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 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 = α - levné, vysoké teploty 1 000 C, robustní, nepřesné 2% L( ) t 1 α 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 2 αl t 5 1 y = α = α1 α 2 = ( 1 1,5 ) * 10 K b levné, robustní, ale menší teplotní rozsah 400 C užití jako nahoře (regulátor pro teploty vařiče, žehličky ).
Skleněné teploměry obr. 4.3/4.4 teploměrná nádobka a kapilára, běžné mají vakuum, na vyšší teploty plněny inertním plynem N náplně pentanová směs - 200 + 30 o C přesné - rtuť - 38 C 350 C (630 C +N) přesné měření středních teplot - etylalkohol - 110 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 skládá se: teploměrná nádobka kapilára ukazující přístroj (mikrospínač) Zásada: tlakoměr + nádobka ve stejné výši jinak nutno kompenzovat Částečné kompenzace - nahoře bimetalový drátek kompenzuje teplotu přístroje - dále nádobka s invarem kompenzuje teplotu okolí kapaliny Úplná kompenzace: dva systémy, jeden bez nádobky. 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 α = [ K ] 100R0 nejčastější materiály: platina, měď, nikl nejlepší platina stálá, značně lineární, ve velkém rozsahu a značně velký α oproti jiným kovům 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 - 150 C okolí, teplota strojní 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 termistor,(častější užití) PTC - pozistory výroba prášková metalurgie spékání práškového substrátu materiálů kovů a polovodičů R t = A e 1 B( 1 ) Tm To 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; při zvyšování teploty napětí U P klesá asi 2 m V/ K. uspořádání teploměrů obr. 4.11 Měření odporů: můstková - výchylkové (nevyvážený M) nejčastější - nulové (vyvážený M) kompenzační obr. 4.13 U t Rt = RN = K U t U N můstkové zapojení obr. 4.12 - dvouvodičové - třívodičové - čtyřvodičové 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) obr 4.14 - skleněné baňka a ohřevný odpor v elektrolytu. Měří se odpor mezi dvěma Pt elektrodami. Podle velikosti ohřevného proudu se určuje teplota okolí. (200 C - 700 C)
Krystalový teploměr: 2 krystaly: - jeden měřící - druhý kompenzován na konstantní teplotu Měří se rozdíl frekvence měrného a konstantního krystalu po demodulaci signálu, rozsah 80-250 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 (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. 4.16 RHODIUM RHENIUM Kompenzace - srovnávací teplota (temostat, led) - kompenzační krabice (obch. název) obr. 4.17 Měření: - výchylková metoda milivoltmetr - kompenzační U konst, R konst, automatická Rm Rm + Ri e = E E = e Rm + Ri Rm pro moderní přístroje Rm E = e Konstrukce obr. 4.22 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. Barevné indikátory teploty: principy: chemické, tavné, kapalné krystaly a luminiscenční chemické: složité látky, barva se mění při změnách teploty : - vratně 40-1000 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. 4.27 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 Měření tepelného výkonu a tepla: užívá se nejčastěji v tepelných sítích: P = Q h h = Q c t c q m ( ) ( ) 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 55 60 % výšky radiátoru, při dlouhém radiátoru nad 2 m - dva snímače. Přesnost δ < 7%