Hőmérséklet mérése Sarkadi Tamás
Hőtáguláson alapuló hőmérés Gázhőmérő Gay-Lussac törvények V1 T 1 V T 2 V 2 T 2 2 V T 1 1 P1 T 1 P T 2 P T 2 2 2 P T 1 1 Előnyei: Egyszerű, lineáris Érzékeny: dt=1c dv=0,33% Széles hőmérséklettartomány (He: 4K- ) Hátránya: Nyomásérzékeny
Hőtáguláson alapuló hőmérés Folyadékhőmérő Térfogati hőtágulás: V VT Higany: B=0,000181 1/C Olvadáspont: -38,7 C Forráspont: 357 C Alkohol: B=0,0011 1/C Olvadáspont: -110 C Forráspont: 50 C Előnyei: Kompakt, nyomásfüggetlen Hátránya: B kicsi => kis érzékenység Méréstartományt korlátozza az olvadás és forrás Nemlineáris (pl: Víz) Galinstan: Gallium+Indium+Ón Olvadáspont: -19 C Forráspont: 1300 C
Hőtáguláson alapuló hőmérés Szilárd test hőmérő Lineáris hőtágulás l lt Vas: a=0,0000118 1/C Réz: a=0,0000168 1/C Alumínium: a=0,0000239 1/C Bimetall hőmérő: Előnyei: Nagy erőt képes kifejteni Hátránya: a kicsi => kis érzékenység Bimetall hőmérő
Fém ellenálláshőmérők: Ellenálláshőmérők Ellenállás hőmérsékletfüggése: ~lineáris, hőmérséklet növekedésével nő 0 R R T Platina: a=0,004 1/C ro=1*10-7 Ohm / m Réz: a=0,004 1/C ro=1,5*10-8 Ohm / m Nikkel: a=0,0061 1/C (nemlineáris) ro=7*10-8 Ohm / m R R R 2 0T R0T Milyen a jó ellenálláshőmérő? -a legyen nagy -legyen lineáris B=0 -legyen nagy R0 -kis hőkapacitás=>gyors (0,05 s) -mérőáram ne melegítse jelentősen az ellenálláshőmérőt!
Ellenálláshőmérők Félvezető ellenálláshőmérők (Termisztorok) Anyaga: Germánium Ellenállás hőmérsékletfüggése: exponenciális, a hőmérséklet növekedésével csökken: R R 0 E exp kt Előnye a fém ellenálláshőmérőhöz képest: Szobahőmérsékleten érzékenyebb: a=0,01 0,1 1/C R R 0 Hátránya: E exp R0 kt o T 20C 1T Kis hőmérséklettartomány: -50 100 C
Ellenálláshőmérők Mérőáramkörök: V Hídkapcsolás: R G R R(T) A R(T) U U Rs=R(T) Nagy (~0,1 1 ma) folyik az áramkörben Melegíti az ellenálláshőmérőt Galvanométer kinullázása az Rs szabályozható ellenállással
Galvani-feszültség Fémkontaktus Zárt hurok két eltérő anyagú vezetőből Potenciál helyfüggése Potenciál helyfüggése a zárt görbe mentén Kontaktpotenciálok: Uk12=Uk21
Seebeck effektus Kontaktpotenciál hőmérsékletfüggő Alkalmazás: Biztonsági tűzhely Demonstráció:
Seebeck effektus Kontaktpotenciál hőmérsékletfüggő Elektromotoros erő: Közelítőleg a hőmérséklet lineáris függvénye Alfa: függ a két fém anyagi minőségétől.
Termopotenciális sor Mérés: Platina Anyag Pt Vas +1,5 mv/c X fém X fém Réz +0,76 mv/c Alumínium +0,4 mv/c Platina 0 mv/c Nikkel -1,5 mv/c Vas+konstantán ΔT=100 C 0,0015-(-0,0035)*100=0,5 V Konstantán (réz-nikkel) -3,5 mv/c
A jó termoelem A két fém kiválasztása: -Pt1-Pt2 legyen nagy -Két kontaktus közti hőmérsékletkülönbség legyen nagy -Olvadáspont legyen magas -Elektromos vezetőképesség legyen nagy -Hővezető képesség legyen kicsi (termikus rövidzár) hőáram Félvezető termoelem: αszilícium =44 mv /C
Peltier effektus Peltier effektus a Seebeck effektus inverze: Seebeck effektus: Hőmérséklet különbség => Áram Peltier effektus: Áram => Hőelvonás, hőleadás a kontaktusokon I Processzor hűtés: Hőleadás: Kontaktus melegszik Hőelvonás: Kontaktus hűl
Termoelem, mint hőerőgép Ideális esetben: U Fogyasztó: P=UI A Seebeck eff. miatt áram indul Hatásfok: Mint az ideális hőerőgép esetén (Carnot ciklus): Tm T T m h -Melegítjük TM TH -Hűtjük -Peltier eff. miatt hűl -Peltier eff. miatt melegszik
Termoelem, mint hőerőgép Valóságban: U Fogyasztó: P=UI A Hővezetés (termikus rövidzár) Hatásfok: Tm T T m h -Melegítjük TM TH -Hűtjük -Peltier eff. miatt hűl Joule-hő -Peltier eff. miatt melegszik
Termoelem, mint hőmérő Hőmérséklet különbség mérésére alkalmas: U T0=0 C referencia hőmérséklet alkalmazásakor: Előnyök: Nagy felbontás: U T Vas-konstantán elem; 10 mikrovoltos érzékenység: 0,002 C felbontás Gyorsaság (kis hőkapacitás) T=? Olvadó jég: T0=0 C Ügyelni kell rá: Kis mérőáram: (Peltier eff. Módosítja a termoelem hőmérsékletét) Korrózió védelem
Spontán polarizáció Közönséges szigetelők: Diptólusok közt nincs kitüntetett irány Külső elektromos tér hatására: polarizáció E Elektromos tér kikapcsolása után: Visszaáll az eredeti állapot Spontán polarizáció: Dipólusok rendeződnek A rendezetlen állapot energetikailag kedvezőbb Polarizált állapot külső elektromos tér nélkül A rendezett állapot energetikailag kedvezőbb
Piroelektromos jelenség Polarizáltsági fok hőmérsékletfüggő: T1< <T2< <T3 Rendezett Rendezettség bomlik Rendezetlen Anyagok: Gallium nitrit: GaN Cézium nitrát: CsNO3
Piroelektromos hőmérő Hőmérséklet-változás mérésére alkalmas: Fémelektródák Áram arányos a hőmérséklet változás sebességével: I ~ dt dt Alkalmazás: Hősugarak detektálása, infra (mozgás) érzékelők, hőkamerák
Hőmérséklet nő Kisugárzott teljesítmény nő Hőmérsékleti sugárzás Nap Hő+fehér fény T=6000K izzó vas T=1000K Radiátor T=330K Hő+piros fény hő Kisugárzott elektromágneses sugárzás hullámhossza csökken Jég hő T=273K
Elektromágneses spektrum
Hőmérsékleti sugárzás Planck-féle feketetest sugárzás: 2hc I(, T) 5 h= Planck állandó 2 1 hc exp kt c= fénysebesség k= Boltzmann állandó 1 Wien-törvény: m ~ 1 T Ahol: I I(, T) max Hőmérséklet Stefan-Boltzmann törvény: J T 4 Hőmérséklet Ahol: m 0 szín J ~ I( ) d teljesítmény
Detektált teljesítmény Infravörös hőmérő Fekete test hőmérsékletének meghatározása az általa kibocsátott infravörös sugárzás intenzitásának mérésével: Stefan-Boltzmann törvény: Tárgy IR Optika I ~ dt dt J T 4 T=? Előny: Távmérés Piroelektromos detektor IR optika: Hőmérséklet Lencse, ablak: Germánium, Cink Szelenid, Kősó (higroszkópikus) Tükör: Arany
Detektált teljesítmény Infravörös hőmérő Mérés nehézségei: -Háttérsugárzás (T~=T0) -Szürke test sugárzás Tárgy Környezet T0 Háttérsugárzás J Stefan-Boltzmann törvény Szürke test esetén: et 4 e anyagfüggő állandó T=? Piroelektromos detektor Hőmérséklet
Infravörös hőmérő Megoldás: Több detektor IR szűrő 1 Planck-féle sugárzási törvény 1 2 3 Tárgy IR Optika IR szűrő 2 T=? IR szűrő 3 Minél több hullámhosszon ismert a Planck görbe, annál megbízhatóbb a mérés
Termokamerák Tárgy IR optika Piroelektromos vagy félvezető detektormátrix Hőtérkép Leképzés (hamis színezés) (kb 256x256 pixel)
Termokamerák Alkalmazások: Éjjellátás Épület energetika Orvos diagnosztika Gépészeti energetika Meteorológia