Beräkning av vatteninnehåll i luft med Mitec WinLog och Monitor

 © Mitec Elektronik AB
 

Temperatur - vår vanligaste mätning

Den fysikaliska parameter som kanske mest påverkar vår miljö och oss människor, är temperaturen.
Följaktligen mäts den också allra mest av alla fysikaliska parametrar och mätapplikationerna är dom mest skiftande. Vi mäter på material i dess tre aggregationstillstånd - fast, flytande och gasform.
För detta krävs mätutrustning som fungerar i dessa olika miljöer. Utrustning med rätt utformning, noggrannhet och tillförlitlighet.
Nedan beskrivs några vanliga typer av givare för temperatur samt några praktiska aspekter på dess användning.

Temperaturskalan
I praktisk användning, i Europa, används Celsius-skalan som vi alla känner till. Baserad på vattnets smältpunkt och kokpunkt känns den mycket naturlig (Att Celsius själv föreslog kokpunkten till 0 °C och smältpunkten till 100 °C är en annan historia).
SI-enheten för temperatur är dock kelvin [K] där 0°C motsvarar 273.15K. -273.15°C baseras på vattnets s.k. trippelpunkt och kallas absoluta nollpunkten. En differenstemperatur på 1 K motsvarar 1°C.
I USA används i dagligt bruk enheten Fahrenheit [F].
Fahrenheit använde en blandning av snö och salmiak som nollpunkt och som andra fixpunkt valde han vattnets kokpunkt. Att skalan däremellan fick 212 punkter hänger samman med kvicksilvrets förmåga till utvidgning.
Y[°F] = (X[°C] *1,8+32)
X[°C] = ((Y[°F] -32)/1,8)

Givare för praktisk användning
Många olika principer finns för mätning av temperatur. Nedan beskrivs bara givare med elektriska utsignaler och som har funnit en bred användning i praktiken.

Termoelement
Termoelementet utnyttjar principen att två metaller av olika sammansättning förbundna i en punkt genererar en elektrisk spänning proportionell mot differenstemperaturen över metallerna. Sambandet spänning/temperatur är tämligen komplext.
Termoelement utförs i praktiken som två isolerade trådar som förbinds i ena änden (mätänden). I dess andra ände monteras vanligen ett kontaktdon speciellt avsett för ändamålet.
Ett stort antal olika typer av termoelement med olika egenskaper förekommer. Några i praktisk använd-ning mycket vanliga typer är J, K och T. Se vidare nedan.

Typ	Material	Färg, kontakt	Område°C
J	Fe - Cu/Ni	Svart (svart)	20 - 700
K	Ni/Cr - Ni/Al	Gul (grön)	0 - 1100
T	Ni - Cu/Ni	Blå (brun)	-185 - 300

Termoelement kan köpas på rulle där man själv kan kapa till lämplig längd och tillverka sin givare genom att stansa eller svetsa ihop ändarna.
Termoelement finns även mantlade i mycket små dimensioner samt utförda som handprober.
Mätnoggrannheten är måttlig, i praktiken ca +-1°C som bäst. Referenspunkten (kalla lödstället) måste mätas av det instrument som används och här finns en stor källa till mätfel. Speciella kompensationsledningar krävs för förlängning av termoelement.
Kriterier för val av givare är bl.a. mekaniskt utförande, temperaturområde och miljö.

Resistansgivare
Resistansgivare har en annan mätprincip än termoelementen. I princip är det ett motstånd vars resistans ändras proportionellt mot temperaturen.
En klassisk givare är uppbyggd av en metalltråd lindad på en isolerad kropp av glas eller keramik. Metaller som används är t.ex. platina (Pt) och nickel (Ni). Ofta benämns givaren efter dess resistans vid 0°C t.ex. Pt100 (R=100 ohm) eller Ni1000 (R=1000 ohm).
Sambandet resistans temperatur är väl känt (nästan linjärt) och definieras i olika DIN-normer där även onoggrannhet specificeras. Resistansgivare är för ömtåliga för att användas nakna och kapslas därför i allmänhet i olika typer av metallrör.
En mycket vanlig temperaturgivare i industriella sammanhang är nog Pt100. Den är synnerligen välbeprövad och tillverkas i stora antal. Den finns i många olika utföranden (kapslingar) för olika användningsområden.
Andra fördelar är känd noggrannhet och långtidsstabilitet. En nackdel med givaren är dess låga utsignal ca 0.39 ohm/°C.
Detta innebär att mätfel kan uppstå p.g.a. resistansen i anslutnings-kabeln. För att lösa detta används 4-trådskoppling som eliminerar inverkan av ledningsresistans.
Pt100 har blivit industristandard och används ofta av konvention.

Termistorn
Även termistorn är en typ av resistansgivare. Den är uppbyggt av ett halvledarmaterial istället för en tråd. Sambanden resistans / temperatur är också här väl definierade och fabrikanterna anger sambanden i sina specifikationer för den mängd olika typer som marknadsförs. Sambandet är olinjärt men det orsakar inget problem med moderna mikroprocessorbaserade instrument.
Precisionstermistorer har mycket god noggrannhet och stabilitet. Termistorer med hög resistans är okänsliga för kabelarea och lämpar sig utmärkt för t.ex. klimatmätningar.
En annan fördel är deras mekaniska mått. De är ofta utförda som en pärla med diameter ca 0,5 -2mm. detta innebär att de blir mycket snabba med tids-konstanter på delar av sekunder.

Temperaturtransmitter
Transmitter betyder sändare men en bra översättning är signalomvandlare.
I industriella sammanhang finns ofta en besvärlig elektrisk miljö med störningar från olika utrustningar därför brukar temperaturgivare inte anslutas med långa ledningar.
Istället omvandlas signalen i en transmitter till en standardsignal varav 4-20mA torde vara den vanligaste. Denna signal är mycket okänslig för störningar och medger även användning av standardiserade ingångar på metdon.
Transmittrar finns i olika utföranden för olika givartyper och olika mätområden. Vidare finns olika mekaniska utföranden t.ex. för montage på DIN-skena, montage i mäthuvud (s.k. "mätpuck") eller väggmon-tage.

Praktisk mätning
Temperatur mäts i alla sammanhang och följaktligen i en mängd olika miljöer med olika förutsättningar.
Några vanliga applikationer är mätning i luft, i slutna kärl (innehållande gas eller vätska), mätning på ytor och i fasta material.

Mätning av omgivningstemperatur
Omgivningstemperaturen påverkar oss människor i mycket stor utsträckning. Därför är detta kanske den vanligaste av alla mätningar.
De flesta typer av temperaturgivare kan användas.
Mätområdet bör vara ca -40 till 100°C. Givaren bör ha en noggrannhet på ca +-0,5°C vilket de flesta har. För större noggrannhet krävs att givaren är kalibrerad mot en spårbar referens.
Avgörande för mätresultatet är naturligtvis placeringen av givaren. Ett vanligt mätfel är strålningspåverkan. Alla varma kroppar avger elektromagnetisk strålning som kan orsaka mätfel. Undvik placeringen av givare i närheten av element, elektriska apparater eller andra värmekällor.
Utomhus skall man naturligtvis undvika solstrålning.
Även kalla kroppar orsakar ett strålningsutbyte (från givaren). Inomhus kan fönsterytor vara en orsak till mätfel, utomhus påverkar t.ex. natthimmeln påverkar mätningen ganska avsevärt. Bäst är att använda ett strålskydd för ändamålet.
En bra givare för ändamålet är Mitecs termistorgivare vilken mäter i intervallet -40 till 120°C med +- 0,3°C noggrannhet. Till denna finns även ett speciellt strålskydd.

Mätningar i slutna kärl
Vanliga mätapplikationer är mätning av vatten och andra vätskor i VVS och process miljöer. Här används med fördel Pt100-givare med syrafast kapsling. Dessa finns för olika montagesätt i olika längder och dia-metrar.
Vanligt förekommande är givare med 1/2" eller 3/4" utvändig gänga som passar i olika mätfickor. Mätområde är upp till ca 300°C.
I kapslingen (mäthuvudet) monteras oftast en signalomvandlare (transmitter) med 4-20 mA utsignal. Denna medger användning av en vanlig två-trådskabel som kan dras långa sträckor utan risk för störningar.

Mätning på ytor
För mätning på plana ytor som väggar och golv finns speciella givare. Dessa är plana och mycket tunna för att ge god kontakt med ytan.
En vanlig applikation är mätning utvändigt på rörledningar. Här kan man med fördel använda termoelement eller termistorgivare.
Man bör då tillse att materialet är rengjort för bästa kontakt. Termiskt ledande pasta (s.k. kiselfett) bör användas. Vidare måste ledningen isoleras runt mätstäl-let och gärna förses med ett strålskydd t.ex. alufolie.
Rätt utförd kan en sådan mätning ge mycket god noggrannhet.

Högtemperaturmätningar
Vid mätningar över ca 300°C används nästan uteslutande termoelementgivare.
Dessa finns för mätningar upp till ca 2500°C. Den allra vanligaste typen är "K". Vid temperaturer över ca 500°C används mantlade termoelement som är kaps-lade i ett metallrör med diameter från 1-15mm.
Vanliga applikationer är förbränningsprocesser, rökgaser, mätningar på stålgöt mm.

© Mitec Elektronik AB
 

Elkraft