PTU Kosteus-, lämpötila- ja painemittaukset Mittaustekniikan lisensiaattikurssi 14.4.2010 Mittatekniikan keskus Sari Saxholm, p. 010 6054 432, @mikes.fi
Mittatekniikan keskus MIKES Kansalliset mittanormaalilaboratoriot Mittausalueet Kosteus -80 C +84 C (kastepistelämpötila) 10 %rh 90 %rh (alueella -20 C +85 C) Lämpötila -190 C +1700 C Paine 0,0005 Pa 500 MPa 2
Mittatekniikan keskus MIKES Kansallisen mittanormaalilaboratorion tehtävät: - kansallisten mittanormaalien ylläpito - osallistuminen kansainvälisiin vertailumittauksiin - jäljitettävyyden siirtäminen akkreditoiduille laboratorioille - kalibroinnit loppukäyttäjille silloin, kun akkreditoitujen laboratorioiden mittauskyky tai alue ei ole soveltuva 3
PTU 4
PTU - paine, lämpötila ja kosteus - tyypillisiä sovelluksia PTU-laitteista ovat esim. säähavaintolaitteet ja rannetietokoneet - ympäristön painetta ja lämpötilaa mittaavia laitteita valmistetaan Suomessa useissa yrityksissä - samanaikainen kosteuden mittaus olennainen osa esim. säähavaintolaitteilla 5
PTU - paineen, lämpötilan ja kosteuden samanaikainen säätö + luotettava mittaaminen ->haastavaa ->kaupallisia laitteita ei saatavilla alhaisiin lämpötiloihin (alle 0 C) - tällä hetkellä laitteiden paineanturit kalibroidaan erillään lämpötila- ja kosteusantureista ->tällöin paineanturin mahdollista lämpötila- tai kosteusriippuvuutta ei voida havaita 6
PTU - tarve mittaus- ja kalibrointilaitteistolle, jossa mittauskammion ilmanpainetta, lämpötilaa ja kosteutta voidaan säätää samanaikaisesti - ja mitata luotettavasti ->säätö samanaikaisesti ja ristiin, kaikki yhdistelmät kaikkien kolmen suureen mittausalueella ->palveluja laitevalmistajille ja muille asiakkaille, kalibrointeja, testauksia 7
PTU Toiminta-alue - absoluuttinen paine 500 hpa 1200 hpa - lämpötila -52 C +80 C - suhteellinen kosteus 10 % 95 % Arvioitu mittausepävarmuus (k =2): - absoluuttinen paine 10 Pa - lämpötila 0,1 C 0,3 C - suhteellinen kosteus 1 %RH 3 %RH 8
PTU, säätö Paine - Linjapainesäätäjät, etu- ja/tai takapaine Kosteus - Massavirtasäätäjät - Kostutin (vesikierto, lämmitys, kuiva ja märkä ilma) 9
Lämpötila - Lämmönsiirtoöljy, suljettu kierto - Automaattinen kierrätys ja termostaattisäädin 10
PTU, mittaus Paine - 2-kanavainen barometri Mittaus: kammion sisältä ja välitilasta Lämpötila - Pt-100 ja K, yhteensä 8 Mittaus: kammion sisältä kahdesta kohdasta, välitilasta, kostuttimen vesi ja ilma, kastepistemittarilta, tuleva ja menevä lämmönsiirtoöljy 11
PTU, mittaus Kosteus - Kastepistemittari Kastepistemittarin anturi on erillään näyttölaitteesta, sijoitettu mittauslinjaan välittömästi mittauskammion jälkeen 12
13
SYÖTTÖPAINE, ILMA 8 bar PTU-LAITTEISTO KUIVAIN PAINEEN ALENNIN MFC (PAINEEN SÄÄDIN, ETU) MITTAUSKAMMIO KASTEPISTE- MITTARI PAINEEN SÄÄDIN, TAKA ~ 1 bar MFC KOSTUTIN SUOJAKAMMIO LÄMPÖTILAN MITTAUS BAROMETRI, paine mittauskammiosta ja suojakammiosta VAKUUMI- PUMPPU
PTU Kostutin ilma OUT IN vesi 15
PTU 16
17
Mittauskammion sisähalkaisija 150 mm Tilavuus 7 litraa 18
Mittauskammio on sijoitettu suojakammion sisälle, jotta ilmanpaine mittauskammion ympärillä voidaan pitää pienempänä kuin sen sisällä 19
Paine 20
Paine 21
Paineenmittauslaitteita 22
Paineenmittauslaitteita Bourdon-putki Kalvo 23
CDG -Capacitance Diaphragm Gauge - kapasitiivinen anturi, jossa tuntoelimenä metallinen tai keraaminen kalvo - paine vaikuttaa kalvon toiselle puolelle aiheuttaen kalvoon siirtymän, jonka vuoksi kapasitanssi muuttuu - etuna pieni riippuvuus kaasun ominaisuuksista, eli tulos ei riipu mitattavan kaasun lajista 24
Barometri - piikalvo (erilliskide) - kapasitiivinen mittaus - jopa kolme anturia - absoluuttisen paineen mittaus, anturin referenssipuoli vakuumissa ->vakuumin muuttumista eli vuotoa korjataan mallinnusyhtälön avulla 25
www.vaisala.fi Barometri The measurement principle of the barometer is based on an advanced RC oscillator and reference capacitors against which the capacitive pressure sensor is continuously measured. The microprocessor of the barometer performs compensation for pressure linearity and temperature dependence. 26
www.vaisala.fi 27
CDG -Capacitance Diaphragm Gauge 28
Painemittauksiin liittyviä erityispiirteitä - hystereesi - korkeuserokorjaus 29
Kosteus 30
Kosteus - kosteus kuvaa johonkin aineeseen sekoittuneen veden määrää - kostea kaasu muodostuu kuivasta kaasusta ja vesihöyrystä, jotka ovat sekoittuneet keskenään - kosteus on kaasujen epäpuhtauksista yleisin mittausten kohde 31
Kastepistemittari - kaasun kastepiste saavutetaan jäähdyttämällä sitä, kunnes siinä oleva vesi alkaa tiivistyä pisaroiksi tai jääkiteiksi - kastepistemittari hyödyntää tätä periaatetta ->kaasun lämpötilaa lasketaan pakottamalla se kulkemaan kastepistemittarin anturissa olevan jäähdytettävän pinnan yli - kaasun virtaus pinnan yli varmistaa, ettei sen paine muutu lämpötilan muuttuessa 32
Kastepistemittari - kun pinnan lämpötila on sama kuin kaasun kastepistelämpötila pinnalle tiivistyy vettä pisaroina tai jääkiteinä yhtä paljon kuin siitä höyrystyy takaisin kaasuksi - kastepistelämpötila voidaan määrittää mittaamalla pinnan lämpötila silloin, kun pinnalla oleva ohut vesikerros (pisara- tai jääkidekerros) pysyy muuttumattomana - pinnan lämpötilaa säädetään siten, että vesipisaroiden tai jääkiteiden määrä pinnalla ei muutu 33
Optinen kastepistemittari, anturin rakenne - valonlähteenä valodiodi - valo kulkee metallipeilin kautta - mitataan peilistä heijastuneen ja siitä siroavan valon intensiteettiä - peilin lämpötilan säätö - lämpötilan mittaus peili 34
Optinen kastepistemittari, anturin rakenne - mittaus vaatii aikaa, tyypillistä värähtely ennen uuteen arvoon asettumista - hankalimpia nopeat ja nopeahkot muutokset - mittarin reagointinopeuteen vaikuttaa: säätöjärjestelmän tehokkuus jäähdyttimen teho anturissa olevan kaasutilavuuden koko virtausnopeus anturin läpi 35
Optinen kastepistemittari, epäpuhtaudet - kaasun mukana kulkevat epäpuhtaudet ->kasaantuvat peilin pinnalle -> heijastuneen valon intensiteetti pienenee - saadaan kastepiste, joka on todellista korkeampi - peilin lämpötila ei pysy tasaisena - peilin puhdistus - automaattiset kompensoinnit - peilin tarkkailu mikrosoopin tai endoskoopin avulla, jos mahdollista 36
Optinen kastepistemittari, kastepiste/jääpiste - kastepiste vai jääpiste? toinen merkittävä ongelma epäpuhtauksien lisäksi - nestemäistä vettä esiintyy myös alueella alle 0 C - kylläisen vesihöyryn paine riippuu veden olomuodosta - useissa mittareissa peilille muodostuva kosteus pitkään nestemäisenä jopa -20 C:ssa ->mittari näyttää n. 2 C alhaisempaa lukemaa kuin jos peilillä olisi jääkiteitä - jos peilille muodostunut jää aiemmin, se pysyy 37
38
Optinen kastepistemittari, kastepiste/jääpiste - jään ja veden aiheuttama ero voidaan ottaa huomioon laskennallisesti, jos tiedetään kumpaa - joskus voi olla sekä vettä että jäätä ->mittari näyttää lämpötilaa, joka on jotakin kaste- ja jääpistelämpötilan väliltä ->mittari on epästabiili - mittapään lämpötila ja tulevan kaasun lämpötila vaikuttavat kosteuskerroksen muodostumistapaan 39
Optinen kastepistemittari, kastepiste/jääpiste - eräs menetelmä on hetkellinen mittaus ->jäähdytetään peiliä, kunnes havaitaan kosteuden muodostusta ja sitten heti lämmitys ->kastepistelämpötila määritetään kosteuden muodostumis- ja häviämishetkien lämpötiloista - kosteuskerros on tässä olemassa vain hetken ->todennäköisimmin vesipisaroita aina -40 C saakka - menetelmän heikkoutena dynaamisuus; lämpötila-anturien stabiilius ja lämpötilan hallinta 40
Optinen kastepistemittari, ominaisuuksia - mittaustulos perustuu pintalämpötilan mittaukseen ->haastava, virheille herkkä ->muutokset mittapään ja tulevan kaasun lämpötiloissa - hyvissä olosuhteissa mittausepävarmuus alle 0,2 C - käytännössä yleensä 0,3 C 1 C - epätarkkuudet aiheutuvat peilin lämpötilan mittauksesta epäpuhtauksista peilillä kosteuskerroksen rakenteesta - etuna hyvin alhaisen kosteuden mittaus 41
Lämpötila 42
Vastuslämpömittarit - vastuslämpömittarin anturiaineen sähköinen vastus muuttuu lämpötilan funktiona - tavallisimmin käytetyt anturit on valmistettu platinasta, kuparista, nikkelistä tai metallioksidien seoksista (termistorit) 43
Pt100 vastusanturi - Pt 100 vastusanturi on lämpötila-antureista tarkimpia - perustuu platinan resistanssin muutokseen lämpötilan funktiona - yleisimmin käytetty standardisoitu resistanssiarvo lämpötilassa 0 C on 100 Ω - standardi IEC 751, Amendment 2 (1995) lämpötila-alue -200 C +850 C - 500 C on jo korkea lämpötila Pt100-anturille 44
45
Vastuksen mittaus - anturit voivat olla rakenteeltaan 2-, 3- tai 4-johtimisia - tarkin vastusmittaus 4-johdinmittauksella - virran syöttö toisesta johdinparista - jännitteen mittaus toisesta - mittausvirta kehittää aina jonkin verran lämpöä vastuksessa (itselämpeneminen) 46
Pt100 vastusanturin näyttölaite Asioita, joihin kannattaa kiinnittää huomiota: - vastuksen mittaustapa (2,3,4) - näytön resoluutio - kanavien lukumäärä - lämpötilan laskentatapa (IEC 751 tai ITS-90) - mahdollisuus tallentaa anturikohtaisia vakioita - väyläliitäntä 47
Esimerkki Pt100-anturin kalibroinnista - kalibrointi vertailuna ITS-90-asteikon kiintopisteissä kalibroituun Pt25-platinavastuslämpömittariin - vastusmittaus automaattisella mittasillalla nelijohdinkytkennällä - upotussyvyys 200 mm, mittausvirta 1 ma - Pt100-anturi kalibroitiin mittaamalla sen resistanssi veden kolmoispisteessä sekä lämpötiloissa: - vesiahauteessa + 30 C ja +60 C - öljyhauteessa +90 C, +120 C ja +150 C 48
Anturikohtaiset vakiot - kalibrointituloksiin sovitettiin pienimmän neliösumman menetelmällä IEC751 mukainen yhtälö - mittauksista ja sovituksesta saadut anturivakiot: - R 0 = 99,9529 Ω - A = 3,91488 * 10-3 C -1 - B = -5,8642 * 10-7 C -2 49
Mittaustulokset 50
Kalibroinnin epävarmuus 51
Termoelementit - termoelementtejä käytössä laajasti - yksinkertainen - hapla hinta - yli 500 C lämpötiloissa käyttö Pt100-antureita yleisempää 52
Termosähköinen ilmiö - kun kahdesta eri metallista tai metalliseoksesta valmistettua lankaa yhdistetään virtapiiriksi muodostuu termopari - kun termoparin liitoskohdat oavt eri lämpötiloissa piiriin syntyy sähkömotorinen voima (termosähköinen jännite) Huom. Jännite muodostuu kahdesta lämpötilasta, mittauskohteen ja vertailupisteen 53
Termoelementin kytkentä - termojännite mitataan yleensä kuvan mukaisella kytkennällä: 54
Termoelementtityypit Termoelementit jaetaan käytettyjen metallien ja metalliseoksien mukaan jalometallija perusmetallitermoelementteihin 55
Seebeckin kertoimet 56
Termoelementin rakenne - termoelementti joudutaan yleensä eristämään ja suojaamaan ympäristön vaikutuksilta - eristysaine ja suojaputki eivät saa muuttaa lankojen kemiallista koostumusta - eristysaineen tehtävänä on taata riittävä sähköinen eristyskyky käyttöolosuhteissa, valinnassa huomioitava lämpötila ja sen vaihtelut, mekaaninen kestävyys ja kemiallinen käyttäytyminen 57
Vaippatermoelementti, MI-kaapeli (Mineral Insulated Thermocouple Cable) - eristysaineena on magnesium- tai alumiinioksidipulveri ja metallivaippana useita vaihtoehtoja - lähes kaikkia perusmetallitermoelementtejä on saatavana MI-kaapelina - kaapelin ominaisuuksia: - voidaan valmistaa pitkiä termoelementtejä - helppokäyttöisyys - hyvä sähköinen eristys - pienin halkaisija alle 1mm - tärinän kesto 58
Termoelementtityyppien ominaisuuksia 59
Pidennysjohdot - paras tapa mitata siten, että termoelementtilangat on vedetty suoraan vertailupisteeseen - käytännössä ei aina mahdollista - käytettävä kytkennässä pidennysjohtoja - pidennysjohtojen termosähköiset ominaisuudet pitäisi olla samat kuin termoparin 60
Pidennysjohtojen käyttö mittauspiirissä - pidennysjohtoina voidaan käyttää termolankamateriaalista valmistettuja jatkojohtoja tai tasausjohtoja, jotka on valmistettu eri materiaalista kuin termolangat - näiden termosähköiset ominaisuudet kuitenkin suunnilleen samat kuin vastaavan termoparin, tietyllä lämpötila-alueella - pidennysjohdot kytketään niin että ne koskettavat termoaprin johtoja - liitoskohdan lämpötila oltava tasalämpöinen - plus- ja miinusjohdot oikeinpäin 61
Esimerkki väärästä kytkennästä - S-tyypin termoelementin jatkojohdot kytkettiin vahingossa väärin - mitattavan kohteen oikea lämpötila oli 1000 C - jatkojohtojen liitoskohdan lämpötila 20 C - vertailupiste (kylmäpiste) 0 C Kuinka suuri virhe? 62
Vertailupiste (kylmäpiste) - vertailupisteen lämpötilan tasaisuus ja tarkkuus vaikuttavat mittauksen luotettavuuteen - klassinen vertailupiste jää/vesi sekoitus - tislatulla vedellä tarkkuus parempi kuin 0,01 C - teollisuusmittalaitteissa liitoskohdan kompensointi termosoidun kotelon avulla tai siltakytkennällä käyttäen lämpöherkkää vastusta, joka tuottaa kompensointijännitteen - kylmäpistekompensointi tarkistettava kalibroinnissa 63
Esimerkki kytkentäkortista - 20-kanavainen kytkentäkortti - 2 kompensointilämpötilan mittauskohtaa - lämpötilaerot alku- ja loppukanavien välillä voi olla yli asteen - hyvä kortti on isoterminen 64
Termoelementtilankojen epähomogeenisuus - termojännite ei ole liitoskohtajännite vaan sen synnyttää lämpötilagradientti mittauspisteen ja vertailupisteen välillä - jos langat homogeenisisa riippuu jännite pelkästään liitoskohtien lämpötiloista - epähomogeenisessa langassa jännite riippuu myös gradienttien ja epähomogeenisuuksien paikallisista suhteista - lankojen epähomogeenisuus merkittävä virhelähde -> muuttuneet kemialliset suhteet, lankojen vääntely 65
Kalibrointi 66
Kalibrointi Kalibroimalla selvitetään sisään syötetyn paineen ja ulostulon (esim. mittarin osoitinnäyttämä, mittarin numeronäyttämä, jännitesignaali, virtasignaali) välinen yhteys Kalibroinnin jäljitettävyyden perusedellytys ja lähtökohta on katkeamaton kalibrointien ketju SIyksikön realisointiin. 67
Kalibrointi SI-yksikköön ulottuva katkeamaton kalibrointiketju edellyttää, että - kaikista ketjun osista on kalibrointitodistus - mittausmenetelmä on dokumentoitu - mittaustulokset on kirjattu ja säilytetty - kalibroinnit tulee uusia tietyin väliajoin - laitteet ovat yksilöitävissä - mittausepävarmuus on tiedossa ja ilmoitettu - laboratorion, joka tekee kalibroinnin tulee osoittaa pätevyytensä 68
Lähteet Heinonen, Martti: Kaasun kosteuden mittaaminen, 2001 Nikkarila, Juha-Pekka: Lämpömittareiden kalibrointi, 2009 Vaisala www.vaisala.fi, 14.4.2010 69
Loppu Kiitos mielenkiinnosta! Mittatekniikan keskus Sari Saxholm, p. 010 6054 432, @mikes.fi 70