BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR ENERGETIKAI GÉPEK ÉS RENDSZEREK TANSZÉK HŐTECHNIKAI LABORATÓRIUM OKTATÁSI SEGÉDANYAG BUDAPEST, 2003
Készítették: Fazekas Miklós Könczöl Sándor Dr. Scharle Péterné az Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék munkatársai TARTALOMJEGYZÉK I. LÉGÁLLAPOT MÉRÉS 3 II. HŐTÁGULÁS ELVÉN MŰKÖDŐ HŐMÉRŐK 13 III. HŐMÉRSÉKLETFÜGGŐ ELLENÁLLÁSOK 20 IV. TERMOELEKTROMOS ÁTALAKÍTÓK 31 Fogalomgyűjtemény 39 Fontosabb metrológiai alapfogalmak 46 Szakirodalom jegyzék 52 Összefoglaló kérdések 53 2
ENERGETIKAI MÉRÉSEK az Energetikus mérnökök képzésében Bevezetés A méréstechnika feladata a technológiai folyamatok mérhető jellemzőinek érzékelése, átalakítása és feldolgozása annak érdekében, hogy a szükséges információk birtokába kerüljünk. A méréstechnika alkalmazásának három fő területe: - kutatás-fejlesztési laboratóriumokban, kísérleti berendezések vizsgálatánál, - nagyipari technológiai, energetikai és gyártó berendezések, irányításában, - elosztott folyamatok, technológiák és háztartások kiszolgálásában. A mérés célja lehet: - vezérlés, szabályozás, - védelmi jelzés vagy beavatkozás, - minőségbiztosítás, - fogyasztás elszámolása, stb. Az energetikai berendezésekben előforduló mérések között a leggyakoribbak: nyugvó vagy áramló munkaközeg illetve szilárd test (gépszerkezet) hőmérsékletének mérése, munkaközeg tömeg illetve térfogatáramának mérése, nyugvó vagy áramló munkaközeg nyomásának mérése, nyugvó vagy áramló munkaközeg összetételének, illetve egy vagy több alkotó koncentrációjának mérése. Az Energetikus mérnökök részére szervezett alapmérésekkel foglalkozó tárgyak a fent felsorolt tárgykörökkel ismertetik meg a hallgatókat. 3
A hőmérséklet mérése A hőmérséklet mérése az egyik legfontosabb intenzív termikus állapotjelző megismerésére irányuló tevékenység. Az ember természeti adottsága a hőérzet. Az ehhez kapcsolódó fogalmaink: hideg, meleg, langyos, forró azonban szubjektívek, és csak a környezet testünkre gyakorolt hatásának (hőközlés vagy hőelvonás) intenzitását jellemzik. A hőmérsékleti skála alappontjai és az ehhez kapcsolódó beosztás az elmúlt évszázadok során folyamatosan alakult ki és még ma is változáson megy át. Jelenleg az ITS-90 (International Temperature Scale-1990) a CWM által 1989-ben elfogadott termodinamikai hőmérséklet skála van érvényben. A termodinamikai hőmérséklet egysége (kelvin, jele: K) a víz hármasponti hőmérsékletének 1/273.16 -od része. A termodinamikai hőmérséklet kifejezhető a Celsius skálán is: t[ C]=T[K]-273,15K Az ITS-90 a korábbi IPTS-68-hoz (és ITS-27,ITS-48 stb.) hasonlóan fix pontokat definiál a hőmérséklet skálán, amely értékek között interpoláló mérőműszerrel (0 C-961.78 C között Pt ellenállás hőmérővel) állítják elő a folytonos értéket. Egy test hőmérsékletének megismerése jellegét tekintve lehet kvalitatív (megfigyelés), illetve kvantitatív (mérés) megfigyelés Pl.: Az utcán befagyott tócsát látunk t<0 C A kovácsolás hőmérséklete az izzás színe alapján becsülhető: 540 C : halvány vörös 680 C : közepes meggy piros 1000 C : narancs sárga 1300 C : fehér mérés A gépészmérnök munkájában ez a meghatározó jelentőségű, ezért a továbbiakban ezzel foglalkozunk. 4
A mérés mindig feltételezi, hogy a mérni kívánt fizikai jellemző létezik és egyértékű. A hőmérséklet esetében tudnunk kell, hogy értéke statisztikus mechanikai folyamat eredménye, és az anyag mikrorészecskéinek transzlációs, vibrációs és rotációs mozgásában ölt testet. Értéke akkor létezik, ha a részecskék közötti kellően nagy számú ütközés létrejöttének idejéig, vagy a részecskék elmozdulása során érintett térrészben értéke nem változik. Ez a termodinamikai egyensúly lokális fennállását jelenti, ami egy kis térrészben a hőmérséklet létének feltétele. Normál légköri állapotú gázban gradt<10 7 [K/m] fennállása esetén már kialakul a lokális egyensúly és ezzel a hőmérséklet. Gyakorlati esetek, melyekben a hőmérséklet létezése kérdéses lehet: hegesztőpisztoly lángjának magjában, lökéshullámban, gyors termokémiai folyamatokban (robbanás), nagy intenzitású turbulens folyamatokban, plazmákban stb. Megállapíthatjuk, hogy a gépészmérnöki gyakorlat során előforduló berendezésekben a hőmérséklet létező és így mérhető is. A hőmérséklet létezése mellett is vannak egzisztencia és mérhetőségi problémák. Ezek közül példának egy szénportüzelésű kazán tűzterének egy pontja körüli kis térrészt tekintsünk, melyben létezik a gáz hőmérséklete, létezik az ettől különböző (izzó) szilárd szemcsék hőmérséklete és a hőmérsékleti sugárzási térrel egyensúlyt tartó besugárzási hőmérséklet is. A hőmérsékletmérő eszközöket az anyagok fizikai tulajdonsága és a hőmérséklet közötti összefüggés alapján az alábbi érzékelési elvek szerint csoportosítjuk.: -hőtágulás elvén mérő eszközök -ellenállás változás alapján mérő eszközök -termoelektromos érzékelők -infravörös (hőmérsékleti) sugárzást érzékelő hőmérők -állapotukat megváltoztató hőmérők (színváltó festék, folyadék kristály stb.) A felsoroltakon kívül is vannak hőmérséklet mérő eljárások és várhatóan lesznek újabbak a jövőben is. (pl: interferometriás, Schlieren-Toepler, ultrahang stb. módszer, ) 5
A hőmérséklet mérése érintkezés alapján A hőmérséklet mérése hőmérővel a testek közötti hőcserén alapul, ami a hőmérséklet kiegyenlítődéséig tart. Az érintkezéses hőmérséklet mérés során az érzékelő hőmérsékletét a mérni kívánt közeg hőmérsékletével tételezzük azonosnak, a termikus egyensúly kialakulása miatt. Az érzékelőt összehasonlítva a hőmérséklet skála alappontjaival, kalibrálva azt, a mért eredményt megkapjuk. A hőmérséklet mérése érintkezés nélkül A testek által kibocsátott infravörös vagy hőmérsékleti sugárzás lehetővé teszi az érintkezés nélküli hőmérséklet mérést. A test által kibocsátott hőmérsékleti sugárzás általában függ az anyagi minőségtől, a felület simaságától, a környezetből oda érkező és visszatükröződő illetve áteső hősugárzástól. Ezen zavaró hatások kiküszöbölése általában nehezen valósítható meg, de a gyakorlat számára megfelelő mérési eredmények biztosíthatók. 6
I. Légállapot mérés A gépek, berendezések működését és közérzetünket jelentősen befolyásolja a környező levegő állapota, amit nyomásával, hőmérsékletével, nedvességtartalmával (összetételével jellemezhetünk. E három jellemző azonos helyen történő egyidejű meghatározása jelenti a légállapot, s egyben a mérés körülményeinek egyértelmű megadását. A légnyomás mérése A levegő nyomása definíció szerűen: FN pb Pa 2 Am A légnyomásmérés klasszikus eszköze a Torricelli féle higany töltésű "U"-csöves barométer. A műszer felépítése az 1./a ábra rajzán látható. A műszer egyik üvegcsöve leforrasztott végű, a másik a környező levegő felé nyitott. A higanyt a leforrasztott üvegcsőbe töltve majd függőleges helyzetbe állítva, az alábbi erőhatások egyensúlya írható fel: p b g p b Hg shg Ahol: b: a higany két csőben levő felszínének magasság különbsége. g: a mérés helyén a nehézségi gyorsulás, figyelembe véve a szélességi kör és a tengerszint feletti magasság hatását. Hg : a higany sűrűsége a méréskori hőmérsékleten. P shg : a higany telített gőzének nyomása a méréskori hőmérsékleten. A nehézségi gyorsulás függése a délkörtől és a tengerszint feletti magasságtól közelítőleg: 7
g g n 1 0.0026cos2 0,2 10 6 Hőtechnikai laboratórium Ahol: g n :=9,80665 m/s 2 a normál nehézségi gyorsulás. A szintkülönbséget sárgarézből készült mérővonalzón leolvasva 0 C hőmérsékletre átszámítható a magasság: b0 bt 1 t Ahol: : a higany térfogati hőtágulási tényezője: 0,00018 1/C : a sárgaréz lineáris hőtágulási tényezője: 0,00019 1/C A mérés elvégzése két folyadékszint leolvasását igényli. A műszer felépítésének előnye, hogy a higany görbült felszínéből származó kapilláris depresszió hatása kiesik. A leolvasás egyszerűbbé tételére alakították ki a körtés rendszerű barométert, melynek csak egy üvegcsövében kell a szintet leolvasni. (lásd az 1./b ábra rajzát A konstrukciós kialakítással kell gondoskodni arról, hogy a higanyszint megváltozása az üvegcsőben az alsó edényben ne okozzon mérési bizonytalanságot elérő szintváltozást. (Nagy átmérő viszony kell az üvegcső és az edény között.) Az erőegyensúlyt felírva: p b g p p llá b Hg shg kapill ris Ahol: b: a csőben levő higany felszínének magassága az edény felszínéhez képest. p kapilláris : az üvegcsőben a higany görbült felszínének két oldala között kialakuló nyomáskülönbség a felületi feszültség miatt. A higanygőz telítési gőznyomása a hőmérséklet függvényében: tc 20 30 40 50 P shg torr 0,0013 0,0030 0,006 0,0130 A kapillárdepresszió értéke az üveg -higany anyagpárra: Hgmm=torr Csőátmérőmm A görbült higanyfelület magassága mm 0,4 0,8 1,2 8 0,27 0,49 0,68 10 0,16 0,3 0,42 Fémrugós vagy aneroid barométer A higanyos barométer alkalmazása időigényes és nagy hozzáértést kíván, továbbá nem automatizálható ezen hátrányok kiküszöbölésére fejlesztették ki a precíziós fémrugós légnyomás mérőket. Ezen készülékekben ultra vákuumozott edény egyik felülete rugalmas alakváltozásra képes. A rugalmas alakváltozás a légnyomás változásával arányos, megfelelő áttétellel működtetheti a mutatót, de átalakítható villamos jellé is, és így digitális leolvasási és jeltovábbítási lehetőség áll rendelkezésre. A metrológiai és egyéb méréstechnikai alkalmazásokban már szinte kizárólag digitális kijelzésű aneroid barométereket használnak. 8
A műszer mechanikus felépítését a 2.ábra mutatja. 2.ábra A levegő nedvességtartalma Alapfogalmak A levegő nedvességtartalma többféle módon jellemezhető: p g : vízgőz parciális nyomása a levegőben, x: abszolút nedvességtartalom, : relatív nedvességtartalom, t h : harmatpont hőmérséklete, stb. 3.ábra 9
A víz hőmérséklete és gőzének egyensúlyi nyomás a 3.ábra szerinti kapcsolatban van. A t hőmérsékletű levegőben lévő vízgőz egyensúlyi állapotban maximálisan annyi vízgőzt tartalmaz, mint az ugyanezen a hőmérsékleten lévő telítési gőznyomás. A környezeti légállapot általában a telítésinél kevesebb vízgőzt tartalmaz. Azt a mérőszámot, ami megadja, hogy a levegőben lévő vízgőz parciális nyomása hányszorosa az ugyanazon a hőmérsékleten telítési állapotú vízgőz nyomásának, relatív páratartalomnak nevezzük. A relatív légnedvesség csak a hőmérséklettel együtt határozza meg a levegő állapotát. A p b barometrikus nyomáson a levegő parciális nyomása vízgőz jelenléte esetén: p l =p b -p g ahol p g a vízgőz parciális nyomása. A t h harmatpont (dérpont) az a hőmérséklet, melyen a víz (jég) telítési gőznyomása megegyezik a levegőben lévő vízgőz parciális nyomásával. A levegő nedvességtartalmának különböző kifejezés formái közötti kapcsolat: Relatív nedvességtartalom: Jellemző P g Pa % xg/kg Vízgőznyomás p b -p l p s g xp b /(0,622+x) Relatív nedvesség: p g /p s g - xp b /(p g s (0,622+x)) Abszolút nedvesség: x 0,622p g /(p b -p g ) 0,622p gs /(p b -p gs ) m v /m l A levegő nedvességtartalmának mérése Levegő nedvességtartalmának mérésére felhasználható mérési módszerek: mechanikus érzékelők, száraz-nedves hőmérős érzékelők (pszichrométerek), harmatpont érzékelők, lítium kloridos higrométer, szilícium higrométer, stb. Mechanikai nedvesség érzékelők A mechanikus érzékelők a kapilláris-pórusos testek azon tulajdonságait használják fel, hogy azok belsejében a víz kisebb telítési nyomással rendelkezik, mint a környező térben. Ezért a környező telítési állapotnál kevesebb vízgőzt tartalmazó levegőből is meg tudnak kötni cseppfolyós vizet a kapilláris struktúra átmérő eloszlásának megfelelően. A kapilláris átmérő függvényében a víz nyomása: Kapilláris átmérő 1m 0,1m 0,01m Kapilláris nyomás 2,9 bar 29 bar 290 bar 10
A megkötött víz diffúzióval kerül az anyag belsejébe, amihez idő kell. A megkötött víz hatására az anyagok mérésre alkalmas megváltozó tulajdonságai: hosszváltozás: pl.: hajszál, textil, szövet, stb. tömegváltozás A legelterjedtebbek a hosszváltozás alapján működő relatív nedvességtartalomra kalibrált műszerek (hajszálas higrométer). Előnyük, hogy nem igényelnek segédenergiát, olcsók és egy szűk tartományban viszonylag érzéketlenek a hőmérsékletre. Hátrányaik: hiszterezésük van, a skála idővel módosul (eltolódik és csökken az érzékenység), a kimeneti elmozdulás nem lineáris, korlátozott hőmérsékleti tartományban használhatók. Száraz-nedves hőmérő (pszichrométer) Áramló levegőbe helyezett vízzel átitatott textil felülete mentén a határrétegen át párolgás indul meg, ha a levegőben nem éri el a vízgőz parciális nyomása a telítési értéket. A párolgás intenzitása annál nagyobb, minél kisebb a környező levegő telítettségének mértéke. Ha két hőmérő közül az egyiket nedves textillel borítjuk, a másikat csupaszon hagyjuk, és megfelelő áramlási sebességet (2,5 m/sw lev ) biztosítunk az érzékelő felületek mellett, száraz-nedves hőmérsékletet mérhetünk. A száraz és a nedves hőmérőn mért hőmérséklet értékekből a légköri nyomás ismeretében meghatározható a levegő nedvességtartalma. p g s g b t t At p p B 1 ahol: p g : vízgőz parciális nyomása a levegőben p b : levegő nyomása p gs : vízgőz telítési nyomása t hőmérsékleten t: levegő hőmérséklete (száraz hőmérő hőmérséklete) t n : nedves hőmérő hőmérséklete A: állandó n Az összefüggésben a B konstans a légnyomás szorzója. A mérés eredménye átszámítható a légnedvesség más kifejezéseire. Sok esetben elegendő a két hőmérséklet különbségének ismerete, különösen ipari technológiák szabályozása esetén. A pszichrometrikus mérés előnyei: Közvetlenül a levegő relatív páratartalmával arányos mennyiséget jelez a különbség. Egyszerű és olcsó, ennek ellenére elméletileg jól alátámasztott elven mér. A hőmérséklet változás kis mértékben módosítja az eredményt, de szárító szabályozókban ez elfogadható. Hátrányai: A textilen kialakuló párolgási sebességet csökkenti a lerakódás, elsózódás. A mérés eredményét a kis áramlási sebesség (w2,5 m/s) jelentősen befolyásolja. A folyadék fogyását pótolni kell. n 11
Harmatpont hőmérő A p g parciális nyomású vízgőzt tartalmazó levegő hűtött felület menti határrétege telítetté válik, ha hőmérsékletére fennáll: p gs (t h )=p g (t) ahol: p gs (t h ): vízgőz telítési nyomása a harmatponti hőmérsékleten p g (t): vízgőz parciális nyomása a levegőben A harmatpont alatti hőmérsékletű felületre megindul a felesleges vízgőz kondenzálódása. A 0C alatti harmatpont esetén dér (jég) válik ki a levegőből. A harmatponti hőmérséklet mérésével meghatározható a levegőben a vízgőz parciális nyomása a fenti összefüggésnek megfelelően. A harmatpont észlelése megvalósítható optikai, vagy elektromos érzékeléssel. Optikai érzékelésnél a hűtött felület egy tükör, ami mentén a mérni kívánt levegő eláramlik. A tükör optikai kapu részeként lehetővé teszi a harmat megjelenésének mérését. Elektronikusan szabályozott hűtésű tükör hőmérsékletét a harmatpont alá majd fölé szabályozva, a harmat megjelenése és elpárolgása indukálható. A tükör két állapotának változásához tartozó hőmérsékletek közrefogják a harmatpontot. Mint másodlagos nedvességtartalom referencia is használatos a harmatponti hőmérséklet mérése. A harmatpontmérő tükrére az elhomályosodáshoz kb: 0,05 g/cm 2 víz kell. A harmatponti hőmérséklet alacsony értékeinél a szükséges levegőmennyiség nagyon növekszik, ami a mérést lassúvá teszi. 12
II. HŐTÁGULÁS ELVÉN MŰKÖDŐ HŐMÉRŐK A hőtágulás fogalma és nagysága A testek hosszukat, térfogatukat változtatják a hőmérséklet függvényében. A mérések tapasztalata szerint ezek a változások jó közelítéssel leírhatóak a hőmérsékletváltozás kis fokszámú polinomjával. Legyen egy test hossza T 0 hőmérsékleten l 0, akkor a hőtágulás: ahol : l l A gyakorlati számításokban sokszor megfelel csak az első tényezővel számolni, mert a többi nagyon kis érték. Ennek szokásos elnevezése: a lineáris hőtágulási tényező. A fenti összefüggéshez hasonló kifejezéssel írható le a térfogat megváltozása is: A gyakorlati életben megfelelő az első tag alkalmazása. A a térfogati hőtágulási tényező. V V 2 T T T T T 0 0 0 T0,,...anyagi _ állandók 2 T T T T T 0 0 0 T0 2 2 Folyadékok esetén csak a térfogati hőtágulás értelmezhető, de szilárd testeknél mind a kettő. A magasabb rendű tagok elhagyása néhány esetben nagyon jelentős hiba forrása lehet, pl. a víz esetében. A mérések szerint a víz sűrűsége 4 C-on a legnagyobb, ettől magasabb vagy alacsonyabb hőmérsékleten egyaránt csökken. A második tag felhasználásával a víz sajátos viselkedése is jól leírható. A gyakorlat számára ebből annyi következik, hogy a folyadék hőmérők skálája a két alappont között nem lineáris. A lineáris és a térfogati hőtágulás szilárd testeknél nem független egymástól. Illusztrálja ezt egy a oldalú négyzetre felírt térfogat. a a 0 1 T V 3 3 ( 1 T ) 0 Jó közelítésként használhatjuk a összefüggést, ami a műveletek elvégzése után adódik. 13
Folyadék töltetű hőmérők Hőtechnikai laboratórium A folyadék töltésű üveg hőmérők 200...+750 C hőmérséklet tartományban széles körben használatosak. Laboratóriumi és ipari elterjedtségük oka alkalmazásuk egyszerűsége, a meglehetősen nagy pontosság és az olcsóság. Működésük alapja a folyadék töltet és a hőmérő test anyaga közötti hőtágulási tényező különbség. Ennek értékét mint látszólagos hőtágulási tényezőt szokták jelölni. Néhány hőmérő töltet anyagra az alkalmazhatóság hőmérséklet határai és a hőtágulási tényező: Folyadék Alkalmazhatóság határa [ C] Átlagos térfogati hőtágulási tényező Alsó Felső tényleges [1/K] látszólagos [1/K] Higany -35 750 0,00018 0,00016 Higany-Tallium -58 30 0.00018 0.00016 Toluol -90 200 0,00109 0,00107 Etil alkohol -80 70 0,00105 0,00103 Pentán -200 20 0,00092 0,0009 Megjegyzés: A higany hőmérőben a látszólagos hőtágulási tényező borszilikát üvegre: 0,000164 [1/K] és kvarc üvegre: 0,00018 [1/K]. A higanyt hőmérő töltetként azért használják, mert könnyű tiszta állapotban előállítani, nem nedvesíti az üveget, könnyű megfigyelni a meniszkuszt és széles hőmérséklet tartományban folyékony: - 38,87...+356,58 C. Még azt érdemes megjegyezni, hogy 356,58 C fölött is csekély a higany gőznyomása más folyadékokkal összehasonlítva. A higany fölötti térben semleges gáz töltettel túlnyomást létrehozva, az érzékelhető hőmérséklet jelentősen megemelkedik, mert a forrás elkerülhető. A higany legfőbb hátránya a viszonylag kis térfogati hőtágulási tényezője és mérgező hatása. A szerves folyadék töltetek nedvesítik az üveget, ezért a pontosságuk változhat. 14
A higany töltetű üveghőmérők kapillárisába kb. 200 C fölött nem vákuum van, hanem semleges szárított gáz töltet, hogy a higany forrását megakadályozzák. A precíziós hőmérőkbe már 105 C méréshatár fölött nitrogén párnát töltenek. A folyadék hőmérők használatuk módja szerint kétfélék lehetnek: teljes bemerülésű (pl. laboratóriumi hőmérők) és részleges bemerülésű (ipari) hőmérők. A teljes bemerülésű hőmérőt úgy készítik, hogy akkor mutasson pontos értéket, amikor az egész folyadék töltet a mérni kívánt hőmérsékleten van. A hőmérő bemerülését a mindenkori mért értékhez kell igazítani mind a kalibrációnál mind a mérésnél. 1.ábra: a: laboratóriumi b: ipari kivitel A részleges bemerülésű hőmérőt csak egy megjelölt hosszig kell bemeríteni a mérendő folyadékba, ami a mérési tartomány alatt van. A folyadék hőmérő működését leírhatjuk a hőtágulás segítségével: V V T f ahol: V: [m 3 ] a folyadéktartály (hőmérőzsák) térfogata, : [1/K] a folyadék köbös hőtágulási tényezője, : [1/K] a folyadéktartály (üveg) hőtágulási tényezője T f - T o [ C] a folyadék hőmérséklet növekedése A kapillárisban a folyadékkal töltött hossz megváltozása: T 0 L V A 0 ahol: A o : [m 2 ] a kapilláris keresztmetszete 15
Hibalehetőségek a folyadék hőmérőknél Az üveg hőmérők esetén számolni kell az üveg öregedésével, aminek következtében a tartály térfogata a gyártás után az időben csökkenhet. Az üveg alkatrészek gyártása során végzett öregbítéssel (hőkezelés) a jelenség hatása mérsékelhető. Ennek ellenére a folyadéktartály térfogata emlékszik a korábbi állapotára, és ezért időnként ellenőrizni kell 0 C-on (olvadó jégkásában) a skálán mutatott érték változását. Az így kiadódó skála eltolódás felhasználható a leolvasott érték korrigálására, és az állandó hiba egyik összetevőjének csökkentésére. A folyadék töltetű üveghőmérő laboratóriumi változatait az egyértelmű állapot érdekében teljes bemerülés mellett kalibrálják. Ez azt jelenti, hogy a folyadéktartályban és a kapillárisban lévő folyadék egyaránt a mérni kívánt közeg hőmérsékletén van. Ha egy mérés körülményei nem teszik lehetővé a hőmérő teljes bemerítését és a töltet a kapillárisban n [ C] osztáshosszban t sz [ C] szálhőmérséklettel kiáll a t [ C] hőmérsékletű mérni kívánt folyadékból, kisebb lesz a hőtágulása. A hőtágulás elmaradása által okozott állandó jellegű hiba mérés és számítás segítségével korrigálható. A szálkorrekció nagysága a relatív térfogati hőtágulási tényezőjű üveg-töltet anyagpárra: t n t t sz 2.ábra Bizonytalanságot jelent a kiálló szál közepes hőmérsékletének meghatározása méréssel vagy becsléssel. Az ipari kivitelű folyadék töltésű üveg hőmérők mindig részleges bemerülésűek. Ezeken mindig bejelölik, hogy meddig kell a mérni kívánt közegbe meríteni. A kalibrálás körülményeikor fennálló közepes szálhőmérséklet mellett lehet a helyes értéket leolvasni az ipari hőmérőkről. Ez megkívánja, hogy a beépítés a kalibrációval egyező kialakítású legyen, és a környezeti körülmények se térjenek el jelentősen. 16
Szilárd anyagú hőtágulásos hőmérők Működésük alapja, a fémek hőtágulási tényezőjének különbözősége. A létrejövő hosszváltozás különbség a hőmérséklet változás hatására: T L L f L s T 1 L2 L0 1 2 T0 f T 0 A hosszváltozás alapján felírható az érzékenység Gyakorlati megvalósításuk az - invar-rudas hőmérő (lineáris kialakítás ) -kettősfém (ikerfém, bimetal ) hőmérő A lineáris kialakításnál a csövet sárgarézből vagy rozsdamentes acélból, a rudat közel zérus hőtágulási tényezőjű anyagból (invar) készítik. Bimetal hőmérő: Ha két különböző hőtágulási tényezőjü fémszalagot egymásra fektetve összeforrasztanak vagy egymáshoz hengerelnek, és azt melegítik, a szalag elhajlik. 3. ábra Néhány használatos anyag jellemzői Anyag 10 6 [1/ C] Hőmérséklet tartomány [ C] Sárgaréz 18.3 23.6 0 400 Vörösréz 15.3 0 150 Ni-Cr acél (20-22% Ni) 20 0 500 Invar 0,9 0 200 Olvasztott kvarc 0,55 17
A nagyobb elmozdulást eredményező pl. felcsavart bimetall szalag kisebb erőhatásra képes, mint az egyszerű rudazatos megoldások. A nagyobb erőhatással közvetlen működtetésre, segédenergia nélküli szabályozásra is lehetőség van. Nyomásváltozáson alapuló hőmérők Ezek hermetikusan zárt térbe töltött munkaközeg hőmérséklete és nyomása közötti kapcsolat alapján jelzik a hőmérsékletet. A töltet anyaga lehet gáz, folyadék és gőzével érintkező telített folyadék. Gáz töltet esetén a gáz nyomása a hőmérséklet függvénye: p p f 0 T f Ahol: =1/273 [1/K] a gáz köbös hőtágulási tényezője. T f [K] az érzékelő hőmérséklete a méréskor. p 0 [Pa] a gáztöltet nyomása T 0 =273K hőmérsékleten. Az öszenyomhatatlannak tekinthető folyadékkal teljes térfogatában megtöltött hőmérőben a térfogati hőtágulás hatására a rugalmas elem alakváltozása hoz létre leolvasható jelet. A rugalmas elem hengerben elmozduló dugattyú, vagy csőrugó lehet. Az elmozdulást eredményező térfogatváltozás: T V V 3 f T 0 Ahol: V: a folyadék tartály térfogata, : a folyadék térfogati hőtágulási tényezője, : a folyadék tartály anyagának hőtágulási tényezője. A folyadékkal töltött hőmérőknél tudomásul kell venni, hogy a kijelzett hőmérséklet függ a környezet állapotán lévő kijelző egység térfogatának hőtágulásától is. Telitett állapotú közeg gőznyomását felhasználva a hőmérséklet mérésére, a térfogatot csak részlegesen töltik meg folyadékkal. Az alkalmazott töltet anyagok és az alkalmazási hőmérséklet: -25 +80 C : Freon 22. -50-60: propilén. +100 +200: aceton, stb 18
A töltet gőznyomása a hőmérsékletnek exponenciális függvénye, ezért az ilyen elven működő érzékelők skálája nem egyenletes osztású. 4.ábra A hőmérséklet mérés módszere A hőmérséklet mérése két alapvető lépésben hajtható végre: a./ Termikus csatolást hozunk létre az érzékelő és a mérni kívánt munkaközeg illetve test között, hogy a hőcsere révén hőmérséklet kiegyenlítődés (egyensúly) jöjjön létre, b./ Megmérjük (leolvassuk) a hőmérő hőmérsékletét. A hőmérő a termikus kontaktus következtében felmelegszik, (lehül) és eközben megzavarja a vizsgált test hőállapotát. Ennek hatását a mért közeg folyamatos áramlásának (kicserélődésének) biztosításával lehet csökkenteni. A hőmérő nem csak a vizsgált testtel van hőcsere kapcsolatban, hanem zavaró hőáramok is felléphetnek. A zavaró hőáramok származhatnak a hőmérő és a körülötte levő felületek közötti sugárzásos hőcseréből, vagy a hőmérő hüvely hőelvezetéséből. A hőmérő a véges hőátadási tényező miatt véges idő alatt érheti el a vizsgált közeg hőmérsékletét. Fenti hibaforrások elkerülésével és a számítható korrekciókkal a későbbiekben foglalkozunk. 19
Az ellenállás fogalma és egysége III. HŐMÉRSÉKLETFÜGGŐ ELLENÁLLÁSOK Alapfogalmak és meghatározások Hőtechnikai laboratórium Valamely homogén, végig állandó keresztmetszetű vezető ellenállásán a vezető végpontjaira kapcsolt U feszültség és hatására a vezetőben folyó I áram hányadosát értjük: Ez az összefüggés Ohm törvénye. Az ellenállás a vezető anyagának és méreteinek ismeretében rendszerint kiszámítható. Az ellenállás egysége az ohm. A hőmérsékletfüggő ellenállások olyan villamos jelátalakítók, amelyek a hőmérséklet változásait ellenállásváltozássá alakítják át. Hőmérséklettényező (): U R I Az érzékelő fajlagos ellenállásváltozása 0C és 100C között. R 100 R 100R 0 0 K 1 Ahol a nevezőben szereplő 100, 100C-nak felel meg. A felhasznált anyagokkal szemben támasztott követelmények: 1. Az ellenállásanyag hőmérséklettényezője nagy legyen. Ez azt jelenti, hogy 1C hőmérsékletváltozásnak minél nagyobb ellenállásváltozás feleljen meg. 2. A fajlagos ellenállás legyen nagy. (Kis tömegű érzékelőnek legyen jól mérhető ellenállása.) 3. A statikus karakterisztika legyen lineáris. 4. A jellemzők legyenek stabilak. Az anyagnak nem szabad oxidálódnia, vagy más kölcsönhatásba lépnie a mérendő közeggel. A felhasznált anyagok : I.FÉM ELLENÁLLÁSHŐMÉRŐK II. FÉLVEZETŐK 20
I. FÉM ELLENÁLLÁSHŐMÉRŐK A fémek ellenállásának hőmérsékletfüggése: R t =R 0 (1+At+Bt 2 +...) ahol R 0 0 C-on mért ellenállás, A és B állandók. Az alkalmazott anyagok többségénél elegendő az elsőfokú közelítés. R t =R 0 (1+t) a hőmérséklettényező, katalógusban gyakran nevezik lineáris hőmérsékleti együtthatónak ( nem azonos A-val) Precíziós méréseknél lehetséges a magasabb fokú tagok figyelembe vétele is. Néhány anyag lineáris hőmérsékleti együtthatója: vas wolfram alumínium higany réz platina nikkel 2-610 -3 1/C 510-3 1/C 410-3 1/C 910-3 1/C 4,010-3 1/C 4,010-3 1/C 6,1710-3 1/C ELLENÁLLÁSHŐMÉRŐK JELLEMZŐI PLATINA NIKKEL RÉZ MÉRÉSI TARTOMÁNY -190...+630 C -100...+300 C 0...+150 C ELLENÁLLÁSVÁLTOZÁS 40% 60% 40% 100 C-RA ALAPELLENÁLLÁS 0 C-ON 100 100 10 ELŐNYÖK HÁTRÁNYOK - nagy vegyi ellenállóképesség - magas olvadáspont - lineáris statikus - karakterisztika - gyártása reprodukálható - drága az alapanyag - hőmérsékleti együtthatója nagyobb mint a platináé - alapanyaga olcsóbb - karakterisztikája nem lineáris - gyártása nehezen reprodukálható - karakterisztikája lineáris - olcsó - gyártása reprodukálható - oxidálódik - fajlagos ellenállása kicsi 21
II.FÉLVEZETŐ ELLENÁLLÁSHŐMÉRŐK A félvezető ellenállások anyaga korábban fémoxid kerámia volt, az anyagtechnológia fejlődésével az anyagválaszték bővült. Ide tartoznak az eredetileg nem félvezetőként ismert, szénből és más anyagokból készült villamos ellenállások, a germániumból, sziliciumból stb. készített passzív (ellenállás) és aktív (dióda) érzékelők a hőmérsékletre érzékeny karakterisztikájú tranzisztorok, sőt integrált áramkörű műveleti eszközök is. A csoport tipikus képviselője a termisztor. A legtöbb termisztor ellenállása a hőmérséklettel csökken, azaz hőmérséklettényezője negatív.(negativ Temperaturkoeffizient, NTK) A félvezető ellenállás hőmérsékletfüggésének közelítő összefüggése: ahol R a félvezető ellenállása a az anyagállandó b az energiaállandó T az abszolút hőmérséklet. R a e b T 1.ábra Félvezető ellenálláshőmérő (termisztor) statikus karakterisztikája. R: a termisztor ellenállása, a: anyagállandó, b: energiaállandó, T: abszolút hőmérséklet K. Az érzékenység: É R b 2 T Az átalakítási tényező: S b T Szokásos katalógus adat: 22
É R b T 2 Hőtechnikai laboratórium Ez a mennyiség felel meg a fémek hőmérséklettényezőjének. Erre utal a jelölés is. Az ellenállás hőmérsékletfüggését leíró egyenlet másik alakja: R R 0 e b b T T 0 ahol R 0 a T 0 hőmérsékleten mért ellenállás. A statikus karakterisztika jellegzetességei: 1. nemlineáris 2. az érzékenység negatív, tehát növekvő hőmérsékletek esetén az ellenállás csökken. A termisztorok jellemző adatai: 1. ellenállás 25 ºC-on: néhány száz - néhány száz k. 2. ellenállás 80 ºC-on: a 25 ºC-on mért érték 5-8-ad része. 3. hőmérséklettényező () 25 ºC-on -0,04...-0,15/ ºC. 4. maximális teljesítmény: néhány tíz W - néhány W. 5. időállandó: 10-2 s - néhány perc. 6. mérési tartomány: -200 ºC és +200 ºC között. A termisztorok legfőbb hibája, csak nagy szórással gyárthatók, ezért műszerekben csak hitelesítéssel cserélhetők. A hőmérsékletfüggő ellenállás, Rt mérése Az ellenállás mérésének módszerei Az ellenállás mérésére szolgáló módszerek a következő csoportba sorolhatók. a. Az ellenálláson átfolyó áram és a kapcsain észlelhető feszültségesés mérése (Volt-Amper mérés). b. Az ellenállás ismert ellenállással való összehasonlítása. Az ismert és az ismeretlen ellenállást összehasonlíthatjuk soros kapcsolásban a keletkező feszültségek mérésével, vagy párhuzamos kapcsolásban az átfolyó áramok mérésével. Az ellenállás mérésére szolgáló mérőhidak az ellenállások pontosabb összehasonlítását teszik lehetővé. c. Ohmmérők ellenállásméréshez kidolgozott olyan kapcsolások, amelyekkel az ismeretlen ellenállás értéke közvetlenül a műszerről leolvasható. 23
Bármelyik módszer szerint mérjünk is, az ismeretlen ellenálláson áram folyik keresztül. A mérés rendszerint annál érzékenyebb, és ezzel annál pontosabb, minél nagyobb az átfolyó áram. Ez az áram azonban az ellenállást melegíti, és ezzel értékét megváltoztatja. Minthogy az ellenállás a kapcsain mérhető feszültség és a rajta átfolyó áram hányadosával határozható meg, a precíziós ellenállásokon külön kapocspárt kell készíteni az áram bevezetésére (árambevezető kapcsok) és a keletkező feszültségesés letapintására (feszültségmérő kapcsok). Gyakran adódik olyan mérési feladat, ahol eredetileg nem alakítottak ki külön kapocspárokat. Ilyen esetben a mérés során mesterségesen szét kell választani az áram bevezetését és a keletkező feszültség levételét. Ellenállásmérés volt-ampermérős módszerrel 2.ábra Ohm törvénye alapján az ismeretlen ellenálláson átfolyó áram és a kapcsain mérhető feszültség ismeretében számítható az ellenállás. Kis ellenállások méréséhez a 2.ábra szerinti kapcsolást ajánlatos használni. (A hőmérsékletfüggő ellenállások ebbe a kategóriákba tartoznak.) Ha I az ampermérő által mutatott áram, és U a voltmérő által mutatott feszültség, valamint R u a voltmérő ellenállása, az ismeretlen R t ellenállás: R t U I 1 U / I 1 R u A kifejezésből látható, hogy az Ohm törvényéből számítható U/I értéket annál jobban megközelítjük, minél nagyobb a voltmérő ellenállása a mérendő ellenálláshoz képest. Ha el tudjuk érni azt, hogy a voltmérő ellenállása mintegy három nagyságrenddel nagyobb, mint a mérendő ellenállás, azaz R u 10 3 R t, akkor 0,1%-ot nem haladja meg az abból adódó hiba, hogy egyszerűen Ohm törvénnyel számolunk. 24
Ellenállás mérése a feszültségek összehasonlításával 3.ábra Az ismeretlen R t ellenállás az ismert R n ellenállással (normálellenállással) a 3.ábra kapcsolása szerint összehasonlítható úgy, hogy a két ellenállást sorbakapcsolva áramforrásra kötjük. A beiktatott ampermérővel ellenőrizni lehet azt, hogy az ellenállásokat nem terheltük -e túl, és azt hogy az áram a mérés folyamán változatlan maradt -e. Az R sz szabályozóellenállással a megfelelő áram beállítható. A feszültségmérő műszerrel mérve az R n ellenállás kapcsain az U n valamint az R t kapcsain az U t feszültséget, az ismeretlen ellenállás: U t Rt Rn U n Ha a mérésre közönséges voltmérőt használunk, alapfeltétel az, hogy a voltmérő beiktatása ne változtassa meg az áramköri viszonyokat, ami akkor teljesül, ha ellenállása legalább két nagyságrenddel nagyobb, mint a mérendő ellenállások. Ellenállásmérés Wheatstone-híddal 4.ábra 25
A mérőhidak az ismeretlen ellenállás nagypontosságú, összehasonlító jellegű mérését teszik lehetővé. A 4.ábrán a Wheatstone-híd elvi kapcsolása látható. A mérendő ellenállás az R t, a híd többi ellenállásai ismert értékűek. A hidat egyenáramú áramforrás táplálja. Ha az R N ellenállást úgy változtatjuk, hogy a B és D pontok egypotenciálúak legyenek, a hidat kiegyenlítettük. A G galvanométer a kiegyenlített állapotot jelzi. Ekkor: R t R N R R 1 2 Kiegyenlített állapotban tehát a híd ismert ellenállásaiból az ismeretlen ellenállás meghatározható. Az ellenálláshőmérők egy-egy hozzávető huzalának ellenállását R v -vel jelöljük. A huzalok ellenállása mérési hibát okoz. A pontos érték számítható: R Rt RN 1 2R R 2 v Háromvezetékes Wheatstone híd 5.ábra A háromvezetékes rendszer ( 5.ábra), esetén a megfelelően kiképzett ellenállás-hőérzékelő harmadik vezetékére kapcsoljuk a telep vezetékét, az egyenlet a következőképpen alakul: R1 R R t v R2 R R N v R t R1 R1 R 1 N Rv R2 R2 26
A vezetékellenállás hatása tehát teljesen kiesik a mérésből, ha az R 1 és R 2 ellenállások egyenlők. Az R 1 és R 2 ellenállásokat a híd arányellenállásainak nevezzük. Értékük a legtöbb hídon 1, 10, 100, 1000 ohmra beállítható, hogy így az R N érték 1/10-e, 1/100-a avagy 10, 100-szorosa stb. is mérhető legyen. Ha tehát háromvezetékes rendszert használunk, vigyáznunk kell, hogy az R 1 /R 2 viszony 1-re legyen beállítva, s a kiegyenlítő vezetékellenállás R N -nel legyen sorba kötve. Ilyenkor: R t =R N. Háromvezetékes rendszerben minden Wheatstone-híd használható, avagy erre átalakítható. Megjegyzendő, hogy a híd galvanométer- és telepkörei egymással felcserélhetők, azaz a galvanométer a telep helyére köthető és viszont. FONTOS: A pontosság előfeltétele a három vezetékellenállás egyezése. Ellenállásmérés ohmmérővel 6.ábra Ohmmérőnek nevezzük az olyan mutató műszert, ami lehetővé teszi azt, hogy a mérendő ellenállás értékét a műszer skálájáról közvetlenül leolvassuk. Állandómágneses műszerrel a 6.ábrán vázolt módon alakítanak ki soros ohmmérő kapcsolást. A kör árama: I U R b R t ahol R b -vel jelöltük a kapcsolás teljes belsőellenállását. A műszer kitérése kműszerállandó és az I áram függvénye: ki ku R b R t Ha biztosítani tudjuk azt, hogy az R b ellenállás és a tápfeszültség állandó legyen, a műszer kitérése kizárólag az R t mérendő ellenállástól függ, a skála tehát közvetlenül ennek egységeiben készíthető el. 27
Hányadosmérő műszer 7.ábra Ha az ohmmérő kapcsolását hányadosmérő műszerrel építjük fel, a telep feszültségének kisebb változásai a műszer mutatását nem befolyásolják. Állandómágneses hányadosmérővel többféle kapcsolást alakítottak ki, egyik lehetséges megoldás vázlata a 7.ábrán látható. Ha R 1 -gyel jelöljük az R t - vel sorbakapcsolt kör, és R 2 -vel az R n ismert ellenállással sorbakapcsolt kör ellenállását, a két ág árama: I 1 U R R U I 2 Rt R2 Minthogy a hányadosmérő kitérése a két tekercsben folyó áramok hányadosától függ: n és I 1 Rt R2 kf kf I 2 Rn R1 A műszer kitérése a tápfeszültségtől független, és amennyiben a kör ellenállásai állandóak, kizárólag R t -től függ. A műszer skálája közvetlenül a mérendő ellenállás egységeiben készíthető. Az ohmmérők nagy előnye, hogy a mérés egyszerűen, gyorsan végrehajtható, ezért üzemi mérésekre nagyon alkalmasak. Számolni kell azonban azzal, hogy pontosságuk meglehetősen korlátozott, rendszerint nem nagyobb néhány százaléknál, ezért inkább tájékoztató, ellenőrző mérésekre ajánlott. Az ellenálláshőmérő vezetékeinek ellenállása befolyásolja a műszer mutatását. A kalibrálásnál figyelembe kell venni. A készülék csak akkor jelez pontosan, ha a skálán megjelölt (többnyire R v -vel jelölt) vezetékellenállásra kiegészítjük a hőérzékelő vezetékeinek ellenállását. 1 28
Digitális ohmmérő Hőtechnikai laboratórium 8.ábra A 8.ábrán digitális ellenállásmérő blokkváltozata látható. A bemeneti fokozat lényegében egy R/U konverter. A bemenetén egy R t ellenállás van, a kimenetén ezzel arányos U t feszültséget szolgáltat. Az ellenállás-feszültség konverziót többféleképpen meg lehet valósítani. Az egyik legelterjedtebb megoldás, hogy áramgenerátorral tápláljuk meg a mérendő ellenállást, és mérjük a rajta eső feszültséget. Az áramgenerátor áramából és a rajta eső feszültségből a mérendő ellenállás meghatározható. A bemeneti fokozat feszültségét az A/D konverter digitális jellé alakítja. A feldolgozó egység a jelet értékeli -átalakítja a szükséges formára. Hőmérsékletméréskor a kijelzés történhet közvetlenül C- K-ben vagy a programozás szerinti más egységekben is. A vezérlő egység a mérési információt interfész egységen keresztül továbbítani tudja. Az ismertetett eljárás (ún. kétvezetékes ellenállásmérés) hátránya, hogy a hozzávezető huzalok ellenállásával többet mérünk. A pontosság javítható négyvezetékes ellenállásméréssel. 29
Négyvezetékes ellenállásmérés A négyvezetékes ellenállásmérő a bemeneti fokozatban tér el az előbbiekben ismertetett megoldástól. 9.ábra / áramgenerátor: a rákapcsolt ellenállástól függetlenül stabil és pontos áramot ad ki./ A négyvezetékes ellenállásmérés bemeneti fokozatának működése a 9.ábra alapján követhető. I + I - árambevezető kapcsokon az áramgenerátor mérőáramot hajt keresztül a rákapcsolt ellenálláson. A feszültségérzékelő kapcsokon nagy belső ellenállású (R be 10 7 ) műszerrel mérjük az R t ellenálláson eső feszültséget. R v3 és R v4 vezetékellenállások nem okoznak feszültségmérési hibát, mivel a rajtuk folyó áram rendkívül kicsi na-a nagyságrendű. R v1 és R v2 -n eső feszültséget pedig nem mérjük, mivel a feszültségérzékelő kapcsok közvetlenül az R t -n vannak elhelyezve. Az R v ellenállások értékeinek eltérése a mérés pontosságát nem befolyásolja. 30
IV. TERMOELEKTROMOS ÁTALAKÍTÓK Hőtechnikai laboratórium Alapfogalmak, meghatározások A termoelektromos átalakítók hőmérsékletkülönbség hatására villamos feszültséget szolgáltatnak. Ezért a termoelektromos jelátalakítók aktív átalakítók. A termoelektromos átalakítók működési elvének megértéséhez: Az 1.ábrán az A és B anyagi minőségű huzalok mindkét végét érintkezésbe hoztuk. Az egyik érintkezési pont hőmérséklete: t 1 A másik érintkezési pont hőmérséklete: t 2 1.ábra Elnevezések: Az 1.ábrán látható kapcsolást termoelemnek (hőelemnek), a magasabb hőmérsékletű csatlakozási pontot melegpontnak, az alacsonyabb hőmérsékletű csatlakozási pontot hidegpontnak nevezzük. U AB (t 1 )-U AB (t 2 ) 0 Ha az érintkezési helyek különböző hőmérsékleten vannak, a két fémvezető által létrehozott áramkörben villamos áram folyik. A vezetékben keletkező elektromotoros erőt termofeszültségnek nevezzük. A termofeszültség az érintkezési helyek hőfokkülönbségétől és az alkalmazott anyagpártól függ. Adott huzalpár esetén a termofeszültség csak a hőfokkülönbség függvénye. A termofeszültség hőmérséklet függése: A 0 C-hoz viszonyított termofeszültség a következő egyenlettel adható meg: 2 3 U AB ( t,0) t t t Az érzékenység: É t t 2 3 2 Látható: Az érzékenység függ a hőmérséklettől, ennek megfelelően a termofeszültség a hőmérséklet nemlineáris függvénye. Az, és állandók meghatározása mérés utján történik. A három ismeretlen kiszámításához három pontban kell a termofeszültséget mérni. 31
1.TÁBLÁZAT Különböző fémek és ötvözetek termofeszültsége a kémiailag tiszta platinával 0 és 100C között. Bármely két fémből alkotott termoelem feszültségét a két fém táblázati feszültségének különbsége adja. Termopotenciális sor Megnevezés Jel. ill. összetétel Termoelektromos feszültség [mv] Alkalmazási hőmérsékletek [C] tartós rövid Olvadáspont [C] Alumínium Al +0,40 658 Alumel 95% -1,02-1,38 1000 1250 1450 Ni+5%(Al, Si, Mg) Iridium Ir +0,65 1200 1800 2350 Kadmium Cd +0,90 321 Kobalt Co -1,68-1,76 1490 Konstantán 60%Cu+40%Ni -3,5 600 800 1250 Kopel 56%Cu+44%Ni -4,0 600 800 1250 Kromel 90%Ni+10%Cr -2,71-3,13 1000 1250 1450 Manganin 84%Cu+13%Mn+2 +0,8 910 %Ni+1%Fe Nikkel Ni -1,50-1,54 800 1100 1452 Nikróm 80%Ni+20%Cr +1,5 +2,5 1000 1100 1500 Platina Pt 0,000 1300 1600 1770 Platinairidium 90%Pt+10%Ir +1,3 1000 1200 Platinaródium 90%Pt+10%Rh +0,64 1300 1600 Réz (tiszta) Cu +0,76 350 500 1083 Réz Cu +0,75 350 500 Ródium Rh +0,64 1967 Szén (grafit) C +0,25 2000 2500 3570 Szilicium Si +44,8 1420 Tellur Te +50,0 350 Vas (tiszta) Fe +1,80 600 800 1530 Vas Fe +1,87 600 800 1400 Wolfram W +0,79 2000 2500 3400 A termoelemek készítését és használatát meghatározó törvények: 1. Homogén áramkörök törvénye: Termoelektromosan egynemű fémekből álló áramkörben csak a hőmérsékletkülönbség hatására nem keletkezik termofeszültség. A termofeszültség csak a választott anyagpártól és a csatlakozási pontok hőmérséklet különbségétől függ. A vezeték mentén kialakuló hőmérsékleteloszlástól független. 32
2. Közbenső vezetők törvénye: Ha a két vezető közé egy vagy több közbenső, fémet építünk, s a csatlakozások hőmérséklete azonos és állandó, akkor a közbenső fém jelenléte nem befolyásolja a termofeszültséget. Ezt nevezik úgy, hogy termikus rövidzár. A törvény megértését egy egyszerű példával szemléltetjük: 2.ábra Ebből a tételből két fontos méréstechnikai következtetés adódik: 1. Termoelemek gyártásakor a termoelemet képező anyagok csatlakozási pontja forrasztható (3.ábra) 2. Ha a termofeszültség mérésére használt mérőműszer termikus rövidzár, akkor a műszer anyaga (kapcsok, tekercs stb.) nem befolyásolja a termofeszültség nagyságát. A termofeszültség mérésének legegyszerűbb módját a 3.ábrán látjuk. 3. Közbenső hőmérsékletek törvénye: A több különböző homogén fémet tartalmazó áramkörben létrejövő termoelektromos erők algebrai összege a csatlakozási pontok hőmérsékletének függvénye. Ha a hőmérséklet nem állandó másodlagos (parazita) feszültségek keletkeznek. Járulékos termofeszültség nem keletkezik, ha az inhomogenitásos szakaszok végpontjai azonos hőmérsékleten vannak A termoelemes körben folyó áram hatásai: 1. Az ellenállások (a huzalok és a műszer) melegednek (Joule-hatás). 2. Az érintkezési pontok hőmérséklete úgy változik, hogy az a termofeszültséget létrehozó hőmérséklet különbséget csökkenteni igyekszik (Peltier-hatás). A Peltier-hatás azt jelenti, hogy a melegebb érintkezési pont lehűl, a hidegebb érintkezési pont felmelegszik. Az áram fenti hatásai mérési hibát okoznak, ezért pontos mérésnél törekedni kell az áram csökkentésére. Az áram csökkenthető: a. nagy belső ellenállású műszer alkalmazásával, b. kompenzációs feszültség-mérési módszerekkel. A termoelemek anyagai: fém, félvezető. 33
A gyakorlatban ma fémekből készült termoelemeket használnak. Az anyagkiválasztás fő szempontjai: 1. lehetőleg nagy érzékenység 2. széles alkalmazási hőmérséklettartomány 3. korrózióállóság 4. stabil és reprodukálható mérés biztosítása. A fémek kiválasztását megkönnyíti az úgynevezett termopotenciál-sor ismerete. A termopotenciál-sort az egyes fémek és a tiszta platina között fellépő termofeszültség alapján állították fel. A 1.táblázatban az egyes anyagok és a platina között 0C-100C hőmérsékletkülönbség hatására fellépő termofeszültségeket találjuk. A termoelemek által szolgáltatott feszültség: néhány mv/100 C. A termoelemek belső ellenállás: néhány ohm. Szabvány szerint: A termoelemes körök meleg ellenállását ellenállással 20 ohmra kell beállítani. a műszer felől nézve kiegészítő A félvezető anyagokból, valamint a fém-félvezető kombinációkból felépített termoelemek nagy előnye, hogy érzékenységük jóval nagyobb (~10 szerese), mint a fémből készült termoelemeké, de nemlineárisak nem eléggé stabilak. A leggyakrabban használt termoelem anyagpárosításokat és jelölésüket a 2. táblázatban foglaltuk össze. 2. TÁBLÁZAT TIPUS TERMOELEM ALKALMAZÁSI TARTOMÁNY C TERMOFESZÜLTSÉG 100C-ra mv T Cu-Ko -200...600 4,25 J Fe-Ko -200...900 5,37 K NiCr-Ni -200...1200 4,04 S PtRh-Pt 0...1500 0,64 Ko=Konstantán (60% Cu+40% Ni) A meleg ellenállás a felmelegedett huzal ellenállása, ami -természetesen- nagyobb, mint a hidegellenállás. A huzalok hővezetőképessége következtében ugyanis mérés alatt a termoelem anyaga felmelegszik 34
A termoelemes (hőelemes) mérőkör elemei: 3.ábra 1. Hőelem-huzalpár (pozitív és negatív szál) 2. Érzékelési pont 3. Csatlakozási hely 4. Kompenzációs vezeték (pozitív és negatív szál) 5. Hidegpont 6. Mérővezeték 7. Vezetékkiegészítő ellenállás 8. Jelfeldolgozó egység (mérő-, regisztráló-, szabályozóműszer, távadó stb.) A termoelemek alkalmazásának méréstechnikai problémái A hidegpont hőmérsékletének változása. A mérendő "melegponti" hőmérsékletet mindig a hidegponti hőmérséklethez viszonyítva tudjuk csak mérni, ezért a hidegponti hőmérsékletet állandó értéken kell tartani. Mivel a hidegponti hőmérséklet változása mérési hibát okoz, biztosítani kell, hogy a hidegponti hőmérséklet változása elhanyagolható legyen. A hidegpontot a mérés helyétől távol, külön műszerszobában, stabilizáltan szokták kialakítani. Ezekben az esetekben problémát okozhatnak a hosszú összekötő vezetékek. Ilyenkor kompenzáló vezetéket alkalmazunk. A kompenzáló vezeték olyan ötvözött anyagpár, melynek termoelektromos tulajdonságai 0-200 C között megegyeznek a termoelemével. Olyan olcsó, kis fajlagos ellenállású anyagból készül, amely nem hoz létre inhomogenitást, termoelektromos szempontból, vagyis járulékos termoelem nem jön létre. A kompenzáló vezetéket bevezetjük a kis hőmérséklet ingadozású mérőhelyiségbe, s ott alakítjuk ki a hidegpontot. A hidegpont után rézvezetékkel köthetjük be a mérőműszert. Dinamikus tulajdonságok A termoelemek -kis tömegük miatt- önmagukban kedvező dinamikai tulajdonságokkal rendelkeznek: időállandójuk néhány másodperc. Alkalmazásokban a termoelemet -a külső hatások elleni védelem 35
érdekében- védőszerelvényekben helyezik el. A védőszerelvények jelentősen megváltoztatják a termoelemek kedvező dinamikai tulajdonságait. Megállapítjuk: A védőszerelvénybe helyezett termoelemes mérés dinamikai tulajdonságait alapvető módon a védőszerelvény kialakítása határozza meg. A termofeszültség mérési módszerei A termoelemek általában csekély feszültséget szolgáltatnak, ezért mérésükhöz igen érzékeny műszerekre van szükség. Három alapvető eljárást különböztetünk meg: Feszültségmérés állandó mágneses műszerrel (Deprez-rendszerű milivoltmérők) Az állandómágneses voltmérős mérőműszer általában áramot mér, a 3.ábra szerinti elrendezésben. Ha a kör ellenállása állandó, a műszer árama azonos a feszültséggel. A műszer kitérése: k U a kitérés, k arányossági tényező, U mérendő feszültség. A termoelem elektromos ereje U, összellenállása R. A műszer belső ellenállása R M. A körben folyó áram: U I R A műszer kapcsain létrejövő feszültség: R M RM R U M U U R RM R RM A műszerre tehát kisebb feszültség jut, mint az elektromotoros erő. U Ha RR M, akkor U M ~U A hiba csökkenthető, ha a műszer skálázásánál egy meghatározott vezetékellenállást veszünk figyelembe. Értékét a skálán feltüntetik (R v ). A magyar gyártmányú műszereknél ez rendszerint 20, de szokásos kisebb érték is. Feszültségmérés egyenáramú kompenzátorral Valamely ismeretlen U feszültség mérhető úgy, hogy vele ismert értékű U k feszültséget kapcsolunk szembe (4.ábra). Az U k feszültséget a kompenzátor szolgáltatja. A feszültségek egyenlősége esetén a közbeiktatott érzékeny galvanométer nem jelez áramot. Áram nem folyik, olyan mintha a kompenzátor végtelen nagy ellenállású lenne. A kompenzátorok legfőbb elnőnye, hogy a feszültséget terhelés nélkül mérik. 36
4.ábra A kompenzáló U k feszültséget a kompenzátorok mindegyike ismert ellenálláson átfolyó ismert áram által létesített feszültségeséssel állítja elő. Az egyik legegyszerűbb kompenzációs kapcsolás (5.ábra) a Lindeck-Rothe kompenzátor. 5.ábra Az U k kompenzáló feszültséget R N etalonellenálláson állítják elő, R sz szabályozható ellenállás segítségével. Amikor a galvanométer nullát jelez, a termoelem elektromotoros ereje megegyezik az R N etalonellenálláson eső feszültséggel. Digitális feszültségmérők 6.ábra 37
Korszerű digitális egyenfeszültségmérő (DVM) blokkvázlata látható a 6.ábrán. A termoelem feszültségét a bemenő fokozat fogadja. A fokozat lényeges eleme a bemenő erősítő. Az erősítő bemeneti impedanciája 10 7-10 12 nagyságrendű lehet. Ez annyira kis bemeneti áramot jelent, hogy gyakorlatilag elhanyagolható, a termoelem elektromotoros erejét tudjuk mérni. A bemenő erősítő erősítését a mérendő feszültség függvényében a vezérlő egység állítja be. A bementei egység kimenő jelét az analóg-digitális átalakító alakítja át digitális információvá. A vezérlő egység a jelet feldolgozza és továbbítja a kijelző, és más egységek felé. A vezérlő egység ismeri a különböző termoelem karakterisztikákat, s így hőmérsékletre konvertálva adja tovább a mérési értéket. Az elérhető pontosság jelenleg 0,001% 1 digit. 38
Fogalomgyűjtemény Ez a fogalomgyűjtemény a mérésügyi adatbázisban alkalmazott, nem közismert fogalmakat ábécésorrendben tartalmazza, és azokra közérthető, rövid meghatározásokat ad. A metrológiai szakkifejezések az "Alapvetõ metrológiai fogalmak nemzetközi értelmező szótára" (International Vocabulary of basic and general terms in metrology) 1993. évi kiadásán és a mérésügyi értelmező szótár (Vocabulary of legal metrology) fogalmain alapulnak. A akkreditálás annak a hivatalos elismerése, hogy a laboratórium (szervezet) bizonyos szolgáltatás teljesítésére megfelelõen felkészült akkreditálási okirat dokumentum, amely tartalmazza az akkreditált státusz fennállását és azt a területet, amire az akkreditálás vonatkozik akkreditált kalibrálólaboratórium kalibrálólaboratórium, melyet a Metrológiai Akkreditáló Bizottság akkreditált alkalmazott metrológia átszármaztatás a mérések gyakorlati elvégzéséhez kapcsolódó metrológiai tevékenység összehasonlító mérés vagy mérések sorozata, amellyel a mértékegység és a mérési pontosság az etanolról a használati mérőeszközre ismert vagy elõirt bizonytalansággal átvihető 39