mjerenje temperature u industriji amer avdic

7/21/2019 Mjerenje Temperature u Industriji Amer Avdic

http://slidepdf.com/reader/full/mjerenje-temperature-u-industriji-amer-avdic 1/31

MAŠINSKI FAKULTET SARAJEVO

Katedra za procesnu tehniku

Predmet : Ener getsk a p roces na mjere n ja

M j e r e n j e t e m p e r a t u r e u i n d u s t r i j i

Student: Amer Avdić

Mentor: doc. dr Šefko Šikalo



Mašinski fakultet Sarajevo Mjerenje temperature u industriji 1

1. Uvod

1.1. Definicija

Temperatura je osobina toplote, koja omogućava da toplotna energija prelazi s toplijegtijela na hladnije. Toplota je oblik energije, dok je temperatura stepen zagrijanosti nekogtijela, odnosno nivo toplotne energije.

Kada se mijenja temperatura, ona na različitim tijelima izaziva različite promjene. Naprimjer, dužina metalne šipke povećava sa sa povećanjem njene emperature, tečnosti iplinovi povećavaju svoju zapreminu, na izvjesnim temperaturama različiti materijalimijenjaju agregatno stanje, električni provodnici mijenjaju svoj otpor, a zagrijavanjem nanjihovim krajevima javlja se električni napon i mnoge druge.

Ovi fenomeni se, pod određenim uslovima, mogu reproducirati i to omogućavakonstruisanje uređaja koji mogu mjeriti temperaturu.

Činjenica, da se promjene agregatnih stanja pojedinih materija uvijek događaju na istimtemperaturama omogućila je stvaranje temperaturne skale.

2.1. Temperaturna skalaPrema Celzijusovojj temperaturnoj skali, temperatura mržnjenja vode uzima se za nultutemperaturu i označava sa C °0 . Temperatura ključanja vode, pri atmosferskom pritisku,uzeta je kao C °100 . Sve temperature niže od C °0 imaju predznak minus.

Kelvinova ili apsolutna temperaturna skala nema negativnih vrijednost temperature, aprema toj skali se nulta temperatura nalazi u apsolutnoj nuli K 0 , odnosno natempeaturi C °− 15,273 . To je ujedno najniža moguća temperatura. Za označavanjetemperature kao mjerne veličine uglavnom se služe sljedeće oznake:

− T - za apsolutnu ili Kelvinovu temperaturu [ ]K ,

− t - za Celzijevu temperaturu [ ]C °0 ,

− ϑ - za relativnu temperaturu mjerenu po Fahrenheit-ovoj temperaturnoj skali [ ]F °0 .

Preračunavanje vrijednosti temperature izražene u jednoj skali (npr. Celzijevoj) u vrijednostpo drugoj temperaturnoj skali (Kelvinovoj ili Fahrenheit-ovoj) vrši se prema sljedećimformulama:

( )329

515,273 −=−= ϑ T t ,

382,2559

5

15,273 +=+= ϑ t T ,

688,4595

932

5

9−=+= T t ϑ .

U tabeli 1 prikazan je pregled vrijednosti temperatura u sve tri temperaturne ljestvice.Vrijednosti temperatura su zaokruživane.




Tabela 1.1 Vrijednosti temperatura u sve tri temperaturne ljestvice

C °0 K 0 F °0 C °0 K 0 F °0

-273 0 -459 200 473 392

-200 73 -328 250 523 482

-100 173 -148 300 573 572

-50 223 -58 350 623 662

0 273 32 400 673 752

15 288 59 500 773 932

25 298 77 600 873 1112

50 323 122 700 973 1292

75 348 167 800 1073 1472

100 373 212 900 1173 1652

150 423 302 1000 1273 1832

Za mjerenje temperature služimo se čitavim nizom različitih termometara. Oni se razlikujukako prema principu, tako i prema mjernom područiju na koje se mogu primjeniti.

Temperaturni senzori koji se koriste kod termičkog ispitivanja dijele se kontaktne ibeskontaktne .

2. Štapni termometri

2.1. Princip mjerenja

Štapni termometar se zasniva na širenju krutihtijela pod djelovanjem temperature. Ako se uzmudva štapa iste dužine, ali od različitih materijala izajedno urone u medij čija se temperatura mijenja,preciznim mjerenjem ćemo lahko ustanoviti da sporastom temperature nastaje razlika u dužiništapova, tj. dužina jednog štapa se pod utjecajemtemperature mijenja brže nego dužina drugogštapa. Što je promjena temperature veća, veća je irazlika dužina. Ovaj fenomen se može iskoristiti zamjerenje temperature i upravo taj fenomen koristeštapni termometri.

Na slici 2.1. prikazan je termometar kod kojeg jeumjesto dva štapa upotrebljena cijev od jednogmaterijala, a u nju je stavljen štap od drugogmaterijala. Kazaljka postavljena u ležajeve 1 i 2pokazuje promjene temperature.

Slika 2.1. Princip rada štapnogtermometra. Pomoću kazaljke (k) koja

je uč vrš ćena na osnovice (1) i (2)određ uje se razlika istezanja izmeđ u

štapa (š) i cijevi (c)




2.2. Izvedba

Razlika u temperaturnom koeficijentu istezanja različitih krutih tijela relativno je mala i topredstavlja poteškoću pri konstrukciji štapnih termometara.

Dva štapa različitog materijala, dužine1m, pri promjeni temperature od 100°C,stvaraju dužinsku razliku od oko 1,5mm.To je vrlo malo linearno pomjeranje da bise moglo lahko ostvariti kretanje kazaljke.

Po pravilu se za oblogu detektora,odnosno za cijev, upotrebljava materijal svećim temperaturnim koeficijentomistezanja. Na slici 2.2 grafički je prikazanapromjena dužine različitih materijala u

zavisnosti od promjene temperature.

Pri izboru materijala moraju se uzeti u obzir slijedeći faktori: temperaturno područ je,tačnost instrumenta, agresivnost medija, dužina detektora itd.

Na maksimalnim temperaturama se za različite materijale vodi računa i o savijanjumaterijala. U tabeli 2.1. navedeni su temperaturni koeficijenti istezanja za neke materijale.

Materijal Koeficijent C °1

Kremeno staklo 6105,0 −⋅

Sivi liv 6105,10 −⋅

Čelik oko 6105,11 −⋅

Željezo (hemijski čisto) 6103,12 −⋅

Konstantan 61023,15 −⋅

Bakar 6105,16 −⋅ Bronza oko 6105,17 −⋅

Aluminij 6108,23 −⋅

Slika 2.2. Istezanja, pod utjecajem temperaturerazlič itih materijala koji se upotrebljavaju za

konstrukciju štapnih termometara

Tabela 2.1. Temperaturni koeficijenti istezanja




2.3. Mjerno područje i pogreške u mjerenju

Minimalne temperature nisu oštro definirane principom mjerenja, dok su maksimalneograničene promjenama u materijalu na višim temperaturama. Iz slike 2.2 vidi se da jemoguće napraviti štapne termometre i do 1000°C.

Pokazivanje štapnog termometra odgovara srednjoj temperaruri detektora, mjerenoj pocijeloj dužini detektora. Termometar je baždaren tako, da mu je cijela dužina detektora

zagrijana na određenu temperaturu baždarenja. Ukoliko se zagrijava samo jedan diodetektora, tada samo taj dio učestvuje u istezanju. Ukupno istezanje je u tom slučajumanje i termometar pokazuje manju vrijednost temperature od stvarne. S obzirom na toda su detektori ove vrste termometara radi malog koeficijenta istezanja obično nešto duži,vrlo je čest slučaj u praksi da oni po cijeloj dužini nemaju istu temperaturu kao medij u kojisu uronjeni.

Zbog malog temperaturnog koeficijenta istezanja u prenosnom mehanizmu nastajugreške i mrtvi hod. Ovo još više smanjuje tačnost štapnih termometara i ona iznosi oko± 2% od krajnje vrijednosti skale, uz to da u ovu grešku nije uračunata greška kojanastaje uslijed nejednako zagrijanog detektora.

2.4. Područje primjene, prednosti i nedostaci

Iako je linearno pomjeranje izazvano razlikom istezanja kod štapnih termometara vrlomalo, sila kojom ovo istezanje djeluje vrlo je velika. Zato glavnu primjenu štapnitermometri su našli u regulacionoj tehnici i to od vrlo jednostavnih regulatora, koji regu-liraju temperaturu u raznim sušionicama i hladnjacima, pa sve do vrlo složenihautomatskih regulatora za veće zahtjeve.

Kao mjerni instrument, štapni termometri se primjenjuju prilično rijetko. Oni se stavljaju upogonu tamo gdje je potrebna robusna konstrukcija i gdje nije važna veća tačnostmjerenja.

Primjena živinih staklenih termometara u prehrambenoj industriji izbjegava se i tamo ihdobro zamjenjuju štapni termometri. Zbog problema da se u primjeni postignu isti uvjetikao i pri baždarenju, štapni termometri se ponekad isporučuju s neutralnom podjelomskale. Tada se baždarenje obavlja na licu mjesta, pomoću drugog kontrolnog termometra.

Prednosti štapnih termometara:

− neobično jednostavna i robusna izrada,

− postizanje velikih sila (radi primjene u regulacionoj tehnici),

− mogućnost izrade veće skale, a time i očitavanje s veće udaljenosti,

− nije potrebna nikakva pomoćna energija.

Neki od nedostaka štapnih termometara:

− da bi se dobila dovoljno velika razlika istezanja, potrebna je radi malogtemperaturnog koeficijenta istezanja velika dužina detektora,

− velike greške radi nejednakog zagrijavanja detektora po cijeloj dužini,

− velik uticaj hlađenja dijela detektora koji nastaje radi odvođenja toplote.




3. Bimetalni termometri

Bimetalni termometri, kao i štapni, djeluju na principu istezanja krutih tijela, ali je glavninedostatak štapnih termometara (malo linearno pomjeranje) otklonjen konstrukcijombimetalnog termometra.

3.1. Princip mjerenja

Spojene su dvije trake različitogmaterijala što je prikazano na slici3.1. Zagrijavanjem ovako dobivenebimetalne trake ona će se saviti na

jednu stranu, jer materijal od kojeg je izrađena jedna polovina trake(B) ima veći temperaturnikoeficijenat istezanja od materijaladruge polovine (A).

Za većinu materijala koji se primjenjuju za izradu bimetalnih traka ovo savijanje jedirektno proporcionalno promjeni temperature, a raste s kvadratom dužine trake. Prematome izraz koji povezuje ove dvije veličine glasi:

( ) T d

l K s B A ∆−⋅=∆ α α

2

, uz B A α α > ,

pri čemu su:

K – koeficijent izvedbe, l – dužina trake, d – debljina trake, T ∆ – promjena temperature.

3.2. IzvedbaDa bi se dobilo dovoljno savijanje, trake moraju biti duge i tanke. Uz ostale kombinacije,za bimetalne trake upotrebljava se i kombinacija Ni-Fe, koja kod dužine 100 mm i debljine1mm daje specifično savijanje od 0,156mm za 1°C. Iz ovog primjera vidi se da bimetalnetrake moraju biti prilično duge.

Da bi se savijanje bimetalne trake moglo što efikasnije prenjeti na skalu instrumenta,trake se savijaju u spirale. Jedan kraj spirale se učvršćuje na kućište ili zaštitnu cijevdetektora, a ugaono kretanje slobodnog kraja se koristi direktno za pokretanje kazaljke.Jedna izvedba bimetalnih termometara, kod koje je ravan skale paralelna s uzdužnomosom tijela termometra, koristi i prenosni mehanizam ili prenosnu oprugu savijenu pod

uglom od 90°.Bimetalna spirala može biti savijena u ravni (pljosnata spirala, slika 3.2.) pri čemu se takviinstrumenti, kao otvorena konstrukcija, koriste za mjerenje temperature zraka. Spiralaindustrijskog tipa instrumenta nije pljosnata, nego je izvučena u jednostruki ili višestrukipužni oblik (slika 3.3.). Jedan kraj bimetalne spirale je učvršćen na zaštitnu cijevdetektora, a slobodni kraj na kazaljku instrumenta. Detektori bimetalnih termometaramogu biti vrlo kratki i izrađuju se od nekih 25mm do oko 150mm, a za specijalne svrhe ido 2 metra dužine.

Slika 3.1.Bimetalna traka izrađ ena od metala (A) i (B)




3.3. Mjerno područje i greške u mjerenju

Bimetalni termometri izrađuju se za primjenu od približno -160°C do 550°C. Natemperaturi ispod -160°C otklon je vrlo mali, što predstavlja problem pri konstrukcijibimetalnih termometara za rad ispod te temperature. Bimetalni termometri za većetemperature nemaju dugotrajnu stabilnost, pa se ne preporučuju pri kontinuiranoj upotrebiza temperature preko 400°C.

Kao što je prikazano, savijanje bimetalne trake je veće što je ona duža, ali se ono

povećava i sa smanjivanjem debljine trake. Međutim sila na slobodnom kraju trake nagloopada sa smanjivanjem debljine trake. Iako bimetalni termometri normalno nemajunikakve prenosne mehanizme, ipak je za pokretanje kazaljke i savladavanje određenihotpora potrebna neka minimalna sila. To može uzrokovati velike greške pri mjerenju.

Tačnost bimetalnih termometara iznosi obično ±1%, ali se izrađuju termometri i sagreškama od ± 0,5% do ± 3%.

Slika 3.2. Bimetalna spirala savijena u ravni Slika 3.3. Bimetalna spirala savijena u jednostruki pužni oblik

Slika 3.4. Neke izvedbe bimetalnih termometara




Za najpreciznije instrumente skale se ne rade serijski, nego se za svaki precizniinstrument ručno pravi posebna skala.

Dobri bimetalni termometri dugo zadržavaju svoju tačnost, a greške nastaju najčešće radiokretanja kazaljke oko svoje osovine. Baždarenje se vrši samo u dvije tačke, a zakontrolu je dovoljno izmjeriti temperaturu samo na jednoj tački skale.

Da bi se postigla minimalna tačnost (koju garantira proizvođač) i kod ovih termometaracio detektor mora biti uronjen. Brzina odziva bimetalnih termometara može se uporediti snekim staklenim termometrima.

Na si. 3.4 prikazane su neke izvedbe bimetalnih termometara.

Bimetalni termometri mogu, a da se ne oštete, biti izloženi znatno većim temperaturamaod maksimalne koja je označena na kraju skale. Ipak proizvođači garantiraju ovaprekoračenja:

− bimetalni termometri sa skalom do 150°C mogu prekoračiti područ je 100%,

− termometri sa skalom do 250°C mogu prekoračiti za 50%,

− termometri sa skalom do 400°C mogu prekoračiti za 10%.

3.4. Područje primjene, prednosti i nedostaci

Bimetalne trake su, osim za izradu bimetalnih termometara, širu primjenu našle i u izradirazličitih kompenzacionih aparata, za automatsku kompenzaciju utjecaja temperaturnihpromjena na razne instrumente.

Glavne prednosti bimetalnih termometara su slijedeće:

− jednostavnost izvedbe,

− relativno niska cijena,

− pregledna skala,− pokretanje kazaljke bez prenosnog mehanizma,

− pouzdanost u radu,

− lahko podešavanje tačnosti.

Primjenu bimetalnih termometara ograničavaju sljedeći nedostaci:

− relativno usko mjerno područ je,

− neprimjenljivost (ili uz poteškoće) pri izradi automatskih regulatora i pisača.

Slika 3.5. Primjena bimetalnih termometara za regulaciju temperature - termostat




4. Industrijski stakleni termometri

4.1. Princip rada, karakteristike i podjela

Stakleni termometar sastoji se od staklenog rezervoara, na koji sestavlja tanka prozirna staklena cijev (slika 4.1.). U rezervoaru se nalazitečnost, na primjer živa. Porastom temperature živa se širi, pa izrezervoara prelazi u tanku staklenu cjevčicu. Svakoj temperaturi unutar

mjernog područija termometra odgovara visina do koje dopire tečnostu cjevčici. Očitavanje se vrši na skali koja se nalazi pored cijevčice ili jeugravirana na samu cjevčicu.

Mjerno područije staklenih termometara ovisi od karakteristikaupotrebljene tečnosti. Pored žive, za punjenje termometra može seiskoristiti gotovo svaka tečnost. Ipak, najčešće uzimaju se organsketečnosti kao što su etilni alkohol, touol i pentan.

Alkohol je prilično nepovoljan. Na njegov koeficijent širenja znatnoutiču razne nečistoće, a naručito voda. Područije primjene mu je od-110°C do 50°C. Ovako niska maksimalna temperatura znatno

ograničava oblast primjene staklenih termometara sa alkoholom.U normalnim izvedbama prostor iznad tečnosti u termometru je prazan(vakum). Da bi se spriječilo ključanje tečnosti koja se nalazi u cjevčicitaj prostor se kod termometara za mjerenje većih temperatura puniinertnim plinovima. To su obično vodik, argon ili ugljen dioksid.

Mnogi stakleni termometri na vrhu cjevčice imaju proširenje, koje služikao zaštita, jer u slučaju prekoračenja predviđene maksimalnetemperature dolazi do pucanja stakla. Proširenje zapravo predstavljaekspanzionu komoru odnosno rezervoar za tečnost pri prekoračenjumaksimalne temperature.

S obzirom na primjenu i izvedbu, moguće je napraviti nekoliko različitihpodjela staklenih termometara. Prema primjeni dijele se na:

− industrijske,

− laboratorijske, uključujući i ručne industrijske,

− kliničke.

Pod industrijskim termometrima podrazumjevamo najčešće one staklenetermometre koji su montirani u posebne zaštitne oklope (slika 4.1) iprimjenjuju se tako da se fiksno instaliraju u cjevovode ili razne posude ipostrojenja. Pored oklopa, njihova glavna karakteristika podrazumjeva i

veću skalu, radi lakšeg očitanja.Prema DIN normama za termometre punjene sljedećim tečnostimaodgovaraju skale:

− živa (bez plinskog punjenja) - 30°C do +280°C,− živa (sa plinskim punjenjem) - 30°C do +750°C,− tehnički pentan – skala: -200°C do + 20°C,− toluol - 70°C do +100°C.

Slika 4.1. Industrijski

staklenitermometri




4.2. Specijalni termometri

4.2.1. Beckmannov termometar

Ovaj termometar služi za vrlo tačna mjerenja. Sastoji se od velikogdetektora i komore za presipanje žive. Zapremina rezervoara (detektora)vrlo je velika u odnosu na zapreminu cjevčice. Radi toga mala promjenatemperature detektora izaziva veliku promjenu visine žive u cjevčici.

Tako njegova skala služi za više mjernih područ ja.Zagrijavanjem detektora na određenu temperaturu živa iz detektora

prolazi kroz cijevčicu u komoru za presipanje. Padom temperature nitžive se prekida. Sada je termometar spreman za mjerenje vrlo malihtemperaturnih razlika, ali na nivou temperature na koju smo ga postavili.Što je u komori za presipanje veća količina žive, to instrumenat mjeriniže temperature.

Ako je skala Beckmannova termometra duga 25 cm, moguće je očitavati0,01°C, a osim toga je moguće ocijeniti čak i do 0,001 °C.

4.2.2. Termometri sa električkim kontaktima

U gotovo svim oblastima primjene staklenih termometara susreću se iživini stakleni termometri s električkim kontaktima (slika 4.3.), koji suprovučeni kroz stijenke kapilare. Ovi kontakti služe za uključivanjerazličitih alarmnih, signalnih ili regulacionih uređaja u trenutku kad nivotečnosti dođe do električkih spojeva i time zatvori strujni krug.

Struja koja teče preko kontakata kroz tečnost ne bismjela preći jačinu od 2 mA (kod 110 V). Normalna jačina struje treba da iznosi ispod 0,4 ili 0,6 mA.

4.3. Prednosti i nedostatci u primjeni

Stakleni termometri punjeni tekućinama imaju nekoliko dobrih tehničkih karakteristika,važnih za njihovu primjenu. To su:

− velika jednostavnost u primjeni,

− visok stupanj pouzdanosti u radu,

− lahka uočljivost nekih grešaka (prekidanje niti, kondenzacija po stijenkama),− inertnost na agresivne tekućine i plinove,

− nije potrebna nikakva pomoćna energija,

− jednostavna izvedba termometara za pokazivanje maksimalnih i minimalnihvrijednosti,

Slika 4.3. Staklenitermometar saelektrič nim kontaktima

Slika 4.2. Šema Beckmannov-ogtermometra




− mogućnost ugradnje električkih kontakta za daljinsko signaliziranje ili zaautomatsko reguliranje određene temperature,

− brz odziv na temperaturne promjene u slučaju primjene termometra bezzaštitne cijevi,

− niska cijena.

− otežano očitavanje i potreba dovoljne osvijetljenosti,

− lahko se lome,

− ograničenost primjene na višim pritiscima bez zaštitne cijevi.

Radi njihove jednostavnosti staklenim termometrom se služe gotovo svi koji se na bilokoji način bave temperaturnim mjerenjima. Treba naglasiti, da se vrlo malo, naročito uindustriji, vodi računa o greškama koje mogu nastati upotrebom staklenih termometara.Vrlo se rijetko događa da netko vrši ispravku mjerenja, iako greške mogu biti priličnovelike.

5. Infracrvena termografija

IC termografija je beskontaktna metoda mjerenja temperature i njezine raspodjele napovršini tijela. Zasniva se na mjerenju intenziteta infracrvenog zračenja s posmatrane

površine. Sva tijela na temperaturama većim od apsolutne nule zrače elektromagnetnevalove. Zračenje čiji je uzrok samo temperatura tijela zove se toplotno zračenje.

Rezultat termografskog mjerenja je termogram, koji u sivim tonovima ili nekom kodu bojadaje sliku temperaturne raspodjele na površini posmatranog objekta. Temperaturnaraspodjela posredno daje informaciju o različitim stanjima same površine ili je ipakodraz strukture i unutrašnjeg stanja posmatranog objekta.

Slika 5.1. Poređ enje izgleda u vidljivom i infracrvenom spektru

Slika 4.4. Stakleni termometar sa digitalnimoč itavanjem – smanjuje grešku pri oč itanju

rezultata mjerenja




5.1 Elektromagnetno zračenje

Sva tijela konstantno emituju elektromagnetno zračenje, koje kroz vakuum putuje brzinomsvjetlosti 8103 ⋅ m/s. Eksperimenti su potvrdili da se zračenje ponaša kao čestica u svojojinterakciji sa tvari, a kao val kad se širi kroz prostor. Elektromagnetni valovi tako imajudualnu prirodu: valnu i korpuskularnu.

Intenzitet zračenja tijela, tečnosti i plinova je funkcija temperature, valne dužine i optičkihosobina posmatrane površine. Za apsolutno crno tijelo intenzitet zračenja zavisi samo odvalne dužine i temperature, i prema Plankovom zakonu taj intenzitet iznosi:

Gdje su C1 i C2 Plankove konstante.

Valna dužina zračenja λ vezana na frekvenciju vala f i brzinu širenja vala c preko izraza:

λ ⋅= f c

Iako na visokim temperaturama užarena tijela svijetle, vidljiva svjetlost nije jedinozračenje koje ona emitiraju. Emisioni spektri čvrstih tijela su konstantni i sastoje se odsvih valnih dužina, od neke minimalne do maksimalne. Oblik spektra i raspored energijepo pojedinim valnim dužinama zavisi od temperature i osobina površine koja zrači.

Slika 5.2. Elektromagnetni spektar

Slika 5.2. prikazuje elektromagnetski spektar. Toplotni efekti

su vezani za zračenja upodruč ju valnih dužina od 0,1 do 100 µm, dok vidljivi dio spektra obuhvata vrlo uskopodruč je unutar područ ja toplotnog zračenja, tj. dio toplotnog zračenja kojeg možeregistrovati ljudsko oko. Nalazi se u područ ju valnih dužina između 0,4 do 0,7 µm, dok seinfracrveni dio spektra nalazi neposredno iza vidljivog dijela spektra u područ ju valnihdužina od 0,7 do 100 µm.

Posmatrajući u smjeru porasta valnih dužina područ je toplotnog zračenja se tako možepodijeliti na tri uzastopne domene: ultraljubičasto područ je, vidljivi dio i infracrveno (IC)područ je.

( )

1

51 13,

2−

⋅−

−⋅⋅= T

C

C t I λ λ λ

Slika 5.3. Zavisnost valne dužine od temperature iintenziteta zrač enja




5.2 Princip rada termografskih uređaja

Termografski sistem se sastoji od termografske kamere i jedinice za obradutermograma. U samoj kameri integrirana je IC optika (B), osjetni element IC zračenja(C), jedinica za pretvaranje električnog u video signal (D), monitor i kartica zasnimanje podataka (E). Računar služi za obradu termograma prema određenomsoftveru i u njega se podaci učitavaju s kartice koja se nalazi u kameri.

Kako su karakteristike elektromagnetskog zračenja jednake za cijeli elektromagnetskispektar, optika koja se koristi u IC uređajima po obliku jednaka je onoj kodfotografskih aparata, ali različita po materijalima od kojih je napravljena. Materijali kojise koriste za izradu leća moraju biti propusni za IC zračenje, a to su: germanij, cinksulfid, cink selenid za dugo valna IC zračenja te silikon, safir, kvarc ili magnezij zasrednje valna IC zračenja.

Slika 5.4. Princip rada savremenog termografskog uređ aja

Osjetni elemenat u termografskoj kameri mjeri količinu energije koja pada na njegovupovršinu i koja odgovara intenzitetu zračenja definiranog dijela IC spektra.

Energija koja pada na osjetni elemenat OS E jednaka je sumi energija koje dolaze odposmatranog tijela, pri čemu se uzimaju u obzir:

− vlastita emisija i refleksija ( )*E r E ⋅+ ,

− energija koja prolazi kroz tijelo **E d ⋅ ,

− energija koja dolazi od okoline env E .

Da bi se iz zračenja dospjelog na osjetni elemenatkamere izračunala tačna vrijedost temperaturepromatranog objekta potrebno je poznavati osobinepovršine objekta, temperaturu okolnih objekata,udaljenost kamere od posmatranog objekta, temperaturu irelativnu vlažnost zraka. Slika 5.5. Primjer izvedbe

infracrvene kamere




Sve ove podatke potrebno je prethodno podesiti kao ulazne parametre u softverukamere. Utjecaj zračenja iz okoliša treba svesti na minimum, osobito ako se radi oobjektu koji je na temperaturi bliskoj temperaturi okoline.

Osim utvrđivanja temperature objekta, softver u kameri pruža i drugu mogućnost. Natemelju poznavanja temperature objekta i svih prethodno navedenih ulaznihparametara moguće je dobiti vrijednost emisionog faktora posmatrane površine.

Kad se ipak radi o potrebi uklanjanja zračenja koje posmatrani objekat propušta,ispred objektiva kamere stavljaju se različiti filteri, čija je funkcija spriječiti prolaz krozobjektiv elektromagnetnih valova onih valnih dužina za koje je posmatranih objektpropustan.

5.3 Termografske metode

Prema pristupu mjerenjima i obradi rezultata termografija se dijeli na aktivnu ipasivnu, te na kvalitativnu i kvantitativnu.

Pasivna termografija promatra objekte u stacionarnom stanju. Razlike u iznosima

infracrvenog zračenja koje dolaze s površine objekta su ili posljedica razlika utemperaturi ili razlika u osobinama promatrane površine.

Ukoliko je njegova temperatura dovoljno različita od temperature okoline, tada će natermogramu objekt biti vidljiv.

Na slici 5.6. prikazan je termogram zida na kojem se uočavaju hladnija područ ja kojasu posljedica prodora vlage.

Slika 5.6. Fotografija a) i termogram zida b)

Naknadna obrada snimljenih termograma na računaru može biti kvalitativna, štopodrazumijeva samo uočavanje mjesta promjene temperature, slika 5.7., ilikvantitativna što uključuje određivanje iznosa temperatura, temperaturnih razlika iliemisionih faktora po pojedinim lokacijama na termogramu, slike 5.8. i 5.9.

a b




Slika 5.7. Na termogramu se lahkouoč avaju područ ija različ itihtemperatura

Slika 5.8. Toplotno opterećenje mašinskih dijelova sa prikazanim vrijednostima temperature

Slika 5.9. Termografska slikarezervoara sa vertikalnim prikazom promjene temperature




Aktivna termografija zasniva se naposmatranju dinamičkog ponašanja objektaizloženog toplotnoj pobudi. Dinamičkemetode se koriste za otkrivanje anomalijakod kojih se temperatura mijenja tokomvremena. Cilj je određeni vid energije,toplotu, koja se manifestuje promjenomtemperature promatranog objekta očitati ipri tome pomoći pri upravljanju procesa ukojem taj objekat učestvuje u industriji.

Slika 5.10. Primjer aktivne termografije

Ovisno o strukturi objekta, materijala i njegovoj površini dobit će se različititermogrami posmatrane površine u vremenu.

a) b) c)

Slika 5.11. Primjer dinamič kog mijenjenja temperature strukture usljed zagrijavanja u toku vremena

Predhodna slika daje primjer dinamičke obrade slike. 5.11.a je slika defekta 3sekunde nakon zagrijavanja, 5.11.b predstavlja sliku defekta 5 sekundi nakon

zagrijavanja, dok je 5.11.c razlika ove dvije slike i otkriva defekt usljed zagrijavanjaobjekta.

Senzori su obično silikonski, za temperature veće od C °425 , ili od olovnog sulfida zatemperature veće od C °200 .

Slika 5.12. Oprema za ispitivanje putem IC termografije




5.4 Primjeri korištenja IC termografije u industriji

Lijevo – Detekcija

kvarova na cijevima

Desno – Provjerarada izmjenjivača

toplote

Zatim, česte su primjene pri kontroli spremnika, dimnjaka, cjevovoda i izolacije:




5.5 Prednosti i nedostatci

Infracrvena termografija ispunjava zahtjeve koji se dosta često postavljaju priproizvodnji u industriji. Održavanje proizvodnog procesa 24 sata na dan, 365 dana ugodini moguće je zbog velike pouzdanosti opreme za ispitivanje pomoću IC zračenja.Manji broj prekida pri mjerenju daje bolju produktivnost i na taj način se izbjegavajuveći i skupi kvarovi na postrojenjima.

Dakle, to dalje dovodi do povećanja pouzdanosti cijelog postrojenja jer problemi upostrojenju se rješavaju prije nastanka kvara ili oštećenja ostalih dijelova postrojenja.Prepoznavajući moguće kvarove i planirajući popravke smanjuje se broj kritičnihsituacija i vrijeme skupog prekovremenog rada.

Industrijski procesi postaju pouzdaniji, a samim tim radna okolina postaje sigurnija.Smanjuje se opasnost od požara. Loše projektirani, loše izvedeni ili preopterećenielektrični spojevi koji uzrokuju pregrijanja mogu biti otkriveni na vrijeme(slika 5.13.).

Još neke od prednosti ove metode mjeranja temperature su:

− beskontaktno mjerenje,

− brzi odziv,

− relativno jednostavna interpretacija termograma,

− široke mogućnosti primjene.

Dok se pod loše osobine mogu navesti:

− utjecaj emisionog faktora, atmosfere, udaljenosti, geometrije objekta iostalih osobina tijela na rezultat mjerenja,

− teško provediva toplotna stimulacija velikih objekata,

− mogućnost posmatranja samo površinskih efekata.

Treba napomenuti da je za kvalitativne i kvantitativne analize termograma potrebnoosposobiti kadrove koji za traženu primjenu moraju vladati termografskim sistemom ipoznavati problematiku koja se rješava.

Slika 5.13. Primjer nestabilnog električ nog spoja koji dovodi do pregrijanja




Slika 5.14. Primjeri primjene opreme bazirane na infrecrvenoj termografiji

Slika 5.15. Primjena infracrvene tehnologije u

automobilskoj industiji pri kontroli radnetemperature motora

Slika 5.16. Primjena infracrvene tehnologije

u medicini pri dijagnosticiranju raka

Slika 5.16. Primjeri izvedbe termografskih uređ aja




6. Radijacijski termometar (pirometar)

Pomoću radijacijskih termometara moguće je mjeriti temperature do nekih 1300°C, a saonima specijalne izvedbe čak do 3000°C. Na tim visokim temperaturama mjerenjepredstavlja velike poteškoće, pa većina metala od kojih se izrađuju zaštitne cijeviomekšavju i tale se. Na tim temperaturama su materijali podložni intenzivnoj oksidaciji,postaju propustljivi za plinove i ne štite detektor od agresivnog djelovanja istih. Izolacioni

materijali, prisutni u termometru, dobijaju veću elektri

čnu provodljivost. Granica primjenepojedinih vrsta termometara na visokim temperaturama je ograničena, nekih oštro a nekih

manje oštro. Ovo ograničenje i potrebe mjerenja visokih temperatura, doveli su do razvojatermometra koji za mjerenje koriste toplotno zračenje. Takve termometre zovemo još ipirometrima za toplotno zračenje ili jednostavno pirometrima.

U odnosu na neke termometare koji su ranije obrađeni, za mjerenje temperature nekogmedija morali smo detektor termometra dovesti u direktan kontakt (podrazumijevajući tu izaštitnu cijev) sa mjernim medijem. Pirometrima mjerimo temperaturu na udaljenosti,određujući energiju ili intenzitet zračenja.

6.1. Princip rada i fizikalne osnove mjerenja

Svjetlo koje pada na neki predmet dijelom je apsorbovano, a dijelom reflektovano. Izmeđukoeficijenta apsorpcije a , refleksije r i propuštanja p postoji veza a + r + p = 1.

Zamišljeno tijelo koje apsorbira sve svjetlosne zrake koje na njega padnu, zovemo crnimtijelom, ili apsolutno crnim tijelom. Koeficijent apsorpcije crnog tijela jednak je jedinici(a =1).

U prirodi ne postoji apsolutno crno tijelo. Možemo ga zamisliti kao neki potpuno zatvorenprostor, čije zidovi ne propuštaju svjetlosne zrake, a na svakom djelu zida je istatemperatura. Iz ovog prostora svjetlosne zrake izlaze samo kroz mali otvor.

Pirometrom se određuje temperatura mjerenjem ukupnog intenziteta elektromagnetskog

zračenja. Stefan – Boltzmannov zakon omogućava jednostavno izračunavanje intenzitetazračenja I(T), i za za crno tijelo vrijedi: 4T I ⋅= δ .

Slika 6.1. Princip rada pirometra – šematski prikaz




Osnovni djelovi mjernog uređaja su prikazani na slici 6.1. Termometar se sastoji od cijeviu kojoj se na ulaznom dijelu nalazi objektiv (L) kojim se fokusira elektromagnetnozračenje koje dolazi sa površine objekta temperature T. U fokusu objektiva nalazi sedetektor (crno tijelo) koja ima maksimalni faktor apsorpcije elektromagnetskog zračenja.Na površini detektora zavaren je jedan ili više termoparova (termočlanaka) pomoću kojihse mjeri temperatura detektora, a elektromotorna sila EMS termopara je mjerni signal zatemperaturu objekta T.

Analiza mjerenog uređaja zasniva se na primjeni Stefan – Boltzmanovogzakona. U početku mjerenja temperatura detektora je na temperaturiinstrumenta i nakon što se instrument usmjeri prema površini objekta dolazido apsorpcije elektromagnetskog zračenja u detektoru. Od početka mjerenjatemperatura detektora stalno raste ali sve sporije, jer povećanjemtemperature detektora povećava se i intenzitet emisije.

Mjerni signal se očita kada se uspostavi stacionarno stanje, odnosno kada jeapsorbirani intenzitet zračenja na površini detektora jednak intenzitetuzračenja sa detektora.

Korištenjem Stefan – Boltzmannov zakona moguće je odrediti uslove

ravnoteže:− intenzitet apsorbovanog zračenja 4T I A ⋅⋅= δ ε ,

− intenzitet zračenja sa detektora 4C I T I ⋅= δ .

Izjednačavanjem ova dva izraza može se izraziti temperatura objekta kao temperaturadetektora:

C T T ⋅=4

1

ε .

Tačnost mjerenja radijacijskim termometrom određena je pouzdanošću poznavanjavrijednosti koeficijenta emisije ε . Najčešće se ε određuje baždarenjem za pojedinematerijale i uvjete mjerenja.

Zagrijano tijelo zrači širok spektar elektromagnetskih valova, ali za razne temperaturemaksimum zračenja nije na istoj valnoj dužini. Tijela zagrijana ispod 500°C žare

tamnocrvenim svjetlom. Daljim zagrijavanjem tacrvena užarenost postaje sve svjetlija, dok oko1100°C prelazi u narandžastu, a na oko 1400°Ctijelo postiže bijelo usijanje. Tijelo zrači bijelosvjetlo, jer na toj temperaturi zračielektromagnetske valove koji odgovaraju svimbojama vidljivog spektra.

Sva ova razmatranja se odnose na zračenjecrnog tijela. Pirometri se baždare također saapsolutno crnim tijelima. U praksi se susrećemo stijelima koja zrače manje nego crna tijela i ta tijelanazivamo sivim tijelima.

Slika 6.2. Kriva 1 označ ava zrač enjecrnog, a kriva 2 sivog tijela

Slika 6.2.

Izgleddetektora u pirometru




Radi toga pri mjerenju temperature pirometri pokazuju uvijek manju temperaturu odstvarne i potrebno je vršiti korekcije.

Omjer energije AI , koju zrači površina sivog tijela i energije I I , koju zrači pločica na istojtemperaturi, nazivamo koeficijentom emisije ε :

I

A

I

I =ε .

Na slici 6.2. prikazana je razlika između zračenja apsolutno crnog i sivog tijela. Sivo tijelodefinisano je istim osobinama kao i crno, samo mu je spektralna snaga zračenjaproporcionalno manja.

Prema tome, temperaturu zagrijanog tijela radijacijskim pirometrima možemo mjeriti nasljedeće načine:

− može se mjeriti ukupna energija koju tijelo zrači. Osnovni zahtjev je da detektorpirometra primi što više energije koju tijelo zrači i to u cijelom spektru,

− može se mjeriti energija koja pripada samo jednoj oblasti spektra od svega 0,01µm i to na valnoj dužini od oko 0,65 µm. To je crveni dio vidljivog spektra,

− energija koju zrači ugrijano tijelo u jednom određenom područ ju spektra može semjeriti posebnim detektorom, kao što je na primjer fotoćelija,

− mjerenjem odnosa intenziteta dvaju boja.

a

b

c

Slika 6.3. Radijacijski termometar: a) pirometar sa digitalnim oč itanjem, b) optič ki dio pirometrasa kablom za povezvanje sa instrumentom, c) baždarenje pirometra sa vrućom ploč om crnog tijela




6.2. Izvedbe pirometara

Prema metodi mjerenja pirometri se mogu podijeljeni u sljedeće grupe:

− pirometri na principu ukupnog zračenja,

− pirometri na principu djelomičnog zračenja (optički pirometri),

− fotoelektrički pirometri,

− pirometri na boje.

Pirometar na principu ukupnog zračenja mjeri ukupnu energiju koju prema Stefan –Boltzmannovu zakonu zrači zagrijano tijelo. Da bi se toplotne zrake mogle fokusirati našto manju površinu, koriste se optičke leće i ogledala. Međutim ova pomagala se nemogu primijeniti na čitav spektar toplotnog zračenja. Primjenom staklene leće izdvaja sedio spektra, koji je samo malo širi od vidljivog djela spektra.

Prednostiradijacijski

h

Prednosti radijacijskih termometara ogledaju se u beskontaktnom mjerenju temperature,dobroj stabilnosti i brzom odzivu. U nedostatke, ubrajaju se visoka cijena i smetnje kaošto su dim, prašina para i slično.

Slika 6.4. Izvedbe radjacijskih termometara, prenosivi i pirometri za fiksnu ugradnju




6.2.1. Optički pirometri

Sa ovim pirometrima, koji se nazivaju još i pirometri na djelimično zračenje, mjeri seintenzitet zračenja vrlo uskog područ ja spektra, izdvojenog iz cijelog spektra toplotnogzračenja. Mjerenje se vrši na taj način da se intenzitet izdvojenog dijela spektra upoređujes intenzitetom svjetlosti jednog baždarenog izvora svjetla. Na slici 6.5. prikazan je principrada optičkog pirometra.

Instrument se sastoji od cijevi sa dvije konveksnog sočiva, žarne niti i filtera crvene boje.Žarna nit se zagrijava prolazom električne struje, i sama struja je mjerni signal. Mjerenjese provodi tako da se otvor cijevi instrumenta usmjeri prema površini kojoj se mjeritemperatura. Elektromagnetno zračenje prolazi kroz prvo sočivo, i skuplja se u fokusu. Ufokusu se nalazi staklena cijev sa žarnom niti. Ta tačka je ujedno i fokus drugog sočiva.Kroz sočivo prolazi elektromagnetno zračenje sa mjerenog objekta i žarne niti. Iza drugogsočiva nastaje paralelan snop zraka koje zatim prolaze kroz filter crvene boje.

Ako se određivanje temperature, odnosno podešavanje pirometra, vrši ljudskim okom,

tada se mora odabrati valna dužina koja se nalazi u vidljivom dijelu spektra. Da biinstrument mogao obuhvatiti i niže temperature, poželjno je da ta izdvojena valna dužinabude bliže crvenom dijelu spektra. Dakle filter je nepropustan za sve valne dužinevidljivog spektra osim za dio u područiju crvene boje, =λ 0,65 µm. Ova valna dužina jeveć prilično daleko od valne dužine na koju je oko maksimalno osjetljivo, ali se uporednamjerenja još mogu vršiti i to s tačnošću od ± 0,5% do ± 1%.

Mjeritelj posmatra istovremeno sliku površine tijela i žarne niti. Moguće su tri situacije:

a) T < T n ,

b) T > T n ,

c) T≅ T n .

Sa T je označena temperatura mjerenog objekta, a T n je temperatura niti u fokusuinstrumenta. Mjerni signal T n se očita sa instrumenta kada se izjednači sjaj površineobjekta i referentne niti instrumenta. U tom slučaju intenzitet zračenja na valnoj dužinicrvene boje jednak je:

( ) ( ) ( )T I T I n ,, 000 λ λ ε λ ⋅= za valnu dužinu 0λ .

Slika 6.5. Princip rada optič kog pirometra – šematski prikaz




Slika 6.6. ispravno podešavanje intenzitetasvijetlosti optič kog pirometra:

a) struja struja koja prolazi kroz nit je

preslaba T>Tn,

b) ispravno podešeno pri č emu se ne može

razlikovati svijetlost niti od svjetlosti

posmatrane površine

c) na prejakoj struji nit je svijetlija od

pozadine T<Tn.

Koeficijent emisije referentne niti ima vrijednost 1, ali za mjereni objekt treba uzetivrijednost monohromatskog faktora emisije. U gornji izraz uvrstimo Planckove formulenavedene u dijelu o elektromagnetnom zračenju (5.1. Elektromagnetno zračenje):

( )

−⋅

=

−⋅

⋅

⋅⋅ 11 0

2

0

2

5

1

5

10

n T

C

o

T

C

o

C C

λ λ ε λ ε λ

λ ε .

Dijeljenjem obje strane sa istim faktorima dobije se:

( ) 11 0

2

0

2

0 −=

−⋅ ⋅⋅ T

C

T

C

n λ λ ε ε λ ε .

Zanemare li se vrijednost konstante u odnosu na mnogo veću vrijednost eksponencijalnefunkcije, i nakon toga ako se logaritmira izraz, dobija se konačna formulu zaizračunavanje temperature objekta T za izmjerenu vrijednost temperature niti T n :

( )( )02

0 ln11

λ ε λ

⋅+=C T T n

.

Postoje dvije osnovne izvedbe kojeomogućavaju poređenje intenzitetazračenja. Prva metoda je da se zagrijavanjeniti može podešavati, dok se ne izjednači saintenzitetom svjetlosti izvora. Struja ili naponza zagrijavanje niti, a isto tako i položaj naklizaču potenciometra, mogu biti mjerilotemperature.

Drugom metodom se prigušuje intenzitetzračenja izvora i upoređuje s konstantnimintenzitetom svijetlosti niti. Ovdje se posebnizahtjevi postavljaju na nit i optiku, jer semoraju izbjeći razni efekti refleksije isavijanja svjetla.

a b c

Slika 6.7. Izvedbe optič kih pirometara




6.2.2. Fotoelektrički pirometri

Da bi se izbjegli štetni utjecaji apsorpcije toplotnog zračenja, koju vrše CO2 i vodena paraupotrebljavaju se fotoelektrički pirometri. Kao detektor kod ovih pirometara služi fotoćelija.Otklanjanje utjecaja apsorpcije postiže se na taj način da se spektralna osjetljivostfotoćelije smanji u onim oblastima spektra u kojima se utjecaj apsorpcije može mjeriti.

Neki tipovi pirometra ne koriste čitav spektar toplotnog zračenja, a ne koriste ni ukupnuenergiju koja je proporcionalna četvrtom stepenu apsolutne temperature.

Primjenom staklenih sočiva eliminiraju se sve valne dužine veće od oko 2,5µm, afotoelektrički pirometri eliminiraju još veću oblast.

Ako je greška zbog apsorpcije kod pirometara s ogledalom (pirometar na principuukupnog zračenja) iznosila 50°C, na temperaturi od 1700°C, ona je kod pirometara slećama iznosi 40°C, a kod fotoelektričkih pirometara samo 15°C.

6.2.3. Piroimetar na boje

Pored spomenutih metoda utvrđivanja temperature mjerenjem energije i intenzitetazračenja, u praksi se primjenjuje još jedna metoda, kojom temperaturu utvrđujemo takoda određujemo odnos između dvije oblasti spektra. Unutar cijelog spektra toplotnogzračenja crnog tijela odnos energije zračenja između dvije uske spektralne oblasti (npr.crvena i zelena) jednoznačna je funkcija temperature. Kada se intenzitet zračenja crnog ilisivog tijela oslabi za neki proporcionalni koeficijent, odnos intenziteta zračenja odabranihfrekvencija ostaje nepromijenjen, odnosno mjerenje je nezavisno od stepena prigušenja.

Pirometri na boje rade najčešće s bikromatski obojenim klinom. Svjetlost filtriranogzračenja upoređuje se sa svjetlošću jedne referentne sijalice. Položaj bikromatskog klina je mjerilo za temperaturu. Ovi instrumenti se primjenjuju pri temperaturama od 1000°C do2000°C.

6.3. Zaključak

Radijacijski termometri svojim područ jem primjene odlično nadopunjuju termometre. Primjerenju temperature detektor kontaktnih termometra mora doći u dodir sa mjernimmedijem. U nekim slučajevima to je neriješiv problem. Međutim, to ne vrijedi samo za vrlovisoke temperature. Nekada je potrebno mjeriti temperaturu nekih agresivnih medija, pričemu kontakt nije poželjan, a teško je realizovati prenos toplote sa rotirajućih dijelovastrojeva na detektor kontaktnih termometra. U tom slučaju, gdje detektor iz bilo kojegrazloga ne može ili ne smije dodirivati mjerni medij, toplotno zračenje ostavlja mogućnostza mjerenje. Za razliku od ostalih termometara, pirometri se primjenjuju uspješno primjerenju vrlo visokih temperatura.

Oni imaju i nekoliko nedostataka, koji uglavnom proizlaze iz činjenice da emisionikoeficijent varira u vrlo širokom rasponu i da, osim od vrste materijala, zavisi i od kvalitetepovršine izvora toplotnog zračenja.

Na nižim temperaturama svakako su pouzdanije razne vrste kontaktnih termometara.




7. Poluvodički ili termistorski termometri

7.1. Princip rada

Uticaj temperature na električki otpor poluprovodnika poznat je još od Faradejeviheksperimenata sa srebrnim sulfidom, 1835 godine. Poluprovodnici sa stabilnijimkarakteristikama dobiveni su znatno kasnije, a njihova primjena, pod nazivom termistori,počinje tek oko 1940 godine.

Provodnici i poluprovodnici imaju različit mehanizam prenosa naelektrisanja umaterijalu. Kod metala naelektrisanje se prenosi kretanjem elektrona što dovodi do

povećana temperature, pri čemu se povećava električni otpor zbog intenzivnijegraspršenja nosioca naelektrisanja na kristalnoj rešetci.

Kod poluprovodnika prenos naelektrisanja je limitiran brojem nosilaca naelektrisanja.Povećanjem temperature dolazi da prelaza nosioca naelektrisanja iz nižih energetskinivoa u vodljivi nivo tako da povećanje temperature kod termistora smanjuje električniotpor što je i prikazano na sliici 7.1.

Zavisnost električnog otpora provodnika od temperature teško je teoretski izvesti sadovoljnom tačnošću za široki mjerni opseg, pa se zbog toga koriste aproksimacije saparametrima procijenjenim metodom najmanjih kvadrata. Najčešće se upotrebljavapolinomna aproksimacija:

( ) ( ) ( ) ( )n T T T T T T R T R 02

000 ...1 −++−⋅+−⋅+= β α

Pri čemu je 0T referentna temperatura, najčešće 0°C, a 0R je referentni otpor na toj

temperaturi. Parametri α ,β i stepen aproksimacije n određuju se tako da se postignemaksimalna točnost i pouzdanost aproksimacije.

Slika 7.1. Prikaz promjene relativnog otpora metala i poluprovodnika u temperaturnom područ ju od 200 do 1000 K.




Zavisnost otpora termistora od temperature može se izraziti eksponencijalnom jednačinom:

( )

−

⋅= 0

11

0T T

B

e R T R ,

gdje je: R – otpor termistora, T – apsolutna temperatura termistora, B – koeficijentkonstantan za dati termistor, 0R – otpor datog termistora na 20°C. Tipična vrijednost

otpora 0R je 3 – 20 kΩ na temperaturi od 300 K.Nominalna vrijednost otpora termistora mjeri se na 20°C. Dopušteno odstupanje otporapojedinih termistora od nominalne vrijednosti iznosi ± 20%. Temperaturni koeficijent zapojedine proizvodne serije termistora istoga tipa može iznositi do ±0,2%. Ovako velikaodstupanja stvaraju niz poteškoća u primjeni termistora, a naročito u njihovim serijskim iparalelnim spojevima.

Svi termistori koji se koriste u praksi imaju negativan temperaturni koeficijent. Upodruč ju oko sobne temperature taj koeficijent varira od 1 do 5% po jednom stepenuCelzijusa. Pri -60°C vrijednost temperaturnog koeficijenta je dvostruka, a pri 150°Csmanjuje se na polovinu.

Raspon nominalnih otpora termistora kreće se u granicama od 1 kΩ do 1000kΩ.

7.2. Izvedba termistora

Poluprovodnički elementi materijal za termistore obično se sastoji od oksida nekog me-tala ili mješavine tih oksida. Radi čvrstoće izvedbe, taj materijal se nanosi u vrlo tankimslojevima na keramičku podlogu, a električki kontakt se ostvaruje pomoću provodnikaučvršćenih na različite načine za tu podlogu.

Slika 7.2. Prikaz uobič ajnih izvedbi termistora




Dimenzije termistora su vrlo male. Termistori se zaštićuju na različite načine, a često sestavljaju u staklene obloge i drže pod vakuumom.

Jedan od velikih nedostataka termistora jest njihova nestabilnost odnosa temperatura –otpor. Taj odnos se s vremenom mijenja, to brže, što je temperatura kojoj je termistorizložen viša.

Na slici 7.3. prikazana je zavisnost promjene otpora od vremena trajanja izlaganjatermistora pri temperaturi od 105°C. Ako termistor izložimo konstantnoj temperaturi,njegov će se otpor za godinu dana povećati prosječno za oko 1%. Temperaturnopodručije primjene termistora ograničeno je raznim fizikalnim pojavama. Ono običnoiznosi od 100°C do 400°C.

Termistori se odlikuju posebnim karakekteristikama tako da su naročito prikladni zamjerenja gdje je potrebno postići vrlo male vremenske konstante i veliku osjetljivost

mjernog signala. Pri proizvodnji termistora koriste se mješavine sulfida, selenida ioksida kao što su Mg, Ni, Co, Cu, Fe itd. Ove mješavine se presaju u različite oblike,kao što su: kuglice, štapići, pločice itd.

Osjetljivost mjernog signala termistora je vrlo velika. Uobičajena vrijednost iznosi od 1pa do 500 Ω /K na temperaturi od 0°C.

Među glavne osobine termistora ubrajaju se:

− veliki otpor,

− velika osjetljivost mjernog signala,

− nelinearna funkcija,

− mala vremenska konstanata (postojeizvedbe sa τ ≈ 1 ms),

− mala jačina struje (manja opterećenja),I < 10 µA,

− reproduktivnost temperature ±0,01°C.

Slika 7.3. Kriva 1 prikazuje promjenu specifič nog otpora termistora izrađ enog od oksidamangan-nikla, u zavisnosti od vremena upotrebe. Kriva 2 se odnosi na oksid mangan - kobalt

Slika 7.3. I vedbe i oblici termistora




7.3. Primjena termistora

Budući da se kod termistora radi o promjeni otpora s temperaturom, na mjerenjetemperature mogu se primijeniti iste metode kao i pri otporničkim termometrima.Osjetljivost mjerenja pomoću termistora vrlo je velika, jer termistori imaju veliktemperaturni koeficijent.

Termistori se koriste i za termometre sa zračenjem. Njihove male dimenzije i mali toplotnikapacitet, te veliki specifični otpor, daju im u ovoj primjeni niz prednosti.

Brzina odziva termistorskih termometara, kao što je već rečeno, vrlo je velika. Za specijalne svrhe se grade termistori sbrzinom odziva od nekoliko milisekundi do jedne sekunde.

Male dimenzije termistora, njihova jednostavna konstrukcija ivelik specifični otpor znatno olakšavaju mjerenje temperatureu mnogim slučajevima gdje se to s drugim metodama moževrlo teško provesti.

Termistori se koriste i kao “enzim – termistori" za mjerenje

koncentracije produkata tokom fermentacije.

Enzim – termistor sastoji se od poroznog zrna na koji je vezanenzim koji katalizira specifičnu reakciju koja služi za dobivanje mjernog signala.

Uglavnom se koriste enzimi oksidaze kojima se oksidiraju pojedine komponenete. Enzim je vezan u porama poroznog zrna i tijekom oksidacije se oslobađa toplota zbog kojedolazi do rasta temperature u središtu zrna u odnosu na okolinu. Temperaturnopovećanje je proporcionalno brzini enzimske reakcije, a brzina reakcije je funkcijakoncentracije, određena sa Michaelis – Mentenovim kinetičkim modelom. U središtu senalazi osjetljivi termistor tako da se otpor termistora, odnosno temperatura koristi kao

mjerni signal koncentracije.

Slika 7.4. Primjer primjene termistora u

termostatima



Literatura

Knjige

Filip Čorlukić, Mjerenje temperature u industriji, Zagreb, 1966,

Miroslav pavlović, Opšta razmatranja o mernim sistemima i instrumentima, Niš, 1980,

Internetwww.fsb.hr/termolab/nastava/IC%20prezentacija_FSB.pps,

www.fe.untz.ba/nastava/file.php/1/Materijali_u_elektrotehnici/poluvodicki_materijali.ppt,

http://helix.chem.bg.ac.yu/~manojlo,

www.fsb.hr/termolab/nastava,

http://www.riteh.hr/zav_katd_sluz/zvd_teh_term_energ/obv/INFRACRVENA%20TERMOGRAFIJA_VJEZBE_FSB.pdf,

http://www.pbf.hr/labmra,

http://www.fsb.hr/termolab/nastava/Infracrvena%20termografija_Vjezbe_FSB_Boras.pdf,http://www.reotemp.com/index.php?option=displaypage&Itemid=211&op=page&PHPSESSID=b432fb6c2a114c33c4e55771e8080252,

http://www.fsb.hr/termolab/nastava/Kulturna%20bastina_Boras_1.pdf.

mjerenje temperature u industriji amer avdic

Documents