Czujniki do pomiaru temperatury.

Układem pomiarowym do czujników rezystancyjnych jest mostek Wheatstone'a.

W stanie równowagi mostka napięcie wyjściowe U_wyj=0. Gdy następuje zmiana temperatury czujnika (powodując zmianę jego rezystancji), na wyjściu mostka pojawi się napięcie Uwyj proporcjonalne do zmiany temperatury. Czujniki rezystancyjne stosuje się w praktyce w zakresie pomiarowym nie większym niż ok. 300^oC.

Parametry termorezystorów:

2. Termoelementy.

W nazwach termoelementów na pierwszym miejscu podaje się elektrodę dodatnią. Najczęściej stosowane są następujące termoelementy:

• Platynorod - platyna PtRh - (0-1800^oC)
• Chromel - nikiel NiCr - (0-1250^oC)
• Żelazo- Konstantan - Fe-konstantan - (-200-700^oC)
• Miedź - Konstantan - Cu-konstantan - (0-400^oC)

1. Przy bliskich odległościach najlepiej woltomierz podłączać bezpośrednio za pomocą przewodów wykonanych z takich samych materiałów jak termoelementy lub przewodami miedziowymi.
2. Przy pomiarach przemysłowych, gdzie odległość obiektu badanego jest duża w stosunku do miernika stosuje się specjalne przewody kompensacyjne, które można kupić łącznie z termoelementem.

Termoelement (termopara) to para drutów wykonanych z różnych metali (lub stopów) i połączonych na końcach za pomocą spawania, zgrzewania, lutowania lub skręcania. Na złączu tych drutów powstaje różnica potencjałów. Termopary odznaczają się dużą niezawodnością, dokładnością i elastycznością konstrukcji co pozwala na ich zastosowanie w różnych warunkach. Materiały wykorzystywane do budowy termoelementów powinny w miarę możliwości posiadać:

• wysoką temperaturę topnienia
• dużą odporność na czynniki zewnętrzne
• małą rezystywność
• wysoką temperaturę pracy ciągłej
• mały współczynnik cieplny rezystancji
• niezmienność parametrów w czasie W praktyce działanie termopar opiera się na zjawiskach Seebecka, Peltiera i Thomsona. Najistotniejsze jest zjawisko Seebecka i polega ono na powstawaniu siły elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w miejscu styku dwóch metali lub półprzewodników o różnych temperaturach, w zamkniętym obwodzie termoelektrycznym.

Przykładowy układ do pomiaru temperatury za pomocą termopary przedstawia poniższy schemat:

T_m - temperatura mierzona przez termoelement
T₀ - temperatura w punkcie odniesienia
C - przewody kompensacyjne.

Wartość mierzonego napięcia zależy tutaj od temperatury obu złącz termoelektrycznych i jest ona w przybliżeniu proporcjonalna do różnicy temperatur obu złącz. Złącze odniesienia umieszcza się w stałej temperaturze i na ogół jest to 0^oC. Wykorzystuje się do tego celu kąpiele lodowe lub niewielkie pudełka ze stabilizowaną temperaturą wnętrza.

Parametry termoelementów:

3. Diody półprzewodnikowe.

4. Czujniki kwarcowe.

F_T=f_o(1+kDT)

Dokładność czujnika to 0,001K.

5. Pirometry.

Pirometry są to przyrządy do pomiaru temperatury, w których wykorzystywana jest zależność między wypromieniowaną energią a temperaturą. Wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się moc ogólna promieniowania oraz moc promieniowania w poszczególnych długościach fal. Jednocześnie maksimum mocy emitowanej przesuwa się w kierunku fal krótkich. Wykorzystując te zależności powstały trzy podstawowe rodzaje pirometrów: radiacyjne, monochromatyczne i bichromatyczne. Głównym elementem każdego z tych pirometrów jest przetwornik energii promienistej na sygnał elektryczny. Stosowane są przetworniki fotoelektryczne zamieniające bezpośrednio energię promieniowania na sygnał elektryczny oraz przetworniki, w których następuje zamiana energii promieniowania na energię cieplną. W tych ostatnich przetwornikach energia promieniowania jest odbierana przez płytkę absorpcyjną, powodując jej ogrzewanie. Temperatura płytki ustali się na takiej wartości, przy której nastąpi równowaga między mocą absorbowaną a chłodzeniem i stratami energetycznymi płytki. Przyrost temperatury płytki jest następnie mierzony termoelementami lub termorezystorami. Dla zwiększenia czułości termoelementy łączone są szeregowo po kilka sztuk tworząc tzw. termostosy, umieszczone na ogół w ochronnych, próżniowych lub wypełnionych gazem szlachetnym bańkach szklanych. Spełniają one wówczas jednocześnie rolę płytek absorpcyjnych. Termiczne przetworniki promieniowania z termorezystorami (metalicznymi lub półprzewodnikowymi) znane są pod nazwą bolometrów. W pirometrach radiacyjnych (zwanych również pirometrami promieniowania całkowitego) temperatura obiektu badanego jest określana na podstawie pomiaru mocy promieniowania w całym paśmie, od podczerwieni do nadfioletu. Zależnie od rodzaju użytego przetwornika promieniowania rozróżniamy pirometry radiacyjne termoelektryczne i fotoelektryczne. Pirometry radiacyjne używane są, do pomiarów temperatury wewnątrz pieców przemysłowych oraz temperatury powierzchni ciał w z akresie 400... 2 500 C. Praktyczna dokładność pomiarów pirometrami radiacyjnymi wynosi ok. 2%. W pirometrach monochromatycznych promieniowanie od obiektu badanego przechodzi przez filtr, tak że do przetwornika promieniowania dociera strumień monochromatyczny. Pirometry te, budowane jako odchyłowe lub autokompensacyjne, stosowane są w hutach, walcowniach itd. w zakresie temperatury 450...3500'C. Odchyłowe pirometry monochromatyczne różnią się od radiacyjnych obecnością filtru na drodze promieniowania; Promieniowanie od obiektu badanego pada na umieszczony za filtrem jednobarwnym przetwornik fotoelektryczny na zmianę z promieniowaniem żarówki. Elementem przełączającym jest wirujący krążek, na którym umieszczono przemiennie wycinki przezroczyste i zwierciadlane. Jeżeli strumień promieniowania żarówki różni się od strumienia pochodzącego z obiektu badanego, powstaje składowa zmienna oświetlenia, a więc również składowa zmienna sygnału wyjściowego fotoelementu. Ta składowa zmienna po wzmocnieniu steruje prądem żarówki tak, aby wyrównać strumienie promieniowania obu źródeł. Sygnałem wyjściowym układu jest prąd żarówki. Pirometry monochromatyczne są dokładniejsze niż radiacyjne, za ich pomocą można mierzyć temperaturę z dokładnością ok. 1%. Odległość od pirometru do obiektu badanego może wynosić 0,5...10 m. W pirometrach bichromatycznych (dwubarwnych) mierzone są i porównywane ze sobą dwie składowe promieniowania (najczęściej czerwona i niebieska). Pirometry te stosowane są do pomiaru temperatury w zakresie 800...2800°C; można nimi dokonywać pomiarów z dokładnością ok. 1%.