Et nyt setup hos Teknologisk Institut til kalibrering af overfladetermometre gør det nu muligt at forbedre reproducerbarheden markant på måling af overfladetemperaturen i industrielle processer. Læs her om, hvad man skal gøre for at udføre sporbare målinger af temperaturen på en overflade og dermed opnå effektiv og reproducerbar processtyring.
For at opnå reproducerbarhed på industrielle procesmålinger skal man sikre sig, at de målinger – der udføres ude i processen – er metrologisk sporbare.
Måler man således en overfladetemperatur som et led i en proces, skal den målte temperatur kunne spores tilbage til en reference på et højere niveau. Den beregnede usikkerhed skal afspejle bidrag fra både kalibreringen af føleren og det miljø, som målingen udføres i, for at sikre reproducerbarhed på den udførte procesmåling. Det er de miljømæssige påvirkninger af målingen, som gør det svært at sikre sporbarheden.
Måling af overfladetemperatur er essentielt i en række industrielle processer fra pre- og post-varmebehandling i forbindelse med svejsning, styring af temperaturen af støbeforme, monitorering af overfladetemperaturen på bremseskiver og til indirekte bestemmelse af temperaturen af mediet inde i et procesrør.
Alligevel findes der endnu ikke nogen bredt accepteret metode til måling af en overfladetemperatur, og kalibrering af overfladetermometre sker ofte i traditionelle kalibreringsbade eller tørblokkalibratorer. Når de miljømæssige faktorer ikke afspejles i kalibreringen af overfladeføleren, kan de faktiske systematiske fejl på målingen i processen være langt større, end man umiddelbart skulle tro.
I det måletekniske EU-projekt, EMPRESS, har Teknologisk Institut sammen med en række europæiske partnere arbejdet med at udvikle nyt referenceudstyr og nye metoder til kalibrering og måling af overfladetemperatur. Arbejdet udspringer af dokumenterede behov i fremstillingsindustrien og har til formål at bringe »ægte« sporbarhed på måling af en overflades temperatur helt ud i de industrielle processer.
Brug af kontakttermometre
Temperaturmåling på en overflade kan traditionelt ske på to forskellige måder: Enten med et kontakttermometer, hvor en føler er i kontakt med overfladen – eller med en infrarød overfladetemperaturmåling, hvor den varmestråling, der udsendes fra overfladen, er et mål for overfladetemperaturen.
Fælles for de to metoder er, at der er udfordringer, som gør det svært at sikre sporbarhed helt ud til temperaturen af emnet, man måler på. Når man skal måle en overfladetemperatur med et kontakttermometer, kan man ikke undgå at ændre den temperatur, man forsøger at måle, idet man udfører målingen – en effekt som er afhængig af både termometerets design og den overflade, man skal måle på. Når man derimod skal måle en infrarød temperatur, er det manglende kendskab til overfladens strålingsevne, emmisiviteten, som vanskeliggør målingen.
I begge tilfælde er det de temperaturforskelle, som uundgåeligt er til stede mellem emnet og omgivelserne, der skaber en varmetransport, som er svær at kontrollere.
I det følgende fokuseres på kontakttermometeret.
• Ønsket om termodynamisk ligevægt
Når man kalibrerer termometre, gør man det oftest under betingelser, der er så tæt på termodynamisk ligevægt som muligt. Man venter til systemet er stabilt.
På samme måde skal man forsøge at udføre sine temperaturmålinger i processen på en måde, hvor temperaturen af sensoren og temperaturen af det medie, man gerne vil kende temperaturen på, er så tæt på hinanden som muligt. Man stræber mod den termodynamiske ligevægt.
Det er imidlertid ikke så let; det er udfordrende at opnå ligevægt mellem sensor og medie i en dynamisk proces. Her må man gøre det så godt, man kan, og sætte realistiske usikkerheder på sine målinger, så man tager højde for de udsving, som det dynamiske miljø skaber.
Generelt kan man sige, at usikkerheden er bygget op af et kalibreringsbidrag og et bidrag fra de omgivelser, målingen er udført i, hvor omgivelsesbidraget ofte betyder mest.
Når man måler overfladetemperatur, har man en situation, hvor man pr. definition ikke kan have termodynamisk ligevægt. Hvad gør man så?
For at skabe ægte sporbarhed på en overfladetemperaturmåling i en proces må man på bedste vis forsøge at efterligne omgivelserne ved en brugssituation under kontrollerbare betingelser for kalibreringen af den føler, man anvender. Dermed kan de ellers ukendte systematiske fejl, som optræder under målingen i processen, styres, så man enten kan korrigere for dem eller medtage dem i usikkerheden på målingen.
• De fire referencefølere
For at kunne måle temperaturen på en overflade skal man først bestemme sig for, hvilken størrelse man vil kalde for en overfladetemperatur. Det skal være en størrelse, som kan reproduceres, og man skal kunne skabe sporbarhed til SI-enheden, Kelvin. Problemet er, at den almindelige definition af temperatur tager udgangspunkt i den termodynamiske ligevægt. Man siger, at to legemer, som er i termodynamisk ligevægt, deler en størrelse – nemlig deres temperatur.
Da der ikke er termodynamisk ligevægt på en overflade, er det nødvendigt at bruge en anden definition. Når man skal bestemme referencetemperaturen for en overfladetemperatur, måler man sporbart temperaturen i mindst tre dybder på en opvarmet overflade – hos Teknologisk Institut anvendes fire Type Ntermokoblere som referencefølere i overfladekalibratoren.
Når visningen af referencefølerne er stabil, tilføres der lige meget energi fra varmekilden under referenceoverfladen, som overfladen taber til omgivelserne. Overfladetemperaturen er nu defineret som ekstrapolationen af de målte referencetemperaturer til overfladen af kalibratoren – man trækker den bedste rette linje gennem de fire punkter og aflæser værdien af temperaturen ved skæringen med overfladen.
• Termisk ledeevne
En rigtig vigtig parameter, når man skal kalibrere kontakttermometre til måling af overfladetemperatur, er overfladematerialets termiske ledningsevne. Det gør altså en stor forskel, om målingen i processen skal udføres på en overflade lavet af aluminium (termisk ledningsevne: ca. 200 W/(m∙K)) eller på en overflade lavet af rustfrit stål (termisk ledningsevne: ca. 20 W/(m∙K)).
Jo bedre overfladen er til at lede varmen, des mere varme bliver der overført til overfladeføleren, som så opnår en bedre ligevægt med overfladen. Det giver i sidste ende en mere nøjagtig måling.
Temperaturmålinger udført med en overfladeføler afhænger meget af, hvilket materiale målingen udføres på. Her ses fejlen på kalibrering af en overfladeføler ved 50°C og 100°C på fem forskellige materialer, kobber, aluminium, messing, stål og rustfrit stål.
Stål på en ståloverflade i området mellem -25°C og 500°C. En traditionel kalibrering af den samme føler i en tørblokkalibrator giver fejl, som ligger inden for 0,5°C op til 150°C og inden for 5°C op til 500°C. Man laver altså potentielt meget store fejl på procesmålingen, hvis man tager kalibrering ved neddypning for gode varer. Problemet er, at man ikke er klar over, at man laver en fejl på op til 10 procent, hvis man kalibrerer sin føler på traditionel vis, og så er det umuligt at korrigere målingen.
• Procedure ved kalibrering af overfladetermometre
Når man kalibrerer et overfladeter-mometer, skal man være opmærksom på, at man ofte er interesseret i at kende temperaturen af den ubelastede overflade. Idet overfladeføleren trækker varme ud af overfladen, vil føleren ændre temperaturen på den overflade, man måler på – man ser simpelthen en permanent ændring af referencetemperaturen, imens man aflæser sit overfladetermometer.
Derfor anbefaler Teknologisk Institut, at referenceoverfladetemperaturen måles, før og efter den føler, som kalibreres, påføres overfladen, så referencetemperaturen bliver udtryk for den ubelastede overfladetemperatur. Man skal altså ikke måle referencetemperaturen, samtidig med at man aflæser den føler, der skal kalibreres – som an ellers normalt gør.
Når overfladeføleren påføres referenceoverfladen, skal man ydermere forsøge at optimere den termiske kontakt mellem overflade og føler, så føleren viser så høj (lav) en temperatur som mulig, hvis referencetemperaturen er over (under) stuetemperatur. Den fremgangsmåde anbefales også ved selve procesmålingen, så man opnår den størst mulige sammenlignelighed mellem kalibrerings- og brugssituationen.
Andre effekter, som kan øge temperaturforskellen mellem føler og overflade, er konvektion i omgivelserne omkring den overflade, der skal måles på.
Konvektionseffekterne ser vi bort fra i dette setup – men noterer, at der kan være forskel på resultatet af en måling på en lodret overflade i forhold til en vandret overflade. Her måler vi på en vandret overflade.
På Teknologisk Instituts temadag d. 10 oktober, holder Søren Lindholt Andersen (konsulent, ph.d,, cand. scient.) oplæg om netop sporbar måling af overfladetemperatur.
