1.0

De instrumenter, som vi konstruerer for at kunne måle temperatur, kaldes "TERMOMETRE" og de kan som oftest bestå af et målesystem.

I alle termometre udnyttes fysiske ændringer til temperaturmåling.

De mest anvendte temperaturmåleprincipper tager udgangspunkt i efterfølgende fire hovedgrupper:

I væsker, gasarter eller fast stof.

- Modstand (nikkel, platin, termistorer)
- Termospænding (termoelement)
- Ladespænding (halvleder)
- Svingningsfrekvenser (kvartstermometre)

- Farveskiftende maling
- Vokskugler
- Labelindikator

Når udtrykket termometer anvendes, eksempelvis indenfor typer, der bygger på elektriske egenskaber, ad pkt. 1.2.2, så forstås almindeligvis en færdig konfekti­one­ret enhed, der består af et element med isolerede tilledninger afsluttet i klemmer og omgivet af beskyttelsesrør.

I DAGLIG TALE KALDES ET TERMOMETER EN FØLER

I det efterfølgende er det termometerprincipper baseret på elektriske egenska­ber, som vil blive beskrevet.

Hovedvægten er lagt på MODSTANDSTERMOMETRE og TERMOELEMENTER.

Princip :

Princippet bygger på, at den elektriske modstand ændrer sig i relation til temperaturvariationen.

Modstandstermometret (elementet) fungerer ved, at der sendes en strøm gen­nem elementet, og så aflæses spændingsvariationen, som giver et udtryk for temperaturvariationen.

Det mest anvendte materiale i elementproduktionen er platin. Årsagen er i det væ­sentligste, at platin er ret stabilt, og elementerne af dette materiale er reproducerbare i masseproduktion. Ikke mindst er afhængigheden mellem modstand og temperatur næsten lineær.

Nikkel kan og har været anvendt som materiale til elementer, men er på retur.

Pt-100 element er defineret ved, at modstanden i elementet er 100 ohm ved 0°C. Konstruktionen fremstilles ved at tilpasse diameter og længden på platintråden.

Andre Pt-værdier produceres i vid udstrækning. Mest almindelig efter Pt-100 er:

Disse er defineret ved, at modstansværdien ved 0°C er henholdsvis 500 ohm og 1000 ohm.

Fordelen ved at anvende et element med en større modstandsværdi er, at modstandsværdierne i tilledningen forholdsvis får mindre indflydelse på det samlede måleresultat.

Tidligere var Ni-100 elementet et meget benyttet element til måling af temperaturer i industrien. Men dels p.g.a. mekaniske problemer ved fremstillingen, samt at Ni-100 er mere ulineær end Pt-100, er elementet stærkt på retur.

Et Ni-100 element udviser samme ulinearitet over et område på 180°C, som et Pt-100 element gør over et område på 600°C.

Keramikelementet består af en platintråd, som spiraliseres og monteres i et tohuls keramikrør. Keramikken er oftest lavet af aluminiumoxyd.

Konstruktionsmåden gør, at elementet er mere følsom over for rystelser og vibrationer end glaselementet.

Platinviklinger
		Tilledninger
Keramikkappe Fig. 4

Keramikelementer kan anvendes i temperaturområdet -200°C til +850°C, men det anbefales ikke at gå over +600°C. Prisen er væsentlig lavere for keramik- end for glaselementer.

Tyndfilm - (Platin) :

Ved kredsløbsfremstilling benytter man fototeknikken. Denne teknik har man overført til fremstillingen af tyndfilmselementer.

På en keramisk plade pådampes et tyndt platinlag. Dette tynde lag giver mulighed for meget små dimensioner.

Keramikplade
		Tilledninger
Platinfilm Fig. 5

Denne lille dimension giver også mulighed for at opnå en hurtig reaktionstid. Stabili­teten er ikke helt så god som for trådmodstande. Tyndfilmsmodstande kan benyttes i temperaturområdet -50°C til +400°C. Oftest anvendes de til max. 200°C. Massefremstillingen gør, at det er den billigste form for platin­element.

Princip

Holdes 2 kontaktsteder (loddesteder) mellem 2 forskellige metaller A og B ved forskellige temperaturer, opstår i almindelighed en elektromotorisk kraft/spænding, der vil drive en strøm rundt i kredsen. Se fig. 6 a.

Den elektromotoriske kraft/spænding pr. grad temperaturforskel kaldes termokraften/-spændingen eller Seebeck koefficienten. Denne er alene afhængig af, hvilke to metaller der vælges, og den er fortrinlig til måling af differenstemperatur, dersom et m voltmeter indskydes i kredsen. Se fig. 6 b.

Vil man måle absolut temperatur, må den ene ende, referencepunktet, holdes på 0°C f.eks. med isvand, medens man måler med den anden ende, målepunktet. Ofte kaldes referencepunktet "den kolde ende" og målepunktet "den varme ende". Dette er lidt misvisende, idet man også kan måle negative temperaturer med målepunktet. I IEC 584 findes samhørende tabelværdier af spænding og temperatur, når referen­cepunktet holdes på 0°C.

I fig. 6 b har m V-meteret klemmer af et tredje metal C. Herved opstår der ved instrumentet loddestederne BC og CB. Da temperaturen på disse er ens, vil de være lige store og modsat rettede, hvorfor de udgår af målingen.

I industrien anvendes almindeligvis instrumenter, som er kompenseret for det kolde loddested, d.v.s. at instrumentet måler temperaturen ved tilslutningsklemmerne og tillægger en spænding internt, der modsvarer overgangen AC og CB og den spænding, der skulle komme fra referencepunktet.

Da instrumentet kompenserer overgangen AC og CB ved måling af temperaturen på instrumentets tilslutningsklemmer, er det vigtigt, at kompensationskabler er af samme materiale som termoelementet. I modsat fald flytter det kolde loddested til termoparrets tilslutningsklemme, hvor instrumentet ikke kan kompensere. Fejlvisningen herved vil være t i - t k . (Se fig. 7)

For at gøre forskellige fabrikater kompatible, har "International Electronical Commission" udarbejdet normer for disse følere - IEC 584 (DIN 43710).

Typer efter IEC-584-1 :

Termoelementet består af to uisolerede sammensvejste tråde, ofte kaldet et termopar.

Til de fleste formål er det nødvendigt at beskytte termoelementet fra omgivelserne. Det gøres ved at isolere trådene samt anvende beskyttelsesrør. Afhængig af ønsket reaktionstid findes tre forskellige former. Den mest anvendte er med isoleret målepunkt.

NTC (negativ temperatur koefficient) modstande kan anvendes som temperatufølere. Karakteristikken på disse termistorer er stærkt ulineær og temperatur­området meget begrænset. Ulineariteten udkompenseres i instrumentet, som skal være trimmet lige nøj­agtig til den pågældende termistor. Dette kan blive et problem ved udskiftning af følerne. Der bliver i dag produceret præcisionstermistorer, som har en tolerance på modstandsværdien helt ned på ±0,5% eller ±0,1°C.

En halvlederovergang driver i et snævert temperaturområde næsten lineært med temperaturen, men har forskellig grundværdi og stejlhed.

Kvartstermometre :

Nogle steder kan en anbringelse af konventionelle følere være umulig. F.eks. rullende plastbaner fra en plastic-extruder. Infrarød måling kan da anvendes. Varmestrålingen måles da med en IR-detektor og omsættes til et display eller et 4-20 mA målesignal.

Denne type måling kan også anvendes på steder, hvor konventionelle følere ville brænde op.

Ved enhver temperaturmåleopgave er det af stor betydning, at man vælger den rigtige type og udformning af termometret.

I det efterfølgende er kort redegjort for de vigtigste parametre, som bør iagttages.

Temperaturområde - ydergrænser og driftstemperatur i afhængig­hed af type

Tolerancer :

I IEC 751 (tidligere DIN 43760) er der defineret to toleranceklasser A og B, som producenterne af Pt-100 elementer skal overholde.

Toleranceklasserne definerer, hvilke afvigelser der er tilladelige ved 0°C, og med hvilken konstant tolerancen må udvikle sig.

IEC 584-2 angiver 3 toleranceklasser. Det forudsættes, at trådtykkelsen normalt ligger mellem 0,25 mm og 3 mm. Tolerancen gælder kun for fabriksnye ter­mopar.

Tolerancer for IEC 584-2 normen :

Det vil altid være meget vanskeligt at specificere, hvilken langtidsstabilitet et givet termometer har ved en given anvendelse. Det afhænger dels af dets opbygning og dets anvendelse. Det betyder meget, hvilken max. temperatur, vibrationer og temperatursvingninger, føleren udsættes for.

IEC 751 normen angiver, hvordan "LANGTIDSSTABILITET" afprøves, og indenfor hvilke grænseværdier termometret herefter skal ligge for at overholde normen. Prøven består i at bringe termometret på dets ydergrænser og holde det her i 250 timer. Efter denne belastning må termometrets værdier ikke have ændret sig med mere end 0,15°C for klasse A og 0,3°C for klasse B.

På lignende måde angiver normen kriterierne for afprøvning af termometrets "STABILITET overfor TEMPERATURSVINGNINGER". Afprøvningen foretages ved at skifte temperaturen 10 gange mellem termometrets ydergrænser. Efter denne afprøvning skal termometret holde sig indenfor de samme grænser som beskrevet under afprøvning af langtidsstabiliteten.

Langtidsstabiliteten varierer fra type til type og er afhængig af, hvor god beskyttelsen er, samt hvor store temperaturændringerne er. Generelt kan man sige, at ældningen mindskes ved god beskyttelse og ved at anvende termoføleren til den temperatur, som den er konstrueret til uden at gå over den øvre temperaturgrænse.

Ustabiliteten forklares ved, at termospændingen kan have en hystereselignende karakter. Spændingen følger en kurve ved opvarmning og en anden ved afkøling. Forskellen kan blive op til 5°C, afhængig af termoelementets alder, tid og temperatur.

Som for enhver anden form for elektrisk modstand, opstår der varme i følerelementet, når der løber en strøm.

For at gøre signalet fra følerelementet stort, ønsker man at gøre strømmen stor. Det medfører, at den tilførte effekt P = R x I² stiger, hvilket bevirker, at temperaturen i elementet stiger. Forskellen mellem 1 og 10 mA målestrøm kan betyde op til 0,8°C selvopvarmning.

For at opnå det bedste måleresultat er det vigtigt, at føleren er placeret og monteret så optimalt som muligt.

Hvor reaktionstiden ikke behøver at være så hurtig, kan det være formålstjenligt at montere en lomme. Føleren kan så udskiftes, uden at systemet, beholderen, behøver at tømmes først.

Alternativt kan man i lav- og mellemtryksområdet anvende følere med udtagelig indsats for at få samme fordel.

IEC 751 definerer den nødvendige indstiksdybde, som den der max. giver 0,1°C fejl, når følerspidsen befinder sig i damp ved 100°C og skaftet i 0°C.

Indstiksdybden er afhængig af følerens konstruktion, følerelementets længde og kappens tykkelse og materiale. Almindeligvis anbefales som mindste indstiksdybde i væsker elementets længde + 5 gange beskyttelsesrørets diameter og i luftarter elementets længde + 15 gange beskyttelsesrørets diameter.

Ved måling af temperaturer i meget store rørtværsnit kan man ikke gå ud fra, at temperaturen er ens i hele rørets tværsnit. Der må man montere flere følere på en ganske bestemt måde, for at måle gennemsnitstemperaturen.

IEC 751 normen stiller ingen krav til reaktionstiden for et termometer, men angiver metoder til måling af denne.

Reaktionstiden betegnes med det græske bogstav "tau"

Reaktionstiden defineres som den tid, et termometer, efter at være udsat for en pludselig temperaturændring, behøver for at vise den nye værdi fuldt ud.

Den fulde reaktionstid anvendes normalt ikke i daglig tale. Det er mest almindelig, at man taler om den tid, det tager for termometret at komme på 50% af temperaturændringen. Dette betegnes som 0,5 . Andre niveauer eksempelvis 10% = 0,1 og 0,9 = 90% ses også anvendt.

Omgivelsestemperatur

For at undgå at få for høj temperatur i tilslutningshovedet og herved ødelægge kabler og en eventuel transmitter, er det ofte nødvendigt at forlænge beskyttelsesrøret med et rørstykke - "KØLEHALS". Herved reduceres varmetransmissionen væsentligt.

Hvor rør alternativt beholder er isoleret, kan det på lignende måde være en fordel at forlænge beskyttelsesrøret for at få tilslutningshovedet frit tilgængeligt for montage.

Elektrisk forbindelse

IEC 751 normen foreslår følgende 3 tilslutningsmuligheder og farvekoder:

Ved modstandstermometre skal man være opmærksom på modstandsværdien i tilledningerne.

I kobberledning er modstanden:

L = Længde i meter
A = Tværsnitsareal i mm ²
0,0175 = Kobbers specifikke modstand

2) 2-leder system :

Målestrømmen "I" sendes gennem L1, følerelementet og tilbage gennem L2. Spændingen "U" måles inde i instrumentet. På den måde indgår modstanden i L1 følerelementet og L2 som en samlet værdi i spændingsmålingens resultat.

Det er indlysende, at dette kan give store fejl.

Eksempel :

Vælger man en 2-leder 1 mm² kobberledning på 5 m, vil ledningsmodstanden blive:

Anvendes et Pt-100 element, svarer 0,385 ohm til en temperaturændring på 1°C.

Denne afvigelse indgår i målesystemets samlede nøjagtighed, som en fejlvisning. Som regel er det nødvendigt at bruge en bedre løsning, 3-leder eller 4-leder.

3) 3-leder system :

Målestrømmen "I" sendes gennem L1, følerelementet og L3.

Spændingen U1 måles over L1 og følerelementet. Spændingen U2 måles over L3. (L2 er strømløs).

Vi har strømmen I og vi kan beregne spændingen over elementet ved at sige:

U = U1 - U2

og herigennem får vi et udtryk for temperaturen.

Tilnærmelsen i 3-leder systemet består i, at vi forudsætter, at L1 og L3 har samme længde og tværsnitsareal. I langt de fleste tilfælde er denne løsning tilstrækkelig.

Men ønsker man et system uden nævnte tilnærmelser, må man anvende 4-leder systemet.

4) 4-leder system :

Målestrømmen "I" sendes gennem L1, følerelement og L4. I L2 og L3 er strømmen 0 eller meget tæt på, idet modstanden i voltmeteret er meget stor.

Spændingen måles ved hjælp af L2 og L3 direkte over elementet. Vi har på denne måde den absolut nøjagtigste målemetode.

Såfremt man ønsker at ændre det svage elektriske signal fra modstands- eller termoelement til et strømsignal, kan man benytte en transmitter. Transmitteren er sådan indrettet, at den ændrer strømmen afhængig af temperaturen. Det mest benyttede strømsignal er 2-leder 4-20 mA signal.

Fordele ved at montere transmitteren ude i følerens tilslutningshoved er:

- Man kan nøjes med 2-leder ledning ved modstandsfølere og spare kompensationskabel ved termoelement

- Signalet er ikke så følsom overfor elektrisk støj

- Signalet er kompatibel til de fleste moderne instrumenter, PLC, PC o.s.v.

- Man kan serieforbinde flere instrumenter f.eks. digitalinstrument og skriver.

Ved montering af følere med indbygget transmitter i tilslutningshovedet skal man bl.a. være opmærksom på følgende:

- At omgivelsestemperaturen ikke er for høj, da al elektronik er følsom over for dette. Dette kan nedsætte nøjagtigheden væsentligt eller direkte ødelægge målingen.
- Vibrationer og rystelser.
- Elektrisk støj.

Iflg. IEC 751 normen skal producenter af Pt-100 elementer kontrollere klasse A elementer ved 0°C, samt ved en anden temperatur, f.eks. 100°C. Klasse B elementer skal kun kontrolleres ved 0°C.

Ofte er det nødvendigt at kende den nøjagtige værdi i flere punkter. En sådan udmåling kaldes en KALIBRERING.

Indenfor kalibrering arbejdes der med to begreber, absolut kalibrering og sammenlignende kalibrering. Det er den sidste form, som i daglig tale forstås som kalibrering.

Ved en absolut kalibrering tages udgangspunkt i ITS 90's definerede fikspunkter (fig. 2). Til hver fikspunkt findes en specielt fremstillet målecelle.

Betragter man eksempelvis en målecelle med metallet Gallium. Denne anbringes i et bad, hvor temperaturen kan kontrolleres nøjagtigt omkring galliums smeltepunkt. Temperaturen reguleres således, at galliummen begynder at smelte, til smeltning medgår varme, hvilket resulterer i, at temperaturen, så lang tid der er metal, der smelter inde i cellen, nøjagtig er 29,7646°C (en absolut temperatur).

Termometeret, som er anbragt i cellen, aflæses, og vi ved nu, hvilken afvigelse vort termometer har over til den absolutte temperatur i dette fikspunkt.

På samme måde gør vi ved de andre fikspunkter, der ligger i det temperaturområde, der interesserer os. Mellem de målte værdier interpoleres. Vi kender nu termometrets afvigelser i forhold til den absolutte temperatur. Ved måling med dette termometer er vi i stand til at beregne de absolutte værdier af målingen.

Et sådan termometer betegnes et referencetermometer. Alt måleudstyr, som anvendes under processen, skal være sporbart.

Denne form for kalibrering er meget langsommelig og dyr og kan kun foretages af ganske få laboratorier.

Dette foretages ved, at referencetermometret kalibreret som beskrevet i foranstående anbringes i et bad tæt sammen med det termometer, vi ønsker udmålt, "KALIBRERET".

Badet bringes på de temperaturniveauer, hvor vi ønsker termometret kalibreret. Begge termometre aflæses i de valgte punkter, og værdierne nedskrives. Mellempunkterne interpoleres. Via referencetermometerets modstandsværdier er vi i stand til at beregne og opstille tabelværdier (kurve) for termometrets afvigelse fra den absolutte temperatur. Herefter kan nu udstedes et certifikat.

Senmatic råder over et moderne målelaboratorium med nødvendige bade og referencetermometre - udstyr på niveau med Nationallaboratoriet.