Digitální učební materiál Autor: Ing. Bc. Pavel Kolář Předmět/vzdělávací oblast: Základy přírodních věd - Fyzika Tematická oblast: Termika Téma: Měření teploty – teploměry Ročník: 2. Datum vytvoření: září 2013 Název: VY_32_INOVACE_08.2.02.FYZ Anotace: Teploměry. Druhy, princip a použití teploměrů. Teplotní rozsahy. Metodický pokyn: Prezentace je primárně určena ke zkvalitnění výuky v hodinách fyziky, ale může být využita i k samostudiu nebo pro distanční formu vzdělávání. Otázky na konci tématu ověří u žáků pochopení probíraného učiva. Materiál vyžaduje použití multimediálních prostředků (PC a dataprojektoru).

Teploměry – druhy, principy, použití Měření teploty Teploměry – druhy, principy, použití

Teploměry Používají se k měření teploty; Využívá se poznatku, že se změnou teploty se mění veličiny popisující stav tělesa (objem, tlak, elektrický odpor, vyzařování); Funkčně teploměry dělíme na: dilatační; tlakové; odporové; termoelektrické; bezdotykové.

Kapalinové teploměry (dilatační) Využití principu změny objemu kapaliny v závislosti na teplotě; Měřítkem teploty je výška kapalinového sloupce v kapiláře; Rozsah podle použité náplně; etanol (-110°C až 70°C); pentan (-200°C až 20°C); toluen (-70°C až 100°C); rtuť (-30°C až 350°C); Jsou jednoduché, spolehlivé, ale křehké a nevhodné pro automatizaci.

Obrázek 2.1. Lékařský rtuťový teploměr Kapalinové teploměry (dilatační) stupnice baňka kapilára rezervoár Obrázek 2.1. Lékařský rtuťový teploměr

Dvojkovové teploměry (dilatační) Využití principu roztažnosti pevných látek v závislosti na teplotě; Vzniká naplátováním dvou kovových pásků s různou teplotní roztažností (bimetal); Změnou teploty se bimetalový pásek zakřiví; Vyrábějí se jako ploché, stočené rovinné, šroubovité; Rozsah použití do 400°C; Jednoduché, levné, používají se pro regulaci (termostat) .

Obrázek 2.2. Venkovní bimetalový teploměr Dvojkovové teploměry (dilatační) stupnice ukazatel bimetalový pásek Obrázek 2.2. Venkovní bimetalový teploměr

Plynové teploměry (tlakové) Využití závislosti tlaku plynu na teplotě při stálém objemu plynu; Náplní teploměru bývá vodík, helium nebo dusík; Široký rozsah měřených teplot (-200°C až 800°C); Výhodou je přesnost, stálost parametrů, odolnost proti mechanickým otřesům.

Obrázek 2.3. Plynový teploměr Obrázek 2.4. Princip plynového teploměru Plynové teploměry (tlakové) deformační člen kapilára plynové tělísko Obrázek 2.3. Plynový teploměr Obrázek 2.4. Princip plynového teploměru

Odporové teploměry Využití závislosti elektrického odporu na teplotě; Snímače teploty z kovových nebo polovodičových odporových materiálů; Rozsah podle použitého materiálu; platina (-200°C až 850°C); nikl (-60°C až 150°C); polovodič (-40°C až 120°C); Výhodou je přesnost, možnost vzdáleného měření, využití v regulační technice a automatizaci; U digitálních přístrojů záznam a uchování naměřených hodnot.

Obrázek 2.5. Digitální lékařský teploměr Odporové teploměry teplotní snímač Obrázek 2.5. Digitální lékařský teploměr

Obrázek 2.6. Domácí meteostanice Odporové teploměry teplotní snímač Obrázek 2.6. Domácí meteostanice

Termoelektrické teploměry Využití termoelektrického jevu vznikajícího vodivým spojením dvou různých kovů (termočlánek); Ohřevem termočlánku v místě spoje, vznikne na volných koncích elektrické napětí, které je úměrné teplotě (Seebeckův jev); Rozsah podle použitého materiálu (-250°C až 2300°C); nejčastěji termočlánek typu K (chromel-alumel) (-200°C až 1250°C); Výhodou je přesnost, možnost vzdáleného měření, využití v regulační technice a automatizaci.

Termoelektrické teploměry Obrázek 2.7. Zapojení termočlánku Obrázek 2.8. Digitální teploměr s termočlánkovou sondou HARKE. cit. 2013-09-06. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AThermoelement-Thermometer_Omega_(1).jpg

Bezdotykové teploměry Využití principu vyhodnocení tepelného (světelného) záření těles, jejichž teplotu chceme měřit; Pyrometry (přímoměřící): Optické pyrometry: Měření tepelného záření jedné vlnové délky; Radiační pyrometry: Měření celého spektra tepelného záření; Termovize (zobrazovací): Měření povrchové teploty těles speciální kamerou, na monitoru se zobrazení vizuální termosnímek; Rychlé a snadné bezkontaktní měření povrchové teploty; Lze provádět nebezpečná měření (předmětů pod napětím, nedostupných předmětů, měření vysokých teplot).

Obrázek 2.9. Bezdotykový digitální teploměr Bezdotykové teploměry Obrázek 2.9. Bezdotykový digitální teploměr

Bezdotykové teploměry Obrázek 2.10. Termokamera MONTO, Tiia. cit. 2013-09-06. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AFluke_Thermal_Imager.jpg Obrázek 2.11. Termosnímek TUSZYNSKI, Jarek, TUSZYNSKI, Alex. cit. 2013-09-06. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AThermal_image_-_face_-_3.jpg

Shrnutí nejdůležitějších poznatků Při měření teploty se využívá poznatku, že se změnou teploty se mění fyzikální veličiny jako objem, tlak, elektrický odpor nebo vyzařování; Teploměry dělíme na: dilatační; tlakové; odporové; termoelektrické; bezdotykové.

Shrnutí nejdůležitějších poznatků Volba vhodného typu teploměru je v praxi ovlivněna: Rozsahem měřených teplot; Požadovanou přesností měření; Očekávaným výstupem (požadavky na rychlost měření, získávání, zpracování a ukládání naměřených hodnot); Podmínkami, ve kterých bude měření probíhat (mechanické namáhání, rušivé vlivy, vysoké teploty, obtížná dostupnost, sterilní prostředí, atp.); Cenou (pořizovací náklady, náklady na měření a údržbu).

Otázky a úkoly Popište lékařský kapalinový teploměr. Jaká náplň se dnes používá místo toxické rtuti? Skládá se z rezervoáru, ve kterém je kapalina, kapiláry, stupnice a skleněné baňky. Jako náplň se používá například etanol. Co je to bimetal? Jak se dá využít při měření teploty? Bimetal (dvojkov) vznikne spojením dvou kovů s různou teplotní roztažností. Při zahřátí se jeden kov prodlužuje více než druhý, čímž dojde k ohybu bimetalu. Bimetalový teploměr se využívá k měření teploty, bimetal v termostatu se využívá k regulaci teploty. Jakým způsobem probíhá převod neelektrické veličiny (teploty) na elektrické veličiny (odpor, napětí) u elektrických teploměrů? Využívá se teplotní závislosti elektrického odporu kovů nebo polovodičů. U termoelektrických čidel je využito termoelektrického (Seebeckova) jevu.

Otázky a úkoly Na jakém principu fungují bezdotykové teploměry? Zhodnoťte výhody a nevýhody bezdotykového měření teploty. Fungují na principu detekce tepelného záření. Výhody: Lze provádět nebezpečná měření předmětů pod napětím, měření nedostupných předmětů, měření vysokých teplot. Nevýhody: Měří se pouze povrchová teplota, měřený předmět musí být v dohledné vzdálenosti, přesnost závislá na správném nastavení (různá emisivita). Jakým způsobem se dokumentují tepelné ztráty při zjišťování energetické náročnosti budov? Tepelné ztráty budov se dokumentují například pomocí termosnímků. Jaké druhy teploměrů používáte doma? Na jakém principu fungují?

Použité zdroje LEPIL, Oldřich, BEDNAŘÍK, Milan, HÝBLOVÁ, Radmila. Fyzika pro střední školy I. 4. vyd. Praha: Prometheus, 2004, 266 s. Učebnice pro střední školy. ISBN 80-7196-184-1. LORENC, Jiří. Elektrotechnická měření - Měření v automatizační technice pro 3. a 4. ročník SPŠE. 1. vyd. Praha: SNTL, 1981, 208 s. Učebnice pro střední školy. VACULÍK, Jan. Plynové teploměry pro průmyslové použití. Automa: Časopis pro automatizační techniku. Praha: FCC Public, 2013, č. 3. ISSN 1210-9592. HUŠEK, Miloš. Qtest.cz: Princip bezdotykového měření teploty. [online]. [cit. 2013-09-05]. Dostupný z WWW: http://www.qtest.cz/bezdotykove-teplomery/bezdotykove-mereni-teploty.htm Autorem obrázků, pokud není uvedeno jinak, je autor výukového materiálu.

Použité zdroje Obrázek 2.3.: Kolektiv. TXR160XA (DN 160, s pevným stonkem).jpg. Obrázek použit s laskavým svolením Koerta Sportela, obchodního ředitele společnosti STIKO. www.stiko.nl Obrázek 2.4.: VACULÍK, Jan. Schéma uspořádání plynového teploměru.jpg. Obrázek použit s laskavým svolením autora Ing. Jana Vaculíka. www.bhvsenzory.cz Obrázek 2.9.: HARKE. Commons.wikimedia.org: Thermoelement-Thermometer Omega (1).jpg online. 2011-04-20 cit. 2013-09-06. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AThermoelement-Thermometer_Omega_(1).jpg Obrázek 2.10.: MONTO, Tiia. Commons.wikimedia.org: Fluke Thermal Imager.jpg online. 2013-02-07 cit. 2013-09-06. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AFluke_Thermal_Imager.jpg Obrázek 2.11.: TUSZYNSKI, Jarek, TUSZYNSKI, Alex. Commons.wikimedia.org: Thermal image - face - 3.jpg online. 2013-04-24 cit. 2013-09-06. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AThermal_image_-_face_-_3.jpg