102

3.2.6. INSTRUMENTI ZA MERENJE TEMPERATUREMerenje temperature ima poseban znaaj, jer je to procesna veliina kojom vrlo esto treba upravljati u pogonima procesne industrije, i to ne samo kod ureaja za prenos topote, ve vrlo esto i kod ureaja koji slue za prenos mase ili kod hemijskih reaktora. Postoje dva osnovna principa za merenje temperature: pomou dodirnih termometara, gde je osetni element u termikoj ravnotei sa sistemom ija se temperatura meri i pomou zranih pirometara kod kojih osetni element prima energiju zraenja zagrejanog tela ija se temperatura meri. U oba sluaja izlazni signal moe biti mehaniki, vizuelan ili elektrini. Prema principu koji koriste za pretvaranje temperature u neku vrstu signala, razlikujemo nekoliko osnovnih grupa dodirnih termometara: dilatacione, manometarske, termootporne termometre i termoelemente. Prve dve grupe daju kao izlaz mehaniki izlazni signal, a druge elektrini izlazni signal. Prema fizikim principima koji se koriste u instrumentima za merenje temperature, ovi instrumenti se mogu podeliti na vie grupa i podgrupa: 1. Dodirni termometri a) sa mehanikim izlaznim signalom - dilatacioni termometri (sa linearnom dilatacijom, sa zapreminskom dilatacijom) - manometarski termometri (sa gasovima, tenostima, parama) b) sa elektrinim izlaznim signalom - termometri sa promenom elektrinog otpora (metala, poluprovodnika, elektrolita) - termoelementi - termometri sa kvarcnim oscilatorom c) termometri bazirani na gasno-dinamikim i akustinim principima d) pirometri sa trajnom deformacijom e) termokolor termostati 2. Zrani pirometri a) pirometri sa ukupnim zraenjem - sa termoelementom - sa otpornim termometrom - sa fotoelijom b) pirometri sa deliminim zraenjem - na bazi uporeivanja svetline - sa fotoelijama c) pirometri za merenje raspodele zraene energije d) pirometri na bazi fototermometrije Pored navedenih principa merenja temperature, u nauci se koriste i mnogobrojni drugi principi koji se delimino upotrebljavaju i u laboratorijskim merenjima.

3.2.1 Dodirni termometriOvi termometri moraju da budu u neposrednom kontaktu sa medijumom ija se temperatura meri, i kod preciznih merenja temperatura osetnog elementa mora biti jednaka temperaturi radnog medijuma. Prema tome, ulazni signal osetnih elemenata ove grupe termometara je temperatura, a izlazni je pomeranje, tj. dilatacija, pritisak ili neka elektrina veliina.

103

3.2.1.1 Dilatacioni termometriDilatacioni termometri su dodirni termometri koji se se zasnivaju na linearnoj dilataciji vrstih tela ili na zapreminskoj dilataciji tenosti. U oba sluja, kao izlazni signal se dobija mehaniko pomeranje. Aproksimativni izrazi za promenu zapremine vrastih tela ili tenosti, kao I dimenzija vrstih tela, mogu se prkazati sledeim izrazima: Lt = L0 1 + t + t 2

(

)

i

Vt = V0 1 + t + t 2

(

)

Termometri sa linearnom dilatacijom Ovi termometri mere temperaturu na principu linearnih dilatacija, i razlikuju se tapni dilatacioni termometri i bimetalni dilatacioni termometri. tapni dilatacioni termometri. Koriste se za indikaciju temperatura u opsegu od -30 do 1000 C. Osetni element je tap (1) od metala koji se nalazi u cevi (2) od materijala sa manjim linearnim koeficijentom irenja (kvarc, porcelan). Relativne dilatacije ova dva materijala se prenose preko prenosne poluge 3 na ceo mehanizam preko prenosnih poluga 4, odnosno na kazaljku 5. Pored indikacije, mogu se koristiti i za otvaranje, odnosno zatvaranje kontakta releja, i na taj nain za dvopoloajnu regulaciju temperature u peima i sunicama. esto se primenjuju u hemijskoj industriji.

Slika - tapni dilatacioni termometar Bimetalni dilatacioni termometri. Osetni element je bimetalna traka, dobijena spajanjem dva metala sa razliitim koeficijentima linearnog irenja. Trake se prave ili spiralno savijene. Na jednom kraju trake se ukljetene a pomeranja slobodnog kraja predstavlja promenu temperature. Primenjuju se za merenje temperature u opsegu od -30 do 450 C. Mogu se koristiti za dvopoloajnu regulaciju temperature i za kompenzovanje uticaja promene temperature kod drugih instrumenata sa mehanikim izlaznim signalom (na primer kod Burdonovog manometra). Zbog prisustva dva metala i korozije ovi termometri nisu pogodni za merenje temperature u agresivnim sredinama i najee se upotrebljavaju za merenje temperature vazduha.

104

O

c

Slika - Bimetalni dilatacioni termometar I tapni i bimetalni dilatacioni termometri imaju relativno visoke greke (do 5%), pokazuju histerezis i promene karakteristika sa vremenom. Zapreminski dilatacioni termometri Ovi termometri se zasnivaju na zapreminskom irenju tenosti u staklenom ili kvarcnom sudu sa kapilarnom cevi. U ovo grupu termometara spadaju normalni stakleni termometri ispunjeni tenostima, najee ivom, koji slue sa merenja viih temperatura. Kapilara iznad ive, za merenje viih temperatura, je ispunjena inertnim gasom pod pritiskom, najee azotom. U domenu niih temperatura radi se sa ugljovodonicima i alkoholima. Najee koriene tenosti su: pentan (za temperature od -200 do +20 C), etanol (za temperature od -110 do +50 C) i iva (za temperature od -30 do +750 C). Preciznost ovih instrumenata je visoka, naroito ako se kao termometarska tenost koristi iva (greka ispod 0.1%), tako da se koriste za kalibrisanje drugih termometara. Termometri sa ivom se koriste kao kontaktni termometri za dvopoloajnu regulaciju temperature u termostatima. U industriji se dilatacioni termometri koriste samo za indikaciju temperature na mestu merenja.

3.2.1.2 Manometarski termometriManometarski termometri su dodirni termometri kod kojih se merenje temperature zasniva na fenomenu promene pritiska tenosti, gasova ili dvofaznih sistema, pri promeni temperature i konstantnoj zapremini. Manometarski termometri sa gasovima Na slici 3.2-22(a). je ematski prikazan osetni element manometarskog termometra sa gasovima. Rezervoar od mesinga ili legiranog elika cilindrinog oblika, povezan kapilarnom cevi, prenika 0.1 do 0.36 mm i duine od 10 do 40 m, za Burdonov manometar ili neki drugi manometar sa malom mrtvom zapreminom. Sistem se puni gasom (azotom ili helijumom) pod pritiskom od 10 do 30 bar. Opseg merenja iznosi od -75 do +500 C. Greka merenja iznosi do 1.5% na temperaturi kapilare i manometra od 20 C i raste za oko 5% od poetne greke za svakih 20 C (zbog razlike u temperaturi rezervoara i kapilare). Uticaj greke se moe kompenzovati vezivanjem kompenzacionog manometra sa slepom kapilarom u opoziciju sa manometrom termometra (slika 3.2-22(b)).

105

Slika - Manometarski termometar Manometarski termometri sa tenostima Manometarski termometri sa tenou se, u principu ne razlikuju od manometarskih termometara sa gasom i imaju iste konstruktivne elemente. Prenik i duina manometarskog suda su manji (d=10 mm, /=125 mm), a duina kapilare je maksimalno 25 m. Kao tenost se najee koristi iva, iji je poetni pritisak 15 ili vie bar. Greka koja se javlja zbog razliitih temperatura rezervoara i kapilare se kom-penzuje na isti nain kao kod manometarskih termometara sa gasovima. Manometarski termometri sa parama Kod manometarskih termometara sa zasienom parom rezervoar je delimino ispunjen tenou, a delimino parom, i vri se merenje napona pare, koji je funkcija temperature. Poto je ova zavisnost eksponencijalna, osetljivost ovih termometara raste sa temperaturom. Ovi termometri se koriste za opseg temperatura od -200 do +350 C. Kao termometarske tenosti se koriste lako isparljive tenosti kao to su: propan (od -40 do +40 C), dietiletar (od +40 do +195 C), etanol (od +85 do +290 C) i ksilen (od +150 do + 360 C). Ova vrsta termometara se izrauje sa kapilarama do 50 m. Manometarski termometri se koriste za indikaciju i registrovanje temperature u samokretnim sistemima i kao osetni elementi i primarni pretvarai temperature u mehaniki signal, u pneumatskim sistemima.

3.2.1.3 Termometri sa promenom elektrinog otpora metalaKod veine elektronskih provodnika (metala) sa porastom temperature raste i otpor po eksponencijalnom zakonu: Rt = R0 e t gde su Rt i R0 otpori provodnika na 00C i t0C. Ako se ovaj izraz razloi u Tajlorov red dobija se polinom Rt = R0 1 + at + bt 2

(

)

koji se moe upotrebiti za karakterizaciju platinskog otpornog termometra u intervalu temperatura od -400C do 6300C. Za bakar, na primer, mogue je zanemariti kvadratni lan i u tom sluaju se dobija linearna zavisnost.

106 Zavisnost specifinog otpora od temperature je za pojedine metale uglavnom poznata i moe se prikazati dijagramski. Konstruktivno se pojedini termometri izvode najee u obliku bifilarno namotane spirale na krstastom keramikom nosau ili na pljosnatom nosau od liskuna (za merenje temperature na povrinama). Takoe se upotrebljavaju otporni termometri sa namotajima zatopljenim na unutranju povrinu staklene cevi ili u masu keramikog tapa. Za najtanija merenja upotrebljavaju se termometri sa slobodnom platinskom icom oslonjenom samo u nekoliko taaka na nosae od korunda. Pojedine konstrukcije osetnih elemenata otpornih termometara date su na sledeoj slici.

Slika - Osetni elementi otpornih termometara Najbolji prenos toplote se postie kod konstrukcija b i c, konstrukcija d obezbeuje najbolji dodir a konstrukcija a predstavlja kompromisno reenje i najee se upotrebljava. U svim sluajevima, obino se primenjuju i zatitne cevi koje mogu biti od stakla, kvrca, keramike i metala ili se koriste viestruke cevi od keramike i metala. Kod industrijskih termometara zatitne cevi su standardizovane i opremljene standardnim elementima za ugraivanje i zaptivanje i standardnim glavama za kontakte sa spoljnim elektrinim vodovima za merenje otpora. Konstrukcija otpornog termometra sa standardnim dimenzijama data je na sledeoj slici.

Slika - Industrijski otporni termometar Otpor ianih termometara je standardizovan na 10 ili 100 (na 0 0C). Otporni termometri spadaju u pasivne elemente kod kojih se energija mora dovoditi u sistem (najee elektrina). Ova energija prelazi u Dulovu toplotu i izaziva poremeaj temperature samog osetnog elementa i, eventualno, celog sistema, to moe da izazove greke pri vrlo preciznim merenjima.

107 3.2.1.4 Termometri sa promenom elektrinog otpora poluprovodnika (Termistori)

Termistori su elementi napravljeni od vrstih poluprovodnika, obino sa velikim negativnim temperaturnim koeficijentima, reda veliine -0,05 0C-1. Materijal za izradu termistora je najee smea oksida mangana, nikla, kobalta, bakra, urana, gvoa, cinka, titanijuma, aluminijuma i magnezijuma. Koriste se i sulfidi i silikati ovih elemenata. Takoe se koristi i ugljenik (grafit i karbidi). Termistori se proizvode presovanjem spraenih smea ovih materijala u obliku kuglica, cilindara ili diskova i sinterovanjem na povienoj temperaturi u keramiki materijal. Specifini otpor termistora je reda veliine 10-1 do 109 . Termistori se rade sa otporom od 100 do 106 . Najee se upotrebljavaju za merenje temperatura od -100 0C do 500 0C. U literaturi se nalaze podaci i za visokotemperaturne termistore od grafita i karbida koji slue za merenje temperatura i do 2 000 0C.

Slika 3.2-24. Razliite konstrukcije otpornih termometara Termistori se upotrebljavaju oblikovani u sledee tipine oblike:

a)

b)

c) Slika - Tipini termistori

d)

Ovi oblici su prilagoeni pojedinim oblastima upotrebe termistora. Tip a predstavlja kuglast element prenika oko 0,5 mm sa platinskim vodovima prenika 0,05 mm. Element je izolovan slojem emajla i pogodan je za precizno merenje temperature. Tip b se moe upotrebiti za merenje temperatura povrina vrstih tela i merenje koliine zrane energije. Tip c se moe upotrebiti za standardna industrijska merenja ugraen u zatitnu cev, ali se koristi i za

108 kompenzacije promene temperature ili u sklopu osigurakih sistema. Tip d se upotrebljava za merenje energije zraenja ili za ugraivanje u instrumente za merenje termikih karakteristika gasova. Osetljivost merenja temperature termistora je i do 10-5 0C, ali je tanost merenja znatno manja i kod apsolutnih temperatura iznosi oko 0,1 0C. Prednost im je adaptivnost oblika i veliine, mali toplotni kapacitet, neznatno odvoenje toplote iz sredine u kojoj se meri temperatura, velika osetljivost i relativno niska cena. Termistori imaju veoma iroku primenu, ali upotrebljivost im donekle smanjuje nelinearnost i relativna nestabilnost, kao i skupi elektronski instrumenti koji su neophodni radi linearizacije. Termistori imaju i relativno uzan opseg merenja temperatura, dolazi do brzog starenja materijala izrade i samim tim do promena karakteristika. Na slici 3.2-23. su date uporedne karakteristike platinskog otpornog termometra i termistora na bazi smee oksida nikla i mangana.

Slika 3.2-23. Uporedne karakteristike Pt-otpornog termometra i termistora 3.2.1.5 Termoelementi Merenje temperature pomou termoelemenata se zasniva na Zebekovom (Seebeck) efektu, odnosno pojavi da na spojevima dva razliita metala, kada se nalaze na razlicitim temperaturama, nastaje elektromotorna sila koja zavisi od vrste metala, apsolutne temperature hladnijeg spoja i razlike temperatura. Sematski prikaz termoelementa je dat na slici 3.2-25.

Slika 3.2-25. Sematski prikaz termoelementa Temperatura toplijeg spoja se meri na osnovu merenja proizvedene elektromotorne sile. Termoelementi, (ili termoparovi) su aktivni elementi, jer ne zahtevaju napajanje energijom spolja. Mogu se koristiti za merenje temperature u opsegu od -260 do +2800 C.

109 Termoelementi se proizvode od metala ili poluprovodnika, u obliku ica, traka ili filmova. Spajanje se vri zavarivanjem ili lemljenjem. Da bi se ostvarila otpornost na hemijske uticaje, topli kraj termoelementa se titi na razliite naine keramikim

Slika 3.2-26. Razliite konstrukcije toplog kraja termoelementa telima za razdvajanje ica i zatifnim cevima od keramike ili metala. Na slici 3.2-26. su ematski prikazane tri konstrukcije toplog spoja termoelementa. Najee korieni termoparovi su prikazani u tabeli 3.2-1. Tabela 3.2-1. Najee korieni termoparovi i maksimalna temperatura njihove upotrebe Spoj metala Maksimalna temperatura (C) kratkotrajno 1600 1300 800 800 600

Trajna upotreba platina - platina-rodijum hromel - alumel hromel - kopel gvoe - konstantan (kopel) bakar - konstantan (kopel) 1300 900 600 600 400

Kao temperatura hladnog spoja se najee koristi temperatura od 0 C. Osetljivost merenja temperature termoelementom zavisi od upotrebljenog termopara i od naina merenja elektromotorne sile. Moe se postii osetljivost do 10-3 0C. Za merenje temperature u peima koriste se industrijski termoelementi ija je standardna konstrukcija data na sledeoj slici.

Slika - Industrijski termoelement

110 1 ice termopara 2 izolator za razdvajanje ice 3 zatitna cev 4 nastavak za ugradnju 5 glava termoelementa sa hladnim spojem U glavi termoelementa spojene su ice termopara sa vodovima do mernog instrumenta. Poto temperatura glave moe biti znatno via od sobne temperature i promenljive, poeljna je upotreba vodova do hladnog spoja od istog materijala kao to su ice termopara. Kao hladni spoj upotrebljava se spoj vodova termoelementa ili vodova izjednaenja sa bakarnim vodovima. Ovaj spoj se postavlja na temperaturu od 0 0C. U cilju odravanja temperature hladnog spoja danas se najee upotrebljavaju termostati sa elektronskom regulacijom temperature i eventualnim rashlaivanjem do 0 0C. Ovi termostati mogu imati i do 200 spojeva koji se odravaju na 0 0C. 3.2.1.6 Termometri sa trajnom deformacijom

Za procenu temperature pri u pojedinim procesima koriste se elementi od materijala koji se tope ili omekavaju i na taj nain trajno deformiu. To mogu biti kristali ili presovani cilindri od metala ili organskih materijala koji se na odreenoj temperaturi tope, olovke iji se trag topi na odreenoj temperaturi, ili za vie temperature keramiki elementi koji omekavaju u odreenom intervalu temperatura. Od keramikih elemenata najstarije, najpoznatije i najvie upotrebljavane se Segerove piramide.

Slika - Segerove piramide One su napravljene od smee raznih oksida i silikata tako da im se stepen omekavanja menja sa temperaturom. Svaka od tih piramida se vidno deformie na odreenoj temperaturi, i ima svoj broj. Najnii broj je 022 (odgovara srednjoj temperaturi omekavanja 600 0C) a najvii 042 (odgovara srednjoj temperaturi omekavanja 2000 0C). Za tana merenja koristi se vie piramida, najee tri, pri emu srednja odgovara temperaturi koja se meri, a druge dve prvoj vioj i prvoj nioj temperaturi. Piramide se postavljaju na amotno postolje i stavljaju u npr. deo pei ija temperatura se eli odrediti. Najpre se deformie ona sa niom takom omekavanja, zatim srednja i to znai da je postignuta eljena temperatura. Na deformaciju piramide utie i brzina zagrevanja, trajanje zagrejanosti i uslovi prenosa toplote konvekcijom i zraenjem. Jednom upotrebljene Segerove piramide, ne mogu se ponovo upotrebiti.

111 3.2.1.7 Termokolor boje Ovaj nain merenja temperature bazira se na nepostojanosti nekih sloenih organskih i neorganskih boja na odreenoj temperaturi. To su u veini sluajeva kompleksna jedinjenja uranila, kobalta, nikla i drugih metala, kao i sintetikih organskih boja. Ova jedinjenja se na odreenoj temperaturi pirolitiki razlau gradei jedinjenja druge boje. Poto su ove promene vezane za temperaturekarakteristine za odreena jedinjenja, ne postoji pravilnost u mernim intervalima. Merenje temperature je nepovratno. Pri istom trajanju zagrevanja preobraaj boje se postie sa tanou do 5 %. Treba imati u vidu da vodena para, ugljendioksid, sumpordioksid, amonijak i drugi tehniki gasovi mogu izazvati raniju promenu boje. Opseg merenja je od 40 0C do 650 0C. 3.2.6.2. Greke dodirnih termometara i metode korekcije Greke pri merenju temperature dodirnim termometrima mogu biti statike i dinamike. Statike greke predstavljaju greke koje se javljaju u stacionarnom stanju i najee se javljaju usled odvoenja toplote, usled zraenja ili usled postavljanja termometra u struju velike brzine. Dinamike greke nastaju pri promeni temperature koja se meri, zbog inercije termometra. Greka usled odvoenja toplote. Ova greka nastaje kao rezultat razliitih temperatura vrha termometra koji je uronjen u fluid ija se temperatura meri i kraja termometra koji se nalazi u spoljanjoj sredini, zbog ega dolazi do pojave toplotnog fluksa kroz termometar. Ova greka se moe potpuno otkloniti samo totalnim uranjanjem termometra u sredinu ija se temperatura meri. Termometri se najee ugrauju u zid suda ili cevovoda i temperatura ovog zida se najee razlikuje od temperature fluida u sudu, odnosno cevi. Nain ugradnje termometra i tipian profil temperature du tapa termometra, prikazani su na slici 3.2-27.

Slika 3.2-27. Greka usled odvoenja toplote kod dodirnih termometara Greka usled zraenja. Ova greka nastaje usled prenosa toplote izmeu termometra i zida suda ili cevovoda u koji je termometar ugraen, mehanizmom zraenja. Ova greka dolazi do izraaja samo pri temperaturama veim od 400 C, pri kojima zraenje kao mehanizam prenosa toplote postaje znaajno. Izraz za ovu greku se moe dobiti na osnovu tefanBolcmanovog (Stefan-Boltzmann) zakona i moe se prikazati na sledei nain:

112z =

zth

(T

4

t

Tz 4

)

(3.2-25)

gde su T, i Tz temperature termometra i zida, u Kelvinima, h - koeficijent prelaza toplote sa fluida na termometar i e2, - koeficijent emisivnosti termometra i apsorptivnosti zida. Greka usled zraenja se smanjuje izolacijom zida, poliranjem povrine termometra, zaklanjanjem termometra od izvora zraenja ili korienjem specijalne konstrukcije termometra sa usisavanjem fluida. Greka usled velikih brzina. Ova greka se javlja pri merenju temperatura gasova koji struje velikim brzinama. Greka merenja nastaje zbog prelaza kinetike energije fluida u toplotu, pri udaru estica gasa u termometar i moe se izraziti na sledei nain:v = v2 2c p

(3.2-26)

gde je v - brzina strujanja i cp - specifina toplotna kapacitivnost. Ova greka se javlja samo pri vrlo velikim brzinama fluida (bliskim ili veim od brzine zvuka). Otklanja se specijalnom ugradnjom sa zatitnom cevi. Dinamike greke termometara. Ove greke se javlaju pri merenju temperatura koje se menjaju u toku vremena. Kao to smo pokazali u poglavlju 2.3.,, termometar bez zatitne obloge ima dinamiku karakteristiku sistema prvog reda, sa vremenskom konstantom koja je proporcionalna toplotnoj kapacitivnosti termometra i otporu prenosu toplote izmeu fluida i termometra, dok termometar sa zatitnom oblogom ima dinamike karakteristike previe priguenog sistema drugog reda. Termometar sa zatitnom oblogom se moe tretirati kao kombinacija dva sistema prvog reda (obloga i termometar) vezana na red sa meudejstvom. Dinamike greke termometra se mogu smanjiti smanjenjem toplotne kapacitivnosti termometra, odnosno obloge i termometra i poveanjem koeficijenta prenosa toplote, to se moe postii ugradnjom termometra na mestu najvee turbulencije.

3.2.2 Zrani pirometriOvi termometri mere temperaturu posredno preko funkcionalnih veza izmeu apsolutne temperature nekog tela i karakteristika elektromagnetnog zraenja koje odaje to telo. Za definiciju ovih funkcionalnih veza obino se koriste zakoni zraenja apsolutno crnog tela i pri merenju temperature sivih ili obojenih tela unose se korekcije ili se kompenzuju greke nastale usled razlika u zraenju ovih tela od zraenja apsolutno crnog tela. Kod zraenja veine vrstih tela i tenih medijuma korekcija se moe uneti u obliku koeficijenta emisije ,T. Ovaj koeficijent predstavlja odnos energije monohromatskog zraenja talasne duine koje odaje jedinica povrine datog tela i energije zraenja iste talasne duine koje odaje jedinica povrine apsolutno crnog tela na istoj temperaturi. ,T = E ,T E0 ,T

Toplotno zraenje je definisano Plankovim zakonom koji se u praktinim merenjima i za temperature manje od 2500 0C moe aproksimirati Vinovim zakonom definisanim izrazom

113

E ,T = E C15

C2 T2

gde je E ,T energija monohromatskog zraenja talasne duine koje jedinica povrine tela izrai u polovinu prostora, T2 apsolutna temperatura tela, dok su C1=3,1710-10 kcal/m2h i C2=1,4310-2 mK konstante. Na slici 3.2-28. je prikazan izgled spektra toplotnog zraenja apsolutno crnog tela, za razliite temperature. Najvie korien princip merenja temperature je merenje ili uporeivanje energija monofromatskog zraenja, obino u vidljivom delu spektra. Ako je jedna apsolutna temperatura nekog tela poznata, meri se energija zraenja na toj temperaturi i na nekoj nepoznatoj temperaturi, i pomou izotermi zraenja odreuje se nepoznata temperatura. Ovaj princip se koristi za ekstrapolaciju termodinamike skale na visoke temperature. U nekim savremenim konstrukcijama mere se energije monohromatskog zraenja simultano za dve talasne duine i iz odnosa ovih energija direktno se izraunava temperatura tela.

Slika 3.2-28. Spektar toplotnog zraenja apsolutno crnog tela 3.2.2.1 Pirometri sa ukupnim zraenjem Kod ovih pirometara se pomou podesne optike ukupno zraenje koje pada na objektiv pirometra koncentrie ka maloj povrini to veeg koeficijenta apsorpcije. Tako se ukupno zraenje pretvara u toplotu. Druga mogunost je da se ukupno zraenje pomou fotoosetljivog elementa pretvori u elektrinu struju. Merenjem temperature u prvom sluaju a fotostruje u drugom, odreuje se temperatura zagrejanog tela. Zrani pirometri sa ukupnim zraenjem mere energiju za ceo spektar, koja je definisana tefan-Bolcmanovim zakonom: ET = T 4 J / m 3 s (3.2-29) gde je Stefan-Bolcmanova konstanta (5.67 l0-8 J/m2/s/K4). I ovde se meri "crna temperatura tela" Tc, koja se za siva tela koriguje pomou koeficijenta emisivnosti sivog tela :T = 1/ 4 Tc

(3.2-30)

114 Pirometri sa ukupnim zraenjem sa termoelementom Kod ovih pirometara se, pomou optikog sistema, ukupno zraenje koje pada na objektiv pirometra, koncentrie na maloj povrini to veeg koeficijenta apsorpcije. Na taj nain se ukupno zraenje pretvara u toplotu, i dalje u elektrinu energiju.

Slika 3.2-29. Prijemnik toplotnog zraenja sa viestrukim termoparovima Kao prijemnici zraenja i pretvarai toplotnog fluksa u elektrinu energiju najee se koriste viestruki termoelementi sa povrinom koja je prekrivena koloidnom platinom. ematski prikaz ovakvog prijemnika, dat je na slici 2.3-29. Opseg merenja temperatura za ove instrumente iznosi od 0 do 4000 C, sa greskom koja je reda veliine 0.5 do 1% od pune skale. Ovi instrumenti su pogodni za prenos signala, registraciju i automatsko upravljanje. Pirometri sa ukupnim zraenjem sa fotoelijom U fotoelijama se najvei deo vidljivog, ali i nevidljivog zraenja pretvara u fotostruju. Izuzev osetnih delova, ovi pirometri se ne razlikuju po konstrukciji od pirometara sa termoelementima. Poto fotoelije tako rei nemaju inerciju, ovim instrumentima se mogu meriti nagle promene vrlo visokih temperatura. 3.2.2.2 Pirometri sa deliminim zraenjem Ovi pirometri se slue jednim delom spektra koji emituju zagrejana tela. To mogu biti vidljiva zraenja ili delovi vidljivog ili nevidljivog spektra. Ukoliko je deo spektra ui, to je tanost merenja vea. Zato se iroki optiki spektar moe suziti primenom optikih filtera. Razlikuju se tri grupe instrumenata koji rade na principu merenja deliminog zraenja: instrumenti na principu upravljanja svetline svetlosti, instrumenti na principu merenja intenziteta deliminog zraenja i instrumenti na principu merenja obojenja. Pirometri na principu upravljanja svetline svetlosti Ljudsko oko osea intenzitet zraenja kao gustinu svetlosti svetlinu. Poto intenzitet zraenja, tj. svetlina zavise od temperature tela koje zrai, merenjem svetline moe se odrediti temperatura. Merenja na ovom principu poivaju na poreenju svetline tela poznate temperature sa svetlinom tela nepoznate temperature, tako to se specijalnim postupcima svetline dovode na isti nivo. Postoji vie vrsta ovakvih ureaja. Polarizacioni pirometri sa deliminim zraenjem. Kod ovih pirometara se poredi svetlina monohromatskog zraenja tela nepoznate temperature, sa zraenjem iste talasne duine tela poznate temperature. Vidno polje pirometra ine 2 dela. Jedna polovina odgovara svetlini monohromatske svetlosti tela poznate temperature, dok drugu polovinu vidnog polja ini

115 svetlina tela ija se temperatura meri. Svetlost prolazi kroz sistem polarizacionih prizmi Nikolove prizme. Obrtanjem nikola ova svetlost e se smanjivati ili pojaavati. Kada se svetline izjednae, oita se ugao obrtanja nikola koji odgovara prethodno izbadarenoj temperaturi. Polarizacioni pirometri sa usijanom niti. Kod ovih pirometara menja se usijanost metalne niti proputanjem struje kroz nju. Struja nit zagreva na osnovu Dulovog efekta. Ako je nit na nioj temperaturi od temperature usijanog tela njena kontura se ocrtava kao tamna nit na usijanoj svetloj pozadini. Ako je temperatura via, nit e biti svetla crta na tamnoj pozadini. Promenom jaine struje podeava se zagrejanost niti do temperature na kojoj se nalazi objekat ija se temperatura meri. U tom sluaju nit se ne razlikuje od pozadine, to znai da su temperature niti i usijane pozadine jednake, jer emituju zraenja istog intenziteta. jaina struje koja u tom trenutku prolazi kroz nit oitava se na ampermetru koji direktno pokazuje ne struju, ve odgovarajuu temperaturu.

Slika - Pirometar sa usijanom niti Na gornjoj slici data je konstrukcija jednog ovakvog pirometra. Kroz objektiv 1 prolaze zraenja koja se usmeravaju, tako da sa vlaknom 2 lampe 3 ine pomou optikog sistema okulara 4 celovito vidno polje. Elektrina struja iz baterije 5 koja prolazi kroz nit 2 moe da se menja zahvaljujui otporniku 6. Ta struja se istovremeno meri ampermetrom 7 koji pokazuje temperaturu koju izaziva struja prolazei kroz nit. da operatoru pri merenju ne bi smetala okolna svetlost, ovi pirometri imaju svetlosne zatitnike 8 sa strane. Za merenje temperatura viih od 1400 0C, ovi instrumenti se dodatno opremaju tzv. sivim filtrom, tako da je mogue merenje temperatura i do 2000 0C. Greka meranja ide i od 3 0C pri mernju niih temperatura (oko 700 0C) do 30 0C pri mernju viih temperatura (oko 2000 0 C) Pirometri na principu merenja intenziteta deliminog zraenja Intenzitet zraenja se moe meriti, za pojedine spektralne opsege vidljivog i nevidljivog zraenja, ili fotoelijama osetljivim u odreenim delovima spektra, ili termoelementima i fotoelijama sa irokim spektralnim opsegom uz pomo obojenih filtera koji proputaju samo svetlost odreenih talasnih duina. Kod vrlo preciznih instrumenata upotrebljavaju se i prizme ili reetke koje daju veoma uzan snop talasnih duina. Principi merenja ovih instrumenata se u potpunosti zasnivaju na Vinovom zakonu. Konstrukcija je slina konstrukciji instrumenata sa totalnim zraenjem uz dodatak filtera ili prizmi, tj. reetki. tanost merenja zavisi od tanosti koeficijenta emisije. Odziv instrumenta je trenutan.

116 3.2.2.3 Princip merenja obojenja (raspodela maksimuma energije zraenja) Maksimum izraene energije nekog tela zavisi iskljuivo od apsolutne temperature. Merenjem energije i poloaja maksimuma i uporeivanjem rezultata sa istim veliinama za apsolutno crno telo koje su poznate (daju se dijagramski) veoma precizno se moe oitati nepoznata temperatura tela koje zrai. Tanost za temperature izmeu 1200 0C i 1800 0C je od 4 7 0C, to je viestruko tanije od drugih metoda. Za ova merenja je neophodam spektrofotometar. 3.2.2.4 Fototerometrija Za odreivanje temperaturnih polja objekata koji imaju razliitu povrinsku temperaturu koristi se fototermometrija. Metod merenja se zasniva na primeni fotografske ploe osetljive u prvom redu na infracrvena zraenja. Intenzitet crnine snimljenih povrina je merilo njihovih temperatura. Pri ovome se istovremeno pravi i fotografija ovakvih mesta. Ovom metodom se moe meriti i temperatura plamenih gasova. Fototermometrijski metod se moe primeniti i za merenje temperatura povrina na sobnoj termperaturi. Greke kod zranih pirometara najee nastaju zbog nepoznavanja koeficijenata emisivnosti. Greke mogu da nastanu i zbog nepovoljne geometrije tela koje zrai, prisustva plamena, gasova koji apsorbuju toplotno zraenje (C02) i dima ili praine. Takoe se mogu javiti greke zbog zagrevanja samog instrumenta.