Kontroll av responstiden i et vannstrømningsbad, i henhold til IEC EN 60751.
Kontroll av responstiden i et vannstrømningsbad, i henhold til IEC EN 60751. (Bilde: Endress+Hauser)

Temperaturinstrumenter – slik unngår du feilmålinger

Riktig avlesning av prosesstemperaturen avhenger av flere variabler. Et termometer er modulært, og avhengig av dimensjonering, sammensetning og valgt sted for montasje kan feilmålingen bli stor. Denne artikkelen retter søkelyset mot de variablene som har betydning for utfallet av målingen.

Først og fremst er det viktig å velge rett sted for prosesspåstikket for at temperatur-
sensoren skal komme i kontakt med mediet der du ønsker å måle temperaturen. Når det er gjort kan du begynne å se på innstikkslengde og valg av sensor. Installasjonen kan være i et rør, en tank eller en annen prosesskomponent. Skal du måle i stillestående gass? Eller i et rør med høy væskestrøm? Er det temperaturforskjeller i mediet pga. laminær strøm i røret, eller spesielle forutsetninger i tanken?

Responstid

Responstiden til temperatursensoren er oppgitt i henhold til standardiserte beting­elser, disse er: Omgivelsestemperatur ca. 23°C, nedsenking i vann med hastighet 0,4m/s og 10K step i temperaturen (= 10 Kelvin forskjell mellom omgivelsestemperaturen og vannet) – og oppgis for t50 og t90, som er tiden det tar før sensoren måler henholdsvis 50% og 90% av temperaturendringen.
Husk at responstiden er mye tregere i stillestående gass. I tillegg vil godstykkelse og materiale på lommen påvirke responstiden.

Har du lest: Hallingplast kan gjøre gjør åtte timers mekanisk arbeid på sekunder.

Artikkelserie, del 3

Rita Refvik skriver en serie på fem artikler om temperatur- og trykkmålinger. Refvik er produktansvarlig for trykk- og temperaturinstrumenter, og hun har industriansvar for raffinerier og kjemisk industri hos Endress+Hauser, Skandinavia.

Refvik stiller med omfattende instrumenteringserfaring. Etter mange års praktisk erfaring fra kjemisk treforedling som operatør og automatiker og 18 år som leverandør, har hun også god innsikt i problemstillinger og løsninger i andre bransjer. 
Del 1, nr. 8/15: Nyvinning innen sensor­teknologi – automatisert produksjon av Pt-100-elementer
Del 2, nr. 1/16: Huskeregler for montasje: Trykk- og differansetrykkinstrumenter
– slik unngår du feilmålinger
Del 3, nr. 2/16: Huskeregler for montasje: Temperaturinstrumenter – slik unngår du feilmålinger
Del 4, nr. 3/16: Etterinstallasjon av temp­eraturmålinger i trykksatt utstyr – hvordan løses det?
Del 5, nr. 4/16: Hydrostatisk trykkmåling
– gammel metode men fortsatt aktuell

Innstikkslengde

Det er viktig at innstikkslengden er tilstrekkelig til at sensoren kommer i kontakt med mediet der temperaturen skal måles. Ofte trenger ikke dette være så langt fra påstikket, og du kan konsentrere deg om andre faktorer. En tommelfingerregel er at sensoren, som befinner seg ytterst i tuppen av innstikket, skal passere midten av prosessrøret. En annen tommelfingerregel er at innstikket skal være minimum 150mm, eller at lengden skal være minst 8 x diameteren på lommen. Husk også å legge til lengden på utsiden av tank- eller rørveggen. Denne kan lett glemmes, og sensoren vil kanskje ikke engang nå inn i prosessen. Temperaturmålingen vil da alltid bli feil.

Varmeoverføringer og målenøyaktighet

Årsaken til at innstikket må ha en viss lengde ligger i konflikten mellom tiden det tar for sensoren å få overført prosesstemperaturen slik at den har samme temperatur som prosessen – og tiden det tar å «lekke» varme fra massen i lommen ut til omgivelsene. Dersom innstikket er for kort vil varmetapet til omgivelsene være for stort for at en standard sensor vil rekke å varmes opp til samme temp­eratur som prosessen har, og du får et varig måleavvik. Variabler som kan hjelpe til med et bedre måleresultat er å bruke en raskere sensor eller isolasjon av prosesstilkoblingen og halsen på termometret, dvs. den utvendige delen av termometret – opp til transmitterhodet. NB: Ta hensyn til prosesstemperaturen – høy prosesstemperatur, kort hals og isolasjon vil kunne ødelegge transmitteren. Vær også oppmerksom på at en rask sensor er nødvendig ved raske temperatursvingninger i prosessen, ellers vil ikke sensoren rekke å varmes opp/kjøles ned av endringene i prosessen tidsnok i forhold til prosessvariasjonene. Dette er et annet behov enn rask sensor for
å unngå varig temperaturavvik ved korte innstikk.

Innstikket må være langt nok til at sensoren antar prosesstemperatur raskere enn varmetapet gjennom godset til omgivelsene.
Innstikket må være langt nok til at sensoren antar prosesstemperatur raskere enn varmetapet gjennom godset til omgivelsene. Bilde: Endress+Hauser

Sikkerheten må ivaretas

En temperaturlomme med mindre masse, dvs tynnere vegg vil også hjelpe til med å få en raskere responstid og mindre varmetap til omgivelsene. For å ivareta sikkerheten er det imidlertid viktig å huske på at prosessvariablene og materialet setter føringer for lengde og veggtykkelse på temperaturlommen. Å balansere dette mot responstid og nøyaktighet er viktig. Dette kan gjøres ved å stresskalkulere lommen.

Fikk du med deg: Norsk lagersystem gjør internasjonal suksess

Karman Vortex og stresskalkulasjon

Temperaturlommen har som oppgave å beskytte sensorinnstikket mot tøffe prosessforhold, og må selv være dimensjonert for å motstå forskjellig type stress. I tillegg til å tåle korrosive og slipende medier samt høye temperaturer som kan endre materialstrukturen må lommen tåle de mekaniske påvirkningene den får som følge av prosesstrykk, sin egen vekt, hastighet på mediet og ikke minst svingningene som hastigheten på mediet forårsaker på temperaturlommen. Et fysisk fenomen, kalt Karman Vortex street gjør at det oppstår strømvirvler etter et hinder når dette passeres av gass eller væske. Dette ser vi på et flagg som vaier i vinden eller strømningene i vannet etter bropilarer i en elv. Økende hastighet på vinden og vannet vil øke frekvensen på strømvirvlene. En temperaturlomme vil være en slik hindring som blir satt i svingning av strømvirvlene i mediet. Hvis hastigheten på mediet blir stor nok vil lommen brekke ved innfesting. Stresskalkulasjon gir informasjon om riktig dimensjonering av lommen med best mulig tilpasning til nøyaktig måling. E+H tilbyr online stresskalkulasjon av sine temperaturlommer på sin hjemmeside, både i henhold til DIN43772 og ASME PTC 19.3 TW2010.

Husk å regne med lengden på utsiden av prosessen.
Husk å regne med lengden på utsiden av prosessen. Bilde: Jörg Brack

Montering

I et rør kan temperaturmåleren monteres 90° på røret. For bedre varmeoverføring mot selve sensorelementet kan det gjerne monteres vinklet mot mediestrømmen. Termometret kan også monteres i et rørbend, i prosessrør med små dimensjoner er dette en praktisk løsning. Inneholder mediet partikler eller substanser som kan bygge seg på lommen og gi dårligere varmeoverføring til sensoren kan den vinkles motsatt vei. Du oppnår litt dårligere varmeoverføring, men vinner likevel på at du forsinker påbygging.

Les også: Eliaden samler fagmiljøet innen automatisering i Norge.

Kontakt mellom sensorelement og temperaturlomme

Husk også at selve sensorinnstikket må ha god kontakt med bunnen av lommen for å sikre god temperaturoverføring. Dette er normalt ikke noe problem i dag fordi et termometer som regel leveres som en enhet. Viktigere er det å være nøyaktig i beregning av lengde dersom man skal installere et termometer i en eksisterende lomme. Varmepasta kan også brukes for å øke responstiden, men dette har liten betydning dersom sensorinnstikket klemmer godt mot bunnen av lommen. I prosesser med raske temperaturendringer som f.eks. i næringsmiddel- og farmasøytisk industri kan varmepasta unngås ved å bruke moderne, ekstremt raske sensorer som f.eks. E+H sin QuickSens.

Oppsummering:

  • Et termometer er modulært og består av en temperaturlomme med prosesstilkobling, et sensorelement, hals, koblingshodehode og transmitter. Det kan leveres som en enhet eller som enkeltkomponenter. 
  • Vær bevisst på hvor du monterer måleren, at sensoren (sitter i tuppen på sensorinnstikket) plasseres der du ønsker å måle temperaturen. 
  • Pass på å ha langt nok innstikk; varm,tapet fra temperaturlommen til omgivelsene sloss mot varmeoverføringen fra prosess til sensor! Husk å ta med lengden på utsiden av prosessen.
  • Foreta stresskalkulering av temperaturlommen ved høy strømningshastighet.
  • Bruk en sensor med kort responstid i prosesser med raske temperatursvingninger.
  • Bruk hodemontert transmitter der det er mulig.

 

Hvor skal transmitteren stå?

Så var vi kommet til transmitteren og plassering av den. Såfremt temperaturen er lav nok anbefales en direktemontering, dvs. i koblingshuset til termometret. På denne måten unngår man EMC problematikk ved ohmsk måling (Pt-100 element). Termoelementer brukes gjerne ved høye temperaturer og må ofte plasseres et stykke fra termometret. Husk å velge riktig kompensasjonskabel mellom enhetene, ellers skaper du et ekstra koblingspunkt og får feil måling.