Natuurkundig meten temperatuurmeters de gemiddelde chaotische bewegingsenergie per molecuul plus de beweging van atomen in moleculen. Temperatuur is de meest gemeten natuurkundige grootheid. In feite gaat het om de thermische bewegingen van atomen en moleculen. In onze praktijk komt het erop neer dat we de temperatuur willen weten van vloeistoffen, gassen en omgevingsruimte, maar ook van metalen, zoals lagers in draaiende machinerie.
Temperatuur en temperatuurmetingen staan heel dicht bij de mens. Immers, onze lichaams- en omgevingstemperatuur is letterlijk van levensbelang. Het bevolken van werelddelen was in de eerste plaats afhankelijk van de daar heersende temperatuur en de daarbij behorende voedselbronnen.
Hoewel het bij onze lichaamstemperatuur normaal gesproken gaat om marges van maar enkele graden, moeten we beseffen dat de ‘temperatuurschaal’ die we kunnen meten met temperatuurmeters begint bij het absolute nulpunt van 0 Kelvin (-273,15 ̊ Celcius) tot aan de kerntemperatuur van de zon van +/15.000.000 ̊ Celcius. Dus een enorme ‘range’.
Nadat Galilei in de 16e eeuw de thermometer had uitgevonden is er veel gebeurd. De belangrijkste wetenschappers en natuurkundigen op het gebied van temperatuurmeters waren Fahrenheit, Celcius en Kelvin. Tot op de dag van vandaag hebben we te maken met de door hen gedefinieerde temperatuurschalen (de temperatuurschalen van Réaumur, Rankine, Delisle en Rømer laat ik buiten beschouwing). Hoewel de officiële SI-basiseenheid voor temperatuur de graden Kelvin is, is het in onze industrie gebruikelijk om in graden Celcius te spreken.
In veel gevallen komen temperatuurmetingen niet aan op een graadje meer of minder, maar soms is een meting tot ver achter de komma vereist. Denk aan de mogelijke opwarming van de aarde. Tijdens de VN klimaatconferentie eind 2009 in Kopenhagen is afgesproken dat de gemiddelde temperatuur van onze aarde tot 2020 niet meer mag stijgen dan 2 ̊C.
Een kleine meetfout kan dan grote gevolgen hebben, en dat zo’n foutje in een klein hoekje zit is bewezen bij een thermometerhut voor het meten van de buitentemperatuur die blijkbaar te veel in de luwte stond van een paar bomen en over een langere tijd een te hoge waarde heeft aangegeven. Die ‘lokale’ opwarming viel dus weer mee maar het bewijst dat een juiste opstelling van eminent belang is. Ook in onze bedrijfstak.
Waar het bij niveaumetingen volstaat om even in de tank te kijken om de nul of referentiewaarde vast te stellen, is het bij temperatuurmeters wat lastiger. Natuurlijk weten we dat smeltend ijs een temperatuur heeft van 0 ̊C, en dat het kookpunt van water bij 100 ̊C ligt, maar dat zal in uw proces niet zo vaak voorkomen. Het gaat mij hier uiteraard om de reproduceerbaarheid. Omdat het bij temperatuurmetingen gaat om een indirecte meting, is een fysieke controle vrijwel nooit mogelijk. De sensor neemt de temperatuur aan van het te meten oppervlak, omgeving of vloeistof.
Gebruik van de juiste materialen om de warmteoverdracht zo nauwkeurig en optimaal mogelijk te laten plaatsvinden, is dus van eminent belang. Verder is de afstelling van uw temperatuurmeters volledig afhankelijk van de nauwkeurigheid van de gebruikte kalibratiemethode en vooral van de kalibratieapparatuur.
De warmteoverdracht van het proces op de temperatuurmeters geschiedt veelal door conductie. Door de thermische geleidbaarheid of warmtegeleidingscoëfficiënt (lambda l wet van Fourier) van het gebruikte materiaal zal er altijd enige vertraging optreden voordat de sensor reageert op een temperatuurwijziging in het proces. Dit kan enkele seconden, maar ook vele minuten zijn! Hiermee moet terdege rekening worden gehouden, omdat een grenswaarde al overschreden kan zijn voordat dit überhaupt gesignaleerd wordt.
Zoals bij vrijwel alle metingen aan het proces, kunnen we ook de
temperatuurmeting indelen in drie categorieën:
Bij lokale temperatuurmetingen gaat het vaak om een instrument dat zijn werking ontleent aan uitzetting van vloeistof zoals bij de thermometer, of werkt volgens het principe van het bimetaal. Van belang is dat het verband tussen temperatuur en uitzetting lineair is zodat een gelijkmatige schaalverdeling mogelijk is.
De eindwaarde of schakelpuntmetingen werken vaak volgens dezelfde principes als de lokale metingen, dan wel hetzelfde als de proportionele metingen.
Waar een bimetaal in staat is om middels een overbrengingsmechanisme een wijzer te laten bewegen langs een schaalverdeling, is datzelfde bimetaal ook in staat om bijvoorbeeld een microswitch te bedienen die zorgt voor de gewenste functie.
De proportionele metingen bestrijken het gewenste meetgebied en zenden de verkregen informatie, meestal in de vorm van een 4-20 mA of digitaal signaal naar het centrale regelsysteem waar uitlezing, registratie en verdere regelfuncties kunnen plaatsvinden.
Het thermokoppel is van oudsher een veel gebruikte temperatuurmeter in de procesindustrie. In principe verkrijgt men een thermokoppel door twee draden van verschillende metaalsoorten of legeringen aan beide uiteinden met elkaar te verbinden of te ‘lassen’.
Het principe waarop de werking van het thermokoppel berust is het thermo-elektrisch effect, het zogenaamde Seebeck effect. Dit betekent praktisch, dat wanneer één van de lassen op een hogere temperatuur wordt gebracht, er een mV spanning ontstaat die te meten is en een maat is voor de gemeten temperatuur. Let wel, het gaat om een differentiaalmeting. Worden beide lassen op dezelfde temperatuur gebracht, dan zal er geen signaal te meten zijn. Dit impliceert dat de zogenaamde koude las en de aansluitpunten op een constante en bekende temperatuur moeten worden gehouden, waarbij dezelfde nauwkeurigheid moet worden betracht als bij de warme las.
Deze eis vormt tevens het voornaamste nadeel van deze meetmethode en meetfouten liggen op de loer. Natuurlijk zijn er betrouwbare methodes om het koude lasprobleem op te lossen bijvoorbeeld met een compensatiemethode waarbij een temperatuurgevoelige weerstand (NTC) de verandering van de koude las opheft. Groot voordeel van het thermokoppel (mits de juiste materialen worden gekozen) is het grote temperatuurbereik. De combinatie van koper-constantaan (type T) geeft al een meetbereik van -200 ̊C tot +500 ̊C. Platinarodium platina (type S of R) geeft 0 ̊C tot +1300 ̊C. De DIN 43710 (Deutsches Institut für Normung), IEC 584 maar ook de ISA-MC 96.1 geeft alle informatie over materiaalkeuze, type, kleurcodering, thermospanning et cetera.
Ruim 70% van alle temperatuurmeters maakt gebruik van het PT-100 element, vaak RTD (Resistance Temperature Detector) genoemd. Hierbij bestaat de sensor vaak uit een platina element dat bij 0 ̊C een nominale weerstand heeft van 100 Ω.
Bij 100 ̊C zal de weerstand 138,5 Ω zijn. Opgenomen in een brug van Wheatstone of daarvan afgeleide schakelingen zal het PT-100 element zorgen voor een uitslag van de meter. Let wel, het gaat hier om principes. De temperatuurmeters die vandaag de dag te koop zijn gaan veel verder in nauwkeurigheid, zoals lineariteit, beperking van de stroom om warmteontwikkeling in het PT-100 element te voorkomen, materiaalkeuze meetelement en ‘drager’ et cetera.
De Alphanorm zegt iets over de relatie tussen weerstandsverandering ten gevolge van de verandering in temperatuur en de toegestane toleranties. Bij een verandering van 1 ̊C zal de weerstand bij zuiver Platina gemiddeld 0,385 Ω veranderen. Dit verband tussen weerstandsverandering en temperatuur is echter niet lineair. Immers, bij 100 ̊C is de weerstand 138,5, maar bij 200 ̊C zal de weerstand 175,84 Ω zijn. U zult begrijpen dat de toleranties heel klein zijn. Bespaar dus niet op de kwaliteit van temperatuurmeters. Naast de PT-100 elementen bestaan de PT-500 (500 Ω bij 0 ̊C en 1,925 Ω/ ̊C weerstandverandering) en PT-1000 (1000 Ω bij 0 ̊C en 3,85 Ω/ ̊C weerstandverandering). U zult begrijpen dat u deze verschillende types niet door elkaar moet halen. In de IEC 751 en DIN 43760 kunt u alles lezen over de eisen die gesteld moeten worden aan dit meetprincipe.
Veroudering van de temperatuurmeters van zowel thermokoppels als RTD en daarmee hun thermo-elektrische stabiliteit, is een bekend probleem. Na 2 tot 5 jaar kan de miswijzing zo groot worden dat de aanvaardbare toleranties worden overschreden. Regelmatige controle of kalibratie is daarom een vereiste. Bij (smart) transmitters en omvormers is het belangrijk aandacht te besteden aan de ingangsconfiguratie. Meestal heeft u de keus tussen verschillende soorten sensoren, bijvoorbeeld thermokoppel of RTD. Vaak is het niet voldoende om alleen via de ‘wizard’ de configuratie softwarematig aan te passen, maar vaak is ook een hardwarematige aanpassing nodig.
Bij 2-draads RTD-elementen zult u moeten compenseren voor de weerstand in de bekabeling, waarbij meetfouten op de loer liggen. Iets wat bij 3 of 4-draads sensoren niet voorkomt omdat met de extra draden elektrisch wordt gecompenseerd voor de weerstand van de bedrading. Verder is de zuiverheid van het gebruikte weerstandsmateriaal van belang.
Zoals elke lokale indicator of transmitter in het procesveld, moeten temperatuurmeters worden gemonteerd waar aflezing of onderhoud veilig kan plaatsvinden. Lijkt logisch maar de ervaring is dat een ‘local indicator’ uiteindelijk verstopt zit in thermische isolatie, een transmitter alleen bereikbaar was na het plaatsen van steigers of na het uitvoeren van halsbrekende toeren. Ook vibratie is een fenomeen waar vele local indicators geen raad mee weten. Een dansende wijzer is het gevolg, waardoor u na veel oefenen niet verder komt dan een ‘gemiddelde’ waarde.
Het monteren van een temperatuurmetingen-element of sensor is iets waar veel aandacht aan moet worden besteed. Voor een aanvaardbare responstijd moet de warmteweerstand tussen het meet-element en het medium waarvan de temperatuur gemeten moet worden, zo klein mogelijk zijn. De juiste locatie en montage van temperatuurmeters is dan van groot belang. Er zijn hotspots maar ook plaatsen waar de temperatuur het proces niet of te traag volgt. Is er doorstroming of is er sprake van een stilstaand medium. Allemaal zaken waar u terdege rekening mee moet houden. Wanneer het om een klein volume gaat en de sensor of bulb rechtstreeks in het medium kan worden geplaatst is er niet zoveel aan de hand. Echter, bij vaten, fornuizen, leidingen et cetera ligt dit veel kritischer. Hier wordt vaak gebruik gemaakt van een beschermhuls, beter bekend als thermowell.
Bij gebruik van een thermowell moet men letten op locatie, insteekdiepte, obstakels in leiding of vat, materiaalkeuze, wanddikte, vorm, piping klasse, et cetera. Bij standaard thermowells kan de schroefdraad voor problemen zorgen, zoals lekkage. Zeker bij hogere drukken is het aan te raden de eigenlijke thermowell op te sluiten tussen twee flenzen. Zorg bij thermowells dat de warmteoverdracht naar de sensor optimaal is. ‘Lucht’ tussen sensor en de wand van de thermowell is funest. De aloude methode van het vullen van de thermowell met een vloeistof kan hier soelaas bieden. Hiertoe moet de aansluiting dus wel bovenop of onder een hoek op de leiding of vat zitten zodat de vloeistof ook daadwerkelijk in de thermowell aanwezig blijft.
Wanneer de leiding waarin de thermowell is opgenomen thermisch is geïsoleerd, zorg dan dat de thermowell hier niet boven uitsteekt, maar breng extra isolatie aan tot minstens de bovenkant van de thermowell. De vorm, lengte en materiaalkeuze is bij thermowells van groot belang. Denk aan erosie van de thermowell (waardoor lekkage kan ontstaan) maar ook aan breuk als resultaat van het vibreren van de thermowell, e.e.a. tengevolge van het snel doorstromende medium. Een ‘wake-frequency’ calculatie en stressanalyse is hier van groot belang. U zult niet de eerste zijn die een afgebroken thermowell terugvindt op de bodem van een vat of vastgeklemd in een regelklep ‘downstream’. Om van de eventuele rampzalige gevolgen van een lekkage niet te spreken.
Ook bij temperatuurmeters zal de schakelende apparatuur steeds vaker vervangen worden door elektronische proportionele apparatuur. Niet alleen uit oogpunt van een kosten-batenanalyse is deze vorm van standaardisering positief. Eén instrument kan ook hier meerdere schakelende apparaten vervangen. Tevens zal al doende het aantal aansluitingen aan het vat, de tank of leiding verminderden.
Door de steeds toenemende veiligheidseisen betreffende de intrinsieke veiligheid van uw proces of machine, zal de vraag naar ‘non-intrusive’ apparatuur toenemen. Men verwacht dat het aanbod de vraag zal volgen en dat de verkrijgbaarheid van uiterst gevoelige maar robuuste en nauwkeurige sensoren, die op de wand van vat of leiding kunnen worden gemonteerd, zal toenemen. Ook de apparatuur gebaseerd op stralingsverschijnselen (pyrometers, infrarood e.d.) kan hier middels een permanente opstelling een grotere rol vervullen. Dit vanwege het contactloze meetprincipe.
Temperatuurmeters zijn een ‘hot issue’. De kwaliteit van veel producten en processen hangt af van een juiste meting. Zeker hier geldt, dat wat u op het beeldscherm ziet, wordt bepaald door een weloverwogen materiaalkeuze en een deskundige hook-up in het procesveld.
Lees ook:
Interessante organisaties/websites in Nederland:
International Instrument Users’ Association WIB
FHI
Industriekalender
Natuurkundig meten temperatuurmeters de gemiddelde chaotische bewegingsenergie per molecuul plus de beweging van atomen in moleculen.
– Lengte of volume-uitzetting (thermometer, capillair en bimetaal)
– Verandering elektrische spanning (het thermokoppel)
– Verandering elektrische weerstand (het PT-100 element)
– Stralingsverschijnselen (pyrometers en infrarood)
IndustrieVandaag is een onafhankelijk platform met het laatste nieuws van vandaag over de procesindustrie, industrial processing, productie industrie, maakindustrie en elektronica industrie.
Neem contact met ons op:
Tel +31 (0)23 737 07 63
Email via contactpagina
