Back to the topics list

termometry

Termometr to urządzenie, które mierzy temperaturę lub gradient temperatury, stosując różne zasady. Termometr ma dwa ważne elementy – czujnik temperatury, w którym następuje fizyczna zmiana wraz z temperaturą fizyczną, np. bańka termometru rtęciowego i sprężyna lub inny sposób przekształcenia tej zmiany fizycznej w wartość, np. skala termometru rtęciowego.

Istnieją różne rodzaje termometrów.

1. Ciecz w termometrach szklanych

Ciecz w szklanym termometrze wykorzystuje zmianę objętości cieczy w temperaturze. Wykorzystują fakt, że większość płynów rozszerza się podczas ogrzewania. Płyn znajduje się w szczelnie zamkniętej szklanej bańce, a jego rozszerzalność mierzy się za pomocą skali wyrytej na trzpieniu termometru. Jak wiemy, termometr nie rozszerza się wtedy jako właściwość fizyczna wykorzystuje zmianę długości cieczy wraz z temperaturą.

Ciecze powszechnie stosowane w szklanych termometrach to rtęć i alkohol. W zależności od zastosowanej cieczy są one dwojakiego rodzaju: termometry rtęciowe w szkle i termometry alkoholowe w szkle.

Ciecz w termometrze szklanym składa się z dwóch podstawowych części:

• Żarówka: Działa jak zbiornik utrzymujący ciecz, której objętość zmienia się wraz z temperaturą. Żarówka działa również jako czujnik lub miernik, który jest wkładany do ciała, którego temperatura ma być mierzona.
• Trzonek: zawiera skalę mierzącą temperaturę i kapilarę, przez którą ciecz może odpowiednio rozszerzać się i kurczyć.

Zalety:

• Są tanie w produkcji
• Są łatwe do przenoszenia i obsługi

Niedogodności:

• Zwykle mają duże pojemności cieplne i nie są wystarczająco czułe, to znaczy nie mogą mierzyć szybkich zmian temperatury.

1.1. Rtęć w szklanym termometrze

Zostały one wynalezione przez niemieckiego fizyka Daniela Gabriela Fahrenheita.

Ten termometr składa się z rtęci w szklanej rurce. Skalibrowane znaczniki na rurce umożliwiają odczyt temperatury na podstawie długości słupka rtęci w rurce. Długość rtęci w rurce zmienia się w zależności od temperatury. Aby zwiększyć czułość, na końcu termometru znajduje się zwykle bańka rtęci, która zawiera większość rtęci; rozszerzanie się i kurczenie tej objętości rtęci są wzmacniane w znacznie węższym otworze rurki. Przestrzeń nad rtęcią może być wypełniona azotem lub może to być próżnia.

Termometr rtęciowy w szkle obejmuje szeroki zakres temperatur od -38°C do 356°C, chociaż wprowadzenie gazu do przyrządu może zwiększyć zakres do 600°C lub więcej.

Zalety termometru rtęciowego w szkle

• Rtęć jest naturalnie nieprzezroczystą cieczą (srebro). Oznacza to, że można go bezpośrednio wykorzystać w czystej postaci.
• Rtęć nie zwilża szkła. Kiedy porusza się w górę iw dół w kapilarze, silne właściwości kohezyjne rtęci nie pozwalają na pozostawienie śladów wewnątrz kapilary.
• Rtęć jest ciekłym metalem. Jako metal ma wysokie właściwości przewodzące, dzięki czemu jest bardziej czuły niż termometr alkoholowy w szkle.

Wady termometru rtęciowego w szkle

• Rtęć stanowi potencjalne zagrożenie toksyczne w przypadku pęknięcia szklanego pojemnika.

1.2. Szklany termometr alkoholowy

Jako płyn wykorzystuje alkohol etylowy, toluen i techniczny pentan, który można stosować do -200°C. Jego zakres wynosi od -200°C do 80°C, chociaż zakres ten jest w dużym stopniu zależny od rodzaju użytego alkoholu.

Zaleta: Jego największą zaletą jest to, że może mierzyć bardzo niskie temperatury.

Wada: Ponieważ alkohol jest przezroczysty, wymaga barwnika, aby był widoczny. Barwniki mają tendencję do dodawania zanieczyszczeń, które mogą nie mieć takiego samego zakresu temperatur jak alkohol. Utrudnia to odczyt, zwłaszcza na granicach każdej cieczy. Ponadto alkohol zwilża szkło.

2. Termometr rezystancyjny

Termometr rezystancyjny lub rezystancyjny czujnik temperatury (RTD) wykorzystuje rezystancję przewodnika elektrycznego do pomiaru temperatury. Rezystancja przewodnika zmienia się w czasie. Ta właściwość przewodnika służy do pomiaru temperatury. Główną funkcją RTD jest zapewnienie dodatniej zmiany rezystancji wraz z temperaturą.

Metal ma wysoki współczynnik temperaturowy, co oznacza, że jego temperatura wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Węgiel i german mają współczynnik niskotemperaturowy, który pokazuje, że ich rezystancja jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury.

Termometr rezystancyjny wykorzystuje czuły element wykonany z niezwykle czystych metali, takich jak platyna, miedź lub nikiel. Opór metalu jest wprost proporcjonalny do temperatury. Najczęściej platyna jest stosowana w termometrze oporowym. Platyna ma wysoką stabilność i może wytrzymać wysoką temperaturę.

Złoto i srebro nie są używane do RTD, ponieważ mają niską rezystywność. Wolfram ma wysoką rezystywność, ale jest bardzo kruchy. Miedź jest używana do wykonania elementu RTD, ponieważ ma niską rezystywność, a także jest tańsza. Jedyną wadą miedzi jest to, że ma niską liniowość. Maksymalna temperatura miedzi wynosi około 120oC.

Materiał RTD jest wykonany z platyny, niklu lub stopów niklu. Druty niklowe są używane w ograniczonym zakresie temperatur, ale są dość nieliniowe.

Poniżej przedstawiono wymagania dotyczące przewodnika używanego w RTD

• Rezystywność materiału jest wysoka, więc do budowy wykorzystywana jest minimalna objętość przewodnika

• Zmiana rezystancji materiału pod wpływem temperatury powinna być jak największa.

• Odporność materiału zależy od temperatury

Termometr rezystancyjny umieszczony jest wewnątrz tuby ochronnej w celu zabezpieczenia przed uszkodzeniem. Element rezystancyjny powstaje poprzez umieszczenie platynowego drutu na ceramicznej szpuli. Ten element oporowy jest umieszczony wewnątrz rury, która jest wykonana ze stali nierdzewnej lub stali miedzianej.

Przewód służy do połączenia elementu oporowego z przewodem zewnętrznym. Przewód zasilający jest osłonięty izolowaną rurką, która chroni go przed zwarciem. Materiał ceramiczny jest używany jako izolator dla materiałów wysokotemperaturowych, a dla niskotemperaturowych stosuje się włókno lub szkło.

Termometry rezystancyjne powoli zastępują termopary w zastosowaniach przemysłowych o znacznie niższych temperaturach (poniżej 600°C). Termometry rezystancyjne są dostępne w wielu formach konstrukcyjnych i oferują większą stabilność, dokładność i powtarzalność. Rezystancja jest prawie liniowa wraz z temperaturą.

Zalety

• W zależności od użytego metalu, termometry rezystancyjne są w stanie pokryć szeroki zakres temperatur. Maksymalne wartości są ogólnie związane z temperaturami topnienia użytego metalu.
• Zmiana rezystancji wraz z temperaturą jest stabilna w szerokim zakresie temperatur.
• Bardzo dokładne

Niedogodności:

• W porównaniu do termometrów płynnych w szklanych termometrach są one zwykle drogie.
• Wymagać innego sprzętu do pomiaru temperatury
• Wykazują duże pojemności cieplne, przez co nie są wrażliwe na zmiany temperatury, co oznacza, że nie można ich używać do pomiaru gwałtownych zmian temperatury

3. Termopary

Termopary to czujniki złożone z dwóch metali, które generują siły elektromotoryczne (EMF) lub napięcia, gdy występują między nimi różnice temperatur. Wielkość wytwarzanego napięcia zależy od tych różnic. Termopary działają na zasadzie efektu Seebecka.

Efekt Seebacka został odkryty przez niemieckiego lekarza, który został fizykiem, Thomasa Johanna Seebecka. Odkrył, że kiedy stworzył serię obwodów, tworząc połączenie dwóch różnych metali, z jednym metalem o wyższej temperaturze niż drugi, był w stanie wygenerować napięcie. Im większa różnica, tym wyższe napięcie, i stwierdził, że wyniki były niezależne od kształtu metalu.

Termopara składa się ze złącza utworzonego przez dwa stopy metali. Jedna część złącza jest umieszczona na źródle, którego temperatura ma być mierzona, podczas gdy drugi koniec jest utrzymywany w stałej temperaturze odniesienia zgodnie z zerową zasadą termodynamiki. Starsze termopary wykorzystują kąpiele lodowe jako źródło temperatury, ale współczesne wykorzystują półprzewodnikowy czujnik temperatury.

Termopary są cenne w nauce i inżynierii ze względu na ich dokładność, szybki czas reakcji, niewielkie rozmiary i możliwość pomiaru ekstremalnych temperatur. Ta ostatnia umiejętność opiera się na zastosowanych kombinacjach metali; kombinacja niklu i niklu może mierzyć od -50 ° C do 1410 ° C, podczas gdy kombinacja renu i renu może mierzyć od 0 ° C do 2315 ° C. Najczęstsze kombinacje to żelazo-constantan, miedź-constantan i chromel-alumel. Wady termopar polegają na tym, że wytwarzane sygnały mogą nie być nieliniowe, dlatego należy je dokładnie skalibrować.

4. Termometr gazowy

Termometr gazowy mierzy temperaturę na podstawie zmian objętości lub ciśnienia gazu. Termometry gazowe najlepiej sprawdzają się w bardzo niskich temperaturach.

Istnieją dwa główne typy termometrów gazowych – jeden działający przy stałej objętości, a drugi przy stałym ciśnieniu.

• Termometr gazowy o stałej objętości: zwykle składa się z bańki wypełnionej stałą ilością rozcieńczonego gazu, która jest przymocowana do manometru rtęciowego. Manometr służy do pomiaru zmian ciśnienia. Ten termometr działa zgodnie z prawem Charlesa, które mówi, że wraz ze wzrostem temperatury gazu doskonałego następuje odpowiedni wzrost ciśnienia. Ponadto, gdy temperatura spada, ciśnienie również odpowiednio spada. W ten sposób termometr gazowy o stałej objętości śledzi wzrost temperatury wraz ze zmianą ciśnienia, podczas gdy objętość pozostaje stała. Tego typu termometry są używane do kalibracji różnych innych termometrów.
• Termometr gazowy o stałym ciśnieniu: Termometr gazowy o stałym ciśnieniu opiera się na zależności między zmianami objętości a odpowiadającymi im zmianami temperatury, podczas gdy ciśnienie procesu pozostaje stałe. Termometr gazowy o stałym ciśnieniu działa zgodnie z prawem Gay-Lussaca lub prawem ciśnienia, które stwierdza, że dla danej masy i stałej objętości gazu doskonałego ciśnienie wywierane na boki jego pojemnika jest wprost proporcjonalne do jego temperatury bezwzględnej. Składa się z długiej, cienkiej szklanej rurki o znanej stałej masie powietrza i rtęci zamkniętej wewnątrz gumowym korkiem. Takie procesy nazywane są procesem izobarycznym. Rura, powietrze i rtęć są następnie otoczone większą, otwartą rurą, przez którą może swobodnie przepływać ciecz lub gaz. Zmieniając temperaturę dętki, powietrze rozszerza się lub kurczy, przesuwając rtęć wzdłuż dętki. Pomiar ilości ruchu rtęci daje nam związek z tym, jak bardzo rozszerzyła się ona w określonych temperaturach.

5. Pirometr

Pirometr to rodzaj termometru służącego do pomiaru wysokich temperatur. Służy do pomiaru temperatury bez kontaktu fizycznego. Służy do pomiaru temperatury ciała poprzez pomiar jego promieniowania elektromagnetycznego.

Jego zasada zależy od związku między temperaturą gorącego ciała a promieniowaniem elektromagnetycznym emitowanym przez to ciało. Kiedy ciało jest ogrzewane, emituje energię cieplną znaną jako promieniowanie cieplne. Jest to technika określania temperatury ciała poprzez pomiar jego promieniowania elektromagnetycznego.

Pirometr optyczny - Pirometr optyczny jest bezkontaktowym urządzeniem do pomiaru temperatury. Działa na zasadzie dopasowania jasności obiektu do jasności żarnika, który jest umieszczony wewnątrz pirometru. Pirometr optyczny służy do pomiaru temperatury pieców, stopionych metali i innych przegrzanych materiałów lub cieczy. Nie jest możliwy pomiar temperatury silnie nagrzanego ciała za pomocą przyrządu kontaktowego. Stąd do pomiaru ich temperatury służy pirometr bezdotykowy.

Zalety pirometru optycznego

• Pirometr optyczny charakteryzuje się dużą dokładnością
• Temperaturę mierzy się bez kontaktu z ogrzanym ciałem. Ze względu na tę właściwość pirometr jest używany do wielu zastosowań

Wady pirometru optycznego

• Działanie pirometru uzależnione jest od natężenia światła emitowanego przez ogrzane ciało. W ten sposób pirometr służy do pomiaru temperatury o temperaturze wyższej niż 700°C. Dokładność pirometru zależy od ustawienia prądu żarnika. Pirometru nie stosuje się również do pomiaru temperatury gazów czystych.

Różnica między termometrem klinicznym a laboratoryjnym