Plaatsing van thermokoppels en RTD's

Inhoud

1. Inleiding
2. Belangrijke principes voor nauwkeurige sensorplaatsing
3. Warmteoverdrachtsmechanismen - geleiding, convectie en straling
4. Stagnatietemperatuur in snelstromende gasstromen
5. Samenvatting

Nauwkeurige temperatuursmeting hangt af van het plaatsen van de sensor op een manier die ervoor zorgt dat deze dezelfde temperatuur bereikt als het medium dat wordt gemeten. Met andere woorden, goed thermisch contact en minimaal warmteverlies langs de beschermbuis, steunen of interne bedrading zijn essentieel (zie Figuur 4.1).

Belangrijke principes voor nauwkeurige sensorplaatsing

Volg deze drie essentiële principes om betrouwbare temperatuurmetingen te verkrijgen:

1. Zorg voor goede thermische koppeling
   Voor vloeistoffen:
   
   • Plaats de sensor in het gebied met hoogste stroomsnelheid.
   • Geef de voorkeur aan een kruisstroom oriëntatie voor betere respons.
   • Overweeg bij langzaam stromende vloeistoffen externe vinnen om de warmteoverdracht te verbeteren.
   Voor vaste stoffen:
   
   • Plaats sensoren in nauw passende gaten.
   • Gebruik thermische middelen zoals cementen, vulmiddelen, warmtegeleidende vetten of vloeistoffen met hoge geleidbaarheid.
   Voor oppervlakken:
   • Gebruik thermische pads, geleidende pasta's, of gesoldeerde bevestigingen voor beter thermisch contact.
2. Minimaliseer warmtegeleidingsfouten

   Voorkom warmtestroom langs steunen en draden door:

   • De dompeldiepte van de sensor te maximaliseren (zie Figuur 4.2).
   • Gebruik te maken van dunwandige roestvaststalen hulzen of steunen met een hoge axiale thermische weerstand.
   • Te kiezen voor aansluitdraden met kleine diameter en lage thermische geleidbaarheid.
   • Draden gedurende een zekere afstand langs het oppervlak te laten lopen voordat ze worden weggeleid om geleiding te verminderen.

Afbeelding 4.2: betekenis van de dompeldiepte


3. Minimaliseer door de sensor veroorzaakte temperatuurverstoringen

   In sommige gevallen kan de sensor zelf de natuurlijke temperatuurverdeling van het medium verstoren

   • Houd de sensorafmeting klein ten opzichte van het meetgebied.
   • Stem de sensorvorm af op de oppervlaktegeometrie.
   • Gebruik isolatie of afscherming om de sensor van externe invloeden te isoleren.

   Voorbeeld:

   Voor oppervlaktemetingen op een buis, als de buis is:
   • Dunwandig en geleidend
   • Voert een vloeistof met voldoende temperatuurverschil en stabiele stroming
   ...dan kan een op het oppervlak gemonteerde sensor met isolatie nauwkeurige meetwaarden opleveren.

   ⚠️ Opmerking: RTD's kunnen last hebben van spanningen door verschillen in thermische uitzetting tussen de sensor en het montageoppervlak. Dit kan leiden tot weerstandsveranderingen en meetfouten.

Warmteoverdrachtsmechanismen

Inzicht in hoe warmte zich verplaatst helpt bij het ontwerpen van betere installaties. De drie kernmechanismen van warmteoverdracht zijn:

Geleiding

Geleiding is warmteoverdracht door moleculaire beweging binnen een materiaal.

• Metalen zoals zilver en koper geleiden warmte zeer goed.
• Lucht en andere gassen zijn slechte geleiders.
• Sensorelementen en hun beschermhulzen zijn hoofdzakelijk afhankelijk van geleiding.

Convectie

Convectie treedt op wanneer warmte wordt overgedragen tussen een lichaam en een stromend fluïdum (vloeistof of gas).

• Geforceerde convectie gebruikt pompen, ventilatoren of roerwerken.
• Natuurlijke convectie vertrouwt op drijfvermogen door temperatuurgeïnduceerde dichtheidsveranderingen.

Straling

Alle lichamen boven het absolute nulpunt zenden thermische straling uit.

• Uitgestraalde energie neemt toe met de temperatuur tot de vierde macht.
• Het effect wordt kritisch bij hoge temperaturen, zoals in ovens.

Straling is afhankelijk van:

• Oppervlaktetemperatuur en emissiviteit
• Afstand en hoek tussen oppervlakken
• Obstructies en afscherming

Ongewenste stralingseffecten:
In langzaam stromende hete gasstromen kunnen sensoren warmte verliezen aan de omgeving, waardoor de werkelijke gastemperatuur te laag wordt aangegeven. Omgekeerd kunnen sensoren in koelere stromen die worden omgeven door hetere wanden te hoog aangeven.

Oplossingen:

• Gebruik lage-emissiviteit sensorbehuizingen
• Voeg stralingsschilden toe om de sensor van zijn omgeving te isoleren

Stagnatietemperatuur in gasstromen met hoge snelheid

In snelstromende gassen kan de sensor dynamische opwarming oppikken door de snelheid van de gasstroom.

Er zijn twee temperatuurtypen:

• Statische temperatuur (T_s): de werkelijke gastemperatuur
• Totale (stagnatie)temperatuur (T_t): omvat opwarming door gassnelheid

Speciale stagnatiesondes kunnen worden gebruikt om Tt te meten, waaruit Ts wordt berekend met:

waar:

• γ = verhouding van soortelijke warmten (Cp/Cv)
• M = Machgetal van het gas

Voorbeeld van opwarmingseffecten in lucht (atmosferische druk):

Samenvatting

Nauwkeurige temperatuurbepaling hangt af van goed thermisch contact en correcte installatie. Plaats sensoren in snelstromende fluïdastromen of werk ze in vaste materialen in met behulp van geleidende pasta's. Het is belangrijk warmteverlies via steunen en draden te minimaliseren door geleiders met lage thermische geleidbaarheid te gebruiken en voldoende inbouwdiepte te waarborgen. De aanwezigheid van de sensor kan de te meten temperatuur ook verstoren, vooral op oppervlakken, dus kleine, goed passende en geïsoleerde sensoren zijn het best.

Warmteoverdracht naar de sensor vindt plaats via geleiding, convectie en straling. Elke modus beïnvloedt de nauwkeurigheid anders afhankelijk van de installatieomstandigheden. In snelstromende gasstromen kunnen stagnatietemperatuureffecten de gemeten temperatuur verhogen.

Verder lezen

RTD-uitvoertabellen
Bekijk tabellen van weerstand versus temperatuur voor alle Pt100-sensoren.

Wat zijn de RTD-kleurcodes?
Ontdek RTD-kleurcodes en bedradingsconfiguraties.