Βιομηχανικά Αισθητήρια Θερμοκρασίας. Διεύθυνση Τεχνικών Υπηρεσιών UTECO ΑΒΕΕ

Transcript

1 Βιομηχανικά Αισθητήρια Θερμοκρασίας Διεύθυνση Τεχνικών Υπηρεσιών UTECO ΑΒΕΕ

2 Μέτρηση Θερμοκρασίας Η μέτρηση της θερμοκρασίας είναι μεγάλης σημασίας σε πολλές διεργασίες Περίπου το 45% των απαιτούμενων σημείων μέτρησης σχετίζονται με τη θερμοκρασία Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν χημικές αντιδράσεις, επεξεργασία τροφίμων, μέτρηση ενέργειας, κλιματισμό, χώνευση. Στις Βιομηχανικές διεργασίες τα σημεία μέτρησης συνήθως βρίσκονται μακριά από το σημείο ένδειξης λόγω των συνθηκών του χώρου ή και επειδή απαιτείται κεντρικό σύστημα ελέγχου Συνήθως απαιτείται η περαιτέρω επεξεργασία των μετρήσεων σε ελεγκτές, καταγραφικά κ.λπ.. Τα πλέον ευρέως χρησιμοποιούμενα αισθητήρια θερμοκρασίας είναι τα θερμοζεύγη και τα θερμόμετρα αντιστάσεως

3 Μέτρηση θερμοκρασίας με επαφή Τα θερμοζεύγη και οι θερμοαντιστάσεις είναι ιδιαίτερα κατάλληλα όταν επιτρέπεται η επαφή με το μετρούμενο υλικό Χρησιμοποιούνται σε πολύ μεγάλες ποσότητες σε μετρήσεις αερίων, υγρών, λειωμένων μετάλλων καθώς και σε επιφανειακές και εσωτερικές μετρήσεις σε στερεά

4 Τι είναι Θερμοκρασία ; Με βάση τη Φυσική, Θερμότητα είναι μια μορφή μέτρησης της ενδογενούς ενεργειακής ποσότητας που έχει ένα σώμα, λόγω τυχαίων κινήσεων των μορίων ή ατόμων του. Το πρότυπο της θερμοκρασίας είναι το Kelvin. Στους μηδέν (0) βαθμούς Kelvin, τα μόρια όλων των υλικών βρίσκονται σε κατάσταση ηρεμίας και δεν έχουν θερμική ενέργεια

5 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Το Θερμοηλεκτρικό Φαινόμενο Όταν 2 μέταλλα είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους, παράγεται μία θερμοηλεκτρική τάση λόγω των διαφορετικών ενεργειών των ηλεκτρονίων στα ιόντα του μετάλλου. Η τάση αυτή εξαρτάται από τα μέταλλα και από την θερμοκρασία.

6 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1821 από τον Seebeck. (Johann Seebek 1770 Tallinn Estonia-1831 Berlin) Μόλις το 1828 ο Α. Becquerel συνέστησε τη χρήση θερμοζευγών πλατίνας παλλαδίου για μέτρηση θερμοκρασίας. Η τάση που παράγεται είναι πολύ μικρή (μv/ o C)

7 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Τα θερμοζεύγη πάντοτε αποτελούνται/σχηματίζονται όταν δύο διαφορετικά μέταλλα συνδέονται μεταξύ τους. Ακόμα και εάν τα μέταλλα του Τ/C συνδεθούν με αγωγό χαλκού για να απεικονίζει η θερμική τάση σε διαφορετική τοποθεσία. Η πιο ευρεία χρησιμοποιούμενη μέθοδος. Χρήση καλωδίου αντισταθμίσεως για μεταφορά της μέτρησης σε όργανο.

8 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Ενέργεια σε αποκοπή ή βραχυκύκλωμα του T/C Ένα T/C δεν παράγει τάση εάν η μετρούμενη θερμοκρασία είναι η ίδια με τη θερμοκρασία αναφοράς. Αυτό σημαίνει ότι το συνδεδεμένο όργανο ένδειξης θα δείχνει όχι 0 ο C αλλά την reference junction temperature. Εάν το T/C αποσυνδεθεί, το ενδεικτικό θα πρέπει να δείξει όχι μηδέν αλλά την θερμοκρασία της αντιστάθμισης (εάν δεν υπάρχει special sensor breaksystem). Εάν συμβεί βραχυκύκλωμα, δημιουργείται ένα νέο T/C στο σημείο της ένωσης και αυτή τη θερμοκρασία μεταφέρει στο όργανο.

9 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Θερμοζεύγη κατά IEC & DIN Μεταξύ των πολλών πιθανών συνδυασμών μετάλλων για την κατασκευή ενός T/C τα παρακάτω καλύπτονται από διεθνή προδιαγραφές. Οι Γερμανικές προδιαγραφές καλύπτουν 2 T/C Fe-Con (τύπος L & J) και επίσης 2 Cu-Con (τύπος U & T) λόγω ιστορικών λόγων. Τα παλαιότερα θερμοζεύγη U & L χρησιμοποιούνται όλο και πιο αραιά από τα J & T κατά IEC 584. Οι δύο εκδόσεις T/C δεν είναι συμβατές.

10 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ IEC iron-constantan (Fe-Con ΟΓ Fe-CuNi) copper-constantan (Cu-Con ΟΓ Cu-CuNi) nickelchrome-nickel (NiCr-Ni) ΟΓ chromel-alumel (Cr-AI) nickelchrome-constantan (NiCr-Con ΟΓ NiCr-CuNi) nicrosii-nisil (NiCrSi-NiSi) platinum10%rhodium-platinum (Pt10Rh-Pt) platinum13%rhodium-platinum (Pt13Rh-Pt) platinum30%rhodium-platinum6%rhodium (Pt30Rh-Pt6Rh) DIN iron-constantan (Fe-Con ΟΓ Fe-CuNi) copper-constantan (Cu-Con ΟΓ Cu-CuNi) Type J Type Τ Type Κ Type Ε Type Ν Type S Type R Type Β Type L Type U

11 Χρωματικός κώδικας διαφόρων προτύπων

12 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Πίνακας μεγίστων θερμοκρασιών και χρωμάτων των αγωγών

13 Χρωματικός κώδικας T/C

14 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Εάν τα άκρα των αγωγών δεν είναι χρωματισμένα ως του προηγούμενου πίνακα, οι παρακάτω διαφορές μπορεί να φανούν χρήσιμες: Όρια αποκλίσεων Το IEC καθορίζει 3 κλάσεις ακριβείας για τα T/C και ισχύουν για thermowires διαμέτρου 0.25 & 3 mm. π.χ. T/C Fe-Con J, κλάσση 2, θερμοκρασία 200 ο C, cold junction ref 0 o C Tolerance: 2.5 o C ή x t = x 200 o C = 1.5 o C ή 2.5 o C

15 Άρα, μια αβεβαιότητα +/- 2.5 ο C είναι πιθανή. Βέβαια, αυτή είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη ανοχή. Στις περισσότερες περιπτώσεις η πραγματική απόκλιση είναι μικρότερη

16 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ

17 Γραμμικότητα των Θερμοζευγών Η τάση που παράγεται από ένα θερμοζεύγος δεν είναι γραμμική Η γραμμικοποίηση γίνεται στα ψηφιακά όργανα με πίνακες

18 Type T (Cu-Con) Το όριο των 400 ο C κατά DIN έχει μειωθεί σε 350 ο C (λόγω tolerance) Σε καθαρό αέρα, η οξείδωση συμβαίνει ήδη από τους 200 ο C Σε πάνω από 350 ο C το άκρο του χαλκού οξειδώνεται πολύ γρήγορα και δίνει εσφαλμένη έξοδο τάσης. Επιπροσθέτως, παρουσιάζει εύκολα σφάλματα θερμικής επαγωγής λόγω της υψηλής αγωγιμότητας του χαλκού. Χρησιμοποιείται συνήθως για μετρήσεις χαμηλών θερμοκρασιών έως και 270 ο C Δεν είναι ευρέως διαδεδομένο. Εάν υπάρχει θέμα διάβρωσης είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται το δημοφιλές Ni-CrNi (K)

19 Type J (Fe-Con) Είναι το πιο ευρέως διαδεδομένο θερμοζεύγος από όλα. Έχει σχετικά χαμηλο κόστος και υψηλή τάση εξόδου Κατάλληλο για χαμηλές και μεσαίες θερμοκρασίες (έως και 750 ο C) Από 750 ο C και επάνω αυξάνει ο ρυθμός οξείδωσης Στους 769 ο C το άκρο του σιδήρου υφίσταται μαγνητική αλλαγή Στους 910 ο C υπάρχει μεταβολή της κρυσταλλικής δομής. Και τα δύο παραπάνω προκαλούν μόνιμο σφάλμα στην έξοδο τάσης Εάν το θερμοζεύγος χρησιμοποιείται χωρίς προστασία το άκρο σιδήρου διαβρώνεται

20 Type E (NiCr-Con) Έχει πολύ υψηλή τάση εξόδου γι αυτό και χρησιμοποιείται συνήθως σε χαμηλές θερμοκρασίες Διαδεδομένο στις ΗΠΑ, αλλά όχι στην Ευρώπη Χρησιμοποιείται και στα πυρόμετρα ακτινοβολίας λόγω χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας Για θερμοκρασίες έως και 700 ο C

21 Type K (Ni-CrNi) Έχει μεγαλύτερη αντίσταση σε οξείδωση από τα τύπου Ε και J Χρησιμοποιείται για θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 500 ο C (max 1000 ο C ) Για θερμοκρασίες >750 ο C πάντα με προστατευτικό για διάβρωση καθώς και σε θειικό, όξινο και διαβρωτικό περιβάλλον. Στην περιοχή 800 ο C 1050 ο C το χρώμιο οξειδώνεται, αλλά όχι και το Νικέλιο. Το μετρητικό σφάλμα μπορεί να είναι αρκετά μεγάλο. Το θετικό άκρο υφίσταται αναστρέψιμη αλλαγή δομής μεταξύ 400 ο C ο C που έχει ως αποτέλεσμα αλλαγή στο σήμα εξόδου έως και 5 ο C

22 Type N (NiCrSi-NiSi) Για μέτρηση θερμοκρασίας έως και 1300 ο C Το κράμα σιλικόνης οξειδώνεται επάνω στην επιφάνεια των αγωγών και δημιουργεί ένα προστατευτικό στρώμα ενάντια στη διάβρωση Η σιλικόνη επίσης «καταστέλλει» την αντιστρέψιμη «Κ state του θερμοζεύγους Κ και άρα μπορεί να το αντικαταστήσει σε κάποιο βαθμό

23 Type R, S και B Type B Pt30Rh-Pt6Rh Type S Pt10Rh-Pt Type S Pt13Rh-Pt Λόγω του υψηλού κόστους και της χαμηλής τάσης εξόδου που έχουν, χρησιμοποιούνται μόνο για θερμοκρασίες > 800 ο C. Έχουν πολύ μικρή ολίσθηση ακρίβειας λόγω γήρανσης Το type B μόνο για θερμοκρασίες > 1300 ο C Η μέγιστη θερμοκρασία μπορεί να φτάσει τους 1800 ο C με τη χρήση προστατευτικού σωλήνα gas-tight

24 Κριτήρια Επιλογής Θερμοστοιχείων ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ

25 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Στον παρακάτω πίνακα φαίνεται η διαφορά στην ακρίβεια χρησιμοποιώντας T/C πλατίνας για θερμοκρασίες άνω των 800 ο C

26 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Αγωγοί Αντισταθμίσεως κατά IEC & DIN Οι προδιαγραφές για τους αγωγούς αντισταθμίσεως T/C έχουν καθοριστεί στα πρότυπα IEC και DIN Είναι ή από το ίδιο υλικό ή από υλικό με τα ίδια θερμοηλεκτρικά χαρακτηριστικά του T/C. Αναγνωρίζονται από χρωματικό κώδικα και κωδικό γράμματος: Πρώτο γράμμα: Κωδικός γράμματος για T/C κατά DIN Δεύτερο γράμμα: Χ: ίδιο υλικό ως T/C C: ειδικό υλικό Τρίτο γράμμα: Χρησιμοποιείται για διαχωρισμό μεταξύ διαφόρων καλωδίων

27 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ

28 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ

29 Σύνδεση των θερμοζευγών Ειδικά με το Fe-Con, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι το θετικό άκρο είναι καθαρός σίδηρος που εύκολα μπορεί να διαβρωθεί. Ειδικά στο σημείο ένωσης με κλέμες ή καλώδιο χαλκού, η παρασιτική τάση που αναπτύσσεται μπορεί να δώσει μεγάλο σφάλμα μέτρησης Η θερμοηλεκτρική τάση emf που παράγεται στην ένωση Fe/Cu & Cu/Fe ακυρώνει η μία την άλλη λόγω αντίθετης πολικότητας

30 Διατομές και αντίσταση αγωγών αντισταθμίσεως ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ

31 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ Possible connection errors and their effects - Indicator shows ambient temperature thermocouple or cable open-circuit. - Indication has correct value but negative sign reversed polarity at the indicator. - Indicated temperature evident/y too high; indication is drifting a) reversed polarity of the compensating cable iη the terminal head (reversal of the cable produces two additional thermocouples). b) incorrect compensating cable (see below). - Indication c/ear/y too high or too low a) incorrect linearisation iη the indicator. b) incorrect compensating cable or connection with incorrect polarity (see below). - Indication too high or too low by a fixed amount - incorrect reference junction temperature.

32 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ - Indication correct but drifting slow/y reference junction temperature not constant or not evaluated. - Indication error of +20 ο C to +25 C thermocouple Type L linearised as Τype J or vice versa. - Temperature reading when one limb is disconnected.. a) electromagnetic interference pick-up οη the input line. b) parasitic voltages caused e.g. by furnace insulation, through no isolation or faulty insulation. - High reading when both thermocouple terminations are disconnected a) electromagnetic interference pick-up οn the input line. b) parasitic galvanic voltages, e.g. through moist insulation in the compensating cable.

33 ΘΕΡΜΟΖΕΥΓΗ

34 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Η αρχή μέτρησης με θερμόμετρα αντιστάσεως βασίζεται στην μεταβολή αντίστασης μεταλλικών αγωγών με τη θερμοκρασία. O William Siemens χρησιμοποίησε αυτή την αρχή το 1871 στα θερμόμετρα πλατίνας. Τα βασικά χαρακτηριστικά των θερμομέτρων αντιστάσεως είναι η πολύ καλή τους ακρίβεια των ο C στην περιοχή των -220 ο C +850 ο C

35 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Πως μετρούν Οι αγωγοί και ημιαγωγοί αλλάζουν την ηλεκτρική τους αντίσταση με μεταβολή της θερμοκρασίας. Τα χαρακτηριστικά της μεταβολής της αντίστασης καθορίζουν τον συντελεστή θερμοκρασίας α. Η τιμή του α είναι μεταξύ 0 ο και 100 ο C. Υλικά με μεγάλο συντελεστή είναι κατάλληλα για θερμόμετρα αντίστασης. Ceramic resistance detector Βασικοί τύποι Glass resistance detector Film resistance detector Tα αισθητήρια πλατίνας έχουν καθορισθεί πλήρως με το πρότυπο (διεθνές) IEC 751, ΕΝ

36 Oι μεταβολές αντίστασης είναι (κατά προσέγγιση): ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ

37 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Για την επίτευξη υψηλότατης σταθερότητας μικρότερης από ο C χρησιμοποιείται πολύ λεπτός αγωγός 0.25mm διαμέτρου για θερμόμετρα ακριβείας. Τα βιομηχανικά αισθητήρια έχουν αγωγούς με διάμετρο κάτω από 30μm. Σύγκριση αγωγού πλατίνας περίπου 30μm με ανθρώπινη τρίχα περίπου 100μm

38 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Ανοχές Ακρίβειες Σύμφωνα με το πρότυπο IEC 751 έχουμε 2 κλάσεις ανοχών (tolerances) Class A: Δt = + ( x t) Class B: Δt = + ( x t) t = θερμοκρασία σε ο C χωρίς πρόσημο Η κλάση Α εφαρμόζεται σε θερμοκρασίες από 200 ο C έως 650 ο C και μόνο για θερμόμετρα 3 ή 4 αγωγών Η κλάση Β καλύπτει όλη τη περιοχή από -200 ο C έως 850 ο C Tolerance Ανοχές (+) per ο C για το Pt

39 Όρια αποκλίσεων Παράδειγμα : Η μέγιστη απόκλιση για ένα αισθητήριο Pt100 Class B στους 200 o C είναι t=+/-( x200) o C=+/- 1.3 oc

40 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Επεκταμένες κλάσεις ανοχών Σε πολλές περιπτώσεις η κλάση που καθορίζεται από τα διεθνή πρότυπα δεν είναι ικανοποιητική. Οι αυξημένες απαιτήσεις για έλεγχο ποιότητας προϊόντος είχαν σαν αποτέλεσμα την ανάγκη όλο και μεγαλύτερης ακρίβειας στη μέτρηση. Έτσι σαν παράδειγμα ενός τέτοιου γκρουπ αυξημένων ακριβειών βλέπουμε στον παρακάτω πίνακα που είναι μια επέκταση των ανοχών DIN για την απλοποίηση επιλογής από τον χρήστη της επιθυμητής κλάσης ακριβείας.

41 Επεκταμένες κλάσεις ανοχών

42 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Η βάση για αυτές τις νέες κλάσεις είναι η κλάση Β. Οι κλάσεις 1/2 και 1/3 DIN Class B έχουν ανοχές 1/2 και 1/3 της κλάσης Β. Και αντίστοιχα οι κλάσεις 2 DIN, 5 DIN.

43 Αντιστάσεις Νικελίου Όπως και η πλατίνα, και το Νικέλιο χρησιμοποιείται ως αισθητήριο αλλά σε πολύ μικρότερη κλιμακα. Έχει πλεονέκτημα κόστους αλλά η περιοχή μέτρησης του είναι από 60 ο C έως και +250 ο C. Επιπλέον, δεν είναι γραμμικό όσο το πλατίνας

44 Πίνακες αντίστασης/θερμοκρασίας

45 Καμπύλη Pt curva reale appr. Lineare

46 Πίνακας τιμών Pt100

47 Καμπύλες TC type K VS Pt TCK Pt100 con 1 ma

48 Καμπύλες NTC vs Pt Pt100 NTC

49 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Μακροχρόνια συμπεριφορά των θερμομέτρων αντιστάσεως Ο αισθητήρας θα πρέπει να διατηρήσει την ακρίβεια του σε όλη τη διάρκεια της χρήσης του. Γενικές δηλώσεις όπως π.χ. 0.05% τον χρόνο δεν δίνουν σημαντική πληροφορία εάν δεν υπάρχουν ενδείξεις των συνθηκών λειτουργίας. Ceramic Sensors μικρές αποκλίσεις < 0.1 ο C μετά από έκθεση 129 ωρών σε θερμοκρασίες μεταξύ 700 ο C και 196 ο C

50 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Glass Sensors μικρές αποκλίσεις λόγω διαδικασίας προγήρανσης κατά την κατασκευή

51 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ Chip Resistors πολύ μικρές αποκλίσεις <0.03 ο C

52 Σύνδεση θερμομέτρων αντιστάσεως 2-αγωγών Εδώ η σύνδεση γίνεται με 2 αγωγούς. Η αντίσταση του αισθητηρίου και του καλωδίου αθροίζεται Μεγάλα μήκη καλωδίων εισάγουν και σημαντικό σφάλμα μέτρησης Παράδειγμα : Καλώδιο χαλκού μήκους 100 μέτρων, διατομής 0.5 mm 2, resistivity 0.17Ω mm 2 ανά μέτρο R= 0.17 Ω mm 2 m -1 X (2X100m)/(0.5 mm 2 ) = 6.8 Ω Με ένα Pt 100, τα 6.8 Ω μεταφράζονται σε απόκλιση 17 ο C Η σύνδεση 2 αγωγών απαιτεί αντιστάθμιση. Εφαρμόζεται όλο και λιγότερο

53 Σύνδεση θερμομέτρων αντιστάσεως 3-αγωγών Ευρέως χρησιμοποιούμενο. Το κύκλωμα 3 αγωγών χρησιμοποιεί ένα επιπρόσθετο αγωγό που «τρέχει» παράλληλα με ένα από τους δύο αγωγούς του αισθητήρα. Έτσι δημιουργούνται δύο μετρητικά κυκλώματα, το ένα εκ των οποίων χρησιμοποιείται ως αναφορά. Με το κύκλωμα 3 αγωγών μπορεί να αντισταθμίσει τόσο τη τιμή αντίστασης του αγωγού όσο και τις μεταβολές του στη θερμοκρασία

54 Σύνδεση θερμομέτρων αντιστάσεως 4-αγωγών Είναι η βέλτιστη μέθοδο σύνδεσης για τα θερμόμετρα αντιστάσεως Το ρεύμα μέτρησης διοχετεύεται στον αισθητήρα από τις κλέμες. Η πτώση τάσης «συλλέγεται» από τους δύο άλλους αγωγούς. Εάν η αντίσταση εισόδου είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από την αντίσταση των αγωγών, τότε μπορεί να αγνοηθεί. Η πτώση τάσης είναι ανεξάρτητη από τα χαρακτηριστικά των αγωγών σύνδεσης.

55 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ 2 Wire Transmitters O transmitter λαμβάνει το σήμα της μέτρησης από το θερμόμετρο αντιστάσεως και μετατρέπει το σήμα σε τυποποιημένο σήμα 4-20mA ανάλογο της θερμοκρασίας. Η τροφοδοσία του transmitter τρέχει στους ίδιους αγωγούς χρησιμοποιώντας το παραμένων ρεύμα των 4mA.

56 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ

57 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ

58 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΣ

59

60

61

62

63 Ευχαριστούμε για τη προσοχή σας! Ευχαριστούμε για τη προσοχή σας! UTECO ABEE