Värmetransport på 3 sätt: * Värmeledning * Konvektion * Strålning Typer av givare för temperatur: * Beröringstyp (värmetransport via värmeledning) * Beröringsfri typ (värmetransport via strålning)
Givare av beröringstyp * Termoelement * Motståndstermometrar (Pt-100) * Halvledartermometrar (termistorer) - NTC (Negative Temperature Coefficient) - PTC (Positive Temperature Coefficient) Beröringsfria givare * Strålningspyrometrar - Totalstrålningspyrometer - Delstrålningspyrometer
Termoelement * Mätområde 200 oc - 2000 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
Termoelement där SA och SB är de s.k. Seebeck-koefficienterna för metallerna A och B.
Seebeck-koefficienterna beror egentligen av temperaturen. - Här är en härledning av den approximation som gjorts:
Linjär approximation av Ttip: Polynomapproximation av TTip:
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
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
Toleranser för olika typer av termoelement http://www.thermometricscorp.com/thertypk.html
Termoelements sammansättning, märkning m.m. http://www.thermometricscorp.com/thertypk.html
Temperaturkurvor för olika typer av termoelement http://www.thermometricscorp.com/thertypk.html
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.
Termoelement med bryggkompensering * Brygga med NTC-termistor och korrektionsspänning för att kompensera för temperaturvariationer hos det kalla lödstället
Motståndstermometrar * Mätområde: 260 oc - +1200 oc * Större noggrannhet än hos termoelement * Baseras på resistivitetens temperaturboeroende - Ökande resistivitet med ökad temperatur (PTC) * Vanligast använda metallerna: Platina, nickel, koppar
Resistivitetens temperaturberoende hos nickel och platina
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) +3.911.10-3 0.588.10-6 +3.85.10-3 Ni (0-200oC) +5.43.10-3 +7.85.10-6 +6.17.10-3
Vanligaste typen av motståndstermometer: Pt-100 (Platina, 100 Ω vid 0oC) Okapslad Kapslad
Problem vid mätning med Pt-100 * Temperaturberoende ledningsresistanser ==> Kompensering med flera ledare Grundkoppling (brygga) Tvåtrådskoppling Tretrådskoppling Fyrtrådskoppling (med konstant strömkälla)
Annan variant av fyrtrådsmätning (2- och 3-tråds också med för lättare jämförelse): 2-tråds 3-tråds 4-tråds
OP-förstärkare i differentialkoppling
OP-förstärkare i bryggkoppling med Pt-100
Termistorer (halvledartermometrar) * PTC (Positive Temperature Coefficient) * NTC (Negative Temperature Coefficient)
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.
Linjär PTC (LPTC) AM-LPT2000 AM-LPT1600 AM-LPT1000 AM-LPT600 25oC
LPTC ( Linjär PTC) * Arbetsområde -50 oc - +150 oc
NTC-termistorer Utgångspunkt (referens) 25 oc = 298 K
Linjärisering av NTC-termistor genom spänningsdelning
NTC-termistor - linjärisering 1.0 0.5 0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Mest linjär i inflektionspunkten (2:a derivatan = 0) 5.0 t
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
Optisk pyrometer * Justering av lampans ström tills samma intensitet som hos temp.källan
Strålningspyrometer
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
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
Pyrometrar * Exempel på olika utformningar