Inhomogenitet i termoelement. Inhomogenitet i termoelement. SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut

Transkript

1 Inhomogenitet i termoelement SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut Inhomogenitet i termoelement Termoelement används allmänt inom industrin, för att mäta temperaturer inom ett mycket stort temperaturintervall. Beroende på typen av material i termoelementen kan dessa efter en tids användning förändras på grund av hög temperatur och yttre påverkan så att inhomogeniteter bildas i termoelementmaterialet och stora mätfel kan uppstå. Figur 1. Spetsen på ett termoelement. Termoelement används allmänt, för att mäta temperaturer från 200 C till över 2000 C. Att termoelementen är så allmänt använda, beror på att de är väl lämpade för de flesta mätsituationer. Termoelementen har dock en betydelsefull nackdel, nämligen dess benägenhet att förändra sin utsignal på grund av omgivningspåverkan. Exempel på sådana omgivningsfaktorer är hög temperatur, kemisk och mekanisk påverkan, som leder till inhomogeniteter i termoelementtrådarna. Resultatet är mätfel av okänd storlek, som kan uppstå redan vid första användningen. Dessa inhomogeniteter kan hos vissa typer av termoelement förorsaka mätfel som uppgår till tiotals grader vid höga temperaturer. Mätprincip Ett termoelement består i princip av två sammanfogade homogena metalltrådar av olika material. Den sammanfogade änden, med elektrisk kontakt mellan trådarna, kallas ofta varma lödstället av historiska skäl. Den andra änden av termoelementet med de två fria trådändarna som är anslutna till spänningsmätaren kallas ofta av samma skäl kalla lödstället. SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut Mätteknik Box 857, BORÅS Telefon: , Telefax: E-post: info@sp.se, Internet: SP INFO

2 Om det är en temperaturdifferens mellan termoelementets varma lödställe, placerat vid mättemperaturen, och dess kalla lödställe, placerat vid referenstemperaturen (ofta 0 C i ett isbad), uppkommer en spänningsdifferens mellan trådarna i referenspunkten. Denna spänning kan sedan mätas och räknas om till temperatur. T 2 (Mättemperatur) Varma löstället T 1 (Referenstemperatur) Kalla lödstället Material A U~ T 2 - T 1 Material B Figur 2. Princip för ett termoelement. Är de olika materialen i de båda trådarna i termoelementet homogena, med avseende på de termoelektriska egenskaperna, beror den uppkomna spänningsdifferensen enbart på skillnaden i temperatur mellan mätpunkten och referenspunkten. Om materialen i trådarna inte är homogena, påverkas dock den uppmätta termospänningen inte bara av temperaturskillnaden mellan mätpunkt och referenspunkt, utan också av temperaturgradientens placering utefter trådarna. Detta därför att den uppkomna termospänningen inte bildas i det varma lödstället utan utefter hela temperaturgradienten från det varma lödstället till det kalla lödstället. T T 2 (Mättemperatur) T 1 (Referenstemperatur) U ~ T 2 -T 1 Figur 3. Princip för ett termoelement. Termospänningen alstras där temperaturen ändras. Metoder för inhomogenitetsmätningar När man skall undersöka ett termoelements homogenitetsstatus är det i huvudsak två varianter av utrustningar som finns till förfogande. Antag att det är ett oädelt mantlat termoelement som skall kalibreras i ett vätskebad eller en rörugn. Det vanligaste är då att det inte finns någon speciell inhomogenitetsmätutrustning att tillgå. Mätningarna måste då göras i den befintliga kalibreringsutrustningen. Från maximalt införingsdjup dras termoelementet stegvis ut ur badet eller ugnen. Vid varje steg noteras termospänningen när termoelementet kommit till jämvikt.

3 Tillsammans med kalibreringsobjektet förflyttas en referenstermometer som ger temperaturen i badet eller ugnen. I detta fall utsätts termoelementet för en brant temperaturgradient vid badytan eller vid ugnsmynningen. Om man förutom kalibreringsutrustningen har en särskild utrustning för inhomgenitetsmätningen är den oftast av tvågradienttyp. Mätprincipen är densamma som gäller för vår utrustning. För att kunna mäta eventuella inhomogeniteter hos ett termoelement utnyttjar vi förhållandet, att om bara varma- och kalla- lödstället hålls vid samma temperatur skall den uppmätta termospänningen vara 0 även om temperaturen i mellanområdet avviker. En kort väldefinierad värmezon förflyttas längs termoelementet medan dess mätpunkt och referenspunkt hålls vid samma temperatur och termospänningen noteras. I detta fall utsätts termoelementet för två branta temperaturgradienter en på var sida av värmezonens maximum. Det är alltså bara när värmegradienterna passerar inhomogeniteter i termoelementet som det uppstår en spänningsskillnad mellan termoelementets trådar Figur 2. Testutrustning för inhomogenitetsmätningar. Förflyttningen är automatiserad och styrs från dator med hjälp av ett mät- och styrprogram. Termospänningen registreras under förflyttningen via en nanovoltmeter kopplad till datorn och redovisas i diagramform, där termoelementets homogenitetsstatus kan avläsas. Värmezonen åstadkoms med hjälp av en hetluftsfläkt som kan ge maxtemperaturen 700 C. Två vridbara kalluftsfläktar, en på var sida av värmezonen, gör det möjligt att variera lutningen på värmezonens båda temperaturgradienter. Genom att ändra lutningen på gradienterna kan man simulera olika förhållanden som råder vid praktiska mätningar med termoelementet. Om man till exempel mäter temperaturen i ett saltbad har man en brantare temperaturgradient vid vätskeytan än vid mynningen på en ugn, om man istället mätte i en sådan vid samma temperatur. Då termospänningen genereras längs temperaturgradienterna har deras utseende betydelse vid inhomgenitetsmätningen.

4 Ju brantare gradienter hetluftsfläktens värmezon har desto högre blir inhomogenitetstopparna i diagrammet. Om gradienterna i den praktiska mätsituationen är mindre branta än vid inhomogenitetsmätningen kommer inhomogenitetsbidraget i felbudgeten att bli för stort och därmed också den skattade totala mätosäkerheten. Mätningar Figur 3 visar 8 mätningar för ett mantlat termoelement typ K. Fyra mätningar är gjorda i riktning från spetsen på termoelementet i isbadet, och fyra mätningar i motsatt riktning. I figuren är mätningarna a, c, e och g mätta i riktning från spetsen. Varje mätning är gjord med en skanningstid på 20 minuter och en steglängd på 5 mm. Spridningen mellan mätningarna är väldigt liten, varför redan en enda mätning ger en god uppfattning om termoelementets inhomogenitetsstatus. Reproducerbarhet hos termoelement typ K 2,0 1,5 1,0 Temperaturändring ( C) 0,5 0,0-0,5-1,0-1,5 a b 0 c d e f g h -2,0 Avstånd från givarspets till temperaturgradienternas centrum (mm) Figur 3. Reproducerbarhet hos ett manteltermoelement typ K. Den uppmätta spänningen har här räknats om till temperatur. Oftast utsätts termoelement för endast en temperaturgradient när de används, och inte två, som är fallet med den testutrustning vi använder. Vi har därför jämfört resultatet från vår testutrustning, med tester i bad och ugn. Vid en inhomogenitetsmätning med en utrustning som utgår från en värmezon med två temperaturgradienter, som får påverka termoelementet, kan man inte direkt överföra mätvärdena till att gälla för mätningar där man i princip endast har en gradient, som är fallet när man mäter i en ugn eller ett bad. Se figur 4.

5 Termoelement typ K vid 300 C 2,0 Temperaturändring ( C) 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0 Hot-air fan Salt bath ,5-2,0 Avstånd från givarspets till temperaturgradienternas centrum (mm) Figur 4. Inhomogenitetsmätning med hetluftsfläkt jämfört med i saltbad. Tvågradientfallets resultatkurva motsvarar en derivata till engradientfallets resultakurva. Genom numerisk integration kan man överföra tvågradientfallets resultat till motsvarande engradientsfall. Se figur 5. På detta sätt kan vi med hjälp av resultatet från vår testutrustning räkna ut hur stort inhomogenitetsfel som en mätning i ugn, bad eller motsvarande skulle bli vid olika införingsdjup. Termoelement typ K Temperatur ( C) 301,0 300,5 300,0 299,5 299,0 salt bath measurement calculated from hot-air method 298, Avstånd från givarspets till temperaturgradienternas centrum (mm) Figur 5. Inhomogenitetsmätning med hetluftsfläkt jämfört med i saltbad

6 Sammanfattning Inhomogeniteter uppkommer i den del av termoelementet, som varit utsatt för höga temperaturer under lång tid eller av mekanisk påverkan. Resterande del av termoelementet kan vara helt opåverkat. Eftersom termospänningen i termoelementtrådarna bara alstras i en temperaturgradient så är det i den del av ugnen där trådarna passerar från det varma ugnsområdet till den kalla omgivningen som är den kritiska zonen. Det är i det området som termoelementets sammansättning påverkar den uppmätta termospänningen mest och bör vara så fritt från inhomogeniteter som möjligt. Med utgångspunkt från våra inhomogenitetsmätningarmätningar kan vi förutsäga storleksordningen på de mätfel, som kan förorsakas om ett termoelement med inhomogeniteter, används i en ugn med andra insticksdjup än som var fallet vid kalibreringen.