Mjerenje temperature

PB-197

Rezime: Tema koja će biti razrađena u ovom seminarskom radu jeste mjerenje temperature. Planirani redoslijed seminarskog rada je kocipiran da se u uvodu navedu najnovije auktuelnosti i istraživanja koja su u vezi sa datom temom, općenito o mjerenju temperature, te u daljoj razradi date teme, definišu osnovni pojmovi koji su usko vezani za područje koje obrađujemo.

Ključne riječi: temperatura, toplina, senzori, skala, termometri, kalibracija, kontrola

Uvod

Najnovije aktuelnosti i istraživanja vezana za područje mjerenja temperature:

Miniature Thermocouple Temperature Sensors ( Minijaturni termopar senzori za mjerenje temperature)

U [1] kompanija TC Ltd., je razvila niz termopar minijaturnih senzora koji omogućavaju brže djelovanje (reagovanje), idealni su za zahtjevne i precizne mjerne aplikacije. Nmijenjeni su za upotrebu u oblastima gdje su promjene temperature brže, što je glavni razlog razvijanja ovakve vrste senzora koji mogu da prate iznenadne promjene tačno i pouzdano. Asortiman uključuje termo-električnie senzore ultra-brzog djelovanja (reagovanja) sa prečnikom omotača od 0.25 mm, kao i 4- žičane Pt100 senzore. Izrađena mineralna izolacija garantuje fleksibilnost ovih minijaturnih senzora, a da pritom ne izgube svoju čvrstu i izdržlljivu konstrukciju. Specijalno su dizajnirani za upotebu gdje su, djelovanje (reagovanje), veličina, te robusnost senzora najvažniji. Senzori mogu da pokriju raspon temperatura od -100°C do 800°C.

Mjerenje temperature u stvarnom vremenu tijekom svjetlosno aktivirane polimerizacije eksperimentalnih kompozitnih materijala

U [2] Nika Španović i ostali autori, su željeli ispitati porast temperature u stvarnom vremenu tijekom svjetlosno aktivirane polimerizacije eksperimentalnih kompozitnih materijala koji sadržavaju bioaktivno staklo 45S5 (BG) i usporediti ga s porastom temperature triju komercijalnih kompozitnih materijala. Materijali i metode: Pripremljeno je pet eksperimentalnih kompozitnih materijala s ukupnim težinskim udjelom punila od 70 % i težinskim udjelima BG-a između 0 i 40 %. Cilindrični uzorci promjera 6 mm i debljine 2 mm osvijetljeni su 30 sekunda polimerizacijskim uređajem Bluephase G2 (Ivoclar Vivadent) pri 1200 mW/cm2. Porast temperature tijekom svjetlosne aktivacije polimerizacije mjeren je na dnu uzoraka termočlankom T-tipa, uz brzinu prikupljanja podataka od 20 sekunda1. Kako bi se izmjerio doprinos zagrijavanja polimerizacijskog uređaja, polimerizirani uzorci ostavljeni su da se ohlade na sobnu temperaturu, nakon čega su naknadno osvijetljeni (30 s). Statistička analiza obavljena je jednosmjernom analizom varijance (ANOVA) i Pearsonovom analizom korelacija, uz razinu značajnosti α = 0,05. Rezultati: Vrijednosti temperature izmjerene tijekom svjetlosno aktivirane polimerizacije eksperimentalnih kompozita bile su između 12,2 i 14,0 °C, što se može usporediti s vrijednostima tekućega komercijalnog kompozita (12,5 °C), ali više od vrijednosti izmjerenih za nano- i mikrohibridne komercijalne kompozite (9,6 –10,3 °C). Porast temperature tijekom naknadnog osvjetljivanja bio je sličan u svim kompozitima (7,8 – 9,1 °C). Za eksperimentalne kompozite porast temperature, zbog egzotermne reakcije, iznosio je 3,1 – 5,8 °C i negativno je korelirao s težinskim udjelom BG-a (R2 = 0,94). Temperaturni porast dosegnute maksimalne vrijednosti za 6,5 do 19,8 sekunda nakon početka osvjetljivanja, a vremena pri kojima su dosegnute maksimalne vrijednosti pozitivno su korelirala s težinskim udjelom BG-a (R2 = 0,98). Zaključak: Porast temperature zbog svjetlosno aktivirane polimerizacije eksperimentalnih kompozitnih materijala može se usporediti s porastom temperature komercijalnih kompozita. Zato se količina oslobođene topline može smatrati sigurnom za zubnu pulpu.

Pojam temperature i toplote (topline)

Jedna od fizičkih veličina koja figuriše u osnovnim zakonima termodinamike i koja je povezana sa mnogim makroskopski mjerljivim osobinama materije, ali i sa njenim mikroskopskim stanjem, je temperatura. Značaj ove fizičke veličine daleko prevazilazi naše svakodnevne potrebe za informacijom o vremenskoj prognozi i u skladu sa tim donošenjem odluke o tome kako se obući. Zato ćete često biti u prilici da podatke o nekim fizičkim veličinama, kao npr. pritisku gasa, električnoj otpornosti ili čak linearnim dimenzijama tijela, saznate zajedno sa odgovarajućom temperaturom. To ukazuje na potrebu da se malo bliže upoznamo sa konceptom temperature ne oslanjajući se previše na naše svakodnevno iskustvo. Naime, jedna od najstarijih definicija pojma temperature kaže da je to stepen zagrijanosti nekog tijela ukazujući na mogućnost da ako dodirom procenimo da je neko tijelo toplije od drugog zaključimo da mu je temperatura viša. Međutim, tokom hladnog zimskog dana dodirnemo li metalnu, a zatim drvenu ogradu, potpuno pogrešno bismo mogli zaključiti da je ona prva hladnija (na nižoj temperaturi). Temperatura obe ograde je, međutim, ista, a osećaj postoji zbog činjenice da metalna površina mnogo efikasnije odvodi toplotu iz naših prstiju od drvene površine. Svakodnevno iskustvo nam takođe govori da se mnoge osobine materije mijenjaju sa promijenom temperature. Na primjer, stavimo neka tijela prvo u frižider, pa u zagrijanu pećnicu, pa ćemo primjetiti da je zapremina tečnosti porasla, da se dužina gvozdene šipke uvećala, da se električna otpornost bakarne žice povećala, da se povećao pritisak gasa u ograničenoj zapremini. Ove pojave se koriste za pravljenje uređaja za mjerenje temperature. Temperatura je jedna od sedam osnovnih fizičkih veličina koje čine Međunarodni sistem jedinica (SI), a odgovarajuća jedinica je Kelvin i označava se slovom K (obratiti pažnju da se ne izgovara „stepen Kelvina“). U svakodnevnoj upotrebi je i Celzijusova temperaturska skala (jedinica je „stepen Celzijusa“, 0 C), a u nekim dijelovima svijeta i Farenhajtova skala (jedinica je „stepen Farenhajta“, 0 F). Uređaji za mjerenje temperature se nazivaju termometri. Rad termometara zasniva se na činjenici da su mnoga fizička svojstva tijela promjenljiva sa porastom temperature (raste zapremina tečnosti, dužina metalne šipke, električna otpornost žice). [3]

Kada dva tela dovedemo u kontakt doći će do razmene energije između njih, što će dovesti do promjene unutrašnje energije oba tijela. Da je došlo do promjene unutrašnje energije možemo konstatovati tako što se promijenila temperatura oba tijela. Energija koju su tijela razmijenila naziva se toplota. Inače, toplota može biti pozitivna (Q〉0 ) kada se dovodi tijelu, a može biti i negativna (Q〈0 ) u slučaju da toplotu odvodimo od tijela (predajemo drugom tijelu ili okolini). [3]

Slika 1. Termička ravnoteža sistema [4]

Skale za temperaturu

Celzijus (° C)

Celzijusovu skalu je zamislio švedski astronom Anders Celsius na temelju podjele temperaturnog intervala između ledišta i vrelišta čiste vode pri standardnom atmosferskom pritisku na sto dijelova, pri čemu je vrelište po definiciji bilo pri 0 stepeni celzijusa (°C), a ledište pri 100 °C, bez pluseva i minusa. Kasnije je tu skalu zbog praktičnih razloga obrnuo Carl Linne, (inače poznat po binarnoj nomenklaturi u biologiji) tako da se temperature iznad 0 označavaju kao plus-stepeni a one ispod sa negativnim predznakom (npr. t = -20 °C). [5]

Kelvin (K)

Budući da je temperatura, po definiciji, mjera kinetičke energije molekula, temperature s negativnim predzanakom mogle bi pogrešno navesti na zaključak da molekule imaju negativnu kinetičku energiju, što je, naravno, nemoguće. Međunarodni sistem mjernih jedinica (SI) za temperaturu propisuje jedinicu kelvin (simbol K). Tu temperaturu zovemo još i termodinamička temperatura (simbol T). Temperaturna razlika od 1 K jednaka je temperaturnoj razlici od 1 °C. [5]

Farenhajt (° F)

Skala za mijerenje temperature koja se zasniva na podjeli od 180 dijelova izmedju tacke mrznjenja i tacke ključanja vode. Po ovoj skali led se topi na 32° a voda kljuca na 212°. Skala potiče od njemackog fizicara Farenhejta (Daniel Gabriel Fahrenheit, 1686-1736). 30° je tačka prelaska leda u vodu, 90° je normalna temperatura ljudskog tijela, a 210° je temperatura na kojoj voda ključa. Kasnije su međutim ove vrijednosti nešto ispravljene te po ovoj skali led prelazi u vodu na 32°, a voda u paru na 212°. [6]

Renkin (° Rank)

Postoji još i Renkinova skala koja se zasniva na Farenhejtu, a kao i Kelivnova skala počinje od apsolutne nule. Tako ova skala počinje od 0° sto je jednako -459,67° Farenhejta. Ova skala potiče od engleskog fizičara i inženjera Renkina (Rankine, William John Macquorn, 1820-1872). [6]

Reomir (° R)

Skala za temperaturu koju je 1730. predložio francuski fizičar i zoolog Reomir (René-Antoine Ferchault de Réaumur, 1683-1757), a kod koje je tačka mrznejnja vode na 0°, a tacka ključanja vode na 80° pri normalnom atmosferskom pritisku. [6]

Slika 2. Skale za temperaturu [5]

Vrste termometara

Mjerenje temperature u praksi izvodi se raznovrsnim termometrima, u zavisnosti o kojoj se temperaturi radi i da li je primjena laboratorijska, industrijska, ili za neku drugu svrhu. Kod termometara ulazna veličina ja temperatura, sa čijom promjenom nastaju i promjene na termometrima, koje se mogu koristiti pri određivanju temperature. [4]

Tabela 1. Vrste termometara i područje primjene [4]

Stakleni termometri

Stakleni termometri rade na principu širenja tečnosti i stakla. Živin termometar je najviše u primjeni i za više temperature rade se od Jena-stakla. Glavni dio termometrijske tečnosti se nalazi u jednom kuglastom ili cilindričnom spremniku. Spremnik je uliven u dugu tanku staklenu kapilarnu cjevčicu. Na gornjem kraju kapilare nalazi se proširenje, u koje može da uđe živa, ako se pređe maksimalna temperatura. [4]

Slka 3. Stakleni termometar [7]

Opružni termometri sa cijevnom oprugom

Ovi termometri također rade na principu širenja tečnosti, koja se nalazi u rezervoaru detektora, koji je dalje spojen sa kapilarnom cijevi do Bourdonove opruge. Dužina kapilarne cijevi se prilagođava montažnim potrebama temperaturnog uređaja. Bourdonova opruga služi kao pokazivač, dok je skala linearna, jer odgovara linearnoj promjeni zapremine tečnosti sa temperaturom. Ovakvi instrumenti se primjenjuju češće u industriji, naročito za automobilsku regulaciju, jer su termičke deformacije usljed toplotnog širenja velike. Termometri se obično pune živom, pa se primjenjuju od –35 do + 600o C. [4]

Slika 4. Opružni termometar sa cijevnom oprugom [8]

Bimetalni termometri

Bimetalni mjerni instrumenti su poznati po svojoj primjeni u termostatima. Bimetalni termometri također rade naprincipu širenja metala, ali tako, što se dvije metalne trake sa različitim koeficijentima istezanja uvijaju jedna u drugu, te kod promjne temperature jedna traka se rasteže više dok druga manje, što uzrokuje savijanje u jednu stranu. Taj se otklon prenosi mehaničkim sistemom poluga i zupčanika na kazaljku istrumenta čija je skala kalibrirana u stepenima Celzija. [4]

Slika 5. Bimetalni termometar [9]

Otporni termometri

Pri promjeni temperature mijenja se otpornost električnih provodnika. Temperatura se može odrediti mjerenjem električnog otpora provodnika izrađenih od prikladnih materijala. Postoje provodnici sa pozitivnim i sa negativnim temperaturnim koeficijentom otpora. Većina metala ima pozitivni temperaturnki koeficijent, to jest, sa porastom temperature otpornik od metala povećava svoju otpornost. Otporni termometri koriste kao detektor namotaj tanke žice od platine ili nikla na jezgru od tvrdog stakla ili glimera. Spolja se detektor zaštićuje istopljenim staklom, emajlom ili keramičkom masom, već prema namjeni. Detektor se stavlja u zaštitnu metalnu ili keramičku cijev temperaturske sonde. [4]

Slika 6. Otporni termometar [10]

Infracrveni termometri

Infracrveni termometri su beskontaktni uređaji za mjerenje temperature. Prenosivi infracrveni termometri sadrže lasersku zraku za bolju orijentaciju i viziranje mjernog objekta. Beskontaktno mjerenje temperature koristi se tamo gdje je potrebno brzo i točno izmjeriti temperaturu kao i kod pokretnih objekata te objekata pod naponom i teško dostupnih mjesta. Termometri mjere površinsku temperaturu slijedeće vidljive površine, dakle ne kroz n.pr. staklo. Neki modeli sadrže nepromjenjiv faktor emisije (epsilon faktor), dok je kod drugih ovaj faktor podesiv u ovisnosti o materijalu mjernog objekta (papir, drvo, metal...). Ako želite mjeriti glatko polirane metalne površine, kao n.pr. cilindrične površine, ovi uređaji se mogu koristiti samo za nadgledanje trenda temperature. Mjerenje apsolutne temperature ovakvih površina pomoću infracrvenih termometara nije moguće. [11]

Slika 7. Infracrveni termometar [11]

K-tip termometri

Uređaji za mjerenje temperature u pogonu i laboratorijima. Koristi se za mjerenja ekstremnih temperatura. Uređaj je u mogućnost memorisanja minimalne, maksimalne kao i prosječne mjerene vrijednosti u vremenu do 9,7 sati. Zahtijeva veliku preciznost. [12]

Slika 8. K-tip termometar [12]

Kalibracija i kontrola termometara

Kalibracija je skup operacija kako bi se uspostavila pod određenim uslovima veza između veličina koje se očitavaju na indikatoru instrumenta I odgovarajuće vrijednosti etalona. Rezultat kalibracije može se dati u vidu dokumenta npr. certifikata kalibracije. Rezultat se može izraziti kao korekcija izvršena u odnosu na pokazivanje instrumenta. Kalibracija ne znači da instrument radi u skladu sa njegovom specifikacijom. Osnovni koncept osiguranja kvaliteta je kalibracija mjernih instrumenata. Kalibrirati mjerni instrument znači odrediti koliko je odstupanje, odnosno greška očitavanja na instrumentu u odnosu na etalon za kojim se upoređuje. Kalibracija obično ne znači poboljšanje. Ona samo daje informaciju o grešci opreme u odnosu na prihvačenu referentnu vrijednost koju mjerni instrument (sredstvo) treba da ima. [4]

Etalon je mjera, mjerilo ili mjerni sistem namijenjen određivanju, pohranjivanju i reprodukciji neke mjerne jedinice radi prenošenja njene vrijednosti na druga mjerila da bi mogla poslužiti kao referentna vrijednost. [13]

Indikacijski termometri se uobičajeno kalibriraju kao cjelina, znači zajedno senzor, mjerni uređaj i prikaz. Kalibracija se izvodi po metodi poređenja. Rezultat kalibracije je korekcijska kriva, koja nam daje informaciju o razlici između prave temperature i prikaza na termometru, zajedno sa odgovarajućom mjernom nesigurnošću. Indikacijski termometri su često u industriji ugrađeni u procesne sisteme, gdje se ne mogu jednostavno rastaviti. Prilikom kalibracije po dijelovima se mjerni uređaj i prikaz kalibriraju s pomoću prenosnog kalibratora/simulatora, koji simulira izlazne vrijednosti određenog temperaturnog senzora, u zavisnosti od temperature. Iz proizvodnog procesa se demontira samo temperaturni senzor, koji se kalibrira na jednak način kao da je sam senzor (platinski otporni, termistor, termopar, itd.). Rezultata te dvije djelimične kalibracije se poslije toga sastavi u zajednički certifikat za indikacijski instrument. [14]

Slika 9. Kalibracija po dijelovima termometra [14]

Zaključak

Naučili smo da je temperatura toplotno stanje premeta ili procesa i da zavisi od toga koliko toplote sadrži tijelo odrđene mase pod određenim pritiskom, te kako i kojim uređajima se može mjeriti temperatura u različitim uslovima. Važno je spomenuti i termine kontrole i kalibracije mjernih instrumenata bez kojih ne bi imali prave vrijednosti. Najbitnije od svega jeste da su razvoj tehnologije i istraživanja na ovom polju, neprekidni procesi.

Literatura:

[1] https://www.tc.co.uk/news/thermocouple_minisensors.html

[2] https://hrcak.srce.hr/index.php?show=clanak&id_clanak_jezik=296272

[3] https://nastava.sf.bg.ac.rs/file.php/7/predavanja/predavanje-11.pdf

[4] http://unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdf

[5] https://geek.hr/znanost/clanak/kelvinova-i-celzijusova-ljestvica/

[6] http://static.astronomija.org.rs/teorije/temperatura/temperatura.htm

[7] https://hr.wikipedia.org/wiki/Termometar#/media/File:Clinical_thermometer_38.7.JPG

[8] https://www.ecos.ba/proizvod/termometar-nalijegajuci-s-oprugom-montaza-na-cijev-0-120-c-12-tcm-63-fimet-watts-pt05507007/

[9] https://www.stasto.eu/crmablage/dokumente/Produktfoto/web/138533_4serie_666_v1.jpg

[10] https://www.conrad.hr/PRIVOJNI-OTPORNI-TERMOMETAR-SPRIKLJ.-GLAVOM-150-mm-Jumo-902030%2F10-402-1003-1-6-150-104%2F000.htm?websale8=conrad-hr&pi=12036

[11] http://www.pce-grupa.ba/termometri/infracrveni-termometri.html

[12] http://www.amt-metriks.ba/cms/index.php?termometri

[13] http://www.met.gov.ba/mjerne_jedinice/default.aspx?id=46&langTag=bs-BA

[14] http://old.etfbl.net/~aleksej/em/termometrija.pdf