TEPLOTA Měření tepla a teploty: Rozdíl mezi teplotou a teplem. Teplota je projev hmoty - teplo = druh energie =

Transkript

1 TEPLOTA Měření tepla a teploty: Rozdíl mezi teplotou a teplem. Teplota je projev hmoty - teplo = druh energie = Q = c m t Teplota je jednou z nejdůležitějších veličin jež provází všechny procesy ve výrobě. Nestačí mít dobrý přesný snímač, ale nutno zabudovat teploměr tak, aby správně měřil. Zde se využívá řada fyzikálních principů pro zjištění teploty: - teplotní roztažnost látek - změny elektrického odporu vodičů a polovodičů - vznik elektrického napětí - tepelné záření - změna barvy na teplotě aj. Termodynamická stupnice jednotná teplotní stupnice: 1K mezinárodní stupnice 1990 ITS 90 1K je 273,16-tý díl termodynamické teploty trojného bodu vody (0,1 C) pro praxi je zvolena řada bodů stupnice (ITS 90) jimiž se dá ověřit přesnost přístrojů Teploměry - dotykové - bezdotykové Dotykové fyz. princip - dilatační - parní - odporové - termoelektrické - speciální (měknutí, tavení, index lomu.. ) Bezdotykové - přímoměrné pyrometry - zobrazovací termovize, fototermometrie Dilatační teploměry obr. 4.1

2 využívají roztažnosti látek tyčové, bimetalové, skleněné, tlakové, kapalné a plynové. U tyčových teploměrů se využívá rozdílné roztažnosti dvou částí (trubice tyčka, bimetal). Zahřátím soustavy trubice tyčka posune se konec čidla o L L = L( α1 α 2 ) t - levné, vysoké teploty C, robustní, nepřesné 2% - užití levné termostaty, přímoukazující teploměry Bimetal kovový pásek vyrobený ze dvou různých materiálů s rozdílnou délkovou roztažností po celé délce spojený, např. odporově svařený po délce; obr. 4.2 y = αl b 2 t α = α 5 1 ( 1 1,5 )* K 1 α 2 = 10 levné, robustní, ale menší teplotní rozsah 400 C užití jako nahoře (regulátor pro teploty vařiče, žehličky ). Skleněné teploměry teploměrná nádobka a kapilára, běžné mají vakuum, na vyšší teploty plněny inertním plynem N náplně pentanová směs o C přesné - rtuť - 38 C 350 C (630 C +N) přesné měření středních teplot - etylalkohol C + 70 C méně náročné měření levné, jednoduché, spolehlivé, přesné křehkost, nehodí se pro dálkový přenos, někdy špatná čitelnost. Tlakové teploměry kapalinové: obr. 4.6

3 skládají se: teploměrná nádobka kapilára ukazující přístroj (mikrospínač) Zásada: tlakoměr + nádobka ve stejné výši jinak nutno kompenzovat (statický tlak) Částečné kompenzace - nahoře bimetalový drátek kompenzuje teplotu přístroje - dále nádobka s invarem kompenzuje teplotu okolí kapaliny Úplná kompenzace: dva systémy, jeden bez nádobky. Užití: Pro velké rozsahy teplot, robustní, velké síly v provozu, dvojhodnotová regulace. Tlakové teploměry plynové obdoba kapalinových - velký rozsah (snadná stlačitelnost plynu) velké tlaky - nemají závislost na poloze měřícího prvku - velká vzdálenost Tlakové teploměry parní: kapalina a kalinové páry malý teplotní rozsah nelineární stupnice signalizace teploty Odporové teploměry: teplotou se odpor kovů zvětšuje R100 R0 1 teplotní součinitel odporu = K α [ ] 100R nejčastější materiály: platina, měď, nikl 0

4 nejlepší platina stálá, značně lineární, ve velkém rozsahu a značně velký teplotní součinitel α oproti jiným kovům, do vyšších teplot. Užití: pro měření provozní i laboratorní jako etalon, robustní 2 3 R T = R0 ( 1 + At + Bt + C( t 100) t ) /t/ = teplota ve stupních Celsia Typy keramický - 0,055 mm drátek zatavený v keramické dvoukapiláře skleněný drátek navinut bifilárně a zalit sklem, potíž: odpor Pt je ovlivněn též rozdílnou roztažností skla a platiny (600 C) (tenzometrický jev). Pertinaxové C okolí, teplota topné vody... plochá destička moderní vrstvové tištěný platinový meandr- povrchové teplo materiálu - korundová destička Niklové mají 2x větší α než Pt, pro měření tepla v centrálním zásobování teplem (200 C) Termistory: NTC negastory užívá se název termistor, protože mají častější užití. Odpor se s teplotou zmenšuje podle vzorce R t = A e 1 B( 1 ) Tm To PTC - pozistory odpor se při zahřívání při jisté teplotě značně zvětší o několik řádů výroba prášková metalurgie spékání práškového substrátu materiálů kovů a polovodičů Vlastnosti: silná závislost na teplotě, průběh nelineární, vhodné jako termostaty jak funkční (regulující), tak ochranné (bezpečnostní). Linearizace dvěma odpory R p dolní t, R S horní t polovodiče polovodičová čidla lineární princip založen na závislosti úbytku napětí na přechodu P-N (dioda) v průchozím směru U p ; při zvyšování teploty napětí U P klesá asi 2 m V/ K. Měření odporů: můstková - výchylkové (nevyvážený M) nejčastější kompenzační - nulové (vyvážený M)

5 R t = R N U U t N = K U t můstkové zapojení obr dvouvodičové - třívodičové - čtyřvodičové Zapojení s více vodiči se přívodní vodiče stávají součástí můstku a jejich případné teplotní změny jsou můstkem vykompenzovány Ohřev odporu můstkovým napájením závisí na schopnosti ochlazování okolí a potřebné dosažitelnosti teploty u Pt P<0,4 mw, (1 2 ma), termistory I t < 50 µ A. Iontové teploměry: zde se využívá skokové změny vodivosti v oblasti fázové změny elektrolytů přechod fáze pevné na kapalnou a naopak (Cd Br2) (velká přesnost asi 2 C) - skleněné baňka a ohřevný odpor v elektrolytu. Měří se odpor mezi dvěma Pt elektrodami. Podle velikosti ohřevného proudu se určuje teplota okolí. (200 C C) Krystalový teploměr: 2 krystaly: - jeden měřící - druhý kompenzován na konstantní teplotu Měří se rozdíl frekvence měrného a konstantního krystalu po demodulaci signálu, rozsah s přesností až 0,00001 C, používají se jako etalon teploty, měření teplotního pole. Termoelektrické teploměry Využívá se vzniku termoelektrického napětí v článku. Článek: dvojice kovů v měřeném místě spojeny (teplý konec) a v místě zaznamenávacím rozpojeny

6 (studený konec). Dvojic kovů a slitin je značné množství jež se dají použít pro měření teploty, avšak využívají se jen některé podle požadavků: - pokud možno velké napětí závislé na teplotě (napětí se pohybuje v řádu mv) - malá nelinearita, stabilita v dlouhodobém provozu, chemická odolnost a dostupná teplota např. pro střední teploty Fe Cu Ni, NiCr Ni..... Pro vyšší teploty se používají PtRh10 Pt, WRe5 WRe20 obr RHODIUM RHENIUM Kompenzace - srovnávací teplota (temostat, led) - kompenzační krabice (obch. název) obr Měření: - výchylková metoda milivoltmetr - kompenzační U konst, R konst, automatická Konstrukce obr Pro průmyslové použití jsou články umístěny do trubic, drátky různých tlouštěk - do 3,5 mm normální kovy - do 0,35 mm pro drahé kovy Článek bývá ukostřen. Sériové články pro větší citlivost. Derivační články pro měření změn směru nárůstu teploty. Dva články v trubici: jeden ukostřen a druhý v trubici izolován výstup se odečítá.

7 Barevné indikátory teploty: principy: (termokolory) chemické, tavné, kapalné krystaly a luminiscenční chemické: složité látky, barva se mění při změnách teploty : - vratně C podle druhu složení - nevratně Provedení: teploměrové barvy nanesou se v prášku či nalakují teploměrové tužky na kov teploměrové tablety sada nálepek pro různé teploty luminiscenční indikátory světélkují (jas a barva se mění s teplotou dle složení luminoforu ZnS při normální teplotě září modře a při 90 C žlutě kapalné krystaly moderní organické sloučeniny při ohřevu tají a mění svou barvu či lom světla, natírají se jednostranně. Používají se na měření teplotních polích. Zabudování teploměrů: důležitá činnost pro správné měření teploty. Plyn: teploměr má být větší ohřev a sálání. Záleží na velikosti proudění záleží na dodatečném ohřevu od proudícího plynu (přeměna kinematické energie v teplo) (adiabatické oteplení). Kapalina: nutné umělé míchání kapaliny (teplotní mosty) snímače umístěny do teploměrných jímek Tělesa: čidla umístit nejblíže místa, kde očekáváme nárůst teploty (nejčastěji termočlánky) teplotně citlivé barvy. Obvykle se čidla zakrývají, přelepí se, aj. Bezdotykové teploměry - pyrometry přímo měřící - zobrazovací - termovize pyrometry dělíme - monochromatické (jasové, jednobarevné) - pásmové - spektrální rozložení - úhrnné mono v úzkém pásu = 0,65 µ m červená světla obr Princip srovnání jasu měřeného předmětu s jasem srovnávacího zdroje pyrometrické žárovky. Protože není měřený objekt ideální černý zářič (Planckův zákon) musí se údaj korigovat spektrální emisivitou. Pásmové pyrometry širší spektrální pásmo dané optikou + detektor Pyrometry na celkové záření; detektor pásmově nezávislý 4 Emitovaná energie E = σ.. STEFAN BOLZMANNÚV zákon 0 T 0

8 Měření tepelného výkonu a tepla: užívá se nejčastěji v tepelných sítích: P q = Q m ( h h ) = Q ( c t c ) 1 2 m p1 1 p2t2 kde Pq - tepelný výkon Poměrové měřiče tepla: Odpařování kapaliny závislé na době a teplotě nebo další způsob trvalá deformace tělísek. Umístění % výšky radiátoru, při dlouhém radiátoru nad 2 m - dva snímače. Přesnost δ < 7%