Měření teploty: Porovnání verzí
| Řádek 71: | Řádek 71: | ||
|} | |} | ||
V inženýrské praxi je důležité nejen správně rozhodnout o vhodném typu teploměru, ale je nutno zabudovat teploměr tak, aby správně měřil a aby byly eliminovány nebo potlačeny rušivé vlivy na jeho údaj. | V inženýrské praxi je důležité nejen správně rozhodnout o vhodném typu teploměru, ale je nutno zabudovat teploměr tak, aby správně měřil a aby byly eliminovány nebo potlačeny rušivé vlivy na jeho údaj. | ||
| − | = Teploměry dilatační = | + | = Teploměry dilatační =<p class="S-odstavec">Tyto teploměry využívají objemové nebo délkové roztažnosti plynných, kapalných i tuhých látek. Měření teploty se převádí na měření tlaku, objemu nebo délky.</p> |
| − | <p class="S-odstavec">Tyto teploměry využívají objemové nebo délkové roztažnosti plynných, kapalných i tuhých látek. Měření teploty se převádí na měření tlaku, objemu nebo délky.</p> | ||
| − | == Teploměry plynové == | + | == Teploměry plynové ==<p class="S-odstavec">Teploměry plynové využívají toho, že tlak plynu za stálého objemu je přímo úměrný teplotě</p><p class="S-odstavec">eq. 4.17</p><p class="S-odstavec">Teploměr sestává z vlastního čidla - jímky (kovová banička válcového tvaru o objemu 100 až 500 cm<sup>3</sup>), dále ze spojovací kapiláry a měřicího ústrojí, které tvoří obvykle deformační tlakoměr. Nejčastější náplní je dusík, hélium nebo vzduch. Rozsah použití je od -50 °C do +500 °C. Jako provozních teploměrů se jich nepoužívá.</p> |
| − | <p class="S-odstavec">Teploměry plynové využívají toho, že tlak plynu za stálého objemu je přímo úměrný teplotě</p> | + | == Teploměry tenzní == |
| − | <p class="S-odstavec">eq. 4.17</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">Teploměr sestává z vlastního čidla - jímky (kovová banička válcového tvaru o objemu 100 až 500 cm<sup>3</sup>), dále ze spojovací kapiláry a měřicího ústrojí, které tvoří obvykle deformační tlakoměr. Nejčastější náplní je dusík, hélium nebo vzduch. Rozsah použití je od -50 °C do +500 °C. Jako provozních teploměrů se jich nepoužívá.</p> | ||
| − | |||
využívají závislosti mezi teplotou a rovnovážným tlakem v soustavě o jedné složce a dvou fázích: kapalina - pára. Závislost tenze par na teplotě je možno popsat rovnicí | využívají závislosti mezi teplotou a rovnovážným tlakem v soustavě o jedné složce a dvou fázích: kapalina - pára. Závislost tenze par na teplotě je možno popsat rovnicí | ||
| Řádek 86: | Řádek 82: | ||
Tenzní teploměr se skládá z jímky, spojovací kapiláry a tlakoměrného ústrojí. Čidlem je jímka - banička malého objemu, do které zasahuje až ke dnu spojovací kapilára (obr. 4.26). Banička je zaplněna kapalinou jen zčásti, prostor kapiláry a deformačního tlakoměru jsou zcela vyplněny kapalinou. Množství náplně v baničce je odměřeno tak, že při vzrůstu teploty k maximální hodnotě se vypaří všechna kapalina, tlak již dále neroste exponenciálně, ale pouze lineárně a nedojde k poškození tlakoměru. | Tenzní teploměr se skládá z jímky, spojovací kapiláry a tlakoměrného ústrojí. Čidlem je jímka - banička malého objemu, do které zasahuje až ke dnu spojovací kapilára (obr. 4.26). Banička je zaplněna kapalinou jen zčásti, prostor kapiláry a deformačního tlakoměru jsou zcela vyplněny kapalinou. Množství náplně v baničce je odměřeno tak, že při vzrůstu teploty k maximální hodnotě se vypaří všechna kapalina, tlak již dále neroste exponenciálně, ale pouze lineárně a nedojde k poškození tlakoměru. | ||
| − | == Teploměry kapalinové == | + | == Teploměry kapalinové ==<p class="S-odstavec">jsou založeny na měření změn objemu kapaliny s teplotou. Běžné jsou skleněné teploměry, nejčastěji plněné rtutí. Jsou jednoduché, spolehlivé, přesné a levné. Jejich nevýhodou, hlavně z provozního hlediska je křehkost a někdy i špatná čitelnost a obtížnost dálkového přenosu údaje. Snímač pro provozní použití je kovový a tvoří jej nádobka, spojovací kapilára a deformační tlakoměr. Nádobka je obvykle válcového tvaru o průměru asi 15 mm a délce 100 až 200 mm, někdy bývá ve tvaru šroubovice. Spojovací kapilára má vnitřní průměr 0,1 až 0,35 mm. Celý systém je zcela vyplněn kapalinou a uzavřen. Změna objemu kapaliny s teplotou působí deformaci deformačního prvku tlakoměru. Pro změnu objemu kapalin s teplotou platí</p> |
| − | <p class="S-odstavec">jsou založeny na měření změn objemu kapaliny s teplotou. Běžné jsou skleněné teploměry, nejčastěji plněné rtutí. Jsou jednoduché, spolehlivé, přesné a levné. Jejich nevýhodou, hlavně z provozního hlediska je křehkost a někdy i špatná čitelnost a obtížnost dálkového přenosu údaje. Snímač pro provozní použití je kovový a tvoří jej nádobka, spojovací kapilára a deformační tlakoměr. Nádobka je obvykle válcového tvaru o průměru asi 15 mm a délce 100 až 200 mm, někdy bývá ve tvaru šroubovice. Spojovací kapilára má vnitřní průměr 0,1 až 0,35 mm. Celý systém je zcela vyplněn kapalinou a uzavřen. Změna objemu kapaliny s teplotou působí deformaci deformačního prvku tlakoměru. Pro změnu objemu kapalin s teplotou platí</p> | ||
eq. 4.19 | eq. 4.19 | ||
| − | kde je ''V''<span></span><span style="font-family: Symbol;" ><sub><span>J</span></sub></span> , ''V''<sub>0</sub> objem kapaliny při teplotách <span style="font-family: Symbol;" >J</span> resp. 0 °C, <span style="font-family: Symbol;" ><span>b</span> </span>teplotní součinitel objemové roztažnosti (pohybuje se v rozmezí 1.10<sup>-4</sup> K<sup>-1</sup> až 16.10<sup>-4</sup> K<sup>-1</sup>). | + | kde je ''V''<span></span><span style="font-family: Symbol;"><sub><span>J</span></sub></span> , ''V''<sub>0</sub> objem kapaliny při teplotách <span style="font-family: Symbol;">J</span> resp. 0 °C, <span style="font-family: Symbol;"><span>b</span> </span>teplotní součinitel objemové roztažnosti (pohybuje se v rozmezí 1.10<sup>-4</sup> K<sup>-1</sup> až 16.10<sup>-4</sup> K<sup>-1</sup>). |
Uspořádání kapalinového teploměru s kompenzační kapilárou je zřejmé z obr. 4.27. Náplní bývá nejčastěji rtuť (-30 až +500 °C), xylen (-40 až +400 °C), metanol (-40 až +150 °C) a další. Výhodou těchto teploměrů je značná přestavná síla a lineární závislost údaje na teplotě. Určitou nevýhodou kapalinových teploměr je vliv kolísání teploty okolí na výstupní signál. Při změnách teploty okolí kapiláry a tlakoměru dochází rovněž ke změnám objemu kapaliny. V praxi se k odstranění této závislosti používá tzv. kompenzační kapiláry, která je uložena paralelně, není však zakončena jímkou. Teploměr má dva shodné systémy, a to měřicí a kompenzační, které působí proti sobě. Přitom je kompenzován i případný vliv nestejné výšky umístění čidla a tlakoměru. | Uspořádání kapalinového teploměru s kompenzační kapilárou je zřejmé z obr. 4.27. Náplní bývá nejčastěji rtuť (-30 až +500 °C), xylen (-40 až +400 °C), metanol (-40 až +150 °C) a další. Výhodou těchto teploměrů je značná přestavná síla a lineární závislost údaje na teplotě. Určitou nevýhodou kapalinových teploměr je vliv kolísání teploty okolí na výstupní signál. Při změnách teploty okolí kapiláry a tlakoměru dochází rovněž ke změnám objemu kapaliny. V praxi se k odstranění této závislosti používá tzv. kompenzační kapiláry, která je uložena paralelně, není však zakončena jímkou. Teploměr má dva shodné systémy, a to měřicí a kompenzační, které působí proti sobě. Přitom je kompenzován i případný vliv nestejné výšky umístění čidla a tlakoměru. | ||
| Řádek 101: | Řádek 96: | ||
eq. 4.20 | eq. 4.20 | ||
| − | kde <span style="font-family: Symbol;" ><span>a</span></span>''<sub><span>AB</span></sub>'''' ''je koeficient závislý na materiálech použitých kovů, přičemž platí, že <span><span style="font-family: Symbol;" >a</span>''<sub>AB</sub>''</span> = - <span><span style="font-family: Symbol;" >a</span></span>''<span><sub>BA</sub></span>'' . | + | kde <span style="font-family: Symbol;"><span>a</span></span>''<sub><span>AB</span></sub>'''' ''je koeficient závislý na materiálech použitých kovů, přičemž platí, že <span><span style="font-family: Symbol;">a</span>''<sub>AB</sub>''</span> = - <span><span style="font-family: Symbol;">a</span></span>''<span><sub>BA</sub></span>'' . |
Rovnice (4.20) platí pro úzký rozsah teplot. Pro přesnější vyjádření závislosti se používá vztahu | Rovnice (4.20) platí pro úzký rozsah teplot. Pro přesnější vyjádření závislosti se používá vztahu | ||
| Řádek 109: | Řádek 104: | ||
kde ''n'' je rovno 2 až 14 podle požadované přesnosti rozsahu teplot a typu termoelektrického článku. | kde ''n'' je rovno 2 až 14 podle požadované přesnosti rozsahu teplot a typu termoelektrického článku. | ||
| − | Materiál na výrobu termoelektrických článků má vykazovat pokud možno velký a lineární přírůstek ''E'' v závislosti na teplotě, stabilitu údaje při dlouhodobém provozu a odolnost proti chemickým a mechanickým vlivům. Páry materiálů pro vytvoření termočlánků jsou normalizovány. Označení jednotlivých termočlánků se provádí velkými písmeny. Pro průmyslové použití je nejrozšířenější termočlánek typu J (železo-měďnikl) pro rozsah teplot od -200 do +600 °C. Pro vyšší teploty se používá termoelektrický článek typu K (niklchrom-niklhliník) v rozsahu od -50 do 1 000 °C. Termoelektrický článek typu S (platinarhodium-platina) se používá v rozsahu od 0 do +1 300 °C. Přehled vlastností vybraných termočlánků je uveden v tab. 8.2, hodnoty termoelektrických napětí jsou zřejmé z charakteristik na obr. 4.29. | + | Materiál na výrobu termoelektrických článků má vykazovat pokud možno velký a lineární přírůstek ''E'' v závislosti na teplotě, stabilitu údaje při dlouhodobém provozu a odolnost proti chemickým a mechanickým vlivům. Páry materiálů pro vytvoření termočlánků jsou normalizovány. Označení jednotlivých termočlánků se provádí velkými písmeny. Pro průmyslové použití je nejrozšířenější termočlánek typu J (železo-měďnikl) pro rozsah teplot od -200 do +600 °C. Pro vyšší teploty se používá termoelektrický článek typu K (niklchrom-niklhliník) v rozsahu od -50 do 1 000 °C. Termoelektrický článek typu S (platinarhodium-platina) se používá v rozsahu od 0 do +1 300 °C. Přehled vlastností vybraných termočlánků je uveden v tab. 8.2, hodnoty termoelektrických napětí jsou zřejmé z charakteristik na obr. 4.29.<p class="S-odstavec">Tab. 4.29</p><p class="S-odstavec">Nejjednodušší uspořádání obvodu termoelektrického snímače je naznačeno na obr. 4.30 vlevo. Obvod se skládá ze dvou kovových vodičů A a B navzájem spolu spojených. Jeden z bodů spojení označujeme jako '''měřicí spoj''', druhý jako '''srovnávací spoj'''. Pro správnou funkci snímače je nezbytné, aby teplota srovnávacího spoje ''J<sub>o</sub>'' byla konstantní, nebo aby vliv termoelektrického napětí tohoto spoje byl kompenzován. Chceme-li změřit velikost termoelektrického napětí, musíme zapojit do obvodu snímače měřicí přístroj buď tak, že rozpojíme srovnávací spoj (obr. 4.30 uprostřed) nebo tak, že zapojíme měřidlo do jedné přerušené větve termočlánku (obr. 4.30 vpravo).</p><p class="S-odstavec">Obr 4.30</p><p class="S-odstavec">Obě připojovací svorky měřidla musí mít stejnou teplotu, aby při zapojení měřidla do obvodu nedošlo ke změně termoelektrického napětí. Při praktické realizaci termočlánku se setkáváme s tím, že mezi měřicí přístroj a vlastní termočlánek je zařazeno ještě spojovací vedení, u kterého se velikost odporu upravuje vyrovnávacím (justačním) odporem na stanovenou hodnotu (obvykle 20 W) (obr. 4.31).</p><p class="S-odstavec">Měřicí spoj termočlánku, vyrobeného z kovů A a B má teplotu ''J'', srovnávací spoj má teplotu ''<span>J</span>''<sub>o</sub>. Propojení s měřicím přístrojem je provedeno vodičem C a D, přičemž svorky měřicího přístroje mají teplotu ''<span>J</span>''<sub>1</sub>. S použitím 2. Kirchhoffova zákona můžeme psát pro napětí termočlánku vztah:</p><p class="S-odstavec">eq.4.22</p><p class="S-odstavec">Dále platí</p><p class="S-odstavec">eq. 4.23</p><p class="S-odstavec">Uvažujeme-li, že ''<span>J</span> = ''''<span>J</span>''<sub>o</sub>, pak ''E = 0'' a platí</p><p class="S-odstavec">eq. 4.24</p><p class="S-odstavec">Po dosazení vztahů (8.7) a (8.8) do vztahu (8.6) dostaneme</p><p class="S-odstavec">eq. 4.25</p><p align="left">Z rovnice vyplývá již dříve uvedené tvrzení, že teplotu srovnávacího spoje je nutno udržovat konstantní, anebo člen ''-a<sub>AB</sub>(J<sub>o</sub>)'' vhodně kompenzovat. Na počtu dalších přídavných spojů nezáleží.</p><p align="left">Vliv kolísání teploty srovnávacího spoje lze vyloučit umístěním srovnávacích spojů do termostatu (v laboratoři při 0 °C, u průmyslových aplikací při 50 °C) nebo použitím kompenzačních obvodů. U číslicových měřicích systémů se nejčastěji používá tzv. <u>izotermické svorkovnice</u>, jejíž teplota se snímá např. polovodičovým odporovým teploměrem. Příslušná korekce se vyhodnotí číslicově.</p><p align="left">Užití termočlánků je zvlášť vhodné při monitorování velkého množství měřicích míst. V těchto případech lze použít i různých typů termočlánků, jejichž srovnávací spoje jsou připojeny k izotermické svorkovnici. Kompenzace vlivu změn teploty srovnávacího spoje se provádí softwarově s využitím počítače (obr. 4.32). Počítač řídí vyhodnocování signálu a prostřednictvím multiplexoru i sériové snímání údajů z jednotlivých míst. Multiplexer představuje vlastně mnohapolohový přepínač, který zajišťuje postupné připojování jednotlivých termočlánků k vyhodnocovacímu zařízení. Jistou nevýhodou tohoto uspořádání je delší čas potřebný pro zpracování údajů. Při požadavku rychlé odezvy je nutno použít hardwerové kompenzace speciální pro každý termočlánek.</p> |
| − | <p class="S-odstavec">Tab. 4.29</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">Nejjednodušší uspořádání obvodu termoelektrického snímače je naznačeno na obr. 4.30 vlevo. Obvod se skládá ze dvou kovových vodičů A a B navzájem spolu spojených. Jeden z bodů spojení označujeme jako '''měřicí spoj''', druhý jako '''srovnávací spoj'''. Pro správnou funkci snímače je nezbytné, aby teplota srovnávacího spoje ''J<sub>o</sub>'' byla konstantní, nebo aby vliv termoelektrického napětí tohoto spoje byl kompenzován. Chceme-li změřit velikost termoelektrického napětí, musíme zapojit do obvodu snímače měřicí přístroj buď tak, že rozpojíme srovnávací spoj (obr. 4.30 uprostřed) nebo tak, že zapojíme měřidlo do jedné přerušené větve termočlánku (obr. 4.30 vpravo).</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">Obr 4.30</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">Obě připojovací svorky měřidla musí mít stejnou teplotu, aby při zapojení měřidla do obvodu nedošlo ke změně termoelektrického napětí. Při praktické realizaci termočlánku se setkáváme s tím, že mezi měřicí přístroj a vlastní termočlánek je zařazeno ještě spojovací vedení, u kterého se velikost odporu upravuje vyrovnávacím (justačním) odporem na stanovenou hodnotu (obvykle 20 W) (obr. 4.31).</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">Měřicí spoj termočlánku, vyrobeného z kovů A a B má teplotu ''J'', srovnávací spoj má teplotu ''<span>J</span>''<sub>o</sub>. Propojení s měřicím přístrojem je provedeno vodičem C a D, přičemž svorky měřicího přístroje mají teplotu ''<span>J</span>''<sub>1</sub>. S použitím 2. Kirchhoffova zákona můžeme psát pro napětí termočlánku vztah:</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">eq.4.22</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">Dále platí</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">eq. 4.23</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">Uvažujeme-li, že ''<span>J</span> = ''''<span>J</span>''<sub>o</sub>, pak ''E = 0'' a platí</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">eq. 4.24</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">Po dosazení vztahů (8.7) a (8.8) do vztahu (8.6) dostaneme</p> | ||
| − | <p class="S-odstavec">eq. 4.25</p> | ||
| − | <p align="left">Z rovnice vyplývá již dříve uvedené tvrzení, že teplotu srovnávacího spoje je nutno udržovat konstantní, anebo člen ''-a<sub>AB</sub>(J<sub>o</sub>)'' vhodně kompenzovat. Na počtu dalších přídavných spojů nezáleží.</p><p align="left">Vliv kolísání teploty srovnávacího spoje lze vyloučit umístěním srovnávacích spojů do termostatu (v laboratoři při 0 °C, u průmyslových aplikací při 50 °C) nebo použitím kompenzačních obvodů. U číslicových měřicích systémů se nejčastěji používá tzv. <u>izotermické svorkovnice</u>, jejíž teplota se snímá např. polovodičovým odporovým teploměrem. Příslušná korekce se vyhodnotí číslicově.</p><p align="left">Užití termočlánků je zvlášť vhodné při monitorování velkého množství měřicích míst. V těchto případech lze použít i různých typů termočlánků, jejichž srovnávací spoje jsou připojeny k izotermické svorkovnici. Kompenzace vlivu změn teploty srovnávacího spoje se provádí softwarově s využitím počítače (obr. 4.32). Počítač řídí vyhodnocování signálu a prostřednictvím multiplexoru i sériové snímání údajů z jednotlivých míst. Multiplexer představuje vlastně mnohapolohový přepínač, který zajišťuje postupné připojování jednotlivých termočlánků k vyhodnocovacímu zařízení. Jistou nevýhodou tohoto uspořádání je delší čas potřebný pro zpracování údajů. Při požadavku rychlé odezvy je nutno použít hardwerové kompenzace speciální pro každý termočlánek.</p> | ||
Obr. 4.32<p align="left">Provedení termoelektrického snímače pro provozní aplikace je patrné z obr. 4.32. Termoelektrický snímač teploty je vlastně termoelektrický článek, umístěný v ochranné armatuře, která zabraňuje jeho mechanickému poškození a chrání jej před nepříznivými fyzikálními a chemickými vlivy. Vlastní termoelektrický článek je vložen do stonkové trubky zakončené přírubou, na které je svorkovnice s připojenými vývody termočlánku. Materiál vnější ochranné trubky je různý podle charakteru prostředí a velikosti měřené teploty. Ochranná jímka chrání teploměr před nepříznivými účinky prostředí, zhoršuje však jeho dynamické vlastnosti.</p> | Obr. 4.32<p align="left">Provedení termoelektrického snímače pro provozní aplikace je patrné z obr. 4.32. Termoelektrický snímač teploty je vlastně termoelektrický článek, umístěný v ochranné armatuře, která zabraňuje jeho mechanickému poškození a chrání jej před nepříznivými fyzikálními a chemickými vlivy. Vlastní termoelektrický článek je vložen do stonkové trubky zakončené přírubou, na které je svorkovnice s připojenými vývody termočlánku. Materiál vnější ochranné trubky je různý podle charakteru prostředí a velikosti měřené teploty. Ochranná jímka chrání teploměr před nepříznivými účinky prostředí, zhoršuje však jeho dynamické vlastnosti.</p> | ||
| Řádek 133: | Řádek 115: | ||
Obr. 4.36<p align="left"><u>Celková chyba</u> při měření teploty s termoelektrickými snímači bude ovlivněna:</p><p class="S-normln">'''a)''' velikostí odporu vyhodnocovacího přístroje,</p><p class="S-normln">'''b)''' nesprávným vyrovnáním odporu vedení,</p><p class="S-normln">'''c)''' změnou odporu vedení vlivem teploty,</p><p class="S-normln">'''d)''' základní chybou vyhodnocovacího přístroje,</p><p class="S-normln">'''e)''' chybou termočlánku (odchylka od normalizované cejchovní řady),</p><p class="S-normln">'''f)''' chybou kompenzačního vedení u termočlánku z drahých kovů,</p><p class="S-normln">'''g)''' nedokonalou kompenzací teploty srovnávacího spoje.</p><p class="S-normln">Při užití kompenzačních měřicích metod se neuplatní vlivy a), b), c).</p><p align="left">Termočlánek používaný pro provozní měření by měl být pravidelně kontrolován v intervalu 1 až 1,5 roku. V některých případech je zapotřebí umožnit výměnu termočlánku i během provozu technologického zařízení. Pro kontrolu měřicího řetězce pro vyhodnocování signálu termočlánků slouží přenosná kalibrační zařízení, která mohou měřit velikost signálu i simulovat termočlánkové signály. Pro zjištění stavu termočlánkového snímače lze s výhodou využít měření jeho elektrického odporu. Nízká hodnota odporu obecně indikuje uspokojivý stav, zatímco vysoký odpor může signalizovat konec životnosti termočlánku.</p> | Obr. 4.36<p align="left"><u>Celková chyba</u> při měření teploty s termoelektrickými snímači bude ovlivněna:</p><p class="S-normln">'''a)''' velikostí odporu vyhodnocovacího přístroje,</p><p class="S-normln">'''b)''' nesprávným vyrovnáním odporu vedení,</p><p class="S-normln">'''c)''' změnou odporu vedení vlivem teploty,</p><p class="S-normln">'''d)''' základní chybou vyhodnocovacího přístroje,</p><p class="S-normln">'''e)''' chybou termočlánku (odchylka od normalizované cejchovní řady),</p><p class="S-normln">'''f)''' chybou kompenzačního vedení u termočlánku z drahých kovů,</p><p class="S-normln">'''g)''' nedokonalou kompenzací teploty srovnávacího spoje.</p><p class="S-normln">Při užití kompenzačních měřicích metod se neuplatní vlivy a), b), c).</p><p align="left">Termočlánek používaný pro provozní měření by měl být pravidelně kontrolován v intervalu 1 až 1,5 roku. V některých případech je zapotřebí umožnit výměnu termočlánku i během provozu technologického zařízení. Pro kontrolu měřicího řetězce pro vyhodnocování signálu termočlánků slouží přenosná kalibrační zařízení, která mohou měřit velikost signálu i simulovat termočlánkové signály. Pro zjištění stavu termočlánkového snímače lze s výhodou využít měření jeho elektrického odporu. Nízká hodnota odporu obecně indikuje uspokojivý stav, zatímco vysoký odpor může signalizovat konec životnosti termočlánku.</p> | ||
| − | = Odporové teploměry = | + | = = Odporové teploměry = = |
Verze z 29. 3. 2024, 09:54
Úvod
Teplota je jednou z nejdůležitějších veličin ovlivňující téměř všechny stavy a procesy v přírodě. Při měření teploty J měříme obecně jinou veličinu A, která je na teplotě závislá podle určitého vztahu A = f(J), který jsme schopni vyčíslit. K měření teploty se využívá celé řady funkčních principů, jejichž přehled je uveden v tabulce.
| Skupina teploměrů | Typ teploměru | Fyzikální princip | Teplotní rozsah |
| dilatační teploměry |
plynový tenzní kapalinový kovový |
změna tlaku změna tenze par změna objemu délková roztažnost |
- 5 ... +500 -40 ... +400 -200 ... +750 0 ... +900 |
| elektrické teploměry |
termoelektrické odporové kovové odporové polovodičové diodové |
termoelektrický jev změna elektrického odporu změna elektrického odporu změna prahového napětí |
|
| speciální teploměry |
|
|
|
| bezdotykové teploměry |
|
|
|
V inženýrské praxi je důležité nejen správně rozhodnout o vhodném typu teploměru, ale je nutno zabudovat teploměr tak, aby správně měřil a aby byly eliminovány nebo potlačeny rušivé vlivy na jeho údaj.
= Teploměry dilatační =
Tyto teploměry využívají objemové nebo délkové roztažnosti plynných, kapalných i tuhých látek. Měření teploty se převádí na měření tlaku, objemu nebo délky.
== Teploměry plynové ==
Teploměry plynové využívají toho, že tlak plynu za stálého objemu je přímo úměrný teplotě
eq. 4.17
Teploměr sestává z vlastního čidla - jímky (kovová banička válcového tvaru o objemu 100 až 500 cm3), dále ze spojovací kapiláry a měřicího ústrojí, které tvoří obvykle deformační tlakoměr. Nejčastější náplní je dusík, hélium nebo vzduch. Rozsah použití je od -50 °C do +500 °C. Jako provozních teploměrů se jich nepoužívá.
Teploměry tenzní
využívají závislosti mezi teplotou a rovnovážným tlakem v soustavě o jedné složce a dvou fázích: kapalina - pára. Závislost tenze par na teplotě je možno popsat rovnicí
eq. 4.18
kde A, B, C jsou konstanty charakteristické pro danou látku. Poslední člen v rovnici (4.18) se uplatňuje jen ve větším teplotním intervalu. Průběh závislosti tenze par na teplotě ukazuje obr. 4.25a. Teplotní rozsah pro danou látku je dán teoreticky intervalem mezi bodem varu TV při atmosférickém tlaku a kritickým bodem TK. Nad kritickou teplotou, kdy systém obsahuje pouze přehřáté páry (plyn), vztah (4.18) neplatí. Průběhy rovnovážných tlaků v závislosti na teplotě u některých látek, používaných do tenzních teploměrů, jsou uvedeny na obr. 4.25b.
Tenzní teploměr se skládá z jímky, spojovací kapiláry a tlakoměrného ústrojí. Čidlem je jímka - banička malého objemu, do které zasahuje až ke dnu spojovací kapilára (obr. 4.26). Banička je zaplněna kapalinou jen zčásti, prostor kapiláry a deformačního tlakoměru jsou zcela vyplněny kapalinou. Množství náplně v baničce je odměřeno tak, že při vzrůstu teploty k maximální hodnotě se vypaří všechna kapalina, tlak již dále neroste exponenciálně, ale pouze lineárně a nedojde k poškození tlakoměru.
== Teploměry kapalinové ==
jsou založeny na měření změn objemu kapaliny s teplotou. Běžné jsou skleněné teploměry, nejčastěji plněné rtutí. Jsou jednoduché, spolehlivé, přesné a levné. Jejich nevýhodou, hlavně z provozního hlediska je křehkost a někdy i špatná čitelnost a obtížnost dálkového přenosu údaje. Snímač pro provozní použití je kovový a tvoří jej nádobka, spojovací kapilára a deformační tlakoměr. Nádobka je obvykle válcového tvaru o průměru asi 15 mm a délce 100 až 200 mm, někdy bývá ve tvaru šroubovice. Spojovací kapilára má vnitřní průměr 0,1 až 0,35 mm. Celý systém je zcela vyplněn kapalinou a uzavřen. Změna objemu kapaliny s teplotou působí deformaci deformačního prvku tlakoměru. Pro změnu objemu kapalin s teplotou platí
eq. 4.19
kde je VJ , V0 objem kapaliny při teplotách J resp. 0 °C, b teplotní součinitel objemové roztažnosti (pohybuje se v rozmezí 1.10-4 K-1 až 16.10-4 K-1).
Uspořádání kapalinového teploměru s kompenzační kapilárou je zřejmé z obr. 4.27. Náplní bývá nejčastěji rtuť (-30 až +500 °C), xylen (-40 až +400 °C), metanol (-40 až +150 °C) a další. Výhodou těchto teploměrů je značná přestavná síla a lineární závislost údaje na teplotě. Určitou nevýhodou kapalinových teploměr je vliv kolísání teploty okolí na výstupní signál. Při změnách teploty okolí kapiláry a tlakoměru dochází rovněž ke změnám objemu kapaliny. V praxi se k odstranění této závislosti používá tzv. kompenzační kapiláry, která je uložena paralelně, není však zakončena jímkou. Teploměr má dva shodné systémy, a to měřicí a kompenzační, které působí proti sobě. Přitom je kompenzován i případný vliv nestejné výšky umístění čidla a tlakoměru.
Teploměry bimetalové
Teploměry založené na roztažnosti pevných látek využívají různé délkové roztažnosti pevných látek, nejčastěji kovů. V praxi se využívá bimetalických teploměrů, které jsou tvořeny dvojicí pevně spojených kovových pásků s rozdílným teplotním součinitelem roztažnosti. Při zvýšení teploty se pásek prohne na stranu materiálu s nižším součinitelem roztažnosti. Bimetalický pásek je na jednom konci pevně uchycen, pohyb volného konce může být převeden na ukazovatel nebo přímo ovládá spínač. pro dvoupolohovou regulaci teploty.
Termoelektrické teploměry
Termoelektrické teploměry využívají k měření teploty termoelektrických článků. Termoelektrický článek je tvořen dvěma vodiči z různých kovových materiálů A a B, které jsou na obou koncích spolu vodivě spojeny (obr. 4.28). Jestliže teplota Jm jednoho spoje bude různá od teploty Jo druhého spoje, vzniká termoelektrické napětí a obvodem prochází termoelektrický proud. V zjednodušené formě můžeme závislost termoelektrického napětí na teplotě vyjádřit lineárním vztahem
eq. 4.20
kde aAB' je koeficient závislý na materiálech použitých kovů, přičemž platí, že aAB = - aBA .
Rovnice (4.20) platí pro úzký rozsah teplot. Pro přesnější vyjádření závislosti se používá vztahu
eq. 4.21
kde n je rovno 2 až 14 podle požadované přesnosti rozsahu teplot a typu termoelektrického článku.
Materiál na výrobu termoelektrických článků má vykazovat pokud možno velký a lineární přírůstek E v závislosti na teplotě, stabilitu údaje při dlouhodobém provozu a odolnost proti chemickým a mechanickým vlivům. Páry materiálů pro vytvoření termočlánků jsou normalizovány. Označení jednotlivých termočlánků se provádí velkými písmeny. Pro průmyslové použití je nejrozšířenější termočlánek typu J (železo-měďnikl) pro rozsah teplot od -200 do +600 °C. Pro vyšší teploty se používá termoelektrický článek typu K (niklchrom-niklhliník) v rozsahu od -50 do 1 000 °C. Termoelektrický článek typu S (platinarhodium-platina) se používá v rozsahu od 0 do +1 300 °C. Přehled vlastností vybraných termočlánků je uveden v tab. 8.2, hodnoty termoelektrických napětí jsou zřejmé z charakteristik na obr. 4.29.
Tab. 4.29
Nejjednodušší uspořádání obvodu termoelektrického snímače je naznačeno na obr. 4.30 vlevo. Obvod se skládá ze dvou kovových vodičů A a B navzájem spolu spojených. Jeden z bodů spojení označujeme jako měřicí spoj, druhý jako srovnávací spoj. Pro správnou funkci snímače je nezbytné, aby teplota srovnávacího spoje Jo byla konstantní, nebo aby vliv termoelektrického napětí tohoto spoje byl kompenzován. Chceme-li změřit velikost termoelektrického napětí, musíme zapojit do obvodu snímače měřicí přístroj buď tak, že rozpojíme srovnávací spoj (obr. 4.30 uprostřed) nebo tak, že zapojíme měřidlo do jedné přerušené větve termočlánku (obr. 4.30 vpravo).
Obr 4.30
Obě připojovací svorky měřidla musí mít stejnou teplotu, aby při zapojení měřidla do obvodu nedošlo ke změně termoelektrického napětí. Při praktické realizaci termočlánku se setkáváme s tím, že mezi měřicí přístroj a vlastní termočlánek je zařazeno ještě spojovací vedení, u kterého se velikost odporu upravuje vyrovnávacím (justačním) odporem na stanovenou hodnotu (obvykle 20 W) (obr. 4.31).
Měřicí spoj termočlánku, vyrobeného z kovů A a B má teplotu J, srovnávací spoj má teplotu Jo. Propojení s měřicím přístrojem je provedeno vodičem C a D, přičemž svorky měřicího přístroje mají teplotu J1. S použitím 2. Kirchhoffova zákona můžeme psát pro napětí termočlánku vztah:
eq.4.22
Dále platí
eq. 4.23
Uvažujeme-li, že J = 'Jo, pak E = 0 a platí
eq. 4.24
Po dosazení vztahů (8.7) a (8.8) do vztahu (8.6) dostaneme
eq. 4.25
Z rovnice vyplývá již dříve uvedené tvrzení, že teplotu srovnávacího spoje je nutno udržovat konstantní, anebo člen -aAB(Jo) vhodně kompenzovat. Na počtu dalších přídavných spojů nezáleží.
Vliv kolísání teploty srovnávacího spoje lze vyloučit umístěním srovnávacích spojů do termostatu (v laboratoři při 0 °C, u průmyslových aplikací při 50 °C) nebo použitím kompenzačních obvodů. U číslicových měřicích systémů se nejčastěji používá tzv. izotermické svorkovnice, jejíž teplota se snímá např. polovodičovým odporovým teploměrem. Příslušná korekce se vyhodnotí číslicově.
Užití termočlánků je zvlášť vhodné při monitorování velkého množství měřicích míst. V těchto případech lze použít i různých typů termočlánků, jejichž srovnávací spoje jsou připojeny k izotermické svorkovnici. Kompenzace vlivu změn teploty srovnávacího spoje se provádí softwarově s využitím počítače (obr. 4.32). Počítač řídí vyhodnocování signálu a prostřednictvím multiplexoru i sériové snímání údajů z jednotlivých míst. Multiplexer představuje vlastně mnohapolohový přepínač, který zajišťuje postupné připojování jednotlivých termočlánků k vyhodnocovacímu zařízení. Jistou nevýhodou tohoto uspořádání je delší čas potřebný pro zpracování údajů. Při požadavku rychlé odezvy je nutno použít hardwerové kompenzace speciální pro každý termočlánek.
Obr. 4.32
Provedení termoelektrického snímače pro provozní aplikace je patrné z obr. 4.32. Termoelektrický snímač teploty je vlastně termoelektrický článek, umístěný v ochranné armatuře, která zabraňuje jeho mechanickému poškození a chrání jej před nepříznivými fyzikálními a chemickými vlivy. Vlastní termoelektrický článek je vložen do stonkové trubky zakončené přírubou, na které je svorkovnice s připojenými vývody termočlánku. Materiál vnější ochranné trubky je různý podle charakteru prostředí a velikosti měřené teploty. Ochranná jímka chrání teploměr před nepříznivými účinky prostředí, zhoršuje však jeho dynamické vlastnosti.
Obr. 4.33 a Obr. 4.34
Termoelektrické měřicí vložky se vyrábějí s jedním nebo dvěma články. Termočlánkové dráty jsou vzájemně elektricky izolované keramickými trubičkami (obr. 4.34 a). Moderním typem kompaktních snímačů jsou tzv. plášťové termočlánky, u nichž jsou dráty uloženy v niklové trubičce vyplněné práškovým MgO nebo Al2O3 (obr. 4.34 b). Průměr kovového pláště činí (0,15 až 10) mm.. Plášťové termočlánky lze je ohýbat, mají malou časovou konstantu a umožňují měření i na těžko přístupných místech.
Termoelektrický článek je zdrojem napětí, k jehož vyhodnocování se používá magnetoelektrických přístrojů, měřicích zesilovačů nebo kompenzačních měřicích metod. V případě, že se měří termoelektrické napětí pomocí přístrojů s proudovou spotřebou, vzniká na vnitřním odporu termočlánku a na odporu vedení úbytek napětí. O tento úbytek bude napětí na svorkách vyhodnocovacího přístroje nižší nežli termoelektrické napětí článku. Proto vyhodnocovací přístroje s měřicím ústrojím s otočnou cívkou mají předem nacejchovaný odpor vedení 20 W. S tímto odporem vedení se počítá při cejchování stupnice přístroje ve ºC. Při zapojení termočlánkového snímače je nutno zjistit odpor celého obvodu (odpor termočlánku, odpor kompenzačního vedení, odpor kompenzační krabice či termostatu, odpor spojovacího vedení) a hodnotu vyrovnávacího (justačního) odporu Rj upravit tak, aby celkový odpor obvodu byl 20 W.
Je-li k měření termoelektrického napětí použito některé kompenzační metody, při které neprotéká proud obvodem termoelektrického článku, není nutno vyrovnávat odpor vedení.
V průmyslové praxi se k vyhodnocování signálu termočlánků často využívá tzv. dvouvodičových převodníků. Blokové schéma zapojení je na obr. 4.35. Při měření se využívá skutečnosti, že vlastní spotřeba elektrického proudu zesilovače převodníku je menší než 4 mA. Při počáteční hodnotě měřené veličiny (v našem případě teploty) odpovídá proud 4 mA. S rostoucí hodnotou měřené veličiny se zvyšuje velikost proudového výstupu až k maximální hodnotě 20 mA při maximální hodnotě měřené veličiny. Výhodou dvouvodičového převodníku je proudový výstupní signál, úspora materiálu na spojovacím vedení, snadná identifikace přerušení vedení (proud 0 mA je mimo přípustný rozsah).
Obr. 4.35
U moderních teploměrů se analogový signál termočlánku zpracovává na číslicový výstupní signál. Blokové schéma teploměru s číslicovým výstupem je na obr. 4.36. Termočlánek je na vstup zesilovače připojen prostřednictvím izotermické svorkovnice pro kompenzaci vlivu změn teploty srovnávacího spoje. Po zesílení je analogový signál převeden na signál číslicový pomocí analogově-digitálního převodníku. Vyhodnocovacím zařízením je číslicový displej, který slouží k zobrazení hodnoty měřené teploty. Při vyhodnocení signálu se využívá ve značné míře mikroprocesorové techniky. Při zpracování signálu z teplotního čidla se provádí v příslušných elektronických obvodech výpočet podle příslušné nelineární závislosti a výstupní signál se zobrazuje obvykle v číslicové formě na displeji.
Obr. 4.36
Celková chyba při měření teploty s termoelektrickými snímači bude ovlivněna:
a) velikostí odporu vyhodnocovacího přístroje,
b) nesprávným vyrovnáním odporu vedení,
c) změnou odporu vedení vlivem teploty,
d) základní chybou vyhodnocovacího přístroje,
e) chybou termočlánku (odchylka od normalizované cejchovní řady),
f) chybou kompenzačního vedení u termočlánku z drahých kovů,
g) nedokonalou kompenzací teploty srovnávacího spoje.
Při užití kompenzačních měřicích metod se neuplatní vlivy a), b), c).
Termočlánek používaný pro provozní měření by měl být pravidelně kontrolován v intervalu 1 až 1,5 roku. V některých případech je zapotřebí umožnit výměnu termočlánku i během provozu technologického zařízení. Pro kontrolu měřicího řetězce pro vyhodnocování signálu termočlánků slouží přenosná kalibrační zařízení, která mohou měřit velikost signálu i simulovat termočlánkové signály. Pro zjištění stavu termočlánkového snímače lze s výhodou využít měření jeho elektrického odporu. Nízká hodnota odporu obecně indikuje uspokojivý stav, zatímco vysoký odpor může signalizovat konec životnosti termočlánku.
