INC336 Temp measurement - inc.kmutt.ac.thinc.kmutt.ac.th/course/inc336/temp.pdf · for only 4...

MEASUREMENTMEASUREMENTTEMPERATURETEMPERATURE

By Dr. By Dr. DiewDiew KoolpiruckKoolpiruck

Revised by Revised by SompornSomporn

Again by Again by WanchakWanchakINC 336 Industrial process measurement, 2008INC 336 Industrial process measurement, 2008

AGENDAAGENDA

A. IntroductionA. Introduction

B. ThermalB. Thermal--expansion methodsexpansion methods

C. ThermocouplesC. Thermocouples

D. ElectricalD. Electrical--resistance sensorsresistance sensors

E. Junction SemiE. Junction Semi--Conductor sensorsConductor sensors

F. Digital ThermometerF. Digital Thermometer

G. Fiber optic ThermometersG. Fiber optic Thermometers

H. Pyrometers H. Pyrometers

INC 336 Industrial process measurement, 2008INC 336 Industrial process measurement, 2008


The zero law of thermodynamics: two bodies to be said to have the same temperature, they must be in thermal equilibrium.

Temperature Scale:Temperature Scale:

• Thermodynamic Kelvin scale

• Celsius scale

• Farenheit scale

• Reaumur scale

• Rankine scale

• International Practical Temperature scale

Daniel Fahrenheit(1686-1736)

Anders Celsius

(1701-1744)

William Thomson

(Lord Kelvin, 1824-1907)

Rene Antoine Ferchault

de Reaumur (1683-1757).

อณหภม : ระดบของความรอนหรอความเยนของวตถหรอสภาพแวดลอม ณ.จดอางองหนงๆ ทแนนอน

กาลเลโอ : คนพบเครองวดอณหภม ในป ค.ศ. 1592 แตยงใชงานไดไมดนก ตอมามผผลตเครองวดอณหภมจนใชงานไดด โดยทาเปนหลอดปลายปดสญญากาศ แตกยงไมม Scale เปนทยอมรบ

• 0°C : อณหภมของจดแขงของนา

• 100 °C : อณหภมของจดนาเดอด• 0°F : อณหภมของนาแขง + เกลอ• 0°K : อณหภมศนยองศาสมบรณ (Zero Abs. temp.) คอจด

ทไมมพลงงานความรอนอยในอะตอม อเลกตรอนตางๆ จะหยดโคจร• 273.16°K : จด triple point ของนา = 0.01 °C


0°K

273.16 °K = 0 °C

K

The single combination of pressure and temperature at which water, ice,

and water vapour can coexist in a stable equilibrium occurs at exactly 273.16 K (0.01 °C) At that point, it is possible to change all of the substance to ice, water, or vapor by making arbitrarily small changes in pressure

and temperature.

A. Introduction: Principle of temperature measurementA. Introduction: Principle of temperature measurement

• Thermal expansion techniquesThermal expansion techniques• Bimetallic• Liquid-in-glass• Filled Thermal

• Electrical TechniquesElectrical Techniques• Thermocouples• Electrical-resistance sensors• Junction Semi-conductor sensors

• Optical and Radiation techniquesOptical and Radiation techniques• pyrometer

• Chemical techniquesChemical techniques• Crayon• Lacker

*Contact

*Non-Contact

A. Introduction: Standard and CalibrationA. Introduction: Standard and Calibration

• International measurement system set up independent standards for only 4 quantities: length, time, mass, and temperature. Standard for all other quantities are basically derived from these.

• In 1927, the International Practical Temperature Scale (IPTS) was defined (revision in 1948, 1954, 1960, 1968, and 1990)

• IPTS was set up to conform as closely as practical with the thermodynamic scale. These primary fixed-point are listed as follows:

• the triple point of water (0.01 C)• the boiling point of liquid oxygen (-182.962 C)• the boiling point of water (100 C)• the freezing point of zinc (419.58 C)• the freezing point of silver (961.93 C)• the freezing point of gold (1064.43 C)


• Various secondary point also established:• A platinum resistance thermometer (-259.34 –630.74 C)• A platinum-10% rhodium and platinum thermocouple (630.74-1064.43 C)

Temperature fixedTemperature fixed--pointpoint

Temperature Calibrator


Uncertainties of temperature measuring instrumentsUncertainties of temperature measuring instruments


B1. Bimetallic ThermometersB1. Bimetallic Thermometers


B2. LiquidB2. Liquid--inin--glass Thermometersglass Thermometers


B3. Filled Thermal ThermometersB3. Filled Thermal Thermometers

1. Sensing Bulb : เปนสวนทรบรอณหภมทตองการวด

2. Capillary Tube : เปนทอเลกๆ ตอระหวาง 1 กบ 3

3. Pressure Sensing : เปนสวนเปลยนความดน เปนการเคลอนทไปขบเคลอนสวนชคา (4)

4. Indicator : สวนชคา

• โครงสรางของเทอรโมมเตอร

1. Bulb : กระเปาะทบรรจของเหลวทผนงยาง เพอใหความรอนถายเทไปยงกระเปาะไดดเปนสวนใชวดอณหภม

2. Stem : กานแทงแกวภายในเปนทอเลกๆ ใหของเหลววงขยายตว เมอไดรบอณหภม

3. Scale : ขดบอกอณหภม โดยดจากระดบของเหลว4. Contraction Chamber : ปองกนไมใหของเหลวหดตวเขาไปใน

กระเปาะมากเกนไป

5. Expansion Chamber : ปองกนไมใหของเหลวขยายตวมากเกนไป ถาไมม เทอรโมมเตอรอาจแตกได

6. Immersion Ring : ขดบอกวาใหจมลงไปถงระดบใด

B. B. ThermometersThermometers

C. ThermocouplesC. Thermocouples

Thermocouple protectionhead probe

Thermocoupleprobe

Thermocouplesheath options

Basic thermocoupleBasic thermocouple

C. Thermocouples: PrincipleC. Thermocouples: Principle

•• SeebeckSeebeck Effect:Effect: bonding wires of two dissimilar metals together to form a bonding wires of two dissimilar metals together to form a closed circuit caused an electrical current to flow in the circuclosed circuit caused an electrical current to flow in the circuit whenever a it whenever a difference in temperature was imposed between the end junction.difference in temperature was imposed between the end junction.

•• ปป คค..ศศ.. 18211821 SeebeckSeebeck พบวาพบวา ถาใชโลหะสองชนดตอกนเปนวงจรปดถาใชโลหะสองชนดตอกนเปนวงจรปด และใหและให 22

จดตอมอณหภมตางกนจดตอมอณหภมตางกน จะจะเกดกระแสไฟฟาไหลเกดกระแสไฟฟาไหลรอบๆรอบๆ วงจรวงจร

T2>T1T1 T2

cu

Ir

ปรมาณการไหลของกระแสไฟฟานจะมากหรอนอยขนอยกบผลตางของ

อณหภมทปลายจดตอทงสอง

Metal A

Metal B


eab

eab = Seebeck Voltage

eab = αΔTSeebeck ไดจดอนกรมของโลหะไว 35 ชนด ตามลาดบของคณสมบตทางไฟฟาความรอนในวงจรทสรางขนโดยโลหะสองชนดใดๆ ทกระแสไหลทไหลทจดตอรอนจะไหลจากโลหะในลาดบหนาไปลาดบหลงในอนกรม

สวนหนงของอนกรม Seebeck มดงน

Bi – Ni – Co – Pd – Pt – U – Cu – Mn – Ti – Hg – Pb –Sn – Cr – Mo – Rh – Ir – Au – Zn – W – Fe – As – Sb

PeltierPeltier Effect:Effect: When the electric current flows in the same When the electric current flows in the same direction as the direction as the seebeckseebeck current, heat is absorbed at the hotter current, heat is absorbed at the hotter junction and liberated at the colder junction. (fundamental basijunction and liberated at the colder junction. (fundamental basis for s for thermoelectric cooling and heating).thermoelectric cooling and heating).

•• คค..ศศ.. 18341834 PeltierPeltier พบวาพบวา เมอกระแสไหลผานจดตอของโลหะเมอกระแสไหลผานจดตอของโลหะ 22 ชนดชนด ความรอนจะถกดดกลนทจดตอความรอนจะถกดดกลนทจดตอ เมอกระแสไหลในทศทางหนงเมอกระแสไหลในทศทางหนง

และจะปลอยความรอนถากระแสไหลในทศทางกลบกนและจะปลอยความรอนถากระแสไหลในทศทางกลบกน

ตวอยางตวอยาง ถาจดตอของเหลกถาจดตอของเหลก –– ทองแดงทองแดง ( (IrIr –– Cu)Cu)ความรอนจะถกดดกลนเมอกระแสไหลจากทองแดงไปเหลกความรอนจะถกดดกลนเมอกระแสไหลจากทองแดงไปเหลก และปลอยและปลอย

ความรอนเมอกระแสไหลจากเหลกไปทองแดงความรอนเมอกระแสไหลจากเหลกไปทองแดง

((โลหะแตละชนดนนแรงยดเหนยวของโลหะแตละชนดนนแรงยดเหนยวของelectron electron มไมเทากนมไมเทากน))

Q = Q = ¶¶IIΔΔTT Q = Q = ปรมาณความรอนทถายเทปรมาณความรอนทถายเท ,, ¶¶ == PeltierPeltier CoefficientCoefficient

I = I = กระแสไฟฟากระแสไฟฟา ,, ΔΔTT = = ผลตางของอณหภมผลตางของอณหภม 22 จดจด


•• Thomson Effect:Thomson Effect: A temperature gradient in a metallic conductor is A temperature gradient in a metallic conductor is accompanied by a small voltage gradient whose magnitude and accompanied by a small voltage gradient whose magnitude and direction depend on the particular metal. Thus allowing the use direction depend on the particular metal. Thus allowing the use of of extension wires with thermocouples because no electromotive forcextension wires with thermocouples because no electromotive force is e is added to the circuit.added to the circuit.

•• ThomsonThomson พบวาถาใหความรอนทจดตอหนงเพมขนเรอยๆพบวาถาใหความรอนทจดตอหนงเพมขนเรอยๆ โดยใหจดตออกโดยใหจดตออก

จดรกษาอณหภมไวคาหนงจดรกษาอณหภมไวคาหนง คาของกระแสไฟฟาทไหลในวงจรคาของกระแสไฟฟาทไหลในวงจรจะเพมจะเพมขนเรอยๆขนเรอยๆ แตเมอเพมตอไปเรอยๆแตเมอเพมตอไปเรอยๆ จนถงจดๆจนถงจดๆ หนงกระแสเรมลดลงๆหนงกระแสเรมลดลงๆ และผานศนยซงกคอและผานศนยซงกคอ

กลบทศของกระแสนนเองกลบทศของกระแสนนเอง



nny-0.236 - 18.698-50 - 1768Platinum 10% Rhodium - PlatinumS

nny-2.26 - 21.108-50 - 1768Platinum 13% Rhodium - PlatinumR

nny-9.835 - 76.358-270 - 1000Chromel - ConstantanE

yyy-6.258 - 20.869-270 - 400Copper - ConstantineT

nny-6.458 - 54.875-270 - 1372Cromel - AlumelK

yyy-8.096 - 42.922-210 - 760Iron - ConstantanJ

VacuumReducingOxidizingE (mV)temp range (C)MaterialType

Comparison between standard thermocouples

Thermocouples: Color codeThermocouples: Color code

http://www.omega.com/techref/thermcolorcodes.html

C. Thermocouples: Practical rulesC. Thermocouples: Practical rules•• Law of the homogeneous circuit:Law of the homogeneous circuit:A thermocouple current cannot be sustained in circuit A thermocouple current cannot be sustained in circuit of a single homogeneous material.of a single homogeneous material.

•• Law of Intermediate Material:Law of Intermediate Material:The algebraic sum of the thermoThe algebraic sum of the thermo--electromotive forces electromotive forces in a circuit composed of any number of dissimilar in a circuit composed of any number of dissimilar materials is zero if all of the circuit is at uniform materials is zero if all of the circuit is at uniform temperature. temperature. This means that a third homogeneous This means that a third homogeneous material always can be added to a circuit with no effect material always can be added to a circuit with no effect on the net EMF of the circuit as long as its extremities on the net EMF of the circuit as long as its extremities are at the same temperature.are at the same temperature.

•• Law of Intermediate Temperature:Law of Intermediate Temperature: Algebraic Algebraic summation of EMF can be determined when the summation of EMF can be determined when the junctions are at different temperatures (see in figure):junctions are at different temperatures (see in figure):

Type T copper-constantan

Type J Iron(Fe)-constantan

V3=V4Fe

C. Thermocouples: Reference JunctionC. Thermocouples: Reference Junction

ThermocoupleThermocouple จะใหแรงเคลอนไฟฟาออกมาจะใหแรงเคลอนไฟฟาออกมา เนองจากความแตกตางของอณหภมทเนองจากความแตกตางของอณหภมท

จดวดจดวด ((measuring junction)measuring junction) เทยบกบอณหภมทจดอางองเทยบกบอณหภมทจดอางอง

ดงนนในการใชงานตองมวธการเพออานคาของดงนนในการใชงานตองมวธการเพออานคาของ Thermocouple Thermocouple ไดถกตองไดถกตอง เมออณหภมทจดวดคงทแตจดอางองไมคงททาใหแรงเคลอนไเมออณหภมทจดวดคงทแตจดอางองไมคงททาใหแรงเคลอนไฟฟาเปลยนทงๆฟฟาเปลยนทงๆ ทอณหภมททอณหภมท

จดวดคงทจดวดคงท ทาใหคาทไดไมถกตองทาใหคาทไดไมถกตอง

•• วธควบคมวธควบคม Reference JunctionReference Junction เพอใหอานคาไดถกตองเพอใหอานคาไดถกตอง

วธทวธท 11 Fixed Reference TemperatureFixed Reference Temperature

วธทวธท 22 Electronic Reference CompensateElectronic Reference Compensate

วธทวธท 33 Mechanical Reference CompensateMechanical Reference Compensate

C. Thermocouples: C. Thermocouples: Fixed Reference TemperatureFixed Reference Temperature

1. รกษาอณหภมท Reference Junction ใหคงทดวยนาแขงหรอเครองทาความเยน

2. รกษาอณหภมท Reference Junction ใหคงทดวยoven เปนอปกรณทาความรอนทรกษาอณหภมใหคงท 50 องศาเซลเซยส

C. Thermocouples:C. Thermocouples: PrinciplePrinciple

วธนจะใชวงจรบรดจตออนกรมเขาไปในวงจรเทอรโมคปเปลโดยใชคาความ

ตานทานทเปลยนคาตามอณหภมเชน RTD, Thermister ตอเขาเปนสวนหนงของบรดจ เมอณหภมท Reference Junction เปลยนไปทาใหบรดจเกดไมสมดล จงเกดแรงดนไฟฟาไปเสรมวงจร Thermocouple ทาใหชคาถกตองเสมอ

3.3. Electrical Reference CompensateElectrical Reference Compensate

4. Mechanical Reference Compensate

ใชกบเครองแสดงคาแบบ Moving Coil และม Reference อยทเครองแสดงคา จะใช Bimetallic เปนตว Compensate เขม เมอ Reference Junction อณหภมสงขน Bimetallic จะโกงตวดงเขมเขาชอณหภมตามจดวดตลอดเวลา

C. Thermocouples: Hardware CompensationC. Thermocouples: Hardware Compensation

• การใชงานจรงระยะทางจากจดวด และ Reference Junction มกจะอยหาง

กน แตเนองจากสายเทอรโมคปเปลมราคาแพงมาก จงตองหาสายทม

ราคาถกกวามาใชตอแทน ในชวงของ Connecting head ของเทอร

โมคปเปลกบ Reference Junction สาย Extension Wire ตองมคณสมบต

โคงงอไดงาย และใชกบอณหภมทไมสงมากนก

C. Thermocouples: Extension WireC. Thermocouples: Extension Wire

สาย Extension Wire ม 2 แบบ คอ

1. ทาจากโลหะประเภทเดยวกบเทอรโมคปเปล หรอทาจากสารทม

คณสมบตใหแรงเคลอนไฟฟาเหมอนเทอรโมคปเปลทกประการ สาย

ชนดนเรยกวา Compensating Extension Wire

2. ทาจากโลหะชนดเดยวกนทงสองเสน ไมมคณสมบตทางแรงเคลอนไฟฟา

ความรอน

*สวนใหญสาย Extension Wire จะทนอณหภมไดไมเกน 200ºC

• เชนนาเทอรโมคปเปลชนด J ซงมจดอางองท 30 °Cไปวดท 400 °C วธการหาแรงเคลอนใหมทไดคอ ขนแรกหาแรงเคลอน ณ อณหภมทตองการอางองใหมจากตาราง ในทนคอ 30 °C ณ จดอางอง 0 °C จากตาราง พบวามแรงเคลอน 1.54 mV (เรยกคาทหาไดนวาตวประกอบ) หลงจากนนกนาคานไปลบออกจากแรงเคลอนทจดวดท 400 °C เมอจดอางองเปน 0 °C หรอเขยนเปนขนตอนไดดงน

• V(30 °C ) = 1.54 mV (ชนด J , 0 °C ref.) ขนแรก

• และ V(400 °C ) = 21.85 mV (ชนด J ,0 °C ref.)ขนทสอง

• นาคา (ตวประกอบ) ทไดจากขนทสองมาลบออกจากขนแรก ทาใหไดแรงเคลอนซงขนอยกบความแตกตางนเปน

• V(400 °C ) = 20.31 mV (ชนด J ,30 °C ref.)

• เพอหลกเลยงความสบสนของจดอางองจะเขยนในแบบใหม เชน Vj0 จะหมายถงแรงเคลอนของเทอรโมคปเปลชนด J อางองท

• 0 °C และ Vj30 หมายถงของชนด J อางองท 30 °C

• สายเทอรโมคปเปลทผลตออกมาขายนน เราไมสามารถทจะทาการ

ปรบแตงเพอใหมแรงเคลอนไฟฟาตาม Table ได เราทาไดเพยง

ตรวจสอบดวามแรงเคลอนไฟฟาอยในพกดหรอไมเทานน แตการ

Calibration ในหวขอนจะเปนการ Calibrate ตว Indicator และตว

Transmitter เทานน

• กรณ Oven

เมอใช Oven เปนตวรกษาอณหภม Reference Oven ทวไปจะรกษา

อณหภมท 50ºC

การปรบแตง Zero และ Span ท Indicator หรอ Transmitter

Ex. Indicator ม range 0-500ºC ใชกบเทอรโมคปเปล Type K แตให

ปอน Millivoltage source แทน

C. Thermocouples: CalibrationC. Thermocouples: Calibration

Cu

Cu

Oven 50ºC

Room Temp 25ºC

Millivoltage Source

การปรบ Zero

เปรยบเสมอนการวดอณหภม

0ºC จรงๆ ในการปอน millivolt

เขาไปตองดวาในขณะตอใชงาน

จรง แรงเคลอนไฟฟาท indicator

ไดรบจากเทอรโมคปเปลเปน

เทาไร?

วธคด ตองเปรยบเทยบกบคาในตารางมาตรฐานและสมการของการเกดแรงเคลอนไฟฟา

V = VTm - VTR

ดงนน การปรบ Zero เพอให indicator ช 0ºC ตองปอน millivolt =

0.0000 – 2.02 = -2.02 mV

C. Thermocouples: CalibrationC. Thermocouples: Calibration

ใหปรบปม Zero ให indicator ช 0ºC หรอ ปรบให Transmitter จายกระแส

ออกไป 4 mA

การปรบ Span

เปรยบเสมอนการวดท 500ºC จรงๆ ดงนนตองปอนแรงดน V = ?

V = 20.65 – 2.02 = 18.63 mV

ปรบปม Span ให Indicator ชคา 500ºC หรอ Transmitter จายกระแส 20 mA

ในการปรบ Zero กบSpan ตองปอน Voltage และปรบกลบไปกลบมาระหวาง

Zero และ Span หลายๆ ครง จนไดคาตามตองการvs Smart Transmitter

กรณ Ovenในการปฏบตงานบางครงจาเปนตองปอน Source เขาทสาย extension wire

ดงรป

การปรบ Zero Ambient Temp 30ºC, Reference Junction Temp 50ºC สายท

ใชเปน Type K ดงนนจะมแรงเคลอนไฟฟาเหมอน Tc ทกประการ

ดงนน V = VTA – VTR

= 1.20 – 2.02 = -0.82 mV

แตในขณะตอใชงานจรงท indicator ไดรบ V = VTm-VTR

= 0.0 – 2.02 = -2.02 mV

ฉะนน ตองปอนแรงเคลอนไฟฟาเขาไปในสายเทากบ x mV

-2.02 = -0.82 + x

x = -2.02 + 0.82 = -1.2 mV

เพอใหแรงเคลอนไฟฟาทงหมดจาก Source รวมกบทเกดในสายแลวเทากบ

-2.02 mV

หรอสามารถคดอกวธวาแรงเคลอนไฟฟาควรเปนเทาไรเมอวด 0ºC

V = VTm – VTA = 0.00 – 1.2 = -1.2 mV

การปรบ Span• ปกตวดอณหภม 500ºC Ref. Jn. 50ºC Thermocouple จะให

แรงเคลอนไฟฟาออกมา?

V = VTm – VTR

= 20.65 – 2.02 = 18.63 mV

แรงเคลอนไฟฟาทเกดขนท Extension wire

V = VTA – VTR

= 1.2 – 2.02 = -0.82 mV

ฉะนน ตองปอน Voltage Source = 18.63 – (-0.82) = 19.45 mV

หรอคดวา Thermocouple ตองจาย Voltage ออกมาเทาไร?

V = VTM – VTA = 20.65 -1.2 = 19.45 mV

การCalibrate Indicator หรอTransmitter#Type K ในกรณ Reference

Junction เปนแบบ Auto-compensation ขณะท Reference Junction ม

อณหภม 25ºC วงจร Auto-

Compensate จะสราง 1 mV

เมอตองการปรบ Zero ตอง

ปอน Voltage?

V = VTm – VTR = 0.0 – 1.0 = -1.0 mV

ฉะนน ตองปอน -1.0 mV เขาทจดตอ Reference Junction เพอหกลางกบวงจร

ชดเชย

ตอนปรบ Span 500ºC ตองปอน Voltage = 20.65 – 1 = 19.65 mV เขาท Ref.Jn.

• Sensing Element - Thermocouple

• Thermocouple Junction เปนจดตอทอยท Connecting Head

• Thermocouple Insulators เปนฉนวนทกนระหวางสาย

Thermocouple 2 เสนไมใหแตะกน

C. Thermocouples: C. Thermocouples: สวนประกอบสวนประกอบ

ฉนวนม 2 ชนด

1. Nonceramic Insulation – Teflon, PVC

2. Hard Fired Ceramic Insulation - aluminum-oxide

Protection tube เพอปองกนเทอรโมคปเปลจากสภาวะการใชงาน เชน จากสาร

กดกรอน, ความเรวในการไหล, ปองกนสาย Tc ซงมราคาแพง

C. Thermocouples: C. Thermocouples: ThermowellThermowell

For intrusive fitting, protection, easy cleaning. But slow down the response


D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD)

Sir Humphrey Dery ไดพบความสมพนธของความตานทานไฟฟาของ

โลหะตออณหภม และ ค.ศ. 1835 Faraday ไดผลต Resistance

Thermometer โดยใชหลกการ Thermoresistive และไดมการปรบปรงและ

พฒนา จนไดนามาใชในอตสาหกรรมในทสด

หลกการของความตานทานไฟฟาตอความรอน เมออณหภมสงขนความตานทานไฟฟาจะมากขนตาม (Positive Temperature Coefficient of

Resistance) ( )t 0R R 1 t= +α

R0 : ความตานทานลวดโลหะทอณหภมอางอง (ปกต 0ºC)

Rt : ความตานทานทอณหภม t ºC

α : สมประสทธของการเปลยนคาความตานทานไฟฟาตออณหภม

( )2 1 0 2 1R R R t t= + α −



RTD protectionhead probe

RTD probe

....)1( 320 ++++= cTbTaTRRT

Platinum Resistance Thermometer

• เปนโลหะทนยมใชทาRTDมากทสด เพราะมยานการวดอณหภมกวาง และทนสภาวะการใชงาน

ในบรรยากาศตางๆ ไดด ส.ป.ส.ความตานทานไฟฟาตออณหภม a = 0.00385Ω/ Ω/ºC และ

Platinum ยงเปนมาตรฐานของอตสาหกรรมในองกฤษและยโรปตะวนตก เพราะ Platinumเปน

โลหะทมความเทยงตรงสงในการทาเครองมอวดอณหภม Range : -100 ถง 890 ºC (PT-100)

• PT-100 : ความตานทานของPlatinumท 0 ºC =100 Ω• PT-50 : ความตานทานของPlatinumท 0 ºC =50 Ω

• Nickel RTD ยงไมเปนมาตรฐานทผผลตจะเลอก ส.ป.ส. ความตานทานตออณหภมเปนคาใดแน

จงทาใหลาบากในการเลอกใชอปกรณทเหมาะสม และยงไมสามารถใชกบยหออนได แตจะม ส.

ป.ส. ประมาณ a = 0.0066 Ω/ Ω/ºC

• Copper Resistance Thermometer เปนแบบทม Linearity ในการวดดทสด แตยานการใชงานแคบ

ประมาณ -200 ถง 150ºC ปกตทผลตจะมความตานทาน 10 และ 25Ω ท 0ºC

Nickel and Copper Resistance Thermometer

• Performance Characteristic

Accuracy ในการตรวจสอบความถกตองของการเปลยนแปลงคา

ความตานทานตออณหภม มวธการเทยบ (calibrate) กบจดตางๆ

ดวยกน 6 จด


the triple point of water (0.01 C)

the boiling point of liquid oxygen (-182.962 C)

the boiling point of water (100 C)

the freezing point of zinc (419.58 C)

the freezing point of silver (961.93 C)

the freezing point of gold (1064.43 C)


Stability ความไวใจไดในการใชงาน (เสถยรภาพ) ในทนเปนการ

ทดสอบตอ Drift

Drift คอการแปรสภาพไปตามอายการใชงาน ตรวจสอบโดย


1. นา RTD ไปอยในอณหภม 0 ºC ประมาณ 24 – 28 ช.ม.

2. แลวนามาไวในอณหภมหองประมาณ 24 ช.ม.

3. แลวนากลบไปทอณหภม 0 ºC อก

4. แลวตรวจดวาคาความตานทานมการเปลยนแปลงหรอไม

ถามคาการเปลยนแปลง หรอ Drift ตองอยในคาทกาหนด

(0.05 Ω)


Repeatability วดซาๆ คาเดม แตละครงตองเบยงเบนไมเกน 0.08 Ω

Response Time ตรวจสอบความไวในรป Time Constant เปนเวลาตงแตท Step Change อณหภมไป จนอานคาได 63.2% ของอณหภมท Step Change ไป เชนในการทดสอบเรมจากอณหภม 0 ºC เปลยนแบบ step change ไป 50 ºC คา Time Constant ตองนอยกวา 6 วนาท จงอยในกาหนด

Self-Heating เนองจาก RTD ตองมกระแสไฟฟาไหลผานตวมนจานวนหนง ทาใหเกดความรอนขน = I2R และความรอนนจะทาใหคาความตานทานของ RTD เพมขน แตทเพมขนไมใชเพมจากอณหภมภายนอกแตเพมจากอณหภมซงเกดจาก I2R นนเอง


1. Unbalance Bridge

RTD จะตดตงอยในจดทตองการวด ซงอยบนแขนขางหนงของ Bridge สวนความตานทาน

อนๆ มคาคงท เมอ RTD มอณหภม 0ºC จะทาใหวงจร Bridge สมดล DVM วดได 0 V

และเมออณหภมท RTD เพมขน จะทาใหคาความตานทานท RTD เพมขนตาม ทาใหวงจร

เกดไมสมดล และแรงเคลอนไฟฟาท DVM วดได จะมความสมพนธกบการเปลยนแปลงน

วธเหมาะสาหรบวดอณหภมอยางงาย ความถกตองไมสงมากนก


D1. Resistance thermometer (RTD) D1. Resistance thermometer (RTD) วงจรพนฐานวงจรพนฐาน

2. Balance Bridge

ดงรป โดยท R3 เปน R ปรบคาได เมออณหภมท RTD เพมขน จะทาใหความตานทานเพมขน

ทาใหวงจร Bridge ไมสมดล ใหปรบ R3 จน Bridge สมดลคอ DVM วดได 0 V คา R3 ทวดได

เปนคาเดยวกบคา RTD ทอณหภมนน

1. วธ 2 Wire

ใชในการตอสายตอระหวาง RTD กบ Bridge ยาวไมมากนกแตถาสายตอยาวมาก ความสมดล/ไมสมดลของ Bridge นนไมไดขนกบความตานทานท RTD อยางเดยว แตเกดทสายตอดวย

Ex. เมอ Bridge สมดล R1 ⋅RTD = R2 ⋅ R3

ถา R1 = R2, R3 = RTD

ฉะนนคา R3 คอคาของ RTD ท

อณหภมนนๆ สามารถนาไปเปด ตารางได


D1. Resistance thermometer (RTD) D1. Resistance thermometer (RTD) วธการตอใชงานวธการตอใชงาน

Ex. เมอ Bridge สมดล

R1 ⋅(RTD+r1+r2) = R2 ⋅ R3

ถา R1 = R2,

R3 = RTD + r1 + r2

ฉะนนคา R3 จะไมใชคาของ RTD อยาง

เดยว จงนาไปเปดตารางเลยไมได



2. วธ 3 Wire

เปนแบบมาตรฐานทนยมใชในอตสาหกรรม สายทง 3 ทตอมายใชในการตอสาย RTD ตองมความยาวเทากนตลอด 3 เสน เพอใหความตานทานของสายทง 3 เปลยนแปลงไปในทางเดยวกนตลอดเปนการชดเชยปญหาความผดพลาดทเกดจากสาย





A=B=C, R1=R2 เมอ Bridge สมดล

R2(R3+A) = R1(RTD+C)

เมอ R1 = R2, R3+A = RTD+C

และ A=B=C ดงนน R3 =RTD

สามารถนาคา R3 นไปเปดตารางหาคา

อณหภมของ RTD ได

Ex.



3. วธ 4 Wires

เปนแบบทมความถกตองทสด


D1. Resistance thermometer (RTD)D1. Resistance thermometer (RTD) การการตอใชงานจรงกบตอใชงานจรงกบ Transmitter Transmitter หรอหรอ DAQDAQ

4



Average temperature sensingAverage temperature sensing

Differential temperature sensingDifferential temperature sensing


D2. Bulk SemiD2. Bulk Semi--conductor sensor (conductor sensor (ThermistorThermistor))

The thermistor's resistance to temperaturerelationship to temperature is given by the Steinhart& Hart equation:

T = 1 / ( a + b.ln(R) + c.ln(R)3 )

where a, b and c are constants, ln( ) the naturallogarithm, R is the thermistors resistance in ohmsand T is the absolute temperature in °K. While theSteinhart & Hart equation is a close fit to practicaldevices, it does not always provide the precisionrequired over the full temperature range.

The resistors value should equal the thermistor's resistance at the mid-range temperature. The result is a significant reduction in non-linearity. 2200 ohm resistor in parallel with a 2252 ohm (at 25°C) thermistor.

Thermistors

• คณสมบตทวไปของ Thermistors

- มความตานทานปกตสงมาก

- การเปลยนแปลงคาความตานทานตออณหภมมคามาก 3-5% ตอ ºC

- เมออณหภมสงขน ความตานทานจะนอยลง

- ส.ป.ส. ความตานทานตออณหภมเปน nonlinearความสมพนธระหวางคาความตานทานกบอณหภม

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

00

11expTT

BRRT

R0 : คาความตานทานท Reference Temp. [T0 K] (Ω)

RT : คาความตานทานทอณหภม [T0 K] (Ω)

B : Constant ขนกบแตละชนด/แบบ ของ Thermister

กราฟเปรยบเทยบการตอบสนองตออณหภม

ของ Sensors ตางๆ

ตวอยางการตอบสนองตออณหภมของ Thermistor


D2. Bulk SemiD2. Bulk Semi--conductor sensor (conductor sensor (ThermisterThermister))

ThermistorThermistor linearization networkslinearization networks


D2. Bulk SemiD2. Bulk Semi--conductor sensor (conductor sensor (ThermisterThermister))


A summary of available semiconductor temperatures sensors is presented below, followed by more detail on some of the more popular devices. The sensors can be grouped into five broad categories:

• voltage output• current output• resistance output• digital output • simple diode types


Examples of circuit implementation using AD590Examples of circuit implementation using AD590

AD590: Two Terminal IC Temperature TransducerThe AD590 is a two-terminal integrated circuit temperature transducer that produces an output current proportional to absolute temperature.

Calibration

*adjust R

Apply reference temp

E.E. Examples of circuit implementation using AD590Examples of circuit implementation using AD590

AD580: High Precision2.5V IC Reference

A rate of change of the resistance value expressed in units of parts per million (ppm) when the temperature increases by 1°C to a reference temperature. It is generally used as a gauge to show the temperature stability of a resistive element

Comparison of Temperature TransducersComparison of Temperature Transducers

Comparison of thermocouple and RTD selectionComparison of thermocouple and RTD selection


Example of a connection of sensors to transmitterExample of a connection of sensors to transmitter

Non-contact Technologies• The uses of noncontact temperature sensors are many; the

understanding of their use is, in general, relatively poor. Part of that complication is often the need to deal with emissivity, or more precisely with spectral emissivity.

• In many industrial plants noncontact sensors are not yet standardized to the extent that thermocouples and RTDs are. In spite of this, there are numerous showcase uses of them and theymore than pay their way in process plants such as steel, glass, ceramics, forging, heat treating, plastics, baby diapers and semiconductor operations, to name just a few.

• Non-contact sensors are required because of contamination or hazardous environments where distance are great or temperature are too high for contact sensors.

Types- Radiation Thermometer: (single waveband) Pyrometers,Infrared

Thermal Imaging Cameras(with temperature measurement capability), Line measuring(Line-scanner) (two separate waveband) Ratio Pyrometer

- Fiber Optic Thermometer

H. PyrometersH. Pyrometers

H. PyrometersH. PyrometersRadiation pyrometers Radiation pyrometers

Based on Planck's Law of the thermal emission of electromagnetic radiation , radiation pyrometers are calibrated in units of power, such as microwatts, watts, kilowatts, temperature measurement devices are calibrated in units of temperature.

Energy Electric Signal Temp

A pyrometer has an optical system and detector. The optical system focuses the thermal radiation onto the detector. The output signal of the detector(Temperature T) is related to the thermal radiation of the target object through the Stefan–Boltzmann law.

The output of the detector is proportional to the amount of energy radiated by thetarget object (less the amount absorbed by the optical system), and the responseof the detector to the specific radiation wavelengths. This output can be used toinfer the objects temperature.

Two important consideration• Field of view: The field of view is the angle of vision at which the

instrument operates, and is determined by the optics of the unit. To obtain an accurate temperature reading, the target being measured should completely fill the field of view of the instrument.

• Emissivity: The emittivity, or emittance, (є)of the object is animportant variable in converting the detector output into an accuratetemperature signal. It is defined as a ratio of the energy radiated by an object at a given temperature to the energy emitted by a perfect radiator(Blackbody є=1).


Radiation pyrometers Radiation pyrometers


Infrared pyrometers Infrared pyrometers Spot Infrared Thermometer or Infrared Pyrometer, which measures the temperature at a spot on a surface (actually a relatively small

area). Infrared radiation thermometers byspecifically measuring the energy being radiatedfrom an object in the 0.7 to 20 micron wavelengthrange, are a subset of radiation thermometers.

These devices can measure this radiation from a distance. There is no need for direct contactbetween the radiation thermometer and theobject, as there is with thermocouples andresistance temperature detectors (RTDs).

Fixed-mounted

Handheld or Gun


Infrared pyrometers Infrared pyrometers


OpitcalOpitcal pyrometers pyrometers

Optical Pyrometers work on the basic principle of using the human eye to match the brightness of the hot object to the brightness of a calibrated lamp filament inside the instrument.


An optical pyrometer is a device which allows contactless temperature measuring by using the incandescense color. It is based upon the fact that all black bodies do have the same incandescense color at a given temperature. It is very straightforward and allows any temperature from which a hot object emits light ( > 500 deg C). It is made from a small magnifying optical device (like a monocular or very small telescope) in which a small incandescent bulb is placed which image is sharp when the user views through the eyepiece (the lens(es) on the eye end of the optical device). The background is the hot object to be gauged. The electrical current flowing through the filaments in the bulb is an indication of their temperature. This current is controlled by a potentiometer which is put between the power source (a battery) and the bulb. An ammeter is used to display the temperature. Its range is from 500 C (== 900F lower limit when an object incandesces) to 1600 C (3000 F), which is suitable for most applications.


Optical temperature sensor is specifically designed for general use in laboratories andindustrial applications. It features complete immunity to microwaves and RF (EMI/RFI), highvoltage and harsh environments. It has a high resistance to a wide range of temperatureand meets all requirements for long term survivability to chemicals and solvents.

Fiber optic temperature sensors can be divided in 2 groups:contact and noncontact

Fiber Optic Pyrometers measure from 300-2,500°C.

In a fiber-optic thermometer comprising a fiber-optic input for applying input light, a fiber-optic output for extracting output light, and a temperature-sensitive medium optically coupling said fiber-optic input to said fiber-optic output for transferring a proportion of the applied input light from said fiber-optic input to said fiber-optic output, the size of said transferred proportion being a single-valued function of the temperature of said medium


There are a wide number of devices that utilize fiber optics to aid in measuring temperature. Most are actually slight variation of radiation thermometers, but not all. Most all depend upon a temperature sensing component being placed on the tip of the fiber optic's "free end". The other end is attached to a measuring system that collects the desired radiation and processes it into a temperature value. Like a lot of things there are some notable exceptions: the bulk fiber optic sensors which measure the temperature of the fiber along its length and produce either an average temperature or some measure of the temperature distribution along the length of the fiber.

Black body radiation sources forcalibration and testing of infraredradiation pyrometer, LINE-SCANNER andthermal imager

Calibration radiatorsCalibration radiators


SUMMARY AND CONCLUSIONSUMMARY AND CONCLUSION

INC336 Temp measurement - inc.kmutt.ac.thinc.kmutt.ac.th/course/inc336/temp.pdf · for only 4...

Documents

Transcript of INC336 Temp measurement - inc.kmutt.ac.thinc.kmutt.ac.th/course/inc336/temp.pdf · for only 4...