C.V.I. 5.6 Meten van temperaturen 5.6 METEN VAN TEMPERATUREN: METHODEN, SYSTEMEN EN AAN- DACHTSPUNTEN. Eckenhausen WarmteTechnologie Deventer

C.V.I. § 5.6 Meten van temperaturen

5

METHODEN VAN ONDERZOEK

5.6

METEN VAN TEMPERATUREN: METHODEN, SYSTEMEN EN AANDACHTSPUNTEN

Auteur :

F.W. Eckenhausen Eckenhausen WarmteTechnologie Deventer

maart 2000

blad 1 van 22


INHOUDSOPGAVE 1

2

TEMPERATUURSCHALEN

3

1.1 Ontwikkeling van de thermometer 1.2 Verschillende temperatuurschalen 1.3 Internationale temperatuurschaal van 1990

3 3 5

TEMPERATUUROPNEMERS

5

2.1 Responstijd 2.2 Mechanische en elektrische opnemers 2.3 Veelgebruikte soorten elektrische opnemers in de voedingsmiddelensector 2.3.1 Metaalweerstandsensors 2.3.2 Thermistors 2.3.3 IC - sensors 2.3.4 Thermokoppels 2.3.5 Infraroodsensors

5 7 7 7 9 9 10 11

SIGNAALVERWERKING EN OPSLAG VAN MEETWAARDEN

12

3.1 Versterken en lineariseren van een meetsignaal 3.2 AD-conversie

12 13

4

CONTROLE VAN THERMOMETERS: KALIBRATIE EN IJKING

14

5

UITVOERING EN TOEPASSING VAN MEETAPPARATUUR

16

5.1 5.2 5.3 5.4

16 17 17 19

3

6

Insteekvoelers Schrijvende thermometers Dataloggers Meter/logger-combinaties

PRAKTISCHE TEMPERATUURMETINGEN EN MOGELIJKE FOUTEN 6.1 Fouten bij het meten van de temperatuur in een vloeibaar of gasvormig medium (of bulkmateriaal) 6.2 Fouten bij het meten van de temperatuur in vaste of (deels) vloeibare producten 6.3 Fouten bij temperatuurmetingen ten behoeve van een temperatuurregeling

7

LITERATUUR

blad 2 van 22

20 20 21 22

22


1

TEMPERATUURSCHALEN

1.1

Ontwikkeling van de thermometer

Alhoewel het begrip 'warmtegraden' (dat overeenkomt met het tegenwoordige begrip 'temperatuur') al in de Middeleeuwen werd gebruikt, begint de ontwikkeling van de there mometer pas tegen het einde van de 16 eeuw. Rond 1600 werden de eerste instrumenten vervaardigd, ondermeer door Galilei (ca. 1592), waarmee een temperatuurindicatie kon worden verkregen. De werking hiervan berustte op de uitzetting van lucht door verwarming (bij constante druk). De constructie was eenvoudig: een glazen bol met lucht, van de buitenlucht afgesloten door een hoeveelheid vloeistof in een dun glazen buisje. Een volumeverandering van de lucht in de bol, als gevolg van een temperatuurverandering, wordt zichtbaar gemaakt door een verplaatsing van de vloeistofkolom in het buisje. Dergelijke voorlopers van de thermometer, zogenaamde thermoscopen, hadden nog geen schaalverdeling. Bovendien was ook de heersende luchtdruk van invloed op de positie van de vloeistofkolom. Uit dit soort instrumenten zijn na verloop van tijd de eerste thermometers voortgekomen zoals bijvoorbeeld de Florentijnse thermometer. Later ging men vloeistofthermometers gebruiken, gebaseerd op de uitzetting door verwarming van een e vloeistof zoals alcohol of kwik. In het begin van de 18 eeuw ontstonden er verschillende temperatuurschalen, waarvan de bekendste nog steeds worden gebruikt. Voor deze schalen, aangebracht op vloeistofthermometers, gebruikte men steeds twee min of meer reproduceerbare 'ijk'-temperaturen.

1.2

Verschillende temperatuurschalen

De temperatuurschaal van Fahrenheit, die in de Angelsaksische landen nog steeds wordt toegepast, dateert van 1717. De uit Duitsland afkomstige instrumentmaker Gabriël Fahrenheit (1686-1736) vervaardigde in ons land betrouwbare kwikthermometers. Als laagste ijkpunt voor zijn schaalverdeling nam hij de temperatuur van een mengsel van ijs en salmiak, een zogenaamd 'koudmakend mengsel' met een reproduceerbare temperatuur van ongeveer -18 °C (de Celsius-schaal bestond toen overigens nog niet). Dit was de laagste temperatuur die hij kon bereiken. Als hoogste ijkpunt nam Fahrenheit de temperatuur van het menselijk lichaam. Deze temperatuur definieerde hij als 96 graden. Hij verdeelde de afstand tussen de beide ijkpunten aanvankelijk in 24 stukken, waarna hij elk stuk nog tweemaal halveerde. In 1742 stelde de Zweed Anders Celsius (1701-1744) een temperatuurschaal voor die was gebaseerd op de temperaturen van smeltend ijs en kokend water, beide bij een druk van 1 atmosfeer. Celsius ging uit van de kwikthermometer, die op dat moment als het meest bruikbare instrument werd beschouwd. Als nulpunt nam hij de temperatuur van kokend water, de temperatuur van smeltend ijs stelde hij op 100 graden. Later heeft men deze punten verwisseld en ontstond de Celsius-schaal in zijn huidige vorm. Bij de definiëring van de temperatuurschaal op de kwikthermometer werd ervan uitgegaan dat de uitzetting van kwik exact lineair is met de temperatuur. Deze aanname bleek later een zwak punt, nog afgezien van andere praktische onvolkomenheden van de thermometer. Ook de temperatuurschaal van de Fransman Réaumur (1683-1757), die in Frankrijk nog lang in gebruik is geweest, is gebaseerd op smeltend ijs en kokend water. Réaumur verdeelde zijn thermometer tussen deze beide ijkpunten echter niet in 100, maar in 80 gelijke delen. Overeenkomstig de schalen van Celsius en Réaumur is de schaal van Fahrenheit later eveneens gerelateerd aan smeltend ijs en kokend water. Bij het ijken van een thermometer in graden Fahrenheit werd smeltend ijs op 32 graden gesteld en kokend water op 212 graden. Behalve het nulpunt is ook de grootte van één graad op de schalen van Celsius en Fahrenheit verschillend. Tussen smeltend ijs en kokend water liggen 100 graden Celsius, tegen 180 graden Fahrenheit. De graad Fahrenheit is dus 100/180, ofwel 5/9 deel van de graad Celsius.

blad 3 van 22


Omrekenen gaat als volgt:

°F = 32 + 9/5 × °C

en

°C = 5/9 × (°F - 32)

Om van zo'n omrekening één voorbeeld te geven: als referentietemperatuur voor de berekening van sterilisatiewaarden (F-waarden) heeft men destijds in de VS een ronde temperatuur van 250 °F gekozen, omgerekend naar graden Celsius is dit 5/9 × (250 - 32) = 121,11 °C. e

Halverwege de 19 eeuw introduceerde William Thomson (1824-1907, sinds 1892 Lord Kelvin) de zogenaamde absolute temperatuurschaal. Deze is niet gebaseerd op de kwikthermometer, maar op de gasthermometer. Hierbij wordt een reservoir, gevuld met een verdund gas, in de te meten omgeving gebracht. Zodra het gas in het reservoir de omgevingstemperatuur aangenomen heeft, wordt de druk van het gas gemeten. Uit de gemeten druk kan nu de temperatuur worden afgeleid. De druk van een ideaal gas is volgens de wet van Boyle evenredig met de temperatuur van het gas mits het volume constant gehouden wordt. Het soort gas speelt hierbij geen rol. Als de gemeten druk met een gasthermometer in een grafiek wordt uitgezet tegen de temperatuur (in graden Celsius, gemeten met een kwikthermometer), ontstaat er een rechte lijn. Wordt deze lijn vervolgens geëxtrapoleerd naar onderen, dan snijdt deze de xas bij een temperatuur van -273,15 °C (de gasdruk is dan 0). Deze temperatuur noemt men het absolute nulpunt. Kelvin liet zijn temperatuurschaal bij dit punt beginnen (zij het dat de nauwkeurigheid van de metingen het toen niet toeliet om het absolute nulpunt op minder dan één graad nauwkeurig te bepalen). Het nulpunt van de kelvin-schaal ligt dus bij -273,15 °C. De kelvin (K), dus zonder 'graad' (vroeger was het °K), is in grootte gelijk aan de graad Celsius. Dit maakt het omrekenen gemakkelijk:

K = °C + 273,15 en °C = K - 273,15. Voor de volledigheid kan nog worden vermeld dat er ook een absolute temperatuurschaal bestaat, waarbij de grootte van de graad overeenkomt met één graad Fahrenheit. Dit is de schaal van Rankine (genoemd naar W.J.M. Rankine): °R = °F + 459,67. De absolute of thermodynamische temperatuurschaal, gebaseerd op de ideale gasthermometer, geldt als primaire standaard voor het meten van temperaturen. De kelvin is één van de zeven grondeenheden van het internationale eenhedenstelsel (SI-systeem). Naast de kelvin is de graad Celsius in het SI-systeem blijvend erkend. Voor temperatuurverschillen maakt het overigens niet uit welke van de twee eenheden wordt gebruikt. Het gebruik van de Fahrenheit-schaal is officieel niet meer toegestaan, maar is in de Engelstalige landen kennelijk moeilijk uit te bannen, evenals een aantal andere Angelsaksische eenheden. Hoewel de absolute temperatuurschaal in eerste instantie werd gedefinieerd aan de hand van het vriespunt (smeltend ijs) en het kookpunt van zuiver water bij een druk van 1 atmosfeer, ofwel 1013,25 hPa (hectoPascal), is smeltend ijs als ijkpunt al in 1948 vervangen door het zogenaamde tripelpunt van water. Dit is de temperatuur waarbij de drie fasen van een stof (in dit geval ijs, water en waterdamp) met elkaar in evenwicht zijn. Het tripelpunt van water ligt bij 0,01 °C (273,16 K) en heeft als voordeel dat het met een grotere nauwkeurigheid reproduceerbaar is. Vanaf 1954 definieert men de absolute temperatuurschaal nog uitsluitend op het tripelpunt van water, het kookpunt wordt hiervoor sindsdien niet meer gebruikt. De absolute temperatuurschaal is nu gebaseerd op twee vaste punten: het absolute nulpunt en het tripelpunt van water.

blad 4 van 22


1.3

Internationale temperatuurschaal van 1990

De ideale gasthermometer, geijkt bij het tripelpunt van water, geldt weliswaar als de primaire standaard voor temperatuurmetingen, maar is zeer onpraktisch in het gebruik. Dit instrument wordt dan ook alleen in sommige gespecialiseerde standaardisatie-laboratoria gebruikt. Voorschriften voor de kalibratie van praktische thermometers zijn vastgelegd in een internationale praktische temperatuurschaal. De meest recente versie hiervan is de 'International Temperature Scale 1990' (ITS-90). Deze schaal is voortgekomen uit eerdere versies (zoals ITS-27, IPTS-48, IPTS-68). Basis van de internationale temperatuurschaal is een reeks van 17 goed reproduceerbare temperaturen die gebaseerd zijn op faseovergangen van een aantal zuivere stoffen en waarvan de waarde met een gasthermometer nauwkeurig is vastgelegd. Tabel 1 toont de 5 temperaturen die vallen in het bereik dat voor de productie van voedingsmiddelen van toepassing is (van invriezen tot grillen en braden). Opvallend is dat het kookpunt van water in tabel 1 ontbreekt. In de voorlaatste versie van de internationale praktische temperatuurschaal (ITPS-68) kwam deze temperatuur nog wel voor. Inmiddels is echter gebleken dat het kookpunt van water niet bij 100,00, maar bij 99,97 °C ligt. Voor alle temperatuurgebieden worden nauwkeurig gespecificeerde meetinstrumenten voorgeschreven als secundaire standaard. Voor het traject tussen -259,35 °C en 961,78 °C zijn dit platina weerstandthermometers (zie § 2). De elektrische weerstand van een platinadraad (Pt) is gelijk aan de relatieve weerstandswaarde in kolom 3 van tabel 1 maal de weerstand van deze draad bij 0,01 °C. Voor temperaturen tussen de vaste punten bevat ITS-90 een reeks interpolatieformules (dit is nodig, omdat de weerstand van een Ptelement wel ongeveer, maar niet precies lineair is met de temperatuur ervan). Tabel 1

Enkele vaste punten van de ITS-90 temperatuurschaal (smelt- en stolpunten gelden bij een druk van 101325 Pa) temperatuur (°C) omschrijving relatieve weerstand van platina -38,8344

tripelpunt van kwik

0,84414211

0,01

tripelpunt van water

1,00000000

29,7646

smeltpunt van gallium

1,11813889

156,5985

stolpunt van indium

1,60980185

231,928

stolpunt van tin

1,89279768

2

TEMPERATUUROPNEMERS

2.1

Responstijd

Een temperatuurmeting kost altijd enige tijd, namelijk de tijd die de sensor nodig heeft om de temperatuur van de te meten omgeving aan te nemen. De benodigde tijd is groter naarmate de sensor een grotere massa heeft en de omhulling dikker is. Voor snelle metingen moet de sensor klein zijn en moet de omhulling dun en goed geleidend zijn. Het snelst is uiteraard een sensor die open en bloot ligt, hetgeen soms bij thermokoppels het geval is. Als maat voor de snelheid, waarmee een thermometer zich aan een nieuwe temperatuur aanpast, gebruikt men de responstijd of tijdconstante, met als symbool de Griekse letter tau (τ). Als een sensor plotseling in een nieuw medium wordt gebracht is τ de tijd die nodig is om het oorspronkelijke temperatuurverschil tussen de sensor en het medium met een factor e te doen afnemen (net als bijvoorbeeld π is het getal e is een wiskundige constante: e = 2,7183).

blad 5 van 22


Na de responstijd is er van het temperatuurverschil nog 1/e × 100 % = 36,8 % over, anders gezegd: het verschil is dan met 63,2 % verminderd. De responstijd wordt daarom ook wel de t63,2-waarde genoemd. Voor de praktijk zijn als maat voor de snelheid van een voeler de t90-waarde en de t99-waarde handiger. Dit zijn de tijden die de voeler nodig heeft om een plotseling temperatuurverschil voor respectievelijk 90% en 99% te volgen (dus 10 maal en 100 maal kleiner te doen worden). Deze constanten kunnen als volgt uit τ berekend worden:

t90 = 2,3026 × τ en

t99 = 4,6052 × τ

De getallen 2,3026 en 4,6052 in deze formules zijn de natuurlijke logaritmen van 10 en 100: ln(10) en ln(100). Algemeen geformuleerd geldt dat de tijd die nodig is om het temperatuurverschil tussen sensor en omgeving x maal kleiner te maken gelijk is aan ln(x) × τ. Stel dat een sensor met een temperatuur van 20 °C plotseling in een omgeving wordt gebracht met een constante temperatuur van -20 °C. Als de thermometer op hele graden afleesbaar is, hoe lang duurt het dan voor deze -20 °C aangeeft bij een responstijd van 1 minuut? Om het oorspronkelijke temperatuurverschil van 40 °C te verminderen tot 0,5 °C (dus 80 maal kleiner te maken) is een tijd nodig van 1 × ln(80) = 4,4 min. Figuur 1

Temperatuurverloop van een sensor met een responstijd van 10 s na plotseling overbrengen van kokend water naar smeltend ijs

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Tijd [s]

Als voorbeeld van het bovenstaande toont figuur 1 het temperatuurverloop van een sensor die zich aanvankelijk in kokend water (100 °C) bevindt en dan plotseling wordt overgebracht in smeltend ijs (0 °C). De responstijd is in dit voorbeeld 10 s. Van de plotselinge temperatuurverandering van 100 °C is na 10 s nog maar 36,8 °C over. De responstijd hangt niet alleen af van de voeler zelf, maar ook van de aard en stromingstoestand van het medium. In stromend water is de responstijd bijvoorbeeld veel kleiner (bijvoorbeeld enkele seconden) dan in stilstaande lucht (bijvoorbeeld enkele minuten). Dit wordt veroorzaakt door het verschil in warmteoverdrachtscoëfficiënt (bijvoorbeeld 1000 W/m²K in water, tegen 10 W/m²K in lucht). Als de voeler in het voorbeeld van figuur 1 van smeltend ijs naar kokend water wordt overgebracht zal de responstijd kleiner zijn dan 10 s, aangezien kokend water een zeer goede warmteoverdracht geeft. Een responstijd kan in de praktijk worden bepaald aan de hand van een grafische weergave van het gemeten temperatuurverloop in de aanpassingsfase. Op de x-as wordt

blad 6 van 22


de tijd uitgezet en op de y-as de natuurlijke logaritme van het temperatuurverschil tussen sensor en omgeving. Dit levert een rechte lijn met -1/τ als richtingscoëfficiënt.

2.2

Mechanische en elektrische opnemers

De vertrouwde kwikthermometers worden momenteel eigenlijk alleen nog in laboratoriumsituaties gebruikt. Vanwege het risico van vrijkomend kwik bij breuk mogen ze bij de productie van voedingsmiddelen niet meer worden gebruikt. Mechanische thermometers, die nog wel veel voorkomen, zijn bimetaalthermometers en thermometers waarvan de werking berust op de druktoename van een gas, een vloeistof of vloeistof/damp-systeem bij temperatuurverhoging. De werking van een bimetaalthermometer berust op het kromtrekken van een uit twee lagen bestaande (meestal spiraalvormige) strook, waarvoor metalen zijn gebruikt met verschillende uitzettingscoëfficiënten. Bimetaalthermometers zijn eenvoudig, robuust en goedkoop, maar voor nauwkeurige metingen ongeschikt. Temperatuurvoelers met gas/vloeistof-vulling worden veel gebruikt voor temperatuurregelingen (thermostaten). Deze voelers zijn via een capillair verbonden met de meet- (en eventueel regel-)eenheid. Voor nauwkeurige metingen worden tegenwoordig vrijwel uitsluitend elektrische thermometers gebruikt. Zoals bij de zojuist genoemde (mechanische) thermometers op basis van een met gas/vloeistof gevulde voeler, bestaat het meetsysteem hier uit twee gedeelten: • De sensor, ofwel het opnemer-element Dit is de plaats waar de eigenlijke meting wordt verricht. De sensor kan zich in de meter zelf bevinden (interne sensor) of buiten de meter (externe sensor). Heeft een thermometer een interne sensor, dan meet het apparaat de temperatuur van de ruimte waarin het zich bevindt. Voor een meting op afstand is een externe sensor nodig. Meestal is de sensor in dit geval opgenomen in een beschermende omhulling (de voeler), die direct of via een kabel is verbonden met de meter. Bij een kerntemperatuurvoeler bevindt zich de sensor, die dan zeer klein moet zijn, in de punt van de voeler. Wordt er een meting gedaan, dan neemt de sensor de temperatuur van zijn directe omgeving aan en geeft vervolgens een elektrisch signaal af (bijvoorbeeld een spanning) waarvan de grootte afhankelijk is van de temperatuur. • De eigenlijke meter (de rest van het apparaat) Deze heeft tot taak de sensor, als dit nodig is, te voorzien van een voedingsspanning en het elektrische signaal van de sensor te vertalen naar een temperatuur, die vervolgens op de meter moet kunnen worden uitgelezen. In plaats van een kastje met elektronica kan de meter ook de gedaante hebben van een insteekkaart voor de computer. Na aanbrengen van zo'n kaart kan een sensor meteen op de computer worden aangesloten. Een dergelijke insteekkaart bevat tevens een zogenaamde AD-converter, die het meetsignaal voor de computer omzet in een binaire waarde (zie § 3). De uitlezing vindt dan plaats met een computer, waarin de metingen desgewenst ook kunnen worden opgeslagen.

2.3

Veel gebruikte soorten elektrische opnemers in de voedingsmiddelensector

2.3.1 Metaalweerstandsensors Tot deze soort behoren de Pt-100 en de Pt-1000-elementen. De werking van deze sensors berust op het feit dat de elektrische weerstand van een metaal (zoals in dit geval platina) toeneemt met de temperatuur. Alhoewel platina veruit het meest wordt toegepast, worden soms ook andere metalen gebruikt in weerstandsensors, zoals bijvoorbeeld nikkel (Ni). Traditioneel wordt voor de fabricage van een metaalweerstandelement een dunne metaaldraad gebruikt. Zo wordt een Pt-100-element gemaakt van een zeer fijne draad van zuiver platina, gewonden op een glazen of keramische spoel. De lengte van deze draad is zodanig dat de weerstand ervan exact 100 ohm bedraagt bij 0°C (bij een Pt-1000-element is deze weerstand 1000 ohm).

blad 7 van 22


Tegenwoordig worden er ook Pt-elementen gemaakt waarbij het platina de vorm heeft van een folie of een zeer dunne film. Folie-temperatuuropnemers lenen zich goed voor het meten van oppervlaktetemperaturen (ook aan gebogen oppervlakken). Met behulp van de dunnefilm-techniek kunnen metaalweerstandsensors veel kleiner worden gemaakt dan de traditionele draadgewonden elementen. De weerstand van een Pt-element, te meten met een zogenaamde brugschakeling (zie verderop), is vrijwel lineair met de temperatuur. De relatieve weerstandstoename van een materiaal per graad temperatuurstijging noemt men de temperatuurcoëfficiënt. Platina heeft een temperatuurcoëfficiënt van 0,385 % per °C. Voor nauwkeurige temperatuurmetingen is het noodzakelijk rekening te houden met de, zij het geringe, niet-lineariteit van een Pt-weerstand element. In de Duitse norm DIN43760 zijn de specificaties van metaalweerstandthermometers (zowel Ni- als Pt-elementen) vastgelegd. Voor de weerstand van een Pt-100-element geldt: • •

voor het gebied tussen -200 °C en 0 °C:

2

3

R t = R0 {1 + A⋅t + B⋅t + C⋅(t - 100)⋅t }

voor het gebied tussen 0 °C tot 850 °C:

2

R t = R0 (1 + A⋅t + B⋅t ) In deze formules is t de temperatuur in °C en zijn R0 en R t zijn de weerstanden bij respectievelijk 0 en t °C. De constanten A, B en C hebben de volgende getalswaarden: -3

A = 3,90802⋅10 -7 B = -5,80195⋅10 -12 C = -4,27350⋅10 Weerstandthermometers zijn zeer stabiel en kunnen erg nauwkeurig zijn. Het feit dat de weerstand van de toevoerdraden enigermate wordt beïnvloed door de omgevingstemperatuur kan een evenwel een meetfout veroorzaken. Deze fout kan worden voorkomen door toepassing van een zogenaamde drie- of vierdraadsschakeling. Figuur 3 geeft een indruk van deze beide schakelingen. Figuur 2

Weerstandmeting via een driedraads- en een vierdraadsschakeling (V = spanningsbron; I = stroombron)

a

R(T)

R1

driedraadsschakeling c

B

A

b

D R3

V

R2 C

V

R(T)

blad 8 van 22

vierdraadsschakeling

I


Bij de afgebeelde driedraadsschakeling wordt de zogenaamde brug van Wheatstone gebruikt. R1 en R2 zijn vaste weerstanden waarvan de waarde exact gelijk is. R3 is een instelbare weerstand, waarvan de ingestelde waarde afleesbaar is. Voor zeer nauwkeurige metingen kan als instelbare weerstand een weerstandsbank of decaden-bank worden gebruikt. Bij de zogenaamde nulmethode wordt R3 zodanig ingesteld, dat het spanningsverschil tussen de punten B en D nul is. Dit kan worden waargenomen met de spanningsmeter die hier als nulindicator fungeert. De weerstand tussen de punten A en B is nu gelijk aan die tussen B en C. De draden a en b dienen exact gelijk aan elkaar te zijn, zodat ze dezelfde weerstand hebben ongeacht de omgevingstemperatuur. De weerstand van draad c is niet van belang daar er tussen B en D geen stroom loopt. De te meten weerstand R(T) van het weerstandelement is nu gelijk aan R3. Bij een vierdraadsschakeling wordt in plaats van een spanningsbron een stroombron gebruikt. De weerstand van de toevoerdraden speelt daardoor geen rol. Voorwaarde is wel dat de weerstand van de beide draden tussen de spanningsmeter en de weerstandsensor te verwaarlozen is ten opzichte van de ingangsweerstand van de meter. Doordat er bij het meten met een weerstandsensor altijd een zekere stroom door de sensor loopt, zal er hierin onvermijdelijk enige warmte worden opgewekt. Om te voorkomen dat dit de meting beïnvloedt, dient deze stroom zo klein mogelijk te blijven. Dit is met name van belang bij een trage warmteoverdracht tussen sensor en medium zoals bij metingen in lucht, vooral als de circulatie beperkt is. Vanwege hun stabiliteit en betrouwbaarheid worden weerstandelementen (meestal Pt-100) in de praktijk zeer veel gebruikt. Zoals reeds vermeld worden gespecificeerde Ptweerstandelementen door ITS-90 als secundaire standaard voorgeschreven voor kalibraties in een groot temperatuurtraject.

2.3.2 Thermistors Een thermistor is feitelijk ook een weerstandelement. In plaats van een metaal bevat dit element een halfgeleidermateriaal, waarvan de weerstand temperatuurafhankelijk is. In tegenstelling tot de weerstand van een metaal neemt de weerstand van de halfgeleider in een thermistor bij een temperatuurverhoging meestal af. De sensor heeft dan een negatieve temperatuurcoëfficiënt. Hiervoor gebruikt men de afkorting NTC (van Negative Temperature Coefficient). Vergeleken met een metaalweerstandelement is een NTC veel gevoeliger. De weerstandsverandering per graad ligt hier in de orde van procenten in plaats van tienden van een procent. Het verband tussen temperatuur en weerstand is bij een thermistor overigens lang niet zo mooi lineair als bij een metaalweerstandelement. Behalve hun grote gevoeligheid hebben thermistors het voordeel dat ze klein zijn en dus een korte responstijd hebben. Het nadeel is dat ze maar in een beperkt temperatuurgebied kunnen worden gebruikt, tot ruim 100 °C, zodat ze voor het gebruik in een oven niet geschikt zijn. Verder is een thermistor vrij fragiel. Het laten vallen of hard stoten van de sensor maakt deze onbetrouwbaar. Dit geldt overigens ook voor een weerstandsensor. Veel dataloggers gebruiken als opnemer-element een NTC-thermistor.

2.3.3 IC-sensors Een IC-sensor is een chip (Integrated Circuit) die een spanning of stroom afgeeft, die lineair is met de temperatuur. Een IC-sensor heeft, evenals een thermistor, een beperkt temperatuurbereik bijvoorbeeld -55 °C tot +150 °C en is bovendien vrij traag (lange responstijd).

blad 9 van 22


2.3.4 Thermokoppels Thermokoppels zijn minder nauwkeurig en stabiel dan metaalweerstandelementen, maar zijn robuust en flexibel in het gebruik. Ze kunnen worden ingezet op plaatsen die met andere sensors niet of zeer moeilijk bereikbaar zijn. Bovendien kunnen met dit type sensor zeer korte responstijden worden gerealiseerd. Een thermokoppel kan zeer eenvoudig worden gemaakt door de uiteinden van twee draden van verschillende metalen aan beide uiteinden met elkaar te verbinden, zodat er een gesloten kring ontstaat. Als de beide laspunten op een verschillende temperatuur gebracht worden, zal er hierdoor een kleine stroom door de draden worden opgewekt. Als de kring onderbroken wordt, zal er geen stroom meer kunnen lopen, maar zal er op de open uiteinden een kleine spanning komen te staan. Deze spanning wordt thermospanning genoemd. Het ontstaan van een spanning uit een temperatuurverschil noemt men het Seebeck-effect, naar Thomas Seebeck die dit verschijnsel in 1821 ontdekte. De gevormde thermospanning is min of meer evenredig met het temperatuurverschil tussen de laspunten. De gevormde spanning per graad temperatuurverschil heet de Seebeck-coëfficiënt. Deze coëfficiënt hangt af van de gekozen combinatie van metalen. Een veel gebruikt thermokoppel is de combinatie van koper en constantaan (constantaan is een legering van koper en nikkel). De Seebeck-coëfficiënt van dit koppel is ongeveer 0,04 mV/°C. Als de Seebeck-coëfficiënt van een thermokoppel bekend is, kan dit koppel worden gebruikt voor het meten van temperaturen. Het temperatuurverschil tussen de beide laspunten kan worden bepaald door meting van de gevormde thermo-spanning. Wordt er bijvoorbeeld (bij koper-constantaan) een spanning van 2 mV gemeten dan betekent dit dat het temperatuurverschil tussen de lassen 2 / 0,04 = 50 °C bedraagt. Hiermee is dus weliswaar het temperatuurverschil tussen de laspunten bepaald, maar niet de temperaturen zelf. Dit probleem kan worden opgelost door één van de beide lassen, de zogenaamde 'koude las', in een thermoskan met smeltend ijs te houden. De andere las, de 'warme las', kan dan als sensor worden gebruikt voor het meten van de temperatuur. Daar de temperatuur van de koude las 0 °C is, is het temperatuurverschil gelijk aan de temperatuur van de warme las (in °C). Om de noodzaak van een thermoskan met smeltend ijs voor de koude las te elimineren wordt de koude las in de praktijk meestal opgenomen in de meter zelf. Via het meten (bijvoorbeeld met een IC-sensor) van de koude las-temperatuur kan het nulpunt nu elektronisch (hardware-matig) dan wel software-matig worden nagebootst. Thermokoppeldraad kan per meter in verschillende soorten en kwaliteiten worden gekocht. De beide draden zitten dan bij voorkeur in elkaar gedraaid (getwist) om storing door elektromagnetische velden te vermijden. De beide draden zijn hierbij voorzien van een isolatie. Soms worden de draden samen ook nog omgeven door een beschermende isolatie, eventueel met een afscherming van gevlochten koper. Bij het meten met een thermokoppel worden de beide draden aan de ene kant aan elkaar gemaakt, bij voorkeur gesoldeerd of gepuntlast. De andere uiteinden worden verbonden met het meetinstrument. Hiervoor zijn speciale stekkers in de handel, waarvan de pootjes van hetzelfde materiaal gemaakt zijn als de beide draden. De lengte van de draden doet er in principe niet toe. Naast koper-constantaan zijn er nog diverse andere thermokoppels die regelmatig worden gebruikt. Tabel 2 geeft een overzicht van vier gangbare typen. Koper-constantaan (type T) is, zoals uit de tabel blijkt, het nauwkeurigst. Dit type is tevens het meest geschikt voor het gebruik in een vochtige omgeving. De kleuren die in de tabel staan vermeld, zijn de kleuren van de isolatie van de afzonderlijke draden. Hieraan kan men het type thermokoppel herkennen. Er bestaan verschillende kleurcoderingen (ANSI, DIN, IEC/CEI, BS, NF). In tabel 2 is de Amerikaanse (ANSI) kleurcodering vermeld.

blad 10 van 22


Tabel 2 Overzicht van enkele gangbare thermokoppels kleuren: Amerikaanse (ANSI-) kleurcode Seebeck-coëfficiënt: de opgegeven waarde geldt bij een temperatuur van 20 °C Nauwkeurigheid: de vermelde nauwkeurigheid geldt alleen als deze meer is dan 0,4% van de meetwaarde, anders is de nauwkeurigheid 0,4% van de meetwaarde thermokoppel symbolen code kleuren Seebeckbereik nauwk. coëff. 0 - 750 °C

1,1 °C

ijzer-constantaan

Fe-CuNi

J

wit-rood

0,051 mV/°C

chromel-alumel

NiCr-NiAl

K

geel-rood

0,040 mV/°C -200 - 1250 °C 1,1 °C

koper-constantaan Cu-CuNi

T

blauw-rood 0,040 mV/°C -200 - 350 °C 0,5 °C

chromelconstantaan

E

violet-rood 0,062 mV/°C -200 - 900 °C 1,0 °C

NiCr-CuNi

Bij de aansluiting van een thermokoppel op een meetinstrument kan het belangrijk zijn te weten welke draad positief is (+) en welke negatief (-). Het als eerste genoemde metaal is altijd positief. De negatieve draad is volgens de vermelde kleurcodes altijd rood. In de genoemde thermokoppels komen 2 zuivere metalen voor (Fe en Cu). De metalen constantaan, chromel en alumel zijn speciale legeringen. Constantaan (symbool CuNi) is een legering van voornamelijk koper en nikkel. Chromel en alumel bestaan grotendeels uit nikkel. Chromel (symbool NiCr) bevat 10% chroom. Alumel (symbool NiAl) bevat onder meer 2% aluminium.

2.3.5 Infraroodsensors Met infraroodsensors kunnen oppervakte-temperaturen op afstand, dus contactloos, worden gemeten. Elk oppervlak met een temperatuur boven het absolute nulpunt zendt elektromagnetische straling uit. De intensiteit van deze straling neemt toe met de temperatuur. Het uitgezonden vermogen (P) is evenredig met de vierde macht van de absolute temperatuur (T) van het oppervlak:

P [W/m ] = ε ⋅ 5,7 ⋅ 10 ⋅ T 2

-8

4

Hierin is ε de emissiecoëfficiënt van het oppervlak. In het ideale geval van een perfect spiegelend oppervlak is de emissiecoëfficiënt 0; een volledig zwart oppervlak, een zogenaamde zwarte straler, heeft een emissiecoëfficiënt van 1. De uitgezonden straling is over een zeker golflengtegebied verdeeld. De spectrale verdeling van de uitgezonden straling verschuift met de temperatuur T van het oppervlak. De golflengte (λmax) waarbij de meeste energie wordt uitgezonden kan worden berekend met:

λmax [µm] = 2890 / T

Figuur 3 toont de spectrale verdeling van de door een zwart oppervlak uitgezonden straling bij verschillende oppervlaktetemperaturen. Het zichtbare deel van het spectrum loopt van 0,4 µm (violet) tot 0,7 µm (rood). Het (nabije) infrarood begint dus ongeveer bij 0,7 µm. Uit de figuur blijkt dat de stralingsintensiteit bij alle golflengten toeneemt als de temperatuur stijgt. Het zwaartepunt van de spectrale verdeling verschuift bij temperatuurverhoging naar links. Bij lage temperaturen ligt de uitgezonden straling geheel in het infrarode gebied en is dus onzichtbaar. Bij hogere temperaturen wordt er ook zichtbare straling uitgezonden (licht), waarvan de kleur van dof rood verschuift naar helder wit naarmate de temperatuur hoger wordt. In figuur 3 is te zien dat er bij 1000 °C, naast infrarood, ook zichtbaar licht wordt uitgestraald in het hele zichtbare golflengtegebied. Bij 600 °C raakt de getekende curve in de figuur net aan het rode deel van het zichtbare spectrum (weliswaar met een zeer geringe intensiteit, maar voor het menselijk oog goed zichtbaar). Met een stralingsthermometer of infraroodsensor wordt slechts een deel van de uitgezonden straling gemeten, liggend in het infrarode gebied.

blad 11 van 22


Bij veel meters wordt het gedeelte gemeten in het golflengtegebied tussen 8 en 14 µm. Bij het meten van een groter deel van het spectrum treedt het probleem op dat de lucht, met het hierin aanwezige CO2 en H2O, tussen het te meten oppervlak en de sensor een deel van de straling absorbeert, waardoor de afstand tussen sensor en oppervlak op de meting van invloed is. Uit de door de sensor ontvangen stralingsenergie kan de temperatuur van het gemeten oppervlak worden berekend. De sensor meet alle straling die binnen een bepaalde hoek ontvangen wordt. Het te meten oppervlak moet het 'gezichtsveld' van de sensor geheel vullen om er zeker van te zijn dat alleen dit oppervlak gemeten wordt. Heeft het te meten oppervlak een emissiecoëfficiënt lager dan 1, dan moet de meting hiervoor worden gecorrigeerd. Overigens is elk oppervlak een perfecte zwarte straler als hierin een gat wordt geboord met een diepte van minimaal 6 keer de doorsnede. De meethoek moet dan wel zodanig zijn dat de sensor alleen dit gat 'ziet'. Figuur 3

Uitgezonden straling door een zwart oppervlak bij verschillende temperaturen

Relatieve intensiteit [W/m²/µm]

1000

1000 °C 100

600 °C

10

1

37 °C 0,1

0,01

0,001 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Golflengte [µm]

3

SIGNAALVERWERKING EN OPSLAG VAN MEETWAARDEN

3.1

Versterken en lineariseren van een meetsignaal

Een sensor geeft een elektrisch signaal af, vaak een spanning. Dit signaal moet door het meetinstrument worden vertaald naar een meetwaarde, in dit geval naar een temperatuur. Hierbij spelen verschillende factoren een rol. - Nulpuntcorrectie Ook als de te meten grootheid 0 is, geeft de sensor vaak een zeker signaal af. De grootte van dit nulsignaal moet van elk gemeten signaal worden afgetrokken. - Versterken van het meetsignaal Het meetsignaal is vaak te klein om met de vereiste nauwkeurigheid te kunnen worden gemeten, zodat het eerst dient te worden versterkt. Dit is bijvoorbeeld het geval bij een thermokoppel. Meestal wordt een zodanige versterking toegepast dat het signaal na nulpuntcorrectie een standaardbereik heeft van bijvoorbeeld van 0 tot 5 V.

blad 12 van 22


-

Linearisering Dit is nodig om het versterkte meetsignaal te kunnen omzetten in een reële meetwaarde zoals temperatuur.

Linearisering van het meetsignaal behoeft enige toelichting. De ideale sensor geeft een signaal dat exact evenredig is met de te meten grootheid. In de praktijk voldoet hieraan geen enkele sensor. De Pt-weerstandsensor benadert dit ideaal het best, maar ook hier moet voor een nauwkeurige meting rekening worden gehouden met een zekere nietlineariteit. Bij thermokoppels is de niet-lineariteit nog veel groter. De thermo-spanning is namelijk niet precies evenredig met de temperatuur. Dit komt tot uiting in de zogenaamde Seebeck-coëfficiënt. Voor koper-constantaan bijvoorbeeld neemt deze toe van 0,039 mV/°C bij 0 °C tot 0,047 mV/°C bij 100 °C en 0,053 mV/°C bij 200 °C. Dit probleem kan op twee manieren worden opgelost. De ene oplossing is hardware-matig: het meetsignaal wordt via een elektronische schakeling gelineariseerd of er wordt gebruik gemaakt van een niet-lineaire schaal. De tweede oplossing is software-matig: de temperatuur wordt nauwkeurig berekend met behulp van een polynoom: 2

3

4

5

6

7

8

y = a0 + a1x + a2x + a3x + a4x + a5x + a6x + a7x + a8x + a9x

9

In deze formule is y de temperatuur en x de gemeten thermospanning. De polynoomcoëfficiënten a0 t/m a9 zijn in officiële tabellen vastgelegd. Tabel 3 toont deze coëfficiënten voor de thermokoppels van tabel 2. Een software-matige linearisering maakt het gebruik van verschillende thermokoppels mogelijk op één meetapparaat. Dit apparaat moet dan worden overgeschakeld op een andere polynoom. Tabel 3

3.2

Polynoomcoëfficiënten van de thermokoppels van tabel 2 (NBS)

type J 0 tot 760 °C

type K 0 tot 1370 °C

type T -160 tot 400°C

type E -100 tot 1000 °C

a0

-0,048868252

0,226584602

0,100860910

0,104967248

a1

19873,14503

24152,10900

25727,94369

17189,45282

a2

-218614,5353

67233,4248

-767345,8295

-282639,0850

a3

11569199,78

22103440,682

78025595,81

12695339,5

a4

-264917531,4

-860963914,9

-9247486589

-448703084,6

a5

2018441314

4,83506E+10

6,97688E+11

1,10866E+10

a6

-

-1,18452E+12

-2,66192E+13

-1,76807E+11

a7

-

1,38690E+13

3,94078E+14

1,71842E+12

a8

-

-6,33708E+13

-

-9,19278E+12

a9

-

-

-

2,06132E+13

AD-conversie

Voor het opslaan van meetwaarden in een elektronisch geheugen van een computer of datalogger moeten deze waarden nog worden geconverteerd. Het signaal van een sensor, bijvoorbeeld de spanning van een thermokoppel, kan binnen het meetgebied alle mogelijke waarden aannemen. De grootte van het signaal is een continue variabele, met andere woorden: een analoog signaal. Stel dat dit signaal door de elektronica van de meter wordt versterkt en gelineariseerd tot een spanning tussen 0 en 5 Volt, die lineair is met de te meten temperatuur.

blad 13 van 22


Deze spanning is nog steeds analoog en kan tussen 0 en 5 Volt elke denkbare waarde aannemen. Om nu uit de verkregen spanning een meetresultaat te verkrijgen, dat kan worden opgeslagen in een computergeheugen, moet het meetresultaat van de analoge spanning ergens tussen 0 en 5 Volt worden omgezet in een digitale waarde. Dit is een binair getal, ofwel een getal van enen en nullen. Hiertoe bevat een datalogger en elke andere meter die zijn meetwaarden aan een computer kan doorgeven, een zogenaamde AD-converter. (analoog - digitaal omzetter). De goedkoopste dataloggers bijvoorbeeld gebruiken een zogenaamde 8 bits AD-converter. Deze geeft een binair getal van 8 bits (ofwel 1 byte). Een 8 bits converter zet de analoge meetwaarde om in een binair getal met een lengte van 8 bits. Het grootste getal van 8 bits is 11111111. De decimale waarde 8 hiervan is 2 - 1 = 256 - 1 = 255. Het totale meetbereik van de meter wordt nu dus onderverdeeld in 255 stapjes. Stel dat het meetbereik loopt van -50 tot +150 °C. Het totale bereik van 200 °C wordt dan verdeeld in 255 stapjes, dus in stapjes van 200/255 = 0,78 °C. De resolutie of uitleesnauwkeurigheid van de meetwaarden is hier dus circa 0,8 °C. Ook al zou de meter een meetnauwkeurigheid hebben van bijvoorbeeld 0,2 °C dan zou men hier niets aan hebben. Om de meetnauwkeurigheid van de meter ten volle te benutten mag de resolutie van de AD-converter niet grover zijn dan de meetnauwkeurigheid. Elke bit die een AD-converter meer geeft, verkleint de stapgrootte met een factor 2. Een 10 bits converter zou dus in het zojuist gegeven voorbeeld een resolutie opleveren van circa 0,2 °C. Goede dataloggers hebben tegenwoordig een resolutie van 14 bits.

4

CONTROLE VAN THERMOMETERS: KALIBRATIE EN IJKING

Algemene richtlijnen, procedures en verantwoordelijkheden bij kalibratie van meetmiddelen zijn te vinden in de normbladen, NEN 2646, NEN 2647, NEN 2648, NEN 2649. Om de belangrijkste begrippen te verhelderen worden hieronder een aantal definities gegeven, ontleend aan NEN 2649 ('Voorwaarden te stellen aan meet- en kalibratiesystemen'). •

• • • • •

•

Standaard Geautoriseerd meetmiddel bestemd om één of meer waarden van een grootheid te definiëren of te verstoffelijken, te conserveren of te reproduceren, ten einde deze door vergelijking naar andere meetmiddelen over te brengen. Primaire standaard Standaard die betrekking heeft op een bepaalde grootheid en die de hoogste metrologische hoedanigheid op dit gebied vertegenwoordigt. Secundaire standaard Standaard waarvan de waarde wordt bepaald door een directe of indirecte vergelijking met een primaire standaard. Referentiestandaard Secundaire standaard waarmee standaarden van lagere nauwkeurigheid worden vergeleken. Werkstandaard Standaard die, zelf gekalibreerd door vergelijking met een referentiestandaard, bestemd is voor het kalibreren van de overige meetmiddelen en referentiematerialen. Internationale standaard Standaard die door een overeenkomst tussen twee of meer landen is aangewezen om als basis te dienen voor het vaststellen van de waarden van alle standaarden van de gegeven grootheid. Nationale standaard Standaard die wettelijk is aangewezen om in een land als basis te dienen voor het vaststellen van de waarden van alle andere standaarden van de gegeven grootheid. In het algemeen is de nationale standaard ook de primaire standaard.

blad 14 van 22


•

• •

•

Kalibreren Het bepalen van de waarde van de afwijkingen van een meetmiddel of referentiemateriaal ten opzichte van een van toepassing zijnde standaard en, indien noodzakelijk, het bepalen van andere metrologische eigenschappen. Justeren Het verrichten van handelingen nodig om het meetmiddel of referentiemateriaal zodanig nauwkeurig te laten functioneren dat het geschikt is voor het gebruiksdoel. IJken Het vaststellen of het meetmiddel of referentiemateriaal geheel voldoet aan de bij de aard van het onderzoek behorende en op het tijdstip van de vaststelling geldende voorschriften. Veelal geschiedt dit vaststellen onder verantwoordelijkheid van een nationale metrologische dienst. Het wettelijk ijken houdt tevens in het waarmerken van het geijkte als zodanig. Kalibratiestatus Status van een meetmiddel of referentiemateriaal ten aanzien van de omvang van en de termijnen voor de kalibratie, alsmede een eventuele beperking in het gebruik van het meetmiddel of referentiemateriaal.

Thermometers kunnen soms, zonder dat dit onmiddellijk opvalt, een behoorlijke afwijking vertonen. Om dit probleem te ondervangen, is het nodig belangrijke thermometers met een vaste regelmaat te laten kalibreren en indien nodig justeren. De aanwijzing van de meter wordt dan bij een aantal vaste temperaturen in het werkgebied van de meter vergeleken met een standaard. De hierbij gebruikte standaard is via de hierboven aangegeven hiërarchie van standaarden herleidbaar op de primaire standaard. Desgewenst kunnen sensoren ook afzonderlijk worden gekalibreerd, dus los van het meetinstrument. Wenst men een officieel kalibratie-certificaat, dan dient de betreffende kalibratie te worden uitgevoerd door een door de Nederlandse Kalibratie Organisatie (NKO) geaccrediteerde instantie zoals Kalibra, KEMA, Fluke, Thermo Electric, etc. Bij een door het NKO erkende kalibratie moet er volgens nauwkeurig omschreven richtlijnen worden gewerkt (EN 45001 en ISO/IEC richtlijn 25). Het feit dat een kalibratie is uitgevoerd door een geaccrediteerde instelling wil nog niet zeggen dat dit een officiële NKO-kalibratie is. Vaak kan worden volstaan met een goedkopere niet-officiële kalibratie. Een officiële kalibratie is altijd herleidbaar op de internationale standaard (ITS-90). Afgezien van een al dan niet officiële kalibratie kan men een thermometer, datalogger of ander temperatuurmeetinstrument meestal gemakkelijk zelf controleren met behulp van smeltend ijs (0°C) en kokend water (100 °C). De meter moet dan zijn voorzien van een externe voeler of in zijn geheel ondergedompeld kunnen worden in kokend water. Deze werkwijze kan dus niet bij alle meetapparaten worden toegepast. Het is wel van belang dat men uitsluitend gedestilleerd of gedemineraliseerd water gebruikt (ook voor het ijs). Leidingwater bevat altijd een kleine hoeveelheid mineralen ('kalk'), die het smeltpunt verlagen en het kookpunt verhogen. Voor het controleren van de meter bij 0 °C moet een thermoskan worden gebruikt met een fijnverdeeld mengsel van water en ijs (in de vorm van een natte brij). Hier moet de sensor dan in worden gehouden tot de aanwijzing van de meter niet meer verandert. Bij een datalogger zonder uitleesvenster dient de tijd aan de veilige kant te worden genomen. Voor het controleren van de meter bij 100 °C gebruikt men water dat zacht en regelmatig aan de kook is, bijvoorbeeld in een pan. Ook hier moet de sensor voldoende tijd krijgen om de temperatuur van het water aan te nemen. Als de luchtdruk op het moment van de meting toevallig net aan de hoge of lage kant is, zal dit een fout veroorzaken. Het kookpunt van 100 °C voor zuiver water geldt namelijk alleen bij een druk van 1 atmosfeer. Op een barometer is dit een druk van 1013 mbar. Moderne barometers gebruiken de eenheid hPa (hectoPascal), deze is gelijk aan de mbar. Naarmate de luchtdruk hoger is, zal ook de kooktemperatuur van water hoger liggen.

blad 15 van 22


Tabel 4 geeft het verband tussen het kookpunt van water en de heersende luchtdruk. De drukken die in de tabel vermeldt staan, bestrijken de hele schaalverdeling van een gebruikelijke barometer. Alhoewel de uitersten van deze schaal zich zelden zullen voordoen, zijn afwijkingen tot één graad Celsius zeer wel mogelijk. Tabel 4 Het kookpunt van water bij verschillende barometerstanden luchtdruk kookpunt uchtdruk kookpunt luchtdruk kookpunt luchtdruk [hPa] [°C] [hPa] [°C] [hPa] [°C] [hPa]

kookpunt [°C]

955

98,3

985

99,2

1015

100,1

1045

100,9

960

98,5

990

99,4

1020

100,2

1050

101,0

965

98,6

995

99,5

1025

100,3

1055

101,2

970

98,8

1000

99,6

1030

100,5

1060

101,3

975

98,9

1005

99,8

1035

100,6

1065

101,4

980

99,1

1010

99,9

1040

100,8

1070

101,6

Als er, bij een controle zoals hier beschreven is, een onacceptabele afwijking wordt geconstateerd is natuurlijk de vraag wat er dan dient te gebeuren. Het bijstellen (justeren) van de thermometer is niet altijd eenvoudig. Misschien zal dit uiteindelijk moeten worden gedaan door de fabrikant, de importeur of een andere instantie. Men kan zich dan tijdelijk behelpen door de foute aanwijzing in te calculeren.

5

UITVOERING EN TOEPASSING VAN MEETAPPARATUUR

5.1

Insteekvoelers

Voor het meten van de kerntemperatuur van een product bestaan er insteekvoelers in een groot aantal uitvoeringen. Om heel nauwkeurig op één plaats te meten, moet zo'n voeler zo dun mogelijk zijn. De sensor, die in de voeler zit opgesloten, moet dan bovendien zo klein mogelijk zijn. De sensors waarmee dit het beste kan worden gerealiseerd zijn thermokoppels. Thermokoppeldraden kunnen zeer dun worden gemaakt en ook het laspunt kan zeer klein zijn. Het geheel kan dan worden opgesloten in een roestvrijstalen naaldvoeler met een dikte van ongeveer 1 mm. De sensor bevindt zich doorgaans in de punt van de voeler. Er zijn ook naaldvoelers waarbij de sensor zich precies in het midden van de naald bevindt. Zo'n voeler kan dan helemaal door het product worden heen gestoken (zodat deze er aan beide kanten even ver uitsteekt). In figuur 4 is het gebruik van een dergelijke voeler in een cilindervormig product getekend. De uitstekende delen van de voelernaald zijn hierbij door middel van opgeschroefde nylon busjes van de omgeving afgeschermd. Inmiddels bestaan er ook redelijk dunne naaldvoelers met een Pt-100element als meetopnemer (naalden tot 1 mm zijn leverbaar). Alhoewel met dunne naaldvoelers heel precies gemeten kan worden, zijn deze in een productiesituatie zeer kwetsbaar. Men gebruikt dan liever voelers met een dikte van enkele millimeters. Met losse thermokoppels kan er overigens ook heel goed in de kern van een product worden gemeten. Het aanbrengen is dan alleen wat lastiger. Het meetpunt wordt dan vaak ter plekke gesoldeerd. Voor het meten op moeilijk bereikbare plaatsen, waar ‘starre’ insteekvoelers het laten afweten, zijn losse thermokoppels vaak zeer bruikbaar. Thermokoppeldraden zijn bovendien dun genoeg om tussen een deur van een oven of onder een autoclaafdeksel door naar binnen te worden geleid. Mocht een draad hierbij toch worden afgekneld en beschadigd raken, dan kunnen de draden gewoon worden ingekort en opnieuw gesoldeerd.

blad 16 van 22


Figuur 4

5.2

Nauwkeurig meten van de kerntemperatuur van een cilindervormig product met een voelernaald waarvan het meetpunt zich in het midden bevindt

Schrijvende thermometers

Een schrijvende thermometer of temperatuur-recorder is een draagbare of ingebouwde thermometer die het gemeten temperatuurverloop op papier registreert. Meestal gebeurt dit in de vorm van een grafiek, soms ook in de vorm van een lijst met meetwaarden. Sommige apparaten bieden beide mogelijkheden. De meeste recorders beschikken over meerdere meetkanalen en bieden dan aansluitmogelijkheden voor meerdere voelers tegelijkertijd. Ingebouwde schrijvende thermometers registreren elk uitgevoerd verhittingsproces in een kookkast of -ketel of autoclaaf. Het papier wordt bij een recorder aangedreven door een motortje met een constante dan wel instelbare snelheid. Het papier bevat in de lengte een tijdschaal en in de breedte een temperatuurschaal. Een ander type recorder, dat vroeger vrij algemeen werd gebruikt, werkt met ronde papieren schijven. Zo'n schijf draait dan langzaam rond. Is de schijf helemaal rond geweest, 24 uur is hiervoor een gangbare tijd, dan moet deze worden vervangen. Vaak bieden registrerende thermometers tegenwoordig de mogelijkheid om ze aan te sluiten op een computer. De gemeten waarden kunnen daar dan worden afgelezen en opgeslagen in de vorm van bijvoorbeeld een schijfbestand. De afdruk op papier, die een recorder produceert, verliest hiermee langzamerhand zijn betekenis. Voor omstandigheden waar geen netspanning aanwezig is, bijvoorbeeld tijdens lange koeltransporten, zijn er ook schrijvende thermometers die met een veermotor werken. Na te zijn opgewonden, zoals een ouderwetse wekker, kan zo'n apparaatje geruime tijd werken. De eigenlijke thermometer wordt in dit geval gevormd door een bimetaal. Aan het uiteinde van het bimetaal-element bevindt zich een kraspennetje, dat op het papier een grafiek achterlaat.

5.3

Dataloggers

Hoewel hierboven geschetste apparaatjes met een veermotor nog steeds bestaan, is hun functie inmiddels grotendeels overgenomen door zogenaamde dataloggers. Een datalogger is een meetinstrument, dat is voorzien van een elektronisch geheugen. Hierin kan een groot aantal metingen worden opgeslagen. Een datalogger werkt op batterijen en is dus onafhankelijk van het lichtnet. De eenvoudigste loggers beschikken over één interne of externe sensor. Op sommige loggers kunnen meerdere externe sensoren worden aangesloten.

blad 17 van 22


Naast temperatuursensoren kunnen dit ook andere sensoren zijn, zoals voor druk of relatieve vochtigheid. Een ‘eenvoudige’ datalogger heeft geen uitleesvenster voor de actuele meetwaarde(n). Recentelijk verschijnen er echter ook steeds meer kleine dataloggers op de markt die wel een uitleesvenster hebben in de vorm van een digitaal display; ze zijn dan echter vaak sterk begrensd in resistentie tegen verhoogde temperaturen. Na afloop van een meetsessie kan de inhoud van het loggergeheugen worden ingelezen in een computer. De metingen worden dan opgeslagen in de vorm van een schijfbestand. In het eenvoudigste geval kan de datalogger direct via een kabeltje verbonden worden met de seriële poort (RS-232-ingang) van de computer. Vaak ook loopt de verbinding via een zogenaamde interface die dan bij de logger moet worden aangeschaft. Bij een datalogger hoort altijd een computerprogramma. Dit programma heeft men niet alleen nodig om de metingen in de computer te kunnen inlezen, maar ook om de logger via de computer te kunnen programmeren. Bij het programmeren van een datalogger, voorafgaand aan een meetsessie, wordt aan de logger doorgegeven van wanneer tot wanneer de metingen moeten worden gedaan en welke intervaltijd te gebruiken tussen de opeenvolgende metingen. Dataloggers met één interne temperatuursensor kunnen worden gebruikt voor de registratie van de temperatuur in een ruimte. Dit soort loggers worden bijvoorbeeld gebruikt bij lange koeltransporten van vers vlees. Er wordt dan een logger tussen het vlees gelegd. Bij aankomst kan men zich er dan van (laten) vergewissen dat de koelketen tijdens het transport niet onderbroken is geweest. De uitlezing kan bijvoorbeeld geschieden door uitleesapparatuur aanwezig in het aanleverende voertuig of op een met de geschikte software voorziene computer bij de afnemer. Dataloggers kunnen ook zo worden gemaakt, dat ze geheel water- en drukdicht zijn en bestand tegen een hoge temperatuur. Hierdoor kunnen sommige loggers ook in een kookkast of -ketel worden gebruikt, of zelfs in een autoclaaf. Dit heeft het grote voordeel dat er geen kabels naar buiten hoeven te worden geleid. Met name bij verhittingsapparatuur of vries/koel-tunnels, die volgens het doorstoomprincipe werken, is dit een zeer groot voordeel. Voor de registratie van de kerntemperatuur van een product tijdens een verhittings- of koelproces heeft men een logger nodig die is voorzien van tenminste één externe sensor in de vorm van een insteekvoeler al dan niet met een flexibel kabeltje tussen de voeler en de logger. Om aan te geven onder welke omstandigheden een datalogger kan worden ingezet, gebruikt men een code waarmee de dichtheid (beschermingsklasse) wordt aangegeven. Deze code bestaat uit de letters IP (afkorting van International Protection), gevolgd door twee cijfers. Het eerste cijfer geeft de bescherming in tegen vaste voorwerpen en stof. De hoogste beschermingscode is 6: volkomen stofdicht. Het tweede cijfer staat voor de bescherming tegen water. De hoogste beschermingscode is 8: drukwaterdicht tot de aangegeven diepte (elke 10 meter water komt overeen met een druk van 1 atmosfeer). Tabel 5 geeft een overzicht van de IP-codering. Naast de beschermingsklasse is ook het temperatuurgebied van belang waaraan een logger tijdens het meten kan worden blootgesteld. Voor metingen tijdens verhittingsprocessen, waarbij zich de logger in het verhittingsmedium bevindt, moet de logger tegen de gebruikte temperaturen bestand zijn. Verder is hier de hoogste dichtheidsklasse vereist: IP68. Er zijn loggers in de handel die bij temperaturen tot 125 °C kunnen worden gebruikt. Voor metingen bij nog hogere temperaturen, bijvoorbeeld in een oven, kan er bij sommige loggers nog een speciale isolerende behuizing worden geleverd. Hierin kan de betreffende logger dan een beperkte tijd worden gebruikt. De door de fabrikant opgegeven maximale verblijftijd van de logger bij een bepaalde temperatuur is uiteraard korter, naarmate de temperatuur hoger is.

blad 18 van 22


Tabel 5 Overzicht van de relevante tweecijferige beschermingsklassen (IPxx) voor dataloggers eerst e cijfer

bescherming tegen voorwerpen en stof

tweede bescherming tegen water cijfer

0x

te verwaarlozen bescherming

x0

te verwaarlozen bescherming

1x

beschermd tegen voorwerpen dikker dan 50 mm (bijv. een hand)

x1

beschermd tegen druppels (druipwaterdicht)

2x

beschermd tegen voorwerpen dikker dan 12 en langer dan 80 mm (bijv. een vinger)

x3

beschermd tegen sproeien (regenwaterdicht)

3x

beschermd tegen voorwerpen dikker dan 2,5 mm (bijv. een schroevendraaier)

x4

beschermd tegen spatten (spatwaterdicht)

4x

beschermd tegen voorwerpen dikker dan 1 mm (bijv. draad)

x5

beschermd tegen stralen (spuitwaterdicht )

5x

beschermd tegen onschadelijke stof (stofvrij)

x6

beschermd tegen golven

6x

beschermd tegen alle stof (stofdicht)

x7

beschermd tegen onderdompeling (waterdicht, 30 min op 1 m diepte)

x8

beschermd tegen ... m onder water (drukwaterdicht)

Over het aanbod en gebruik van dataloggers in de vleessector is door TNO Voeding met medefinanciering van het Productschap voor Vee en Vlees in 1995 een studie uitgevoerd. Over dit onderzoek is uitgebreid gerapporteerd (van Boxtel [1,2,3]). Voor meer detail informatie over de voor de vleessector specifieke gebruiksmogelijkheden en -aspecten van dataloggers wordt hiernaar verwezen.

5.4

Meter/logger-combinaties

Naast de bovenbehandelde kleine dataloggers met één tot enkele meetkanalen en veelal zonder of slechts beperkte uitleesmogelijkheid voor de actuele meetwaarden, bestaan er ook meter/logger-combinaties die meer mogelijkheden bieden. Dergelijke instrumenten zijn meestal wat groter en in het algemeen mag de unit die de elektronica bevat niet worden blootgesteld aan verhoogde temperaturen; vries- of koeltemperaturen vormen veelal geen probleem. Een beschermingsklasse wordt bij een instrument van dit type meestal niet vermeld, maar IP40 zou bijvoorbeeld goed kunnen. De maximale bedrijfstemperatuur zal niet hoger zijn dan circa 65 °C. Bij gebruik in koude ruimten moet worden voorkomen dat er, bij het uitnemen uit de ruimte, condensvorming plaatsvindt in de apparatuur die de elektronica kan beschadigen. Op de hier bedoelde meter/logger-combinaties kunnen meestal een behoorlijk aantal (verschillende) voelers worden aangesloten (vaak veelvouden van 4 of 8). Deze zijn dan via een (lange) kabel verbonden met de meter. Evenals de echte loggers kunnen meter/logger-combinaties meestal werken op batterijen, waardoor men onafhankelijk is van het lichtnet.

blad 19 van 22


6

PRAKTISCHE TEMPERATUURMETINGEN EN MOGELIJKE FOUTEN

6.1

Fouten bij het meten van de temperatuur in een vloeibaar of gasvormig medium (of bulkmateriaal)

Bij het meten van de temperatuur in een medium of bulkmateriaal spelen met name twee potentiële foutenbronnen een rol: - Temperatuurverschillen in het medium, waardoor de plaats van de voeler met de nodige zorg gekozen moet worden; - Zodanig snelle temperatuurwisselingen dat de responstijd te groot is om deze wisselingen te kunnen volgen (zie figuur 5).

Figuur 5 Gemeten temperatuurverloop bij verschillende responstijden

Temperatuur [°C]

30

werkelijke temperatuur

20

gemeten, t 99 = 120 s 10

gemeten, t 99 = 20 s 0 0

60

120

180

240

300

Tijd [s]

Als de temperatuur in een medium of bulkmateriaal van plaats tot plaats verschilt, kan er niet gesproken worden van 'de' medium- of materiaaltemperatuur. Strikt genomen zijn zulke temperatuurverschillen er altijd. Toch is men gewend te spreken van 'de' temperatuur van een werkruimte, een koelcel, een kookketel, een partij vlees, etc. op een zeker moment. Als men spreekt over 'de' temperatuur van bijvoorbeeld een koelcel, zou dit kunnen worden opgevat als de gemiddelde temperatuur. Deze kan niet worden gemeten, alleen berekend uit een groot aantal metingen op verschillende plaatsen in de cel. Verder is de gemiddelde temperatuur ook niet zo interessant. Waar het hier om gaat, is de temperatuur waaraan het vlees in de cel maximaal wordt blootgesteld. Een meting van de luchttemperatuur bij de uitblaasopening van de verdamper is dan niet zinvol. Hier is de temperatuur het laagst. Het meten van de temperatuur in de luchtstroom die de koelgoederen reeds is gepasseerd is hier zinvoller. Overigens kan het incidenteel meten van de temperatuurverdeling op meerdere plaatsen zinvol zijn om uit te vinden waar de temperatuur het hoogst is en of er geen onverwacht hoge temperaturen optreden door een belemmering van de circulatie. Op dezelfde manier is het zinvol in een verhittingsruimte uit te zoeken op welke plaats, bij een bepaalde belading, de mediumtemperatuur het laagst is.

blad 20 van 22


6.2

Fouten bij het meten van de temperatuur in vaste of (deels) vloeibare producten

Als een product aan de buitenzijde wordt blootgesteld aan een, al dan niet bedoelde temperatuurverandering zal deze verandering zich via stroming en/of geleiding naar binnen doorzetten. De plaats waar de aangelegde temperatuurverandering het laatst voelbaar wordt noemt men het thermisch centrum van een product. Bij afkoelen of invriezen is dit de plaats met de hoogste temperatuur; bij verhitten, ontdooien of tempereren is de temperatuur hier juist het laagst. In plaats van thermisch centrum wordt in het spraakgebruik meestal het woord kerntemperatuur gebezigd. Bij een vast, homogeen en symmetrisch product valt het thermisch centrum samen met het geometrisch centrum. Het thermisch centrum hoeft overigens niet puntvormig te zijn. Bij een worstproduct bijvoorbeeld in de vorm van een langwerpige cilinder is de temperatuur overal op de as nagenoeg gelijk, zolang men uit de buurt van de uiteinden blijft. Bij veel producten ligt het thermisch centrum niet in het midden. Bij een stuk vlees bijvoorbeeld met aan één kant een dikke speklaag ligt het thermisch centrum dichter bij de speklaag. Soms is het thermisch centrum lastig te bepalen, met name bij producten die niet homogeen zijn, onregelmatig van vorm of zowel vaste als vloeibare componenten bevatten (bijvoorbeeld kant-en-klaar maaltijden of slachtdierkarkassen). In zo'n geval wordt de positie van het thermisch centrum proefondervindelijk vastgesteld door metingen op verschillende plaatsen in het product. Bij handmatige controle van de kerntemperatuur van een product kan deze worden opgezocht door de thermometervoeler voorzichtig heen en weer te bewegen op de plaats waar men het thermisch centrum verwacht. Als men bij een thermisch proces geïnteresseerd is in het verloop van de kerntemperatuur van het product, is het van belang te weten hoe deze op een betrouwbare manier te meten is. Het eerste probleem is dat de positionering van de voeler reproduceerbaar moet zijn. Dit is in de regel alleen te bereiken door de voeler op een of andere manier te fixeren (zie figuur 4). Een 'los' in het product gestoken voeler kan tijdens het proces van plaats veranderen. Bovendien kan achteraf meestal niet meer worden aangetoond waar het meetpunt precies gezeten heeft. Voor een betrouwbare kerntemperatuurmeting dient deze altijd in meerdere eenheden (minimaal twee en zonodig in drie of meer) te worden uitgevoerd. Achteraf moet altijd worden gecontroleerd of het meetpunt nog op de gewenste plek zit. Bij gemengde, deels vloeibare, producten is een betrouwbare kerntemperatuurmeting nog lastiger. Als de kernvoeler wordt aangebracht in een relatief groot vast deel kan deze in de loop van het proces misschien losraken en in het vloeibare deel terechtkomen zonder dat men hier erg in heeft. Een tweede probleem is de mogelijke beïnvloeding van de meting als gevolg van warmtegeleiding door de voeler zelf. Dit probleem is met name aan de orde wanneer de temperatuurgradiënt langs de voelernaald groot is in de omgeving van het meetpunt. Warmtegeleiding door de voeler kan op een aantal manieren worden beperkt: - Door een zo dun mogelijke voeler te gebruiken; - Door er voor te zorgen dat de voeler zo ver mogelijk in het product steekt; - Door het eventueel uitstekende deel van de voeler te voorzien van een isolatiemantel. Bij verhitten of snel koelen van zeer kleine producten zoals gehaktballetjes of sommige snacks is een betrouwbare meting van de kerntemperatuur erg moeilijk. Het meetpunt mag voor het doel van de meting niet te groot zijn. Dit betekent dat de temperatuurverschillen binnen het gebied dat het meetpunt inneemt verwaarloosbaar klein moeten zijn. Bij metingen in een gebied met een grote temperatuurgradiënt moet de afmeting van het meetpunt in de richting van de gradiënt klein zijn. Voor bijvoorbeeld het meten van de oppervlaktetemperatuur van een product tijdens een verhittingsproces kan het beste een speciale oppervlaktevoeler worden gebruikt met een zeer kleine dikte. Zaak is ook te letten op de afdichting op de plaats waar de voeler in het product wordt gestoken. Een lekke afdichting geeft een verkeerd beeld van de werkelijke temperatuurontwikkeling in het product tijdens het proces. Immers verhittings- of koel-medium kan op die plek het product binnendringen. Ook dient men altijd verdacht te zijn op draadbreuk,

blad 21 van 22


zeker bij doorvoer van draden tussen deksels of deuren. Moderne meetapparatuur is vaak uitgerust met een voorziening waarbij dit wordt gesignaleerd (alarm of het van de schaal lopen van de uitlezing). Het begrip thermisch centrum kan, behalve voor een afzonderlijke producteenheid, ook worden gebruikt voor een partij die als geheel een bepaald proces ondergaat. Bij een verhittingsproces bijvoorbeeld kan hiermee het koudste punt worden bedoeld van de hele verhittingspartij. Als alle producteenheden in de partij identiek zijn is dit dus de kerntemperatuur van het product dat zich op de koudste plaats in de verhittingsruimte bevindt. Zo opgevat wordt er dus ook een meetfout gemaakt als de kerntemperatuur van een product op een andere plaats wordt gemeten.

6.3

Fouten bij temperatuurmetingen ten behoeve van een temperatuurregeling

Als de mediumtemperatuur in een ruimte wordt gemeten om hiermee de temperatuurregeling (verwarmen of koelen) te sturen, is de positie van de met de regeling verbonden voeler erg belangrijk. Dit geldt des te sterker naarmate de circulatie gebrekkiger is. De regeling dient zodanig te werken dat de producten in de betreffende ruimte worden omgeven door medium met de ingestelde temperatuur. Hiertoe kan de voeler het beste tussen de producten worden gehangen. Als de voeler hiervoor te kwetsbaar is of in de weg zit, kan een minder centrale plaats ook voldoen. Voorwaarde is dat deze plaats zich bevindt in de stroom van het medium vlak na passage van de producten. In ieder geval is een dode hoek waaraan de circulatie min of meer voorbij gaat geen goede plaats. Dit geldt ook plaatsing aan de buitenzijde, buiten het medium, ook al lijkt dit uit oogpunt van constructiegemak, minimale kwetsbaarheid of optimale hygiëne een goede plaats.

7

LITERATUUR

1 Boxtel, L.B.J. van ; Dataloggers voor temperatuurregistratie in de vleessector. Inventarisatie van het aanbod en gebruiksaspecten & Documentatiebladen temperatuur loggers (2-delen); Zeist, TNO Voeding, rapportnr. V95.633, (1995) 2 Boxtel, L.B.J. van; Dataloggers in de vleesketen. Temperatuurregistratie met het oog op kwaliteit en veiligheid; Vleeswetenschap 2 (1996) 3, 45-47 3 Boxtel, L.B.J. van; Temperatuurregistratie met dataloggers; aanbod en gebruiksaspecten; Koude & Luchtbehandeling 89 (1996) 6, 39-43 4 Brolsma, H.; Temperatuurmetingen; Stam, Culemborg, 1e druk 1964 5 Klaassen, K.B.; Elektrotechnisch Meten; Delftse Uitgevers Maatschappij, 1990 6 Klappe, H.J.A’; Platina-weerstandtermometers voor industriële toepassingen, deel 1: Pt100-elementen; Electronica 34 (1986) 11, 17-29 7 Klappe, H.J.A; Platina-weerstandtermometers voor industriële toepassingen, deel 2: Pt100-meetmethoden; Electronica 34 (1986) 18, 17-35 8 NEN 10584-1:1995 EN – FR; Thermokoppels - Deel 1: Referentietabellen 9 NEN 10584-2:1993 EN – FR; Thermokoppels - Deel 2: Toleranties in meetwaarden 10 NEN 10751:1995 EN – FR; Temperatuuropnemer met platinaweerstand voor industrieel gebruik 11 NEN-EN 12830:1999 EN; Temperatuurrecorders voor het vervoer, de opslag en de distributie van gekoeld, bevroren en diepgevroren levensmiddelen en consumtie-ijsBeproevingen, prestaties en geschiktheid 12 Omega Complete Temperature Measurement Handbook and Encyclopedia; The Temperature Handbook; Omega Engineering Inc., 1992

blad 22 van 22

C.V.I. 5.6 Meten van temperaturen 5.6 METEN VAN TEMPERATUREN: METHODEN, SYSTEMEN EN AAN- DACHTSPUNTEN. Eckenhausen WarmteTechnologie Deventer

Recommend Documents