Mätning med yttemperaturgivare – Anliggningsgivare

Mätning av temperatur från utsidan av en tank eller ett rör kräver god termisk kontakt med den yttre ytan och samtidigt liten påverkan från omgivningens temperatur.

Först lite grunder

Mätelementet, ofta Pt100, mäter inte mediets temperatur utan den egna temperaturen. Om man tänker sig att mediets temperatur är högre än omgivningens kommer mediet att värma röret som det flyter genom. Röret värmer sedan upp mätkroppen som innehåller mätelementet, som i sin tur värmer upp mätelementet. Efter ett tag når mätelementet nästan samma temperatur som mediet i röret. Varför ”nästan samma”? Samtidigt sker en värmetransport till omgivande luft och övrig utrustning vilket kyler både röret och mätkroppen med mätelement. Ju sämre den termiska kontakten är mellan rör och mätkropp, desto större blir mätfelet.

God termisk kontakt

För att mäta en yttemperatur krävs alltså god termisk kontakt. Det betyder att vi ska sträva efter så stor kontaktyta som möjligt mellan ytan vi vill mäta på och mätkroppen med sitt mätelement. Målning, rost/korrosion och annat som ligger mellan gör mätfelet större. En ojämn yta på röret försämrar också resultatet vilket kan förbättras genom slipning eller polering.

En annan orsak till mätfel är rörets krökta yttersida. Med en helt platt, rektangulär mätkropp (1) fås bara en linjeformad anliggning och röret får svårt att värma upp mätkroppen. En bättre situation fås om man använder ett V-format spår i mätkroppen som dels fördubblar kontaktytan och dels i viss mån isolerar området under mätkroppen från inverkan av omgivande luft. V-formen gör att mätkroppen passar flera rördiametrar och är en vanlig form med rimligt pris. Bästa lösning är att utforma anliggningsytan på mätkroppen för rörets ytterdiameter vilket är dyrare än ett V-spår och gör att man måste ha fler modeller på mätkroppen i lager.

Fig. 1

Givarens placering

Placering av givaren på toppen, sidan eller botten av röret har ganska liten effekt så länge övriga omständigheter är lika.

Ju slätare ytorna på rör och mätkropp är, desto bättre värmeöverföring mellan de båda. För att ytterligare förbättra värmeöverföringen kan man fylla utrymmet med ett värmeledande material, pasta eller ett mjukt värmeledande material, speciell silikonduk eller mjuk metall, koppar eller aluminium, som deformeras och fyller ut håligheter. Materialet i mätkroppen behöver också ha god värmeledningsförmåga.

Ofta använda material är silver, koppar, aluminium eller mässing. Rostfritt stål är något sämre men används när korrosionsbeständighet är viktigt. Mätkroppen trycks mot röret med monteringstillbehör som slangklämma eller liknande. Ett alternativ för framför allt höga temperaturer är att svetsa mätkroppen mot röret.

Fig. 2

Omgivningstemperaturens påverkan

En annan faktor att ta hänsyn till är omgivningstemperaturens påverkan på yttemperaturmätningen. Isolera mätkroppen från omgivningen antingen med rörisolation eller isolation lokalt på mätkroppen. Ett vanligt exempel på det senare är att omsluta mätkroppen med ett hölje av PTFE på alla sidor utom den mot röret.

Den kabel som går ut från mätkroppen fungerar som avledning för värme, speciellt om det är mantelkabel. Då kyls mätkroppen vilket kan minskas genom att låta kabeln ligga an mot röret 10 – 100 gånger rörets diameter innan kabeln böjs ut mot omgivningen. Kabeln kan viras runt röret för att minska längden längs röret. Bäst blir det om kabeln ligger under rörisoleringen med reservation för temperaturtåligheten för kabelns isolationsmaterial. Placeras kabeln efter mätkroppen i förhållande till flödesriktningen fås minsta påverkan av mätkroppens temperatur men om kabeln placeras före mätkroppen fås en något kortare svarstid.

När värme flödar genom en homogen vägg som i rör- eller tankvägg fås en linjär temperaturgradient genom väggen. Detta kan utnyttjas för att beräkna temperatur på insidan av väggen. Man behöver då två mätelement som placeras på olika djup, en på ytan och en längre in i väggen. När man känner till avstånden så kan insidans temperatur beräknas.

Fig. 3

Strömning i rör eller tank

Vid strömning i rör eller tank har man inte samma temperatur överallt. Närmast väggarna på röret är flödeshastigheten lägre än i mitten av röret och det ger en sämre värmeöverföring mellan mediet och röret. Se bilden nedan där den röda kurvan symboliserar skillnader i flödeshastighet. Hur temperaturen fördelas beror till stor del på mediet, flödeshastighet och material i rörets väggar.

Fig. 4

Om man vill mäta temperaturen med insticksgivare placerar man oftast mätspetsen på ett avstånd från väggen som motsvarar 1/3 till 1/2 av rörets diameter. Ofta får man en god bild av medelvärdet för temperaturen vid 1/3 av diameter. Vid mätning på utsidan av röret får vi alltså inte riktigt samma värde som vid mätning inne i röret. Svarstiden för mätning av yttemperatur blir alltid långsammare än för en insticksgivare eftersom rörets eller tankens vägg blir en del av mätinstrumentet och har en betydligt större termisk massa som ska värmas upp.

Värt att notera är också att vätskor ger betydligt bättre värmeöverföring än gaser till rörets vägg vilket beror på att det i gas finns cirka 1000 gånger färre molekyler som kan överföra värme. Räkna alltså med större mätfel för gas än för vätska.

För metallrör, god kontakt mellan mätkropp – rörets vägg, isolering runt rör och mätkropp samt vettig kabeldragning kan man dock komma ganska nära utan att penetrera rörets vägg. För plaströr krävs mer anpassning eller acceptans av ett större mätfel.