Temperaturmålinger. 1. Hva er det vi måler?

Transkript

1 Temperaturmålinger 1 Hva er det vi måler? Du har helt sikkert en intuitiv følelse av hva temperatur er Du er også vant med å angi temperatur i grader Celsius Men når vi nå skal gå grundigere inn på temperaturmålinger, er det naturlig å starte med å se nærmere på selve temperaturbegrepet Hva er egentlig temperatur? Og hvordan er måleskalaen for temperatur bygd opp? De første temperaturskalaer som ble laget, tok utgangspunkt i at stoffers egenskaper endres med temperaturen For eksempel vil de fleste stoffer utvide seg litt når temperaturen øker Denne termiske utvidelsen ble brukt til å lage de første termometrene For å lage en temperaturskala som kan reproduseres, trenger vi to faste punkter Gabriel Fahrenheit foreslo i 1724 en temperaturskala basert på termisk utvidelse av kvikksølv i en glassbeholder Han brukte en skala der en blanding av havsalt, is og vann definerte nullpunktet og menneskets normale kroppstemperatur ble satt til 96 grader På denne skalaen ble vannets frysepunkt 30 grader Skalaen ble senere justert slik at vannets frysepunkt ble fastsatt til 32 grader De svenske vitenskapsmennene Carl von Linné og Anders Celsius foreslo på 1740-tallet skalaer basert på vannets frysepunkt og dets kokepunkt, og med 100 grader mellom disse to punktene En slik skala er senere blitt forbedret og gjort mer presis, og danner utgangspunktet for dagens Celsius-skala Disse første termometrene kunne bare brukes i det temperaturintervallet der kvikksølv er i flytende form For å måle lavere eller høyere temperaturer, må vi bruke termometre basert på andre stoffer enn kvikksølv Men da oppstår problemer fordi stoffene ikke har konstant termisk utvidelse De utvider seg ikke i takt Tar vi for eksempel et kvikksølv-termometer og et sprittermometer, fastsetter 0 grader og 100 grader på begge termometrene, og deler inn intervallet mellom i 100 like store deler på begge termometrene, vil de ikke vise helt likt rundt 50 grader Dette problemet ble løst da man oppdaget at gasser egner seg bedre enn væsker til å lage presisjons-termometre Man oppdaget at trykket i alle gasser utvider seg nær lineært med temperaturen, og at lineariteten ble bedre jo lavere trykket ble Og man oppdaget en viktig ting til: Dersom trykk-grafen forlenges, vil den skjære temperaturaksen i 273 grader Celsius uansett hvilken gass som benyttes Framstillingen over er litt idealisert Men for edelgassene (for eksempel helium), og for gasser under lavt trykk, var resultatene såpass overbevisende at de ble benyttet til å lage en ny standard temperaturskala Denne skalaen kalles Kelvin-skalaen Den har sitt nullpunkt på grader 1

2 Celsius, og enheten (1 Kelvin) er lik 1 grad Celsius Vi kan nå lage gass-termometre som med stor nøyaktighet måler temperaturer over store temperaturområder Vi trenger imidlertid godt utstyrte spesiallaboratorier for å foreta slike presisjonsmålinger Man har derfor definert en praktisk temperaturskala basert på et antall fikspunkter Dette er trippelpunkt eller smeltepunkt for bestemte stoffer (for eksempel vannets trippelpunkt) Mellom disse fikspunktene er temperaturskalaen definert ut fra termisk utvidelse av bestemte stoffer Den skalaen som brukes i dag, kalles ITS-90 Vi har nå lært hvordan temperatur-skalaen er bygd opp Men hva er egentlig temperatur? Hvis vi betrakter en gass som en samling partikler som farer omkring i et lukket volum, og anvender mekanikkens lover på disse partiklene, finner vi at trykket i gassen er direkte proporsjonalt med partiklenes midlere kinetiske energi Videre har vi definert temperatur-skalaen (Kelvin-skalaen) slik at temperaturen er direkte proporsjonal med trykket Altså blir temperaturen i en gass proporsjonal med den midlere kinetiske energien til partiklene i gassen Temperaturen blir derfor et mål for gassens indre energi For stoffer som ikke er i gassform, er det mindre naturlig å knytte temperatur opp mot molekylenes kinetiske energi Men like fullt kan vi si at temperaturen (målt i Kelvin) er et mål for stoffenes indre energi Den termodynamiske temperaturskalaen som ligger til grunn for ITS-90- skalaen, baserer seg nettopp på stoffenes indre energi 2 Hovedtyper av temperatur-sensorer Når du skal måle temperaturen i et værelse, bruker du som regel et termometer der du kan lese av temperaturen direkte på en skala Slike instrumenter kalles gjerne indikerende instrument Men når du skal måle temperaturer i en industriell prosess, har du som regel mer nytte av et måleinstrument som gir ut et eller annet elektrisk signal som angir temperaturen Vi benytter flere forskjellige temperaturavhengige egenskaper for å skaffe oss slike elektriske signaler Jeg skal nå gi en kort oversikt over slike egenskaper som avhenger av temperaturen, og som brukes til å lage temperatur-sensorer Termisk utvidelse: Denne egenskapen er omtalt tidligere I dag brukes termisk utvidelse mest til å lage termometer der temperaturen leses av Det er mindre vanlig å bruke termisk utvidelse til å lage temperatursensorer Men termisk utvidelse brukes mye i bimetall-brytere Termospenning: Det viser seg at når to ulike metaller kommer i kontakt med hverandre, oppstår en kontaktspenning i mikrovolt-området Størrelsen av denne spenningen avhenger av temperaturen, og spenningen kalles derfor termospenning Denne effekten brukes til å lage termoelementer, som er enkle, vanlige og billige temperatursensorer Resistansendring i metaller: Når temperaturen i et metall øker, vil også resistansen i metallet 2

3 øke Selv om dette gjelder for alle metaller, brukes mest platina (og dels nikkel) til å lage temperatursensorer Slike sensorer kalles gjerne RTD-elementer (Resistance Temperature Detector) Resistansendring i halvledere: Når temperaturen i en halvleder øker, vil resistansen i halvlederen endres Oftest vil resistansen avta Sensorer basert på denne egenskapen kalles gjerne NTC-elementer (Negative Temperature Coefficient) Alle de sensor-typene som er nevnt ovenfor, forutsetter at sensoren er i direkte kontakt med det mediet som du skal måle temperaturen til Men noen ganger er dette ikke mulig Da må du ty til et annet prinsipp: Energiutstråling fra legemet: Alle legemer stråler ut noe energi Mengden utstrålt energi avhenger blant annet av overflate-temperaturen Ved å måle denne energien kan vi bestemme legemets overflate-temperatur Instrumenter til dette bruk kalles strålingspyrometre, og brukes mest til å måle svært høye temperaturer 3 Termisk utvidelse Ovenfor ser du de to vanligste måtene å benytte termisk utvidelse til temperaturmåling Til venstre ser du det vanlige termometeret Til høyre ser du en bimetall-bryter Den består av to striper av ulike metaller som er limt sammen Metallene har ulik termisk utvidelseskoeffisient Dersom den øverste stripen utvider seg mindre enn den nederste ved oppvarming, vil stripene ved oppvarming bøye seg opp mot kontaktpunktet slik at det kan gå strøm i en krets Ved avkjøling vil det på tilsvarende måte bli brudd i kretsen 3

4 Vi finner også bimetall-striper som er tvinnet opp i spiralform En viser er festet til enden av spiralen Når temperaturen endres, vil viseren dreies langs en skala På denne måten får vi et bimetall-termometer 4 Termoelementer I 1821 oppdaget Thomas Seebeck at når to tråder av ulike metaller blir koplet sammen, oppstår det en spenning i kontaktpunktet Størrelsen av denne spenningen avhenger av temperaturen Ved å måle denne termospenningen kan vi bestemme temperaturen i koplings-punktet Situasjonen er illustrert nedenfor To slike sammenkoplede metalltråder kalles et termopar eller et termoelement Men nå oppstår det et praktisk problem: Når du prøver å måle termospenningen, må du kople termoelementet til et voltmeter Da oppstår det nye koplingspunkter med sine termo-spenninger Den spenningen du måler, er da summen av termospenningene i alle koplings-punktene For å løse dette problemet, må vi se nærmere på egenskapene til termospenningen Ved å utføre eksperimenter, kan vi vise at hvert metall (eller hver legering) har en Seebeck-koeffisient α som er slik at når to metaller x og y koples sammen, oppstår det en termo-spenning U som er tilnærmet gitt ved Her er og Seebeck-koeffisientene til henholdsvis metall x og metall y, og T er temperaturen Likningen sier at termospenningen øker lineært med temperaturen For små temperaturendringer stemmer dette bra Figuren over viser et termoelement som er bygd opp av to metaller x og y, som er koplet til et voltmeter med ledninger av samme metall a (for eksempel kopper) Da får vi: Likningen viser at termospenningen U kun avhenger av temperaturforskjellen mellom målepunktet og koplingspunktene på voltmeteret, og av Seebeck-koeffisientene til de to 4

5 metallene som utgjør termoelementet Dersom vi kjenner temperaturen T på voltmeterets koplingspunkter, kan vi regne ut temperaturen T i målepunktet I praksis kan vi nå gå fram på to måter: Enten kan vi måle temperaturen på voltmeterets koplingspunkter (for eksempel med en termistor, som vi skal se på senere), eller vi kan utstyre oss med et kaldpunkt med kjent temperatur Kaldpunktet består vanligvis av en blanding av is og vann som sikrer en temperatur på 0 grader Celsius Da bruker vi denne oppkoplingen: La T være målepunktets temperatur, mens T er temperaturen i kaldpunktet Da får vi: I tabeller er Seebeck-koeffisienter alltid oppgitt i forhold til platina, slik at istedenfor finner du I praksis spiller ikke dette noen rolle, fordi du alltid er interessert i differensen mellom Seebeckkoeffisientene Når vi vet hvilke metaller x og y som termoelementet består av, er dets egenskaper bestemt av differansen : Denne differansen kalles termoelementets følsomhet Noen spesielle termopar er blitt standardisert og har fått egne betegnelser Nedenfor finner du en tabell over tre av de vanligste standardiserte termoelementene: Type α (µv/ C) Temperaturområde ( C) Metaller (legeringer) J Jern / Konstantan K Chromel / Alumel T Kobber / Konstantan 5

6 Typebetegnelsen (J, K, T, ) er standardisert, og benyttes av alle produsenter Egenskapene for hver type er også standardisert Følsomheten α angir hvor mange µv termospenningen øker med når temperaturen øker med 1 C I kolonnen for Metaller er det angitt hvilke to metaller eller legeringer som termoparet består av Den positive lederen er nevnt først Merk at konstantan, chromel og alumel er spesielle legeringer som har vist seg gunstige i termoelementer En liten, men viktig innrømmelse: Jeg har hittil regnet som om Seebeck-koeffisientene er konstanter I praksis er ikke dette helt korrekt Dette fører til at α varierer litt med temperaturen De oppgitte verdiene gjelder ved 0 C Mer presist: Når temperaturforskjellen mellom målepunktet og kaldpunktet er termospenningen U være gitt av: Δ T, vil (41) der koeffisientene, α, α, 1 2, α n er fastlagt for hver type termoelement Men α 1 er mye større enn de andre koeffisientene, slik at Og da er vi tilbake til den sammenhengen som vi har brukt Formelen (41) gir termospenningen U som funksjon av temperaturforskjellen Δ T Når du bruker slike termoelement i praksis, ønsker du som regel å måle U og deretter finne prosesstemperatur T Da er formel (41) til liten nytte Du må da bruke tabeller som angir sammenheng mellom temperatur og termospenning Slike tabeller forutsetter (nesten) alltid at kaldpunktet er 0 C 6

7 ITS-90 Table for type J thermocouple C Thermoelectric Voltage in mv C Thermoelectric Voltage in mv 7

8 C Thermoelectric Voltage in mv C Thermoelectric Voltage in mv 8

9 C Thermoelectric Voltage in mv C Thermoelectric Voltage in mv 9

10 ITS-90 Table for type K thermocouple C Thermoelectric Voltage in mv C Thermoelectric Voltage in mv 10

11 C Thermoelectric Voltage in mv C Thermoelectric Voltage in mv 11

12 C Thermoelectric Voltage in mv C

13 C Thermoelectric Voltage in mv C

14 Regneregler for å bestemme termospenningen når vi kjenner målepunkttemperatur (varmpunkt) T 1 og kaldpunkttemperatur T 2 A T1 T2 u t B u t = u T1/0 u T1/0 u t u T2/0 u t u T2/0 u T1/0 Ref=0 0 C T2=0 T1 T2 T2 T1 Eksempler på bruk av tabellen: Eksempel 1: Du måler en termospenning på 260 mv med et type K termoelement Hva er målepunktets temperatur når kaldpunktets temperatur er a) 0 C? b) 22 C? Løsning: a) Av tabellen ser vi direkte at temperaturen er 64 C b) Ved 22 C er termospenningen 0879 mv Vi legger denne til den målte termospenningen, og får 0,879 mv + 2,60 mv = 3,479 mv Av tabellen ser vi at dette svarer til målepunkttemperatur på 85 C Eksempel 2: Finn følsomheten til et type K termoelement ved henholdsvis 50 C og 100 C Løsning: Vi ser at når temperaturen øker fra 50 C til 51 C, vil termospenningen øke med 2064 mv 2023 mv = 0041 mv, som blir følsomheten ved 50 C På samme måte finner vi følsomheten ved 100 C: 4138 mv 4096 mv = 0042 mv Disse verdiene illustrerer at følsomheten varierer litt med temperaturen Hva er det som avgjør valg av type? Pris, følsomhet og temperaturområde er opplagte faktorer En annen faktor er hvilket miljø termoelementet skal plasseres i Som eksempel kan nevnes at type J som inneholder jern ikke egner seg i korrosive miljø fordi rust vil påvirke jernet Dette kan 14

15 endre verdien på α Nærmere opplysninger om dette gis av produsentene Nøyaktigheten for alle slike termoelementer ligger rundt ±1 C, såfremt de ikke er blitt skadet I praktisk arbeid støter du på et annet problem: Det fins ingen internasjonal standard for merking av termoelementer Derimot fins det en forvirrende mengde nasjonale standarder Tabellen nedenfor viser et lite utsnitt av denne forvirringen Type Pol IEC USA England Tyskland Frankrike Japan J Positiv Svart Hvit Gul Rød Gul Rød Negativ Hvit Rød Blå Blå Svart Hvit K Positiv Grønn Gul Brun Rød Gul Rød Negativ Hvit Rød Blå Grønn Purpur Hvit T Positiv Brun Blå Hvit Rød Gul Rød Negativ Hvit Rød Blå Brun Blå Hvit Hovedregelen er at den ene polen har fast farge mens fargen på den andre polen angir typen I praksis er ofte målepunktet langt vekk fra voltmeteret Da må du trekke ekstra ledninger fra termoelementet til voltmeteret Situasjonen er illustrert nedenfor for det tilfellet at tilkoplings-punktene til voltmeteret er kaldpunkt De to koplingsledningene kalles henholdsvis b og c Vi får dette spennings-regnskapet: Dette kan ryddes til (prøv selv!) Hvis vi nå innretter oss slik at 15

16 reduseres dette uttrykket til som er det samme uttrykket som vi hadde uten koplingsledningene b og c Dette kan vi selvsagt oppnå ved å la ledning b være av samme metall (legering) som x, og ledning c av samme metall (legering) som y Men slike ledninger blir fort dyre Det kan da være billigere å bruke ledningssett av billigere metaller (legeringer) b og c som har den egenskap at Slike ledningssett kalles kompensasjonsledninger Det fins kompensasjonsledninger for alle vanlige typer termoelement 5 Pt100-elementer Alle metaller har den egenskapen at resistansen øker med temperaturen Vi bruker som regel platina (Pt) når vi skal lage temperatursensorer som benytter denne egenskapen Nikkel brukes i en viss utstrekning fordi nikkel-elementer er billigere enn platina-elementer, men mindre nøyaktige Slike elementer har en oppgitt resistans ved 0 C Ofte brukes 100 Ω, og slike platinaelement kalles da Pt100-element Pt1000-elementer brukes også noe For alle slike elementer kan resistansen R uttrykkes som en funksjon av temperaturen t slik: der R er gitt i Ohm og t er temperaturen i C Her er den dominerende koeffisienten For et Pt100-element får vi med tilstrekkelig nøyaktighet Av denne likningen ser vi bla at: (51) For små verdier av t øker resistansen tilnærmet lineært med temperaturen t 16

17 Resistansen øker med ca 039 Ω når temperaturen øker med 1 C Rundt 0 C betyr dette at den relative følsomheten er ca Ved 100 C er Likning (51) er grei når vi skal finne resistansen for en gitt temperatur Den er mindre gunstig når vi måler en resistans og skal finne den tilhørende temperaturen Også da benytter vi oss i praksis av tabeller Formelen (51) gjelder strengt tatt for kjemisk rent platina I praksis vil det alltid være urenheter til stede, noe som fører til unøyaktighet Pt100-elementer produseres i to nøyaktighetsklasser: Klasse A: Feil mindre enn: Klasse B: Feil mindre enn: 0,15 + 0, 002 T 0,30 + 0, 005 T I begge tilfellene er både T og feilen gitt i C Eksempel: Hva er den største feilen for et Klasse B-element ved 100 C? o Løsning: Største feil er: 0,30 + 0,005 T = 0,30 + 0, = 0,8 C I tillegg til unøyaktigheten i verdien av R, får du også en unøyaktighet i målingen av R Hvor stor denne unøyaktigheten er, kommer an på hvilken metode du bruker for å måle resistans Platina-tråder er i utgangspunktet temmelig skjøre Pt100-elementer består derfor av platinatråder som er tvunnet opp på en spesiell måte for å unngå strekk-påkjenninger, og deretter beskyttet i en hylse Denne beskyttelsen fører til at det tar tid å endre temperaturen i elementet Og siden resistansen avhenger av temperaturen i elementet, vil det ta tid før en endring av omgivelsestemperaturen fører til en tilsvarende endring av resistansen Pt100-elementer reagerer derfor litt tregt på temperaturendringer 17

18 Temperature Coefficient of ohm/ohm/ C REF DIN Termistorer En termistor er en temperaturfølsom motstand som er basert på et halvleder-materiale De fleste termistorer får minkende resistans når temperaturen øker De kalles derfor NTC-motstander (Negative Temperature Coefficient) Det fins også PTC-motstander Det er flere forskjeller mellom termistorer og Pt100-element De viktigste er: Termistoren har mye større følsomhet, dvs at en temperaturendring på 1ºC gir mye større prosentvis resistansendring i en termistor enn i et Pt100-element Dette gjør det mulig å måle temperaturer med større nøyaktighet Termistoren er svært ulineær 18

19 Vi skal begrense oss til å se på NTC-termistorer Resistansen i disse er med god tilnærmelse gitt ved: (61) Her er T0 en eller annen referansetemperatur (ofte 25ºC eller 298 K), R(T0) er termistorens resistans ved denne temperaturen, og β er en konstant som gjerne ligger i området (med benevning K) Eksempel: En termistor har β = 4000 K Hvor mange prosent endres resistansen i R (298 K ) = 1000Ω når temperaturen øker fra 50ºC til 51ºC? Gjenta det samme for et Pt100element Løsning: Alle temperaturer må regnes om til Kelvin Vi får: Resistansendringen er da Prosentvis endring blir For Pt100-elementet bruker vi likning 51: Resistansendringen er da (som stemmer med at resistansen øker med ca 039 Ω for hver grad Celsius temperaturen øker) Prosentvis endring blir Vi ser at termistoren er mer enn 10 ganger så følsom som Pt100-elementet Et praktisk problem med termistorer er at både β og R(To) varierer noe fra termistor til termistor, selv innen samme produksjonsserie Det betyr at du må kalibrere termistorene før de tas i bruk Eksemplet nedenfor viser en enkel kalibrerings-metode 19

20 Eksempel: For en bestemt termistor finner du at resistansen er 6430 Ω ved 0ºC og 154 Ω ved 100ºC Finn R(25 o C) og β Løsning: Av likning 61 får vi: Trekker disse to likningene fra hverandre, og får Dette gir videre Termistorens resistans er altså gitt ved Likningen over gir resistansen som funksjon av temperaturen Men når du bruker en termistor i praksis, måler du resistansen og vil beregne temperaturen Eksemplet nedenfor viser hvordan du går fram: Eksempel: Du bruker termistoren fra eksemplet over, og måler en resistans på 2582 Ω Finn temperaturen Løsning: Tar utgangspunkt i at 20

21 Da blir Likning 61 kan omformes til (gjør det!) Men for en gitt termistor er T, en samlekonstant og β gitte konstanter, slik at vi kan innføre Videre innfører vi Da kan termistor-likningen skrives Dette er en mer praktisk likning Det er også lett å bestemme A0 og A1 eksperimentelt En liten praktisk detalj til slutt: Likning 61 er ikke helt nøyaktig I litteraturen brukes gjerne en termistor-likning som ser slik ut: Ofte mangler også andregradsleddet, fordi det ved kalibrering viser seg at For våre formål er imidlertid likningen 21

22 tilstrekkelig nøyaktig, når vi først har funnet gode verdier for A 0 og A 1 NTC Resistance/Temperature Conversion Tables R-T R-T R-T R-T R-T Temperature Curve A Curve B Curve C Curve J Curve W C RT/R25 DEV RT/R25 DEV RT/R25 DEV RT/R25 DEV RT/R25 DEV

23 NTC Resistance/Temperature Curve Characteristics R-T Curve A B C J W Temperature 25 C -33%/ C -39%/ C -44%/ C -35%/ C -47%/ C Beta, ß 3000 K 3530 K 3965 K 3200 K 4250 K R0 C/R50 C 53±5% 69±3% 91±3% 59±5% 1045±5% R25 C/R125 C Temperature vs Coefficient of Resistance Tables Table A Resistance C TEMP C 10 to to to to to 12,000 15,000 to 39, N/A Standard Resistance Values (Ohms) , , , , , , ,000 5, ,200 6, ,500 8, ,800 10,000 The tables above will give the resistance value ofthe thermistor for the listed temperatures (RT) To determine the resistance value of the thermistor at temperature (RT): Find the temperature in the vertical column, "Temp C" Next find the resistance range of the thermistor at 25 C, (R25 C), in the appropriate vertical column The intersection of the two columns will give the "coefficient of resistance", (Rc), of the thermistor at the desired temperature Recommended Derating Curve 23

24 Compute as follows: RT = R25 C x Rc Resistance tolerances for temperatures other than 25 C are shown in "Table C" For instance, the resistance tolerance at +50 C for a Silicon PTC Thermistor with a tolerance of ± 25 C would be ± 7% 7 Strålingspyrometre Vi har hittil forutsatt at vi kan plassere vår temperatursensor i direkte kontakt med det mediet som vi skal måle temperaturen til Noen ganger der det ikke mulig Vi må da måle den energistrålingen som mediet sender ut, og beregne temperaturen på grunnlag av dette Instrumenter som fungerer etter dette prinsippet kalles strålingspyrometre Den grunnleggende loven som strålingspyrometrene benytter, er Stefan-Boltzmanns lov: Her er W utstrålt effekt i Watt, A er legemets overflateareal, ε er emittansen (se nedenfor), og er Stefan-Boltzmanns konstant Et legeme som ikke reflekterer noe stråling, kalles et svart legeme All stråling som kommer fra legemet, er da generert i legemet selv Betegnelsen svart legeme kan være misvisende Et av de svarteste legemer vi kjenner til, er jo sola Emittansen ε er et tall som angir hvor svart et legeme er Et helt svart legeme har, mens et legeme som kun reflekterer stråling har I praksis ligger emittansen et sted mellom 0 og 1 Strålingspyrometret består av en eller annen temperatursensor, som mottar stråling fra det legemet som vi skal måle temperaturen på Når vi kjenner varmeovergangstall fra temperatursensoren til omgivelsene, kan vi regne ut energitapet fra sensoren når denne har innstilt seg på en konstant temperatur (og omgivelsene også har konstant temperatur) Dette energitapet må være lik innstrålt energi Da kan vi bruke Stefan-Boltzmanns lov til å beregne temperaturen på det legemet som sender ut strålingen Strålingspyrometre er ikke presisjonsinstrument Det er svært mange feilkilder Varmetapet fra 24

25 temperatursensoren til omgivelsene er vanskelig å beregne eksakt Emittansen er også vanskelig å anslå, og varierer som regel med bølgelengden til strålingen Dessuten er det vanskelig å unngå at fremmed stråling påvirker målingene Hvis du for eksempel skal måle temperaturen på smelta i en smelteovn, vil stråling fra ovnsveggene påvirke målingen Til slutt skal jeg nevne at stråling kan bli absorbert i gasser mellom måleobjekt og sensor, og at slike gasser også sender ut egen stråling som påvirker målingene 8 Oppsummering og sammenlikning Hvilke fordeler og hvilke ulemper har de temperatursensorene vi nå er sett på? Hvilke hensyn må tillegges vekt ved valg av sensortype? Dersom du må drive fjernmåling av temperaturen, er en eller annen type pyrometer eneste valg Men dersom du kan komme i berøring med måleobjektet, kan du velge mellom termoelement (flere typer), Pt100-element eller termistor Termoelementet er enkelt, billig og relativt robust Det fins standardiserte typer som spenner over store temperaturintervall Siden det genererer termospenningen selv, trenger det heller ingen driftsspenning Det kan brukes uten innkapsling (eller med en liten kapsling), og reagerer derfor temmelig raskt på temperaturendringer Den viktigste ulempen er at termospenningen er svært lav, slik at den i praksis må forsterkes for å unngå at selv svake støysignaler skal ødelegge målingene Nøyaktigheten er ca 1 C Pt100-elementet er også relativt billig og standardisert Det krever imidlertid solid innkapsling, slik at det reagerer noe langsommere på temperaturendringer Nøyaktigheten er noe bedre enn for termoelement Termistoren gir mest nøyaktige målinger, men krever en omstendelig kalibrering med tilhørende omregning Termistorer kan lages svært små, og reagerer da raskt på temperatur-endringer Prisen varierer med krav til nøyaktighet Både Pt100-element og termistorer krever at resistansen måles Siden Pt100-elementet er lite følsomt for temperaturendringer, krever det at resistansen måles nøyaktig I praksis gjøres dette med 3- eller 4-leder-koplinger (som beskrives et annet sted) For termistorer er gjerne vanlig 2- leder-kopling tilstrekkelig For å måle resistansen, må Pt100-element og termistorer ha ytre strømtilførsel Dette krever en del ekstra utstyr Dessuten vil strømmen gi en liten egenoppvarming av sensoren slik eksemplet nedenfor viser Eksempel: Et vanlig Pt100-element har typisk et varmeovergangstall h mot luft i ro på ca Vi sender en strøm på 50 ma gjennom elementet Hvor stor temperaturøking fører denne strømmen til? 25

26 Løsning: Effekten P = I R = (5 10 ) 100 = 2,5 10 [ W] Denne eleffekten må omformes til en varmestrøm Q[W] fra Pt100 til luft som i stasjonær tilstand gir en temperaturøkning i Pt100-elementet gitt ved : Altså er temperaturen i Pt100-elemetet 5 C høyere enn omgivelsestemperaturen, slik at du får en måleverdi som er 5 C for høy Dette illustrerer at vi ikke må bruke for stor strøm når vi benytter Pt100-element og termistorer 26