Hőmérsékletmérés

Átírás

1 Hőmérsékletmérés

2 Hőmérsékletmérés Hőmérséklet fizikai állapotjelző abszolút és relatív fogalom klasszikus elmélet: elemi mozgások, hőtermelés, hőmérséklet relatív fogalom relatív skálák Hőmérsékletmérés/2

3 Hőmérsékletmérés mérési skálák: Celsius skála (SI) Fahrenheit skála USA Kelvin skála SI Rankine skála átszámítás o F = (9 oc/5)+32 o C = 5( o F-32)/9 K = o C Hőmérsékletmérés/3

4 Hőmérsékletmérés IPTS-68 skála hőmérséklet etalonok 13 alappont, 31 kiegészítő pont H 2 hármaspont 13.81K H 2 forrpont 20.28K víz hármaspont K abszolút alappont Au olvadáspont K Mérési tartomány 0 K több 10 9 K 1-2 K K Hőmérsékletmérés/4

5 Hőmérsékletmérés hőérzékelő típusok klasszikus hőmérők üvegszáras fémházas bimetálok ellenállás hőmérők termisztorok termoelemek optikai pirométerek Hőmérsékletmérés/5

6 Hőmérsékletmérés választási szempontok mérendő hőmérséklet, mérési tartomány pontosság ár érzékelő mérete válasz idő, érzékenység, stabilitás, linearitás, csatolható kiegészítő eszközök Hőmérsékletmérés/6

7 Hőmérsékletmérés gyakorlati szempontok hőmérséklet homogenitása lángok hőmérsékletének mérése felület hőmérsékletének mérése vezetéses, átadásos és sugárzásos hőátadás önmelegítés termoelektromos potenciál válaszidő teljes hőmérséklet vibráció sugárzás Hőmérsékletmérés/7

8 Üvegszáras hőmérők üvegszáras hőmérők mérési elv: folyadékok hőtágulása felépítés alkalmazott folyadékok: Hg, alkohol tartomány: -40 o C 400 o C alkalmazási területek ipar gyógyászat hétköznapi élet Hőmérsékletmérés/8

9 Üvegszáras hőmérők előnyök alacsony ár egyszerűség hosszú élettartam hosszú benyúló, széthúzható skála hátrány leolvasás nehézkessége törékenység nehezen adaptálható irányító, regisztráló rendszerhez Hőmérsékletmérés/9

10 Manometrikus hőmérők Fémházas (manometrikus) hőmérők mérési elv: gázok, folyadékok hőtágulása felépítés tartomány: -100 o C 600 o C alkalmazási területek ipar Hőmérsékletmérés/10

11 Manometrikus hőmérők Hőmérsékletmérés/11

12 Manometrikus hőmérők Hőmérsékletmérés/12

13 Manometrikus hőmérők Hőmérsékletmérés/13

14 Manometrikus hőmérők előnyök alacsony ár egyszerűség robosztus könnyen szerelhető nem kell segédenergia automatizálható Hőmérsékletmérés/14

15 Manometrikus hőmérők hátrány helyigény lassú viszonylag nagy időállandó nem lehet széthúzni a tartományt gyárilag javítható Hőmérsékletmérés/15

16 Bimetálok Bimetálok mérési elv: fémek eltérő hőtágulása felépítés hossz, hőmérséklet vastagság alkalmazott fémek: invar Ni-Fe-Cr ötvözet tartomány: -50 o C 450 o C alkalmazási területek ipar közlekedés Hőmérsékletmérés/16

17 Bimetálok Hőmérsékletmérés/17

18 Bimetálok előnyök üvegszárassal szemben: nem törékeny, könnyebb leolvasni, automatizálhatóság fémházas hőmérővel szemben: olcsóbb villamos hőérzékelőkkel szemben: egyszerűség hátrány kalibrálhatóság pontosság hiszterézis Hőmérsékletmérés/18

19 Villamos hőmérsékletmérés Villamos hőmérsékletmérés közös jellemzői elektromos áram automatizálhatóság főbb típusai ellenállás hőmérők termisztorok termoelemek Hőmérsékletmérés/19

20 Ellenálláshőmérők Ellenálláshőmérők mérési elv: fémek ellenállásának hőmérsékletfüggése (Davy, 1821; Siemens, 1871) felépítés hossz, hőmérséklet alkalmazott fémek: Cu, Ni, Pt tartomány: -200 o C 850 o C Hőmérsékletmérés/20

21 Ellenálláshőmérők Hőmérsékletmérés/21

22 Ellenálláshőmérők réz előnyei: gyakoriság, előállíthatóság linearitás hátrányai: alacsony fajlagos ellenállásváltozás csak o C-ig korrózió, oxidáció alkalmazás járművek olajtartályok Hőmérsékletmérés/22

23 Ellenálláshőmérők nikkel előnyei: nagy fajlagos ellenállásváltozás gyakoriság, előállíthatóság - közepes hátrányai: nemlineritás, csak o C-ig alkalmazás ritka Hőmérsékletmérés/23

24 Ellenálláshőmérők platina előnyei: stabilitás linearitás kémiai ellenálló képesség magas olvadáspont hátrányai: előfordulás, előállítás drága alacsony fajlagos ellenállásváltozás relatíve nagy méret nedvesség, törékenység, önmelegítés Hőmérsékletmérés/24

25 Ellenálláshőmérők Hőmérsékletmérés/25

26 Ellenálláshőmérők Hőmérsékletmérés/26

27 Ellenálláshőmérők alkalmazás Pt100-as hőérzékelő ikerszálas kivitel mérőhidas kompenzáció, beépítése a fejbe T mérés Hőmérsékletmérés/27

28 Termisztorok Termisztorok mérési elv: fémoxidok ellenállásának hőmérséklet-függése (Bell Laboratórium) thermally sensitive resistors felépítés alkalmazott oxidok: Cu, Ni, Mn, Co, Pb, Zn, Fe, Mg, Ti oxidjai nagy hőmérséklet koefficiens tartomány: (-240) -100 o C 320 o C Hőmérsékletmérés/28

29 Termisztorok a hőfok függés erősen nemlineáris: R T = R 0 e b T ahol b anyagi állandó R 0 ellenállás 0 o C-on T hőmérséklet K-ben Hőmérsékletmérés/29

30 Termisztorok Hőmérsékletmérés/30

31 Termisztorok következmények: kicsi mérési tartomány akár 1 o C nagy érzékenység alkalmazás hőérzékelés kapcsolóként hőtérképezés Hőmérsékletmérés/31

32 Termisztorok előnyök kis méret szűk mérési tartomány nagyon nagy érzékenység nem kell speciális vezetékezés sok féle forma olcsó stabilitásuk az élettartammal nő Hőmérsékletmérés/32

33 Termisztorok hátrányok nemlineárisak nem felcserélhetők törékenyek szűk mérési tartomány önmelegítés magasabb hőmérsékleten nem stabilak (max. 320 o C) alsó határ túl nagy ellenállás Hőmérsékletmérés/33

34 Termoelemek Termoelemek mérési elv: ha két különböző fémet egyik végén összekötünk, akkor potenciálkülönbség lép fel a nyitott végek között, ha az összekötött végek és a nyitott végek különböző hőmérsékleten vannak Seebeck, Peltier, Thomson, Joule, Fourier Hőmérsékletmérés/34

35 Termoelemek leíró törvények 1. Azonos fémek esetén nincs termoelektromos indukció. 2. A termoelektromos erő algebrai összege zérus, ha akárhány különböző fémet kötünk össze, de azok azonos hőmérsékleten vannak. Hőmérsékletmérés/35

36 Termoelemek 3. Ha két különböző fém esetén adott T 1 és T 2 hőmérsékleten E 1 elektromos erő indukálódik adott T 2 és T 3 hőmérsékleten E 2 elektromos erő indukálódik akkor T 1 és T 3 hőmérsékleten E 1 +E 2 nagyságú elektromos erő fog indukálódni Hőmérsékletmérés/36

37 Termoelemek felépítés alkalmazott párok pl.: Pt-Pt/Rh: 150 o C 1770 o C (IPTS: 630 o C és 1063 o C) Hőmérsékletmérés/37

38 Termoelemek Cu-konstantán: oxidáló/redukáló közegekben Fe-konstantán: nagyon lineáris, olcsó választási szempontok: olvadáspont kémiai inertség termoelektromos erő vezetőképesség homogén anyag előállíthatósága tartomány: -200 o C 3000 o C Hőmérsékletmérés/38

39 Termoelemek Hőmérsékletmérés/39

40 Termoelemek Hőmérsékletmérés/40

41 Termoelemek előnyök kis méret széles mérési tartomány hajlékony, strapabíró alacsony ár (!) elegendően stabil, pontos, gyors Hőmérsékletmérés/41

42 Termoelemek hátrányok kimenő jel gyenge és érzékeny a zavarásokra nemlineárisak erősítő kell kalibráció változhat a felületi kontaminációval vezetőképes közegben tokozni kell vezetékek homogenitása nehezen detektálható hiba Hőmérsékletmérés/42

43 Hőérzékelés ellenálláshőmérők: pontosság, stabilitás termisztorok: érzékenység termoelemek: gazdaságosság, magas hőmérséklet Hőmérsékletmérés/43

44 Optikai pirometria Sugárzás alapú mérés optikai pirometria mérési elv (Kirchoff, Wien, Planck) minden test hősugarakat bocsájt ki magából, amelyek hullámhossza függ a test hőmérsékletétől látható fény tartományban a megfigyelő addig változtatja az ellenőrző lámpa beleolvad a háttérbe, és ennek alapján lehet a vizsgált közeg hőmérsékletét meghatározni létezik infravörös tartományban vagy színképelemzés elvén működő eszköz is Hőmérsékletmérés/44

45 Optikai pirometria PYRO cég készüléke Optical Sensor Radiation Pyrometer Rugged Lightweight Portable Six Models Available Accuracy ± 0.5% of Reading Single Double & Triple Temperature Ranges 1420 F F (770 C C) Target Sizes to 0.055" (1.4mm), Small Target Target Distance 12" to Infinity Ni-Cad Rechargeable Battery helyes magas alacsony Hőmérsékletmérés/45

46 Optikai pirometria Hőmérsékletmérés/46

47 Optikai pirometria előnyök nem érintkezik közvetlenül a mérendő tárggyal gyors válaszidő (akár mozgó tárgy is mérhető) kis méretű tárgyakat is lehet mérni (pl. Ø1,5mm) felületnél átlaghőmérséklet meghatározás széles mérési tartomány hordozható/telepíthető Hőmérsékletmérés/47

48 Optikai pirometria hátrányok törékeny drága sugárzást elnyelő anyagok (pl. füst, por, pára) torzítják a mérést nemlinearitás nagy mérési tartomány Hőmérsékletmérés/48