I den här bloggposten kommer jag att ta en snabb titt på termoelement och särskilt på det kalla lödstället och de olika kompensationsmetoderna för det kalla lödstället.
Under alla år som jag har arbetat med kalibrering av processinstrument är det ofta förvånande att även personer som arbetar mycket med termoelement inte alltid vet hur de, och särskilt det kalla lödstället/referenspunkten, fungerar och därför kan det ske misstag i mätningarna och kalibreringarna.
För att kunna diskutera det kalla lödstället behöver vi först ta en snabb titt på termoelementsteorin och hur ett termoelement fungerar.
Jag kommer inte att gå jättenoga in på den teoretiska vetenskapen utan håller mig mer till de praktiska aspekterna, de saker man bör känna till då man arbetar med mätningar och kalibreringar av termoelement i en typisk processanläggning.
Ladda ner den här artikeln kostnadsfritt som en PDF:
Då man pratar om termoelement används både termen "det kalla lödstället" och termen "referenspunkten", men det verkar som om folk oftare använder "det kalla lödstället" så jag kommer att använda den termen i den här texten.
Termoelement är mycket vanliga temperatursensorer i processanläggningar. Termoelement har en del fördelar som gör att de används i stor utsträckning. De kan användas för att mäta höga temperaturer, mycket högre än med RTD-sensorer (Resistance Temperature Detector/Motståndstemperaturdetektor). Termoelementet är också en väldigt tålig sensor så det går inte lätt sönder. Trots att termoelement inte är lika precisa som RTD-sensorer är de tillräckligt precisa i många tillämpningar. Termoelement är också relativt billiga sensorer och mätkretsen för termoelementet kräver inte drivström såsom en RTD-krets gör, så kretsen är i det avseendet enklare att skapa. Det finns många olika typer av termoelement optimerade för olika tillämpningar.
Det verkar som om en termoelementsensor är mycket enkel att använda – bara två ledningar – vad kan möjligen gå fel?
Men med det kalla lödstället och alla anslutningar i mätkretsen i beaktande, är det inte alltid så enkelt som det verkar.
Vi ska snart diskutera det kalla lödstället men innan det några ord om termoelementsteorin för att bättre förstå diskussionen om det kalla lödstället.
Låt oss ta en titt på hur ett termoelement fungerar. Ett termoelement består av två ledningar gjorda av olika elektriska ledare som är anslutna vid ena änden (den "varma" änden). Detta är änden man vill använda för att mäta temperaturen.
Detta upptäcktes redan år 1821 av Thomas Johann Seebeck och när anslutningspunkten av dessa ledningar utsätts för olika temperaturer kommer det att genereras en termoelektrisk ström. Detta orsakar en liten spänning mellan trådarna i den öppna änden. Spänningen beror på temperaturen och materialet på de ledningar som används. Denna effekt kallas Seebeck-effekten.
En förenklad principbild av ett termoelement:
Se ovanstående bild: "Termoelementmaterial 1 och 2" representerar de två olika materialen som termoelementet är tillverkat av. "T1" är termoelementets varma ände, det vill säga punkten som används för att mäta temperaturen. De två "Tcj" är temperaturerna för de kalla lödställena.
Den ovanstående förklaringen är något förenklad eftersom termospänningen faktiskt genereras av temperaturgradienterna i termoelementledningen, hela vägen mellan de "varma" och "kalla" lödställena. Så det är inte själva anslutningspunkterna som faktiskt genererar spänningen utan temperaturgradienten längs ledningen. Det är lättare att förstå detta genom att tänka att termospänningen genereras i lödställena, både i de varma och de kalla. Kanske kan en mer vetenskaplig förklaring av termoelementsteorin ges senare i något annat inlägg, men just nu håller vi oss till de praktiska aspekterna.
Det tillverkas många olika typer av termoelement gjorda av olika material och legeringar. Olika material kommer att orsaka olika känslighet och olika mängd termospänning som genereras vid samma temperatur samt påverka andra egenskaper såsom maximal temperatur.
Flera olika typer av termoelement har standardiserats och man har namngett de specificerade material som används. Namnen är vanligtvis mycket korta, ofta bara en bokstav såsom typ K, R, S, J, etc.
Några av de vanligaste termoelementen och deras material listas i tabellen nedan:
Den goda nyheten är att termoelementledningarna är färgkodade för enklare igenkänning.
Den dåliga nyheten är att det finns många olika standarder för färgkoderna och de skiljer sig åt.
De huvudsakliga standarderna är IEC60584-3 (Internationell) och ANSI (USA) men det finns också många andra standarder, såsom japanska, franska, brittiska, nederländska, tyska, etc. Så tyvärr är det lite komplicerat att känna igen typen med hjälp av färgen.
Eftersom olika termoelement är tillverkade av olika material varierar även termospänningen, vilket illustreras i bilden nedan. Spänningen som genereras varierar mycket beroende på vilken typ som används trots att temperaturen är den samma.
Om man vill mäta en låg temperatur är det förstås bättre att använda de mer känsliga typerna eftersom de ger en högre spänning som är lättare att mäta. Men om man behöver mäta höga temperaturer måste man välja några av de mindre känsliga typerna som klarar av höga temperaturer.
Seebeck-koefficienten talar om hur mycket termoelementets spänning förändras i och med en temperaturförändring. Mer om det senare.
Bilden ovan som illustrerar de olika känsligheterna hos olika termoelement förklarar också varför en termoelementkalibrator vanligtvis har olika noggrannhetsspecifikationer för olika termoelementtyper. En mätanordning eller kalibrator har normalt spänningsmätnoggrannheten specificerad i en spänningsenhet. Till exempel kan den ha en noggrannhet på 4 mikrovolt. Denna noggrannhet på 4 mikrovolt motsvarar en annan temperaturnoggrannhet beroende på termoelementtypen, detta på grund av de olika termoelementkänsligheterna.
Mätanordnings-/Kalibratorexempel
Låt oss titta på de två ytterligheterna: typ E och typ B vid en temperatur på 200 °C. Känsligheten (Seebeck-koefficienten) för typ E vid 200 °C är ungefär 74 µV/°C medan koefficienten för typ B vid 200 °C är ungefär 2 µV/°C. Så skillnaden på dessa två är 37 gånger.
Om en mätanordning exempelvis kan mäta med en elektrisk noggrannhet på 4 µV, betyder det att den har en noggrannhet på cirka 0,05 °C (4 µV delat med 74 µV/°C) för typ E vid 200 °C och en noggrannhet på 2 °C (4 µV delat med 2 µV/°C) för typ B vid 200 °C.
Så vi kan förstå varför det ofta finns väldigt olika noggrannhetsspecifikationer för en termoelementmätanordning/kalibrator för olika termoelementtyper.
Kalibratornoggrannhet
Om man ser på ett dokument med data för en temperaturkalibrator och den har samma noggrannhetsspecifikation för alla termoelementtyper - var aktsam! Normalt sett innebär detta att specifikationerna/dokumentet har gjorts av marknadsföringsavdelningen och inte av den tekniska avdelningen... ;-)
Detta är helt enkelt inte särskilt realistiskt.
Standarder
Det finns också vissa standarder (till exempel AMS2750E) som kräver samma noggrannhet för alla termoelementtyper. Detta är inte särskilt logiskt i praktiken på grund av den enorma skillnaden i känslighet för olika typer.
Jag har redan tidigare nämnt Seebeck-koefficienten. Detta är termoelementets känslighet, det vill säga det förklarar hur mycket spänning som genereras beroende på en temperaturförändring.
Nedan visas Seebeck-koefficienterna för olika termoelement:
Nu ska vi behandla det "kalla lödstället"...
Tidigare visade jag en bild av den förenklade termoelementprincipen som visar att termospänningen genereras i den ”varma” ändens anslutning där de två olika ledarna är anslutna. Den viktiga fråga man bör ställa här är: Men vad händer med den andra änden av ledningarna?
Vilken bra fråga! Jag är glad att du ställde den... ;-)
Då man mäter spänningen på termoelementet kan man koppla termoelementledningarna till en multimeter - enkelt eller hur? Inte riktigt! Anslutningsmaterialet på multimetern är vanligtvis förgyllt eller gjort av koppar så det är ett annat material än materialet på termoelementet vilket innebär att man skapar två nya termoelement i multimeteranslutningarna!
Vi ska illustrera detta med en bild:
På bilden ovan är material 1 och material 2 de två termoelementmaterialen som bildar termoelementet. Den ”varma änden” är den punkt där de är sammansvetsade och det är den punkten som mäter processtemperaturen. Det är här spänningen U1 genereras och det är precis U1-spänningen vi vill mäta. Vid punkterna för ”det kalla lödstället” är termoelementet anslutet till spänningsmätaren som har anslutningar tillverkade av olika material, material 3. I dessa anslutningar genereras termospänningarna U2 och U3. Vi vill inte mäta U2- och U3-spänningarna, så vi vill bli av med dem eller kompensera för dem.
Som vi kan se på bilden ovan mäter man faktiskt spänningen från tre (3) termoelement som är kopplade i serie. Man skulle självklart bara vilja mäta spänningen/temperaturen vid det ”varma” lödstället och inte de andra två ställena.
Vad ska man göra?
Man måste på något sätt eliminera eller kompensera för termoelementen som skapats i de kalla lödställena. Det finns olika sätt att göra det på. Vi ska behandla dem härnäst.
En termoelementanslutning genererar ingen termospänning när temperaturen den befinner sig i är 0°C (32°F). Så man kan placera det kalla lödstället i den temperaturen, till exempel i ett isbad eller ett exakt temperaturblock. Man kan ansluta termoelementledningarna till kopparledningar i isbadet och det genereras ingen termospänning i den anslutningen. Då behöver du inte alls oroa dig för det kalla lödstället.
Anslutningarna måste vara elektriskt isolerade från vattnet i isbadet för att undvika att eventuella läckströmmar orsakar fel eller eventuellt korrosion.
Detta är ett mycket exakt sätt och det är något kalibreringslaboratorier vanligtvis gör. Det är dock inte särskilt praktiskt på en processanläggning så det används normalt inte där.
Exempel:
Som man kan se på bilden är termoelementet typ N anslutet. Spänningsmätaren visar 20808 µV. Vad är den uppmätta temperaturen?
E = EN(tU1) – EN(tr)
Där:
E = uppmätt spänning = 20808 µV
EN(tU1) = spänning genererad vid det varma lödstället
EN(tr) = spänning genererad vid det kalla lödstället/referenspunkten = 0 µV (IEC 60584 typ N, 0 °C)
EN(tU1) = E + EN(tr) = 20808 µV + 0 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 typ N, 20808 µV)
Så temperaturen är 605 °C.
Eftersom ett isbad anses vara opraktiskt kan man också ha det kalla lödstället i någon annan känd, fast temperatur. Man kan ha en liten anslutningsbox med temperaturkontroll som ständigt håller boxen på en viss temperatur. Vanligtvis är temperaturen högre än omgivningstemperaturen, så boxen behöver bara värmas, inte kylas.
När man vet temperaturen som det kalla lödstället är i och även känner till termoelementtypen kan man beräkna och kompensera för det kalla lödställets termospänning.
Många mätanordningar eller temperaturkalibratorer har en funktion där man kan ange temperaturen för det kalla lödstället och enheten kommer att göra alla beräkningar och utföra kompensationen.
Exempel:
Som man kan se på bilden är termoelementet typ N anslutet. Spänningsmätaren visar 19880 µV. Temperaturen på det kalla lödstället/referenspunkten är 35 °C. Vad är den uppmätta temperaturen?
E = EN(tU1) – EN(tr)
Där:
E = uppmätt spänning = 19880 µV
EN(tU1) = spänning genererad vid den varma änden
EN(tr) = spänning genererad vid det kalla lödstället/referenspunkten = 928 µV (IEC 60584 typ N, 35 °C)
EN(tU1) = E + EN(tr) = 19880 µV + 928 µV = 20808 µV = 605 °C (IEC 60584 typ N, 20808 µV)
Så den uppmätta temperaturen är 605 °C.
Observera att termoelementberäkningar alltid måste göras i spänningsenhet. Ett vanligt fel är att leta efter tabellvärdet för den uppmätta spänningen och lägga till temperaturen på det kalla lödstället. I det här fallet, enligt IEC 60584-standarden, är den motsvarande temperaturen för det uppmätta 19880 µV 581,2 °C. Beräkning med temperaturvärden skulle ge 581,2 °C + 35 °C = 616,2 °C. Det är ett fel på +11,2 °C.
Fastän man inte justerar temperaturen på det kalla lödstället som i det tidigare exemplet kan man ändå mäta temperaturen på det kalla lödstället med en temperaturprob. Man kan sedan kompensera för effekten av det kalla lödstället men kompensationen är lite mer komplicerad eftersom man måste mäta temperaturen på det kalla lödstället hela tiden och, baserat på termoelementtypen, göra beräkningar för att ta reda på effekten av det kalla lödstället.
Lyckligtvis har många temperaturkalibratorer en funktion där man kan använda en temperaturprob för att mäta temperaturen på det kalla lödstället och enheten utför alla kompensationer och beräkningar automatiskt.
Jag nämnde att föregående exempel var komplicerat eftersom man behöver beräkna kompensationen hela tiden men man kan även låta mätanordningen göra det automatiskt. Mätanordningen (antingen en sändare, DCS-ingångskort eller temperaturkalibrator) kan mäta temperaturen på det kalla lödstället hela tiden och automatiskt utföra en onlinekompensation av felet vid det kalla lödstället. Eftersom mätanordningen också känner till termoelementtypen (man väljer det i menyn) kan den utföra kompensationen automatiskt och kontinuerligt.
Detta är naturligtvis det enklaste och mest praktiska sättet att kompensera för det kalla lödstället vid vanliga mätningar och kalibreringar eftersom man då inte behöver oroa sig för det kalla lödstället och kan låta utrustningen ta hand om det. Man kopplar helt enkelt in termoelementledningen i enheten.
Beamex temperaturkalibratorer stöder också den här typen av automatisk kompensation.
Här kan man ladda ner denna artikel som en PDF kostnadsfritt:
Ta gärna en titt på Beamex MC6-T temperaturkalibrator. Den kan även användas för att kalibrera termoelement och har automatisk kompensation för det kalla lödstället. Den har också en mångsidig anslutning där man kan ansluta olika termoelementkontakter eller bara termoelementledningar.
Ta också en titt på Beamex MC6 kalibrator som referens.
Kostnadsfri eLearning-kurs om industriell temperaturkalibrering.
Bemästra temperaturkalibrering med denna kostnadsfria och omfattande eLearning-kurs från Beamex. Fördjupa dina kunskaper, besvara frågorna korrekt och få ditt certifikat!