Informasjon om temperaturmåling

Temperatur er en av de mest målte fysiske parametre. Temperatur kan i prinsippet måles på 2 forskjellige måter, kontaktmåling og berøringsfritt. Ved kontaktmåling plasseres en føler slik at den oppnår samme temperatur om den vi ønsker å måle. Selve termometeret vil dermed kunne påvirke den temperaturen vi ønsker å måle. Ved berøringsfri måling er selve termometeret ikke i kontakt med måleobjektet, og vi dermed ikke kunne påvirke dette. I dette heftet vil vi ta for seg hvordan kontakttermometere funksjonerer, og hvordan vi kan oppnå mest mulig korrekte måleresultater.

Når en fysiker snakker om temperatur, mener han energien som er i en kropp (legeme). Denne energien forårsaker tilfeldige bevegelser i atomene eller molekylene. Hvis partiklene beveger seg raskere, øker temperaturen. Temperatur er dermed en tilstandsvariabel. Sammen med masse, varmekapasitet og andre, beskriver temperatur energiinnholdet i en kropp, eller som det ofte uttrykkes i fysikk, i et system.

Mer presist:

  • Tilføring av varmeenergi fører til en økning av partikkelhastigheten: Temperaturen øker
  • Fjerning av varmeenergi fører til en reduksjon av partikkelhastigheten: Temperaturen synker

Type følere

Det finnes en rekke følertyper som kan benyttes for å måle temperaturen i et objekt. De har alle forskjellige egenskaper, og vi må første velge det som er best egnet til vår oppgave ut fra en del kriterier.

  • Måleområdet, hva er laveste og høyeste temperatur vi ønsker å måle
  • Nøyaktighet, med hvilken usikkerhet ønsker vårt målesresultat
  • Hvordan må termometeret være utformet for å passe vårt behov
  • Responstid, hvor lang tid kan vi vente før resultatet er klart
  • Mekaniske/kjemiske egenskaper. Hvilke påkjenninger kan termometeret bli utsatt for

De mest vanlige typer temperaturfølere er:

  • Termoelementer
  • Motstandsfølere (Pt 100)
  • Termistorer (NTC)

Alle har sine sterke og gode sider, og vi skal først se litt på de forskjellige egenskapene.

Praktisk bruksområde for noen temperaturfølere

Termoelementer

Et termoelement består av 2 forskjellige metaller som kobles sammen. Denne effekten ble oppdaget av den tyske fysikeren Thomas Johann Seebeck i 1821.
Han oppdaget at om han koblet sammen to forskjellige metaller som vist på tegningen, og vamet opp det ene punktet, begynte det å gå en liten strøm i kretsen. Varmt han opp de andre, gikk strømmen den andre veien.
Denne termoelektriske spenningen kan så benyttes til å måle temperatur.

Seebeck effekt

En av ulempene er at det er temperaturforskjellen mellom punktene T1 og T2 som måles. Skal målingen ha noen mening må en av temperaturene være kjent. I praksis kan dette løses på flere måter. Den mest nøyaktige (som ofte benyttes i laboratorier) er å plassere det ene i 0 °C (f.eks. en blandingav is og vann), eller at temperaturen i punktet måles med en anne metode.
Det utgis tabeller som viser sammenhengen mellom temperaturen og den medfølgende spenningen. I disse tabellene er den faste temperaturen satt til 0°C (referansepunkt, kaldpunkt, refrence junction).
Disse spenningene og toleransene er definert i standarden IEC 584.
Det finnes en lang rekke standardiserte termoelementer, og bruksområdet vil avgjøre hvilket som er best egnet. De mest vanlige er type K (NiCr-Ni), type T (Cu-CuNi), type J (Fe-CuNi) og type S (PtPt10%Rh).

Type føler Temperaturområde Klasse Toleranser(største verdi gjelder)
K -40 … +1000 °C
-40 … +1200 °C
-180 … +40 °C
 1
 2
 3
±1,5 °C eller ±0,004 • |t|
±2,5 °C eller ±0,0075 • |t|
±2,5 °C eller ±0,015 • |t| 
T -40 … +400 °C
-40 … +400 °C
-200…+40 °C
 1
 2
 3
 ±0,5 °C eller ±0,004 • |t|
±1,0 °C eller ±0,0075 • |t|
±1,0 °C eller ±0,015 • |t|
J -40 … +750 °C
 1 ±1,5 °C eller ±0,004 • |t| 
S -50 … +1750 °C 1
 2 
±0,6 °C eller ±0,001 • |t|
±1,5 °C eller ±0,0025 • |t| 

Termospenningen oppstår ikke i selve målepunktet. Spenningen oppstår i de delene av lederne som er utsatt for en temperaturgradient. Om man har behov for å forlenge kabelen mellom føler og instrument, må det benyttes en kable med tilsvarende termoelektriske egenskaper som føleren er laget av.
Dette kan være termoelementtråd av samme type, eller en kompensasjonskabel. En kompensasjonskabel er av materialer som over et begrenset temperaturområde har tilnærmet samme egenskaper som termoelementet. Det er mest brukt for Pt/Rh termoelementer, som er meget kostbare.
Om man benytter kobberkabel i stedet, vil målefeilen være lik temperaturforskjellen mellom tilkoblingpunktene.

Feilaktig temperaturmåling

I dette tilfellet er temperaturen ved målepunktet 250°C. Det er feilaktig benyttet en kobberkabel på en del av strekningen mellom målepunkt og instrument. På grunn av dette ”forsvinner” 25°C, og indikatoren viser bare 225°C.

Motstandselementer

I motstandselementer benytter man endringen i elektrisk motstand som funksjon av temperaturen. Også her finnes det forskjellige typer. De mest vanlige er Pt100- og NTC-føler.

I Pt100-følere benytter man seg av endringer i motstanden (resistans) i platina (Pt) som funksjon av temperaturen. Disse endringene er beskrevet i standarden IEC 751. I en Pt100-føler er den elektriske mostanden 100 Ω ved 0°C.
NTC-følere er en type halvleder, termistor, hvor mostanden faller kraftig ved økende temperatur. Disse er ikke standardisert, og det er helt avgjørende at føleren er tilpasset instrumentet som benyttes. Motstanden i NTC-følerne er vesentlig høyere, og flere tusen Ω ved romtemperatur.

Pt100-følere

Dette er meget nøyaktige og stabile følere som er meget brukt i industrien, og andre steder man har behov for høy og meget høy nøyaktighet.

Mostanden måles ved at det sendes en liten strøm gjennom selve føleren. Spenningsfallet over føleren måles, og den resulterende mostanden kan så beregnes.
Av praktiske årsaker er det alltid en avstand mellom føler og måleinstrument. Denne elektriske forbindelsen har også en elektrisk motstand. Denne motstanden ønsker man ikke å ta med i selve målingen. Det finnes flere metoder å eliminere
motstanden i tilledningene. De vanligste er 3-leder eller 4-leder koblinger, hvor det benyttes 3 eller 4 ledninger mellom selve temperatursensoren og målieinstrumentet

4-leder kopling

Den mest nøyaktige er 4-leder koblingen, hvor strømmen
sendes gjennom et lederpar, og spenningen måles over
det andre. Med dagens elektronikk er dermed motstanden
i tilledningene fullstendig eliminert.

3-leder kopling

I en 3-leder kobling er det krav om at alle tilledningen(egentlig kun 2 stk) har samme motstand. To strømgeneratorer sender 2 strømmer gjennom systemet som vist på tegningen. Motstanden i tilledningene merket R1 og R2 må ha samme resistans. Spenningsfallet over R1 og R2 blir da like, men motsatt rettet. Spenningen som måles, U, blir dermed kun spenningen over Pt100 føleren.

Nøyaktighet Pt100

Type føler Temperaturområde Klasse Toleranser
Pt100 -200 … +650 °C
-200 … +850 °C
-200 … +650 °C
-200 … +850 °C
A
B
DIN 1/3
DIN 1/10
±(0,15 + 0,002 • |t| ) °C
±(0,3 + 0,005 • |t| ) °C
±(0,1 + 0,005 • |t| ) °C *
±(0,1 + 0,005 • |t| ) °C *
* ikke en del av standard

Termistorer (NTC)

Dette er sensorer hvor temperaturen synker med økende temperatur (negativ temperatur koeffisent). De kan produseres relativt små og er prisgunstige. Egenskaper og toleranser er ikke standardisert, og brukeren må passe på at sensor og instrument passer sammen. Vår leverandør Testo har et stort
utvalg av følere og instrumenter som passer sammen.
Siden motstanden i disse elementene er relativt høy, trenger man ikke ta hensyn til motstanden i tilledningene. De er mye benyttet innen portable instrumenter inne næringsmiddelbransjen. De har meget god nøyaktighet over et begrenset temperaturområde til en gunstig pris.

Typisk nøyaktighet NTC

Type føler Temperaturområde Klasse Toleranser
NTC -50 … +25,1 °C
-25 … +75 °C
+25 … +150 °C


±0,4 °C
±0,2 °C
±0,5 °C av måleverdien
NTC
Høytemperatur
-30 … -25.1 °C
-20 … 0 °C
+0,1 … +75 °C
+75,1 … + 275°C


±1 °C
±0,6 °C
±0,5 °C
±0,5 °C +0,5% av måleområdet
* ikke en del av standard

Korrekt føler for måleoppgaven

En annen viktig parameter er responstiden, tiden det tar for å vise rett temperatur. Testo bruker benevnelsen t99, som angir tiden det tar før føleren viser 99% av temperaturendringen.

Overflatefølere

Flat målespiss for måling på plane overflater. Leveres for alle type følere. For optimal nøyaktighet anbefaler vi at det benyttes silikonbasert varmepasta (Tmax 260°C)

Fordeler

  • Robust konstruksjon
  • Kan benytte nøyaktige følere (Pt100 og NTC)

Ulemper

  • Lang responstid
  • Forsiktig håndtering er nødvendig
  • Kan kun benyttes plane overflater på objekter med stor varmekapasitet, f.eks. store metallobjekter.

Overflatefølere - fjærende termoelementbånd

Vi anbefaler det fjærende patenterte målehodet med fjærende termoelementbånd for raske målinger, selv på ujevne overflater.

  • Enkel å bruke(selv uten varmepasta)
  • Kort responstid

Ytterligere informasjon

  • Den angitte responstide t99 er målt på en polert stålplate ved 60 °C.
  • Den angitte nøyaktigheten gjelder kun selve føleren.
  • Nøyaktigheten på din måleoppgave avhenger av overflatens beskaffenhet (ruhet), materialet i måleobjektet (varmekapasitet) samt måleinstrumentets nøyaktighet.

Neddypping/innstikk

Føler for neddypping, leveres for alle type følere og er primært beregnet for bruk i væsker, men kan også benyttes i gasser og luft.
Føler for innstikk, leveres for alle typer følere. Egnet for plastiske og halvfaste materialer, men kan også benyttes for luft, gass og væsker.

Mer informasjon

  • Den angitte reponstiden t99 er målt i vann i bevegelse ved 60°C.
  • Genrelt gjelder at jo mindre og tynnere føleren er, jo kortere responstid.
  • Tynnere følere er mer ømfintlige
  • Termoelementfølere bør stikke minium 10 x følerens diameter og Pt100 og NTC følere miniumum 15 x følerens diameter inn i måleobjektet for å få korrekt måleverdi.
  • Termoelementer kan lages med en diameter ned til 0,25 mm og er ideelle for rask respons og på små måleobjekter.
  • Motstandsfølere kan produseres med en diameter ned til 0,5 mm, men er meget kostbare og ømfintlige. Med diameter > 2 mm prisgunstige og mer nøyaktig enn termoelementer.

Følere for luft

For måling i luft er selve sensoren åpen, kun med en mekanisk beskyttelse, detter gir en kortere responstid. Leveres for alle type følere.

Mer informasjon

  • Den angitte reponstiden t99 er målt i vindtunnel ved 2 m/s og ved 60°C.
  • Neddypping og innstikkfølere kan også benyttes for måling i luft, men responstiden blir 40 til 60 ganger lengre en den som er oppgitt i vann.

Materiale i følere

Selve føleren ligger beskyttet i et stålrør. Testo benytter Inconel (2,4816) for termoelement følere. For de andre typene benyttes rustfritt stål V4A (1,4571). Bestandigheten er tilstrekkelig for de fleste bruksområdene, men for mer krevende oppgaver kan det levers beskyttelse i glass eller Teflon.

Unngå målefeil

Innstikkfølere

Dersom temperaturføleren er kaldere enn måleobjektet, trekkes energi i form av varme fra måleobjektet fra område nær føleren. Om temperaturføleren er kaldere enn måleobjektet, overføre varme til måleobjektet. Det må tas hensyn til forholdet mellom massen til føleren og måleobjektet. Jo større føleren er i forhold til måleobjektet jo større blir energiutvekslingen mellom dem, og den opprinnelige temperaturen til føleren vil dominere. Dette vil kunne føre til store målefeil.


Noen gode råd for korrekt måling med innstikktermometer

  • Innstikkdybden bør være 10 til 15 ganger diameteren på føleren
  • Ved måling i væsker bør føleren være i konstant bevegelse.
  • Undeer ideelle forhold vil responstiden (t99), komme ned mot 0,5 sekunder
Testo 106 temperaturmåling med innstikk

Overflatetemperatur

Ved måling av overfl atetemperatuen plasseres føleren vinkelrett ned
på overflate. Det er viktig å forsikre seg om at både føler og overflaten som skal måles er helt plane, slik at det er god kontakt mellom begge enhetene. I noen tilfeller kan (ved bruk av stiv fl at føler) bruk av silikon varmepasta forbedre måleresultatet.
De samme betraktninge for energioverføring mellom føler og måleobjekt gjelder også for overflatemålinger. I tillegg er varmeledningsevnen til måleobjektet viktig. Om det måler f.eks. på en isoporplate har denne meget dårlig varmeledningsevne, og temperaturen på føleren og temperaturen i luften vil dominere.

Noen gode råd for korrekt måling av overflatetemperatur

  • Plasser følerspissen vinkelrett ned på overflaten
  • Føleren må ikke fl yttes under målingen
  • Press føleren med konstant og tilstrekkelig kraft mot overflaten
  • Bruk en føler med liten masse
  • Under ideelle forhold vil responstiden (t99), komme ned mot 3 sekunder
Overflatemåling med Testo 922

Lufttemperatur

For måling i luft i bevegelse, plasser føleren direkte i luftstrømmen. For kortest mulig responstid, bruk en føler med eksponert sensor. Målingen kan optimeres ved å bevege føleren i luft med en hastighet på 2 m/s under målingen.

Noen gode råd for måling av lufttemperatur:

  • Bruk føler med eksponert sensor (ikke innstikk eller overflateføler)
  • Beveg føleren med en hastighet på 2 m/s under målingen
  • Hold føleren borte fra kroppen
  • Bruk føler med strålingsbeskyttelse
  • Under ideelle forhold kan t99 oppnås etter ca. 7 sekunder
Håndholdt luftfuktighetsmåler
Last ned guiden som pdf Våre temperaturmålere Våre temperaturfølere