PROCESBEHEERSING. Temperatuurmetingen Pb-3-06

Transcriptie

1 PROCESBEHEERSING Temperatuurmetingen Pb-3-06 Artikelnr: Pb-3-06 Versie: 1.0 Uitgave: juli 2013

2 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Versie 1.0 juli 2013 Uitgave van: Consortium Werkend Leren in de Procestechniek & Détaché International B.V. Nobellaan AJ Bergen op Zoom E info@detache.nl W Procesbeheersing Temperatuurmetingen Pb-3-06 Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van Détaché International B.V. en het Consortium Werkend Leren in de Procestechniek. Deze uitgave komt mede tot stand met medewerking van Magneet Grafische Communicatie ( 2

3 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Inhoudsopgave Leerdoelen... 4 Opdrachten... 5 Deelkern 1. Temperatuur meten... 8 Deelkern 2. Uitzettingsthermometers Deelkern 3. Weerstandsthermometers Deelkern 4. Thermokoppelthermometer Deelkern 5. Pyrometers Deelkern 6. Uitvoering van temperatuurmetingen Samenvatting Zelftoets Antwoorden bij de opdrachten Antwoorden op de zelftoets WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 3

4 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Leerdoelen Na deze kern kun je: uitleggen waarom temperatuurmetingen belangrijk zijn vier natuurkundige principes beschrijven waarop de werking van een thermometer berust en van elk een kenmerk noemen drie verschillende thermometers koppelen aan het juiste natuurkundige principe een eigenschap en twee uitvoeringen noemen van de Pt-100 de temperatuur bepalen van de Pt-100 aan de hand van een tabel uitleggen waar je het begrip temperatuurcompensatie tegenkomt bij temperatuurmeters en wat het doel hiervan is een toepassing noemen van een elektrische temperatuurschakelaar vertellen hoe je weerstanden en thermokoppels kunt beschermen tegen de procesomgeving en een nadeel van deze bescherming noemen 4

5 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Opdrachten Opdracht 1 Belang van temperatuurmetingen in de procestechniek Geef in enkele zinnen aan waarom temperatuurmetingen belangrijk zijn in de procesindustrie. Je mag ook een praktijkvoorbeeld noemen van een proces dat alleen goed of veilig werkt dankzij temperatuurbeheersing. Opdracht 2 Natuurkundige principes en kenmerken thermometers a. In de tabel hieronder zie je vier natuurkundige verschijnselen. Onder de tabel zie je vier soorten thermometers. Ook zie je vier kenmerken van temperatuurmeters. Zet de juiste soort thermometer met zijn kenmerk achter het natuurkundige verschijnsel in de tabel. Verschijnsel Thermometer Kenmerk de elektrische weerstand verandert de lichtintensiteit/golflengte van een stralend voorwerp verandert de contactspanning van twee verschillende materialen verandert de lengte van een materiaal of vloeistofkolom verandert Soort thermometer: pyrometer thermokoppelthermometer weerstandsthermometer uitzettingsthermometer Kenmerk: 1. Platina element heeft een nauwkeurige stabiele versterker nodig. 2. Minder geschikt voor het meten van temperatuur op afstand. 3. Contactloos temperatuur meten. 4. Temperatuurcompensatie is noodzakelijk. WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 5

6 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 b. De hier afgebeelde koortsthermometers hebben elk een eigen meetprincipe. Zet in het vakje de letter van het plaatje dat volgens jou hoort bij het vermelde meetprincipe. A B C meetprincipe van vloeistofuitzetting meetprincipe van verandering elektrische weerstand meetprincipe van straling Opdracht 3 De Pt-100 en temperatuurcompensatie a. Hieronder zie je stellingen die iets vertellen over eigenschappen en uitvoeringen van temperatuuropnemers. Zet achter elke stelling of deze juist of onjuist is voor de Pt Heeft bij 100 C een weerstandswaarde van 100 Ω. juist/onjuist 2. Is samengesteld uit de materialen platina en titaan. juist/onjuist 3. Het meetbereik van de opgedampte filmdetector ligt tussen 0 C en 450 C. 4. Er zijn uitvoeringen waar weerstandsdraad gewikkeld is om een keramische drager. juist/onjuist juist/onjuist b. Maak de tekst correct door de foutieve woorden door te strepen. Temperatuurcompensatie kom je tegen bij temperatuurmeters waarop je een weerstand / Pt-100 / bimetaal / thermokoppel aansluit. Het doel van temperatuurcompensatie is ervoor te zorgen dat de koude / warme las geen invloed heeft op de temperatuurmeting van het proces. De verrekening van de koude las vindt plaats in de millivoltmeter / regelelektronica die je aansluit. 6

7 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Opdracht 4 Toepassing van een elektrische temperatuurschakelaar Als de temperatuur in de koelkast afwijkt van de door jou ingestelde temperatuur, slaat de koeling automatisch weer aan. Welke type thermometer wordt vaak gebruikt voor het aan- en uitschakelen van de koelkast? Opdracht 5 Temperatuurvoelers beschermen voor procesomgeving Weerstanden bescherm je tegen de procesomgeving met een thermowell / beschermhuls / probe. Thermokoppels bescherm je tegen de procesomgeving met een thermowell / beschermhuls / probe. Een gevolg van bescherming is dat de temperatuurmeter sneller / langzamer reageert op temperatuurwisselingen. WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 7

8 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Deelkern 1. Temperatuur meten In de procestechniek kom je veel temperatuurmetingen tegen. Fysische processen zoals verdampen, koelen, destilleren en drogen komen vooral tot stand door de temperatuur van de te bewerken stof of de omgeving. Ook bij chemische processen is het verloop van de reactie in belangrijke mate afhankelijk van de temperatuur. Bij de productie van bijvoorbeeld harsen en lijmen is het belangrijk om de temperatuur exact te meten en te beheersen: zo maak je kwalitatief goede producten en voorkom je dat harsen ongewenst stollen in transportleidingen. Dat zou namelijk leiden tot gevaarlijke situaties en flinke financiële schade. processen beheersen Temperatuurmeters zijn noodzakelijk om processen te beheersen. Alleen zo krijg je de gewenste producten zonder ongewenste verstoringen. In deze kern leer je eigenschappen en toepassingen kennen van thermometers inclusief verschillende natuurkundige principes waarop de werking berust. Daarnaast komen er belangrijke regels aan de orde die horen bij juiste en snelle temperatuurmetingen. Temperatuur en warmte Uit de natuurkunde weet je dat de snelheid van de moleculen toeneemt als je een stof verwarmt. Denk maar eens aan water. Als de watermoleculen niet meer vrij kunnen bewegen (vaste stof), is de temperatuur 0ºC of lager. Als het water kookt, zijn de moleculen sneller en bewegen ze meer. Het water is bij mbar dan 100 C. Dit voorbeeld toont aan dat de temperatuur een maat is voor de beweging van de moleculen. Warmte is een maat voor de hoeveelheid interne energie van de moleculen van een stof, of de hoeveelheid energie die nodig is om een temperatuurverschil van een stof te bereiken. Zo moet je joule warmte toevoegen om 1 kg water 1 C in temperatuur te verhogen. Uit de natuurkunde heb je geleerd dat er verschillende eenheden zijn waarin je temperatuur kunt uitdrukken. Twee veel gebruikte eenheden van temperatuur zijn graden Celsius en Kelvin. Celsius Kelvin De geleerde Celsius koos voor zijn temperatuurschaal de twee punten: smeltend ijs en kokend water. Hij verdeelde de afstand tussen deze punten in 100 delen. Het smeltpunt van water noemde hij 0 en het kookpunt C is een honderdste deel van het temperatuurverschil tussen smeltend ijs en kokend water bij een druk van mbar. De natuurkundige Kelvin nam als beginpunt van zijn temperatuurschaal het zogenaamde absolute nulpunt ( 273,14 C). Bij deze temperatuur liggen alle moleculen stil en is er geen warmte meer. Kelvin koos voor zijn temperatuurschaal dezelfde stapgrootte als Celsius. Hierdoor ontstaat het volgende verband tussen Celsius en Kelvin: 8

9 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 TK 273 T C waarin: T K = de temperatuur in kelvin (K) T C = de temperatuur in graden celsius (C) Het verband tussen beide temperatuurschalen zie je weergegeven in de afbeelding. Temperatuurschaal Celsius versus Kelvin WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 9

10 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 sensor Natuurkundige meetprincipes Een belangrijk onderdeel van een temperatuurmeter is de opnemer of sensor. Deze opnemer staat in contact met de te meten temperatuur en werkt volgens een natuurkundig principe. Bij temperatuurmeters worden de volgende belangrijke natuurkundige principes onderscheiden, waarbij als gevolg van temperatuurverandering: de lengte van een materiaal verandert bij uitzettingsthermometers de elektrische weerstand verandert bij weerstandsthermometers de thermospanning verandert bij thermokoppels de lichtintensiteit en golflengte van stralende voorwerpen veranderen bij pyrometers In de volgende deelkernen leer je meer over de eigenschappen van deze verschillende thermometers. Daarbij komen enkele toepassingen aan de orde. 10

11 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Deelkern 2. uitzetten en inkrimpen Uitzettingsthermometers Uitzettingsthermometers berusten op het natuurkundige principe van uitzetten en inkrimpen van vaste stoffen en vloeistoffen bij temperatuur verandering. Dit principe komt terug in de volgende formule: l 2 = l 1 (1 + α ΔT) waarin: l 2 = de nieuwe lengte in m l 1 = de oorspronkelijke lengte in m α = de lineaire uitzettingscoëfficiënt in 1/K ΔT = het temperatuurverschil (T 2 T 1 ) in K standaardsignaal uitzettingsthermometers Uitzettingsthermometers zijn in de moderne procesbeheersing als meetapparaat bijna geheel verdwenen. Dat komt vooral door een belangrijk nadeel van deze meters: de gemeten grootheid, lengteverandering, is moeilijk om te zetten in een standaardsignaal voor de regeling. Hierdoor zijn deze thermometers minder geschikt voor het meten van temperatuur op afstand. In deze deelkern leer je meer over de volgende twee uitzettingsthermometers: de bimetaalthermometer, die je nog vaak tegenkomt als schakelaar de glazen vloeistofthermometer, die je aantreft in het laboratorium De bimetaalthermometer De werking van de bimetaalthermometer berust op het principe dat de ene vaste stof meer uitzet dan de andere vaste stof. De meter bestaat uit twee op elkaar gewalste metalen plaatjes. Het ene plaatje is meestal gemaakt van de metaallegering invar en het andere plaatje van chroomnikkelstaal. De uitzettingscoëfficiënten van deze metalen zijn: invar 1, /K chroomnikkelstaal /K Als je deze getallen vergelijkt, zie je dat chroomnikkelstaal meer uitzet dan invar. In de afbeelding hiernaast zie je dat de twee op elkaar gewalste plaatjes aan de linkerkant vastzitten. Als je het geheel gaat verwarmen, trekt dit krom; in de afbeelding is dat kromtrekken naar boven. De steilte van de kromme is een maat voor de temperatuur: hoe krommer het Temperatuurmeting met bimetaal WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 11

12 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 bimetaal is, des te hoger is de temperatuur. Rechts in de afbeelding zie je dat de uitslag van een bimetaal klein is ten opzichte van de temperatuurverandering. De uitslag van het hier getoonde bimetaal kun je dus niet goed gebruiken om nauwkeurig de temperatuur vast te stellen en leent zich niet als nauwkeurige meetmethode. Door de lengte van het bimetaal groter te maken, wordt de meting wel nauwkeuriger. Om het bimetaal voldoende groot en toch handzaam te houden, wordt het als een spiraal gewonden en vormt het in de praktijk zo de bimetaalthermometer. Door deze constructiewijze verkrijgt de spiraalgewonden bimetaalthermometer een nauwkeurigheid van 0,5%. schakelaar Bimetaalthermometers worden vooral als schakelaar toegepast in koelhuizen, cv-installaties en andere klimaatregelinginstallaties. Een voorbeeld hiervan zie je in onderstaande afbeelding. Bimetaalthermometers hebben een toepassingsgebied van 40 tot 600 C. Bimetaalthermometer uitgevoerd als schakelaar Glazen vloeistofthermometer De glazen vloeistofthermometer is je waarschijnlijk wel bekend. Deze wordt nog veel gebruikt in de huiselijke omgeving om bijvoorbeeld de buitentemperatuur of de temperatuur in de koelkast te meten. Als koortsthermometer wordt hij nauwelijks nog gebruikt. capillair De glazen vloeistofthermometer bestaat uit een glazen huls met daarin een capillair. Aan de onderzijde van het Glazen vloeistofthermometer capillair bevindt zich een reservoir met een vloeistof. Naast het capillair staat een lineaire schaalverdeling. Bij verwarming zal de vloeistof uitzetten. Hierdoor stijgt het vloeistofniveau tot een bepaalde hoogte. De hoogte is een maat voor de temperatuur. 12

13 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 vulvloeistof Als vulvloeistof wordt vaak gebruikgemaakt van de stoffen in de onder staande tabel, waarbij ook het stolpunt en het kookpunt zijn aangegeven. Beide punten bepalen het meetgebied waarbinnen de glazen vloeistofthermometer kan werken. Daarmee bepalen ze ook het toepassingsgebied. Vulvloeistof Stolpunt C Kookpunt C kwik alcohol pentaan tolueen Stol- en kookpunten van vulvloeistoffen nadelen Nadelen van de glazen vloeistofthermometers zijn: de kwetsbaarheid, door het glas waaruit ze zijn opgebouwd de moeilijkheid om ze om te bouwen voor het meten op afstand Daarom worden vloeistofthermometers nauwelijks toegepast in de procesindustrie. De zogenaamde kwikthermometer heeft als extra nadeel dat kwik een zeer giftig en moeilijk op te ruimen metaal is. Als een kwikthermometer breekt, komt het kwik vrij en verspreidt het zich als zeer kleine druppeltjes door de ruimte. Deze druppels verdampen langzaam en door inademing van de giftige damp is er kans op gezondheidsproblemen. Daarnaast brengt kwik schade toe aan het milieu. WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 13

14 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Deelkern 3. elektrische weerstand Weerstandsthermometers De weerstandsthermometer berust op het principe dat de elektrische weerstand van metalen en niet-metalen wijzigt bij een temperatuurverandering. Uit de elektriciteitsleer is bekend dat van metalen die warmer worden de elektrische weerstand (R) toeneemt. In formulevorm: R 2 = R 1 (1 + α ΔT) waarin: R 2 = de nieuwe weerstand in Ω R 1 = de oorspronkelijke weerstand in Ω α = de temperatuurcoëfficiënt in 1/K ΔT = het temperatuurverschil (T 2 T 1 ) in K ijktabellen positieve temperatuurcoëfficiënt Deze formule is een benaderingsformule en mag alleen worden gebruikt bij kleine temperatuurveranderingen. In de praktijk maak je gebruik van ijktabellen. Zo is in veel tabellenboeken een weerstandstabel opgenomen van een platina weerstandsthermometer (Pt-100). Voor metalen is de temperatuurcoëfficiënt (α) altijd positief. Dit wil zeggen dat de weerstandswaarde groter wordt bij het toenemen van de temperatuur. Weerstandselementen met zo n positieve temperatuur coëfficiënt noem je PTC s. De meest bekende PTC is de Pt-100, die als sensor dient in de bovengenoemde platina weerstandsthermometer. De afbeelding toont zo n sensor, waarbij een (dunne) platina draad gewikkeld is in een keramische houder. Op die manier krijg je voldoende elektrische weerstand in een compacte behuizing. Principe van een weerstandselement Er bestaan ook meters die zijn opgebouwd uit materialen die bij toenemende temperatuur een afnemende elektrische weerstand hebben. Diverse oxiden en bepaalde legeringen vertonen dit gedrag. Deze negatieve temperatuur- materialen hebben dus een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC). Het coëfficiënt toepassingsgebied voor de PTC is van 200 tot 800 C en voor de NTC van 70 tot 200 C. De Pt-100 Een eigenschap van de Pt-100 zie je terug in zijn naam: bij 0 C heeft deze een weerstand van 100 Ω. De opbouw van de Pt-100 is niet altijd 14

15 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 gelijk. Zo kan de weerstandsdraad op verschillende manieren op een drager worden aangebracht, zoals uit de onderstaande figuren blijkt. a. Weerstandsdraad gewonden om een keramisch materiaal b. Filmdetector; weerstandsdraad is verdampt op keramisch materiaal Twee manieren om weerstandsdraad op een drager aan te brengen filmdetector thermowell Door zijn platte opbouw is de filmdetector (afbeelding b) geschikt om ook op moeilijk bereikbare plaatsen temperaturen te meten. De nauwkeurigheid en het bereik (30 tot 300 C) van de filmdetector zijn echter beperkt. Voor het meten van de temperatuur in een leiding gebruik je meestal een beschermhuls. De beschermhuls noem je een thermowell (zie foto). In de huls bevindt zich het weerstandselement. Het element is door de huls beschermd tegen mechanische en chemische aantasting. Een ander groot voordeel van de thermowell is dat je het weerstandselement gemakkelijk kunt vervangen, zonder het proces te verstoren, ervan uitgaande dat de temperatuurmeting even onderbroken mag worden. Thermowell nadeel thermowell responsietijd Een belangrijk nadeel is dat de thermowell de responsietijd van de thermometer sterk verlengt. De responsietijd is de tijd die nodig is voordat een temperatuurverandering wordt weergegeven door de meter. De responsietijd van een Pt-100 ligt tussen de 0,1 en 1 seconde. Met een thermowell wordt deze 5 tot 10 keer zo groot. Als de snelheid van de temperatuurregeling bij een proces van belang is, dien je rekening te houden met de vertragende invloed als gevolg van de thermowell. De Pt-100 moet aangesloten worden op een elektrische voeding. Per graad Celsius is de weerstandsverandering zeer klein. Hierdoor is ook het gemeten spanningsverschil zeer klein. Daarom is de weerstandsthermometer uitgerust met een versterker die zeer nauwkeurig, stabiel en storingsarm moet zijn. WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 15

16 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 voordelen Pt-100 De belangrijkste voordelen van de Pt-100 zijn dat de meter is eenvoudig, universeel toepasbaar en goedkoop is. De sensor die is aangebracht in de thermowell is demonteerbaar onder procescondities. De meter geeft een elektrisch uitgangssignaal, dit is gemakkelijk te koppelen aan een SMART-transmitter (die indicatoren voor betrouwbaarheid in de gaten houdt). Dat maakt de meter op veel plaatsen (universeel) inzetbaar. Daarnaast is de meter verkrijgbaar in explosieveilige uitvoering, zodat deze ook geplaatst kan worden in omgevingen met verhoogd brand- en explosiegevaar (ATEX). nadeel Pt-100 Het belangrijkste nadeel van de Pt-100 is dat de meter is niet bruikbaar is voor een meetbereik dat groter is dan 650 C. Hoe groter het meetbereik is, des te slechter is het lineaire gedrag en des te groter zijn daarmee de afwijkingen in de meetresultaten. Werken met een ijktabel In veel tabellenboeken is de weerstandstabel van een Pt-100 opgenomen. Deze tabel is volgens de IEC 751-norm vastgesteld. Aan de hand van deze tabel kun je de gemeten temperatuur uitrekenen, indien de weerstandswaarde van de Pt-100 bekend is. Voorbeeld: Stel dat de Pt-100 aangeeft dat de gemeten weerstand 192 Ω is, wat is dan de temperatuur? In de tabel vind je de volgende gegevens: De temperatuur bereken je als volgt: T , , , T 2, , 62 T 250 5, 7 244, 3 C Als je de temperatuur zou berekenen met de formule uit de elektriciteitsleer, kom je tot het volgende antwoord: 16

17 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 R 2 = R 1 (1 + α ΔT) 192 = 100 (1 + 0,0038 [T 0]) T = ,38 = 242,1 C Je ziet dat deze berekening ten opzichte van de tabelberekening een afwijking vertoont van 2,2 graden. Dit is een fout van bijna 1%. Het berekenen van de temperatuur bij een Pt-100 aan de hand van de tabel is dus nauwkeuriger. WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 17

18 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Deelkern 4. thermospanning Thermokoppelthermometer Als je twee verschillende metalen met elkaar in contact brengt, ontstaat er een elektrische spanning op de contactplaats. De grootte van deze elektrische spanning, die thermospanning wordt genoemd, is afhankelijk van de temperatuur op de contactplaats. Daarbij moet je denken aan millivolts (mv). Principe van een thermokoppel thermokoppel warme las koude las Een thermokoppel bestaat in de praktijk uit twee aan elkaar gelaste draden van verschillende zeer zuivere metalen en/of legeringen. De plaats waar de twee draden aan elkaar gelast zijn noem je de warme las. Dit is het gedeelte waarmee je meet. De andere zijde (de aansluiting op de mv-meter) noem je de koude las. Het spanningsverschil is een maat voor het temperatuurverschil tussen de warme en koude las. De spanning die je afleest op de mv-meter is het verschil tussen de spanning van de warme las en de koude las. In formule: Uaf l Uwl Ukl waarin: U afl = spanningsverschil tussen de warme en de koude las [mv] U wl = thermospanning warme las [mv] U kl = thermospanning koude las [mv] De temperatuur bepaal je aan de hand van tabellen waarin het verband tussen spanning en temperatuur is vastgelegd. Het is noodzakelijk om de temperatuur van de koude las constant te houden. Dan is immers de thermospanning aan de koude las geen variabele in de temperatuurmeting. referentietemperatuur Als de koude las wel varieert in temperatuur, is de meting dus foutief. Voor dit veelvoorkomende probleem zijn er twee oplossingen: de koude las wordt gemaakt in een speciale omhulling die op een bepaalde referentietemperatuur (bijvoorbeeld 25 C) wordt gehouden; een veel gebruikte eenvoudige methode in de praktijk is het gebruik van smeltend ijs als referentietemperatuur (0 C) 18

19 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 de temperatuur van de koude las wordt elektronisch gemeten en verrekend door speciale elektronica De gemeten spanning is afhankelijk van de gekozen metalen. In deze tabel zie je een aantal thermokoppels met hun temperatuurbereik. Positieve pool Negatieve pool Toepassingsgebied in C koper constantaan 180 tot 100 ijzer constantaan 0 tot 800 chromel alumel 0 tot 1000 platina-rhodium platina 0 tot 1600 Verschillende thermokoppels met hun temperatuurbereik Van thermospanning naar temperatuur Om de temperatuur in C te bepalen maak je gebruik van tabellen waarin het verband tussen het toegepaste thermokoppel, de thermospanning en de temperatuur is vastgelegd. Hier zie je een deel van de tabel uit de Tabellenboek, waarin je het verband tussen de thermospanning en de temperatuur van verschillende thermokoppels kunt aflezen. temperatuur thermospanningen chromelalumel (NiCr-Ni) ijzerconstantaan (Fe-CuNi) koperconstantaan (Cu-CuNi) C mv mv mv mv ,59-8,15-5, ,55-4,75-3,40 platina- 10%rhodiumplatina (PtRh-Pt) ,40 0,52 0,40 0, ,80 1,05 0,80 0, ,20 1,58 1,21 0, ,61 2,11 1,63 0, ,02 2,65 2,05 0, ,44 3,19 2,48 0, ,85 3,73 2,91 0, ,27 4,27 3,35 0, ,68 4,82 3,80 0, ,10 3,37 4,25 0,643 gemeten waarde bepalen Om de temperatuur van de warme las te bepalen (de gemeten waarde), doorloop je zes stappen: WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 19

20 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb Ga na met welk thermokoppel de meting is uitgevoerd. 2. Ga na wat de temperatuur van de koude las is. 3. Bepaal aan de hand van de tabel de bijbehorende thermospanning van de koude las. 4. Lees de waarde af die de millivoltmeter aangeeft. 5. Bereken de thermospanning van de warme las. 6. Bepaal met de tabel de temperatuur van de warme las. Voorbeeld: Stel dat je een thermospanning afleest van 4,961 mv, terwijl je de koude-lastemperatuur op 25 C houdt. Je maakt gebruik van een chromel-alumel thermokoppel. Wat is dan de temperatuur van de warme las (dus de procestemperatuur)? Stap 1: De meting is uitgevoerd met een chromel-alumel thermokoppel. Stap 2: De temperatuur van de koude las is 25 C. Stap 3: De thermospanning van de koude las is volgens de tabel 1,000 mv. Stap 4: De afgelezen spanning op de meter is 4,961 mv. Stap 5: De thermospanning van de warme las is: U U U U U afl wl U wl afl U kl kl 4, , mv wl, Stap 6: De temperatuur van de warme las (procestemperatuur) (hierbij ga je de afleeswaarden van de temperatuur interpoleren): 5,937 mv 145 C 5,961 mv x C 5,977 mv 146 C 5,977 5, x 5,977 5, ,016 x 146 0,04 x 145,6 C 20

21 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 beschermhuls Uitvoeringsvormen van thermokoppels Thermokoppeldraden zijn zeer kwetsbaar en veel typen kunnen door een agressieve procesomgeving snel aangetast worden. Daarom worden thermokoppels beschermd door een beschermhuls, zoals onderstaande afbeelding toont. Thermokoppel in beschermhuls De beschermhuls is vaak gemaakt van een gepolijst anticorrosief materiaal met een dikte die bestand is tegen de druk van het medium. De huls zelf is vaak gevuld met een isolerend materiaal, dat ervoor moet zorgen dat er geen contact is tussen het thermokoppel en de metalen mantel. Er bestaan drie soorten van beschermhulzen: Thermokoppel dat volledig van de omgeving is afgeschermd Dit is het volledig afgeschermde type beschermhuls. Dit type biedt de meeste bescherming aan het thermokoppel, maar heeft de langste responsietijd. De procestemperatuur moet immers eerst door de huls en het vulmateriaal heen, voordat het thermokoppel wordt bereikt. Thermokoppel dat verbonden is met de beschermhuls t In dit type is het thermokoppel verbonden met de beschermhuls. Er geldt een kortere responsietijd. Het nadeel is dat de huls en de draden verschillende uitzettingscoëfficiënten hebben. Snelle temperatuurveranderingen of hoge temperaturen vergroten de kans dat de draden loskomen van de huls. Thermokoppel dat buiten de huls is geplaatst Bij het derde type is de las buiten de huls geplaatst. De huls is dan afgesloten met glas. Bij dit type ben je de belangrijkste voordelen van de huls kwijt. De responsietijd van dit type is echter zeer kort. Door zijn kwetsbaarheid wordt dit type alleen gebruikt als de responsietijd erg kort moet zijn. probe De beschermhuls wordt ook wel probe genoemd en moet een voldoende lange insteeklengte hebben. Zo is de insteeklengte bij het meten in een WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 21

22 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 stromend gas 6 tot 10 maal de diameter van de huls en bij stilstaande gassen 12 tot 15 maal de diameter van de huls. op afstand compensatiekabel Compensatiekabels Thermokoppels zijn zeer geschikt om op afstand temperatuurmetingen uit te voeren. Zeer zuivere thermokoppelmaterialen zijn duur en worden dus alleen in de sensor zelf toegepast. Voor het overbruggen van grote afstanden tussen koude en warme las gebruik je compensatiekabel. Over het algemeen bestaat de compensatiekabel uit dezelfde soorten materialen als die waaruit het thermokoppel is vervaardigd, maar dan van een mindere en dus goedkopere kwaliteit. 22

23 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Deelkern 5. Pyrometers De toepassing van pyrometers berust op het principe dat de kleur (de golflengte van een lichtstraal) en de lichtintensiteit (de energie) van voorwerpen veranderen bij wijziging van de temperatuur. Door moderne elektronica is het mogelijk om golflengteveranderingen of straling om te zetten in standaardsignalen. Hierdoor is het toepassingsgebied van pyrometers de laatste jaren sterk vergroot. contactloos oppervlakte- Een pyrometer is een apparaat dat ontworpen is om de oppervlaktetemperatuur meten temperatuur van voorwerpen contactloos te meten. Dit contactloos meten is mogelijk omdat in de praktijk bijna alle voorwerpen warmtestraling uitzenden aan hun oppervlakte. Een deel van deze straling vangt de stralingsthermometer pyrometer op. Daarom wordt de pyrometer ook wel stralingsthermometer genoemd. detector De pyrometer bestaat uit een optisch systeem en een detector. Het optische systeem bestaat uit spiegels en lenzen; het richt de opgevangen energie op de detector, die gevoelig is voor deze straling. De output van deze detector is evenredig aan de hoeveelheid energie die wordt uitgestraald door het te meten object. Volgens de natuurkunde is er een verband tussen de hoeveelheid uitgestraalde energie en de temperatuur. Q = σ e A T 4 waarin: Q = de hoeveelheid energie [J] σ = de constante van Boltzman (5, ) e = de emissiecoëfficiënt T = de absolute temperatuur [K] kleur Een ander type pyrometer maakt gebruik van de wijziging van de golf lengte van licht (kleur) als gevolg van temperatuurverandering. Je hebt zelf vast wel eens waargenomen dat een voorwerp van kleur verandert als de temperatuur oploopt. Een roodgloeiend stuk ijzer of de kleuren van een vlam zijn hiervan voorbeelden. De natuurkundige Wien heeft vastgesteld dat het kleurenspectrum verschuift bij toenemende temperatuur. Ook heeft hij aangetoond dat de maximale golflengte uit het kleurenspectrum maal de temperatuur constant is. In formulevorm: λ max T = b waarin: λ max = de maximale golflengte [m] T = de absolute temperatuur [K] b = de constante van Wien: 2, K m WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 23

24 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Deelkern 6. responsietijd Uitvoering van temperatuurmetingen In veel processen is het belangrijk dat de actuele procestemperatuur direct beschikbaar is, zodat je het proces goed kunt beheersen. Temperatuurmeters dienen daarom zo snel mogelijk te reageren op temperatuurveranderingen. De meettijd van een temperatuurmeting, ook wel responsietijd t r genoemd, moet zo klein mogelijk zijn. Dat is lastig, omdat bij de meeste temperatuurmetingen het meetelement niet in direct contact staat met het medium (indirecte metingen), en de warmte meerdere warmteweerstanden moet passeren. Responsiecurve In de afbeelding zie je de reactiesnelheid van thermokoppels met verschillende beschermhulsconstructies op een temperatuurverandering. Grafiek 1 toont de snelle responsiecurve voor een thermokoppel dat direct in contact staat met het medium. Je ziet dat de nieuwe meetwaarde wordt bereikt op tijdstip t r1. De responsietijd (t r1 t 0 ) is bij deze grafiek het kortst. Grafiek 2 toont een thermokoppel in een beschermhuls die met een vulstof is gevuld. De responsetijd (t r2 t 0 ) is langer. Grafiek 3 laat je de traagste responsie van het thermokoppel in een niet-gevulde beschermhuls zien. Voor juiste en snelle temperatuurmetingen gelden de volgende regels: Temperatuurmeetpunten moeten geïsoleerd zijn om warmteverlies te voorkomen. Ook het omgekeerde kan het geval zijn: het meetelement kan omgevingswarmte opnemen bij koude metingen. Thermometers moeten een voldoende lange insteeklengte bezitten. De opnemer moet je tegen de stromingsrichting van het medium monteren. Je mag hem niet monteren in zogenaamde dode hoeken of daar waar twee stoffen gemengd worden. De wand van de beschermhuls moet zo dun mogelijk zijn. Hierbij moet je rekening houden met een mogelijke hoge of lage druk van het medium. 24

25 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Samenvatting Temperatuurmetingen zijn belangrijk voor het bewaken van veel fysische processen, zoals verdampen, koelen, destilleren en drogen. De snelheid van chemische reacties is afhankelijk van de temperatuur; daarom is ook hier temperatuurbewaking belangrijk. Bij temperatuurmeters worden de volgende belangrijke natuurkundige principes onderscheiden, waarbij als gevolg van temperatuurverandering: de lengte van een materiaal verandert: uitzettingsthermometers de elektrische weerstand verandert: weerstandsthermometers de thermospanning verandert: thermokoppels de lichtintensiteit en golflengte van stralende voorwerpen veranderen: pyrometers Tot de uitzettingsthermometers behoren de: bimetaalthermometer glazen vloeistofthermometer Het belangrijkste nadeel van de uitzettingsthermometers is dat de gemeten grootheid moeilijk kan worden omgezet naar een standaard uitgangssignaal. De bekendste weerstandsthermometer is de Pt-100. Deze platina PTC-weerstand heeft bij 0 C een weerstand van 100 Ω. PTC betekent positieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat bij toenemende temperatuur de weerstandswaarde toeneemt. NTC betekent negatieve temperatuurcoëfficiënt, wat betekent dat bij toenemende temperatuur de weerstandswaarde afneemt. Wanneer je twee verschillende metalen aan elkaar last, ontstaat er een elektrische spanning bij het contact. De grootte van de spanning is afhankelijk van de temperatuur. Dit noem je thermospanning. De warme las bij een thermokoppel gebruik je als meetpunt. Bij de koude las ontstaat ook een thermospanning, die je constant moet houden (via een constante temperatuur) en compenseren (elektronisch). Compensatiekabels worden gebruikt om het thermokoppel te verlengen, zodat je op afstand temperatuur kunt meten. WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 25

26 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Weerstandsthermometers en thermokoppels bescherm je tegen de procesomgeving via een beschermhuls, een probe of thermowell. Een belangrijk nadeel is dat deze bescherming de responsietijd van de thermometer vergroot, met als gevolg dat temperatuurmetingen trager verlopen. De werking van pyrometers berust op twee belangrijke principes: stralingsenergie die een voorwerp uitzendt meten met een detector de kleur van het licht meten dat een voorwerp uitzendt: deze kleur is afhankelijk van de temperatuur van het voorwerp 26

27 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Zelftoets 1. In de figuur hiernaast zie je het principe van de bimetaalthermometer. Wat kun je afleiden uit deze figuur? a. metaal a heeft de kleinste uitzettingscoëfficiënt b. metaal b heeft de kleinste uitzettingscoëfficiënt c. beide metalen hebben dezelfde uitzettingscoëfficiënt d. de uitzetting is niet afhankelijk van de temperatuur 2. Met een glazen thermometer wil je een temperatuur meten van duidelijk meer dan 100 C. Met welke vloeistof moet de thermometer dan gevuld zijn? a. kwik b. alcohol c. pentaan d. tolueen 3. De Pt-100 is een voorbeeld van: a. een weerstandsthermometer met een ptc b. een weerstandsthermometer met een ntc c. een thermokoppel van platina d. een pyro-thermometer 4. Wat is een thermowell? a. een huls die direct contact tussen het medium en de sensor vermijdt b. een speciaal thermokoppel dat een groter meetbereik heeft dan de traditionele thermokoppels c. een huls die zorgt dat de temperatuur van de sensor niet te hoog wordt (een isolator), zodat je hogere temperaturen kunt meten d. een speciale weerstandsthermometer die tegen zuren bestand is WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 27

28 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb Een Pt-100 heeft een weerstand van 302,25 Ω. Welke temperatuur heeft deze Pt-100? a. 212,8 C b. 214,6 C c. 564,9 C d. 575,1 C 6. Welke temperatuurmeter reageert het snelst op een temperatuurverandering? a. de weerstandsthermometer met een thermowell b. het thermokoppel in een probe die volledige afscherming biedt c. het thermokoppel waarbij de las is verbonden met de beschermhuls d. het thermokoppel waarbij de las buiten de probe is geplaatst 7. Waaruit bestaan de aansluitdraden van een thermokoppel? a. uit koper, om de weerstand van de draden zo klein mogelijk te houden b. uit dezelfde soorten legeringen als het thermokoppel c. uit platina d. uit ijzer en constantaan 8. Wat is een koude las? a. het laspunt van een thermokoppel b. het andere punt waar de twee verschillende materialen opnieuw contact maken, bijvoorbeeld bij een meter of regelaar c. er is sprake van een koude las als je het thermokoppel gebruikt bij negatieve temperaturen d. het punt waar je de compensatiekabel aansluit op het thermokoppel 9. Welk thermokoppel pas je toe bij temperaturen boven de C? a. chromel-alumel b. ijzer-constantaan c. koper-constantaan d. platina met 10% rhodium-platina 28

29 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb Op de mv-meter van een chromel-alumel thermokoppel lees je een spanning af van 0,850 mv. De temperatuur van de koude las is 15 C. Wat is de gemeten temperatuur? a. 6,5 C b. 21,5 C c. 36,1 C d. 48,5 C WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 29

30 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Antwoorden bij de opdrachten Opdracht 1. Belang van temperatuurmetingen in de procestechniek Fysische en chemische processen komen mede tot stand door de temperatuur van de te bewerken stof of de omgeving. Temperatuurmeters heb je nodig om processen te beheersen, zodat je gewenste producten krijgt zonder verstoringen. Een voorbeeld van een (energie)proces waarbij temperatuur een belangrijke rol speelt, is een kerncentrale. Opdracht 2. Natuurkundige principes en kenmerken thermometers a. Verschijnsel Thermometer Kenmerk de elektrische weerstand verandert de lichtintensiteit/golflengte van een stralend voorwerp verandert de contactspanning van twee verschillende materialen verandert de lengte van een materiaal of vloeistofkolom verandert weerstandsthermometer pyrometer uitzettingsthermometer Platina element heeft een nauwkeurige stabiele versterker nodig Contactloos temperatuur meten thermokoppelthermometer Temperatuurcompensatie is noodzakelijk Minder geschikt voor het meten van temperatuur op afstand b. C B A meetprincipe van vloeistofuitzetting meetprincipe van verandering elektrische weerstand meetprincipe van straling Opdracht 3. De Pt-100 en temperatuurcompensatie a. 1. Onjuist: de Pt-100 heeft bij 0 C een weerstandswaarde van 100 Ω. 2. Onjuist: de Pt-100 is samengesteld uit het materiaal platina. 3. Onjuist: het meetbereik van de opgedampte filmdetector ligt tussen 30 C en 300 C. 4. Juist: er zijn inderdaad uitvoeringen waar de weerstandsdraad gewikkeld ligt om een keramische drager. 30

31 PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 b. Temperatuurcompensatie kom je tegen bij temperatuurmeters waarop je een thermokoppel aansluit. Het doel van temperatuurcompensatie is ervoor te zorgen dat de koude las geen invloed heeft op de temperatuurmeting van het proces. De verrekening van de koude las vindt plaats in de regelelektronica die je aansluit. Opdracht 4. Toepassing van een elektrische temperatuurschakelaar De bimetalen temperatuurschakelaar pas je toe in de koelkast. Opdracht 5. Temperatuurvoelers beschermen voor procesomgeving Weerstanden bescherm je tegen de procesomgeving met een thermowell of beschermhuls. Thermokoppels bescherm je tegen de procesomgeving met een beschermhuls of probe. Een gevolg van bescherming is dat de temperatuurmeter langzamer reageert op temperatuurwisselingen. WERKEND LEREN IN DE PROCESTECHNIEK 31

32 International B.V. PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06 Antwoorden op de zelftoets 1. a 2. a 3. a 4. a 5. c 6. d 7. b 8. b 9. d 10. c 32