Lämpötilamittaus pintalämpötila-anturilla – Kosketus mittauspintaan

Lämpötilan mittaaminen säiliön tai putken ulkopuolelta edellyttää hyvää lämpökosketusta ulkopinnan kanssa ja samalla vähäistä vaikutusta ympäristön lämpötilalta.

Ensin muutama perusasia

Mittauselementti, usein Pt100, ei mittaa väliaineen lämpötilaa, vaan sen omaa lämpötilaa. Jos ajatellaan, että väliaineen lämpötila on korkeampi kuin ympäristön lämpötila, väliaine lämmittää putkea, jonka läpi se virtaa. Sitten putki lämmittää mittaelementin sisältävän mittakappaleen, joka puolestaan lämmittää mittauselementin. Jonkin ajan kuluttua mittauselementti saavuttaa lähes saman lämpötilan kuin putken väliaine.

Miksi “melkein sama”? Samalla lämpöä siirtyy ympäröivään ilmaan ja muihin mahdollisiin laitteisiin, jotka jäähdyttävät sekä putken että mittauskappaleen mittaelementiä. Mitä huonompi lämpökontakti putken ja mittauskappaleen välillä on, sitä suurempi on mittausvirhe.

Hyvä lämpökontakti

Pintalämpötilan mittaamiseksi tarvitaan siis hyvä lämpökosketus. Tämä tarkoittaa, että meidän tulee pyrkiä mahdollisimman suureen kosketuspintaaan mitattavan pinnan ja mittauskappaleen ja sen mittauselementin välille. Maalaus, ruoste/korroosio ja muut asiat lisäävät mittausvirhettä. Myös putken epätasainen pinta heikentää tulosta, jota voidaan parantaa hiomalla tai kiillottamalla. Toinen syy mittausvirheeseen on putken kaareva ulkopuoli. Täysin litteällä, suorakaiteen muotoisella mittauskappaleella (1) saadaan vain viivan muotoinen kosketus ja putken on vaikea lämmittää mittauskappaletta. Parempi tilanne saadaan, jos mittauskappaleessa käytetään V-muotoista uraa 2 kohta kuvassa, joka osittain kaksinkertaistaa kosketuspinnan ja osittain eristää mittauskappaleen alla olevan alueen ympäröivän ilman vaikutuksesta. V-muoto tarkoittaa, että mittarunko sopii useisiin putken halkaisijoihin ja on yleinen muoto kohtuulliseen hintaan. Paras ratkaisu on suunnitella mittarungon kosketuspinta putken ulkohalkaisijalle kuvassa kohta 3, mikä on kalliimpaa kuin V-ura ja tarkoittaa, että mittausrungosta pitää olla useampia malleja varastossa.

Kuva 1

Anturin sijainti

Anturin sijoittaminen putken päälle, sivulle tai alaosaan vaikuttaa melko vähän, kun muut olosuhteet pysyvät samoina.Mitä sileämmät putken ja mittarungon pinnat ovat, sitä parempi lämmönsiirto näiden välillä on. Lämmönsiirron parantamiseksi edelleen tila voidaan täyttää lämpöä johtavalla materiaalilla, tahnalla tai pehmeällä lämpöä johtavalla materiaalilla, erityisellä silikonikankaalla tai pehmeällä metallilla, kuparilla tai alumiinilla, joka muuttaa muotoaan ja täyttää onteloita. Myös mittauskappaleen materiaalilla on oltava hyvä lämmönjohtavuus. Usein käytettyjä materiaaleja ovat hopea, kupari, alumiini tai messinki. Ruostumaton teräs on hieman huonompi, mutta sitä käytetään, kun korroosionkestävyys on tärkeää. Mittausrunko painetaan putkea vasten asennustarvikkeilla, kuten letkunkiristimellä tai vastaavalla. Kun kohteessa on korkea lämpötila on vaihtoehtona hitsata mittauskappale putkeen.

Kuva 2

Ympäristön lämpötilan vaikutus

Toinen huomioon otettava tekijä on ympäristön lämpötilan vaikutus pintalämpötilan mittaukseen. Eristä mittausrunko ympäristöstä joko putkieristyksellä tai paikallisesti mittausrungossa olevalla eristyksellä. Yleinen esimerkki jälkimmäisestä on mittauskappaleen eristäminen PTFE-kuorella kaikilta sivuilta paitsi putkeen päin.

Mittausrungosta ulos johtava kaapeli toimii jäähdytyselementtinä, varsinkin jos se on vaippakaapeli. Tämä jäähdyttää mittausrunkoa, mitä voidaan vähentää antamalla kaapelin olla putkea vasten 10-100 kertaa putken halkaisijan verran ennen kaapelin taivuttamista ulos ympäristöön päin. Kaapeli voidaan kietoa putken ympärille, jolloin sen pituus putkea pitkin lyhenee. Kaapeli on parasta asentaa putken eristyksen alle ottaen huomioon kaapelin eristysmateriaalin lämpötilakestävyys. Kaapelin sijoittaminen mittausrungon jälkeen virtaussuuntaan nähden vaikuttaa vähiten mittausrungon lämpötilaan, mutta kaapelin sijoittaminen ennen mittausrunkoa johtaa hieman lyhyempään vasteaikaan.

Kun lämpö virtaa homogeenisen seinän läpi, kuten putken tai säiliön seinässä, seinämän läpi saadaan lineaarinen lämpötilagradientti. Tätä voidaan käyttää seinän sisäpuolen lämpötilan laskemiseen. Tarvitaan kaksi mittauselementtiä, joista toinen on seinän pinnalla ja toinen syvemmällä seinän sisällä eri syvyyksille sijoitettuna. Kun etäisyydet ovat tiedossa, sisälämpötila voidaan laskea.

Kuva 3

Virtaus putkessa tai säiliössä

Putkessa tai säiliössä virrattaessa lämpötila ei ole sama kaikkialla. Lähempänä putken seiniä virtausnopeus on pienempi kuin putken keskellä ja tämä johtaa huonompaan lämmönsiirtoon väliaineen ja putken välillä. Katso alla olevaa kuvaa, jossa punainen käyrä symboloi eroja virtausnopeudessa. Lämpötilan jakautuminen riippuu suurelta osin väliaineesta, virtausnopeudesta ja putken seinämien materiaalista. Jos haluat mitata lämpötilaa sondilla, sijoitat mittauskärjen yleensä sellaiselle etäisyydelle seinästä, joka vastaa 1/3 – 1/2 putken halkaisijasta. Saat usein hyvän kuvan keskilämpötilasta 1/3 halkaisijasta. Mittattaessa putken ulkopuolelta emme saa aivan samaa arvoa kuin putken sisäpuolelta mitattaessa. Pintalämpötilan mittauksen vasteaika on aina hitaampi kuin suoraan tuotteesta mitattaessa, koska putken tai säiliön seinästä tulee osa mittauslaitetta ja sillä on huomattavasti suurempi lämmitettävä lämpömassa. On myös syytä huomata, että nesteet välittävät huomattavasti kaasua paremmin lämmönsiirtoa putken seinämään, mikä johtuu siitä, että kaasussa on noin 1000 kertaa vähemmän molekyylejä, jotka voivat siirtää lämpöä. Joten odota suurempia mittausvirheitä kaasulle kuin nesteelle.

Metalliputkissa, kun mittauskappaleen ja putken seinämän välinen kosketus on hyvä, putken ja mittauskappaleen ympärillä on eristys ja kaapelointi on järkevää, voidaan kuitenkin päästä melko hyvään mittaustulokseen putken seinämää läpäisemättä.
Muoviputkien osalta tarvitaan enemmän mukautumista tai suuremman mittausvirheen hyväksymistä.

Kuva 4