Transcript 1 read out
Temperature Readout Dr. Teerawat Thepmanee Automation Engineering, KMITL Outline • • • Temperature readout Thermocouple readout RTD readout Temperature readout 2 Temperature Readout Quantity Sensors Electrical signal Temperature readout Readout Output 3 Temperature Readout Quantity Sensors Electrical signal Temperature readout Readout Output 4 Temperature Readout Temperature readout 5 TC Sensor TC sensor • Thermocouple • Temperature to Voltage or TC sensor Temperature readout 6 TC Readout TC Readout or Signal • Voltage to Temperature 1. Temperature Indicator (display) - analog K, C, F or % - digital 2. Temperature Transmitter (Signal) signal transmission - Pneumatic 3 to 15 psi - Electrical signal 4 to 20 mA - Electrical signal 4 to 20 mA + Digital signal (HART) - Digital signal (Fieldbus, Wireless Transmission) Temperature readout 7 TC Readout Concept TC Type s • J,K,N,T,E,R,S and B • etc. I/P Measuring unit • Voltage meter Compensations unit • Mechanical reference compensation • Fixed reference temp. • Electrical compensation O/P Output • Display • Transmission Conversion unit • emf to Temperature - Scaling - Polynomial equation Signal condition - V to I converter - A to D converter Temperature readout 8 TC Readout Measuring unit Voltage from TC output KP KN Cu V V = V TM - V TR Temperature readout 9 Thermoelectric circuit KP Cu KN TM = 100 C V TR At TR = 0 C V = V TM – V TR = V100 – V0 = 4.096 – 0.000 = 4.096 mV At TR = 25 C V = V TM – V TR = V100 – V25 = 4.096 – 1.000 = 3.096 mV Temperature readout 10 TC Readout Compensation unit V = V TM - V TR • Mechanical reference compensation • Fixed reference temp. • Electrical compensation Temperature readout 11 Reference Junction • Mechanical Reference Junction Compensate • Fixed reference Junction Temperature (External reference Junction 0 C or 50C) • Electrical Reference Junction Compensate (Internal reference Junction) Temperature readout 12 Mechanical Reference Compensate 0 TR = 0 C 50 C 25 75 N 100 S I KP 4.096 mV KN TM = 100 C TR = 0 C Temperature readout 13 Mechanical Reference Compensate 0 TR = 25 C 50 C 25 75 N 100 S I KP 3.096 mV KN TM = 100 C TR = 25 C Temperature readout 14 Mechanical Reference Compensate 0 TR = 0 C 50 C 25 75 N 100 S I KP 4.096 mV KN TM = 100 C TR = 0 C Temperature readout 15 Mechanical Reference Compensate 0 TR = 0 C 50 C 25 75 N 100 S I KP 3.096 mV KN TM = 100 C TR = 25 C Temperature readout 16 Mechanical Reference Compensate 0 TR = 25 C 50 C 25 75 N 100 S I KP 3.096 mV KN TM = 100 C TR = 25 C Temperature readout 17 Fixed Reference Temperature • Ice Pot • Ice Point cell • Oven DMM A B Calibration point B A Reference Junction Compensate Temperature readout 18 Fixed Reference Temperature 0 C Process Ambient 30 C + 0C TM600C Type-K Ambient 28 C Ambient 25 C _ + TR V = V TM -V TR = V - V0 = 0.000 – 0.000 = 0.000 mV 24.905 0.000 _ 20mA 4 mA V = V TM -V TR = V – V0 = 24.905 – 0.000 = 24.905 mV Temperature readout 19 Fixed Reference Temperature 50 C Process Ambient 30 C + 0C TM600C Type-K Ambient 28 C Ambient 25 C _ + TR V = V TM - V TR = V0 – V50 = 0.000 – 2.023 = -2.023 mV 22.882 -2.023 _ 20mA 4 mA V = V TM - V TR = V600 – V50 = 24.905 – 2.023 =22.882 mV Temperature readout 20 Electrical Compensation Ambient 25 C + TM Type-K TA 600 C 23.905 1.000 24.905 A/D _ Compensate Temperature readout ROM 21 Electrical Compensation Process 600C TM 0C Ambient 30 C Ambient 0 C + 0.000 Transmitter mV/ I Type-K _ V = V TM – V TA+VC Zero Span 4 -20 mA V = V TM – V TA+VC = V0 – V0+V0 = 0.000 – 0.000+0.000 = 0.000 mV Temperature readout = V600 – V0+V0 = 24.905 – 0.000+0.000 = 24.905 mV 22 Electrical Compensation Process 600C TM 0C Ambient 30 C Ambient 25 C + 1.000 Transmitter mV/ I Type-K _ V = V TM – V TA+VC Zero Span 4 -20 mA V = V TM – V TA+VC = V0 – V25+V25 = 0.000 – 1.000+1.000 = 0.000 mV Temperature readout = V600 – V25+V25 = 24.905 – 1.000+1.000 = 24.905 mV 23 TC Readout Conversion unit • V to C - Scaling - Polynomial eq. Emf (mV) 24.905 0 0 600 T(C) T(C) 603 485 Temperature readout 20.000 25.000 V(mV) 24 TC Readout Conversion unit • V to C - Scaling - Polynomial eq. Emf (mV) 24.905 0 0 600 T = co + c1E +c2E2 + c3E3 + … + cnEn T(C) Temperature readout 25 TC Readout Signal condition - V to I converter - A to D converter • Analog transmitter (4-20 mA) • HART transmitter (Analog + Digital) • Digital transmitter (Digital) Temperature readout 26 RTD sensor RTD sensor • Resistance Temperature Detector • Temperature to Resistance or RTD sensor Temperature readout 27 RTD Readout RTD Readout or • Resistance to Temperature 1. Temperature Indicator (display) - analog K, C, F or % - digital 2. Temperature Transmitter (Signal) signal transmission - Pneumatic 3 to 15 psi - Electrical signal 4 to 20 mA - Electrical signal 4 to 20 mA + Digital signal (HART) - Digital signal (Fieldbus, Wireless Transmission) Temperature readout 28 RTD Readout Concept Input • PRT • Nickel • Copper I/P Measuring unit • Ohm meter - Wheatstone Bridge method - Potentionmetric method O/P Output • Display • Transmission Conversion unit • Resistance to Temperature - Scaling - Inverse CVD Signal condition - V to I converter - A to D converter Temperature readout 29 RTD Readout (Measuring unit) I/P Measuring Unit (Ω) Conversion Unit(Ω to C) Signal condition O/P RTD Readout Temperature readout 30 Resistance measurement Resistance measurement method • • • Potentionmetric method Bridge method etc. Temperature readout 31 Potentionmetric method Rs VRs R(t) VRt VS R(t) = ( VRt/ VRs ).Rs Temperature readout 32 Potentionmetric Readout P RTD sensor c c RTD Transmitter CCS V/ I 4-20 mA P RTD Transmitter RTD sensor Temperature readout 33 RTD bridge Readout R1 100 a I RTD 100 R2 100 I b R3 100 Temperature readout V/ I 4-20 mA R1 = RTD R2 R3 100 = 100 100 100 1 = 1 34 2-wires RTD bridge Readout RTD Transmitte r Temp. 0 C RTD RL1= 1 2-wire RTD R1 R2 100100 C V/ I 4-20 mA 100R 3 RL2= RTD+ R11 = R +R R2 L1 R3L2 100 = 100 + 1 + 1 100 100 1 ≠ 1.02 Temperature readout 35 2-wires RTD bridge Readout RTD Temperature Effect ofTransmitte Lead Resistance r C V/ I 4-20 mA R1 R2 Ambient temp. Temp. 0 C R 100100 L 100R 1 2-wire RTD RTD 3 RL Ambient 25 C [RL1,RL2=1] Ambient 30 C [RL1,RL2=2] 2 R1 RTD+ RTD+ R1 = R +R R2 = R +R R R R3L2 3 2 L1 L2 L1 100 = 100 +2 + 2 100 = 100 + 1 100 100 100 Temperature readout 100 +1 36 1 ≠ 1.02 1 ≠ 1.04 3-wires RTD bridge Readout RTD Temperature Effect ofTransmitte Lead Resistance r R1 R2 Ambient temp. Temp. 0 C R 100100 L RTD 1 3-wire RTD 100R 3 C V/ I 4-20 mA RL Ambient 25 C 2[RL1,RL2=1] Ambient 30 C [RL1,RL2=2] R1 RTD + RL1 R1 RTD + RL1 = R +R = R +R R R2 2 3 L2 3 L2 1 = 100 + 2 1 = 100 + 1 1 100 + 1 100 0 0 Temperature readout 37 1 = 11 1 = 1+ 2 0 0 0 0 2-wires RTD with 3-wires Transmitter Temperature Effect ofRTD Lead Resistance Transmitte r R1 R2 Ambient temp. Temp. 500 C R 100100 L1 RTD C V/ I 4-20 mA 100R 3 RL2 Ambient 25 C [RL1,RL2=1] Ambient 30 C [RL1,RL2=2] R1 RTD + RL1 R1 = RTD + RL1 = R +R R2 R3 + RL2 R2 3 L2 1 = 280.98 + 2 1 = 280.98 + 1 1 100 1 100 + 0 0 1 ≠ 2.79 Temperature readout 38 1 ≠ 2.77 0 +1 0 2 0 4-wires RTD bridge Readout RTD Temperature Effect of Transmitte Lead Resistance r R1 R2 Ambient temp. Temp. 0 C R 100100 L1 C V/ I 4-20 mA 100R RL2 3 RL3 RL4 Ambient 25 C [RL1,RL2=1] Ambient 30 C [RL1,RL2=2] R1 = RTD + RL1+RL2 R1 = RTD + RL1+RL2 R2 R3 + RL3+RL4 R3 + RL3+RL4 R2 1 = 100 + 2 + 2 1 = 100 + 1 + 1 1 1 100 + 1 100 + 2 + 39 Temperature readout 0 0 0 1 = 12 0 1 = 1+ 1 RTD 4-wires RTD bridge Readout RTD Temperature Effect of Transmitte Lead Resistance r R1 R2 Ambient temp. Temp. 500 C R 100100 L1 RTD RL2 RL3 C V/ I 4-20 mA 100R 3 RL4 Ambient 25 C [RL1,RL2=1] Ambient 30 C [RL1,RL2=2] R1 = RTD + RL1+RL2 R1 = RTD + RL1+RL2 R2 R3 + RL3+RL4 R2 R3 + RL3+RL4 1 = 280.98 + 1 + 1 1 = 280.98 + 2 + 2 1 100 + 1 1 100 + 2 + 40 Temperature readout 0 0 1 ≠ 2.77 0 +1 0 1 ≠ 2.74 2 Error in Resistance measurement • • • • • Drift Hysteresis Leakage Reactance Lead Resistance • Thermoelectric emf. • Electromagnetic Interference (EMI) • Self heating • Stem Conduction Temperature readout 41 Drift • Drift : เกิด การ เ ป ลี่ ย น แ ป ล ง ค่ า ค ว า ม ต้า นทานตามการเวลามี สาเหตุมาจาก Oxidation , contamination, หรือ Strain • ขจัดให้ล ดน้ อ ยหรือ ท าให้ ห ม ดไ ป ด้ ว ย ก า ร ท า ่ กต้อง Annealing ทีถู ่ • ควรบัน ทึก ผลเก็บไว้เ พือดู ่ ่ ยนแปลง ทิศทางทีเปลี Temperature readout 42 Hysteresis • • • • • Hysteresis เกิดจากความเครียดใน sensing element ่ นตามอุ ้ ความผิดพลาดมีสด ั ส่วนเพิมขึ ณหภู ม ิ ้ อยมาก ใน SPRT เกิดขึนน้ ใน Secondary PRT มีคา ่ น้อยกว่า 10 mK การจับอย่างระมัดระวัง จะช่วยลดปั ญหาได้ Temperature readout 43 Leakage current and Reactance • Leakage : วส ั ดุทใช้ ี่ ทาฉนวนบางชนิ ด มีความเป็ นฉนวน ที่ อุ ณ ห ภู มิ ต่ า แ ต่ น า ไ ฟ ฟ้ า ดี ท ี่ อุ ณ ห ภู มิ สู ง ๆ ท า ใ ห้ กระแสไฟฟ้าไหลผ่านฉนวน ้ ่ ด • Reactance : จะเกิดขึนเมื อว ั ความต้านทานด้วย A.C. ้ ่ าๆในการว ่ ดังนันควรใช้ ความถีต ัด Temperature readout 44 Lead resistance • Lead Resistance : ใน การวัดแบบ 2 สายต้อง ่ ระว งั เรืองความต้ า นทาน สายด้วย • ตัวอย่าง PRT sensitivity 0.004 / C, ที่ 0 C PRT=100 , 0.2 lead UT = (2x0.2)/(0.004x100) =1C Temperature readout 45 Self heating ่ อง • Self heating : เกิดจากวิธก ี ารวด ั ความต้านทานทีต้ ปล่อยกระแสไฟฟ้าเข้าไปใน Sensor ทาให้เกิดความร ้อน ่ ว sensor เอง ทีตั • สามารถลดได้โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าแล้วหยุดปล่อย ่ • หรือการลดกระแสทีไหลผ่ าน sensor ลงแต่จะมีผลกระทบ จาก electrical noise และ EMI Temperature readout 46 Self heating • ตัวอย่าง 25 PRT 1mA 0.01 W/C UT = (0.0012x25)/0.01 = 0.0025 C Temperature readout current T = I2r/ 47 Thermoelectric EMF • Thermoelectric emf. : เ กิ ด จ า ก ค ว า ม แ ต ก ต่ า ง ของโลหะต่างชนิ ด เช่นจุด ต่อระหว่าง Sensor กบ ั Terminal จะทาให้เกิด ่ ้ แรงเคลือนขึ นเล็ กน้อย Temperature readout 48 Stem Conduction • Stem Conduction : การสู ญเสียความร ้อนไปตาม sensor sheath • ความลึกในการจุ่ม = 20 x เส้นผ่าศู นย ์กลาง + ความยาว เซนเซอร ์ Temperature readout 49 Electromagnetic Interference (EMI) • Electromagnetic Interference (EMI) : เกิดการรบกวน ่ ดจากกระแสไฟฟ้า จากภายนอก หรือ Ground loop ทีเกิ ่ ไหลผ่าน Sheath และ Cable Shield ทีมาจากศ ักดาทาง ่ เท่าก ัน ไฟฟ้าทีไม่ Temperature readout 50 RTD Readout (Conversion unit) Conversion unit • Ω to C - Scaling - Inverse CVD R(Ω) 138.5 100 0 I/P 100 T(C) Measuring Unit (Ω) T(C) 100 0 Conversion Unit(Ω to C) 100 Signal condition 138.5 R(Ω) O/P RTD Readout Temperature readout 51 RTD Readout (Conversion unit) Conversion unit • Ω to C - Scaling - Inverse CVD R(Ω) 138.5 100 t 0C A2 4 B(1 Rt R0 ) A t t 0 C 2B 4 0 I/P 100 t Di (( Rt R0 ) 1)i T(C) Measuring Unit (Ω) i1 Conversion Unit(Ω to C) Signal condition O/P RTD Readout Temperature readout 52 CVD Problem CVD Problem PRT at 0 C 100 Ω A = 3.9083 10-3 C-1 B = -5.775 10-7 C-2 C = -4.183 10-12 C-4 Readout 0 C 100 Ω A = 3.9083 10-3 C-1 B = -5.775 10-7 C-2 C = -4.183 10-12 C-4 100.0 C R(t) = R0[1+At +Bt2+C(t-100)t3] 138.51 t 100 A2 4 B(1 Rt R0 ) A 2B T(C) Temperature readout 53 CVD Problem CVD Problem PRT at 0 C 99 Ω A = 3.2083 10-3 C-1 B = -4.775 10-7 C-2 C = -3.183 10-12 C-4 Readout 0 C 100 Ω A = 3.9083 10-3 C-1 B = -5.775 10-7 C-2 C = -4.183 10-12 C-4 78.41 C R(t) = R0[1+At+Bt2+C (t-100)t3] 130.29 t 78.41 100 A2 4 B(1 Rt R0 ) A 2B T(C) Temperature readout 54 CVD Problem • • • • • PRT at 0 C 99 Ω A = 3.2083 10-3 C-1 ,B = -4.775 10-7 C-2,C = -3.183 10-12 C-4 At 100C What is resistance = ? R(t)=R0(1+At+Bt2) = 99(1+(3.2083 10-3 100)+(-4.775 10-7 1002)) = 130.29 Ω Readout at 0 C 100 Ω A = 3.9083 10-3 C-1 ,B = -5.775 10-7 C-2,C = -4.183 10-12 C-4 At 130.29 Ω What is Temperature = ? t (3.9083 10 3 )2 4(5.775 10 7 )(1 130.29 100) (3.9083 103 ) = 78.41 C 2(5.775 10 7 ) Temperature readout 55 Caution ! Sensor (R) Sensor (B) R0 100 Ω 99 Ω Temp. 100 C 100 C 138.51 Ω 130.29 Ω Readout 100 C 78.41 C Error 0.0 C -21.59C Resistance PRT at 0 C 100 Ω A = 3.9083 10-3 C-1 B = -5.775 10-7 C-2 C = -4.183 10-12 C-4 100.0 C Readout 0 C 100 Ω A = 3.9083 10-3 C-1 B = -5.775 10-7 C-2 C = -4.183 10-12 C-4 Temperature readout 56 Selection of PRT Temperature readout 57 RTD Readout (Signal condition) Signal condition - V to I converter - A to D converter I/P Measuring Unit (Ω) Conversion Unit(Ω to C) Signal condition O/P RTD Readout Temperature readout 58 Thank you Question ?