Temperaturgivare. Värmetransport på 3 sätt: Typer av givare för temperatur: * Värmeledning * Konvektion * Strålning

Transkript

1 Värmetransport på 3 sätt: * Värmeledning * Konvektion * Strålning Typer av givare för temperatur: * Beröringstyp (värmetransport via värmeledning) * Beröringsfri typ (värmetransport via strålning)

2 Givare av beröringstyp * Termoelement * Motståndstermometrar (Pt-100) * Halvledartermometrar (termistorer) - NTC (Negative Temperature Coefficient) - PTC (Positive Temperature Coefficient) Beröringsfria givare * Strålningspyrometrar - Totalstrålningspyrometer - Delstrålningspyrometer

3 Termoelement * Mätområde 200 oc oc * Relativ temperaturmätning Thomas Johan Seebeck * Bygger på den s.k. Seebeck-effekten (u. 1821) * Två ihoplödade metaller/legeringar i vilka en elektrisk spänning uppkommer pga olika temperaturer vid lödställena

4 Termoelement där SA och SB är de s.k. Seebeck-koefficienterna för metallerna A och B.

5 Seebeck-koefficienterna beror egentligen av temperaturen. - Här är en härledning av den approximation som gjorts:

6 Linjär approximation av Ttip: Polynomapproximation av TTip:

7 Tabell över Seebeck-koefficienter (Enhet: μv/oc, Referenstemperatur: 0 oc) Material Seebeckkoefficient Material Seebeckkoefficient Aluminium 3.5 Kromnickel 25 Antimon 47 Nickel -15 Vismut 72 Platina 0 Kadmium 7.5 Kalium -9.0 Kol 3.0 Rhodium 6.0 Konstantan -35 Selen 900 Koppar 6.5 Kisel 440 Germanium 300 Silver 6.5 Guld 6.5 Natrium -2.0 Järn 19 Tantal 6.5 Bly 4.0 Tellur 500 Kvicksilver 0.60 Wolfram 7.5

8 Standardtyper av termoelement Typ Par Seebeck-koeff. (µv/k) E Chromel-Konstantan 60 J Järn-Konstantan 51 T Koppar-Konstantan 40 K Chromel-Alumel 40 N Nicrosil-Nisil 38 S Pt (10% Rh)-Pt 11 B Pt(30% Rh)-Pt(6% Rh) 8 R Pt(13 % Rh)-Pt 12

9 Toleranser för olika typer av termoelement

10 Termoelements sammansättning, märkning m.m.

11 Temperaturkurvor för olika typer av termoelement

12 Skyddskapslade termoelement Isolerad mätpunkt Den säkraste konstruktionen som är att föredra i de allra flesta fall. Man kan t ex utan hinder använda givaren för differensmätningar, slipper problemet med jordströmmar och vinner mekanisk hållfasthet. Jordad mätpunkt Trådarna svetsas fast i förslutningen. Ger något kortare svarstid. Mantel, isolering och termoelementtrådar har olika värmeutvidgning. Snabba och stora temperaturförändringar kan leda till att trådarna lossnar från spetsen. Exponerad mätpunkt Mätpunkten ligger utanför manteln och röret tätas med t ex glasmassa. Styrkan är kortast möjliga svarstid. Men på samma gång tar man bort flera av det slutna manteltermoelementets fördelar som hög temperaturtålighet. Exponerad mätpunkt rekommenderas endast när kort svarstid ligger absolut högst på kravlistan.

13 Termoelement med bryggkompensering * Brygga med NTC-termistor och korrektionsspänning för att kompensera för temperaturvariationer hos det kalla lödstället

14 Motståndstermometrar * Mätområde: 260 oc oc * Större noggrannhet än hos termoelement * Baseras på resistivitetens temperaturboeroende - Ökande resistivitet med ökad temperatur (PTC) * Vanligast använda metallerna: Platina, nickel, koppar

15 Resistivitetens temperaturberoende hos nickel och platina

16 Motståndstermometrar * Temperaturberoende: (polynomapproximation av grad 2) (linjär approximation) * Tabell för koefficienter för Pt och Ni: Material a [/oc] b [(/oc)2] α [/oc](0-100oc) Pt (0-600oC) Ni (0-200oC)

17 Vanligaste typen av motståndstermometer: Pt-100 (Platina, 100 Ω vid 0oC) Okapslad Kapslad

18 Problem vid mätning med Pt-100 * Temperaturberoende ledningsresistanser ==> Kompensering med flera ledare Grundkoppling (brygga) Tvåtrådskoppling Tretrådskoppling Fyrtrådskoppling (med konstant strömkälla)

19 Annan variant av fyrtrådsmätning (2- och 3-tråds också med för lättare jämförelse): 2-tråds 3-tråds 4-tråds

20 OP-förstärkare i differentialkoppling

21 OP-förstärkare i bryggkoppling med Pt-100

22 Termistorer (halvledartermometrar) * PTC (Positive Temperature Coefficient) * NTC (Negative Temperature Coefficient)

23 Två typer av PTC-termistorer 1. Sensor: Kiselresistor med ganska linjär temperaturkarakteristik även kallad silistor eller LPTC. 2. Switch: Switchande PTC-termistor med kraftigt olinjär temperaturkarakteristik. Dopat polykristallint keramikmaterial som används som strömskydd/temperaturskydd för olika utrustningar.

24 Linjär PTC (LPTC) AM-LPT2000 AM-LPT1600 AM-LPT1000 AM-LPT600 25oC

25 LPTC ( Linjär PTC) * Arbetsområde -50 oc oc

26 NTC-termistorer Utgångspunkt (referens) 25 oc = 298 K

27 Linjärisering av NTC-termistor genom spänningsdelning

28 NTC-termistor - linjärisering Mest linjär i inflektionspunkten (2:a derivatan = 0) 5.0 t

29 NTC-termistorer * Mätningar i intervallet 0 < T < 573 [K] * R25 från 1 Ω till 1 MΩ * Små dimensioner ger snabb respons (liten tidskonstant) * Hög förstärkning (som dock minskas vid linjärisering) * Möjlighet till hög resistans minskar inverkan av ledarresistanser

30 Optisk pyrometer * Justering av lampans ström tills samma intensitet som hos temp.källan

31 Strålningspyrometer

32 Totaltrålningspyrometer * Bygger på Stefan-Boltzmanns lag där T är temperatur i K, A arean och P(T) är totala utstrålade effekten. Emissiviteten ε är 1 för en perfekt svartkropp. Koefficienten σ (Stefan-Boltzmanns konstant) ges av

33 Selektiv strålningspyrometer * Bygger på Plancks strålningslag: Spektralradiansen ges av (enhet: W/m3/sr där sr=steradian (rymdvinkel)): kb = Boltzmanns konstant, h = Plancks konstant, λ = våglängd, ν = frekvens

34 Pyrometrar * Exempel på olika utformningar