Back to the topics list

termometri

Termometar je uređaj koji mjeri temperaturu ili temperaturni gradijent, koristeći niz različitih principa. Termometar ima dva važna elementa – temperaturni senzor u kojem se događa neka fizička promjena s fizičkom temperaturom, npr. žarulja na živinom termometru i opruga ili neki drugi način pretvaranja ove fizičke promjene u vrijednost npr. skala na živinom termometru.

Postoje različite vrste termometara.

1. Tekućina u staklenim termometrima

Tekućina u staklenom termometru koristi varijaciju u volumenu tekućine u temperaturi. Koriste činjenicu da se većina tekućina zagrijavanjem širi. Tekućina se nalazi u zatvorenoj staklenoj balulji, a njezino širenje se mjeri pomoću skale urezane u držač termometra. Kao što znamo da se termometar tada ne širi kao fizičko svojstvo, koristi varijaciju duljine tekućine s temperaturom.

Tekućine koje se obično koriste u termometrima s tekućinom u staklu su živa i alkohol. Na temelju upotrijebljene tekućine dijele se na dvije vrste: termometri sa živom u staklu i termometri za alkohol u staklu.

Tekućina u staklenom termometru sastoji se od dva osnovna dijela:

• Žarulja: djeluje kao spremnik u kojem se nalazi tekućina čiji se volumen mijenja s temperaturom. Žarulja također djeluje kao senzor ili mjerač koji je umetnut u tijelo čija se temperatura mjeri.
• Stabljika: Sadrži skalu koja mjeri temperaturu i kapilaru kroz koju se tekućina može širiti i skupljati.

prednosti:

• Jeftini su za proizvodnju
• Jednostavni su za nošenje i rukovanje

nedostaci:

• Oni imaju veliki toplinski kapacitet i nisu dovoljno osjetljivi, odnosno ne mogu mjeriti brze promjene temperature.

1.1. Živin termometar u staklu

Izmislio ih je njemački fizičar Daniel Gabriel Fahrenheit.

Ovaj termometar se sastoji od žive u staklenoj cijevi. Kalibrirane oznake na cijevi omogućuju očitavanje temperature prema duljini žive unutar cijevi. Duljina žive unutar cijevi varira ovisno o temperaturi. Kako bi se povećala osjetljivost, obično se na kraju termometra nalazi žarulja žive koja sadrži većinu žive; širenje i kontrakcija ovog volumena žive su oni pojačani u mnogo užem provrtu cijevi. Prostor iznad žive može biti ispunjen dušikom ili može biti vakuum.

Živin termometar u staklu pokriva širok raspon temperatura od - 38 °C do 356 °C, iako uvođenje plina u instrument može povećati raspon na 600 °C ili više.

Prednosti termometra sa živom u staklu

• Živa je prirodno neprozirna tekućina (srebro). To znači da se može izravno koristiti u svom čistom obliku.
• Živa ne vlaži staklo. Kada se kreće gore-dolje u kapilari, jaka kohezivna svojstva žive ne dopuštaju joj da ostavi bilo kakve tragove unutar kapilare.
• Živa je tekući metal. Kao metal, ima visoka provodljiva svojstva koja mu omogućuju osjetljivost od termometra za alkohol u staklu.

Nedostaci termometra sa živom u staklu

• Živa predstavlja potencijalnu toksičnu opasnost ako staklena posuda pukne.

1.2. Termometar za alkohol u staklu

Kao tekućina koristi etilni alkohol, toluen i tehnički pentan koji se može koristiti do -200 °C. Njegov raspon je od -200°C do 80°C, iako raspon obično jako ovisi o vrsti alkohola koji se koristi.

Prednost: Njegova najveća prednost je što može mjeriti vrlo niske temperature.

Nedostatak: Kako je alkohol proziran, potrebna mu je boja da bi bio vidljiv. Boje imaju tendenciju da dodaju nečistoće koje možda nemaju isti temperaturni raspon kao alkohol. To otežava čitanje, posebno na granicama svake tekućine. Također, alkohol vlaži staklo.

2. Otporni termometar

Otporni termometar ili detektor temperature otpora (RTD) koristi otpor električnog vodiča za mjerenje temperature. Otpor vodiča se mijenja s vremenom. Ovo svojstvo vodiča koristi se za mjerenje temperature. Glavna funkcija RTD-a je dati pozitivnu promjenu otpora s temperaturom.

Metal ima visokotemperaturni koeficijent što znači da njihova temperatura raste s porastom temperature. Ugljik i germanij imaju niskotemperaturni koeficijent koji pokazuje da je njihov otpor obrnuto proporcionalan temperaturi.

Otporni termometar koristi osjetljivi element izrađen od iznimno čistih metala poput platine, bakra ili nikla. Otpor metala izravno je proporcionalan temperaturi. Uglavnom se platina koristi u otpornom termometru. Platina ima visoku stabilnost i može izdržati visoke temperature.

Zlato i srebro se ne koriste za RTD jer imaju nisku otpornost. Volfram ima visoku otpornost, ali je izrazito krhak Bakar se koristi za izradu RTD elementa jer ima nisku otpornost, a također je i jeftiniji. Jedini nedostatak bakra je što ima nisku linearnost. Maksimalna temperatura bakra je oko 120oC.

RTD materijal je izrađen od platine, nikla ili legura nikla. Žice od nikla koriste se za ograničen temperaturni raspon, ali su prilično nelinearne.

Sljedeći su zahtjevi za vodiče koji se koriste u RTD-ovima

• Otpornost materijala je velika tako da se za konstrukciju koristi minimalni volumen vodiča

• Promjena otpora materijala u odnosu na temperaturu treba biti što veća.

• Otpornost materijala ovisi o temperaturi

Otporni termometar je smješten unutar zaštitne cijevi radi zaštite od oštećenja. Otporni element se formira postavljanjem platinaste žice na keramičku špulicu. Ovaj otporni element smješten je unutar cijevi koja je izrađena od nehrđajućeg čelika ili bakrenog čelika.

Vodovodna žica služi za spajanje otpornog elementa s vanjskim vodom. Vodovodna žica je prekrivena izoliranom cijevi koja ga štiti od kratkog spoja. Keramički materijal se koristi kao izolator za visokotemperaturne materijale, a za niskotemperaturna vlakna ili staklo.

Otporni termometri polako zamjenjuju termoelemente u industrijskim aplikacijama s mnogo nižim temperaturama (ispod 600 °C). Otporni termometri dolaze u brojnim konstrukcijskim oblicima i nude veću stabilnost, točnost i ponovljivost. Otpor ima tendenciju da bude gotovo linearan s temperaturom.

Prednosti

• Ovisno o metalu koji se koristi, otporni termometri mogu pokriti široke temperaturne raspone. Maksimalne vrijednosti općenito se odnose na talište korištenog metala.
• Varijacija otpora s temperaturom stabilna je u širokom temperaturnom rasponu.
• Jako precizno

nedostaci:

• U usporedbi s tekućim u staklenim termometrima, oni su obično skupi.
• Za mjerenje temperature potrebna je druga oprema
• Pokazuju veliki toplinski kapacitet pa nisu osjetljivi na temperaturne promjene, što znači da se ne mogu koristiti za mjerenje brzih promjena temperature

3. Termoparovi

Termoparovi su senzori sastavljeni od dva metala koji stvaraju elektromotorne sile (EMF) ili napone kada postoje temperaturne razlike između njih. Količina proizvedenog napona ovisi o tim razlikama. Termoparovi rade na principu Seebeckovog efekta.

Seebackov efekt otkrio je njemački liječnik koji je postao fizičar Thomas Johann Seebeck. Otkrio je da kada je proizveo niz krugova formiranjem spoja dvaju različitih metala, pri čemu je jedan metal na višoj temperaturi od drugog, bio u stanju generirati napon. Što je razlika veća, to je veći napon, a otkrio je da su rezultati neovisni o obliku metala.

Termopar se sastoji od spoja kojeg čine dvije metalne legure. Jedan dio spoja postavljen je na izvor čija se temperatura mjeri, dok se drugi kraj održava na konstantnoj referentnoj temperaturi u skladu s nultim zakonom termodinamike. Stariji termoparovi koriste ledene kupke kao izvor temperature, ali moderni koriste senzor temperature u čvrstom stanju.

Termoparovi su vrijedni u znanosti i inženjerstvu zbog svoje točnosti, brzog vremena reakcije, male veličine i sposobnosti mjerenja ekstremnih temperatura. Potonja sposobnost temelji se na korištenim kombinacijama metala; kombinacija nikla i nikla može mjeriti -50 °C do 1410 °C, dok kombinacija renija i renija može mjeriti 0 °C do 2315 °C. Najčešće kombinacije su željezo-konstantan, bakar-konstantan i kromel-alumel. Nedostaci termoelementa su to što proizvedeni signali možda nisu nelinearni i stoga ih je potrebno pažljivo kalibrirati.

4. Plinski termometar

Plinski termometar mjeri temperaturu varijacijom volumena ili tlaka plina. Plinski termometri najbolje rade na vrlo niskim temperaturama.

Postoje dvije glavne vrste plinskih termometara – jedan radi s konstantnim volumenom, a drugi s konstantnim tlakom.

• Plinski termometar konstantnog volumena: Obično se sastoji od žarulje napunjene fiksnom količinom razrijeđenog plina koja je pričvršćena na živin manometar. Manometar se koristi za mjerenje varijacije tlaka. Ovaj termometar funkcionira prema Charlesovom zakonu koji kaže da kada se temperatura idealnog plina poveća, dolazi do odgovarajućeg povećanja tlaka. Također, kada se temperatura smanji, shodno se smanjuje i tlak. Ovako plinski termometar konstantnog volumena prati porast temperature s promjenom tlaka dok volumen ostaje konstantan. Ove vrste termometara koriste se u kalibraciji raznih drugih termometara.
• Plinski termometar s konstantnim tlakom: Plinski termometar konstantnog tlaka temelji se na odnosu između varijacija volumena s odgovarajućim varijacijama temperature dok tlak procesa ostaje konstantan. Plinski termometar s konstantnim tlakom funkcionira prema Gay-Lussacovom zakonu ili zakonu tlaka koji kaže da je za danu masu i konstantan volumen idealnog plina, tlak koji se vrši na stranama njegovog spremnika izravno proporcionalan njegovoj apsolutnoj temperaturi. Sastoji se od duge, tanke staklene cijevi s poznatom konstantnom masom zraka i žive zatvorene iznutra gumenim čepom. Takvi se procesi nazivaju izobarski procesi. Cijev, zrak i živa tada su okruženi većom, otvorenom cijevi kroz koju tekućina ili plin mogu slobodno proći. Pri promjeni temperature unutarnje cijevi, zrak se širi ili skuplja, pomičući živu duž cijevi. Mjerenje količine gibanja žive daje nam odnos prema tome koliko se ona proširila na određenim temperaturama.

5. Pirometar

Pirometar je vrsta termometra koji se koristi za mjerenje visokih temperatura. Koristi se za mjerenje temperature bez ikakvog fizičkog kontakta. Koristi se za mjerenje tjelesne temperature mjerenjem njegovog elektromagnetskog zračenja.

Njegov princip ovisi o odnosu između temperature vrućeg tijela i elektromagnetskog zračenja koje tijelo emitira. Kada se tijelo zagrije, ono emitira toplinsku energiju poznatu kao toplinsko zračenje. To je tehnika za određivanje tjelesne temperature mjerenjem njegovog elektromagnetskog zračenja.

Optički pirometar - Optički pirometar je uređaj za mjerenje temperature bez kontakta. Radi na principu usklađivanja svjetline objekta sa svjetlinom niti koja se nalazi unutar pirometra. Optički pirometar se koristi za mjerenje temperature peći, rastaljenih metala i drugih pregrijanih materijala ili tekućina. Nije moguće mjeriti temperaturu jako zagrijanog tijela pomoću instrumenta kontaktnog tipa. Stoga se za mjerenje njihove temperature koristi beskontaktni pirometar.

Prednosti optičkog pirometra

• Optički pirometar ima visoku točnost
• Temperatura se mjeri bez kontakta sa zagrijanim tijelom. Zbog ovog svojstva, pirometar se koristi za brojne primjene

Nedostaci optičkog pirometra

• Rad pirometra ovisi o intenzitetu svjetlosti koju emitira zagrijano tijelo. Pritom se pirometar koristi za mjerenje temperature koja ima temperaturu veću od 700 °C. Točnost pirometra ovisi o podešavanju struje žarne niti. Također, pirometar se ne koristi za mjerenje temperature čistih plinova.

Razlika između kliničkog i laboratorijskog termometra