Upload
komepee
View
340
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
MEASUREMENTMEASUREMENTTEMPERATURETEMPERATURE
By Dr. By Dr. DiewDiew KoolpiruckKoolpiruck
RevicedReviced by by SompornSomporn
20072007
AGENDAAGENDA
A. IntroductionA. Introduction
B. ThermalB. Thermal--expansion methodsexpansion methods
C. ThermocouplesC. Thermocouples
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
E. Junction SemiE. Junction Semi--Conductor sensorsConductor sensors
F. Digital ThermometerF. Digital Thermometer
G. Fiber optic ThermometersG. Fiber optic Thermometers
H. Pyrometers H. Pyrometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
• อณหภม : ระดบของความรอนหรอความเยนของวตถหรอสภาพแวดลอม ณ.จดอางองหนงๆ ทแนนอน
• กาลเลโอ : คนพบเครองวดอณหภม ในป ค.ศ. 1592 แตยงใชงานไดไมดนก ตอมามผผลตเครองวดอณหภมจนใชงานไดด โดยทาเปนหลอดปลายปดสญญากาศ แตกยงไมม Scale เปนทยอมรบ
IntroductionIntroduction
A. IntroductionA. Introduction
The zero law of thermodynamics: two bodies to be said to have the same temperature, they must be in thermal equilibrium.
Temperature Scale:Temperature Scale:
• Thermodynamic Kelvin scale
• Celsius scale
• Farenheit scale
• Reaumur scale
• Rankine scale
• International Practical Temperature scale
Daniel Fahrenheit(1686-1736)
Anders Celsius
(1701-1744)
William Thomson
(Lord Kelvin, 1824-1907)
Rene Antoine Ferchault
de Reaumur (1683-1757).
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
• 0°C : อณหภมของจดแขงของนา
• 100 °C : อณหภมของจดนาเดอด• 0°F : อณหภมของนาแขง + เกลอ• 0°K : อณหภมศนยองศาสมบรณ (Zero Abs. temp.) คอจด
ทไมมพลงงานความรอนอยในอะตอม อเลกตรอนตางๆ จะหยดโคจร• 273.16°K : จด triple point ของนา = 0 °C
A. IntroductionA. Introduction
0°K
273.16 °K = 0 °C
K
A. Introduction: Principle of temperature measurementA. Introduction: Principle of temperature measurement
• Thermal expansion techniquesThermal expansion techniques• Bimetallic• Liquid-in-glass• Filled Thermal
• Electrical TechniquesElectrical Techniques• Thermocouples• Electrical-resistance sensors• Junction Semi-conductor sensors
• Optical and Radiation techniquesOptical and Radiation techniques• pyrometer
• Chemical techniquesChemical techniques• Crayon• Lacker
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
*Contact
*Non-Contact
A. Introduction: Standard and CalibrationA. Introduction: Standard and Calibration
• International measurement system set up independent standards for only 4 quantities: length, time, mass, and temperature. Standard for all other quantities are basically derived from these.
• In 1927, the International Practical Temperature Scale (IPTS) was defined (revision in 1948, 1954, 1960, 1968, and 1990)
• IPTS was set up to conform as closely as practical with the thermodynamic scale. These primary fixed-point are listed as follows:
• the triple point of water (0.01 C)• the boiling point of liquid oxygen (-182.962 C)• the boiling point of water (100 C)• the freezing point of zinc (419.58 C)• the freezing point of silver (961.93 C)• the freezing point of gold (1064.43 C)
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
A. Introduction: Standard and CalibrationA. Introduction: Standard and Calibration
• Various secondary point also established:• A platinum resistance thermometer (-259.34 –630.74 C)• A platinum-10% rhodium and platinum thermocouple (630.74-1064.43 C)
Temperature fixedTemperature fixed--pointpoint
Temperature Calibrator
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
A. Introduction: Standard and CalibrationA. Introduction: Standard and Calibration
Uncertainties of temperature measuring instrumentsUncertainties of temperature measuring instruments
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
B. ThermalB. Thermal--expansion methodsexpansion methods
B1. Bimetallic ThermometersB1. Bimetallic Thermometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
B. ThermalB. Thermal--expansion methodsexpansion methods
B2. LiquidB2. Liquid--inin--glass Thermometersglass Thermometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
B. ThermalB. Thermal--expansion methodsexpansion methods
B3. Filled Thermal ThermometersB3. Filled Thermal Thermometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
1. Sensing Bulb : เปนสวนทรบรอณหภมทตองการวด
2. Capillary Tube : เปนทอเลกๆ ตอระหวาง 1 กบ 3
3. Pressure Sensing : เปนสวนเปลยนความดน เปนการเคลอนทไปขบเคลอนสวนชคา (4)
4. Indicator : สวนชคา
• โครงสรางของเทอรโมมเตอร
1. Bulb : กระเปาะทบรรจของเหลวทผนงยาง เพอใหความรอนถายเทไปยงกระเปาะไดดเปนสวนใชวดอณหภม
2. Stem : กานแทงแกวภายในเปนทอเลกๆ ใหของเหลววงขยายตว เมอไดรบอณหภม
3. Scale : ขดบอกอณหภม โดยดจากระดบของเหลว4. Contraction Chamber : ปองกนไมใหของเหลวหดตวเขาไปใน
กระเปาะมากเกนไป
5. Expansion Chamber : ปองกนไมใหของเหลวขยายตวมากเกนไป ถาไมม เทอรโมมเตอรอาจแตกได
6. Immersion Ring : ขดบอกวาใหจมลงไปถงระดบใด
B. B. ThermometersThermometers
C. ThermocouplesC. Thermocouples
Thermocouple protectionhead probe
Thermocoupleprobe
Thermocouplesheath options
Basic thermocoupleBasic thermocouple
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle
•• SeebeckSeebeck Effect:Effect: bonding wires of two dissimilar metals together to form a bonding wires of two dissimilar metals together to form a closed circuit caused an electrical current to flow in the circuclosed circuit caused an electrical current to flow in the circuit whenever a it whenever a difference in temperature was imposed between the end junction.difference in temperature was imposed between the end junction.•• ปป คค..ศศ.. 18211821 SeebeckSeebeck พบวาพบวา ถาใชโลหะสองชนดตอกนเปนวงจรปดถาใชโลหะสองชนดตอกนเปนวงจรปด และใหและให 22
จดตอมอณหภมตางกนจดตอมอณหภมตางกน จะจะเกดกระแสไฟฟาไหลเกดกระแสไฟฟาไหลรอบๆรอบๆ วงจรวงจร
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
T2>T1T1 T2
cu
Ir
ปรมาณการไหลของกระแสไฟฟานจะมากหรอนอยขนอยกบผลตางของ
อณหภมทปลายจดตอทงสอง
Metal A
Metal B
C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle
eab
eab = Seebeck Voltage
eab = αΔTSeebeck ไดจดอนกรมของโลหะไว 35 ชนด ตามลาดบของคณสมบตทางไฟฟาความรอนในวงจรทสรางขนโดยโลหะสองชนดใดๆ ทกระแสไหลทไหลทจดตอรอนจะไหลจากโลหะในลาดบหนาไปลาดบหลงในอนกรม
สวนหนงของอนกรม Seebeck มดงน
Bi – Ni – Co – Pd – Pt – U – Cu – Mn – Ti – Hg – Pb –Sn – Cr – Mo – Rh – Ir – Au – Zn – W – Fe – As – Sb
PeltierPeltier Effect:Effect: When the electric current flows in the same When the electric current flows in the same direction as the direction as the seebeckseebeck current, heat is absorbed at the hotter current, heat is absorbed at the hotter junction and liberated at the colder junction. (fundamental basijunction and liberated at the colder junction. (fundamental basis for s for thermoelectric cooling and heating).thermoelectric cooling and heating).
•• คค..ศศ.. 18341834 PeltierPeltier พบวาพบวา เมอกระแสไหลผานจดตอของโลหะเมอกระแสไหลผานจดตอของโลหะ 22 ชนดชนด ความรอนจะถกดดกลนทจดตอความรอนจะถกดดกลนทจดตอ เมอกระแสไหลในทศทางหนงเมอกระแสไหลในทศทางหนง
และจะปลอยความรอนถากระแสไหลในทศทางกลบกนและจะปลอยความรอนถากระแสไหลในทศทางกลบกน
ตวอยางตวอยาง ถาจดตอของเหลกถาจดตอของเหลก –– ทองแดงทองแดง ( (IrIr –– Cu)Cu)ความรอนจะถกดดกลนเมอกระแสไหลจากทองแดงไปเหลกความรอนจะถกดดกลนเมอกระแสไหลจากทองแดงไปเหลก และปลอยและปลอย
ความรอนเมอกระแสไหลจากเหลกไปทองแดงความรอนเมอกระแสไหลจากเหลกไปทองแดง
((โลหะแตละชนดนนแรงยดเหนยวของโลหะแตละชนดนนแรงยดเหนยวของelectron electron มไมเทากนมไมเทากน))
Q = Q = ¶¶IIΔΔTT Q = Q = ปรมาณความรอนทถายเทปรมาณความรอนทถายเท ,, ¶¶ == PeltierPeltier CoefficientCoefficient
I = I = กระแสไฟฟากระแสไฟฟา ,, ΔΔTT = = ผลตางของอณหภมผลตางของอณหภม 22 จดจด
C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle
•• Thomson Effect:Thomson Effect: A temperature gradient in a metallic conductor is A temperature gradient in a metallic conductor is accompanied by a small voltage gradient whose magnitude and accompanied by a small voltage gradient whose magnitude and direction depend on the particular metal. Thus allowing the use direction depend on the particular metal. Thus allowing the use of of extension wires with thermocouples because no electromotive forcextension wires with thermocouples because no electromotive force is e is added to the circuit.added to the circuit.
•• ThomsonThomson พบวาถาใหความรอนทจดตอหนงเพมขนเรอยๆพบวาถาใหความรอนทจดตอหนงเพมขนเรอยๆ โดยใหจดตออกโดยใหจดตออก
จดรกษาอณหภมไวคาหนงจดรกษาอณหภมไวคาหนง คาของกระแสไฟฟาทไหลในวงจรคาของกระแสไฟฟาทไหลในวงจรจะเพมจะเพมขนเรอยๆขนเรอยๆ แตเมอเพมตอไปเรอยๆแตเมอเพมตอไปเรอยๆ จนถงจดๆจนถงจดๆ หนงกระแสเรมลดลงๆหนงกระแสเรมลดลงๆ และผานศนยซงกคอและผานศนยซงกคอ
กลบทศของกระแสนนเองกลบทศของกระแสนนเอง
C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle
C. Thermocouples: Practical rulesC. Thermocouples: Practical rules
•• Law of the homogeneous circuit:Law of the homogeneous circuit:A thermocouple current cannot be A thermocouple current cannot be sustained in circuit of a single sustained in circuit of a single homogeneous material.homogeneous material.
•• Law of Intermediate Material:Law of Intermediate Material:The algebraic sum of the thermoThe algebraic sum of the thermo--electromotive forces in a circuit electromotive forces in a circuit composed of any number of dissimilar composed of any number of dissimilar materials is zero if all of the circuit is at materials is zero if all of the circuit is at uniform temperature. This means that a uniform temperature. This means that a third homogeneous material always can third homogeneous material always can be added to a circuit with no effect on be added to a circuit with no effect on the net EMF of the circuit as long as its the net EMF of the circuit as long as its extremities are at the same temperature.extremities are at the same temperature.
•• Law of Intermediate Temperature:Law of Intermediate Temperature:Algebraic summation of EMF can be Algebraic summation of EMF can be determined when the junctions are at determined when the junctions are at different temperatures (see in figure):different temperatures (see in figure):
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle
nny-0.236 - 18.698-50 - 1768Platinum 10% Rhodium - PlatinumS
nny-2.26 - 21.108-50 - 1768Platinum 13% Rhodium - PlatinumR
nny-9.835 - 76.358-270 - 1000Chromel - ConstantanE
yyy-6.258 - 20.869-270 - 400Copper - ConstantineT
nny-6.458 - 54.875-270 - 1372Cromel - AlumelK
yyy-8.096 - 42.922-210 - 760Iron - ConstantanJ
VacuumReducingOxidizingE (mV)temp range (C)MaterialType
Comparison between standard thermocouples
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
Thermocouples: Color codeThermocouples: Color code
http://www.omega.com/techref/thermcolorcodes.html INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
C. Thermocouples: Reference JunctionC. Thermocouples: Reference Junction
ThermocoupleThermocouple จะใหแรงเคลอนไฟฟาออกมาจะใหแรงเคลอนไฟฟาออกมา เนองจากความแตกตางของอณหภมทเนองจากความแตกตางของอณหภมท
จดวดจดวด ((measuring junction)measuring junction) เทยบกบอณหภมทจดอางองเทยบกบอณหภมทจดอางอง
ดงนนในการใชงานตองมวธการเพออานคาของดงนนในการใชงานตองมวธการเพออานคาของ Thermocouple Thermocouple ไดถกตองไดถกตอง เมออณหภมทจดวดคงทแตจดอางองไมคงททาใหแรงเคลอนไเมออณหภมทจดวดคงทแตจดอางองไมคงททาใหแรงเคลอนไฟฟาเปลยนทงๆฟฟาเปลยนทงๆ ทอณหภมททอณหภมท
จดวดคงทจดวดคงท ทาใหคาทไดไมถกตองทาใหคาทไดไมถกตอง
•• วธควบคมวธควบคม Reference JunctionReference Junction เพอใหอานคาไดถกตองเพอใหอานคาไดถกตอง
วธทวธท 11 Fixed Reference TemperatureFixed Reference Temperature
วธทวธท 22 Electronic Reference CompensateElectronic Reference Compensate
วธทวธท 33 Mechanical Reference CompensateMechanical Reference Compensate
C. Thermocouples: C. Thermocouples: Fixed Reference TemperatureFixed Reference Temperature
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
1. รกษาอณหภมท Reference Junction ใหคงทดวยนาแขงหรอเครองทาความเยน
2. รกษาอณหภมท Reference Junction ใหคงทดวยoven เปนอปกรณทาความรอนทรกษาอณหภมใหคงท 50 องศาเซลเซยส
C. Thermocouples:C. Thermocouples: PrinciplePrinciple
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
วธนจะใชวงจรบรดจตออนกรมเขาไปในวงจรเทอรโมคปเปลโดยใชคาความ
ตานทานทเปลยนคาตามอณหภมเชน RTD, Thermister ตอเขาเปนสวนหนงของบรดจ เมอณหภมท Reference Junction เปลยนไปทาใหบรดจเกดไมสมดล จงเกดแรงดนไฟฟาไปเสรมวงจร Thermocouple ทาใหชคาถกตองเสมอ
3.3. Electrical Reference CompensateElectrical Reference Compensate
4. Mechanical Reference Compensate
ใชกบเครองแสดงคาแบบ Moving Coil และม Reference อยทเครองแสดงคา จะใช Bimetallic เปนตว Compensate เขม เมอ Reference Junction อณหภมสงขน Bimetallic จะโกงตวดงเขมเขาชอณหภมตามจดวดตลอดเวลา
C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
• การใชงานจรงระยะทางจากจดวด และ Reference Junction มกจะอยหาง
กน แตเนองจากสายเทอรโมคปเปลมราคาแพงมาก จงตองหาสายทม
ราคาถกกวามาใชตอแทน ในชวงของ Connecting head ของเทอร
โมคปเปลกบ Reference Junction สาย Extension Wire ตองมคณสมบต
โคงงอไดงาย และใชกบอณหภมทไมสงมากนก
C. Thermocouples: Extension WireC. Thermocouples: Extension Wire
สาย Extension Wire ม 2 แบบ คอ
1. ทาจากโลหะประเภทเดยวกบเทอรโมคปเปล หรอทาจากสารทม
คณสมบตใหแรงเคลอนไฟฟาเหมอนเทอรโมคปเปลทกประการ สาย
ชนดนเรยกวา Compensating Extension Wire
2. ทาจากโลหะชนดเดยวกนทงสองเสน ไมมคณสมบตทางแรงเคลอนไฟฟา
ความรอน
*สวนใหญสาย Extension Wire จะทนอณหภมไดไมเกน 200ºC
• สายเทอรโมคปเปลทผลตออกมาขายนน เราไมสามารถทจะทาการ
ปรบแตงเพอใหมแรงเคลอนไฟฟาตาม Table ได เราทาไดเพยง
ตรวจสอบดวามแรงเคลอนไฟฟาอยในพกดหรอไมเทานน แตการ
Calibration ในหวขอนจะเปนการ Calibrate ตว Indicator และตว
Transmitter เทานน
• กรณ Oven
เมอใช Oven เปนตวรกษาอณหภม Reference Oven ทวไปจะรกษา
อณหภมท 50ºC
การปรบแตง Zero และ Span ท Indicator หรอ Transmitter
Ex. Indicator ม range 0-500ºC ใชกบเทอรโมคปเปล Type K แตให
ปอน Millivoltage source แทน
C. Thermocouples: CalibrationC. Thermocouples: Calibration
Cu
Cu
Oven 50ºC
Room Temp 25ºC
Millivoltage Source
การปรบ Zero
เปรยบเสมอนการวดอณหภม
0ºC จรงๆ ในการปอน millivolt
เขาไปตองดวาในขณะตอใชงาน
จรง แรงเคลอนไฟฟาท indicator
ไดรบจากเทอรโมคปเปลเปน
เทาไร?
วธคด ตองเปรยบเทยบกบคาในตารางมาตรฐานและสมการของการเกดแรงเคลอนไฟฟา
V = VTm - VTR
ดงนน การปรบ Zero เพอให indicator ช 0ºC ตองปอน millivolt =
0.0000 – 2.02 = -2.02 mV
C. Thermocouples: CalibrationC. Thermocouples: Calibration
ใหปรบปม Zero ให indicator ช 0ºC หรอ ปรบให Transmitter จายกระแส
ออกไป 4 mA
การปรบ Span
เปรยบเสมอนการวดท 500ºC จรงๆ ดงนนตองปอนแรงดน V = ?
V = 20.65 – 2.02 = 18.63 mV
ปรบปม Span ให Indicator ชคา 500ºC หรอ Transmitter จายกระแส 20 mA
ในการปรบ Zero กบSpan ตองปอน Voltage และปรบกลบไปกลบมาระหวาง
Zero และ Span หลายๆ ครง จนไดคาตามตองการ
กรณ Ovenในการปฏบตงานบางครงจาเปนตองปอน Source เขาทสาย extension wire
ดงรป
การปรบ Zero Ambient Temp 30ºC, Reference Junction Temp 50ºC สายท
ใชเปน Type K ดงนนจะมแรงเคลอนไฟฟาเหมอน Tc ทกประการ
ดงนน V = VTA – VTR
= 1.20 – 2.02 = -0.82 mV
แตในขณะตอใชงานจรงท indicator ไดรบ V = VTm-VTR
= 0.0 – 2.02 = -2.02 mV
ฉะนน ตองปอนแรงเคลอนไฟฟาเขาไปในสายเทากบ x mV
-2.02 = -0.82 + x
x = -2.02 + 0.82 = -1.2 mV
เพอใหแรงเคลอนไฟฟาทงหมดจาก Source รวมกบทเกดในสายแลวเทากบ
-2.02 mV
หรอสามารถคดอกวธวาแรงเคลอนไฟฟาควรเปนเทาไรเมอวด 0ºC
V = VTm – VTA = 0.00 – 1.2 = -1.2 mV
การปรบ Span• ปกตวดอณหภม 500ºC Ref. Jn. 50ºC Thermocouple จะให
แรงเคลอนไฟฟาออกมา?
V = VTm – VTR
= 20.65 – 2.02 = 18.63 mV
แรงเคลอนไฟฟาทเกดขนท Extension wire
V = VTA – VTR
= 1.2 – 2.02 = -0.82 mV
ฉะนน ตองปอน Voltage Source = 18.63 – (-0.82) = 19.45 mV
หรอคดวา Thermocouple ตองจาย Voltage ออกมาเทาไร?
V = VTM – VTA = 20.65 -1.2 = 19.45 mV
การCalibrate Indicator หรอTransmitter#Type K ในกรณ Reference
Junction เปนแบบ Auto-compensation ขณะท Reference Junction ม
อณหภม 25ºC วงจร Auto-
Compensate จะสราง 1 mV
เมอตองการปรบ Zero ตอง
ปอน Voltage?
V = VTm – VTR = 0.0 – 1.0 = -1.0 mV
ฉะนน ตองปอน -1.0 mV เขาทจดตอ Reference Junction เพอหกลางกบวงจร
ชดเชย
ตอนปรบ Span 500ºC ตองปอน Voltage = 20.65 – 1 = 19.65 mV เขาท Ref.Jn.
• Sensing Element - Thermocouple
• Thermocouple Junction เปนจดตอทอยท Connecting Head
• Thermocouple Insulators เปนฉนวนทกนระหวางสาย
Thermocouple 2 เสนไมใหแตะกน
C. Thermocouples: C. Thermocouples: สวนประกอบสวนประกอบ
ฉนวนม 2 ชนด
1. Nonceramic Insulation – Teflon, PVC
2. Hard Fired Ceramic Insulation - aluminum-oxide
Protection tube เพอปองกนเทอรโมคปเปลจากสภาวะการใชงาน เชน จากสาร
กดกรอน, ความเรวในการไหล, ปองกนสาย Tc ซงมราคาแพง
C. Thermocouples: C. Thermocouples: ThermowellThermowell
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)
Sir Humphrey Dery ไดพบความสมพนธของความตานทานไฟฟาของ
โลหะตออณหภม และ ค.ศ. 1835 Faraday ไดผลต Resistance
Thermometer โดยใชหลกการ Thermoresistive และไดมการปรบปรงและ
พฒนา จนไดนามาใชในอตสาหกรรมในทสด
หลกการของความตานทานไฟฟาตอความรอน เมออณหภมสงขนความตานทานไฟฟาจะมากขนตาม (Positive Temperature Coefficient of
Resistance) ( )atRRt += 10
R0 : ความตานทานลวดโลหะทอณหภมอางอง (ปกต 0ºC)
Rt : ความตานทานทอณหภม t ºC
a : สมประสทธของการเปลยนคาความตานทานไฟฟาตออณหภม
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)
RTD protectionhead probe
RTD probe
....)1( 320 ++++= cTbTaTRRT
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
Platinum Resistance Thermometer
• เปนโลหะทนยมใชทาRTDมากทสด เพราะมยานการวดอณหภมกวาง
และทนสภาวะการใชงานในบรรยากาศตางๆ ไดด ส.ป.ส.ความตานทาน
ไฟฟาตออณหภม a = 0.00385Ω/ Ω/ºC และ Platinum ยงเปนมาตรฐาน
ของอตสาหกรรมในองกฤษและยโรปตะวนตก เพราะ Platinumเปน
โลหะทมความเทยงตรงสงในการทาเครองมอวดอณหภม Range : -100
ถง 890 ºC (PT-100)
• PT-100 : ความตานทานของPlatinumท 0 ºC =100 Ω• PT-50 : ความตานทานของPlatinumท 0 ºC =50 Ω
Nickel and Copper Resistance Thermometer
• Nickel RTD ยงไมเปนมาตรฐานทผผลตจะเลอก ส.ป.ส. ความตานทาน
ตออณหภมเปนคาใดแน จงทาใหลาบากในการเลอกใชอปกรณท
เหมาะสม และยงไมสามารถใชกบยหออนได แตจะม ส.ป.ส. ประมาณ
a = 0.0066 Ω/ Ω/ºC
• Copper Resistance Thermometer เปนแบบทม Linearity ในการวดด
ทสด แตยานการใชงานแคบประมาณ -200 ถง 150ºC ปกตทผลตจะม
ความตานทาน 10 และ 25Ω ท 0ºC
• Performance Characteristic
Accuracy ในการตรวจสอบความถกตองของการเปลยนแปลงคา
ความตานทานตออณหภม มวธการเทยบ (calibrate) กบจดตางๆ
ดวยกน 6 จด
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)
the triple point of water (0.01 C)
the boiling point of liquid oxygen (-182.962 C)
the boiling point of water (100 C)
the freezing point of zinc (419.58 C)
the freezing point of silver (961.93 C)
the freezing point of gold (1064.43 C)
• Performance Characteristic
Stability ความไวใจไดในการใชงาน (เสถยรภาพ) ในทนเปนการ
ทดสอบตอ Drift
Drift คอการแปรสภาพไปตามอายการใชงาน ตรวจสอบโดย
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)
1. นา RTD ไปอยในอณหภม 0 ºC ประมาณ 24 – 28 ช.ม.
2. แลวนามาไวในอณหภมหองประมาณ 24 ช.ม.
3. แลวนากลบไปทอณหภม 0 ºC อก
4. แลวตรวจดวาคาความตานทานมการเปลยนแปลงหรอไม
ถามคาการเปลยนแปลง หรอ Drift ตองอยในคาทกาหนด
(0.05 Ω)
• Performance Characteristic
Repeatability วดซาๆ คาเดม แตละครงตองเบยงเบนไมเกน 0.08 Ω
Response Time ตรวจสอบความไวในรป Time Constant เปนเวลาตงแตท Step Change อณหภมไป จนอานคาได 63.2% ของอณหภมท Step Change ไป เชนในการทดสอบเรมจากอณหภม 0 ºC เปลยนแบบ step change ไป 50 ºC คา Time Constant ตองนอยกวา 6 วนาท จงอยในกาหนด
Self-Heating เนองจาก RTD ตองมกระแสไฟฟาไหลผานตวมนจานวนหนง ทาใหเกดความรอนขน = I2R และความรอนนจะทาใหคาความตานทานของ RTD เพมขน แตทเพมขนไมใชเพมจากอณหภมภายนอกแตเพมจากอณหภมซงเกดจาก I2R นนเอง
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD) การตอใชงานการตอใชงาน
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
1. Unbalance Bridge
RTD จะตดตงอยในจดทตองการวด ซงอยบนแขนขางหนงของ
Bridge สวนความตานทานอนๆ มคาคงท เมอ RTD มอณหภม 0ºC จะ
ทาใหวงจร Bridge สมดล DVM วดได 0 V
และเมออณหภมท RTD เพมขน จะทาใหคาความตานทานท RTD
เพมขนตาม ทาใหวงจรเกดไมสมดล และแรงเคลอนไฟฟาท DVM วด
ได จะมความสมพนธกบการเปลยนแปลงน
วธเหมาะสาหรบวดอณหภมอยางงาย ความถกตองไมสงมากนก
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD) D1. Resistance thermometer (RTD) วงจรพนฐานวงจรพนฐาน
2. Balance Bridge
ดงรป โดยท R3 เปน R ปรบคาได เมออณหภมท RTD เพมขน จะทา
ใหความตานทานเพมขนทาใหวงจร Bridge ไมสมดล ใหปรบ R3 จน
Bridge สมดลคอ DVM วดได 0 V คา R3 ทวดได เปนคาเดยวกบคา
RTD ทอณหภมนน
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD) D1. Resistance thermometer (RTD) วงจรพนฐานวงจรพนฐาน
1. วธ 2 Wire
ใชในการตอสายตอระหวาง RTD กบ Bridge ยาวไมมากนกแตถาสายตอยาวมาก ความสมดล/ไมสมดลของ Bridge นนไมไดขนกบความตานทานท RTD อยางเดยว แตเกดทสายตอดวย
Ex. เมอ Bridge สมดล R1 ⋅RTD = R2 ⋅ R3
ถา R1 = R2, R3 = RTD
ฉะนนคา R3 คอคาของ RTD ท
อณหภมนนๆ สามารถนาไปเปด ตารางได
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD) D1. Resistance thermometer (RTD) วธการตอใชงานวธการตอใชงาน
Ex. เมอ Bridge สมดล
R1 ⋅(RTD+r1+r2) = R2 ⋅ R3
ถา R1 = R2,
R3 = RTD + r1 + r2
ฉะนนคา R3 จะไมใชคาของ RTD อยาง
เดยว จงนาไปเปดตารางเลยไมได
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD) D1. Resistance thermometer (RTD) วธการตอใชงานวธการตอใชงาน
2. วธ 3 Wire
เปนแบบมาตรฐานทนยมใชในอตสาหกรรม สายทง 3 ทตอมายใชในการตอสาย RTD ตองมความยาวเทากนตลอด 3 เสน เพอใหความตานทานของสายทง 3 เปลยนแปลงไปในทางเดยวกนตลอดเปนการชดเชยปญหาความผดพลาดทเกดจากสาย
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD) D1. Resistance thermometer (RTD) วธการตอใชงานวธการตอใชงาน
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD) D1. Resistance thermometer (RTD) วธการตอใชงานวธการตอใชงาน
A=B=C, R1=R2 เมอ Bridge สมดล
R2(R3+A) = R1(RTD+C)
เมอ R1 = R2, R3+A = RTD+C
และ A=B=C ดงนน R3 =RTD
สามารถนาคา R3 นไปเปดตารางหาคา
อณหภมของ RTD ได
Ex.
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)
Average temperature sensingAverage temperature sensing
Differential temperature sensingDifferential temperature sensing
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D2. Bulk SemiD2. Bulk Semi--conductor sensor (conductor sensor (ThermisterThermister))
The thermistor's resistance to temperaturerelationship to temperature is given by the Steinhart& Hart equation:
T = 1 / ( a + b.ln(R) + c.ln(R)3 )
where a, b and c are constants, ln( ) the naturallogarithm, R is the thermistors resistance in ohmsand T is the absolute temperature in °K. While theSteinhart & Hart equation is a close fit to practicaldevices, it does not always provide the precisionrequired over the full temperature range.
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
Thermistors
• คณสมบตทวไปของ Thermistors
- มความตานทานปกตสงมาก
- การเปลยนแปลงคาความตานทานตออณหภมมคามาก 3-5% ตอ ºC
- เมออณหภมสงขน ความตานทานจะนอยลง
- ส.ป.ส. ความตานทานตออณหภมเปน nonlinearความสมพนธระหวางคาความตานทานกบอณหภม
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
00
11expTT
BRRT
R0 : คาความตานทานท Reference Temp. [T0 K] (Ω)
RT : คาความตานทานทอณหภม [T0 K] (Ω)
B : Constant ขนกบแตละชนด/แบบ ของ Thermister
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D2. Bulk SemiD2. Bulk Semi--conductor sensor (conductor sensor (ThermisterThermister))
ThermistorThermistor linearization networkslinearization networks
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors
D2. Bulk SemiD2. Bulk Semi--conductor sensor (conductor sensor (ThermisterThermister))
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
E. Junction SemiE. Junction Semi--Conductor sensorsConductor sensors
A summary of available semiconductor temperatures sensors is presented below, followed by more detail on some of the more popular devices. The sensors can be grouped into five broad categories:
• voltage output• current output• resistance output• digital output
• simple diode types
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
E. Junction SemiE. Junction Semi--Conductor sensorsConductor sensors
Examples of circuit implementation using AD590Examples of circuit implementation using AD590
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
E. Junction SemiE. Junction Semi--Conductor sensorsConductor sensors
Examples of circuit implementation using AD590Examples of circuit implementation using AD590
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
F. Digital ThermometerF. Digital Thermometer
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
F. Digital ThermometerF. Digital Thermometer
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
Comparison of thermocouple and RTD selectionComparison of thermocouple and RTD selection
F. Digital ThermometerF. Digital Thermometer
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
Comparison of thermocouple and RTD selectionComparison of thermocouple and RTD selection
F. Digital ThermometerF. Digital Thermometer
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
F. Digital ThermometerF. Digital Thermometer
Example of a connection of sensors to transmitterExample of a connection of sensors to transmitter
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
G. Fiber optic ThermometersG. Fiber optic Thermometers
Optical temperature sensor is specifically designed for general use in laboratories andindustrial applications. It features complete immunity to microwaves and RF (EMI/RFI), highvoltage and harsh environments. It has a high resistance to a wide range of temperatureand meets all requirements for long term survability to chemicals and solvents.
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
Nortech's fiber-optic temperature sensor probe consists of a gallium arsenide crystal and a dielectricmirror on one end of an optical fiber and a stainless steel connector at the other end. The entire
assembly is coated with Teflon as a buffer
G. Fiber optic ThermometersG. Fiber optic Thermometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
H. PyrometersH. Pyrometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
H. PyrometersH. Pyrometers
Radiation pyrometers Radiation pyrometers
A radiation thermometer, in very simple terms, consists of an opticalsystem and detector. The optical system focuses the energy emittedby an object onto the detector, which is sensitive to the radiation.
The output of the detector is proportional to the amount of energyradiated by the target object (less the amount absorbed by the opticalsystem), and the response of the detector to the specific radiationwavelengths. This output can be used to infer the objects temperature.
The emittivity, or emittance, of the object is an important variable inconverting the detector output into an accurate temperature signal.
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
H. PyrometersH. Pyrometers
Radiation pyrometers Radiation pyrometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
H. PyrometersH. Pyrometers
Infrared pyrometers Infrared pyrometers
Infrared radiation thermometers/ pyrometers,
by specifically measuring the energy beingradiated from an object in the 0.7 to 20 micronwavelength range, are a subset of radiationthermometers.
These devices can measure this radiationfrom a distance. There is no need for directcontact between the radiation thermometerand the object, as there is with thermocouplesand resistance temperature detectors (RTDs).
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
H. PyrometersH. Pyrometers
Infrared pyrometers Infrared pyrometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
H. PyrometersH. Pyrometers
OpitcalOpitcal pyrometers pyrometers
The classic form of this type of instrument is the disappearing-filament optical pyrometer. It is the most accurate of all the radiation thermometers; however, it is limited to temperatures greater than about 700°C since it requires a visual brightness match by a human operator.
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
H. PyrometersH. Pyrometers
OpitcalOpitcal pyrometers pyrometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
Black body radiation sources forcalibration and testing of infraredradiation pyrometer, LINE-SCANNER andthermal imager
Calibration radiatorsCalibration radiators
H. PyrometersH. Pyrometers
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006
SUMMARY AND CONCLUSIONSUMMARY AND CONCLUSION
INC 336 Industrial process measurement, 2006INC 336 Industrial process measurement, 2006