Mätning av temperatur

Transkript

1 Mätning av temperatur Processindustriell mätteknik Zacharias Aarnio

2 Innehållsförteckning Inledning... 1 Sensortyper... 1 Vätsketermometer... 1 Bimetalltermometer... 2 Elektriska sensorer... 2 Allmänt... 2 Termistor... 3 IC-temperaturgivare... 3 Termoelement... 3 Signal... 4 Signaltyper... 4 Analoga signaler... 4 Digitala signaler... 4 Exempelfall i kursen Övningsarbeten i anläggnings- & systemteknik... 5 AD 590JH... 5 Dostmann P505 med temperaturgivaren Pt Parr 1672 Thermometer... 7 Övriga... 7 Slutord... 7

3 Inledning Denna uppsats har skrivits för kursen Processindustriell mätteknik på ämnet Anläggningsoch systemteknik vid Åbo Akademi. Arbetet handlar om mätning av temperatur i synnerhet i industriell omgivning. Inledningsvis presenteras de vanligaste temperaturgivartyperna i allmänhet varefter några sätt att omvandla temperaturen till en läsbar signal behandlas. Till sist betraktas några temperaturgivare som använts i kursen Övningsarbeten i anläggningsoch systemteknik närmare. Sensortyper Vätsketermometer Kanske den allra vanligaste typen av temperatursensor är kvicksilvertermometern som hittas inte endast i industrin utan i så gott som alla hushåll. Dess fördelar är att vara billig och att ingen komplicerad signalkonversion behövs, men kan vid behov inkorporeras genom t.ex. omvandling till en elektrisk signal. Denna typ av termometer baserar sig på vätskors värmeutvidgning. En bekant ämnesmängd av vätska sätts i ett kärl med bekant volym. Vätskans volym ändras linjärt som funktion av temperaturen och genom att mäta vätskenivån kan temperaturen avläsas ur skalan som bör finnas tillhands för ifrågavarande behållare. Vätskans värmeutvidgning beskrivs av ekvationen där är volymändringen, referensvolymen, temperaturändringen och är vätskans värmeutvidgningskoefficient. Figur 1: En kvicksilvertermometer för laboratorieexperiment i rumstemperatur I extrema fall bör också tryckförändringen i kärlet beaktas. Det är fördelaktigt att ha ett stängt kärl, eftersom annars skulle vätskan långsamt (eller snabbt, beroende på vätskan och temperaturen) förångas i omgivningen och konversion av nivåmätning till temperatur skulle inte mera kunna göras enligt samma förhållande. Kalibrering av konversionsdata åtgärdar problemet. Trycket kan också användas som indikator för temperaturen, men i så fall behövs det en skild tryckgivare vars signal i sin tur måste omvandlas till temperaturdata. Val av vätskan som används i termometern beror på användningsomgivningen, närmast det temperaturområde som bör mätas. På grund av att sådana ämnen som befinner sig i vätskefas i väldigt höga temperaturer (exempelvis många metaller) är fasta i rumstemperatur och 1

4 kräver därför en hög tillverknings- och förvaringstemperatur, lämpar denna typ av termometer sig bäst till mätningar i området -38 C 356 C (kvicksilver i vätskefas). Med val av en specifik vätska för ett visst specialområde kan man över- eller understiga dessa temperaturer, men då blir ofta andra sätt att mäta temperatur smidigare och billigare. Inom industrin används denna typ av temperaturgivare bl.a. för mätning av vätskornas temperatur i rörledningar. I synnerhet passar en enkel och billig termometer bra på ställen där man sällan behöver veta temperaturen och en person kan vid behov gå och avläsa mätvärdet. Bimetalltermometer Som namnet anger består en bimetalltermometer av två bitar av olika metaller (även andra material kan användas men de är inte vanliga). Även denna typ av mekanisk temperaturgivare baserar sig på principen om värmeutvidgning, men istället för volymen är längden den avgörande dimensionen. Eftersom olika metaller har olika längdutvidgningskoefficienter ändras två olika metallbitars längder olika mycket vid en och samma temperaturförändring. Den signal som bör omvandlas till temperatur är längddifferensen mellan de två metallerna. Kraven för metallerna ställs av det temperaturområde som kommer att mätas. Fördelaktigt med en bimetalltermometer jämfört med vätsketermometrarna är att metallerna är i fast fas och det finns ingen minimigräns för tillverkningstemperatur. Således är användningsområdet endast begränsat i övre ändan (ytterligare begränsningar kan dock förorsakas av termometerns konstruktion eller signalomvandling). Smältning av ena metallen förstör givetvis termometern, men även lägre temperaturer kan göra metallen så mjuk att pålitligheten försämras. Fjärrläsning av mätvärden från en bimetalltermometer är lika besvärligt som av en vätsketermometer och således är deras användningsområden inom industrin ungefär lika. Bimetalltermometrar kan dock enklare och billigare anpassas för högre temperaturer och därför har en viss roll. Eventuellt dessa är snäppet enklare att läsa. Elektriska sensorer Allmänt Temperaturen kan också mätas på basis av olika elektriska storheter. Den allra vanligaste av dessa är resistans/kapacitans, som i många komponenter är temperaturberoende. Spänningsförlusten över en resistor eller en transistor kan omvandlas till temperatur enligt grundläggande elektrofysikaliska ekvationer och kalibrering. Karakteristiskt för elektriska temperatursensorer är att de kan tillverkas enkelt och billigt, och ett noggrant mätvärde fås lätt, men för de billigaste sensorer är värdet inte synnerligen noggrant på grund av kalibreringsfel och olinjära samband mellan temperatur och utsignal. Däremot kan väldigt pålitliga och bra elektriska mätinstrument tillverkas men de är mycket mer komplexa och med ökad komplexitet ökar också priset. 2

5 Termistor Den enklaste formen av elektrisk temperaturgivare är termistorn. En termistor är en resistor vars resistans är beroende av temperaturen. Motståndet kan antingen höjas (PTC, positive temperature coefficient) eller sänkas (NTC, negative temperature coefficient) med stigande temperatur. För ett litet temperatursintervall varierar resistansen som funktion av temperaturen linjärt enligt följande ekvation: ( ) där är förändringen i resistansen, är referensresistansen, är ändringen i temperaturen och k är en temperaturkoefficient. (Kuphaldt, 2013) För ett bredare område används oftast någon typ av approximation, exempelvis Steinhart-Hart-ekvation vars fel i ett 200 C temperaturintervall är typiskt mindre än 0,02 C. (Agilent Semiconductor, 2012) Trots att det finns bra approximationer för breda områden är termistorer oftast inte särdeles noggranna. Därtill är det stora spänningsfallet över komponenten ofördelaktigt vid fjärrläsning av temperatur, och därför lämpar sig termistorn bäst i användning som skyddskomponent eller annars lokalt. IC-temperaturgivare Förkortningen IC står för integrated circuit, integrerad krets och betyder att styr- och stödkretsen för en elektrisk temperaturgivare har integrerats i temperaturgivarenheten och den kan med vissa villkor fungera självständigt (ev. extern spännings-/strömkälla behövs). Ofta anser man dock en viss typ av temperaturgivare med benämningen IC, nämligen en transistorliknande komponent vars resistans och således utkommande ström ändras som funktion av temperatur. Den integrerade kretsens fördel är att utsignalen kan förbättras och justeras. Lokala kalibreringar är möjliga, och utsignalens art kan bestämmas (spänning, ström, mm.) så att den lämpar sig i användningsomgivningen. Termoelement En annan enkel temperaturgivare som använder sig av elektriska fenomen är s.k. termoelement. Termoelement baserar sig på Seebeck-fenomenet (efter Thomas Johann Seebeck). Termoelementets användbarhet begränsas av att potentialskillnaden beror av både den absoluta temperaturen i båda ändorna och temperaturskillnaden mellan dem. Därför måste temperaturen i ena ändan vara bekant för att mätningar med ett termoelement kan utföras. Även de enklaste mottagande instrument har dock en (enkel och billig) integrerad termometer som ger den lokala temperaturen med tillräcklig noggrannhet och möjliggör mätningar med termoelementet. Av samma orsak är också en tillräcklig längd nödvändigt för att värmen från mäthuvudet inte skulle ledas längs trådarna och ändra på temperaturen i mottagande ändan. (Agilent Semiconductor, 2012) 3

6 Signal Signaltyper Analoga signaler Den givetvis enklaste signaltypen är direkt optisk avläsning av temperaturen från en skala som ritats i termometern, som i de allra vanligaste kvicksilvertermometrar. Detta är dock inte praktiskt när temperaturen måste mätas på många olika ställen samtidigt, och mätningsställen kan vara svåra att komma åt samt besvärliga eller farliga att befinna sig i. Fjärrläsning är ett måste i de flesta industrianläggningar. 1 0,5 0-0,5-1 Figur 2: Exempel på en analog signal (signalamplituden som funktion av tiden) Med en analog signal anses en kontinuerlig signal som beskriver en storhet, t.ex. temperatur, som funktion av tid. Gällande temperaturmätningarna är den överlägset vanligaste signalöverföringsmetoden elektrisk överföring via koppartråd. En analog signal kan också överföras på många andra sätt (per elektromagnetisk strålning, pneumatiskt, mekaniskt, även optiskt) men deras tillämpningar i detta syfte är få. Teoretiskt är en analog signal helt kontinuerlig, d.v.s. den har oändligt många mätvärden per tidsenhet. För mätning av temperatur har detta dock ringa betydelse, däremot kan den analoga signalens känslighet för störning förskjuta det avlästa mätvärdet åt något håll. I teorin lider en analog signal av varje längdenhet den överförs, men i praktiken är försämringarna så små att i alla förutom de mest noggranna mätningar kan utföras med tillräcklig noggrannhet. Systematiska fel kan också korrigeras av mottagande instrument. 1 0,5 0-0,5-1 Figur 3: Exempel på en digital signal (signalamplituden som funktion av tiden) Digitala signaler En digital signal karakteriseras av dess diskreta natur, d.v.s. signalen består av en sekvens värden som signalen antar för en bestämd tid. Tiden kan vara väldigt kort och begränsas av det signalöverförande mediets förmåga att avskilja diskreta bitsekvenser av en viss längd (m.a.o. maximala bit rate). Digitala signaler kodas enligt något överenskommet system för att kunna översätta temperatursignalen till en signal som lämpar sig för digital överföring. 4

7 Fördelen med digitala signaler är att de inte är så känsliga för störningar, men tillräckligt stor interferens gör att signalen slutar fungera eftersom den inte kan dechiffreras till läsbar form på grund av sekvensens ogiltighet. När en digital signal helt och hållet slutar gå genom kan en analog signal ännu tolkas fast det kan vara svårt. Vid mätning av temperatur stöter man dock sällan till så utmanande förhållanden att en digital signal inte mera skulle fungera och det är ganska tryggt att använda sig av dem. Ofördelaktigt med digitala signaler överlag är också att deras upplösning är ändligt stor. Som tidigare konstaterats är det oftast dock inte nödvändigt att ha enormt stor upplösning vid mätning av temperatur i industriella tillämpningar, och en digital signal är således alldeles användbar i de allra flesta fallen. Exempelfall i kursen Övningsarbeten i anläggnings- & systemteknik AD 590JH Temperaturgivaren AD 590JH är en elektrisk temperaturgivare som baserar sig på transistorns resistans temperaturberoende. AD 590JH används i övningsarbetena för värmeväxlare och värmeväxlarnät, värmepanna samt värmepump. AD 590JH är en s.k. IC-termometer (integrated circuit, integrerad krets). Stödkretsarna har integrerats i temperaturgivarenheten och för att göra mätningar behövs endast en extern spänningskälla (+4 V +30 V) Figur 4: AD 590JH temperaturgivare och en signalomvandlare som omvandlar utsignalen till läsbar form. Utan någon som helst extern kalibreringskrets är dock mätningarna inte särdeles noggranna, för AD 590J modellen är noggrannheten ±10 C. Eftersom AD 590 är en PTATströmregulator (proportional to absolute temperature) är felet mindre vid lägre temperaturer. Ett mätfel på 10 C är dock oacceptabelt och därför trimmas mätvärdet av mottagande apparatur. På så sätt fås mätfelet ner till ±5 C för AD 590J. (Analog Devices, 1997) Figur 5: Den externa mottagande kretsen i arbeten Värmeväxlare och Värmeväxlarnät Utsignalen använder strömmodulation istället för att modulera spänningen. Den i temperaturgivarenheten integrerade stödkretsen med hög impedans gör att ändringar i spänningen från den externa spänningskällan påverkar utsignalen minimalt (1 µa eller 1 C för en ändring från 5 V till 10 V. Konstant och bekant spänning är förstås önskvärt för noggrannare mätningar. I övningsarbeten borde inte några relevanta ändringar i spänningen förekomma. (Analog Devices, 1997) 5

8 Fördelen med en elektrisk temperaturgivare är att fjärrläsningen är enkelt och billigt att arrangera. Utsignalen från temperaturgivaren kan överföras till mottagande apparatur hundratals meter ifrån mätenheten genom en enkel partvinnad kabel. Spänningskällan kan placeras lokalt vid mätningsstället eller på avstånd. Eftersom den lilla elektriska temperaturgivaren är känslig för att förstöras av externa krafter och fuktighet måste enheten skyddas på något sätt. Det finns många sätt att göra detta och kraven för inkapslingen beror återigen av användningsområdet, men skydd från fysikaliska krafter inklusive tryck, för höga temperaturer samt elektrisk interferens är några exempel som ofta måste läggas märke på. I synnerhet måste man vid mätning av temperatur hos vätskor hålla vätskan separat från temperaturgivaren. Dostmann P505 med temperaturgivaren Pt 100 Dostmann P505 används i övningsarbeten Mättningskurva och Fuktig luft. De facto är inte själva apparaten av stort intresse utan fokuset med tanke på mätning av temperatur ligger på temperaturgivaren Pt 100 som i sin natur är en termistor (mätningen baserar sig på ändringar i elektriskt motstånd som funktion av temperatur). Pt 100 följer standarden DIN IEC 751, som beskriver förhållandet mellan temperatur och resistans samt noggrannhet i detta förhållande. Namnet härstammar från Figur 6: Kalibreringskoden på en Pt 100 temperaturgivare temperaturgivarens egenskaper: känselkroppen är gjort av platina och den har resistansen 100 Ω vid 0 C. (Mess- und Regeltechnik AG, 2012) Pt 100 testas och kalibreras av tillverkaren. På varje temperaturgivarenhet finns en kalibreringskod som anger just den individens egenskaper och som matas in till mottagande apparaten och möjliggör noggrannare mätningar. Förhållandet är avsevärt linjärt och mätningsnoggrannheten är bra; i det området som undersöks i övningsarbeten hålls felet inom ±0,35 C. (Mess- und Regeltechnik AG, 2012) Platina är resistent mot kemikalier och höga temperaturer. Därför är det bra lämpad för material av industriella mätinstrument. Med Pt 100 kan man göra mätningar inom temperaturområdet -200 C +850 C. Temperaturgivaren kan i princip kopplas till vilken som helst kompatibel signalmottagare vilket är nödvändigt vid automatisering av processer; t.ex. en Dostmann P505 passar bra till mätningar som en operator går och gör vid behov, men för automatiska processer måste signalen överföras direkt till reglerande systemet. Flera temperaturgivare kan också kopplas till samma mottagare. Exempelvis i övningsarbete Fuktig luft användes två Pt 100 temperaturgivare kopplade till en P505, en för torr och en för våt temperatur. 6

9 Parr 1672 Thermometer Det noggrannaste mätinstrumentet för mätning av temperatur som används i övningsarbeten är termometern i arbetet Värmevärde. Den temperaturgivaren som på nuvarande kursversionen används är precisionstermometer 1672 av Parr Instrument Company är en IC-termometer med en termistor som temperaturgivare. På kretsen har integrerats en mikroprocessor som lineariserar temperatursignalen och möjliggör mätningarna med 0,00002 C noggrannhet i temperaturområdet 0 C 70 C. Termometerenheten har ett digitalt uttag för koppling till datasystem eller andra apparater, samt ett analogt uttag för analoga utskrivare. (Parr Instrument Company, 1994) Med tanke på processindustriella tillämpningar är inte 1672 av väldigt stor betydelse utan den är tillverkad för laboratoriebruk. Det är ovanligt att temperaturen måste mätas med så stor noggrannhet som 1672 möjliggör. I vissa specialfall (t.ex. läkemedelsindustri) kan dock det tillåtna temperaturområdet vid en process vara så pass smalt att en precisionsmätning är nödvändig. I sådana fall är dyra precisionstermometrar (1672 eller annan) behövliga. Övriga Övningsarbetet Värmevärde är i dagens läge långt automatiserat i och med att Parr 1672 mäter temperaturen med stor noggrannhet och automatiskt beräknar värmevärdet. Detsamma kunde dock göras mer manuellt med hjälp av en annan precisionstermometer som finns tillhands i övningslaboratoriet. Denna är en helt vanlig kvicksilvertermometer med upplösning på ca 0,01 C, beroende på avläsarens ögas noggrannhet. I övningsarbetet Värmepanna används ett termoelement av typen K, som består av trådar av chromel (en nickel-krom legering) och alumel (en nickel-aluminium legering). Denna har inga intressanta egenskaper utöver de som tidigare beskrivits om termoelement i allmänhet och presenteras inte därför noggrannare. Slutord De ovan presenterade sätt att mäta temperatur är endast några av alla möjliga och även de instrument som använder sig av de beskrivna metoderna kan skilja sig från varandra i en stor grad. I denna uppsats togs inte upp exempelvis de temperatursensorerna som används till att mäta temperatur i fissionsreaktorernas kärna (Fiber Bragg-gitter) fast de i största grad är industriella mätinstrument. De behandlade temperaturgivarna representerar dock de vanligaste instrumenten bra och ger en tillfredsställande överblick över de termometrarna som mest används i kemitekniska industrin. 7

10 Källförteckning Agilent Semiconductor. (den 26 januari 2012). Agilent Application Note. Hämtat från Agilent Semiconductor: den 10 maj 2013 Analog Devices. (1997). Two-Terminal IC Temperature Transducer. Hämtat från Datasheet Catalog: den 19 april 2013 Kuphaldt, T. R. (2013). Lessons In Industrial Instrumentation. Mess- und Regeltechnik AG. (september 2012). Pt100/Pt1000 platinum resistance thermometer. Hämtat från Sawi: Pt100_Pt1000_platinum_resistance_thermometer.pdf den 23 april 2013 Parr Instrument Company. (oktober 1994). Operating Instructions for the 1341 Oxygen Bomb Calorimeter. Hämtat från New Mexico State University: web.nmsu.edu/~snsm/classes/chem435/manuals/bomb.pdf den 28 april 2013