POMIARY TEMPERATURY

Temperatura jest wielkością najczęściej mierzoną, szczególnie w przemyśle. Jest także najczęściej występującą wielkością zakłócającą inne pomiary. Istnieje wiele różnych metod pomiaru temperatury i wiele przyrządów o różnych zasadach działania. W zależności od zakresu mierzonej temperatury, wymaganej dokładności, rodzaju obiektu badanego stosuje się odpowiednie metody i przyrządy.

Poniżej przedstawione będą zasady działania najczęściej stosowanych czujników termometrycznych, ich właściwości oraz metody badania charakterystyk dynamicznych przetworników temperatury.

Zasada działania i właściwości czujników termoelektrycznych (termopar)

W obwodzie elektrycznym składającym się z co najmniej dwóch różnych materiałów, różnica temperatur spoin powoduje powstanie siły termoelektrycznej a w konsekwencji przepływ prądu elektrycznego w zamkniętym obwodzie złożonym z dwóch metali. Warunkiem przepływu tego prądu jest umieszczenie miejsc styków w różnych temperaturach. Ciepło dostarczone do obwodu powoduje zwiększenie „ciśnienia” elektronów w podgrzewanym miejscu a zmniejszenie go w drugim. Różnica „ciśnień” wymusza migracje elektronów w kierunku mniejszego zagęszczenia ich (zjawisko Peltiera - kontaktowa różnica potencjałów; równocześnie występuje zjawisko Thomsona powstawanie siły termoelektrycznej wzdłuż przewodnika). Wykorzystanie dwóch metali oznaczonych przez A i B (rys.1) do pomiaru temperatury jest możliwe tylko wówczas, gdy w taki obwód włączony zostanie miernik mierzący powstającą siłę termoelektryczną lub proporcjonalne do niej napięcie.

Przykładem powszechnie stosowanego miernika w tego typu układach jest miliwoltomierz. Zastosowanie miernika wiąże się z wprowadzeniem do obwodu trzeciego metalu C, z którego wykonane są przewody łączące miernik z obwodem oraz obwód wewnętrzny miernika. Siła termoelektryczna powstająca w obwodzie wyraża się zależnością:

Przyjmując założenie, że temperatury pomiarowa t₁ i odniesienia t₀ są równe, to E=0, wówczas

Stąd związek między temperaturami t₁ i to oraz wyjściowym sygnałem napięciowym E jest następujący:

Z powyższej analizy wynika, że wprowadzenie w obwód A i B trzeciego metalu C nie wpływa na wartość wypadkowej siły termoelektrycznej pod warunkiem, że oba końce przewodu z metalu C znajdują się w tej samej temperaturze t₀. Stosowanie funkcji
o dwóch zmiennych jest w praktyce kłopotliwe, dlatego też przyjmuje się temperaturę odniesienia (zimnych końców) za stałą. Wartość siły termoelektrycznej E zależy od tego jak daleko od siebie w szeregu termoelektrycznym znajdują się materiały, z których wykonano termoparę. Materiały stosowane w termoelementach powinny charakteryzować się: wysoką temperaturą topnienia, wysoką dopuszczalną temperaturą pracy ciągłej, dużą odpornością na wpływy atmosferyczne, stałość własności w czasie, dużą powtarzalnością własności przy produkcji, możliwie małą rezystywnością, możliwie małym współczynnikiem cieplnym zmiany rezystancji, ciągłą i liniową zależnością siły termoelektrycznej od temperatury. Wybór materiałów stosowanych do budowy czujników termoelektrycznych jest wynikiem kompromisu pomiędzy wyżej wymienionymi wymaganiami.

Powstała w ten sposób szeroka gama dostępnych termopar. Niektóre typy termopar są znormalizowane (PN-59/M.-53854). Charakterystyki termometryczne najczęściej stosowanych termoelementów przedstawiono na rysunku.

Analizując przedstawione charakterystyki można zauważyć, iż przedział

temperaturowy pracy danego termoelementu zależy od rodzaju zastosowanych materiałów. Stosowanie różnych materiałów zmienia liniowość termoelementów w pewnych przedziałach temperatur oraz

poziom sygnału wyjściowego E.

W technologii wykonania termoelementów nie bez znaczenia jest sposób wykonania spoiny pomiarowej. Przykład wykonania połączeń termoelektrod przedstawia rysunek.

Spoiny wykonywane są poprzez spawanie, lutowanie, zgrzewanie lub skręcanie.

Do czynników zewnętrznych mających wpływ na czujniki temperatury należy zaliczyć środowisko utleniające i redukujące. Istnieje grupa elektrod wrażliwych na obecność atmosfery utleniającej np. Cu-Konst., dokonywanie pomiarów w takim środowisku powoduje szybsze zużycie czujnika. Efekt ten jest spotęgowany w wyższych temperaturach.

Drugą grupę stanowią czujniki, które nie mogą pracować w atmosferze redukującej. Są również termoelektrody wrażliwe na obecność związków siarki w środowisku pomiarowym. Zastosowanie metali szlachetnych do budowy elektrod zwiększa odporność takiego czujnika na korozję.

Przy niemal wszystkich zastosowaniach przemysłowych termoelementy muszą być chronione przed mechanicznymi i chemicznymi działaniami

ośrodka poprzez zastosowanie odpowiednich osłon. Stosowanie osłon ma na celu ochronę termoelektrody przed niszczącym działaniem czynników zewnętrznych. Natomiast zadaniem osłon izolacyjnych jest wzajemne elektryczne odizolowanie termoelektrod. Przykłady typowych osłon stosowanych w przemyśle pokazano na rysunku powyżej. Odpowiedni dobór materiału na osłony warunkuje poprawną pracę czujnika, przede wszystkim zapewnia niezmienność charakterystyki termoelementu pod wpływem czynników zewnętrznych oraz decyduje o trwałości czujnika. Od materiału osłony zależą również jego właściwości dynamiczne, które omówione będą oddzielnie.

Termopary są podstawowymi elementami przetworników temperatury Uproszczony schemat blokowy współczesnych przetworników temperatury przedstawiono na poniższym rysunku.

Zasada działania i właściwości temperaturowych czujników rezystancyjnych (termorezystorów)

Termorezystorem nazywa się metalowe uzwojenie rezystancyjne, zmieniające swą rezystancję w funkcji temperatury, nawinięte na kształtce z materiału izolacyjnego, zwanej korpusem rezystora. Zasada działania termometrów rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zjawiska zmian rezystancji metali wraz z temperaturą, gdzie ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań jąder atomów oraz prędkość ruchu bezładnego swobodnych elektronów. Rośnie wówczas prawdopodobieństwo zderzeń elektronów swobodnych i jonów, co ze względu na hamowanie ruchu elektronów powoduje wzrost rezystancji.

Metale stosowane na rezystory termometryczne powinny mieć następujące właściwości:

• możliwie duży cieplny współczynnik zmian rezystancji, co zapewnia duże przyrosty rezystancji rezystora wraz z temperaturą,

• możliwie dużą rezystywność, co umożliwia wykonywanie rezystorów o małych wymiarach,

• możliwie wysoką temperaturę topnienia,

• stałość własności fizycznych w wykorzystywanym zakresie temperatur,

• odporność na korozję,

• łatwą odtwarzalność metalu o identycznych własnościach, co zapewnia wymienialność rezystorów termometrycznych,

• ciągłość zależności rezystancji od temperatury bez występowania histerezy,

• dostateczna ciągliwość i wytrzymałość.

Ze względu na wymaganie łatwej odtwarzalności metalu, na rezystory termometryczne stosuje się prawie wyłącznie metale czyste. Metalem, który najlepiej łączy w sobie wyszczególnione poprzednio własności jest platyna. Ponadto do wykonywania rezystorów termometrycznych stosuje się również nikiel i miedź, a niekiedy żelazo.

Charakterystyką termometryczną rezystora termometrycznego nazywa się funkcję określającą zależność jego rezystancji od temperatury.

Zmiana rezystancji metali jest w ogólnym przypadku nieliniową funkcją temperatury - dla każdego metalu przebieg charakterystyki jest inny. Charakterystykę tę opisuje się szeregiem Taylora w postaci:

gdzie:

R_T - rezystancja w temperaturze T_K,

R_O - rezystancja w temperaturze odniesienia;

najczęściej T_KO=20^OC, ΔT_K=T_K - T_K0.

Pochodne cząstkowe wyznaczone są w punkcie T_K=T_K0. Oznaczając:

i ograniczając szereg Taylora do trzech pierwszych składników otrzymuje się:

Pominięcie składników wyższego rzędu jest dopuszczalne w prawie wszystkich zastosowaniach praktycznych. Dla niewielkich zmian temperatury(rzędu 100..200 ^oC) z wystarczającą dokładnością można uwzględnić tylko dwa składniki:

Dla szerszego zakresu zmian temperatury należy uwzględniać model trzyskładnikowy.

Współczynnik α wyznacza się z pomiaru rezystancji na krańcach podstawowego przedziału temperatur obejmującego zakres od 0^oC do 100 ^oC:

Każde wykonanie rezystora termometrycznego charakteryzuje się dopuszczalną wartością prądu pomiarowego. Przy przekroczeniu tej wartości mogą wystąpić dodatkowe błędy, spowodowane zmianą rezystancji uzwojenia rezystora wskutek samopodgrzewania się rezystora od prądu pomiarowego. Przy prądach pomiarowych mniejszych niż 1 do 2 mA błąd od samopodgrzewania jest praktycznie pomijalnie mały. Obecnie coraz częściej produkuje się czujniki platynowe wykonane technologią cienkowarstwową. Zaletą takiego rozwiązania są małe wymiary oraz znaczne oszczędności materiałowe.

We współczesnych przetwornikach temperatury czujniki rezystancyjne

umieszczone są są zazwyczaj w jednym ramieniu niezrównoważonego mostka Wheatstone'a. Napięcie wyjściowe mostka, proporcjonalne do zmiany rezystancji (a więc proporcjonalne do zmiany temperatury) przetwarzane jest w układzie przedstawionym poniżej.

Rezystancję termorezystora można także mierzyć omomierzem, ale należy wtedy uwzględniać rezystancję przewodów łączących, która także może się zmieniać z temperaturą.

Właściwości dynamiczne czujników temperatury

Jednym z ważniejszych problemów przy pomiarze temperatury jest duża bezwładność cieplna czujników. Typowe czujniki rezystancyjne i termopary mają długie czasy reakcji na zmiany temperatury. Zjawisko to można wyjaśnić, dla czujnika idealnego, w sposób następujący:

Czujnik o temperaturze otoczenia t₀ zanurzony został w ośrodku o temperaturze t_x wyższej od temperatury otoczenia. W chwili zanurzania czujnika do ośrodka badanego, tj. w chwili τ = 0 czujnik ma temperaturę t_cz, równą temperaturze otoczenia

Jeśli przez
oznaczymy różnice temperatur w stosunku do temperatury otoczenia, to w chwili τ = 0, temperatura czujnika wynosi
a temperatura ośrodka badanego
. Zgodnie z prawem Newtona, po umieszczeniu czujnika w ośrodku badanym, w czasie d τ dopływa do niego ilość ciepła

gdzie:

α -współczynnik przejmowania ciepła między czujnikiem a ośrodkiem,

F - powierzchnia wymiany ciepła między czujnikiem a ośrodkiem.

Ilość ciepła zgromadzonego przez czujnik wynosi:

gdzie m - masa czujnika

c - ciepło właściwe materiału czujnika

Jeśli wymiana ciepła odbywa się bez strat, to ilość ciepła dopływającego do czujnika jest równa ilości ciepła zgromadzonego w czujniku, a więc

lub po uporządkowaniu

Oznaczając

otrzymuje się

Wielkość τ _s nazywa się stałą czasową czujnika i ma wymiar czasu.

Całkując obustronnie ostatnie równanie otrzymuje się zależność

przedstawioną graficznie na rysunku, zwaną charakterystyką dynamiczną czujnika. Można z niej wyznaczyć stałą czasową jako podstyczną do charakterystyki w dowolnym jej punkcie.

Stałą czasową można też wyznaczyć na podstawie pomiaru tzw. czasu wartości połowicznej τ_0.5 , tj. czasu, po którym czujnik uzyskuje połowę wartości temperatury ośrodka badanego.

Wówczas

Należy zwrócić uwagę, że powyższe analizy mają charakter przybliżony ponieważ rozpatrywany jest czujnik idealny bez osłony. Dla rzeczywistego czujnika należy uwzględnić zależność współczynnika α od temperatury środowiska badanego, rodzaju środowiska, wartości skoku temperatury, wpływu osłony, zjawisko rozchodzenia się ciepła wewnątrz czujnika i wiele innych. Dlatego najlepszą metodą określenia właściwości dynamicznych czujników temperatury jest doświadczalne ich badanie w

warunkach zbliżonych do tych, w których czujnik będzie stosowany.

Inne czujniki stosowane do pomiaru temperatury

Termistor - czujnik półprzewodnikowy w którym wykorzystuje się jego zmianę rezystancji w funkcji temperatury. W zależności od rodzaju półprzewodnika czujnik może mieć dodatni albo ujemny współczynnik temperaturowy ά (ze zwiększaniem się temperatury rezystancja czujnika rośnie lub maleje). Tego rodzaju czujniki są stosowane powszechnie np. w sprzęcie domowego użytku i samochodach.

Pirometr - wykorzystuje promieniowanie podczerwone w celu szybkiego i dokładnego pomiaru temperatury powierzchni obiektów bez ich dotykania. Podczas pomiaru temperatury metodą bezkontaktową energia podczerwieni emitowana przez obiekt przechodzi przez system soczewek w pirometrze, a następnie jest zamieniana w przetworniku na sygnał elektryczny. Sygnał ten jest wyświetlany jako wartość temperatury. Pomiary pirometryczne dotyczą tylko temperatury powierzchni obiektu ale mogą być dynamicznie szybkie.

2

---