Hoofdstuk 5 Temperatuur en warmteflux meetmethoden 5.1 Inleiding

More documents

Recommendations

Info

54 Hoofdstuk 5. Temperatuur en warmteflux meetmethodeneen bepaalde massa ρV , een warmtecapaciteit c en een warmtewisselend oppervak A. Verdergaan we er van uit dat het lichaam op een homogene temperatuur is (Bi ≡ αD/λ k ≪ 1: ziewarmte-overdracht). De energiebalans luidt dan:ρcV dT kdt= α(T k − T gg )A + ɛ k σ( )Tk 4 − T omg4 A (5.17)Veronderstel voor de eenvoud dat straling te verwaarlozen is (temperatuurverschillen kleinerdan 100 K) en we het lichaam beschouwen als een bol met diameter D (V = 4π/3(D/2) 3 ;A = 4π(D/2) 2 ) dan volgt:τ dT kdt+ T k = T g met τ =πρ Dc8α(5.18)Als we nu als voorbeeld nemen D = 0.1 mm, α = 100 W/m 2 K, ρ = 9000 kg/m 3 en c =0.4 kJ/kgK (koper) dan vinden we een tijdsconstante van τ ≈ 1 s. Deze afschatting is ergconservatief omdat in de praktijk de tijdconstante voor een dergelijk thermokoppel een ordelager ligt.5.3.3 ProbleempuntenHet grote voordeel van thermokoppels is dat ze goedkoop en eenvoudig toe te passen zijn. Erzijn echter ook een aantal nadelen en/of probleempunten te noemen.• Door het aanbrengen van het thermokoppel in de stroming of het object waarvan de temperatuurgemeten moet worden kan de stroming en/of het temperatuurveld veranderen.• Indien in een hete omgeving wordt gemeten moeten de legeringen in het koppel een smelttemperatuurhebben die lager is dan de omgevingstemperatuur.• De koppeltemperatuur zal afwijken van de lokale omgevingstemperatuur vanwege stralingen convectie. Dit effect kan in belangrijke mate worden gereduceerd door het toepassenvan dunne koppels. Minimaal haalbaar is in de orde van grootte van 10µ m. Dergelijkekoppels zijn uiteraard zeer fragiel.• De responsietijd van het thermokoppel wordt in belangrijke mate bepaald door de diameteren de warmte-overdrachtscoëfficiënt.Ook hiervoor kunnen dus dunne koppels een uitkomstbieden.• Thermokoppels berusten op het z.g.n. Seebeck-effect, herverdeling van de elektronen ineen draad a.g.v. temperatuurgradiënten. Dit fenomeen hangt nauw samen met de matrixstructuurvan het metaal. Indien hier na ijking veranderingen in optreden kan dat nadeligegevolgen hebben voor de nauwkeurigheid. De volgende effecten kunnen de matrixstructuurbeïnvloeden.– Lokale deformaties door te grote krommingen in de draad.
5.4. Weerstandsthermometers 55– Agressieve omgevingen en hoge temperaturen.• De relatief lage gevoeligheid van thermokoppels (elektromagnetische storingen van de omgeving.(10 µV/K)) maakt ze erg gevoelig voor5.4 Weerstandsthermometers5.4.1 InleidingHet principe van een weerstandsthermometer is gebaseerd op de temperatuurafhankelijkheid vande weerstand van materialen. De twee belangrijkste materiaalsoorten zijn de metalen en dehalfgeleiders. Metalen worden al veel langer toegepast om temperaturen mee te bepalen danhalfgeleiders. Om toch een onderscheid te kunnen maken, worden thermometers van metaalweerstandsthermometers genoemd (RTD: Resistance Temperature Detector) en thermometersvan halfgeleider materiaal thermistors. Omdat het werkingsprincipe vrij eenvoudig is en de analysevan de optredende fouten op een groot aantal punten gelijk is aan die bij een thermokoppel,wordt hier volstaan met een kort overzicht.5.4.2 WerkingsprincipeHet principe van een weerstandsthermometer is zoals gezegd gebaseerd op de temperatuurafhankelijkheidvan het weerstandsmateriaal. Voor metalen geldt dat bij toenemende temperatuurde weerstand groter wordt terwijl bij halfgeleiders de weerstand dan juist afneemt. Metalenhebben dus een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC) en halfgeleiders een negatieve temperatuurcoëfficiënt(NTC). In tegenstelling tot thermokoppels zijn weerstandsthermometers actievesensoren, waarmee wordt bedoeld dat er een stroom doorheen gestuurd moet worden om eenspanningsverschil te kunnen meten.De meest toegepaste PTC-weerstandsthermometer is de Pt-100. Deze heeft een nominaleweerstand van 100 en het metaal is platina. Het metaal platina is uitermate geschikt vanwegede volgende eigenschappen.• De weerstand is sterk temperatuur afhankelijk en vertoont geen hysterese effecten.• Platina zelf is een goed reproduceerbaar metaal met identieke eigenschappen.• Daarnaast is platina niet corrosiegevoelig, heeft het stabiele fysische eigenschappen en ishet voldoende taai en sterk.Voor platina is de weerstand als functie van de temperatuur goed bekend en kan als volgt wordenbeschreven.R(T ) = R 0(1 + A(T − T 0 ) + B(T − T 0 ) 2) (5.19)met A = 3.985 · 10 −3 1/K en B = −5.85 · 10 −7 1/K 2 . R 0 is de weerstand bij de referentietemperatuur T 0 = 0 ◦ C. Voor niet al te grote temperatuurverschillen is het weerstandsverloop
Page 1 and 2: Hoofdstuk 5Temperatuur en warmteflu
Page 3 and 4: 5.2. Thermo-elektriciteit 49De span
Page 5 and 6: 5.3. Thermokoppels 51PSfrag replace
Page 7: 5.3. ThermokoppelsPSfrag replacemen
Page 11 and 12: 5.5. Warmteflux meetmethoden 57•
Page 13: 5.5. Warmteflux meetmethoden 59PSfr

Hoofdstuk 5 Temperatuur en warmteflux meetmethoden 5.1 Inleiding

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?