Meetmethoden en temperatuursensors

Temperatuur is één van de meest gemeten fysische grootheden. De behoeften en toepassingen met betrekking tot temperatuurmetingen lopen enorm uiteen, waardoor momenteel een enorm groot aantal sensors, omzetters en meetapparaten beschikbaar zijn. Langzamerhand wordt het grootste probleem niet de meting zelf, maar de juiste keuze van een sensor (omzetter) en meetinstrument.

Keuzecriterium sensor kan plaatsvinden op basis van de volgende parameters:

• het nominale bereik van de bedrijfstemperatuur;
• gevoeligheid en lineairiteit van de sensorkarakteristiek;
• herhaalbaarheid van de sensorparameters;
• meetnauwkeurigheid;
• dynamische eigenschappen (tijdconstante);
• type uitgang (analoog of digitaal);
• complexiteit van het sensorsysteem en de meetinrichting.

De meeste van de moderne instrumenten voor temperatuurmeting kunnen worden geclassificeerd als: expansie contactthermometers, elektrische omzetters en contactloze optische omzetters. Metingen met behulp van contactmethoden vereisen warmte-uitwisseling tussen het gemeten object en het thermometersysteem. Het zijn dus invasieve methoden in tegenstelling tot de optische methoden.

Expansiethermometers

Expansiethermometers vormen de oudste groep instrumenten voor temperatuurmeting. De meeste constructies berusten op het verschijnsel van warmte-expansie:

• in thermometers met capillair wordt gebruik gemaakt van een vloeistof (kwik, alcohol);
• bimetaalthermometers maken gebruik van verschillende metaalcomposieten met sterk uiteenlopende uitzettingscoëfficiënten (ijzer-nikkellegeringen, chroomnikkel/porselein, invar);
• drukthermometers maken gebruik van verandering van de druk van vloeistof, gas/stoom die is ontstaan door uitzetting onder invloed van hitte.

De meetbereiken van technische thermometers en laboratoriumthermometers reiken van -50°C tot +200°C en de meetnauwkeurigheid is niet lager dan 0,1°C. Speciale constructies maken metingen van -100°C en 400°C mogelijk.

Dit type thermometers worden steeds minder vaak toegepast, maar ze zijn bijzonder stabiel, hebben geen elektrische voeding nodig en zijn bestand tegen omgevingsfactoren. Bovendien heeft de langjarige ervaring bij het bouwen en toepassen van dit type thermometers ervoor gezorgd dat ze nog steeds worden gezien als waardevolle modelthermometers, referentiethermometers en laboratoriumthermometers.

Elektrische thermometers

De meest algemene temperatuurmetingsmethodes zijn elektrische methodes die gebruik maken van sensors voor wijzigingen in de:

• resistantie;
• beweeglijkheid van elektrische draagstoffen;
• concentratie van draagstoffen die is veroorzaakt door temperatuurwijzigingen.

De genoemde temperatuursensors worden meestal geclassificeerd als:

• thermoelektrische ook wel thermokoppels genoemd (generieke sensors die geen voeding nodig hebben);
• weerstandthermometers en halfgeleidende thermometers (passief en voor het meten van de temperatuur met elektrische methoden is voeding nodig).

De meeste moderne elektrische thermometers maken gebruik van resistieve sensors (EN: RTD) of thermoelektrische sensors (EN: TC). Beide groepen sensors zijn gestandaardiseerd in Europese normen.

De norm EN 60584 definieert de kenmerken en meetparameters van thermoelektrische sensors en de norm EN 60751 definieert de fysieke, metrische en constante parametrische eigenschappen van de weerstandssensors en platinasensors.

De weerstandssensors zijn niet normatief bepaald, maar vormen een belangrijke groep vanwege hun lage prijs en bijzonder hoge gevoeligheid op het gebied van commerciële temperaturen.

• Weerstandssensors RTD

maken gebruik van de wijziging in de weerstand van het materiaal die zijn veroorzaakt door temperatuurwijzigingen.
Het meest gebruikte thermoresistante materiaal is platina (Pt), maar er bestaan ook thermoresistors van nikkel (Ni) of koper (Cu). Normatieve sensors zijn verkrijgbaar als Pt100, Pt500 of Pt1000, hetgeen betekent dat hun nominale weerstand bij een temperatuur van 0 ºC respectievelijk 100 Ω, 500 Ω en 1000 Ω bedraagt. Vanwege het feit dat RTD-sensors worden gezien als de meest nauwkeurige, is hun meetnauwkeurigheid genormeerd en omschreven met klasse A of B. In de praktijk komt u ook andere nauwkeurigheidklassen tegen: AA, C, ⅓B of 1/10B (Tab. 1).

Tab. 1. Overzicht van de nauwkeurigheid (parametrische tolerantie) van RTD-sensors

Temperatuurmeting met RTD-sensors vindt plaats in een van de 4 meetsystemen (Afb. 1). Voor sensors van klasse A wordt een systeem met volledige of gedeeltelijke compensatie aanbevolen.

Afb. 1. Verbindingssystemen RTD-sensors

De aanbevolen meetstroom die door de RTD-sensor stroomt mag niet hoger zijn dan 1 mA vanwege de opwarming van de sensors. In de praktijk zorgen stabiele, monolithische stroombronnen met waarden van100 µA ÷ 400 µA bij een gestandaardiseerde temperatuurcoëfficiënt van platina αPt=0,00385 Ω/ºC voor voldoende spanningsdaling bij Pt100 om toegepast te kunnen worden in een meetsysteem van standaard analoog-digitale omzetters met resoluties van 16 tot 24 bits.

• Thermistorsensors

zijn een variant van thermoresistors die zijn gemaakt van gesinterde materialen met hoge temperatuurcoëfficiënten. Het gaat hier om NTC-sensors met een negatieve temperatuurcoëfficiënt, waarbij een stijging van de temperatuur een daling van de weerstand veroorzaakt, en thermistors van het type PTC met een positieve temperatuurcoëfficiënt.
Thermistors kenmerken zich door een hoge gevoeligheid binnen het bereik van 50°C ÷ 125°C. Buiten dit temperatuurbereik hebben ze echter sterk niet-lineaire thermometerkarakteristieken waardoor het omrekenen van de weerstand in temperatuur bemoeilijkt wordt en de meetnauwkeurigheid afneemt. De voedings- en meetsystemen zijn hetzelfde als de platina RTD-sensors.

• Thermoelektrische sensors

maken gebruik van het Seebeck-effect dat erop berust dat in een elektrisch circuit met twee contactpunten van metaal of metaallegeringen een sterke thermoelektrische potentiaal ontstaat. De waarde van deze potentiaal is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen de contactpunten en hun type. Het hete contactpunt is het meetcontact en het vrije uiteinde van de kabels vormen het referentiepunt (Afb. 2).

Afb. 2. Het principe van een thermoelektrische sensor

De waarde van de thermoelektrische potentiaal is afhankelijk van het temperatuurverschil en de waarde van de Seebeckconstanten van de metalen die het meetcontact van het thermo-element vormen. Om een exacte meting te verkrijgen wordt in de praktijk een compensatie (EN: CJC) van de temperatuurwijzigingen in de vrije uiteinden van het thermo-element toegepast door een extra temperatuurmeting T2. De meting wordt uitgevoerd op het referentiepunt. Voor dit doel wordt gebruik gemaakt van een thermoresistor, thermistor of een volgend thermokoppel.

Door de keuze voor de juiste materialen van het koppel kunt u de gewenste gevoeligheid bereiken die is uitgedrukt in mV/°C. In tabel 2 staan de meest toegepaste metaalconfiguraties voor thermokoppels vermeld en de elektrische parameters van de gestandaardiseerde koppels in de actuele norm EN 60584.

Tab. 2. Normatieve types thermokoppels, meetbereiken, aanduidingen

De meetnauwkeurigheid van de thermokoppels blijkt uit de klassen 1 of 2 en het meetbereik. In het basisbereik bedraagt de nauwkeurigheid van de sensors uitgevoerd in klasse 1 ± 1,5°C. In het temperatuurbereik van -40°C tot +125°C heeft een thermokoppel van het type T (Cu-CuNi) de hoogste nauwkeurigheid die ±0,5°C bedraagt.

Optische thermometers

Onder de temperatuursensors bevinden zich eveneens sensors die gebruik maken van optische verschijnselen. De meest algemene thermometerconstructies gebruiken glasvezels en pyrometrische sensors.

• Glasvezelthermometers

met indirecte werking maken voor de meting zelf gebruik van halfgeleidende GaAs, thermochrome, fotoluminescente en andere sensors die op het einde van een glasvezelkabel zijn gemonteerd. Vervolgens wordt het signaal uit de temperatuursensor via de glasvezelkabel naar de opto-elektrische omzetter gestuurd.

Bij glasvezelsensors met directe werking is de glasvezel zelf het gevoelige element. Gebruikmakend van het lichtverstrooiingsverschijnsel kan uit de verandering van de brekingsfactor of wijziging van de terugkoppeling van twee glasvezelkabels de gemiddelde temperatuur van de glasvezelkabel of zelfs de temperatuurspreiding in een bepaald deel van de glasvezelkabel worden afgeleid.

Glasvezelsensors worden vanwege hun specifieke eigenschappen vooral toegepast als specialistische thermometers.

Ze zijn bestand tegen chemische en mechanische invloeden, niet gevoelig voor elektrische en magnetische velden, noch voor elektromagnetische storingen. Ze beschikken over een potentieel meetbereik van -200°C tot maar liefst 2000°C, goede dynamische eigenschappen en de mogelijkheid om het signaal over grote afstanden te verzenden.

• Pyrometrische sensors (pyrometers)

horen tot de groep contactloze temperatuursensors. Dat is een onderscheidende eigenschap, waardoor de meting een niet-invasief karakter heeft en de pyrometrische sensor geen warmte hoeft uit te wisselen met het gemeten object om een meting te kunnen verrichten.

Op deze manier wordt het temperatuurveld tijdens de meting niet verstoord, en zijn zijn dynamische eigenschappen onvergelijkbaar beter. Pyrometrische sensors verwerken de warmtestraling (temperatuurstraling) die wordt uitgezonden door alle lichamen. De warmtestralingsintensiteit is sterk afhankelijk van de temperatuur en bevindt zich hoofdzakelijk in het gebied van infraroodstraling en zichtbaar licht.

Pyrometrische sensors maken gebruik van optische systemen die zijn opgebouwd uit lenzen, glasvezelkabels en spiegels die het optische signaal richten op thermische detectors of fotodetectors. De warmtestraling (infrarood licht, zichtbaar licht) kunnen van een zekere afstand van het gemeten object worden gemeten, omdat het niet sterk wordt gestoord. Pyrometers voeren daarom puntmetingen van temperatuur op afstand uit. Helaas is de intensiteit van de warmtestraling niet alleen en uitsluitend afhankelijk van de temperatuur. De aard van het materiaal en de fysische eigenschappen van de oppervlakte (gladheid, porositeit, bedekking met oxides, lichtreflectie, en andere) zijn ook van invloed op de emissie van warmtestraling. De capaciteit voor warmtestraling wordt uitgedrukt in de emissiecoëfficiënt. Deze parameter wordt uitgebreider beschreven in het artikel: Emissiecoëfficiënt - invloed op de nauwkeurigheid van temperatuurmetingen.

Pyrometrische thermometers kunnen metingen uitvoeren binnen een temperatuurbereik van 50°C tot maar liefst 3000°C. De hoogste meetnauwkeurigheid op het niveau van 0,5% worden bereikt door foto-elektrische en multiband pyrometers. Tegelijkertijd duurt de meettijd die hun dynamische eigenschappen bepaalt niet langer dan 1 seconde, en in het geval van foto-elektrische pyrometers bedraagt deze van 5 tot 100 milliseconden.

Nadeel van het merendeel van de eenvoudige pyrometrische handthermometers is de noodzaak om de emissiviteit in te stellen tijdens de meting en om de diameter exact en loodrecht te richten op het gemeten oppervlak.

Een uitwerking van het concept van contactloze optische sensors zijn warmtebeeldcamera's die in principe op dezelfde manier werken als pyrometrische puntsensors, met dat verschil dat ze met de juiste resolutie de temperatuurspreiding op het oppervlak meten.

Vergelijking van de eigenschappen

Vanwege het grote aantal verkrijgbare temperatuursensors en -omzetters is de keuze voor de juiste oplossing vaak een groot probleem. In de tabel hieronder staat een vergelijking van de standaard en meest toegepaste sensortechnieken weergegeven.

Tab. 3. Vergelijking van de basiseigenschappen van temperatuursensors en -omvormers.

Aanduiding belang van de parameter:

*** groot

** gemiddeld

* klein

Samenvatting

Onder temperatuursensors in het industriële temperatuurbereik van -25°C ÷ 125°C is steeds duidelijker de moderne trend zichtbaar waarin de prijzen van zowel de sensors, meetomzetters en kant-en-klare systemen voor het meten en registreren van temperatuur naar elkaar toe kruipen. Elektronische thermometers en temperatuurrecorders uit de middenklasse die gebruik maken van thermokoppels en RTD-thermoresistors zijn qua prijs met elkaar vergelijkbaar. In dezelfde prijsklasse worden ook pyrometrische thermometers en eenvoudige warmtebeeldcamera's aangeboden. Alle genoemde typen meetinstrumenten zijn beschikbaar in het aanbod van AXIOMET.

Bij een aanzienlijke vergroting van de meetnauwkeurigheid, dynamiek, meetbereik of meetresolutie neemt de prijs van de thermometer met grote sprongen toe. In dat geval is de hier gepresenteerde fundamentele kennis en het overzicht over het meten van temperaturen noodzakelijk om de juiste sensor te kiezen.