Ontwikkeling van een automatisch meerpunts temperatuur-meetsysteem

Ontwikkeling van een automatisch meerpunts

temperatuur-meetsysteem

Citation for published version (APA):

Velde, van de, S. (1989). Ontwikkeling van een automatisch meerpunts temperatuur-meetsysteem. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA0651). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1989

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

Ontwikkeling van een automatisch meerpunts temperatuur-meetsysteem

Onderzoeksopdracht-verslag van: S. van de Velde

rapport nr. : WPA-0651

Technische Universiteit Eindhoven Faculteit der Werktuigbouwkunde

Vakgroep Productietechnologie en -automatisering Laboratorium voor Geometrische Meettechniek

Inhoudsopgave

pag.

Opdrachtsomschrijving & Toelichting 0.1

Hoofdstuk 1 : Inleiding 1.1

Hoofdstuk 2 : Toepassings-eisen 2.1

Hoofdstuk 3 : Meettechnieken en instrumentkeuze

§

3.1 Temperatuurdefinitie 3.1

§

3.2 Meettechnieken 3.2

§

3.3 Instrumentkeuze 3.5

Hoofdst uk 4 : Systeemopbouw en meetprocedures

§

4.1 Constructie sensoren 4.1

§

4.2 Werking 4-wire scannercards 4.2

§

4.3 Totale systeem-opbouw 4.4

§

4.4 Meetprocedures 4.6

Hoofdstuk 5 : Calibratieprocedures en meetresultaten

§

5.1 Waarom calibratie ? 5.1

§

5.2 Calibratie procedure 5.2

§

5.3 Meetresultaten 5.4

Hoofdstuk 6 : Nauwkeurigheid van de temperatuursmeting

§

6.1 Toevallige afwijkingen 6.1

§

6.2 Systematische afwijkingen 6.2

§

6.3 Zelf-opwarmeffect 6.4

§

6.4 Vergelijkende temperatuursmeting 6.5

Hoofdstuk 7 : Conclusies en aanbevelingen 7.1

Geraadpleegde literatuur 8.1

Opdrachtsomschrijving

Ret ontwikkelen en bouwen van een met de "computer" interfacebaar

temperatuur-meetsysteem. Dit temperatuur-meetsysteem zal gebruikt worden voor het bepalen van temperatuur-profielen van Drie-Dimensionale Coordinaten Meetmachines (3-DCM's), en in een later stadium van gereedschapswerktuigen.

Toelichting

In het Laboratorium voor Geometrische Meettechniek van de vakgroep WP A (Werktuigbouwkundige Productietechnologie en -Automatisering) is een onderzoek gaande dat meer inzicht moet verschaffen in de (meet-)afwijkingsstructuur van

3-Dimensionale Coordinaten Meetmachines (3-DCM's). De bedoeling is uiteindelijk om de meetnauwkeurigheid van 3-DCM's te verhogen middels het ontwerpen van een software-correctieprogramma waarin de kennis m.b.t. de afwijkingsstructuur van deze meetmachines is verwerkt. Deze stage-opdracht is een onderdeel van een

deel-onderzoek dat uiteindelijk tot doel heeft om oak voar de temperatuursafhankelijke meetafwijkingen van 3-DCM's softwarematig te kunnen corrigeren.

HOOFDSTUK 1 : Inleiding

Meetmachines stonden tot nog toe veelal in meetkamers waar de luchttemperatuur wordt gecontroleerd (b.v. 20 ± 0.5 °c ,of: 20 ± 0.1 °C), en de temperatuur-fluctuaties dus klein zijn. Dit heeft tot gevolg dat de invloed van de omgeving op de

temperatuur-toestand van de meetmachine klein is (weinig warmte-overdracht). Alleen

i

interne

warmtebronne~

(aandrijfmotoren, lagers)

~n

bij meetmachines

enigz~s

in

!temperatuur, zodat het softwarematig corrigeren van temperatuursafhankelijke

I-(geometrische) meetafwijkingen bij 3-DCM's in meetkamers, niet veel extra

nauwkeurigheid zal opleveren, omdat deze afwijkingen daar grotendeels onderdrukt worden.

In de industrie is er echter de ontwikkeling gaande om het meetproces (ter controle van de producten), met ondermeer 3-DCM's, dichter bij de fabricage te brengen. Het meten gebeurt dan geautomatiseerd en in de productielijn, zodat sneller gereageerd kan

worden op product-afwijkingen, b.v. door het productieproces bij te sturen. De bedoeling is dat dit resulteert in minder uitval en een hogere product-kwaliteit.

Een 3-DCM staat dan in een fabriekshal waar de omgevingstemperatuur aanmerkelijk meer varieert, tussen productiemachines die, als ze in werking zijn, als warmtebron fungeren, kortom geen temperatuurstabiele omgeving. Bij deze meetmachines zal het corrigeren voor de temperatuursafhankelijke (geometrische) meetafwijkingen meer winst aan nauwkeurigheid opleveren, dan bij 3-DCM's in meetkamers.

Het softwarematig corrigeren van deze afwijkingen zal waarschijnlijk gebeuren door tijdens het meetproces de temperatuur-toestand van de machine te bepalen, en met de bij deze toestand optredende (bekende) systematische effecten rekening te houden bij het bepalen van de uiteindelijke meetwaarde.

Voordat er op deze wijze gecorrigeerd kan gaan worden, moet eerst bepaald worden -middels het verrichten van metingen bij verschillende temperatuurstoestanden- welke afwijkingen in welke mate afhankelijk zijn van de temperatuurstoestand van de

Het bepalen van temperatuur-toestanden dient dus zowel bij het corrigeren, alsmede bij het voorafgaande meten (van de afwijkingen) te gebeuren. Een 3-DCM die voor temperatuursafhankelijke afwijkingen gecorrigeerd wordt, zal dus uitgebreid moeten worden met een apparaat dat van verschillendeessenW~le machine gedeelten tegelijk de temperatuur kan registreren.

In dit verslag wordt de opbouw van een dergelijk meerpunts temperatuur-meetsysteem beschreven. Allereerst worden de toepassingseisen besproken waarna wordt ingegaan op verschillende meetmethoden, de instrument keuze en de totale systeemrealisatie.

Het laatste deel is gewijd aan de calibratiemethoden voor de toegepaste sensoren en het bepalen van de bereikbare meetnauwkeurigheid van het meetsysteem.

HOOFDSTUK 2 : Toopassingseisen

Zoa.ls in de inleiding al naar voren is gekomen moet het temperatuur-meetsysteem, om een toereikend beeld van de temperatuurstoestand van een (meet-)machine te kunnen bepalen, in staat zijn om gelijktijdig op meerdere plaatsen van die machine de

temperatuur te meten. Om te bepalen aan welke eisen het temperatuur-m~tsysteem

moet voldoen, moot bepaald worden op hooveel plaatsen en hoe nauwkeurig (en "gelijktijdig") de temperaturen gemeten moot worden om een tooreikend beeld van de temperatuurstoestand te hebben met betrekking tot temperatuursafhankelijke

meetafwijkingen. Er dient dus bepaald te worden welke thermische vormveranderingen (van delen) van de constructie van een drie dimensionale coordinaten meetmachine (3-DCM) van invloed kunnen zijn op de meetnauwkeurigheid van een 3-DCM. Over het algemeen bestaat een 3-DCM uit een keten van drie haaks ten opzichte van elkaar beweegbare rechtgeleidingen (en eventueel ook rotatie-assen), met als laatste schakel het (mechanische) tastsysteem dat de meetpunten op de te meten objecten detecteert waarop het meetsysteem de coordinaten van deze meetpunten bepaalt (zie fig 2.1).

(fig. 2.1): Schets 3D-meetmachine

Een meetafwijking wordt veroorzaakt ooor de aiwijking in de werkelijke positie van de taster ten opzichte van de positie van de taster volgens (de coordinaten van) het

meetsysteem. Demeetnauwkeurigheid van een 3-DCM is dUB afhankelijk van de vorm

van de vormafwijkingen van het meetsysteem (meestal meetlinialen).

De thermische vormveranderingen die de meetnauwkeurigheid van een 3-DCM beinvloeden zijn de (lineaire) uitzetting van de meetlinialen en geleidingen, en het uitbuigen (kromtrekken) van de geleidingen veroorzaakt door (veranderende)

temperatuursverschillen loodrecht op de bewegingsrichting van de geleidingen (voor een uitgebreidere beschouwing van temperatuur-effecten zie [TEE 89], p. 1.6-1.7,4.1-4.5). Om van zowel de temperatuur van de meetlinialen (uitzetting) alsmede van de

temperatuur-verschillen loodrecht op de geleidingen (kromtrekken) een voldoende duidelijk beeld te krijgen, wordt verwacht dat er minstens 8 temperatuur-meetplaatsen per bewegingsrichting nodig zijn. Dit houdt in dat het temperatuur-meetsysteem op minimaal 24 (= 3 x 8) plaatsen tegelijk de temperatuur moot kunnen meten.

~

De nauwkeurigheid waarmee de tern ratuur gemeten moet worden hangt natuurlijk

samen met de meetnauwkeurighei van de 3- e afschattende berekeningen

in bijlage A blijkt dat met een . va 1 .10-2 [K an de temperatuursbepaling

m.b.t. 'kromtrek'-temperatuursafwijkingen zou ne worden volstaan. De absolute

nauwkeurigheid waarmee de temperaturen gemeten moe n worden is afhankelijk van de lineaire uitzettingscoofficient en de lengte van de meetli . len waarvan de

nauwkeurigheid bepaald is bij een bepaalde referentie tempera ur (zie bijlage A). De zwaarste realistische 9cbsolute temperatuur-meetnauwkeurigh . seis treedt op bij een meetliniaal van staal

_,....,...

(Us = 12 ·10-6 [m.m-l .K-l]) met een len " meter

en bij een meetnauwkeurigheid van 0.5 ·10-6 [m], en bedraagt da 4 .10-2 [K . Een gevolgtrekking uit de nauwkeurigheidseis van de temperatuursmeting is dat de "gelijktijdigheid" van de temperatuursmetingen waaruit een temperatuurstoestand wordt bepaald, inhoudt dat deze temperatuursmetingen ook snel na elkaar uitgevoerd mogen worden, maar dan weI zo snel dat de temperatuur op geen enkele plaats meer dan 1 .10-2 [K] verloopt. Dit maakt het mogelijk om een temperatuurmeetapparaat met meerdere sensoren te gebruiken i.p.v. voor elk meetpunt een apart meetinstrument. Ret temperatuurmeetbereik van het meetsysteem moet niet alleen voldoende groot zijn voor meetmachines in min of meer temperatuur-geconditioneerde ruimten maar ook de temperatuur-variaties in een fabriekshal aankunnen. Een temperatuurbereik van 15 tot 50 [oC ] lijkt voor niet al te extreme productie- danwel

omstandigheden dan voldoende. Deze keuze wordt ondersteund door eigen metingen bij Volvo te Born, waar temperatuur-variaties tussen 17 en 35 [oC ] werden vastgesteld. Een eis met betrekking tot de te gebruiken temperatuur-sensoren is dat deze een kleine (enkele seconden) tijdconstante mooten hebben. Dit omdat vrijwel alle

temperatuur-sensoren middels direct contact de temperatuur van het te meten object moeten aannemen om deze te kunnen meten, zodat kleinere sensoren (met minder massa en dus) met een kleinere tijdsconstante m.b.t. volgen van varierende

temperaturen, de voorkeur hebben ten opzichte van sensoren die - vanwege de wat grotere afmetingen - bovendien bij het inbouwen in de machine al meer problemen zullen geven.

Het temperatuur-meetsysteem moet door een computer bestuurd kunnen worden omdat bij het softwar~matigcorrigeren van de afwijkingen het ondoenlijk is gegevens van de temperatuursmetingen handmatig in te geven, tevens is het noodzakelijk om een voldoende hoge meetsnelheid te kunnen bereiken Lv.m. de "gelijktijdigheidseis" voor temperatuursmetingen bij de bepaling van een temperatuurtoostand. Bij het

automatisch meten - b.v. in een productieproces - is computer-besturing al helemaal onvermijdelijk.

De communicatie met de computer moet liefst via IEEE-488 (HP-IB) interfacing gebeuren daar dit in het Laboratorium voor Geometrische Meettechniek (en niet alleen daar !) als standaard wordt gebruikt voor communicatie tussen computers en

meetinstrumenten danwei meetinstrumenten onderling.

Tenslotte moot het gehele temperatuur-meetsysteem nog verplaatsbaar zijn zodat het bij verschillende opstellingen neergezet en gebruikt (danwel gedemonstreerd) kan worden, en mogen de realisati~kosten uiteraard niet het budget van fl. 25.000,- te boven gaan.

1

j(

~t

fnA..- H--i ~J~ ,(;.. fl<~ ~t4 NAl..t, ~~

HOOFDSTUK 3 : Meettechieken en instrumentkeuze

§3.1 Temperatuurdefinitie

Voordat in de volgende paragraaf de verschillende mogelijkheden om een

temperatuursmeting te realiseren worden behandeld in samenhang met de in het vorige hoofdstuk gestelde eisen m.b.t. resolutie, nauwkeurigheid en gebruiksomstandigheden, wordt eerst even naar de definiering van de temperatuur zelf gekeken.

De thermodynamische temperatuursschaal, in 1848 voorgesteld door Kelvin, die gebaseerd is op de Carnot-eyclus of de ideale gaswet, zodat de temperatuur onafhankelijk van enig materiaalkenmerk bepaald kon worden, is de basis van de huidige thermodynamische temperatuursdefinitie. De realisering van deze

Thermodynamische Temperatuurschaal (TTS) gebeurt m.b.v. een gasthermometer waarin een bepaalde constante gasmassa aanwezig is waarvan het volume danwel de druk constant wordt gehouden, zodat bij toe- of af-voer van een bepaalde hoeveelheid warmte de verhouding van drukken respectievelijk volumes overeenkomt met de verhouding in temperatuur (ideale gaswet). De gehele temperatuursschaal kan nu vastgelegd worden door een referentiepunt (druk,temperatuur of volume,temperatuur), en voor dit referentiepunt is het tripelpunt (hier zijn de vaste, vloeibare en gasvormige fase met elkaar in evenwicht ) van water genomen omdat dit de best reproduceerbare bekende evenwichtstoestand is. De temperatuur is hier gedefinieerd als zijnde

273.16 [K], en dit is gedaan omdat het temperatuursinterval tussen het ijspunt

(273.15 [K]) en het stoompunt van water dan 100 [K] groot is, zodat dit overeenkomt met de veel gebruikte Celsius schaalverdeling.

Omdat er geen ideaal gas bestaat moet bij een fysische realisatie van de

thermodynamische temperatuursschaal voor het niet-ideale-gedrag van de gebruikte echte gassen gecorrigeerd worden, wat extra metingen bij verschillende gasmassa's met zich meebrengt. Aangezien het meten met gasthermometers nogal omslachtig en

tijdrovend is en de reproduceerbaarheid in vergelijking met b.v.

weerstands-thermometers ook niet al te best is, heeft dit geleid tot de acceptatie in 1927 van de International Practical Temperature Scale die met enige herzieningen (de laatste in 1968, een nieuwe herziening wordt verwacht in 1990) de huidige temperatuur standaard (IPTS-68) is.

Deze IPT-schaal maakt naast het tripelpunt van water, waar deze per definitie exact overeenkomt met de thermodynamische temperatuursschaal, nog gebruik van andere evenwichtstoestanden als referentiepunten waartussen met voorgeschreven

meetprocedures en instrumenten de temperatuur geinterpoleerd wordt.

Voor het temperatuurbereik van -259.34 tot 630.74 [oC ] is het interpolatie-instrument een platina weerstands-thermometer met meerdere (temperatuur-weerstand)

vergelijkingen voor de verschillende sub-bereiken.

Ret grootste verschil in temperatuur tussen IPTS~8en de absolute thermodynamische temperatuursschaal (TTS - IPTS68), wordt in het temperatuurbereik van 0 tot 100

rOC ] geschat op -6.6 [mK] bij ongeveer 60 [oC ]. Bij 20 [oC ] zou het verschil tussen beide temperatuurschalen ongeveer -2 [mK] bedragen (zie [STR 72]p.31,32).

In dit verslag wordt verder gebruik gemaakt van de temperatuursdefinitie volgens IPTS-68 en de nauwkeurigheid van de temperatuursmetingen wordt dan ook ten opzichte daarvan weergegeven.

§

3.2 Meettechnieken

In het bereik waar het temperatuur-meetsysteem gebruikt moet gaan worden is temperatuurmeting met uitzettings-thermometers en "electrische" thermometers mogelijk.

Bij de uitzettings-thermometers is nog een onderverdeling te maken in

vloeistof-thermometers (waarvan het werkingspricipe berust op het verschil in uitzetting tussen vloeistof en vaste stof), en vaste-stof-thermometers zoals bi-metaal-thermometers (waarvan het werkingsprincipe berust op het verschil in uitzetting van twee vaste stoffen). Omdat de afmetingen van deze thermometers relatief groot zijn, en de maximaal haalbare resolutie (0.1 [K]) ervan niet groot genoeg is, vallen de uitzettings-thermometers als mogelijk toe te passen meetmiddel af.

Van de "electrische" thermometers, die vanuit het oogpunt van de meet- en

regel-techniek het voordeel hebben dat er op vrij directe wijze een electrisch signaal beschikbaar is, zijn de belangrijkste verschijningsvormen de thermokoppels, de weerstandsthermometers en de thermistors.

De thermokoppels, waarvan de werking berust op het thermo-electrisch effect, genereren zelf afhankelijk van de temperatuur een (thermo-electrische) spanning. Deze sensoren zijn vrij robuust en relatief goedkoop, maar hebben als nadelen dat er bij absolute temperatuursmetingen altijd een referentie-temperatuur beschikbaar moet zijn, de betrekking tussen de spanning en de temperatuur niet-lineair is, en de afgegeven thermo-spanning absoluut gezien zeer klein ('" 40 p,V/K) is. Verder is de haalbare

r~olutie

niet

toer~end

en zijn ze van de "electrische" sensoren het minst

stabiel. Voor het hier beoogde oel zijn ze dus niet bruikbaar. \.

hv.

111 .

~ ~ ~ W

£1A<., "'"

~ ,~~

t, tj--vt,'£-.l

U

KvI~ ~ P<A 'h~~~M!

De werking van weerstandsthermom'etets, ookwel aangeduid als RTD (Resistance Temperature Detector), berust op het feit dat de weerstand van een metalen geleider, zoals b.v. nikkel of platina, een positieve temperatuurscoefficient bezit. Deze sensoren hebben als voordeel dat ze zeer stabiel zijn, zeer goed reproduceren en een hoge nauwkeurigheid bezitten. WeI zijn deze sensoren relatief duur. Ais groot voordeel van deze sensoren geldt echter dat de kwadratische weerstand-temperatuur relatie in een beperkt bereik bij de geeiste nauwkeurigheid als zijnde lineair beschouwd kan worden. De thermistoren - halfgeleider temperatuur-sensoren met een meestal negatieve (NTC) temperatuur-coefficient - hebben ook een zeer goede reproduceerbaarheid en een, Lo.v. weerstandsthermometers, relatief grote weerstandsverandering als functie van de temperatuur, maar het verband tussen de weerstand en de temperatuur is van

exponenW~leaard, en zijn ze gevoelig voor mechanische belasting (zie [KLA 87]). Zowel met de weerstandsthemometers als de thermistors is de benodigde resolutie en nauwkeurigheid te bereiken, zonder dat er een referentie-temperatuur benodigd is. Ook zijn van beide typen, sensoren van verschillende (kleine) afmetingen verkrijgbaar. Ais nadeel voor zowel de weerstandsthermometers als de thermistors, geldt dat er bij het bepalen van de weerstandswaarde (Rt ) enige tijd een meetstroom (1) door de sensor loopt die, middels het zelfopwarmeffect (~T",S·12. Rt , met 0.05

<

S

<

0.5, zie

[HER Wl],[HER W2]), een meetfout kan introduceren.

Voor het bepalen van de weerstandswaarde van de temperatuursensor (RTD of thermistor) kan elke bekende weerstandsmeettechniek worden toegepast. Er dient echter weI rekening gehouden te worden met de invloed van de (uit noodzaak soms enkele meters lange) toevoerdraden naar de sensoren op de nauwkeurigheid van de weerstandsmeting. Zowel bij de (Wheatstone) brug danwel "Ohm-meter" meettechniek werken (variaties in) de leidingweerstanden van de toevoerdraden Rl en R2 bij de

twee-draads-methode direct door in de meetnauwkeurigheid (zie figuur 3.1 en 3.2). 'R,

(fig 3.1): Whea.tstone-brug (fig 3.2): "0hm-meter"

Bijde brug meettechniek leande invloed van de (variatie van de) leidingweerstand van de toovoordraden grotendeels geelirmneerd worden door gebruik te mal<en van de drie-draadsmethode (zie figuur 3.3). Onder aanname van gelijke leidingweerstand (en gelijke weerstandsvariatie) van de toovoerdraden Rl en R2, geldt nu weer dat bij

~U = 0 [V], R_v= Rt [bij de 2-draadsmethode was dit: R_v = _{Rt +(Rl+R2)], waarbij}

de bekende en instelb&re weerstand R_vgebruikt wordt om deze evenwichtssituatie te bereiken. 'R.;. ....1<.B 'R., Vb + 1l.. I

Ih

~3 'R,

t

) .6U 'Rot " 'R" " , i\'i r, _'R t I 1<1 I '1(3 I

(fig 3.3): 3-draadsmethode (fig 3.4): 4-draadsmethode

Bij de "0hm-meter" meettechniek met de vier-draadsmethode (figuur 3.4) heeft geen enkele (v&riatie van de) leidingweerstanden effect op de meetnauwkeurigheid.

Destroombron voert een bekende constante stroom (Ib) door Rt (en Rl en R2, die dus geen effect hebben op de constantbeid vanIb ). Door R3 en R4loopt geen stroom, mits de inwendige weerstand van de voltmeter waarmee AU wordt bepaald voldoende hoog is, zodat de spanning in deze (sense-)draden onafhankelijk van de waarde van R3 en R4 over de gehele lengte gelijk is aan de spanning vIal< voor respectievelijk vIal< na Rt , waaruit voIgt dat AU nu inderdaad het spanningsverschil over Rt is. Via AUjIb

=

Rt [bijde 2-dra.a.dsmethode was dit: AUjIb = _{Rt +(Rl+R2)], is de weerstandswaarde van}

R.

nu bepa.ald, zonder zelfs te hooven aannemen dat de (variaties van de)

Ais afsluiting van deze paragraaf kan gesteld worden dat het toepassen van RTD's als temperatuur-sensor de voorkeur heeft boven toepassing van thermistoren vanwege de hogere mechanische robuustheid, wat een voordeel is bij het gebruik van het

meetsysteem bij meerdere opstellingen, wat verplaatsen en dus mechanisch belasten -van de sensoren onvermijdelijk maakt. Ook is de - bij toepassing in een beperkt

temperatuurbereik - nagenoeg lineaire weerstand-temperatuur relatie van (vooral de platina) RTD's bij een eventuele (her-)calibratie van sensoren, te verkiezen boven de exponenWHe relatie van de thermistoren.

Voor wat betreft het bepalen van de weerstandswaarde (Rt) van de sensoren, is de 4--d.raadsmethode overduidelijk de nauwkeurigste zodat daar de voorkeur naar uitgaat.

§

3.3 Instrumentkeuze

Na in de vorige paragraaf onderzocht te hebben welke meettechnieken aan de in

hoofdstuk 2 gestelde meetnauwkeurigheid-€isen kunnen voldoen wordt nu gekeken wat er aan temperatuur-meetapparatuur verkrijgbaar is.

Twee leveranciers van meet -instrumenten en -systemen bleken met (ook uit financieel oogpunt) vergelijkbare instrumenten configuraties de resolutie van 0.01

[K]

bij

temperatuursmetingen aan te kunnen. Er wordt nu gekeken of, en hoe, deze

leveranciers aan de andere eisen, waaraan het meetsysteem moet voldoen, tegemoet komen, waarna een keuze gemaakt wordt.

De standaard configuratie van de firma FLUKE bestaat uit een "Digital Thermometer" (een speciale uitvoering van een digitale volt-meter, zie [DOE 86]p.617), een "Scanner" waarin maximaal 2 "Scannercards" kunnen van 10 "Channels" elk, en een "Translator'! om de standaard interfacing met RS-232-e om te zetten in IEEE-488. Met deze

configuratie kan dus met maximaal 20 (2 x 10 "Channels") temperatuur-sensoren

gemeten worden.

Deze configuratie kan uitgebreid worden door de "Scanner" uit te breiden met een tot maximaal drie "Scanner Extender Chassis" met in elk maximaal drie "Scannercards" van 10 "Channels". Uitbreiden gaat weI ten koste van een "Scannercard" in de

"Scanner" zelf, zodat de maximale capaciteit 100 (=lOx_{(1 +3}x_{3)) sensoren is.}

Ais de standaard configuratie uitgebreid wordt tot de capaciteit minimaal 24 sensoren is, bestaat deze uit: 1 Digital Thermometer, 1 Translator, 1 Scanner met 1 Extender Chassis en 3 Scannercards.

De standaard configuratie van de firma KEITHLEY bestaat uit een programmeerbare "Digital Multi-meter" en een "Scanner (705)" waarin oak maximaal twee

"Scannercards" van 10 "Channels" elk kunnen. De standaard ingebouwde interface-mogelijkheid is IEEE-488. Deze configuratie kan dus, net als de standaard configuratie van FLUKE, met maximaal 20 sensoren meten.

Er zijn twee mogelijkheden om deze configuratie uit te breiden, er kunnen ren tot maximaal vier extra "Scanners (705)" aan de configuratie worden toegevoegd, zodat de maximale capaciteit 100 sensoren bedraagd, of de "Scanner (705)" wordt vervangen door ren "Scanner (706)" waarin 10 dezelfde "Scannercards" kunnen, wat een zelfde maximale capaciteit van 100 sensoren oplevert. Deze laatste mogelijkheid is t.O.v. de mogelijke configuratie met twee "Scanners (705)", die ook aan de eis van de minimum capaciteit van 24 sensoren voldoet, dusdanig prijsgunstig dat deze de voorkeur geniet (ren Lp.v. twee apparaten, en flexibeler qua uitbreidingsmogelijkheden).

De, aan de minimum capaciteits-€is voldoende, configuratie bestaat dan uit: 1 programmeerbare Digital Multi-meter, 1 Scanner (706) en 3 Scannercards.

Beide leveranciers maken bij hun 0.01

[K]

resolutie temperatuur-metingen (met een nauwkeurigheid van ±0.025

[K]

in het bereik van 0 tot 50 [oC ]) gebruik van de 4--draadsmethode, en van platina RTD's als sensoren.

Omdat de sensoren van zowel FLUKE als KEITHLEY nogal groot (± 30 [em] lang)

zijn, en de (standaard) snoerlengten aan de krappe kant, worden de temperatuur-sensoren zelf gebouwd, met als hoofdbestanddeel platina-meetweerstanden van het

type: 1PtlOO G 1230, van de firma HERAEUS (zie [HER W2]p.7), zoals in het

volgende hoofdstuk wordt besehreven.

Er is uiteindelijk gekozen voor aanschaf van de "Digital Multi-meter" en "Scanner" met (uiteindelijk) vier "4-wire Scanner Cards" van de firma KEITHLEY

(zie [KEI 196], [KEI 706] en [KEI 7067]). Dit omdat twee instrumenten makelijker verplaatsbaar zijn dan vier (FLUKE), en de KEITHLEY apparatuur, voor eventueel later gebruik ,meer toepassingsmogelijkheden biedt. Vergelijk in dit verband de mogelijkheden van een Digitale Multi-meter (DC-Volts, AC-Volts, DC-Amps, AC-Amps en Ohms) met die van een Digitale Thermo-meter.

HOOFDSTUK 4: Systeemopbouw en meeturocedures

Voorda.t de totale systeem-opbouw (§ 4.3) wordt beschreven, wordt eerst op de constructie van de sensoren (§ 4.1), en de werking van de 4-wire scannercards (§ 4.2) ingegaa.n.

§

4.1 Constructie sensoren

De tempera.tuursensoren van het meetsysteem zijn van eigen makelij, omdat de in de handel verkrijgbare (voldoende nauwkeurige) sensoren te onhandig groot en nogal prijzig zijn, en eigenlijk zijn bedoold om in vlooistoffen te meten.

Voor het bepalen van de temperatuur

aa.n

de meestal metalen (meet-)machine-oppervlakken is gekozen voor de conatructie zoals g~chetst in figuur 4.1

(Een tekening van de sensor-onderdelen is opgenomen in de bijlagen).

IW)IlI(• III CPTlII)

IJlf[R'vUI

IlLSCI($$II;)

(fig 4.1)

Het belangrijkste onderdeel van de sensoren is de platina meetweerstand (verder te

DoomeD PT-100), met een nominale weerstandswaarde van 100 Ohm bij 0

fc ],

van de

firma HERAEUS type 1 PtlOO G1230 (lengte12 (mm] , en een diameter van 3

[rom],

zie [HER W2]p.7). Deze is gekozen vanwege de kleine afmetingen. Deze keuze werd mede bepa.a.ld door de schokbestendigheid van dit type PT-IOO, die veroorzaakt wordt doorda.t de bifilair gewikkelde platina meetdraad, die inductieve invlooden bij eventueel gebruik van wisselstroom of het meten in een wisselend magnetisch veld uitsluit, en het beschermende glas een homogeen versmolten eenheid vormen.

Koperen 4-a.derige telefoon sn<>eren (van5, 8of 10 meter lengte) wrgen voor de electrische verbinding tussen de PT-100 sensoren en de meetinstrumenten.

De PT-I00 is met wat geleidende pasta in een messing (goode warmte-geleiding, steviger dan aluminium en koper) huls aangebracht die het contact, eventueel m.b.v. warmte-geleidende pasta, verzorgt met het machine oppervlak waarvan de temperatuur bepaald moot worden.

Daar veel machine-delen nog steeds van ferro-magnetisch materiaal gemaakt zijn, is er een permanente magneet (knop-magneet) in elke sensor gebouwd, die in veel gevallen het aanbrengen van de sensor op de machine vergemakkelijkt.

Ais laatste onderdeel van de constructie is er een kapje van hardweefsel (Celeron) als warmte-schild gebruikt om te voorkomen dat de temperatuur van de omringende lucht danwel stralingswarmte de temperatuursmeting van het machine oppervlak kan

beinvlooden. Het warmte-isolerende effect van dit kapje wordt nog versterkt doordat het een laagje stilstaande lucht in de spleetvormige ruimte tussen het hardweefsel en het messing creeert. Tevens zorgt het voor de ontlasting van het 4-aderige snoor.

§

4.2 Werking 4-wire scannercards

Omdat er meerdere sensoren gebruikt worden bij ren meet-instrument (de DMM) moot er t ussen de verschillende sensoren geschakeld kunnen worden, zodat een sensor

waarvan de temperatuur bepaald moot worden, doorverbonden kan worden met dat meet-instrument. Voor dit schakelen is er een apparaat -de scanner- nodig dat dit doorverbinden tussen de vele sensoren en de Digitale Multi-meter regelt. Het besturen wordt in de gekozen configuratie inderdaad gedaan via de scanner (model 706, zie [KEI 706]), maar de eigelijke schakelaars ("channels") bevinden zich op de 4-wire scannercards (model 7067, zie IKEI 7067]), verder aan te duiden als 4-wsCard. Deze 4-wsCards bevatten per stuk 10 vier-polige (Normally Open) schakelaars, waaraan d.m.v. een kroonsteentje vier draden kunnen worden bevestigd die

-hoowel er ook andere toepassingen zijn- meestal gebruikt worden om een 4-draads weerstands-meting te verrichten. Ais een schakelaar gesloten wordt dan worden deze vier draden van dat "channel" doorverbonden met de "card-output", een aansluiting, ook middels een kroonsteentje, voor de draden van de DMM.

In figuur 4.2 is de wijze van schakelen van de "channels" op een 4-wsCard en de aansluiting met de DMM geschetst.

De stroom-voerende draden (nummers 1 en 2, zie fig 4.2) worden aangeduid als de "souree-lineB", en de niet stroom-voerende draden (nummers 3en 4), die gebruikt worden am het spanningsverschil over de onbekende weerstand door te geven, worden de "sense-lines" genoemd. De twee schakelaars (nrs. 1en 2) van een 4-pools schakelaar

-of "channel"- die de "source"-draden schakelen zijn niet geschikt om als "sense"-schakelaa.rs dienst te doen (en omgekeerd), zodat het aansluiten van de draden naar de DMM zorgvuldig moet gebeuren.

t

t

-I L _

])/1/1

CH 10 CH I 1<I R'D

ml ...

[(11

1

2

t-!r

i -

~~ ~

-

~

__

~_~J_

l -

!

I I I .3 0 0 : - - -

---r12=--_J;-+~~

6Vi. I I L

J

,,- Wire Scanner Carel

(fig 4.2)

Ais een weerstand (b.v.

een

PT-100 sensor) op een 4-wsCard-"channel" is aangesloten kan hiervan de weerstandswaarde (Ri) bepaald worden door via de scanner van (alleen) dat "channel" de 4-polige schakelaar te sluiten. Nu kan de DMM via de "source"-draden de meet-stroom (Ib) door de weerstand sturen, en via de "sense"-draden

(nrs.

3

en

4,

zie

fig 4.2)

de spanning (aUi) erover meten. Ook meet de DMM de spanning

(au

ref) over een interne referentie-weerstand (in het 300 Ohm bereik is de hiervan de waarde 2 [kO]) waardoor ook de meetstroom (Ib) loopt. De DMM bepaalt nu de onbekende weerstandswaarde volgens de formule:

R - R r ef·aUi

i -

LS:u

_ref [0] (frm 4.1)

Een andere methode om te schakelen tussen meerdere weerstanden-is alle (eventueel) te meten weerstanden permanent in serie te zetten met de (meet-)stroombron, en alleen de "sense"-draden te schakelen. Voordeel hiervan is dat men per "channel" maar een 2-polige schakelaar (met minder inschakel-verschijnselen) nodig heeft, en zeker weet dat er door elke weerstand dezelfde stroom loopt. Toch wordt hier om practische redenen &an de 4-pool schakel-methode de voorkeur gegeven.

Het nadeel van 2-pool schakel-methode is namelijk dat bij meting van een willekeurige weerstand er altijd door alle weerstanden de meetstroom loopt, hetgeen naast de

zwaardere bron belasting alS effect heeft dat het zelf-opwarmeffect al kan optreden voordat de weerstand gemeten wordt. Bovendien is de schakeling kwetsbaarder daar bij het breken van een van de "source"-draden naar ren van de weerstanden er geen enkele meting meer verricht kan worden, terwijl dit bij het 4-polig schakelen allen het meten van die bepaalde weerstand verhindert.

§

4.3 Totale systeem-opbouw

Het totale temperatuur-meetsysteem is opgebouwd uit de volgende elementen : De Digitale Multi-meter (Keithley, model 196),

De Scanner (Keithley, model 706), met vier 4-wire cards (Keithley, model 7067), en 37 PT-100 sensoren (Heraeusjeigen makelij).

Buiten deze reeds bekende elementen bestaat het systeem uit :

Ben HP-9121 Computer (Hewlett-Packard), die gebruikt wordt voor het -vanuit een meetprogramma- aansturen van een 3-D meet-machine in het Laboratorium voor Geometrische Meettechnieken. Deze computer moet in het temperatuur-meetsysteem uit de door de DMM gemeten weerstandswaarden van de sensoren, de bijbehorende temperaturen bepalen, met gebruikmaking van software-matig (b.v. op floppy) opgeslagen calibratie gegevens. Ook dient deze computer de DMM en Scanner via de IEEE-488 bus aan te sturen.

Twee standaard-weerstanden van 10 respectievelijk 100 Ohm (Bleeker), met behulp waarvan de nauwkeurigheid van de weerstandsmetingen van de DMM wordt verhoogd.

Dit gebeurt door voor een serie van weerstandsmetingen van de PT-100 sensoren eerst de standaard-weerstand van 100 Ohm te meten, deze waarde te vergelijken met de waarde die de standaard-weerstand volgens het calibratie-certificaat heeft, en de meetwaarden van de sensoren met het verschil te corrigeren. Op deze wijze (die in bijlage B is uitgewerkt) wordt het systematische deel van de meetafwijking van de DMM zoals opgegeven door de leverancier, grotendeels geelimineerd, zodat de

door de (kleinere) toevallige aiwijking van de weerstandsmeting met de DMM. In bijlage B is de nauwkeurigheid van de weerstandsmeting volgens de specificaties in tabel BI weergegeven, en een afscbatting van de nauwkeurigheid van de

'relatieve'-weerstandsmeetmethode wordt in de formules B2 en B3 gegeven. Hieruit ka.n geconcludeerd worden dat de onnauwkeurigheid van de weerstandsmeting in het te verwa.chten bereik van de PT-100 sensoren met een factor 4 afneemt (voor de PT-lO is dit een factor 3).

Een gecalibreerde PT-lO weerstandsthermometer (Heraeus), die -in een aluminium staaf- de calibratie van de PT-IOO sensoren mogelijk maakt doordat het verband

tUBsen de weerstandswaarde en temperatuur bekend is. Hetgeen er voor wrgt dat er bij_, een thermische evenwichtstoestand van de PT-IO en de te calibreren PT-WO sensoren, met de aluminium staaf, via de weerstandswaarde van de PT-IO een

referentie-temperatuur beschikbaar is.

omko.sl:tn

(fig 4.3)

ALU-stoor lTIel PT-'Q

C

~~~

Het la.atste onderdeel van het temperatuur-meetsysteem is een

zelfgebouwde omkasting die het mogelijk ma.a.kt de meters lange snoeren van de PT-100 sensoren ordelijk op te bergen in een ba.k met schotten. Tevens herbergt een doos-vormige, met hardschuim geisoleerde, ruimte van de omkasting de aluminium staaf met de PT-IO. Dit doet dienst als opbergpla.ats voor de

PT-lOO sensoren (er is over de lengte een smalle stalen strip in de aluminium staaf geperst zodat de sensoren met hun magneet er niet los op liggen) en wordt tevens (met dichte deksel) gebruikt als calibratie-ruimte. Een nauwkeuriger tekening van de uit PVC-pla.at geconstrueerde omkasting is in de bijlagen opgenomen.

In figuur 4.3 is geschetst hoe de verschillende systeem-onderdelen zijn samengevoegd tot

em

geheel. De buiten-maten van deze "temperatuurskast" zijn:·

Dein figuur 4.3 geschetste, in zijn geheel verplaatsbare, "temperatuurskast" herbergt &lIe elementen van het temperatuur-meetsysteem behalve de computer, die echter eenvoudig met

een

enkele IEEE-488 interface kabel hierop is aan te sluiten.

Infeite is het meten van temperaturen met deze "kast", mits de interfacing via

IEEE-488gebeurd, met elke computer te besturen. Dit maakt het mogelijk ook bij andere computer-{meet-)machine configuraties de al aanwezige computer de besturing van de t.emperatuursmetingen te laten doen. Hooguit zal de (summiere) temperatuur-meetprogrammatuur naar een andere programeertaal omgeschreven moeten worden.

Tot slot van deze paragraaf wordt in figuur 4.4 de onderlinge configuratie van de t.emperatuur-meetsysteem elementen schematisch weergegeven.

De gestippeld aangegeven trigger verbinding tussen de Scanner en de DMM duidt op de mogelljkheid dat bij een bepaalde programmering van een of beide instrumenten het meten danwel het schakelen door het andere instrument via een trigger-signaal wordt gestart om overbodige wachttijden te voorkomen.

card- outfJ"f.

3.7

PT 100 s~nSoren

sW'

10.n. PT-'o In ALU -SlQdF

Ski

100.0. siandQanl-we(lr~l.ahdefl IJI1I1

/96

l<,ii.hLey

HP-j121 .1£££-"88 BUS (fig 4.4) §4.4 Mootprocedures

Uit gaande van de Irelatieve'-weerstandsmootmethoden (zie bijiage B), en de in figuur 4.4 geschetste systoom-eonfiguratie zijn nog er vele verschillende moot-procedures op te stellen door te kiezen uit opties zoals: weI/goon triggering; weI/goon metingen op

interrupt basis met gebruik va.n de interne buffer van de DMM of; wel/Diet per tijds-interval metingen verrichten. Dekeuze hieruit hangt afvan de specifieke toepassing.

De basis van al die procedures is echter hetzelfde, en is weergegeven in de flowchart (fig 4.5) op de laatste pagina van dit hoofdstuk. Op basis hiervan kan voor elke gewenste toopassing, rekening houdend met de daarvoor geldende eisen

(b.v. nauwkeurigheid, snelheid), een meetprogramma worden geschreven.

In het kader van deze stage-opdracht is in een al bestaand zeer omvangrijk meetprogramma "LASERPAK-3" op een aantal plaatsen de mogelijkheid tot het meten van temperaturen met het ontwikkelde systeem ingebouwd. De

temperatuursgegevens worden daar echter vrijwel direct verder verwerkt, zodat de relevante programma gedeelten die in de bijlagen zijn opgenomen, op zich niet erg verhelderend zullen zijn. Daarom wordt hier de algemene programma-opbouw, m.b.t. het temperatuur-meetgedeelte, als aanvulling op het schema van figuur 4.5 toegelicht.

De, in een file "S-200DATA" (niet opgenomen in de bijlagen) opgeslagen,

systeem-gegevens die o.a. de calibratie-gegevens van de sensoren bevatten, worden na het starten van het "LASERPAK-3" programma ingelezen in twee geheugen array's, waarna de DMM en Scanner op 'stand-by' geprogrammeerd worden middels het zenden vancommand~tringsover de IEEE-488 bus. De rest van het temperatuur-gedeelte van het meetprogramma wordt via menu-sturing geregeld. Enkele belangrijke opties in het temperatuur gedeelte van het programma zijn :

- Ret aangeven danwel wijzigen van welke sensoren de temperatuur bepaald moot worden (temperature set-up).

- Aangeven hoe vaak deze temperaturen gemeten dienen te worden, en met welk tijdsinterval tussen de afzonderlijke metingen.

- Ret tevens meten van de temperatuur van de PT-IO referentie-thermometer (temperature check-up) als controle van de PT-lOO sensoren, bijvoorbeeld bij het

calibreren van deze sensoren.

1

--

l~

t-(

itA

f4 t-r-1t

l

~

dA

~) ~

kr

r--M-

Ll--f'-i

~

/>r..., i l1, eM

~

h, I

De gemeten temperatuur-gegevens worden automatisch als file op een floppy gesaved, en kunnen direct of naderhand (van floppy) op het scherm en/of printer worden weergegeven. Ret calibreren van de PT-100 sensoren is, zoals in hoofdstuk 5 wordt beschreven, een nogal complex proces. Uit de gegevens van, met de optie "temperature check-up", uitgevoorde metingen worden handmatig de calibratie gegevens per sensor bepaald, en met een appart (niet in de bijlagen opgenomen) programma "EDITDATA" worden deze gegevens dan in de file "S-200DATA" aangepast.

Flowchart van de meet-procedures :

I

start

I

Initieren IEEE-488 bus

en proj!;rammeren

DO

en Scanner

I

Bepaling van welke sensor(en) de

temperatuur j!;emeten moet worden

Meet 100 Ohm standaard en

bereken de correct ie-term

calibreren

ja

temperatuur-sensoren

?

Meet de 10 Ohm standaard en

nee

bereken de correctie term

I

Meet weerstand PT-10

I

Meet weerstand PT-100

Bereken de gecorrigeerde PT-100

Bereken de gecorrigeerde

weerstandswaarde en zoek de bij

PT-10 weerstandswaarde

de sensor horende calibratie-waarden

Bereken de PT-10 temperatuur

IBereken de sensor-temperatuurl

~

I

AIle sensoren gehad

? I

nee

ja

Geef de temperatuur van de sensoren uit

(op schermjprinterjfloppy)

Nog een meting

? I

ja

nee

I

eind

I

HOOFDSTUK 5: Calibratieprocedures en meetresultaten

§

5.1 Waarom calibratie ?

De in de zelfgebouwde sensoren toogepaste meetweerstanden van Heraeus, zijn geleverd volgens de specificaties van klasse B zoals beschreven in [DIN 751].

Volgens deze specificaties wordt de relatie tussen de temperatuur (t in graden Celcius, gedefinieerd volgens IPTS-{)8) en de electrische weerstand (Rt in Ohm) van de

PT-100's door de volgende vergelijking weergegeven:

[0] (frm 5.1)

Ais de weerstandswaarde

(R

t ) van de PT-100 exact wordt gemeten, kan de

temperatuur van deze meetweerstand met een nauwkeurigheid van ± (0.3

+

0.005·

I

t

I)

fc ] via deze relatie worden bepaald, met gebruikmaking van de in [DIN 751] gegeven standaard-waarden, voor het temperatuurbereik van 0 tot 850 [oC ], van de constanten: A

=

3.90802 ·10-3 fC-I]en B

=

-5.802 .10-7 fC-2]. De nominale waarde van

Ro ,

die de weerstandswaarde van de meetweerstand bij 0 [oC ] voorstelt, is 100.00 [0].

De standaard nauwkeurigheid van deze PT-100's is dus niet voldoende gezien de vereiste nauwkeurigheid van 0.04 fc ], en resolutie van 0.01 [oC] (zie pag 2.2).

De relatie tussen de temperatuur en de weerstandswaarde van een afwnderlijke PT-100 wordt volgens formule 5.1 bepaald door de waarde van A, Ben

Ro

voor die specifieke PT-100. Om de nauwkeurigheid van de sensoren te verhogen zou dus van elke PT-IOO afwnderlijk de waarde van A, B

en

Ro

bepaald mooten worden. Hiervoor moot dan bij drie verschillende (op 0.01 fc ] nauwkeurig) bekende temperaturen de

weerstandswaarde (R_{t )} van elke PT-100 bepaald worden, waarna uit deze drie meetpunten per PT-100 de afzonderlijke waarden van A, B en

Ro

voor elke sensor berekend kunnen worden. Bij deze calibratie-procedure wordt het kwadratische karakter van de temperatuur-weerstand relatie in stand gehouden hetgeen, als men over een groot temperatuursbereik nauwkeurig wi! blijven meten, ook noodzakelijk is.

Echter voor veel toopassingen, in een beperkt temperatuurbereik (afhankelijk van de vereiste nauwkeurigheid), is een gelineariseerde temperatuur-weerstand relatie (en dus ook een eenvoudiger calibratie-procedure) voor de PT-100's vaak tooreikend.

Het afgeschatte temperatuurmeetbereik voor het meetsysteem (15 tot 50 fc ], zie pag 2.2) is gezien de resolutie van 0.01 fC] eigenlijk te groot om een linearisatie toe te kunnen passen. Ret is echter niet waarschijnlijk dat de temperatuur van een meetmachine-onderdeel in normale omstandigheden vaal< hoven de 35 [oC ] zal uitkomen, zodat een beperking van het bereik, waar aan de vereiste nauwkeurigheid moet worden voldaan, tot een temperatuurbereik van 15 tot 35 fc ] realistischer lijkt, Zoals in de volgende paragraaf wordt aangetoond, is voor dit bereik weI een linearisatie van de weerstand-temperatuur relatie mogelijk. Een consequentie van deze linearisatie is dat, voor eventuele metingen buiten dit bereik, de nauwkeurigheid van de

temperatuursbepaling, naar mate er verder buiten het bereik gemeten wordt, een steeds grotere systematische afwijking gaat vertonen.

§

5.2 Calibratie procedure

Ais voor het temperatuurbereik van 15 tot 35 [oC ] de temperatuur-weerstand relatie wordt gelineariseerd, zal de temperatuur-weerstand relatie van de volgende vorm zijn:

(frm 5.2)

Om de nauwkeurigheid van de temperatuursberekening via formule 5.2 even met die van (een omwerking van) formule 5.1 te vergelijken, wordt voor (}' de resiproke van de gemiddelde weerstandstoename per graad Celsius in het gekozen bereik genomen :

35 - 15 1 rO

(}' =

R_{t (t=35) -} R_{t (t=15)}

=

0.388 Lc/n] (frm 5.3), met de waarden van Rt bij t = 15 resp. 35 fc ] berekend volgens formule 5.1 met de standaard waarden voor A, Ben

Ro

volgens [DIN 751].

Voor {3wordt de waarde genomen die bij een calibratie via formule 5.2 bij 25 fc ] en de daar optredende weerstandswaarde berekend volgens formule 5.1 zau ontstaan :

{3= 25 - (}'.Rt(t=25)

=

-257.819 fc ] (frm 5.4).

De grootste afwijking ten gevolge van de linearisatie treed nu op bij een temperatuur van 35 fc ], waar t

l, dan 1.7 .10-2

fc ] te laag uitvalt. Deze systematische afwijking

III

t.O.v. de (IPTS-68) temperatuursbepaling via een omgewerkte formule 5.1 is, als de ll,8-calibratiell bij een andere temperatuur binnen het bereik van 15 tot 35 fC] gebeurt, altijd kleiner, zodat het gebruik van een gelineariseerde temperatuur-weerstand relatie in dit bereik inderdaad mogelijk lijkt.

De beschikbare apparatuur om de calibratie van de sensoren uit te vooren bestaat uit een gecalibroorde PT-lO woorstandsthermometer waarmoo de temperatuur met oon nauwkeurigheid van ± 2.4 .10-2

fc ],

bepaald kan worden (zie bijlage D).

Deze PT-lO is in oon aluminium staaf (40 x 40 x 585

[mmD

aangebracht, die in de

doos-vormige ruimte van de omkasting is geplaatst (zie fig 4.3 pag. 4.5). Op deze aluminium staaf kunnen de te calibreren sensoren worden gezet. De aluminium staaf (ALU-staaf) wordt in de doos-vormige ruimte, aan drie lange zijden (twee zijkanten en de bodem) en de twoo korte zijden, met warmte-isolatie materiaal (tempex) van

minimaal 20

[mm]

dik, van de 6

[mm]

dikke (PVC) wanden van de doos geisoloord. In de ALU-staaf is over de volle lengte oon dunne stalen strip (5x₅

[mmD

_{geperst zodat}

de sensoren, m.b.v. hun magnootjes,een good contact met het aluminium oppervlak van de staaf hebben.

De bedooling van deze doos-vormige calibratie ruimte is dat als de te calibreren

sensoren (met maximaal 20 tegelijk) zich op de ALU-staaf bevinden, en de deksel (ook van 6

[mm]

PVC) van de calibratie-ruimte dicht is, er zich een thermisch evenwicht

(= goon onderlinge warmte-uitwisseling) zal instellen tussen de sensoren, de ALU-staaf en de PT-10 woorstandsthermometer.

De hoge warmte-geleidingscoefficient van het aluminium

(±

200 [W·m-1.K-1]) in combinatie met de lage warmte-geleidingscoefficient van lucht en tempex

(±

0.024 resp. ± 0.3 [W .m-1.K-1]) moot er voor zorgen dat eventuele temperatuur-verstorende

invloeden van buiten de calibratie-ruimte sneller door het aluminium worden

"vereffend" dan door de isolatie kunnen "binnendringen", zodat er goon temperatuurs-verschil tussen de PT-lO en de sensoren danwel de sensoren onderling kan ontstaan. Een nadeel van deze wijze van calibratie is dat de temperatuur waarbij de calibratie plaatsvind niet geregeld kan worden. De, voor de calibratie benodigde, constante temperatuur die na verloop van tijd in het aluminium heerst kan niet te veel van de omgevingstemperatuur afwijken daar anders het aluminium via, de door het

temperatuursverschil onstane, warmte-uitwisseling met de omgeving van temperatuur zal veranderen (en dus niet constant is).

Bij de Centrale Technische Dienst (CTD) van de T.U. Eindhoven is weI de

mogelijkheid aanwezig calibraties uit te voeren bij nauwkeurig te regelen temperaturen. Deze calibratie mogelijkheid is echter niet benut, daar de calibratie van de 37 sensoren bij ten minste twee verschillende temperaturen minimaal twoo tot drie weken rou gaan duren, en er op dat moment de tijd voor ontbrak.

Dit houdt in dat er geen twee referentie-punten (temperatuur, weerstandswaarde), die voor calibratie doeleinden ver genoeg (liefst aan het begin en eind van het bereik bij een lineaire weerstand-temperatuur relatie) uitelkaar liggen, beschikbaar zijn.

Hierom wordt voor alle sensoren de coefficient

a

nit formule 5.2 gesteld op de waarde :

a

= 1/0.388

rc/n]

zoals berekend in formule 5.3 .

Het enige wat bij de enkele ter beschikking staande referentie-temperatuur van de PT-lO bepaald kan worden, is de IJ-waarde (nulde orde-term) van elke afzonderlijke (PT-lOO) sensor. Het bepalen van deze IJ-waarden wordt, zoals in de volgende paragraaf beschreven, met de zogenaamde omslag-methode gedaan, om calibratie-afwijkingen t.g.v. de eventuele temperatuursverschillen in de ALU-staaf te voorkomen.

§5.3 Meetresultaten

Het meetgedeelte van de calibratie bestaat nit het gedurende twee opeenvolgende nachten (temperatuur stabiele omgeving) om het half uur bepalen van de temperatuur van zowel de PT-lO weerstandsthermometer alsmede van de maximaal 20 te calibreren sensoren die zich in de calibratie-ruimte op de ALU-staaf bevinden. Hier wordt de calibratie van de sensoren met nummer 21 tim 40 als voorbeeld genomen (de calibratie van de sensoren met nummer 1 tim 17 is hieraan geheel analoog).

Om van de te calibreren sensoren een temperatuur te kunnen bepalen, is bij deze

calibratie-metingen gebrnik gemaakt van vergelijking 5.2, waarbij voor alle sensoren de "standaard" IJ-waarde van -257.7320

rC]

(dan is Rt=100

n,

bij t=O

°C),

is ingevoerd. Het calibreren van de sensoren met deze "standaard"-temperatuur is gedaan om de nauwkeurigheid van de PT-lOO meetweerstanden min of moor direct aan de standaard-nauwkeurigheid van ± (0.3

+

0.005·

I

tI) volgens [DIN 751] te kunnen toetsen.

De sensoren zijn in de broodte naast elkaar op het aluminium geplaatst, zodat 20

sensoren met oon breedte van 15 [mm] ongeveer 30 [cm] van de lengte op de ALU-staaf aan rnimte innemen. Om het effect van een eventueel in de aluminium staaf bestaande temperatuurs-gradient in lengte-richting te ondervangen, is de eerste meting gedaan met de sensoren in oplopende nummer-volgorde (21 tim 40) op de ALU-staaf, en de tweede meting (de volgende nacht) met de sensoren in aflopende nummer-volgorde (40 tim 21) zoals in de omkaderde tekeningen van figuur 5.1 is geschetst.

Dewijze van meten wa.a.rbij twee onbekende constante aiwijkingen (hier het temperatuur-verloop in de ALU-staai en de temperatuur-"offsets" van de diverse 8en80ren) worden bepa.ald uit hun samengestelde aiwijking, bepaald bij twee metingen, wa.a.rbij

een

van de twee afwijkingen bij een van de twee metingen wordt "omgedraait", wordt de omslag-methode genoemd. Het gemiddelde temperatuursverschil van elke sensor (~T.id.) t.O.V. de "midden"-temperatuur, is bepaald met een onnauwkeurigheid (2s-wa.a.rde) van :t2 [mK], en is voor beide metingen in figuur 5.1 grafisch weergegeven.

on .... ·or'

pn ...

oa L

:-=t-D

0--0 0 S:lI • • • s'to )l

.-1(

(S"O) ••• (~/) lC 0 ,~ (526) 0 \ }j

"

\0/

0\ 0 ₀ I . )t \--...-"- ... "1f(S 22) '0) (525) \ ._--- \

•

\ ~,,6) \ 0 \

"

0 J36 (.521'-AT",,;•.

{X]

+43

_•

+42 +D.'

ao

- 0., - D.2 I (fig 5.1)

Om de bij de formules 5.5 tIm5.7 beschreven effecten in figuur 5.1 iets duidelijker te laten uitkomen, zijn de meetpunten van sensoren 21 tIm 31 bij beide metingen door een getrokken respectievelijk een onderbroken lijn met elkaar verbonden.

De "midden"-temperatuur is de temperatuur aan het oppervlak van de ALU-staai in het midden van de rij te calibreren sensoren (hier plaats 10.5) en wordt in dit voorbee1d door de gemiddelde waarde van sensor nummer 30 en 31 bepaald : tmid=(ts30+ts31)/2 .

De temperatuur op deze plaats wordt aangenomen, overeen te komen met de

temperatuur van de PT-lO (de ongeveer 10 [em] lange wikkeling platina meetdraad van de PT-lO bevindt zieh ook op ongeveer deze plaats in de aluminium staaf).

AlB met betrekking tot de eventuele temperatuursgradient in het aluminium wordt aangenomen dat deze een lineair verloop heeft, en constant (bij beide metingen betzelfde) is, dan kan bet volgende worden afgeleid :

(frm 5.6)

(frm 5.7) De temperatuursafwijking van het aluminium t.o.v. de PT-Io-temperatuur is punt-symmetrisch t.O.v. het midden (ALU-plaats 10.5), in formule vorm;

D.t(ALU-pl. i) = - ~t(ALU-pl. 21-i) ,met i E{1,... ,20} (frm 5.5).

Door het "omslaan" is de pla.a.ts van elke sensor, t.O.v. de plaats bij de eerste meting, bij de tweede meting gespiegeld t.o.v. het midden (ALU-plaats 10.5). Daar de afwijking van elke sensor (bij ongeveer dezelfde temperatuur) zelf ook constant is, voIgt hieruit in formule vorm voor de eerste resp. tweede meting ;

gemeten ~t(ml,pl. i)

=

D.t(ALU-pl. i)

+

dt(sensor j)

gemeten dt(m2,pl. 21-i) = dt(ALU-pl. 21-i)

+

dt(sensor j) ,met (i,j) E{(1,21),... ,(20,40)}.

Nu kan voor elke sensor de "offset"-waarde, gecorrigeerd voor het temperatuursverloop in het aluminium, t.o.v. de "midden"-temperatuur berekend worden via het

samenvoogen de formules 5.5

tim

5.7 tot:

dt(sensor j) = {dt(ml,pl. i)

+

dt(m2,pl. 21-i)}/2 (frm 5.8)

,met (i,j) E{(1,21),... ,(20,40)}.

Voor het bepalen van de uiteindelijke ,B-waarde van elke sensor moet er bij de "standaard" ,B-waarde het gemiddelde temperatuursverschil tussen de aangenomen waarde van de "midden"-temperatuur en de PT-Io-temperatuur worden opgeteld, waarna de specifieke "offset"-waarde dt(sensor) van elke sensor hiervan moot worden afgetrokken, in formule vorm :

IJ(sensor j) = -257.7320

+

(tPtlO-tmid) - dt(sensor j) (frm 5.9)

,met j E{21,... ,40}.

Bij de calibratie-metingen van de sensoren 21

tim

40 varieerde de temperatuur van de PT-I0 tussen de 24.2 en 24.5 r>C ], en bedroeg het gemiddelde verschil tussen de PT-I0 temperatuur en de "midden"-temperatuur (tPtlO-tmid) =

+

0.067

roc ],

met een onnauwkeurigheid (samengestelde 2s-waarde) van ± 0.011 r>C ].

Bij de op dezelfde wijze (en met nagenoog dezelfde onnauwkeurigheden) uitgevoerde calibratie-metingen van de sensoren 1

tim

17, varieerde de temperatuur van de PT-IO tussen de 25.1 en de 25.6 [oC ].

De, uit de hiervoor beschreven calibratie-metingen, bepaalde ,B-waarden van de individuele sensoren zijn in tabel-vorm in de bijlagen opgenomen.

HOOFDSTUK 6: Nauwkeurigheid van de temperatuursmeting

In dit hoofdstuk wordt de nauwkeurigheid van de temperatuursbepaling met de PT-100 sensoren behandeld. Als eerste wordt gekeken naar de toevallige (§ 6.1) en

systematische (§ 6.2) afwijkingen die bij het bepalen van de temperatuur kunnen optreden. Ook wordt even aandacht besteed aan de mogelijke invloed van h~t.

zelf-opwarmeffect op de nauwkeurigheid

(§

6.3). En als laatste worden de resultaten van een meting behandeld, die een indicatie geven van de nauwkeurigheid van de temperatuursbepaling met de PT-100 sensoren t.o.v. de gecalibreerde PT-lO weerstandsthermometer.

§

6.1 Toevallige afwijkingen

De toevallige afwijkingen in de temperatuursbepaling komen voort uit de

onnauwkeurigheden (onzekerheden) in de waardebepaling van de grootheden waaruit de PT-100 temperatuur wordt berekend. De PT-lOO temperaturen worden berekend volgens de volgende formule (zie pag 5.2, frm 5.2) :

(frm 6.1).

De onzekerheid in de waarde van

a,

fJ

en Rt bepaalt dus de onzekerheid in de temperatuursbepaling van een PT-100 sensor.

L

a (de lineaire richtingscoefficient) is gedefinieerd als de

r~iproke

van de gemiddelde weerstandstoename per graad Celcius in het gekozen bereik (15

tim

35 r<>C

D.

f3

is de bij ongeveer 25

fc ]

bepaalde calibratie waarde van de individuele PT-lOO sensoren (zie pag 5.2 en 5.6). Zowel

a

als

f3

is, bij de berekening van een sensor-temperatuur volgens formule 6.1, een (al dan niet van de sensor afhankelijke)

constante. Hieruit kan geconcludeerd worden dat aen

fJ

niet zuBen bijdragen aan de toevallige afwijking in de temperatuursbepaling van de PT-IOO sensoren.

Rt (t) daarentegen, is de bij een bepaalde temperatuur gemeten weerstandswaarde van

een PT-100 sensor en zal, als gevolg van de onnauwkeurigheid in de bepaling van deze weerstandswaarde, weI bijdragen aan de toevallige afwijking in de

De nauwkeurigheid van de weerstandsmetingen is, zoals in bijlage B is aangegeven (pag. B.l tabel Bl, en pag. B.5 frm. B3), ± 0.0053 [0] of± 0.0012 [0] bij

weerstandsmetingen volgens de normale- resp. de 'relatieve'-methode.

Dit resulteert dan volgens &ptlOO = a-CRt(t) ,met

£1'=

1/0.388

fc/O],

in de volgende toevallige afwijkingen in de temperatuursbepaling van de PT-I00 sensoren :

&ptlOO

=

± 1.4 .10-2rOC] , bij gebruik van de normale-weerstandsmeetmethode, &ptlOO

=

± 0.3 _10-2 [oC ] , bij gebruik van de 'relatieve'-weerstandsmeetmethode.

§

6.2 Systematische afwijkin&en

Naast de toevallige afwijkingen zijn er nog andere invloeden op de nauwkeurigheid van de temperatuursbepaling, die een afwijking veroorzaken t.O.v. de volgens IPTS-68 gedefinieerde temperatuur. Deze systematische afwijkingen worden hier veroorzaakt door; het lineariseren van de temperatuur-weerstand relatie van de PT-100 sensoren, het gebruiken van dezelfde coefficient

£1'(=

1/0.388

fc/on

voor alle sensoren bij het berekenen van de temperatuur volgens formule 6.1, en de eventuele -bij de calibratie ontstane- "offset" in de bepaling van de ,B-waarde van de PT-I00 sensoren.

De grootte van de systematische afwijking die veroorzaakt wordt door de kwadratische relatie tussen de weerstandswaarde en de temperatuur van een PT-I00 (frm 5.1) te benaderen door een lineaire vergelijking (frm 6.1), is eenvoudig te bepalen door de ene vergelijking (5.1) in de andere (6.1) te substitueren :

(frm 6.2).

Ret verschil tussen de ingevulde waarde voor t (= t68) en de daarmee berekende

waarde van tlin in bovenstaande formule is nu de systematische afwijking (~tlin

=

tlin - t68) veroorzaakt door de linearisatie. De maximale waarde van deze afwijking treedt op ,voor de bij ongeveer 25 [oC] gecalibreerde sensoren, bij zowel 15 als 35

fc ],

en is daar : ~tlin(max)

=

-1.5 _10-2

fc ].

Ret gebruiken van dezelfde coefficient

a

(= 1/0.388 fc/O]) voor aIle sensoren bij het berekenen van hun temperatuur (volgens formule 6.1), veroorzaakt voor de individuele sensoren ook een systematische afwijking. De waarde van a wordt bepaald door de waarden van Rt(15) en Rt(35), die in principe voor elke sensor anders zijn. Ais de, voor (klasse B) PT-100 sensoren, in [DIN 751] gegeven maximaal toegestane afwijking in de waarde van

Ro

(±

0.12 [0]) wordt gebruikt om hiermee (via de bepaling van daarbij optredende waarden voor Rt{15) en Rt(35) uit formule 5.1) de maximaal en minimaal mogelijk voorkomende richtingscoefficient te bepalen, vindt men de volgende waarden :

a

_max = 1/0.387447 fe/o] en

a .

_mm = 1/0.388355 fc/O].

De grootte van deze systematische afwijking is dus, in tegenstelling tot .6.tlin , niet aIleen temperatuur-, maar ook sensor-afhankelijk. De grootste waarde van de afwijking die, bij een maximaal mogelijk optredend verschil in richtingscoefficient, over het bereik van 15 tot 35 [oe ], kan voorkomen bij een van de uiteinden van het bereik is

± 2.8 .10-2 fe ], als de tJ-waarde van die sensor bij het andere van uiteinde van het

bereik bepaald zou zijn. De tJ-waarde van alle sensoren is echter in het midden van het bereik bepaald, zodat de maximaal mogelijk optredende afwijking (bij 15 of 35 fe ]) nu de helft hiervan bedraagt : .6.t_a(max)

=

± 1.4 .10-2fe ].

Naast de onzekerheid in de bepaling van de (referentie) PT-10 temperatuur .6._ptlo(25) van± 0.011 fc ](= eigenlijk de onzekerheid in het temperatuur-verschil

(tptlO - tmid), zie pag. 5.6), kan er bij de "tJ-waard~alibratie" nog een andere systematische afwijking geintroduceerd worden. Er is namelijk aangenomen dat de temperatuur (tmid) aan het oppervlak van de ALU-staaf in het midden van de rij te calibreren sensoren, bij een redelijk stabiele thermische situatie, overeenkomt met de temperatuur (tptlo) van de PT-lO (zie

§

5.3). Deze arbitraire keuze kan tot gevolg hebben dat er een, voor alle sensoren even grote, "offset"-afwijking (.6.t_Off) in de bepaling van de tJ-waarden bij de calibratie van de sensoren geintroduceerd wordt. Voor het afschatten van de grootte van deze "offset" wordt, de tijdens de calibratie in de aluminium staaf optredende temperatuursgradient van 0.1 fC] over de 0.3 [m] in gebruik zijn de lengte (zie fig. 5.2) als indicatie gebruikt. Omdat de wikkeling van platina meetdraad van de PT-10 thermometer ter hoogte van het "midden" in de aluminium staaf 0.1 [m] lang is wordt de eventueel optredende "offset"-afwijking gesteld (ook arbitrair) op een maximum van .6.t_oflmax)

=

± 1.7 .10-2fe] (dit

De totale systematische afwijking die maximaal kan optreden ten gevolge van de

~waardencalibratie komt hiermee op :

t1tr/max) = ±

(I

t1_ptlo(25)

I

+

I

t1t_oflmax)I) = ± 2.8 .10-2 r<>C ].

Om de maximale waarde van de totale systematische afwijkingen te krijgen worden de absolute waarden van de deel-afwijkingen bij elkaar geteld hetgeen dan als maximaal te

verwachten systematische afwijking per sensor het volgende oplevert :

1

t1tSys(max) =

(I

t1tlin(max)

I

+

I

t1t a(max)

I

+

I

t1tr/max)

I)

= 5.7 .10-2 [oC].

(~ l\~

§6.3 Zelf-{)pwarmeffect

Onder het zelf-{)pwarmeffect wordt verstaan de temperatuursverhoging van een sensor die als gevolg van de in de PT-100 meetweerstand gedissipeerde energie ontstaat. De tijdens het meten door de PT-100 lopende meetstroom (I = 1.7 [rnA], zie [KEI 196]), veroorzaakt een toevoer van energie (I2. Rt ·sec) die in de PT-100 sensor in warmte (Q)

wordt omgezet. Dit heeft tot gevolg dat de temperatuur (en als gevolg daarvan de weerstandswaarde) van de PT-100 sensor zal toenemen, hetgeen een te hoge waarde voor de te meten temperatuur kan opleveren.

Een theoretische afschatting van de invloed van dit effect ziet er als voIgt uit :

t1t =

[~J

=12.Rt_{·(sec) = 1.56 . lO-5. Rt · (sec) = 7 [mKJ.}

opwarm m . c v •p'c

Hierbij is voor Rt de weerstandswaarde bij ongeveer 35 r<>C ] van een PT-100 genomen, en is aangenomen dat de meetstroom (I) maximaal 4 seconden (sec) door de PT-100 loopt, wat bij de gebruikte nauwkeurigste instelling (ook bij Offset-Compensated-Ohms !) van de DMM het geval is. Verder is het volume van de PT-100 meetweerstand genomen (diam. 3 [mm], lengte 12 [mm]), om samen met de soortelijke massa

(p

=

2.6 .103 [kg.m-3]) en soortelijke warmte (c

=

0.84 .103

[J .

kg-I]) van glas, waar de meetweerstand voor het grootste deel uit bestaat, de totale warmte capaciteit van een "kale" PT-100 te bepalen. Bij de theoretische afschatting is er dus van uit gegaan dat er geen warmte wordt doorgegeven of opgenomen door de rest (warmtegeleidende pasta, messing huls) van de sensoren, zodat deze theoretische bepaling van het

Bij verscheidene metingen van (complete) sensoren, die zich in stilstaande lucht bevonden en waar van&! een bepaald tijdstip continue de meetstroom doorgevoerd werd, is steeds na 30 seconden een weerstand-toename van minder dan 0.003 Ohm . gemeten. Dit komt overeen met een toename in temperatuur van ongeveer 0.008

[K]

in 30 seconden oCwell

[mK]

in 4 seconden. Er kan dus geconcludeerd worden dat het zelf~pwarmeffectbij de beoogde toepassing een te verwaarlozen invloed heeft op de n&uwkeurigheid van de temperatuursmeting.

Nu ook dit bekend is kan de maxima.le onnauwkeurigheid (t.o.v. t68) van de

temperatuursmetingen met de PT-100 sensoren in het temperatuurbereik van 15 tot 35

r>C]

bepa.ald worden. Dit gebeurt door de toevallige en onbekende systematische

afwijkingen kwadratisch bij elkaar op te tellen, wat als resultaat het volgende oplevert :

bij toepassing van de 'relatieve'- respectievelijk norma.le-weerstandsmeetmethode.

§6.4 Yer~eliikende temperatuursmetin& PT-IOQ's versus PT-1Q

Om toch een idee te krijgen van de nauwkeurigheid van de temperatuursbepaling met

dePT-lOO sensoren, is er een meting uitgevoerd waarbij de temperatuur van de

aluminium sta.af met daarin de geca:Iibreerde PT-I0 weerstandsthermometer, en erop 5 van de geca.libreerde PT-l00 sensoren (nwnmers 1, 17, 26, 25 en 28), over een gedeelte van het temperatuursbereik werd gevarieerd.

De

5 sensoren werden ter hoogte

van

de platina-winding van de PT-I0 met warmte-geleidende pasta op het oppervlak van de ALU-staaC

aangebracht. Dit geheel werd met . een 10

[em]

dikke laag schuimrubber van de omgeving geisoleerd, zoals in figuur 6.1 in dwarsdoorsnede is geschetst. Het varieren van de temperatuur werd gerealiseerd

(fig 6.1)

SChlli",,.uU~r

PT-looJUlsor

ALU-JfQQf

door m.b. v. een kacheltje, aan een zijd~ net buiten de isolatie, continue warrnte aan de opBtelling toe te voeren. De luchttemperatuur direct buiten de isolatie, aan de de zijde van het kacheltje, was vrijwel meteen 40 fC] na het aanzetten van het kacheltje. Het temperatuurverloop in de tijd van de PT-IO is geschetst in figuur 6.2. In deze figuur is d.m.v. twee stippel-lijnen aangegeven op welke tijdstippen de kachel aan en uit gezet is (respectievelijk 0.5 en 21.5 uur na het begin van de meting).

J S 1 J II IJ IS 'I 'j ~I .v .11 21 2J JI

lja [IIIII'j

(fig 6.2): temperatuurverioop PT-lO in de tijd

w__ ~. .JIlt M 30 oM

"

H

,.

II 20

•

. • I

[t]

I , , ,_, , , I I , I

,

I , i 0' , , I I ' . ' ~

[tJ

" o • J."Jor I IF _ J.hJ'" II

...

"

•

II " 0 0

•••

•

••

11 00 • t 00 0

•

II ,

••

•

• • It 0

."

" JI • • 0 • • • 00 0 1/ lUI 0 "

..

..

_II

•

00 0 lIO II

••

•

• 0

•

••

I(0 0 0 0

M,

0 " 0 •

•

...

0 _or 011 o .- - - _ - - - - 0 - _ 00 , " 0

0"

.u .u ~t JS ~, 21 II

I'

J. ,J/ JJ JJ Jt JS' ,.r-ID ~,~/'Cn,II;'"

rC]

(fig 6.3): temperatuurverschil bij stijgende temperatuur

Infiguur 6.3 is het verschil in de temperatuursbepaling van de PT-IOO sensoren 1 en 28 weergegeven t.O.V. de temperatuur van de PT-lO, bij stijgende temperatuur (van 0.5

o ..J~"JO' I .c.1.hSor 11 fot II II II _{It "}

•••

D ' I .41

.

"

O l t O l 0 0 o 1111 • •

•

U -

0-_--.---0 0 • 0 II

..

0.11 0

..

•

0 0

•

0

•

I , ! ! ! , ,

•

n 21f lS _{2' 21} 26 _:J~ J() _{JI J, JJ} J"I JI" ,.r'H1l'~'tIt.,,,rIt.]

(fig 6,4): temperatuurverschil bij dalende temperatuur

DeaIwijkingen in temperatuur tussen de sensoren onderling bleef over het gehele temperatuurstraject vrijwel constant, en was tussen de sensoren 1 en 28 het grootst (0,02&0,03

fc ]),

Om de representatie overzichtelijk te houden zijn aileen van deze twee sensoren de meetresultaten weergegeven, De resultaten van deze metingen zouden vergeleken kunnen worden met de samengestelde onnauwkeurigheid van de

temperatuursmetingen van de PT-IO en PT-100 sensoren van ± 6,2 ' 10-2 r>C ], die verkregen wordt door de onnauwkeurigheden van een PT-IOO sensor (± 5,7 .10-2 [oC], zie pag 6,5) en van de PT-IO (± 2,4 .10-2

fc ],

zie bijlage D) kwadratisch bij elkaar op te tellen.

Bij bet bekijken van figuur 6.3 valt op dat bet gemeten temperatuursverschil tussen de PT-IOO sensoren en de PT-IO nogal groot is. Zelfs in de buurt van de 25

fc ]

waar de sensoren zijn gecalibreerd is bet temperatuurverscbil 0,05

a

0,10 r>C ]. Dit kan

verklaa.rd worden doordat bet geen temperatuursmetingen zijn bij een tbermiscb

stabiele situatie zoals bet bijvoorbeeld bij de controle metingen bij de calibratie weI het gevaI was (zie pag 5,6 en 5,7),

In tegenstelling tot deze controle meiingen stijgt de temperatuur hier nogal fors

(zie fig 6.2). Omdat de door bet ka~he1tjevan buiten toegevoerde warmte &s eerste aan bet oppervlak van de aluminium staaf een temperatuursstijging zaI veroorzaken, is bet niet vreemd te veronderstellen dat de PT-IOO sensoren eerder deze temperatuurstijging zuBen detecteren dan de PT-IO binnenin bet aluminium, Bovendien bestaat de PT-IO zelf voor bet grootste gedeelte uit een glazen buis gevuld met lucht (slecbte warmte geleider) met daarin de wikkeling van de platina meetdraad, Dit la.atste is

waarschijnlijk de hoofdoorzaak van het "naijlen" van de PT-lO temperatuur, waardoor bij snelle stijging van de temperatuur een groot (positief) verschil tussen de PT-lOO sensor temperaturen en de PT-10 temperatuur wordt gemeten. Naarmate de

temperatuurstijging trager wordt (zie fig 6.2) gaan de sensor temperaturen ook steeds meer richting PT-10 temperatuur, zoals in figuur 6.3 vanaf ongeveer 30

fC]

ook te zien is, hetgeen de voorgaande redenering ondersteunt.

Bij de resultaten van de metingen bij dalende temperatuur, weergegeven in figuur 6.4, is in het begin ook een op dezelfde wijze te verklaren (negatief) verschil waar te nemen bij 34 tot ongeveer 31

fc ],

waar de temperatuur dan sterk daalt (zie fig 6.2).

Bij verder (trager) dalende temperatuur is het gemeten temperatuur verschil redelijk in overeenstemming met de verwachting.