side 2 1 INNLEDNING I denne oppgaven skal vi se på temperaturmåling. Vi skal først se litt på teorien som ligger bak de vanligste måleprinsippene; Termoelement, Pt 100 element, termistorer og pyrometer. Deretter skal vi se på de statiske og dynamiske egenskapene til eksempler på måleelementer av nevnte typer. Et generelt problem en kommer borti når en skal lage og teste måleutstyr er å finne en sikker referanse. Dette gjelder også temperaturmåling, og vi skal bare nevne metodene som benyttes for å fastsette internasjonale referanse-skalaer: Temperaturområde Referanseskala -190 C til + 660 C Motstanden i et platina motstandstermometer. +660 C til + 1063 C Den elektromotoriske kraften til et platina /platinarhodium termoelement. +1063 C og oppover Formelen for utstrålt varmeenergi fra et svart legeme. Et annet generelt problem er at vi måler måleelementets temperatur, ikke mediets temperatur. Det betyr at vi må sørge for at koplingen mellom måleelement og mediet blir god, slik at målt temperatur er mest mulig lik mediets temperatur. (Er dette et problem med vår laboppstilling?)
side 3 2 MÅLEELEMENT Måleelementene som skal testes er kort beskrevet nedenfor. Viser også til [1, kapittel 11] 2.1 Termoelement Temperaturmåling v.hj.a. termoelement er basert på at det i overgangen mellom to forskjellige metaller genereres en elektromotorisk kraft som er svært nær proporsjonal med temperaturen. Denne induserte emf er så liten at elektronisk forsterkerutstyr som oftest er nødvendig. Vanlige spenninger for forskjellige typer termoelementer er ca. 10-80 µv pr. C. Ønskelige egenskaper for termoelementer til industrielt bruk er: 1. Relativt stor termisk elektromotorisk kraft. Dette fordi man da kan bruke et enkelt og robust måleinstrument for å indikere temperaturen. Måleinstrumentet må ha en høy kvalitet siden det skal kunne måle spenninger ned til µv. 2. Nøyaktig kalibrering. Vi må ha mulighet for nøyaktig kalibrering for et standard emf/temperatur-forhold og kalibrering uten drift over en lengre periode. Termoelementet er laget for å operere med standard instrumenter med kalibrerte kurver og skalaer. Muligheter for å skifte termoelement og måleinstrument er en prinsipiell grunn til termoelementets utstrakte anvendelse. 3. Motstandsdyktighet mot korrosjon og oksidasjon. Hvis termoelementet skal ha en lang levetid er dette en selvfølge. Hyppige utskiftninger av elementer øker kostnadene for temperaturmåling. 4. Lineær sammenheng mellom temperatur og emf. Dette er ikke bare ønskelig p.g.a. skalaen, men også p.g.a. at problemer med referansepunktets kompensasjon blir redusert. Termoelementer er for det meste laget i form av to tråder av forskjellig materiale som er skjøtet sammen i målepunktet. Skjøten kan enten være tvinnet eller smeltet sammen til en kule. Det hele kan igjen være mantlet sammen slik at måleelementet blir mer motstandsdyktig. Termoelementets målepunkt er gjerne plassert i en viss avstand fra måleinstrumentet. Siden termoelementet er forbundet til måleinstrumentet med ledninger får vi to problemer: 1. Plassering av referansepunktet. 2. Feil blir introdusert i ledningstilførselen. Variasjoner i temperaturen i referansepunktet vil forårsake endret spenning, siden den totale termiske emf avhenger av temperaturdifferansen mellom målepunktet og referansepunktet. Referansepunktet må derfor plasseres på et sted der temperaturen er noenlunde konstant. Det plasseres derfor i selve måleinstrumentet. I måleinstrumentet er det også lagt inn en kompensering for eventuell endring i referansepunktets temperatur. Kompenseringen kan være laget v.hj.a. en termistor. Ledningstilførselen må være slik at den ikke introduserer feil. Det blir derfor benyttet kompensasjonskabel til dette formålet. Den er solid, fleksibel og som regel laget av samme materiale som termoelementet, eller materiale som har de samme termiske egenskaper som termoelementet.
side 4 I bare noen spesielle installasjoner blir termoelementet brukt bart. Ellers blir det beskyttet av forskjellige kapper. Disse skal beskytte termoelementet mot korrosjon, oksidasjon, mekanisk og termisk sjokk. Men de har også den oppgaven at når de er fast installert i f.eks. et kar, skal selve termoelementet kunne tas ut, uten at innholdet i karet lekker ut. I denne oppgaven skal det brukes to forskjellige termoelementer, begge av typen jern/konstantan. Med kaldpunkt på 0 C gir dette følgende termospenninger: Temperatur [ C ] 0 10 20 40 60 80 100 Termospenning [mv] 0.00 0.51 1.02 2.06 3.12 4.19 4.73 Det ene termoelementet er av typen Fisher, og er beskyttet av en kappe av stål. I «huset» sitter en temperatur/strøm-omsetter som gir et signal på 4-20 ma i det aktuelle temperaturområdet. Føleren tilkobles 24 V DC. Det andre termoelementet er produsert av Autronica, og er utstyrt med 1.5 m kompensasjonskabel. Dette elementet er tilkoblet en egen temperatur/strøm omsetter. Termoelementene er kalibrert for ulike temperaturområder. 2.2 Motstandstermometer Et motstandstermometer er en temperaturavhengig motstand. Dens temperatur koeffisient kan være enten positiv eller negativ. En type motstands termometer med sterk negativ temperaturkoeffisient er termistoren. Den har følgende forhold mellom temperatur og motstand. R er motstanden ved absolutt temperatur T [K] R 0 er motstanden ved en absolutt referansetemperatur T 0 [K] β er en konstant avhengig av motstandsmaterialet R = R 0 e β 1 T - 1 + ----- Som vi ser er motstanden til en termistor bare avhengig av dens absolutte temperatur. Siden elektrisk energi blir omsatt i termistoren under måling øker omgivelsestemperaturen og dermed reduseres motstanden. Det er derfor nødvendig å bruke forholdsvis små spenninger for å holde denne feilen på et minimum. Spredningen i motstandsverdi og temperaturkoeffisient er relativt stor, og derfor blir selve termistoren modifisert med en motstand i serie og en i parallell, se figur 2.1. Disse motstandene kan varieres og dermed blir de fleste termistorer fra en fabrikk stort sett like, og dessuten blir karakteristikken mer lineær. Vi skal her bruke en termistor (T 802Ω/20 C ) som er modifisert på den måten som figur 2.1 viser. Termistoren er beskyttet av en stålkappe, og er av typen Autronica. T 0
side 5 92Ω 1300Ω R t Figur 2.1 Modifisert termistor En annen type motstandstermometer er Pt 100 element. Dette består av en platinatråd som er innstøpt i en glasskappe, og det hele er lagt inn i en stålkappe. Denne platinamotstanden har en positiv temperaturkoeffisient, og temperaturkurven er ikke på langt når så steil som for termistoren. Også platinaføleren er av type Autronica, og er utlagt på laboratorieplassen sammen med termistoren. Dersom en ikke har spesielle krav, er det vanlig å benytte Pt100. 2.3 Pyrometer Strålingspyrometri er det siste måleprinsippet vi skal se på. Med denne målemetoden måler vi utstrålt energi fra måleobjektet. Utstrålt energi er proporsjonal med temperaturen i fjerde potens. En praktisk måte å anvende denne loven på er å benytte et meget følsomt element som konverterer varmeenergi til elektrisitet, se figur 2.2. Linse Termoelement med kompensering Objekt Forsterker/ Omformer Måleinstrument Pyrometer Figur 2.2 Pyrometer Strålingspyrometeret er et praktisk måleinstrument der: 1. Høye temperaturer skal måles og målingen gjør at andre temperatur elementer er ubrukelige. 2. Middeltemperaturen av objektet skal måles. 3. Objektet beveger seg eller roterer. 4. Vibrasjon, sjokk eller korrosiv atmosfære gjør at bruk av andre temperaturelementer er umulig. 5. Fysisk kontakt mellom objektet og temperaturelementet ikke er ønskelig. Utgangssignalet fra et pyrometer er en spenning i millivoltområdet. Denne spenningen kan forsterkes og f.eks. omsettes til en strøm og kalibreres slik at en får ut 4-20 ma i det ønskede temperaturområdet.
side 6 3 MÅLEOPPSTILLING «Måleobjektet» i den største delen av denne oppgaven er vann i et termostatregulert kar. Enheten som besørger temperaturregulering og omrøring i karet er vist i figur 3.1. Enheten slås på med nettbryteren nederst til høyre, og omrøringen starter umiddelbart. Ønsket temperatur stilles inn øverst til høyre, og en lysdiode indikerer når vannet blir tilført effekt. (Påse at dere ikke stiller inn negative temperaturverdier; Nedkjøling er som kjent vanskelig å oppnå bare med et varmeelement.) Før varme-/områder-enheten slås på skal det kontrolleres at det er nok vann i tanken. Tanken skal være nesten full. Effekt 9 0 0 Lysdioder for Omrøring Av/På 0 1 Bryter Figur 3.1 Varme- og omrøringsenhet. De enkelte elementene som skal testes koples inn på en omkoplerboks som vist i figur 3.2, og plassering i vanntanken er vist i figur 3.3. Ved å benytte venderen på boksen kan en velge hvilket målesignal som skal koples til multimeteret og skriveren. Termoelement Pyrometer Pt 100 Termistor Autronica Fisher 24V 24V 100Ω 100Ω 16V 1,5kΩ 16V 1,8kΩ 5 4 1,0kΩ 3 2 100Ω 1 0 V s k r i v e r Figur 3.2 Måleoppstilling For de elementene som gir strømsignal (de to termoelementene og pyrometeret) er det spenningen over en motstand på 100Ω som måles. Strømsignal på 4-20 ma vil derfor måles som 0,4-2,0 V. MULTIMETERET SKAL ALTSÅ HELE TIDEN STÅ INNSTILT PÅ «DC VOLT»!
side 7 Måleoppstillingen for pyrometeret er antydet i figur 3.4, og viser at pyrometeret skal måle temperaturen på en ordinær kokeplate. Selve målingen foregår v.hj.a. et termoelement, og signalet fra dette forsterkes opp og omformes til standard strømsignal i en egen boks. Under alle målingene benyttes et Hewlett Packard 2802A termometer for å gi referansetemperatur. Temperaturen kan leses av direkte i C på displayet. Selve føleren er en Platina Motstand Temperatur (PRT)-probe. Det skal be nyttes to prober, en i vannkaret og en på kokeplata. Vis litt forsiktighet ved omkopling av pluggene på termometeret. Instrumentet har to måleområder: EXPAND-IN:Måleområde: -100 C til +200 C Oppløsning: 0.01 C NORM-OUT:Måleområde: -200 C til +600 C. Oppløsning: 0.1 C I denne oppgaven skal instrumentet kun benyttes i området «NORM-OUT». HP Autr. termoel. Fisher Termistor PT-100 Figur 3.3 Plassering av måleelement Varme/ omrøringselement Kokeplate Pyrometer Koplingsboks Figur 3.4 Måleoppstilling for pyrometer.
side 8 4 ARBEIDSFORSKRIFT Før forsøkene startes må det kontrolleres at vannivået i vannkaret er passelig. (Omrøreren/varmeelementet er merket på forsiden med en maks-strek og en min-strek.) Under målingene plasseres de forskjellige elementene som vist i figur 3.3, ikke nødvendigvis samtidig. De forskjellige elementene er alle tydelig merket, på Autronica termoelement står det «Fe/Co». Av praktiske grunner (tidsforbruk i forbindelse med oppvarming mm.) bør målingene utføres NØYAKTIG som angitt på nedenfor: 4.1 Innledende målinger 4.1.1 Toleder strømgiver Fisher termoelement og elektronikken for Autronica termoelement er såkalte toleder strømgivere, og tilføres 24 V DC (nominelt) over de samme ledningene som benyttes for å gi målesignal, se f.eks. figur 3.2. Dette betyr at nytteeffekten tilgjengelig for elektronikken er begrenset av den effekten som omsettes ved et signal på 4 ma. Hold begge termoelementene på samme konstante temperatur, f.eks. starttemperaturen i vannkaret, og noter målesignalene fra de to. Hva kan grunnen være til at signalene ikke er like store? Hold fortsatt konstant temperatur. For begge målerne: Finn nedre grense for tilførselsspenningen før målesignalet blir feil. (Les av ca.verdi på spenningsforsyningen.) 4.1.2 Kabelfølsomhet Kabelen fra Autronica termoelement til den tilhørende elektronikkenheten er en kompensasjonskabel. Hold termoelementet på en konstant temperatur. Varm opp kompensasjonskabelen med varmeviften. Har dette noen innvirkning på målingen? Forklar hvorfor. 4.2 Statiske karakteristikker Statiske karakteristikker skal tas opp for: Fisher temperaturføler Autronica termoelement Termistor Pt-motstand Før oppvarming av vannet startes; Påse at alle måleelementene gir rimelige signaler og at riktig probe er tilkoplet HP-termometeret. («Rimelige» signaler vil være hhv. ca. 0.7V, 0.5V, 3.1V, l.lv og 17 C )
side 9 Målingene utføres mest effektivt på følgende måte: Still inn ønsket temperatur 100 C på varme-/omrøre-enheten. Benytt HP 2802A som referanse. Mens temperaturen øker: Les av utgangssignalene fra Fisher og Autronica termoelement ved 20, 30, 40,..., 90 C, og les innimellom av utgangssignalene fra termistoren og Pt-100-elementet ved 25, 35, 45,..., 95 C. (Foreta siste avlesning ved 95 C.) Temperaturen øker forholdsvis fort, så vær rask med avlesing og omkopling med venderen. Når siste avlesning er foretatt (ved 95 C ) stilles referansen på varme og omrøre-enheten ned til 90 eller 95 C. Ikke forsøk å foreta noen avlesning ved 100 C. Plott resultatet på millimeterpapir, og kommenter eventuelle forskjeller, spesielt mellom de to motstandstermometrene. Hvor stort måleområde har det to termoelementene? 4.3 Dynamiske karakteristikker Den dynamiske responsen for alle de fire målerne skal tas opp. For å oppnå et medium med temperatur omkring 0 C benyttes isvann. Is finnes i fryseren. Ta for dere ett og ett element: Still inn skalaer på skriveren, passende til det aktuelle elementet. På tidsaksen er det rimelig å benytte 2 mm/sek. La «Back off» stå på 0, skru «Cal» maksimalt mot urviseren og la «Sensitivity full scale cal» være 5 volt. For å velge område på spenningsaksen lønner det seg å ta utgangspunkt i målingene fra pkt. 4.2. Pennen til skriveren blir fort tørr hvis ikke hetten til pennen settes på etter bruk. Pass på å sette på hetten til pennen igjen når dere er ferdige med å bruke skriveren! Da slipper neste gruppe å lete etter en brukbar penn. Sett i gang skriveren og sett ned nålen. Flytt det aktuelle elementet raskt fra vannkaret over i isvann, og marker med en blyant el.l. på papiret ved siden av skrivernålen akkurat når elementet settes ned i isvannet. Rør sakte rundt i isvannet med elementet til utgangssignalet har stabilisert seg. Skrivernålen heves, og skriveren stoppes. Når alle karakteristikkene er tatt opp: Hvor store er målernes dødtider og stigetider? Hva er grunnen til at det to termoelementene har ulik stigetid Hvis målerne testes i et annet medium enn vann, f.eks. luft: Hvilken innvirkning ville dette ha på de statiske karakteristikkene? Hva med de dynamiske? 4.4 Pyrometer Før målingene startes må pyrometeret siktes inn mot kokeplata. Se inn gjennom glasset bak, og vri på pyrometeret til midten av kokeplata er synlig. Pyrometeret gir strømsignal 4-20 ma, men dette signalet er i likhet med de øvrige strømsignalene koplet over en 100 Ω motstand inne i venderboksen.
side 10 HP 2802A skal også nå benyttes som referanse, og den andre proben må koples på. Denne proben skal være festet til kokeplaten. Pass på at nettledningen fra pyrometerets elektronikkboks er koplet til lysnettet. Påse at både pyrometeret og HP 2802A gir rimelige resultater. Ta opp den statiske karakteristikken for strålingspyrometeret. Ta målinger for hver 25 C i pyrometerets måleområde. (4-20 ma vil svare til ca. 25-400 C.) NB! Kokeplata blir ikke varmere enn ca. 365 C. For at målingene skal kunne utføres innen rimelig tid kan effekten på kokeplata være forholdsvis stor. Plott resultatet på millimeterpapir. Kommenter. Skal kurven være lineær? Nevn mulige feilkilder eller andre uheldige forhold ved målingene. Snu pyrometeret mot en gjenstand med konstant, forholdsvis lav temperatur, f.eks. veggen. Undersøk selve pyrometerets temperaturavhengighet ved å varme opp bakerste del av pyrometerhuset v.hj.a. varmeviften. Noter eventuell endring i signalet. Før labplassen forlates: PASS PÅ AT ALLE APPERATER ER AVSLÅTT HUSK SPESIELT KOKEPLATA OG VARMER/OMRØRER REFERANSER 1. Olsen, Odd Arild: Instrumenteringsteknikk, Tapir, 1989