TMFT13 Fö: Temperaturmätning

Transkript

1 TMFT13 Fö: Temperaturmätning Per Sandström Institutionen för Fysik, Kemi och Biologi Grundenheterna i Si-systemet Massa 1 kg Massan av en platina vikt som förvaras i Frankrike. Längd 1 m Det avstånd som ljus i vacuum hinner färdas på tiden 1/ sekunder. Tid 1 s Varaktigheten av perioder av den strålning som motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna hos atomen cesium 133 El. ström 1 A Storleken på den ström som behövs för att frambringa kraften N / m mellan två raka parallella ledare med oändlig längd samt försumbart cirkukärt tvärsnitt placerade på en meters avstånd från varandra. SI-enheterna forts, Intensiva/Extensiva storheter Temperatur 1 Kelvin 1 / 273,16 av den termodynamiska temperatur som trippelpunken för vatten har. Ljusstyrka 1 candela Ljusstyrkan i en given riktning från en källa som utsänder monokromatisk strålning med frekvensen hertz och vars strålningsstyrka i denna riktning är 1/683 watt per steradian. Materiemängd 1 mol Mängden av ett ämne som innehåller lika många element (t.ex. atomer, joner och molekyler) som det finns atomer i 0,012 kilogram kol-12. Extensiva storheter Massa 2 kg+3kg=5kg Intensiva storheter Två lika bitar med densiteterna 1300 kg/m3 får efter hopslagning densiteten 1300 kg/m3 Temperatur är enda intensiva grundenheten Två bitar med 2 och 5 grader blir inte 7 grader Temperaturenheter Farenheit Grad Kelvin K Grad Celsius C Grad Fahrenheit F Grad Réameur R Fahrenheit Gabriel Daniel Införde kvicksilver-termometern 0 F salt och is-vatten 100 F blodtemperaturen hos frisk människa (96 F, dvs. 35,6 C) 0 C 32 F 100 C 212 F C=5 ( F-32)/9

2 Réamur Celsius de Réamur René Antoine Införde sprit-termometern 0 R fryspunkten för vatten 1 R motsvarande utvidgningen 1/1000 av spritbehållarens volym kokpunkten för vatten 80 R Väldigt ovanlig. En del mejerier som gör parmesanost i Italien använder den f Celsius Anders Införde fixpunkterna 100 C fryspunkten för vatten 0 C kokpunkten för vatten Linné vände på skalan Mätning av temperatur A. Temperatur går inte att mäta direkt Definition av temperatur Resistansändring Längdutvidgning Spänningsändring Översätts Temperatur 1 K är 1/273,16 av den termodynamiska temperaturen vid vattens trippelpunkt. B. Temperaturen själv är sällan intressant. Ex: Mätning av hälsotillstånd via kroppstemperatur (Feber). Ex: Mätning av processtillstånd via temperaturen (pappersmaskin) Termodynamiska temperaturen vid vattens trippelpunkt är K. C. Temperaturen speglar energitillståndet Referens Trippelpunkten för vatten Tryck mbar Diagrammet ät unikt för vatten då smältpunkten sjunker med ökande kritisk punkt (373,946 C) tryck. Alla andra ämnen har gränslinjen mellan fast NTP 1013,25 flytande och flytande positiv fast gas derivata. Smältpunkten för rent 6,11657 trippelpunkt vatten (kranvatten) kan temp C antas hålla 0,0 C. 99,974 Trippelpunkten mer Smältpunkten 0.00 Trippelpunkten 0,01 (0,008) väldefinierad än smältpunkten. Fixpunkter (ITS 90) BP He K TP H2 13,8033 K BP H2 17 K BP H3 20,3 K TP Ne 24,5561 K TP O2 54,3584 K TP Ar -189,3442 C TP Hg -38,8344 C TP H2O 0,01 C MP Ga 29,7646 C FP In 156,5985 C FP Sn 231,928 C FP Zn 419,527 C FP Sb 630,630 C FP Al 660,323 C FP Ag 961,78 C FP Au 1064,18 C FP Cu 1084,62 C MP Pd 1553,4 C fastlägges med gastermometer.

3 Termoelektriska material Seebeck koefficienter för vanliga termoelement material Termoemk Material Seebeck-koefficienten Termoelektrisk känslighet S µv / o C [ ] Vismut -72 Konstantan -35 Nickel -15 Alumel -13,6 Nisil -10,7 Platina 0 Koppar +6,5 Nicrosil +15,4 Järn +18,5 Chromel +25,8 Några vanliga typer av termoelement SAB Typ Positiva material Negativa materia Känslighet µv o C J Järn Konstantan 50,4 K Chromel Alumel 39,5 N Nicrosil Nisil 26,1 S Pl 10% Rh Platina 5,4 T Koppar Konstantan 38,7 Chromel och Alumel (element av typ K) S Chromel / Alumel = 25,8 ( 13,6) = 39,4 µv o C

4 Vanlig mätsituation kopplingsdosa T k referens T r S A S A E Korr T m µv S B S B U V = (T k )S A + (T m T k )S A + (T k T m )S B + (T r T k )S B + E Korr = = (T m )S A (T m )S B + E Korr = = (T m )S AB + E Korr Välj E Korr = T r S AB U V = T m S AB Översättningstabell Korrigering för variation av referenstemperaturen Tr Mät T r kompensera i mjuk- eller hårdvara, vanligaste metoden i elektroniska instrument Sätt T r = 0 C Sänk ned referenstället i isvatten ger nogrannare temperatur värden Pt-100 forts; R 0 är resistansen vid 0 o C (Pt-100 är 100 Ω) A = 3, o C -1 B = - 5, o C -2 t = temperaturen i o C För intervallet 0 t 100 o C duger R(t) = R 0 (1+ α t) R 0 = 100 Ω α Ω α = 0,00358 o C -1 0 o C motsvarar Ω 100 o C motsvarar 138,5 Ω

5 Transmitter - signalomvandlare Dekadresistans (Simulerad Pt-100) Transmitter + 15V + DVM Modell _ com V 250 Ω Standard 4-20 ma Strömloop Halvledargivare: Exempel LM35 Temperaturområde -40 till +110 o C Olinjaritet ±0,2 o C typ Noggrannhet ±0,4 o C typ vid 25 o C Långtidsstabilitet (1000h) ±0,08 o C Strömförbrukning 91µA Kapsel TO92 Enkel matningsspänning +4 till +30V Känslighet 10mV/ o C (med 0mV vid 0 C) o +Vs β T R(T) = R 0 e eller R(T ) = R 25 e β 1 T GND V out

6 Planks Strålningslag Rel. Intensitet o C W (λ) = c 1 λ 5 (e c 2 / λt 1) [W / m 2 ] o C Våglängd µm synligt område Totala effekten (ytan under grafen) c 1 W = λ 5 (e c 2 / λt 1) dλ = σ T 4 σ = 5, W /m 2 K 4 0 Stefan-Boltzmanns konstant Instrumentrealisering Emissivitet Reella ytor strålar W = ε σt 4 ε = det strålande materialets totala emissivitet Sambandet är synnerligen olinjärt Emissiviteten beror på våglängden. För att få korrekt temperatur måste man veta emissiviteten Termokoppel Spegel Först. Voltmeter Pyrometer Totalstrålningspyrometrar (vanligast) Del- eller bandstrålningspyrometrar Kvot- eller tvåfärgspyrometrar. Felkällor vid temperaturmätning

7 Termoelement i LabView med DAQ-kort För stabilare mätvärde bör man medelvärdesbilda Termoelement i LabView forts. Använd FOR-loop Single ended mode Från MEAN på kanal 0 till CJC voltage-ingång Från MEAN på kanal 1 till data ingång på Therm. Linear Välj lämpliga (olika) förstärkningar på kanalerna Se till att numeriska värdet från kanal 1 är positivt Var noga med att göra rent termoelementets anslutningar. Inga oxider. Switcharna i rätt läge för mätning med Therm. Linear