Temperaturgivare - IEA · * Brygga med NTC-termistor och korrektionsspänning för att kompensera...

Temperaturgivare

Värmetransport på 3 sätt:

* Värmeledning* Konvektion* Strålning

Typer av givare för temperatur:

* Beröringstyp (värmetransport via värmeledning)* Beröringsfri typ (värmetransport via strålning)

Temperaturgivare

Givare av beröringstyp

* Termoelement* Motståndstermometrar (Pt-100)* Halvledartermometrar (termistorer) - NTC (Negative Temperature Coefficient) - PTC (Positive Temperature Coefficient)

Beröringsfria givare

* Strålningspyrometrar - Totalstrålningspyrometer - Delstrålningspyrometer

Temperaturgivare

Termoelement* Mätområde –200 oC - 2000 oC* Relativ temperaturmätning* Bygger på den s.k. Seebeck-effekten (u. 1821)* Två ihoplödade metaller/legeringar i vilka en elektrisk spänning uppkommer pga olika temperaturer vid lödställena

Thomas Johan Seebeck

Temperaturgivare

Termoelement

där SA och SB är de s.k. Seebeck-koefficienterna förmetallerna A och B.

Temperaturgivare

Seebeck-koefficienterna beror egentligen av temperaturen.- Här är en härledning av den approximation som gjorts:

Temperaturgivare

Linjär approximation av Ttip:

Polynomapproximation av TTip:

Temperaturgivare 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

Temperaturgivare

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

Temperaturgivare

Toleranser för olika typer av termoelement

http://www.thermometricscorp.com/thertypk.html

Temperaturgivare

Termoelements sammansättning, märkning m.m.

http://www.thermometricscorp.com/thertypk.html

Temperaturgivare

Temperaturkurvor för olika typer av termoelement

http://www.thermometricscorp.com/thertypk.html

Temperaturgivare

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 temperatur-tålighet.

Exponerad mätpunkt rekommenderas endast när kort svarstid ligger absolut högst på kravlistan.

Temperaturgivare

Termoelement med bryggkompensering* Brygga med NTC-termistor och korrektionsspänning för att kompensera för temperaturvariationer hos det kalla lödstället

Temperaturgivare

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

Temperaturgivare

Resistivitetens temperaturberoendehos nickel och platina

Temperaturgivare

Motståndstermometrar

* Temperaturberoende:

* 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

(linjär approximation)

(polynomapproximation av grad 2)

Temperaturgivare

Vanligaste typen av motståndstermometer:

Pt-100 (Platina, 100 Ω vid 0oC)

Kapslad

Okapslad

Temperaturgivare

Problem vid mätning med Pt-100* Temperaturberoende ledningsresistanser ==> Kompensering med flera ledare

Grundkoppling (brygga) Tvåtrådskoppling

Tretrådskoppling Fyrtrådskoppling (med konstant strömkälla)

Temperaturgivare

Annan variant av fyrtrådsmätning(2- och 3-tråds också med för lättare jämförelse):

2-tråds 3-tråds

4-tråds

Temperaturgivare

OP-förstärkare i differentialkoppling

Temperaturgivare

OP-förstärkare i bryggkoppling med Pt-100

Temperaturgivare

Termistorer (halvledartermometrar) * PTC (Positive Temperature Coefficient)

* NTC (Negative Temperature Coefficient)

Temperaturgivare

Två typer av PTC-termistorer

1. Sensor: Kiselresistor med ganskalinjär temperaturkarakteristik även kallad ”silistor” eller LPTC.

2. Switch: Switchande PTC-termistormed kraftigt olinjär temperaturkarakteristik.Dopat polykristallint keramikmaterial somanvänds som strömskydd/temperaturskydd för olika utrustningar.

Temperaturgivare

”Linjär” PTC (LPTC)

AM-LPT2000

AM-LPT1600

AM-LPT1000

AM-LPT600

25oC

Temperaturgivare

LPTC (”Linjär” PTC)* Arbetsområde -50 oC - +150 oC

Temperaturgivare

NTC-termistorer

Utgångspunkt (referens) 25 oC = 298 K

Temperaturgivare

”Linjärisering” av NTC-termistorgenom spänningsdelning

Temperaturgivare

NTC-termistor - ”linjärisering”

0.0

0.5

1.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0t

”Mest linjär” i inflektionspunkten (2:a derivatan = 0)

Temperaturgivare

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

Temperaturgivare

Optisk pyrometer* Justering av lampans ström tills samma intensitet som hos temp.källan

Temperaturgivare

Strålningspyrometer

Temperaturgivare

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

Temperaturgivare

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

Temperaturgivare

Pyrometrar* Exempel på olika utformningar