Temperaturmätning

Grundenheterna i Si-systemet
Massa
TMFT13
Fö: Temperaturmätning
1 kg
Massan av en platina vikt som förvaras i Frankrike.
Längd
1m
Det avstånd som ljus i vacuum hinner färdas på tiden 1/299 792
458 sekunder.
Tid
Per Sandström
Institutionen för Fysik, Kemi och Biologi
1s
Varaktigheten av 9 192 631 770 perioder av den strålning som
motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna hos
atomen cesium 133
El. ström
1A
Storleken på den ström som behövs för att frambringa kraften
2·10-7 N / m mellan två raka parallella ledare med oändlig längd
samt försumbart cirkukärt tvärsnitt placerade på en meters
avstånd från varandra.
SI-enheterna forts,
Intensiva/Extensiva storheter
Temperatur
1 Kelvin
1 / 273,16 av den termodynamiska temperatur som
trippelpunken för vatten har.
Ljusstyrka
Massa 2 kg+3kg=5kg
Intensiva storheter
Två lika bitar med densiteterna 1300 kg/m3
får efter hopslagning densiteten 1300 kg/m3
1 candela
Ljusstyrkan i en given riktning från en källa som utsänder
monokromatisk strålning med frekvensen 540·1012 hertz
och vars strålningsstyrka i denna riktning är 1/683 watt per
steradian .
Materiemängd
Extensiva storheter
Temperatur är enda intensiva grundenheten
Två bitar med 2 och 5 grader blir inte 7 grader
1 mol
Mängden av ett ämne som innehåller lika många element
(t.ex. atomer, joner och molekyler) som det finns atomer i
0,012 kilogram kol-12.
Temperaturenheter
Grad Kelvin
Grad Celsius
Grad Fahrenheit
Grad Réameur
Farenheit
K
°C
°F
°R
Fahrenheit Gabriel Daniel 1686-1736
Införde kvicksilver-termometern
0 °F
salt och is-vatten
100 °F
blodtemperaturen hos frisk
människa
(96 °F , dvs. 35,6 °C)
0 °C 32 °F
100 °C
212 °F
°C=5 (°F-32)/9
Réamur
Celsius
de Réamur René Antoine 1683-1757
Celsius Anders 1701-1744
Införde sprit-termometern
0 °R
fryspunkten för vatten
1 °R
motsvarande utvidgningen
1/1000
av spritbehållarens volym
Införde fixpunkterna
100 °C fryspunkten för vatten
0 °C
kokpunkten för vatten
Linné vände på skalan
kokpunkten för vatten 80 °R
Väldigt ovanlig. En del mejerier som gör
parmesanost i Italien använder den f
Mätning av temperatur
A.
Definition av temperatur
Temperatur går inte att mäta direkt
Resistansändring
Längdutvidgning
Spänningsändring
B.
1 K är 1/273,16 av den termodynamiska temperaturen
vid vattens trippelpunkt.
Översätts
Temperatur
Temperaturen själv är sällan intressant.
Termodynamiska temperaturen vid vattens trippelpunkt
är 273.16 K.
Ex: Mätning av hälsotillstånd via kroppstemperatur (Feber).
Ex: Mätning av processtillstånd via
temperaturen (pappersmaskin)
C. Temperaturen speglar energitillståndet
Referens – Trippelpunkten för vatten
Tryck mbar
°C)
NTP
1013,25
fast
6,11657
temp
°C
Smältpunkten 0.00
Diagrammet ät unikt för
vatten då smältpunkten
sjunker med ökande
kritisk punkt (373,946
tryck.
Alla andra ämnen har
gränslinjen mellan fast
flytande
och flytande positiv
derivata.
gas
Smältpunkten för rent
trippelpunkt
vatten (kranvatten) kan
antas
hålla 0,0 °C.
99,974
Trippelpunkten mer
Trippelpunkten 0,01 (0,008) väldefinierad än
smältpunkten.
Fixpunkter (ITS 90)
BP
TP
BP
BP
TP
TP
TP
TP
TP
MP
FP
FP
FP
FP
FP
FP
FP
FP
MP
He 3
H2
H2
H3
Ne
O2
Ar
Hg
H2O
Ga
In
Sn
Zn
Sb
Al
Ag
Au
Cu
Pd
3-5
K
13,8033 K
17
K
20,3
K
24,5561 K
54,3584 K
-189,3442 °C
-38,8344 °C
0,01
°C
29,7646 °C
156,5985 °C
231,928 °C
419,527 °C
630,630 °C
660,323 °C
961,78
°C
1064,18
°C
1084,62
°C
1553,4
°C
fastlägges med gastermometer.
Termoelektriska material
Seebeck – koefficienter för vanliga
termoelement material
Termoemk
Seebeck-koefficienten
Material
Termoelektrisk
känslighet S [µV /o C]
Vismut
Konstantan
Nickel
Alumel
Nisil
Platina
Koppar
Nicrosil
Järn
Chromel
-72
-35
-15
-13,6
-10,7
0
+6,5
+15,4
+18,5
+25,8
Några vanliga typer av termoelement
SAB
Typ Positiva material
J
K
N
S
T
Järn
Chromel
Nicrosil
Pl 10% Rh
Koppar
Negativa materia Känslighet µV o C
Konstantan
Alumel
Nisil
Platina
Konstantan
Chromel och Alumel (element av typ K)
SChromel / Alumel = 25,8 − (−13,6) = 39,4 µV oC
50,4
39,5
26,1
5,4
38,7
Vanlig mätsituation
kopplingsdosa
Tk
SA
referens
Tr
SA
EKorr
µV
Tm
SB
SB
UV = (Tk − Tr )SA + (Tm − Tk )SA + (Tk − Tm )SB + (Tr − Tk )SB + E Korr =
= (Tm − Tr )SA − (Tm − Tr )SB + E Korr =
= (Tm − Tr )SAB + E Korr
Välj E Korr = Tr SAB
UV = Tm SAB
Översättningstabell
Korrigering för variation av
referenstemperaturen Tr
Mät Tr – kompensera i mjuk- eller hårdvara, vanligaste
metoden i elektroniska instrument
Sätt Tr = 0°C – Sänk ned referenstället i isvatten ger
nogrannare temperatur värden
Pt-100 forts;
R0 är resistansen vid 0 oC (Pt-100 är 100 Ω)
A = 3,90830.10-3 oC-1
B = - 5,77500.10-7 oC-2
t = temperaturen i oC
För intervallet 0 ≤ t ≤ 100 oC duger
R(t) = R0 (1+ α t)
0 oC motsvarar 100.0 Ω
100 oC motsvarar 138,5 Ω
R0 = 100 Ω
α = 0,00358 oC-1
Transmitter - signalomvandlare
Dekadresistans
(Simulerad Pt-100)
Transmitter +
15V
Modell
88 000
+
DVM
_
250 Ω
com
V
Standard 4-20 mA Strömloop
Halvledargivare: Exempel LM35
Temperaturområde
-40 till +110 C
Olinjaritet
±0,2 C typ
Noggrannhet
±0,4 C typ vid 25 C
Långtidsstabilitet (1000h) ±0,08 C
Strömförbrukning
91µA
Kapsel
TO92
Enkel matningsspänning
+4 till +30V
Känslighet
10mV/ C (med 0mV vid
0 C)
o
o
o
o
o
o
o
+Vs
β
R(T ) = R0 e T
eller
R(T ) = R25e
1
1 
−

 T 298 
V out
β
GND
Planks Strålningslag
Rel. Intensitet
1000 oC
10
W ( λ) =
λ5 (e c
c1
2
/ λT
−1)
2
[W / m ]
700 oC
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Våglängd µm
synligt område
Totala effekten (ytan under grafen)
W =
∞
∫ λ (e
5
c
1
c 2 / λT
0
−1)
dλ = σ ⋅ T 4 σ = 5,67 ⋅10−8 W / m 2K 4
Stefan-Boltzmanns konstant
Emissivitet
Instrumentrealisering
Reella ytor strålar
W = ε ⋅σT4
ε = det strålande materialets totala emissivitet
Sambandet är synnerligen olinjärt
Emissiviteten beror på våglängden.
För att få korrekt temperatur måste man veta
emissiviteten
Termokoppel
Spegel
Först.
Voltmeter
Pyrometer
• Totalstrålningspyrometrar (vanligast)
• Del- eller bandstrålningspyrometrar
• Kvot- eller tvåfärgspyrometrar.
Felkällor vid temperaturmätning
Termoelement i LabView med DAQ-kort
För stabilare mätvärde bör man medelvärdesbilda
Termoelement i LabView forts.
Använd FOR-loop
Single ended mode
Från MEAN på kanal 0 till CJC voltage-ingång
Från MEAN på kanal 1 till data ingång på
Therm. Linear
Välj lämpliga (olika) förstärkningar på kanalerna
Se till att numeriska värdet från kanal 1 är
positivt
Var noga med att göra rent termoelementets
anslutningar. Inga oxider.
Switcharna i rätt läge för mätning med Therm.
Linear