnitermonapon, ako se nalazi na jednakoj temperaturi (T1)


Važnost vrućegaspoja

• Pri mjerenju termonapona kroz termopar teče veomamala struja.

• Otpornost između dvije žice termopara nije tolikovažna, ali svejedno mora biti mnogo manja nego ulaznaotpornost voltmetra.

• To znači da u većini primjera možemo jednostavno štobolje zajedno saviti dvije žice.

• Ako je temperatura iznad 200 °C i nalazimo se ureaktivnoj atmosferi, to nije dovoljno zbog većspomenutog problema oksidacije.

• Tanak film oksida, koji se pojavi između žica, je ujednoi izolator što nam posljedično poveća otpornost


• Pri mjerenju termonapona kroz termopar teče veomamala struja.

• Otpornost između dvije žice termopara nije tolikovažna, ali svejedno mora biti mnogo manja nego ulaznaotpornost voltmetra.

• To znači da u većini primjera možemo jednostavno štobolje zajedno saviti dvije žice.

• Ako je temperatura iznad 200 °C i nalazimo se ureaktivnoj atmosferi, to nije dovoljno zbog većspomenutog problema oksidacije.

• Tanak film oksida, koji se pojavi između žica, je ujednoi izolator što nam posljedično poveća otpornost


Kako napraviti hladnispoj

• Tačka leđenja (izdrobljeni led iz demineralizirane vode+ demineralizirana voda)

• Elektronska tačka leđenja (uobičajeno se izvede uzpomoć Peltier-ovog elementa)

• Kompenzacija (mjerimo temperaturu hladnog spoja kompenziramo električno ili matematički u zavisnostiod tipa termopara)


• Tačka leđenja (izdrobljeni led iz demineralizirane vode+ demineralizirana voda)

• Elektronska tačka leđenja (uobičajeno se izvede uzpomoć Peltier-ovog elementa)

• Kompenzacija (mjerimo temperaturu hladnog spoja kompenziramo električno ili matematički u zavisnostiod tipa termopara)


Prednosti imane termoparova

• Prednosti:– cijena (osim termoparova iz dragocjenih metala)– široko temperaturno područje (-270 °C do 1700 °C)– mali (do 0,25 mm dijametra) brz odaziv– Jednostavna automatizacija mjerenja

• Mane:– Relativno mali signali na izlazu, mala rezolucija

(od 1 mK do 1 K)– problemi kada je veća udaljenost između mjernog

mjesta i instrumenta (dodatno generisani signali)


• Prednosti:– cijena (osim termoparova iz dragocjenih metala)– široko temperaturno područje (-270 °C do 1700 °C)– mali (do 0,25 mm dijametra) brz odaziv– Jednostavna automatizacija mjerenja

• Mane:– Relativno mali signali na izlazu, mala rezolucija

(od 1 mK do 1 K)– problemi kada je veća udaljenost između mjernog

mjesta i instrumenta (dodatno generisani signali)


Prednosti imane termoparova

• Mane:– pri višim temperaturama dolazi do hemijskih i

strukturnih promjena, koje kao rezultat imajuslabiju tačnost (naročito termoparovi iz običnihmetala, K i N tip)

– Rekalibracija pojedinih tipova termoparova ilitermoparova koji su upotrebljeni za posebneaplikacije je teška


• Mane:– pri višim temperaturama dolazi do hemijskih i

strukturnih promjena, koje kao rezultat imajuslabiju tačnost (naročito termoparovi iz običnihmetala, K i N tip)

– Rekalibracija pojedinih tipova termoparova ilitermoparova koji su upotrebljeni za posebneaplikacije je teška

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Kalibracija

Uglavnom metodom uspoređivanja sa etalonom višegaUglavnom metodom uspoređivanja sa etalonom višegaredareda

Termoparove iz dragocjenih metala možemo kalibrisatiTermoparove iz dragocjenih metala možemo kalibrisatii u fiksnim tačkamai u fiksnim tačkama

Kalibraciju moramo izvesti u dovoljnom broju tačaka,Kalibraciju moramo izvesti u dovoljnom broju tačaka,da možemo izračunati jednačinu koja opisuje određenida možemo izračunati jednačinu koja opisuje određenitermopar (tipično 5, ali može i više, ako je mjernotermopar (tipično 5, ali može i više, ako je mjernopodručje veće)područje veće)


Uglavnom metodom uspoređivanja sa etalonom višegaUglavnom metodom uspoređivanja sa etalonom višegaredareda

Termoparove iz dragocjenih metala možemo kalibrisatiTermoparove iz dragocjenih metala možemo kalibrisatii u fiksnim tačkamai u fiksnim tačkama

Kalibraciju moramo izvesti u dovoljnom broju tačaka,Kalibraciju moramo izvesti u dovoljnom broju tačaka,da možemo izračunati jednačinu koja opisuje određenida možemo izračunati jednačinu koja opisuje određenitermopar (tipično 5, ali može i više, ako je mjernotermopar (tipično 5, ali može i više, ako je mjernopodručje veće)područje veće)

2

090

i

iin taEE


Kalibracija - nehomogenost

Upotreba


Kalibracija


Kalibracija - nehomogenost


Nehomogenost tipa K poslije 870 °C, (zona B odstupanje od približno 30%zbog promjena na žici - green rot, zona C zbog termičkih promjena na žici

odstupanje reda veličine 7 %, zona D orginalna žica)


Indikacijski termometri

• Indikacijski termometri nisu posebni tiptermometara, zajedno sa mjernimuređajem tvore jednu cjelinu.

• Senzor može biti bilo koji od prijepomenutih tipova, čak i bezkontaktnitermometar.


• Indikacijski termometri nisu posebni tiptermometara, zajedno sa mjernimuređajem tvore jednu cjelinu.

• Senzor može biti bilo koji od prijepomenutih tipova, čak i bezkontaktnitermometar.

Mjerniuređaj

Prikaz123,55 °C

Indikacijski instrument


Kalibracija

• Indikacijski termometri se uobičajeno kalibriraju kaocjelina, znači zajedno senzor, mjerni uređaj i prikaz.

• Kalibracija se izvodi po metodi poređenja• Rezultat kalibracije je korekcijska kriva, koja nam

daje informaciju o razlici između prave temperature iprikaza na termometru, zajedno sa odgovarajućommjernom nesigurnošću


• Indikacijski termometri se uobičajeno kalibriraju kaocjelina, znači zajedno senzor, mjerni uređaj i prikaz.

• Kalibracija se izvodi po metodi poređenja• Rezultat kalibracije je korekcijska kriva, koja nam

daje informaciju o razlici između prave temperature iprikaza na termometru, zajedno sa odgovarajućommjernom nesigurnošću


Kalibracija po dijelovima

• Indikacijski termometri su često u industriji ugrađeni uprocesne sisteme, gdje se ne mogu jednostavnorastaviti.

• Prilikom kalibracije po dijelovima se mjerni uređaj iprikaz kalibriraju s pomoću prenosnogkalibratora/simulatora, koji simulira izlazne vrijednostiodređenog temperaturnog senzora, u zavisnosti odtemperature.

• Iz proizvodnog procesa se demontira samotemperaturni senzor, koji se kalibrira na jednak načinkao da je sam senzor (platinski otporni, termistor,termopar, itd.)

• Rezultata te dvije djelimične kalibracije se poslije togasastavi u zajednički certifikat za indikacijski instrument


• Indikacijski termometri su često u industriji ugrađeni uprocesne sisteme, gdje se ne mogu jednostavnorastaviti.

• Prilikom kalibracije po dijelovima se mjerni uređaj iprikaz kalibriraju s pomoću prenosnogkalibratora/simulatora, koji simulira izlazne vrijednostiodređenog temperaturnog senzora, u zavisnosti odtemperature.

• Iz proizvodnog procesa se demontira samotemperaturni senzor, koji se kalibrira na jednak načinkao da je sam senzor (platinski otporni, termistor,termopar, itd.)

• Rezultata te dvije djelimične kalibracije se poslije togasastavi u zajednički certifikat za indikacijski instrument

Laboratorij ©za metrologijoIn kakovost Kalibracija po dijelovima

Mjerniuređaj

Prikaz123,55 °C

Kalibrator/Simulator

+

Temperaturna kalibracija

Električna simulacija


Mjerniuređaj

Prikaz123,55 °C

Indikacijski instrument

Mjerniuređaj

Prikaz123,55 °C

Kalibrator/Simulator

=


Izvori mjernih nesigurnosti(kontaktni termometri)

• nesigurnost ponovljivosti termometra kojegkalibriramo

• nesigurnost kalibracijskog medija– homogenost i gradijenti

• nesigurnost referentnog termometra– drift i sledljivost

• nesigurnost upotrebljene pomoćne mjerne opreme– multimetar ili most

• nesigurnost otčitavanja• nesigurnost obnovljivosti


• nesigurnost ponovljivosti termometra kojegkalibriramo

• nesigurnost kalibracijskog medija– homogenost i gradijenti

• nesigurnost referentnog termometra– drift i sledljivost

• nesigurnost upotrebljene pomoćne mjerne opreme– multimetar ili most

• nesigurnost otčitavanja• nesigurnost obnovljivosti


Nesigurnost kalibracijskog medija

temperatura 10 °C

-0,005

-0,004

-0,003

-0,002

-0,001

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0 30 60 90 0

potop dveh termometrov v milimetrih (4776,4789)

razl

ika

od r

efer

enčn

ega

term

omet

ra v

°C

potop 200 mm, 4776-4775potop 200 mm, 4789-4775potop 300 mm, 4776-4775potop 300 mm, 4789-4775potop 500 mm, 4776-4775potop 500 mm, 4789-4775


temperatura 10 °C

-0,005

-0,004

-0,003

-0,002

-0,001

0

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0 30 60 90 0

potop dveh termometrov v milimetrih (4776,4789)

razl

ika

od r

efer

enčn

ega

term

omet

ra v

°C

potop 200 mm, 4776-4775potop 200 mm, 4789-4775potop 300 mm, 4776-4775potop 300 mm, 4789-4775potop 500 mm, 4776-4775potop 500 mm, 4789-4775

Documents

Osnovi savremene termometrije - etfbl.netetfbl.net/~aleksej/em/termometrija.pdf · Osnovi savremene termometrije ... – promjena otpornosti u zavisnosti od temperature ... od platinske