1 read out

Report
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 50C)
• 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
+
0C
TM600C
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
+
0C
TM600C
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
600C
TM
0C
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
600C
TM
0C
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)
603
485
T(C)
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
R
1001
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 Transmitter
Temp. 0 C
RTD
RL1=1
2-wire RTD
R1
R2
100 100
C
V/ I
4-20 mA
100 R
3
RL2=1
RTD+ RL1+RL2
R1
=
R2
R3
100 =
100 + 1 + 1
100
100
1 ≠ 1.02
Temperature readout
35
2-wires RTD bridge Readout
Temperature Effect of
Lead Resistance
temp.
Temp. 0 C Ambient
RL1
RTD
2-wire RTD
C
RTD Transmitter
R1
R2
100 100
V/ I
4-20 mA
100 R
3
RL2
Ambient 30 C [RL1,RL2=2]
Ambient 25 C [RL1,RL2=1]
R1
RTD+ RL1+RL2
RTD+ RL1+RL2
R1
=
R2 =
R3
R2
R3
100 = 100 +2 + 2
100 = 100 + 1 +1
100
100
100
100
Temperature readout
1 ≠ 1.02
1 ≠ 1.04
36
3-wires RTD bridge Readout
Temperature Effect of
Lead Resistance
temp.
Temp. 0 C Ambient
RL1
RTD
3-wire RTD
RTD Transmitter
R1
R2
100 100
C
V/ I
4-20 mA
100 R
3
RL2
Ambient 30 C [RL1,RL2=2]
Ambient 25 C [RL1,RL2=1]
R1
RTD + RL1
R1
RTD + RL1
=
=
R
R3 + RL2
R
+
R
R2
2
3
L2
100 = 100 + 2
100 = 100 + 1
100
100 + 1
100
100 + 2
Temperature readout
1=1
1=1
37
2-wires RTD with 3-wires
Transmitter
Temperature Effect of
Lead Resistance
Ambient
temp.
Temp. 500 C
RL1
RTD
RTD Transmitter
R1
R2
100 100
C
V/ I
4-20 mA
100 R
3
RL2
Ambient 30 C [RL1,RL2=2]
Ambient 25 C [RL1,RL2=1]
R1
RTD + RL1
R1 = RTD + RL1
=
R2
R3 + RL2
R3 + RL2
R2
100 = 280.98 + 2
100 = 280.98 + 1
100
100 + 1
100
100 + 2
Temperature readout
1 ≠ 2.79
1 ≠ 2.77
38
4-wires RTD bridge Readout
Temperature Effect of
Lead Resistance
Ambient
temp.
Temp. 0 C
RL1
RTD
RL2
RL3
RTD Transmitter
R1
R2
100 100
C
V/ I
4-20 mA
100 R
3
RL4
Ambient 30 C [RL1,RL2=2]
Ambient 25 C [RL1,RL2=1]
R1 = RTD + RL1+RL2
R1 = RTD + RL1+RL2
R2
R3 + RL3+RL4
R3 + RL3+RL4
R2
100 = 100 + 2 + 2
100 = 100 + 1 + 1
100
100
100 + 1 + Temperature
1
100 + 2 + 2
readout
1=1
1=1
39
4-wires RTD bridge Readout
Temperature Effect of
Lead Resistance
temp.
Temp. 500 C Ambient
RL1
RTD
RL2
RL3
RTD Transmitter
R1
R2
100 100
C
V/ I
4-20 mA
100 R
3
RL4
Ambient 30 C [RL1,RL2=2]
Ambient 25 C [RL1,RL2=1]
R1 = RTD + RL1+RL2
R1 = RTD + RL1+RL2
R2
R3 + RL3+RL4
R2
R3 + RL3+RL4
100 = 280.98 + 2 + 2
100 = 280.98 + 1 + 1
100
100 + 1 + 1
100
100 + 2 + 2
Temperature readout
1 ≠ 2.77
1 ≠ 2.74
40
Error in Resistance measurement
•
•
•
•
•
Drift
Hysteresis
Leakage
Reactance
Lead Resistance
• Thermoelectric emf.
• Electromagnetic
Interference (EMI)
• Self heating
• Stem Conduction
Temperature readout
41
Drift
• Drift : เกิดการเปลีย
่ นแปลง
ค่าความต้ านทานตามการ
เ ว ล า มี ส า เ ห ตุ ม า จ า ก
Oxidation
,
contamination,
หรือ
Strain
• ขจัด ให้ ลดน้ อยหรือ ท าให้
ห ม ด ไ ป ด้ ว ย ก า ร ท า
Annealing ทีถ
่ ูกต้อง
• ควรบัน ทึก ผลเก็ บ ไว้ เพื่อ ดู
ทิศทางทีเ่ ปลีย
่ นแปลง
Temperature readout
42
Hysteresis
•
•
•
•
•
Hysteresis เกิดจากความเครียดใน sensing element
ความผิดพลาดมีสัดส่วนเพิม
่ ขึน
้ ตามอุณหภูม ิ
ใน SPRT เกิดขึน
้ น้อยมาก
ใน Secondary PRT มีคาน
่ ้ อยกวา่ 10 mK
การจับอยางระมั
ดระวัง จะช่วยลดปัญหาได้
่
Temperature readout
43
Leakage current and Reactance
• Leakage : วัสดุทใี่ ช้ทาฉนวนบางชนิด มีความเป็ นฉนวน
ที่ อุ ณ ห ภู มิ ต่ า แ ต่ น า ไ ฟ ฟ้ า ดี ที่ อุ ณ ห ภู มิ สู ง ๆ ท า ใ ห้
กระแสไฟฟ้าไหลผานฉนวน
่
• Reactance : จะเกิดขึน
้ เมือ
่ วัดความต้านทานด้วย A.C.
ดังนั้นควรใช้ความถีต
่ า่ ๆในการวัด
Temperature readout
44
Lead resistance
• Lead Resistance : ใน
การวัดแบบ 2 สายต้อง
ระวัง เรื่ อ งความต้ านทาน
สายดวย
้
• ตัวอยาง
่ PRT sensitivity
0.004  / C, ที่ 0 C
PRT=100 , 0.2  lead
UT
=
(2x0.2)/(0.004x100)
=1C
Temperature readout
45
Self heating
• Self heating : เกิดจากวิธก
ี ารวัดความต้านทานทีต
่ ้องปลอย
่
กระแสไฟฟ้าเข้าไปใน Sensor ทาให้เกิดความร้อนทีต
่ วั
sensor เอง
• สามารถลดไดโดยการปล
อยกระแสไฟฟ
ดปลอย
้
่
้ าแลวหยุ
้
่
• หรือการลดกระแสทีไ่ หลผาน
sensor ลงแตจะมี
ผลกระทบ
่
่
จาก electrical noise และ EMI
Temperature readout
46
Self heating
• ตัวอยาง
่ 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. :
เกิดจากความแตกต่างของ
โลหะต่างชนิด เช่นจุดต่อ
ระหว่าง Sensor
กับ
Terminal จะทาให้เกิดแรง
เคลือ
่ นขึน
้ เล็กน้อย
Temperature readout
48
Stem Conduction
• Stem Conduction : การสูญเสี ยความรอนไปตาม
sensor
้
sheath
• ความลึกในการจุม
+ ความยาว
่ = 20 x เส้นผาศู
่ นยกลาง
์
เซนเซอร ์
Temperature readout
49
Electromagnetic Interference (EMI)
• Electromagnetic Interference (EMI) : เกิดการรบกวน
จากภายนอก หรือ Ground loop ทีเ่ กิดจากกระแสไฟฟ้า
ไหลผาน
Sheath และ Cable Shield ทีม
่ าจากศั กดาทาง
่
ไฟฟ้าทีไ่ มเท
่ ากั
่ น
Temperature readout
50
RTD Readout (Conversion unit)
Conversion unit
• Ω to C
- Scaling
- Inverse CVD
R(Ω)
138.5
100
0
I/P
100
100
0
T(C)
Measuring
Unit (Ω)
T(C)
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  0C
A2  4 B(1  Rt R0 )  A
2B
t
t  0 C
4
0
I/P
100
t   Di ((Rt R0 )  1)i
T(C)
Measuring
Unit (Ω)
i 1
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 100C 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  10 3 )
= 78.41 C
2(5.775  10 7 )
Temperature readout
55
Caution !
Sensor (R)
Sensor (B)
100 Ω
99 Ω
100 C
100 C
138.51 Ω
130.29 Ω
Readout
100 C
78.41 C
Error
0.0 C
-21.59C
R0
Temp.
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 ?

similar documents