Temperaturmätning

Att erhålla temperaturer i system genom mätningar är inte helt problemfritt. Alla kroppar som befinner sig i ett system strävar efter att uppnå termisk jämvikt. Termisk jämvikt uppstår då utjämning mellan de olika kropparnas temperatur har skett och värmetransporten mellan kropparna upphört. För att erhålla korrekta uppgifter på temperaturen i ett system krävs att mätintrumentet och systemet står i termisk jämvikt med varandra.

De instrument som används vid framtagning av temperaturer i specifika system bör i största möjliga mån ha god noggrannhet. För att detta skall vara möjligt att garantera krävs att instrumentet är kalibrerat enligt förutbestämda riktlinjer.

Vid bestämning av temperaturen i ett system finns en rad olika metoder, till exempel:

• Termoelement
• Resistanstermometrar
• Halvledartermometrar
• Strålningspyrometri

För att få bäst information vid val av mätutrustning för temperaturmätningar bör direktkontakt tas med eventuella leverantörer av mätutrustning.
 

Mätning av temperatur

Temperaturmätare omvandlar temperatur till en avläsbar storhet på platsen där temperaturen mäts. Exempel på sådana mätare är glastermometrar och bimetalltermometrar.

Temperaturgivare omvandlar temperaturen till en signal som överförs till ett centralt övervakningsställe eller till en regulator. Exempel på sådana givare är termoelement och resistanstermometrar.

Det finns några olika mätprinciper för att kunna mäta på olika processmedier och temperaturområden. Man måste således utgå från processmediets egenskaper för att välja mätprincip. Vanligen anges temperaturen i grader Celsius (°C) men även grader Kelvin (K) används i vissa sammanhang. K anger den absoluta temperaturen som är 273.15 grader högre än °C.

Det viktigaste att komma ihåg vid temperaturmätning är att all mätning bygger på värmeöverföring. Detta innebär att om en temperaturgivare sticker ut utanför exempelvis en tank där temperaturen ska mätas så påverkas den starkt av omgivningstemperaturen.

Termoelement och resistanstermometrar placeras alltid i ett skyddsrör. Skyddsrörets längd innanför och utanför fästpunkten är mycket viktig, se figur. Längden innanför (l2) ska vara så lång att spetsen kommer in dit temperaturen ska mätas. Längden utanför (l1) ska vara anpassad till eventuell isolering och temperatur på kopplingshuvudet.
 

Termoelement

Termoelement består av två metalltrådar av olika material som är sammanfogade till en sluten krets. Vid sammanfogningspunkterna bildas en emk som är beroende av temperaturen, emk:n som mäts är temperaturskillnaden mellan sammanfogningspunkterna som sedan omvandlas till en temperatur. Temperaturen för båda sammanfogningspunkterna påverkar resultatet.

Termoelementsmaterial finns av olika karaktär som beror av ändamålet med mätningen. Vilket material som väljs beror av i vilket temperaturområde mätningarna skall ske samt hur miljön är där mätningarna skall genomförs och då avses den kemiska miljön.

Termoelement har bokstavsbetäckningar och som betecknar olika materialkombinationer. Enligt standarden IEC 60584 finns termoelement i följande olika typer E, J (järn-konstantan), K (chromel-alumel), N (NiCrSi-NiSi), T (koppar-konstantan),  R (platina 13% rhodium-platina), S (platina 10 % rhodium-platina), B (platina 30 % rhodium-platina 6% rhodium). Vanligast är typerna K och N följda av ädelmetalltermoelementen S, R och B. Termoelement E, J och T ersätts ofta idag av typerna K/N och Pt100-givare. Termoelementen (K/N) är i form av metallmantlad kabel synnerligen robusta och beroende på dimensioner och önskad driftstid kan de användas upp till 1000 - 1200 °C.  I vissa kritiska miljöer kan det krävas att termoelementet är mantlat, inbyggt i en skyddande mantel av metall. De olika typerna av termoelement är lämpliga för olika temperaturområden.

Temperaturmätning via ett termoelement sker via termoelektriska fenomen där hela termoelementet är aktivt i processen för att skapa mätsignalen. Termoelement som utrustning kan användas på ett flertal olika tillvägagångssätt (vilket vi inte går in på här) där resultatet för samtliga tillvägagångssätt är desamma, en temperaturdifferens. Temperaturen som erhålls är inte absolut utan ytterligare temperaturmätning via en referens krävs för att få den absoluta temperaturen. 

Mätsignalen som erhålls vid temperaturmätning via termoelement är en svag spänning som inte är proportionell mot temperaturen. Omräkning mellan spänning och temperatur görs via tabeller som tillverkare vanligtvis tillhandahåller. I vissa mätinstrument finns inprogrammerade omvandlingsmetoder mellan spänning och temperatur som sker automatiskt. Dessa omvandlingsmetoder kan i vissa fall ha dålig noggrannhet så vid mycket noggranna mätningar kan det vara bättre att mäta spänningen och på egen hand räkna fram sambandet. Nedan följer ett antal för- respektive nackdelar med att välja termoelement. 

Resistanstermometrar

I resistanstermometrar används vanligtvis platina som material. Metoden bygger på att resistansen hos en metall, i detta fall platina, förändras med temperaturen. Den vanligaste förekommande resistanstermometern är Pt 100 som står för att resistansen är 100 Ohm vid 0 °C.  Där Pt är den kemiska betäckningen för platina. Givarelementet består av ett platinableck som har den nominella resistansen 100 Ω vid 0 °C. Det finns även andra resistanstermometrar som t. ex. Ni500 (Nickel givare med nominella resistansen 500 Ω).
Pt100 är mekaniskt ömtåligare än termoelement. Vid miljöer med mycket vibration bör Pt100-givare generellt undvikas. Pt100-givare är dock väsentligt stabilare och därmed betydligt noggrannare än termoelement inom sitt temperaturområde.

Vid industriell mätning kan man välja mellan 3- och 4-ledarkoppling.

Det vanligaste är att signalen från temperaturgivaren omvandlas till 4-20 mA för att sedan distribueras vidare. Omvandlaren kan sitta direkt i givarens kopplingshuvud eller i ett skåp. Om det är ett termoelement måste kabeln mellan givaren och omvandlaren vara en så kallad kompensationsledning som är vald efter termoelementets typ. Den omnämnda termometern kan köpas in i olika kvalitetsklasser där de med bäst kvalité har mycket god noggrannhet.

En faktor som kan påverka noggrannheten negativt är den resistans som kan finnas i ledningen mellan systemet och mätinstrumentet. Liksom vid temperaturmätning via termoelement så är funktionen mellan resistans och temperatur  inte linjär. Därmed behövs tabeller för beräkning av temperaturen utifrån den framtagna resistansen. Nedan följer ett antal fördelar respektive nackdelar med denna mätmetod.

Halvledartermometrar

Temperaturmätning via halvledartermometrar finns i många olika utförande och utnyttjar det temperaturberoende som finns hos halvledarmaterial. I många tekniska system finns halvledartermometrar inbyggda som en sorts givare för övervakning. Noggrannheten för denna typ av termometer utvecklas kontinuerligt och därmed förbättras det linjära sambandet ständigt även för de halvledartermometrar som är billiga och enkla. Så till skillnad från mätning av temperaturen via termoelement eller resistanstermometrar så är funktionen för halvledartermometrar hyfsat linjär. Nedan specifieras ett antal fördelar respektive nackdelar med denna metod.

Strålningspyrometri

Temperaturmätning via strålningspyrometri bygger på att elektromagnetisk strålning emitteras från uppvärmda ytor. Genom att mäta den strålning som emitteras så kan temperaturen beräknas fram. Denna typ av metod kallas även ”beröringsfri temperaturmätning” vilket är mycket positivt eftersom ytan där mätning sker inte påverkas på något sätt. Det finns en stor mängd mätinstrument som bygger på denna teknik där de enklaste är handinstrument med vilka det snabbt och enkelt går att mäta temperaturen på en viss yta. Här nedan finns en sammanställning över för- respektive nackdelar med strålningspyrometri.