Lämpöanturien toiminta paineessa

Abstract

Lämpöantureilla on monia sovelluksia, joissa niiltä vaaditaan tarkkaa ja luotettavaa toimintaa korkeassa paineessa. Aiheesta on kuitenkin saatavilla melko vähän tutkimustietoa. Tässä työssä kootaan yhteen aiempien tutkimuksien tuloksia sekä suoritetaan mittaus painekammiossa erilaisilla antureilla. Tutkittavat anturit on rajattu sähköisiin antureihin, eli termistoriin, vastuslämpöanturiin, puolijohdelämpöanturiin sekä termopariin.

Työn ensimmäisessä osassa suoritetaan kirjallisuuskatsaus aiemmista tutkimuksista lämpöanturien toiminnasta paineessa. Erityisesti tutkimuksia on tehty syvänmeren tutkimuksessa käytetyistä lämpömittareista. On havaittu, että mittarien osoittama lämpötila riippuu paineesta, eli mittareilla on paineriippuvuutta. Paineriippuvuuden suuruus kuitenkin vaihtelee saman mallisten mittarien välillä, joten jokainen mittari tulisi kalibroida erikseen. Tutkituissa mittareissa lämpöanturina käytetään termistoria. Ei ole varmaa, johtuuko mittarien paineriippuvuus itse termistoreista, vai mittarin ulkokuoren valmistuksen epäsäännöllisyyksistä. Öljyteollisuuden alalta löytyi tutkimustietoa kehitteillä olevista öljykaivojen lämpötilan mittausjärjestelmistä. Myös näissä tutkimuksissa on havaittu käytetyillä lämpöantureilla olevan paineriippuvuutta. Paineriippuvuuden syitä ei ole kuitenkaan tutkimuksissa tarkemmin eritelty.

Työn toisessa osassa esitellään painekammiossa suoritettu mittaus. Mittauksessa tutkittiin yhtä anturia kustakin anturityypistä, jotka ovat termistori, vastuslämpöanturi, puolijohdelämpöanturi sekä termopari. Anturien toimintaa tutkittiin painevälillä 0–550 bar. Mittauksessa havaittiin, että kaikkien anturien osoittama lämpötila muuttui paineen kasvaessa. Myös painekammiossa olevan nesteen lämpötila muuttui, mutta muutosta ei pystytty tarkasti mittaamaan. Anturien osoittamat lämpötilat kuitenkin muuttuivat erisuuruisesti, mistä voidaan päätellä, että ainakin kolmella neljästä anturista on paineriippuvuutta. Lisäksi havaittiin, että termoparin osoittama lämpötila pieneni, kun muiden anturien lämpötila kasvoi. Termistorin ja puolijohdeanturin mittauksessa havaittiin paljon häiriötä, jota jouduttiin suodattamaan pois. Häiriön vuoksi mittaustuloksia voidaankin pitää vain suuntaa antavina. Mittauksen tavoitteena ei kuitenkaan ollutkaan numeeristen tulosten saaminen, vaan selvittää, voiko antureilla ylipäätään olla paineriippuvuutta.

Työn tuloksena voidaan todeta, että lämpöantureilla voi olla paineriippuvuutta. Siten ei pidä olettaa, että käytettävä anturi toimisi tarkasti korkeassa paineessa. Tarkempien tulosten saamiseksi pitäisi suorittaa enemmän ja tarkempia mittauksia. Paineriippuvuuden aiheuttavan mekanismin selvittäminen auttaisi paineenkestävien anturien suunnittelemisessa sekä paineriippuvuuden ennustamisessa.