Pomiary Temperatury

TERMOPARA

Termopara to złącze dwóch różnych metali, na którym
powstaje napięcie o niewielkiej wartości - najczęściej
w zakresie miliwoltów - i współczynniku
temperaturowym rzędu 50 µV/°C.

Za pomocą termopar można mierzyć temperaturę od 270°C do +2700°C z błędem w zakresie 0,5 - 2°C.
TERMOPARA – JAK TO DZIAŁA?
Wartość mierzonego napięcia zależy od
temperatury złączy termoelektrycznych jest
ona w przybliżeniu proporcjonalna do różnicy
temperatur obu złącz.
 Złącze odniesienia umieszcza się w stałej
temperaturze i na ogół jest to 0°C.
Wykorzystuje się do tego kąpiele lodowe lub
niewielkie pudełka ze stałą temperaturą
wnętrza.

TERMOPARA - JAK TO DZIAŁA?

Zasada działania termopary opiera się na zjawisku
Seebecka, które polega na powstaniu siły
elektromotorycznej i przepływie prądu elektrycznego w
miejscu styku dwóch metali w zamkniętym obwodzie
termoelektrycznym.
Metal 1
T1
V
V
T0
Metal 2
Tx
Konstantan
.
Miedź
Termoogniwo.
Termopara.
T0
TERMOPARA - JAK TO DZIAŁA?



Jeśli próbkę nagrzać nierównomiernie,
to – na skutek różnicy energii i
koncentracji nośników ładunku –
zacznie się ich ukierunkowany ruch.
Jeżeli końce próbki znajdują się w
temperaturze T1<T2, to na końcu
próbki o temperaturze T2 będzie
występowała większa koncentracja
nośników ładunku, będą one również
miały większą energię. W efekcie
wystąpi ich dyfuzja w kierunku
zimniejszego końca (T1).
Przepływ prądu dyfuzji prowadzi do
pojawienia się rozkładu potencjału oraz
wystąpienia prądu unoszenia. W
warunkach równowagi obie składowe
prądu są sobie równe i na zewnątrz
obserwuje się tylko różnicę potencjałów
między punktami o różnej
temperaturze.
ZALETY TERMOPAR:
prostota i niskie
koszty wykonania,
 brak zewnętrznego
zasilania,
 niewielkie rozmiary
urządzenia ,
 duża niezawodność.

PIROMETR
Pirometry stosuje się w metodzie bezdotykowego
pomiaru temperatury. W metodach tych
wykorzystuje się długość fal od 0,4µm do 20 µm
co odpowiada promieniowaniu widzialnemu oraz
podczerwieni. Jeśli na drodze promieniowania
znajduje się materiał to zachodzą w nim zjawiska :
 Absorpcji, polegającej na pochłanianiu energii i
zamianie jej na ciepło powodujące podwyższenie
temperatury ciała.

PIROMETR
Refleksji - polegającej na odbiciu promieniowania
od powierzchni oraz od struktur wewnętrznych
ciała, w taki sposób że promieniowanie zmienia
swój kierunek i rozprasza się w otoczeniu.
Pirometr dzięki swej budowie może mierzyć
temperaturę bez względu na stan skupienia
badanego ciała, zaletą jest mały błąd pomiaru
oraz pomiary wysokich temperatur.
 Przenikania - kiedy promieniowanie przechodzi
przez ciało nie zmieniając kierunku.

SCHEMAT PROSTEGO PIROMETRU OPTYCZNEGO
Za pomocą pirometru można
oszacować temperaturę
przez porównanie jasności
świecenia w pewnym
zakresie widmowym
(obserwowanego przez filtr
lub przydymione szkło)
mierzonego ciała i
wyskalowanej żarówki.
PIROMETR:
CIECZE KRIOGENICZNE I ZASADY
BEZPIECZNEGO ICH UŻYTKOWANIA
CIECZE KRIOGENICZNE




ciekły azot
ciekły tlen
ciekły wodór
ciekły hel
Ciecze kriogeniczne są najprostszym środkiem
do uzyskania niskich temperatur
Wszystkie metody chłodzenia poniżej 10 K
wykorzystują ciekły hel
CIEKŁY AZOT






Podstawowa ciecz w kriogenice
Główny składnik atmosfery – 78,09% obj. i 75,5% wagowo
Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie
powietrza:
sprężanie - oczyszczanie -chłodzenie (wymiennik
ciepła) - rozdzielenie na poszczególne składniki
(kolumna rektyfikacyjna) - destylacja (kolumna
niskociśnieniowa)
Zastosowanie - zamrażanie żywności, obróbka metali,
przechowywanie materiału biologicznego,
rozdrabnianie tworzyw sztucznych
CIEKŁY AZOT - WŁAŚCIWOŚCI
bezbarwny
 bez zapachu
 bez smaku
 niepalny
 obojętny chemicznie

CIEKŁY AZOT - WŁAŚCIWOŚCI
temperatura wrzenia 77,2 K (-195,8 °C )
 temperatura topnienia 63,2 K (-210,0 °C )
 temperatura krytyczna 126,2 K (-118,56 °C )
 ciśnienie krytyczne 34,0 bar
 gęstość gazu 1,2506 g/l
 gęstość cieczy 0,808 kg/l
 współczynnik ekspansji 696

CIEKŁY TLEN
Otrzymuje się przez skraplanie i destylowanie
powietrza
 Skroplony w 1883 r. – Olszewski i Wróblewski
 Zastosowanie – m.in. paliwo rakietowe, obecnie
nie stosuje się do chłodzenia – bardzo
reaktywny
 Temperatura wrzenia wyższa niż temp. Wrzenia
azotu – wzbogacanie ciekłego powietrza w tlen

CIEKŁY TLEN - WŁAŚCIWOŚCI
bez zapachu
 bez smaku
 Paramagnetyczny
 bezbarwny – gaz
 niebieski kolor cieczy związany z budową
cząsteczki – zawiera dwa niesparowane
elektrony

CIEKŁY TLEN - WŁAŚCIWOŚCI
temperatura wrzenia - 90,1 K (-182,97 °C )
 temperatura topnienia - 54,75 K (-218,40 °C )
 temperatura krytyczna - 154,6 K (-118,56 °C )
 ciśnienie krytyczne - 50,4 bar
 gęstość gazu - 1,429 g/l
 gęstość cieczy - 1,14 kg/l
 współczynnik ekspansji - 853

CIEKŁY WODÓR
Najpowszechniej występujący pierwiastek we
Wszechświecie
 Na Ziemi - w stanie wolnym w górnych warstwach
atmosfery (0,9%),w stanie związanym w wodzie
 Izotopy:

stabilne: wodór H, deuter D (ok. 6400:1)
 niestabilny: tryt T


Najlżejszy – gęstość w każdym stanie skupienia
mniejsza niż innych substancji
CIEKŁY WODÓR

Wytwarzanie:
z
gazu ziemnego i gazów towarzyszących ropie
naftowej - konwersja katalityczna w obecności pary
wodnej
 CH4
+ 2H2O → CO + 3H2 + Q1
 CO + H2O → CO2 + H2 + Q2
 Q1, Q2 – ciepło wydzielone w reakcjach
 elektroliza
 2H2O
wody
→ 2H2 +O2
CIEKŁY WODÓR - SKRAPLANIE
temperatura krytyczna ok. 200 K – przy
chłodzeniu metodą Joule’a-Thomsona należy
schłodzić do ok. 120 K
 oczyszczenie z innych gazów, szczególnie tlenu
 po skropleniu uniemożliwić kontakt z
powietrzem lub tlenem – możliwy wybuch.

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
Bezbarwny
 bez zapachu
 bez smaku
 Palny
 nietoksyczny

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
temperatura wrzenia 20,3 K (-252,8 °C )
 temperatura topnienia 14 K (-259,2 °C )
 temperatura krytyczna 33,2 K (-240,0 °C )
 ciśnienie krytyczne 13,2 bar
 gęstość gazu 0,084 g/l
 gęstość cieczy 0,071 kg/l
 współczynnik ekspansji 845

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
Wodór gazowy – 75% ortowodoru (spiny
protonów zgodne), 25% parawodoru (spiny
protonów przeciwne) w temp. 300 K
 Koncentracja równowagowa tych dwóch
składników zależy od temperatury – ze
spadkiem temperatury wzrasta koncentracja
parawodoru
 W cieczy (20,4 K) jest 99,8% parawodoru

CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
Bezpośrednio po skropleniu – 25% parawodoru
 Zmiana stężenia parawodoru w czasie:

Xp = (0,25 + 0,00855*t)/(1 + 0,00855*t)
po 100 godzinach ok. 0,595 parawodoru
po 1000 godzinach ok. 0,92
CIEKŁY WODÓR - WŁAŚCIWOŚCI
Przemianie orto-para towarzyszy wydzielanie ciepła
– w ciekłym wodorze występuje parowanie
wywołane konwersją.
 Straty cieczy: ok. 18% po 24 h i ponad 40% po
100h
 Konwersja wodoru w trakcie skraplania –
katalizatory, np. węgiel aktywowany, tlenki metali
 Parawodór ulega rekonwersji w temp. ok. 1000 °C
w obecności katalizatora
 Konwersja orto-para wodoru zawartego w
metalach w ultraniskich temperaturach

CIEKŁY WODÓR - ZASTOSOWANIA
Paliwo rakietowe
 Ogniwa paliwowe – w reakcji z tlenem powstaje
woda
 Produkcja metanolu, amoniaku, nawozów
sztucznych, polimerów
 Przemysł spożywczy – utwardzanie tłuszczów
(produkcja margaryny)
 Metalurgia – redukcja rud metali, atmosfera
ochronna przy spawaniu

CIEKŁY HEL
Najlepiej przebadana ciecz oprócz wody
 1868 – odkrycie helu w widmie Słońca przez
Pierra Jansena
 20 października 1868 r. Norman Lockyer
zaobserwował tę samą żółtą linię w widmie Słońca
 1895 – odkrycie helu na ziemi (William Ramsey)
 10 lipca 1908 – skroplenie helu (H. Kamerlingh
Onnes)
 1947 – pierwsza komercyjna skraplarka helowa
(Collins) – rozwój badań niskotemperaturowych

CIEKŁY HEL


Obecnie uzyskiwany wyłącznie z gazu ziemnego
Dwa stałe izotopy: 4He i 3He
 3He:


1-2·10-7 He z gazu ziemnego i ok. 1,3·10-6 He w atmosferze
Zawartość He w powietrzu: 0,724·10-4 % wag., 5,239·10-4 % obj.
3He uzyskuje się w reakcjach jądrowych jako produkt uboczny
wytwarzania trytu
CIEKŁY HEL – WYKRES FAZOWY
CIEKŁY HEL – WYKRES FAZOWY
WYBRANE WŁASNOŚCI GAZÓW
KRIOGENICZNYCH
M – masa cząsteczkowa, TN – normalna temperatura wrzenia przy p=1bar, ΔHv – ciepło
parowania, ρ - gęstość, V-objętość, TC – temperatura krytyczna, PC – ciśnienie krytyczne
Indeksy: 1-ciecz w TN, 2-gaz w TN, 3-gaz przy 1 bar i 273 K, c – w punkcie krytycznym,
ZASADY BEZPIECZEŃSTWA PRZY
PRACY Z CIECZAMI KRIOGENICZNYMI
CIECZE KRIOGENICZNE – BHP

Zagrożenia związane z cieczami kriogenicznymi
 Bardzo
niska temperatura cieczy i par
 Bardzo duży współczynnik ekspansji
 Zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu
 Zagrożenie pożarowe
BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I
PAR
Szybkie i głębokie odmrożenia podobne do
oparzeń
 Szczególnie narażone delikatne tkanki
 Niebezpieczne zimne pary
 Odzież:

osłonięte całe ciało
 niezbyt obcisła – możliwość szybkiego zdjęcia
 spodnie bez mankietów i otwartych kieszeni
 buty z cholewami nie są zalecane – nogawki na
zewnątrz
 w razie potrzeby osłona na twarz

BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I
PAR

Niebezpieczny kontakt z zimnymi przedmiotami
(szczególnie metale)
 przymarznięcie
do ciała
 nie nosić biżuterii
Rękawice odpowiednio luźne – specjalne
kriogeniczne lub skórzane
 ruchość materiałów

BHP. BARDZO NISKA TEMPERATURA CIECZY I
PAR. PIERWSZA POMOC
Odmrożonego miejsca nie ogrzewać gwałtownie
 Nie trzeć
 Nie ogrzewać na sucho, zamrożony obszar
umieścić w wodzie o temperaturze ok. 40°C
 Wezwać lekarza
 Dłuższe przebywanie w zimnych parach może
doprowadzić do wychłodzenia całego organizmu
– również ogrzewać powoli

BHP. WSPÓŁCZYNNIK EKSPANSJI
Z jednego litra cieczy kriogenicznej powstaje
kilkaset litrów gazu
 Ciecze kriogeniczne nie mogą być
przechowywane w szczelnie zamkniętych
naczyniach – niebezpieczeństwo rozerwania

 Zbiorniki
ciśnieniowe – zwykle dwa zawory
bezpieczeństwa
 Zbiorniki otwarte – luźno dopasowany korek
BHP. ZMNIEJSZENIE ZAWARTOŚCI TLENU W
POWIETRZU

Gazy z cieczy kriogenicznych:







Bezbarwne
bez zapachu
bez smaku
brak oznak, że dany gaz jest w powietrzu
Nie są toksyczne ale ich obecność zmniejsza zawartość
tlenu – należy zapewnić odpowiednią wentylację
Minimalna zawartość tlenu w powietrzu – 19,5%
Przy zawartości tlenu poniżej 15%– może nastąpić
uduszenie