Temperaturmätning och naturens lagar
Oavsett hur avancerad mätutrustningen är, måste man ta hänsyn till naturens lagar. Här följer de viktigaste punkterna att tänka på vid temperaturmätning.
Nollte huvudsatsen
Temperaturmätning har sin grund i termodynamikens lagar. Den viktigaste kallas nollte huvudsatsen. Den formulerades efter de två första satserna, men bedömdes som så viktig att den måste placeras först. Den kan formuleras så här:
"Om två system var för sig är i termisk jämvikt med ett tredje system, så är de båda första systemen i termisk jämvikt med varandra."
Det betyder att kroppar med olika temperatur strävar efter att utjämna temperaturskillnader. Studera illustrationen. Kropparna är isolerade från omgivningen och kommer att anta samma temperatur.
I verkligheten finns ingen ideal isolering. Om en av kropparna, t ex en termometer, har värmeutbyte utanför isoleringen kommer den att tillföra eller bortföra värme. Därmed går det inte att uppnå perfekt termisk jämvikt.
Termometern visar sin egen temperatur
En termometer mäter bara sin egen temperatur. Den ligger någonstans mellan vad man önskar mäta och omgivningens temperatur. Termometern ska konstrueras och monteras så att värmeutbytet med omgivningen minimeras.
Värmeutbyte
Värmeutbytet sker på ett eller flera av följande sätt:
- Ledning såsom värmeledning i en metallstav.
- Konvektion, t ex självcirkulation i gaser och vätskor.
- Strålning.
Värme överförs alltid från en varm kropp till en kallare enligt naturens lagar.
Termisk shuntning och belastning
Temperaturgivare avleder värme vilket orsakar s k termisk shuntning. Problemet är speciellt störande vid mätning på rör och ytor. Ju större temperaturskillnad, desto mer värme "sugs ut från" mätobjektet via givaren.
På den punkt som givaren sticker av från mätobjektet sker en märkbar sänkning av temperaturen, vilket beror på att mätobjektet belastas termiskt. Temperatursänkningen blir störst vid mätning på material som är dåliga värmeledare. Lösningen är att göra avsticket på betryggande avstånd från mätstället.
Ytmonterad givare
Ytmonterade givare är extra känsliga för termisk shuntning. Därtill kommer ytterligare ett problem vid temperaturmätning. Låt säga att man lägger en rund givare mot en plan yta. Bara en bråkdel av givarens omkrets har kontakt med mätobjektet. Resten mäter omgivande luft. Vid ytmontering ska man således maximera kontaktytan med mätobjektet.
Friktionsvärmning
Friktionsvärme uppstår då temperaturgivare placeras i kraftigt gasflöde. Effekten blir densamma som när du springer nedför en trappa med handen på ledstången. Det blir varmt.
I mätfallen orsakas värmen av molekyler som "krockar" med temperaturgivaren. När rörelseenergin bromsas uppstår friktionsvärme enligt naturens lagar. Energin yttrar sig som ökad avläst temperatur.
Betänk att flygplanet Concorde blev 25 cm längre när det flög i mach 2,2 på 17 000 meters höjd över Atlanten. Det berodde på friktionsvärmen i den tunna, kalla luften.
Temperaturgradient
Det finns ingen tvär gräns mellan olika temperaturområden. I t ex en ugnsvägg avtar temperaturen gradvis beroende på väggens värmeledningsförmåga. I ett homogent material med tillräcklig utbredning avtar temperaturen normalt proportionellt mot väggtjockleken.
Skyddsrörförluster vid temperaturmätning
Skyddsrörsförluster uppstår när en temperaturgivare förbinder en varm zon med en kallare, i synnerhet om temperaturgivaren är den lättaste vägen för värmen att vandra. Värme leds ut från mätobjektet som belastas och sensorn känner en för låg temperatur.
Förlusten motverkas effektivt om man ser till att värmeledningen tvärs givarspetsen är avsevärt bättre än längs givaren. Enkelt uttryckt leder man en större andel av värmen till sensorn än ut genom skyddsröret.
Det vanligaste sättet att undvika skyddsrörsförluster är långa instick. Det effektivaste är att förbättra värmeöverföringen mellan mätmedium och mätsensor. Man kan också minska värmeutflödet genom att isolera kopplingshuvudet. Tänk på att kopplingshuvudet kan bli varmt. Givarens skyddsrör avleder värme från mätobjektet, vilket gör att sensorn känner för låg temperatur. Isolering av givarens utgång gör att temperaturskillnaden minskar. Därmed minskar också skyddsrörsförlusten.
Skärmning
Temperaturgivaren kan även störas av strålningsutbyte. Exempel är temperaturmätning på gas i ett rör. Gasen är varm, medan rörväggarna är kalla.
De kalla väggarna ligger inom givarens optiska synfält och värme strålar från den varma givaren. Motsvarande förhållanden gäller vid mätning av atmosfärstemperatur i varma ugnar där värmeelementen strålar mot givaren.
Pentronic har olika typer av skärmade givare. Vi kan även specialbygga skärmade givare eller tillbehör som avskärmar befintliga givare från strålningskällor.
Långa mätelement
Många resistansgivare har fysiskt långa sensorer. Om givaren placeras i en temperaturgradient, kommer sensorns ändar att hålla olika temperaturer. Mätvärdet blir ett medelvärde av dessa två temperaturer. Detta måste tas i beaktande vid val av givare och vid montering.
Egenuppvärmning
Platinatermometrar och termistorer mäter genom att resistansen varierar med temperaturen. En del av mätströmmen omvandlas alltid till värme.
Egenuppvärmningen beror främst på tillförd effekt och sensorns möjligheter att avleda densamma. Stor yta underlättar normalt värmeavledningen.
En trådlindad Pt100 värms någon hundradels grad, Pt100 och Pt1000 filmelement någon tiondel. Små termistorer kan värma sig själva flera tiondelar.
Det har stor betydelse i vilket medium givaren sitter. Stillastående gas ökar självuppvärmningen dramatiskt.
Svarstider
Svarstiden beror på hur lång tid det tar för givaren att komma i termisk jämvikt med mätobjektet. Följande faktorer är avgörande:
- Givarens värmekapacitet. Ju större massa, desto längre tid tar det att värma givaren.
- Materialets värmeledningsförmåga. T ex försämrar luftspalter värmeledningen.
- Kontaktytan mellan mätobjekt och givare.
- Flödeshastighet och överföringsmedium.
Svarstiden kan bli längre med tiden beroende på att ingående material förändras av bl a hög temperatur. Ett exempel är om ett lim blir sprött, förvandlas till poröst pulver och därmed får andra värmeledande egenskaper.
Därför är Pentronics givare bättre
Naturens lagar går inte att förhandla om. Nästan lika svårt är det att rucka på DIN-normer. Anslutningar, dimensioner och liknande måste följas för att givaren ska passa in i processen.
En standardgivare från Pentronic håller sig inom DINs ramar, men följer naturlagarna bättre än andra fabrikat. Därför får du en temperaturgivare med mätbart bättre prestanda från Pentronic.
Så här gör Pentronic:
Skyddsfickan har en utfyllnad av metall i spetsen. Mätinsatsen sitter med "sugpassning".
Sensorn är inbäddad i metall. Det ger bästa värmeledning tvärs givarspetsen, säkrare mätning och snabbare svar.
Andra fördelar är ökad vibrationstålighet och att man slipper kontaktpastor, vilket gör att givaren kan monteras med spetsen uppåt.
God Tvärskontakt
God värmeöverföring mellan mätobjekt och sensor är avgörande för mätresultatet.
Givare byggda enligt tillämpad DIN form B har två isolerande skikt på vägen: En luftspalt mellan skyddsficka och mätinsats samt keramiskt pulver runt sensorn för att den inte ska ligga och "skramla".
Se upp för müsli-effekten
I vibrerande miljöer kan Pt100-givare byggda enligt tillämpad DIN drabbas av ett fenomen som kallas "müsli-effekten". Vibrationerna gör att pulvret runt sensorn kan flytta på sig. Beroende på givarens montering kan två saker hända:
- När spetsen pekar nedåt, stockar sig pulvret i botten och pressar sensorn uppåt precis som russinen i ett müsli-paket. Slutligen kan tilledarna brytas av.
- Om givaren är placerad med spetsen över horisontalplanet "rinner" pulvret bakåt och efterlämnar en luftspalt mellan sensor och skyddsrör, vilket gör att mätelementet får utrymme att slå mot rörväggen.
Korta instick vid temperaturmätning
Det vanligaste problemet med temperaturgivare är
s k skyddsrörsförluster. Det är relationen mellan värmeledningen tvärs givarspetsen och avledningen längs givaren. Den inverkar främst vid korta instick.
DIN-normerna har tagit hänsyn till skyddsrörsförluster i de föreskrivna instickslängderna där den kortaste är 160 mm. I praktiken används givare med väsentligt kortare instick, vilket leder till mätfel.
Med Pentronics konstruktion kan du använda kortare givare med bibehållen mätsäkerhet.
Värmeavledning
I vissa fall, främst vid ytmätning, har de standardiserade givarformerna uppenbara nackdelar. Här gäller det att göra givaren så liten som möjligt, så att den inte påverkar värmebalansen hos mätobjektet.
Ytgivarens värmeledningsförmåga ska vara väsentligt bättre än mätobjektets. Det viktigaste är att givaren har bra anliggning mot ytan så att man slipper isolerande luftspalter.
Reducerad spets
Svarstiden påverkas också av naturens lagar och bestäms av hur lång tid det tar att värma upp givarspetsen. Ju mer material, desto längre tid.
Å andra sidan måste godset vara tillräckligt tjockt för att klara höga tryck och flöden.
Standardiserade temperaturgivare är ofta en kompromiss som ska tillfredsställa många. I många tillämpningar kan man minska godstjockleken och snabba på mätningen. Pentronic bygger flera standardgivare med reducerad spets. Vi skräddarsyr även givare och anpassar givarspetsen till aktuella tryck, flöden och prestandakrav.
