TFEI01 Föreläsningsanteckning Temperaturmätning Signalbehandling

TFEI01 Föreläsningsanteckning Temperaturmätning Signalbehandling c Lennart Båvall

2 Temperatur Grundenheterna i SI Massa Längd Tid El. ström Temperatur Ljusstyrka Materiemängd 1 kg 1 m 1 s 1 A 1 grad 1 candela 1 mol Extensiva storheter Massa 2 kg+3kg=5kg Intensiva storheter Två lika bitar med densiteterna 1300 kg/m 3 får efter hopslagning densiteten 1300 kg/m 3 Temperatur är enda intensiva grundenheten Två bitar med 2 och 5 grader blir inte 7 grader Enheter Grad Kelvin K (obs! utan ring) Grad Celsius C (fixpunkter) Grad Fahrenheit F (kvicksilvertermometern) Grad Réameur R (sprittermometern)

3 Fahrenheit Gabriel Daniel 1686-1736 Införde kvicksilver-termometern med 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 de Réamur René Antoine 1683-1757 Införde sprit-termometern med 0 R fryspunkten för vatten 1 R motsvarande utvidgningen 1/1000 av spritbehållarens volym kokpunkten för vatten 80 R Celsius Anders 1701-1744 Införde fixpunkterna 100 C fryspunkten för vatten 0 C kokpunkten för vatten Linné Vände på skalan

4 A. Temperatur går inte att mäta direkt Resistansändring Längdutvidgning Spänningsändring Översätts Temperatur B. Temperaturen själv är sällan intressant. Ex: Mätning av hälsotillstånd via kroppstemperatur (Feber). Ex: Mätning av processtillstånd via temperaturen (pappersmaskin) C. Temperaturen speglar energitillståndet Definition av temperatur 1 K är 1/273,16 av den termodynamiska temperaturen vid vattens trippelpunkt. Termodynamiska temperaturen vid vattens trippelpunkt är 273.16 K. Termodynamisk temperatur Ideala carnotmaskin Q tillförd värme Q bortförd värme = T vid tillförd värme T vid bortförd värme

Referens Trippelpunkten för vatten 5 Tryck mbar kritisk punkt (373,946 C) NTP 1013,25 flytande fast gas 6,11657 trippelpunkt 99,974 temp C Smältpunkten 0.00 Trippelpunkten 0,01 (0,008) * Diagrammet ät unikt för vatten då smältpunkten sjunker med ökande tryck. * Alla andra ämnen har gränslinjen mellan fast och flytande positiv derivata. * Smältpunkten för rent vatten (kranvatten) kan antas hålla 0,0 C. * Trippelpunkten mer väldefinierad än smältpunkten.

6 Fixpunkter (ITS 90) fastlägges med gastermometer. BP He 3 3-5 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

7 TERMOELEKTRISKA 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

8 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

9

10 Vanlig mätsituation kopplingsdosa referens T k T r S A S A E Korr T m µv S B S B U V = (T k T r )S A + (T m T k )S A + (T k T m )S B + (T r T k )S B + E Korr = = (T m T r )S A (T m T r )S B + E Korr = = (T m T r )S AB + E Korr Välj E Korr = T r S AB U V = T m S AB Översättningstabell

11 Korrigering för variation av referenstemperaturen T r 1,2V 1800 186 T m NTC 1648 µv T r NTC 5K 25 o C Kalibrering av mätinstrumentet Simulering av temperartur Spänningskälla (kalibrator) Noggrann voltmeter Tabell med sambandet termoemk/temperatur µv Prema 5000 Voltmeter Kalibrator Fluke 2100A o C Uppkoppling för simulering av termoelement

12 Motståndstermometrar (metalliska)

13 R 0 är resistansen vid 0 o C (Pt-100 är 100 Ω) A = 3,90830. 10-3 o C -1 B= - 5,77500. 10-7 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 = 0,00358 o C -1 0 o C motsvarar 100.0 Ω 100 o C motsvarar 138,5 Ω

14

15 Transmitter - signalomvandlare Dekadresistans (Simulerad Pt-100) Transmitter + 15V + DVM Modell 88 000 _ com V 250 Ω Standard 4-20 ma Strömloop Motståndstermometerar av halvledartyp NTC β T R(T) = R 0 e eller R(T) = R 25 e β 298 1 T 1

16 R log R log Ro β T 1/T Känslighet dr(t) dt β = R T 0e β T 2 Normerad känslighet 1 R(T) dr(t) dt = β 2 T Halvledargivare: LM35-givaren Utförliga data och applikationsexempel finns i boken National Data Acquisition Linear Devices artikelnr 84-092-45. 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 o C ) Pris c:a 40kr +Vs V out GND

17

Planks strålningslag 18 Rel. Intensitet 10 1000 o C W (λ) = c 1 λ 5 (e c 2 / λt 1) [W / m 2 ] 2 700 o C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Våglängd µm synligt område Totala effekten (ytan under grafen) W = c 1 λ 5 (e c 2 / λt 1) dλ = σ T 4 0 σ = 5,67 10 8 W /m 2 K 4 Stefan-Boltzmanns konstant Instrumentrealisering Temokoppel Spegel Först. Voltmeter

Bestämning av emissivitet för olika material Reella ytor strålar W = ε σt 4 19 ε = det strålande materialets totala emissivitet Sambandet är synnerligen olinjärt Emissiviteten beror på våglängden. Pyrometer Totalstrålningspyrometrar (vanligast) Del- eller bandstrålningspyrometrar Kvot- eller tvåfärgspyrometrar. Felkällor vid temperaturmätning

20

21 Temperaturmätning med termoelement 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