voorbeeld lesmateriaal Temperatuurmetingen.

PROCESBEHEERSING
Temperatuurmetingen
Pb-3-06
Artikelnr: Pb-3-06
Versie: 1.0
Uitgave: juli 2013
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
Versie 1.0
juli 2013
Procesbeheersing
Temperatuurmetingen
Pb-3-06
Uitgave van:
Consortium Werkend Leren
in de Procestechniek &
Détaché International B.V.
Nobellaan 52
4622 AJ Bergen op Zoom
E [email protected]
W www.detache.nl
2
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 (www.magneet.com)
International B.V.
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
Inhoudsopgave
Leerdoelen ............................................................................................. 4
Opdrachten............................................................................................. 5
Deelkern 1. Temperatuur meten ............................................................. 8
Deelkern 2. Uitzettingsthermometers .................................................... 11
Deelkern 3. Weerstandsthermometers ................................................. 14
Deelkern 4. Thermokoppelthermometer ............................................... 18
Deelkern 5. Pyrometers ........................................................................ 23
Deelkern 6. Uitvoering van temperatuurmetingen ................................. 24
Samenvatting ....................................................................................... 25
Zelftoets ............................................................................................... 27
Antwoorden bij de opdrachten .............................................................. 30
Antwoorden op de zelftoets .................................................................. 32
WERKEND LEREN
IN DE PROCESTECHNIEK
3
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
Leerdoelen
Na deze kern kun je:
4

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
International B.V.
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
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-100.
1. 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.
juist/onjuist
4. Er zijn uitvoeringen waar weerstandsdraad gewikkeld
is om een keramische drager.
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
International B.V.
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
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 1.013 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 4.190 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.
8
Celsius
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 100. 1 °C is een honderdste deel van het temperatuurverschil
tussen smeltend ijs en kokend water bij een druk van 1.013 mbar.
Kelvin
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:
International B.V.
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
TK  273  TC
waarin:
TK = de temperatuur in kelvin (K)
TC = 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
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
Natuurkundige meetprincipes
sensor
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
International B.V.
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
Deelkern 2.
Uitzettingsthermometers
uitzetten en inkrimpen
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:
ℓ2 = ℓ1 × (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 (T2 – T1) 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
1,7 × 10–6 1/K
– chroomnikkelstaal 12 × 10–6 1/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
WERKEND LEREN
IN DE PROCESTECHNIEK
Temperatuurmeting met bimetaal
11
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
International B.V.
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
–39
360
alcohol
–100
78
pentaan
–180
36
tolueen
–95
110
kwik
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
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:
R2 = R1 × (1 + α × ΔT)
waarin:
R2 = de nieuwe weerstand in Ω
R1 = de oorspronkelijke weerstand in Ω
α = de temperatuurcoëfficiënt in 1/K
ΔT = het temperatuurverschil (T2 – T1) 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
International B.V.
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
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:
250  T
194,07  192

250  240 194,07  190,45
250  T  10 
2,07
3,62
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
International B.V.
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
R2 = R1
192
T
= 100
=
× (1 + α
× ΔT)
× (1 + 0,0038 × [T – 0])
192  100
= 242,1 °C
0,38
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
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
Deelkern 4.
Thermokoppelthermometer
thermospanning
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  U wl  Ukl
waarin:
Uafl = spanningsverschil tussen de warme en de koude las [mV]
Uwl = thermospanning warme las [mV]
Ukl = 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
18
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)
International B.V.
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
°C
WERKEND LEREN
IN DE PROCESTECHNIEK
chromelalumel ijzer(NiCr-Ni)
constantaan
(Fe-CuNi)
koperconstantaan
(Cu-CuNi)
platina10%rhodiumplatina
(PtRh-Pt)
mV
mV
mV
mV
-200
-5,59
-8,15
-5,70
-100
-3,55
-4,75
-3,40
0
gemeten waarde
bepalen
thermospanningen
0
0
0
0
10
0,40
0,52
0,40
0,056
20
0,80
1,05
0,80
0,113
30
1,20
1,58
1,21
0,173
40
1,61
2,11
1,63
0,235
50
2,02
2,65
2,05
0,299
60
2,44
3,19
2,48
0,364
70
2,85
3,73
2,91
0,431
80
3,27
4,27
3,35
0,500
90
3,68
4,82
3,80
0,571
100
4,10
3,37
4,25
0,643
Om de temperatuur van de warme las te bepalen (de gemeten
waarde), doorloop je zes stappen:
19
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
1. 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 afl  U wl  Ukl
U wl  U afl  Ukl
U wl  4,961  1,000  5,961 mV
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  5,961
146  x

5,977  5,937 146  145
x  146 
0,016
0,04
x  145,6 C
20
International B.V.
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
Uitvoeringsvormen van thermokoppels
beschermhuls
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
Thermokoppel dat
verbonden is met de
t
beschermhuls
Thermokoppel dat buiten
de huls is geplaatst
probe
WERKEND LEREN
IN DE PROCESTECHNIEK
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.
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.
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.
De beschermhuls wordt ook wel probe genoemd en moet een voldoende
lange insteeklengte hebben. Zo is de insteeklengte bij het meten in een
21
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.
Compensatiekabels
op afstand
compensatiekabel
22
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.
International B.V.
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
stralingsthermometer
detector
is mogelijk omdat in de praktijk bijna alle voorwerpen warmtestraling
uitzenden aan hun oppervlakte. Een deel van deze straling vangt de
pyrometer op. Daarom wordt de pyrometer ook wel stralingsthermometer
genoemd.
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 × T4
waarin:
Q = de hoeveelheid energie [J]
σ = de constante van Boltzman (5,67 × 10–8)
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:
λmax × T = b
waarin:
λmax = de maximale golflengte [m]
T = de absolute temperatuur [K]
b = de constante van Wien: 2,897756 × 10–3 K∙m
WERKEND LEREN
IN DE PROCESTECHNIEK
23
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 tr 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 tr1. De responsietijd (tr1 – t0) is bij deze
grafiek het kortst.
– Grafiek 2 toont een thermokoppel in een beschermhuls die met een
vulstof is gevuld. De responsetijd (tr2 – t0) 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
International B.V.
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
Samenvatting
WERKEND LEREN
IN DE PROCESTECHNIEK

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.
25
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
26

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
International B.V.
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.
b.
c.
d.
metaal a heeft de kleinste uitzettingscoëfficiënt
metaal b heeft de kleinste uitzettingscoëfficiënt
beide metalen hebben dezelfde uitzettingscoëfficiënt
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.
b.
c.
d.
kwik
alcohol
pentaan
tolueen
3. De Pt-100 is een voorbeeld van:
a.
b.
c.
d.
een weerstandsthermometer met een ptc
een weerstandsthermometer met een ntc
een thermokoppel van platina
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
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
5. Een Pt-100 heeft een weerstand van 302,25 Ω. Welke temperatuur
heeft deze Pt-100?
a.
b.
c.
d.
212,8 °C
214,6 °C
564,9 °C
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 1.000 C?
a.
b.
c.
d.
28
chromel-alumel
ijzer-constantaan
koper-constantaan
platina met 10% rhodium-platina
International B.V.
PROCESBEHEERSING - Temperatuurmetingen - Pb-3-06
10. 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.
b.
c.
d.
WERKEND LEREN
IN DE PROCESTECHNIEK
6,5 °C
21,5 °C
36,1 °C
48,5 °C
29
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
weerstandsthermometer
Platina element heeft
een nauwkeurige
stabiele versterker
nodig
de lichtintensiteit/golflengte van een stralend
voorwerp verandert
pyrometer
Contactloos
temperatuur meten
de contactspanning van
twee verschillende
materialen verandert
thermokoppelthermometer
Temperatuurcompensatie is
noodzakelijk
de lengte van een
materiaal of vloeistofkolom verandert
uitzettingsthermometer
Minder geschikt voor
het meten van temperatuur op afstand
b.
C
meetprincipe van vloeistofuitzetting
B
meetprincipe van verandering elektrische weerstand
A
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
International B.V.
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
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
International B.V.

Download Report