Elementaire meettechniek (7)

Transcriptie

1 Elementaire meettechniek (7) E. Gernaat (ISBN ) 1 Temperatuurmetingen In de motorvoertuigentechniek kunnen we de temperatuurmetingen onderscheiden in 1 : Temperatuurmetingen door het systeem zelf, bijv. het motormanagementsysteem dat de motortemperatuur meet (temperatuursensoren). Temperatuurmetingen buiten het systeem, bijv. voor het stellen van diagnoses (temperatuurmeters). 2 On-board temperatuurmeting Wanneer een voertuig-computer temperatuur nodig heeft voor zijn informatieverwerking dan zien we als temperatuursensor meestal een NTC- en een enkele keer een PTC-weerstand toegepast (fig. 1). Dit zijn de zgn. thermistors. Men maakt dan gebruik van de weerstandsverandering die ontstaat ten gevolge van temperatuurverandering. Door gebruik van een spanningsdeler (of een brug van wheatstone) kan men de weerstandsverandering omzetten in een spanningsverandering die door de computer gedigitaliseerd en verder verwerkt wordt. Een probleem is dat door de verandering van de weerstand ook de stroomsterkte door de schakeling verandert waardoor de NTC-weerstand zelf meer of minder opwarmt. Om dit te compenseren wordt veelal gebruik gemaakt van een constante stroombron. Het temperatuurbereik van dergelijke temperatuursensoren is over het algemeen beperkt (-25 tot C) en bijv. niet geschikt om de temperatuur van uitlaatgassen te meten. De nauwkeurigheid laat te wensen over. Ook andere halfgeleiders als transistoren kunnen gebruikt worden voor temperatuurbepalingen (fig. 2). 3 Off-board temperatuurmeters Voor externe metingen hebben we de beschikking over een aantal temperatuurmeters die volgens een verschillend principe werken. We onderscheiden wel de volgende meetprincipes: 1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing 1

2 Figuur 1: Het weerstandsverloop van een PTC (boven) en een NTC-weerstand (onder) als functie van de temperatuur. Figuur 2: Transistor als temperatuursensor. Links: basis-emittorspanning(mv) t.o.v. collectoremittorstroom (ma). Rechts: Basis-emittorspanning (mv) t.o.v. de omgevingstemperatuur ( 0 C) 2

3 3.0.1 De weerstandstemperatuurmeter Behalve de eerder genoemde halfgeleider PCT en NTC-weerstanden kunnen ook metaalweerstanden worden gebruikt. Metaalweerstanden bezitten een kleine positive temperatuurcoëfficiënt. Voor een metaalweerstandtemperatuurmeter wordt vaak gebruik gemaakt van platina. Bekend is de zgn. Pt100 temperatuuropnemer. De weerstand bedraagt 100 Ω bij 0 0 C. Een dergelijke meter is te gebruiken over een tamelijk groot temperatuurgebied (-200 tot C) Helaas is de Pt100 niet over het gehele meetgebied lineair zodat lineairisering nodig is. Weerstandstemperatuurmeters kunnen bijv. worden gebruikt om de temperatuur van een airco-installatie te meten Kwiktemperatuurmeter Kwik heeft een regelmatige uitzetting en is geschikt van -40 tot C. Een kwikmeter is kwetsbaar, traag en niet geschikt voor automatisering. Er zijn ook nog andere vloeistof-temperatuurmeters. De bekendste is de alcoholtemperatuurmeter met een temperatuur bereik van -100 tot C. Kwikdamp is uiterst giftig en ook om deze reden worden kwikthermometers niet in de werkplaats gebruikt Bimetaaltemperatuurmeter Verschillende metalen hebben een verschillende uitzettingscoëfficiënt. Wanneer we nu twee metalen tot een strip tegen elkaar aan walsen dan trekt bij temperatuurverhoging deze strip krom. De vervorming is dan een maat voor de temperatuur. De bimetaaltemperatuurmeter is vrij traag en wordt o.a. toegepast in thermostaten van verwarmings- en koelsystemen. Ook werden -voor het digitale tijdperk- bimetalen temperatuurmeters in de motorvoertuigentechniek toegepast. Het bi-metaal werd dan omwikkeld door een verwarmingsdraad en in serie gezet met de temperatuursensor in het motorblok Vloeistofdruk- en dampdruktemperatuurmeters Bij een vloeistofdruktemperatuurmeter is een metalen reservoir gevuld met vloeistof of een wasachtige stof. Bij temperatuurstijging zet de vloeistof meer uit dan het metaal waardoor een drukverhoging optreedt. Deze drukverhoging kan worden gebruikt om de temperatuur te meten of om een regeling te maken. Autotechnisch vinden we deze meters terug bij de thermostaten van het koelsysteem en airco (thermostatisch expansieventiel). Bij een dampdrukmeter is het een manometer die de verzadigde dampspanning van de vloeistof in het meetelement aanwijst. Voor het controleren van een airco-installatie maakt men gebruik wel (indirect) gebruik van dit meetprincipe. 3

4 3.0.5 Infraroodmeters (stralingstemperatuurmeters of pyrometers) Alle voorwerpen boven het absolute nulpunt stralen infrarode energie uit. Infraroodmeters meten de hoeveelheid uitgestraalde energie als een maat voor de temperatuur. De infraroodmeter registreert met behulp van een lens het temperaturverschil tussen het voorwerp en de meter. Als voordeel geldt dat contactloos gemeten kan worden zodat ook temperaturen van draaiende of moeilijk bereikbare voorwerpen kunnen worden gemeten. Als nadeel kan worden genoemd dat reflectie van glimmende voorwerpen de nauwkeurigheid nadelig beinvloedt en dat alleen oppervlakte-temperatuur kan worden gemeten. Infraroodmeters zijn geschikt voor een temperatuurbereik tussen de -40 en C. Hun nauwkeurigheid is +/- 1 0 C Thermokoppels De werking van thermokoppels berust op het zgn. Seebeck-effect (de naam van de ontdekker). Het Seebeck-effect houdt in dat wanneer twee verschillende geleiders a en b aan één uiteinde worden samengevoegd er bij een temperatuurverschil aan de andere (open) zijde een spanningsverschil ontstaat. Men spreekt wel van een koude- en een warme las (fig. 3). Het samenvoegen van de Figuur 3: Het principe van een thermokoppel geleiders kan door walsen of door solderen gebeuren. Omdat het thermokoppeleffect altijd bij twee verschillen metalen ontstaat kunnen we verschillende soorten thermokoppels maken. Het meest gebruikte thermokoppel bestaat uit Chromel en Alumel en staat bekend onder het K-type. Dit thermokoppel is vrij lineair en kan gebruikt worden voor het meten van temperaturen tot C. Andere vaak gebruikte typen zijn het J- en het T-type. In zijn algemeenheid zijn thermokopels geschikt voor het meten van temperaturen tussen de -40 en C. Thermokoppels leveren spanningen van enige millivolts zodat versterking nodig is. Er zijn speciale IC s in de handel die deze spanning versterken (AD594/5/6/7) tot bijv. 10mV/ 0 C. Thermokoppels zijn niet erg nauwkeurig, De afwijking bedraagt +/- 2 0 C. Thermokoppels kunnen ook gebruikt worden als beveiliging. 4

5 Figuur 4: Spanningsverloop van verschillende typen thermokoppels 4 Vragen en opgaven Zie boek 5