Univerzitet u Zenici Akademska 2012/13. Mašinski fakultet Opšte mašinstvo

MJERENJE TEMPERATURE

Student : Pregledao :

Alem Krnjić doc.dr. Samir Lemeš

1

Sadržaj:

SADRŽAJ:....................................................................................................................................................... 2

UVOD............................................................................................................................................................ 3

DEFINICIJA TEMPERATURE............................................................................................................................. 4

TEMPERATURNE SKALE................................................................................................................................. 5

INSTRUMENTI ZA MJERENJE TEMPERATURE..................................................................................................6

TERMOMETAR............................................................................................................................................... 6

TERMOMETAR S KAPLJEVINAMA................................................................................................................... 6

STAKLENI TERMOMETAR............................................................................................................................... 7

BIMETALNI TERMOMETAR............................................................................................................................. 8

KOVINSKI TERMOMETAR............................................................................................................................... 8

OTPORNI TERMOMETAR................................................................................................................................ 9

BAŽDARENJE TERMOMETARA...................................................................................................................... 10

RTD SENZORI (OTPORI TEMPERATURNI DETEKTORI)....................................................................................10

ZAŠTO UPOTRIJEBITI RTD UMJESTO TERMOPAROVA ILI TERMOSENZORA?...................................................10

RTD STANDARDI.......................................................................................................................................... 10

VRSTEELEMENATA....................................................................................................................................... 10

TANKI FILM ELEMENTI................................................................................................................................. 11

ŽIČANI ELEMENTI......................................................................................................................................... 11

PROREZANI ELEMENTI................................................................................................................................. 12

KONSTRUKCIJA............................................................................................................................................ 13

ŽIČANE KONFIGURCIJE................................................................................................................................. 13

DVO-ŽIČNA KONFIGURACIJA DOPUŠTA UPOTREBU DO 100M KABLA. [1]......................................................13

TRO-ŽIČNA KONFIGURACIJA DOPUŠTA UPOTREBU DO 600M KABLA. [1]......................................................13

ČETVERO-ŽIČNA KONFIGURACIJA................................................................................................................. 14

MJERENJE TEMPERTURE TERMOVIZIJSKOM KAMEROM...................................................................14

ZAKLJUČAK:................................................................................................................................................. 15

LITERATURA................................................................................................................................................ 16

2

UVOD

Temperatura je toplotno stanje predmeta ili procesa. Temperatura zavisivi od toga koliko toplote sadrži tijelo određene mase i pod određenim pritiskom. Toplota je stanje molekularnog kretanja u tijelima. Pri određivanju toplotnog stanja tijela ili procesa tempetratura je osnovna veličina koja se mjeri ili kontrolira. Kontrola temperature može se vršiti subjektivnim i objektivnim metodama.Temperatura ne može prelaziti sa tijela na tijelo, nego prelazi toplota a temperature se izjednačavaju, i kao takva očituje se na niz načina.Povišena temperatura prouzrokuje promjenu dimenzija tijela tijela ili stanja procesa ili neke veličine.Sa porastom temperature produžuje se npr. metalni štap, smanjuje kaučukova nit, plinovi povećavaju svoju zapreminu itd.Promjena temperature prouzrokuje promjenu električnog otpora vodiča (pri višim temperaturama otpor bakarne žice je veći, a ugljenog štapa manji).Također promjena temperature prouzrokuje promjenu agregatnog stanja materije (pri niskim temperaturama voda je čvrstom stanju, dok je pri višim temperaturama u tekućem stanju. Pri još višim temperaturama voda prelazi u paru).Razlike temperatura dovode do pojave električnog

3

napona između dva spojena metala.Ljudi su bez obzira na mjesto i vrijeme prikazivali veliku pozornost ispravnosti mjerenja, i svaku od navedenih pojava (reakcija) na temperaturu upotrebljavali kao osnovu za mjerenje temperature. [8]

Ključne riječi:temperatura,termometar,RTD

Definicija temperature

S termodinamičkog gledišta moglo bi se reći da je najbolja ili najpriklanija definicija temperature po kojoj „dva tijela koja su u toplinskoj ravnoteži,imaju istu temperaturu“.Zbog takve definicije temperature,i njenog ponašanja ona se zapravo i ne može mjeriti.Mjere su uvijek neke druge veličine koje su jednoznačno povezane s njom,a neke od njih su:

1. Volumen tijela koji se mijenja s temperaturom(npr.volumen žive u živinom termometru)

2. Električna svojstva koja zavise od temperature:

- električni otpor vodiča koji se mijenja s temperaturom

- elektromotorna sila koj se javlja na spoju dvaju različitih metala,a čiji iznos zavisi od temperature

3. Mjerenje iznosa i raspodjele po sprektru energijekoju ozračuje tijelo čiju temperaturu mjerimo(primjenjuje se pri višim temperaturama)

Zbog nemogućnosti izravnog mjerenja same temperature,definisane su „temperaturne skale“ ,tj. odabrane su dvije fizikalne pojave koje se uvijek odvijaju pri tačno određenim temperaturama i njima su pridružene brojčane vrijednosti. Kako je izbor tih pojava, a isto tako i brojčanih vrijednosti koje se pridružuju tim tačkama proizvoljan, postoje razne, više ili manje pogodno odabrane temperaturne skale od kojih su se danas u SI-mjernom sustavu održale samo dvije- Celsiusova (dopuštena) i Kelvinova(obvezna), a u angloamerič kom sustavu se još koriste Fahrenheitova i Rankineova skala.Samo mjerenje temperature temelji se na drugom postulatu ravnoteže ili nultom zakonu termodinamike koji glasi: "Ako se za neko tijelo Custanovi da je u toplinskoj ravnoteži s tijelom A , te da je osim toga u ravnoteži i s tijelom B, onda su prema iskustvu i tijela A i B u toplinskoj ravnoteži". Živin termometar neka bude tijelo C, a npr. voda koja se smrzava - tijelo A. Zabilježi li se stanje tijela C(visinu stupca žive) i kasnije se ustanovida je ta visina ista kad se tijelo C nalazi u ravnoteži s nekim tijelom B, dolazi se do zaključka da bi i tijela A i Bbila u toplinskoj ravnoteži, da su kojim slučajem stvarno u dodiru. U skladu s gornjom definicijom može se ustvrditi da tijela A i B imaju istu temperaturu.Da se svaki put za svako tijelo čija se temperatura mjeri ne bi trebalo raditi neki etalon s kojim ćemo to uspoređivati, termometar se "umjeri" tako da se, kad je u ravnoteži s jednim referentnim tijelom (npr. vodom koja smrzava) označi nekom vrijednošću

4

(npr.0 kod Celzijeve skale), a kad je u ravnoteži s drugim referentnim tijelom (npr. Vodom koja isparava) označi drugom vrijednošću (npr. 100 kod Celzijeve skale) i zatim se ta skala (linearno) interpolira, a po potrebi i ekstrapolira. Iako su ledište i vrelište vode osnovne i definicijske referentne tačke, zato što jedan termometar ne može mjeriti sve moguće temperature, za vrlo niske i vrlo visoke temperature postoji još niz takvih 30 referentnih tačaka (primjerice, trojna tačka kisika je na -218,7916 °C, krutište zlata na +1064,18 °C). [9]

Temperaturne skaleVeliki dio svijeta koristi Celzijevo mjerilo (° C) za većinu mjerenja temperature.Skaliranje je isto i na Kelvinovoj skali,međutim pomjerena je nulta tačka koja je 0 ° C=273.15K.Sjedinjene Američke Države koristi Fahrenheitovu skalu za zajedničke potrebe,tačka na kojoj voda smrzava je 32° C a temperatura ključanja je 212 ° C.Za praktične svrhe mjerenja temperature u naučne svrhe,Međunarodni sistem (SI) definira opseg i jedinicu za termodinamičku temperaturu pomoću trojne tačke vode kao druge referentne tačke.Razlog za ovaj izbor je da,trojna tačka vode je neovisna o pritisku.Trojna tačka vode je 273,16K.Apsolutna nula je definirana kao temperatura od opisanih upravo 0 kelvina, što je jednako -273.15 ° C ili -459,67 ° F.

OpisKelvinova

Celzijusova

Farenhajtova

Rankineova Delisleova

Njutnova

Raumurova

Romerova

Apsolutna nula 0 -273,15 -459,67 0 559,725 -90,14 -218,52-135,90

Fahrenheitova mješavina leda i soli

255,37 -17,78 0 459,67 176,67 -5,87 -14,22 -1,83

Talište leda/ledište vode (pri normalnom tlaku)

273,15 0 32 491,67 150 0 0 7,5

Temperatura ljudskoga tijela 310,15 37 98,6 558,27 94,5 12,21 29,6 26,925

 Vrelište vode 373,15 100 212 671,67 0 33 80 60

Talište titanija  1941 1668 3034 3494 -2352 550 1334 883[2]

5

Instrumenti za mjerenje temperature

TermometarTermometar (franc. thermometre, grč. θέρμη "toplo" + μετρέω "mjerim") je instrument /sprava, uređaj/ za mjerenje temperature. U razgovornom se jeziku katkad naziva i toplomjer(om). Osniva se na činjenici da se dva tijela dovode na istu ravnotežnu temperaturu (najčešće toplina) pa je temperatura koju pokazuje ujedno i temperatura tijela s kojim je on u dodiru.

Termometar ima dva važna dijela:

senzor (osjetilo), na kojem zbiva neka fizikalna promjena vezana s promjenom temperature;

konverziju fizikalne promjene u čitljivu vrijednost (npr. skala na živinom termometru).Termometri se dijele na dvije skupine po poznavanju procesa koji stoji iza fizikalne promjene:

Primarni termometri koriste svojstvo tvari koje je toliko dobro poznato da se temperatura može točno izračunati bez nepoznatih vrijednosti, npr. na bazi jednadžbe stanja plina.

Sekundarni termometri su prikladniji za korištenje i češće se koriste, a uglavnom su i osjetljiviji. Kod njih poznavanje procesa nije dovoljno, termometar je potrebno kalibrirati prema primarnom termometru.

Termometrija rabi niz fenomena koji ovise o temperaturi, kao na primjer:

povećanje volumena (termometar s kapljevinama, plinski termometar), povećanje duljine (metalni/kovinski/bimetalni termometar), promjenu tlaka, električnog otpora (otporni termometar), promjenu termoelektričnoga napona (termoelement)ili intenziteta i vrste zračenja što ga neko tijelo emitira (pirometar).

Tvari u termometrima i skala do koje se penju, ispituje se pomoću dilatometra. [7]

Termometar s kapljevinama

Sl.1[7]

6

Termometar s kapljevinama služi za mjerenje temperature u rasponu od približno -200 do 600 °C. Mjere promjenu obujma kapljevine (alkohol, živa, toluen) promjenom temperature (vidljivu po promjeni visine stupca kapljevine u kapilari). Sastoji se od posudice s kapljevinom povezane s evakuiranom staklenom kapilarnom cijevi. Zbog većega toplinskog rastezanja kapljevine prema staklu, s rastom temperature podiže se razina kapljevine u graduiranoj kapilari. Kao kapljevina najčešće se rabi živa, a za niže temperature alkohol i neki drugi organski spojevi. [7]

Stakleni termometar 

Sl.2[4]

Na drvenom (ili plastičnom postolju) se nalazi skala sa ispisanim stepenima u °C ili °F, te staklene cjevčice ispunjene (alkoholom ili živom). Ako je alkohol u tom termometru najčešće je crvene ili plave boje, ako je živa, ona ima boju metala.

7

Stakleni termometri su prije punjeni bili živom, ali zbog skupoće i velike štetnosti i toksičnosti (otrovnosti) potpuno su zamijenjeni sada sa znatno jeftinijim alkoholom ili toluenom koji ima nizak stupanj toksičnosti.

U staklenim termometrima crvena tekućina je crveno obojani metilbenzen, a plava tekućina je najčešće metilni alkohol. [7]

Bimetalni termometar

Sl.4[5]

Bimetalni termometar sastoji se od dviju uskih traka od različitih metala, čvrsto priljubljenih jedna uz drugu i savijenih u spiralu. Kada se temperatura povećava, različito rastezanje dvaju metala uzrokuje izvijanje bimetalne trake, što se prenosi na kazaljku. [7]

Kovinski termometar Kovinski termometri izrađuju se uglavnom od platine, nikla ili bakra, imaju pozitivni temperaturni koeficijent otpornosti (PTC-otpornik) i gotovo linearnu ovisnost otpora o temperaturi: R (T) = R (T0) x [1 + α0 x (T – T0)], gdje je R električni otpor, T termodinamička temperatura, T0 polazna termodinamička temperatura, a α= koeficjent toplinske promjene otpora. U industrijskim se pogonima često primjenjujunikleni (Ni-100) i platinski termometri (Pt-100). Najkvalitetniji je platinski termometar, visoke čistoće platine, koji pri temperaturi 0 °C ima električni otpor 25Ω (oznaka Pt-25), pa je primijenjen u tvorbi međunarodne temperaturne ljestvice. Takvi termometri su izrazito skupi.Sastoje se od: ljestvice, ležaja, kazaljke, osovine, vođica te spiralnog bimetalnog elementa. [7]

8

Otporni termometar

Sl.7[7]

Otporni termometar mjeri promjenu električnoga otpora (osjetnika; metala i poluvodiča) zbog promjene temperature, a termočlanak razliku temperature na osnovi Seebackova učinka. Tj. otporni termometar je mjerilo temperature zasnovano na ovisnosti električnog otpora o temperaturi.

Obično se radi tako da se kod dane temperature mjerni instrument na termometru postavi u ravnotežni (nulti) položaj. Kada se temperatura promijeni, potrebno je potenciometrom promijeniti otpor kako bi se ponovno uspostavila ravnoteža; zakretanje potenciometra obično je baždareno u temperaturnim stupnjevima. Tom se kompenzacijskom metodom izbjegavaju mnoge pogrješke koje mogu nastati pri izravnom očitanju na graduiranoj ljestvici instrumenta.

Rabe se i tzv. maksimalni i minimalni termometri, koji mjere maksimalnu, odnosno minimalnu temperaturu u nekom vremenskom intervalu. To mogu biti bilo koji od nabrojenih tipova, ali se u tu svrhu najčešće rabe termometri s kapljevinom. Ako se npr. takvim termometrom želi mjeriti maksimalna temperatura u nekom vremenskom razdoblju, tada se u kapilaru umeće neka prepreka, tako da se kapljevina, npr. živa, može po njoj podizati, ali se ne može sama spuštati (npr. liječnički termometar, odn. toplomjer). Takvi termometri često služe i za održavanje konstantne temperature (temperaturna regulacija). Najjednostavniji temperaturni regulator ima u cijevi sa živom utaljene dvije elektrode, od kojih jedna leži u živi. Kada temperatura poraste iznad određene vrijednosti, živa zbog povećanoga volumena obuhvati i drugu elektrodu, struja poteče krugom i prekine strujni krug za grijanje. [7]

9

Baždarenje termometaraZa baždiranje termometara služe temperaturni standardi. Nekada su se rabili plinski standardni termometri, a od 1927. za niže temperature upotrebljava se standardni platinski otporni termometar, a za više temperature mjerodavna je standardna točna taljenja zlata (1063°C), jedna od tzv. sekundarnih fiksnih točaka. Termometri mogu biti baždareni u nekoliko temperaturnih ljestvica. [7]

RTD senzori (Otpori temperaturni detektori)Otporni detektori temperature su temperaturni senzori koji sadrži otpornik koji mijenja vrijednost otpora kao svoje temperaturne promjene.Koristili su se mnogo godina za mjerenje temperature u laboratorijima i industrijskim procesima,te su razvili reputaciju tačnosti,sljedivosti,i stabilnosti. [3]

Zašto upotrijebiti RTD umjesto termoparova ili termosenzora?Svaki tip temperaturnih senzora,ima uslove pri kojima je najprikladnije koristiti ih.RTD senzoti nude nekoliko prednosti:

-Veliki dijapazon temperature(približno od -200 do 850°C)

-Dobra tačnost(bolja nego kod termoparova)

-Dobra zamjenljivost

-Dugoročna stabilnost

Sa temperaturnim rangom do 850°C,RTD se mogu upotrebljavati čak I kod industrijskih procesa koji zahtjevaju najviše temperature.Kako su pravljeni od metala kao sto je platina,vrlo su stabilni i nisu osjetljivi na koroziju I oksidaciju.Ostali metali kao što su nikl,bakar,i legura nikla I željeza se također upotrebljavaju u izradi RTD-ova.Međutim ovi metali se ne upotrebljavaju baš često jer imaju manje temperaturne sposobnosti i,manje su stabilni od platine. [3]

RTD standardiPostoje dva standard za platinske RTD-ove:Europski standard(također poznat kao DIN ili IEC standard) i Američki standard.Europski standard,također poznat I kao DIN ili IEC standard,važi za svijetski-najširi Standard za platinske RTD-ove.Ovaj standard,DIN/IEC 60751 (ili jednostavno IEC751),zahtjeva da RTD ima električni Otpor od 100Ω na 0°C I temperaturni koeficient otpornosti(TRC) od 0.00385 Ω/Ω/°C između 0 I 100°C.Otporni osjetili elementi od platine uglavnom su prizvedeni u četiri konfiguracije. [3]

Vrsteelemenata

Postoje tri glavne kategorije RTD senzora, tanki film, žični i spiralni elementi. Iako se ove

10

vrste najčešće koriste u industriji postoje neka mjesta gdje se koriste drugi elementi, primjer ugljični otpornici koriste se na ultra niskim temperaturama (-173 ° C do -273 ° C).    Ugljeni otporni elementi su široko dostupni i nisu skupi. Oni imaju vrlo dobre rezultate na niskim temperaturama. Oni su najpouzdaniji oblik na ekstremno niskim temperaturama. Oni uglavnom nisu skloni histerezi. [1]

Tanki film elementi

Sl.8[1]

Tanki film elementi osjetilni elemnt koji se formira polaganjem taknog sloja otpornog elementa,najčešće platine,na keramičke podloge. Ovaj sloj je obično debel samo 10 do 100 angstrema (od 1 do 10 nanometara). Ångstrom (simbol Å) je jedinica za dužinu. Imenovana je po švedskom fizičaru Andersu Jonasu Ångströmu , jednom između osnivača spektroskopije . 1 Ångstrom (Å) je jednak 10 -10 metara, 1/10.000 mm ili 0,1 nm. Ångstrom ne spada među SI jedinice , upotrebljava se prije svega za izražavanje veličine atoma , dužine hemijskih veza i valnih dužina za spektar vidne svjetlosti. Ovaj film je zatim obložen s epoksom ili staklom koji pomaže zaštitit položeni film,a također se koristi kao uvodnica za olovne žice.Nedostatak ove vrste je što nisu stabilni.Također mogu se koristiti samo u određenom rasponu temperature zbog različite stope širenja podloge.Ovi elementi rade do temperature 300° C. [1]

Žičani elementi

11

Sl.9[1]

Žičani elementi mogu imati izvrsnu tačnos,pogotovo za širok temperaturni rang. Zavojnica pruža kompromis između mehaničke stabilnosti i omogućuje širenje žice kako bi se smanjila napetost i posljedični drift.Osjetilna žica je omotana oko izolacionog trna ili jezgre. Namatavanje jezgre može biti okruglo ili ravno, ali mora postojat električni izolator. Ti elementi rade s temperaturama do 660 ° C. [1]

Prorezani elementiProrezani elementi su uveliko zamjenili žičane elemente u industriji.Baza ovog osjetilnog elemeta je mali svitak od platinske osjetilne žice.Ova zavojnica podsjeća na onu u sijalicama.Ovi elementi podržavaju temperaturu do 850 ° C. [1]

Sl.10[1]

12

Konstrukcija

Sl.11[1]

Ovi elementi gotovo uvijek zahtjevaju izolaciju.Na temperaturama ispod oko 250° C PVC,silikonska guma se koriste kao izolatori.Iznad 250° C se koriste staklena vlakna ili keramika. [1]

Žičane konfigurcije

Dvo-žična konfiguracija dopušta upotrebu do 100m kabla. [1]

Sl.12[1]

Tro-žična konfiguracija dopušta upotrebu do 600m kabla. [1]

13

Sl.13[1]

Četvero-žična konfiguracija

Sl.14[1]

Mjerenje temperture termovizijskom kamerom

Promjena temperature mramorne ploče s ugrađenim električnim grijačkim kabelom, tokom njenog zagrijavanja i ohlađivanja.Mjerenje se provodi paralelno snimanjem pomoću termovizijske kamere i mjerenjem pomoću termoparova i naprijed opisanog akvizicijskog sistema.Primjeri izmjerenih objekata ce biti šrikazano na slikama. [9]

Slike snimljene pomoću termovizijske kamere. [9]

14

Zaključak:Kroz ovaj seminarski rad obradili smo osnove temperature kao fizikalne veličine, temperaturne skale i mjerne instrumente. Na osnovu obrađene materije možemo izvući kao zaključak da je temperatura je osobina toplote, koja omogućava da toplotna energija prelazi s toplijeg tijela na hladnije. Postoje četiri temperaturne skale: Kelvinova, Calsiusova, Fahrenheitova i Rankineova. Ukratko smo objasnili i najvažnije mjerne instrumente za mjerenje ove fizikalne veličine, te odgovarajućim fotografijama i prikazali pojedine mjerne instrumente.

15

Literatura[1]http://en.wikipedia.org/wiki/Resistance_thermometer[2]http://hr.wikipedia.org/wiki/Temperatura[3]COMPLETE MEASUREMENT,CONTROL AND AUTOMATIONHANDBOOK AND ENCYCLOPEDIA[4]http://www.google.ba/search?q=tlacni+termometar&source=lnms&tbm=isch &sa=X&ei=w0R9UcPVKszLswbQuoHoCQ&ved=0CAcQ_AUoAQ&biw=1024&bih=497#imgrc=EVahRywSrO8x7M%3A%3BCnL3-rd-OPZzAM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.protis.hr%252Fimages%252Fproduct%252F47143-elektricni-grijaci-vode--tlacni-uspravni-vanjska-regulacija-gorenje-otg80slim%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.protis.hr%252Fproducts%252Fdetails%252Felektricni-grijaci-vode--tlacni-uspravni-vanjska-regulacija-gorenje-otg80slim%252F47143%3B300%3B300[5]http://www.google.ba/search?q=otporni+termometar&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=IEZ9UeOqN4eVtQbH1YH4Cg&ved=0CAcQ_AUoAQ&biw=1024&bih=497#imgrc=rFaEan0DVQMBPM%3A%3B2ugrsn_76rplGM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.industrijska-merenja.rs%252Fimg%252Fotpornicki-termometar-p-750-1.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.industrijska-merenja.rs%252Finstrumenti%252Fmeraci%252Fotpornicki-termometar-p-750.html%3B412%3B583[6]http://www.google.ba/search?q=bimetalni+termometar&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=X0Z9UeGcK9D3sgbGxoDQCQ&ved=0CAcQ_AUoAQ&biw=1024&bih=497#imgrc=MQdmpEgqfuZgbM%3A%3BIu-k3KiCJY8KPM%3Bhttp%253A%252F%252Fstatic.kupindoslike.com%252FBimetalni-Termometar-30-70C-L-100-mm-12-Fi-100_slika_O_1887025.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.kupindo.com%252FMerno-regulacioni-instrumenti%2525C2%2525A0%252F9977779_Bimetalni-Termometar-30-70C-L-100-mm-12-Fi-100%3B1131%3B1350[7] http://hr.wikipedia.org/wiki/Termometar[8]Mjerna tehnika-Nermina Zaimović-Uzunović

Zenica 2006.g.

[9]Laboratorijske vježbe-Tehnički fakultet u Hrvatskoj/2007.g.

16

17