Det är svårt att mäta temperatur. Det objekt som ska mätas påverkas både av omgivningen och av termometern som kan värma upp eller kyla av ytan. Det bästa är att sänka ner termometern i det material som ska mätas, men det är inte alltid möjligt.

– Att mäta temperatur på en yta låter enkelt men är förvånansvärt svårt. När man sätter en termometer mot en yta så kyler man samtidigt ytan. Det är svårt att nå riktigt låga mätosäkerheter vid mätningar av yttemperatur. Har man tillgång till att mäta insidan på till exempel ett rör så är det mycket bättre, men ofta är det inte möjligt, säger Patrik Broberg, forskare på RISE som bland annat arbetar med att utveckla kalibreringsmetoder för yttemperaturmätningar.

Stort behov av kvalitetssäkrade mätningar

Trots att det egentligen inte är optimalt att mäta yttemperatur är behovet av noggranna och kvalitetssäkrade mätningar stort inom många branscher, till exempel inom stålindustri, medicin, kärnkraft och transporter. Det finns två huvudsakliga metoder som används i industrin, var och en med sina utmaningar. Det traditionella sättet är att sätta en termometer mot ytan, vilket kräver rätt teknik och dras med problemet att termometern samtidigt kyler ytan. Patrik Broberg arbetar med ett projekt som ska förbättra RISE förmåga att kalibrera utrustning för den här typen av mätningar. Principen för kalibrering är enkel: givaren som ska kalibreras placeras mot en uppvärmd platta med en känd och jämn temperatur på ytan. Termometerns temperatur jämförs sedan med ytans temperatur. Vid riksmätplatsen för temperatur på RISE finns i dag en yttemperaturkalibrator som används flitigt för kalibreringar från rumstemperatur upp till 600 grader.

– Men det kommer in en del förfrågningar om kalibrering vid högre temperaturer än så. Med den nya utrustningen vi utvecklar kommer vi både kunna öka temperaturen och halvera mätosäkerheten, vilket också efterfrågas av industrin, säger Patrik Broberg.

Pyrometrar känsliga för materialet

Den andra metoden är att använda en pyrometer, som fungerar på samma sätt som en värmekamera men mäter bara i en punkt. Alla material strålar och genom att mäta intensiteten på strålningen kan man avgöra vilken temperatur materialet har. Pyrometrar är smidiga och ofta bra, men är väldigt känsliga för vilken typ av yta man vill mäta. Metaller och andra ytor som reflekterar mycket ljus är svåra att mäta med en pyrometer.

– Om man försöker mäta temperaturen med en pyrometer på en blank metallyta är det ungefär samma sak som att med blotta ögat försöka se vilken färg en spegel egentligen har. Eftersom en spegel reflekterar 95 procent av ljuset är det inte möjligt. På samma sätt fungerar det med pyrometrar och många metaller, till exempel aluminium. Det finns metoder som kan minska problemet, till exempel genom att måla ytor med en färg som inte reflekterar lika mycket, men det är inte alltid möjligt. Pyrometrar är också känsliga för vilken vinkel du använder när du mäter. Att försöka mäta ett rör med en pyrometer kan vara svårt på grund av vinkeln, säger Patrik Broberg.

Patrik Broberg forskar också kring pyrometrar, till exempel för att ta fram metoder för att verifiera att pyrometrar mäter med den hastighet de utlovar. Vissa nya pyrometrar kan mäta 100 000 gånger i sekunden, men det saknas metoder för att verifiera att mätningarna som sker 100 000 gånger i sekunden faktiskt stämmer.

Men vilken av de båda metoderna för mätning av yttemperatur är egentligen bäst?

– Det beror helt på förutsättningarna. Vilket instrument har du tillgång till? Vilket material? Är det en blank metallyta med god värmeledning så är kontaktmetoden bäst, är det sämre värmeledning och en yta med hög emissivitet, som strålar mycket, så kanske en pyrometer är bäst. Likaså om det är svårt att komma åt eller för varmt. Men det viktigaste vid alla mätningar är att du har tillräcklig kompetens att utföra mätningen, säger Patrik Broberg.

Transmissionsnätet, även kallat stamnätet , transporterar el som produceras i exempelvis vattenkraftverk och vindkraftverk till regionala och lokala elnät. Svenska Kraftnät ansvarar för transmissionsnätet som omfattar drygt 17 000 kilometer ledningar och cirka 200 stationer med ställverk i hela landet.

– Vi mäter ständigt hur mycket el som flödar in och ut ur nätet för att ta fram underlag för korrekta debiteringar. Det handlar om förtroendet för nätet, den som producerar el vill ha rätt betalt och den som konsumerar elen vill inte betala för mycket. Båda parter ska kunna lita på att det blir rätt, och för det krävs noggranna och korrekta mätningar, säger Anders Lindskog, teknikspecialist mätning på Svenska Kraftnät.

Ackrediterade kontroller och kontinuerlig övervakning

Kontroller av alla energimätsystem i stationerna utförs vart sjätte år av ett ackrediterat kontrollorgan, enligt lagkrav och föreskrifter. I dagsläget är det RISE som utför dessa kontroller på plats i stationerna. Då verifieras och kalibreras mätutrustningen, och om något fel upptäcks gör man också justeringar.

– Men även om den ackrediterade kontrollen som RISE utför är av högsta kvalitet kan det inträffa saker i stationerna mellan kontrollerna. Det kan hända något med en komponent dagen efter, och då är det flera år kvar till nästa kontroll. Därför har vi också samarbetat med RISE i många år för att utveckla en kontinuerlig övervakning av våra mätningar, säger Anders Lindskog.

För det kan handla om stora belopp om något blir fel. Små fel på till exempel 0,1 procent kan resultera i hundratusentals kronor feldebitering per månad för en större mätpunkt.

– Lagkraven ligger på 0,5 procent mätnoggrannhet, men vi strävar alltid efter att överträffa lagkraven, inte bara för att undvika feldebiteringar utan också för att bygga och upprätthålla förtroendet på marknaden, säger Anders Lindskog.

Första projektet 2013

Modern mätutrustning gör det möjligt att samla in fler mätvärden än bara el in och el ut och att ta del av mätningarna i realtid. Det första gemensamma forskningsprojektet för att ta fram metoder för att utnyttja dessa mätningar startade redan 2013.

– Vi på RISE har varit med hela vägen och använder nu dagligen de metoder för kontinuerlig övervakning som vi började ta fram då. Det handlar om att kvalitetssäkra mätningarna men också om att tolka vad mätningarna innebär, för att kunna fatta beslut om åtgärder. Med kontinuerlig övervakning kan vi upptäcka fel samtidigt de uppkommer som annars hade upptäckts först vid en fysisk kontroll, upp till sex år senare, säger Niklas Eriksson, senior forskare på RISE och fortsätter:

– Vi har lärt oss att det fanns många typer av mindre fel som vi aldrig tidigare hade sett, men som vi nu kan identifiera och åtgärda. Det kan till exempel vara en ärgad säkring som ger ett litet mätfel som hade varit svårt att upptäcka även vid en fysisk kontroll.

Anders Lindskog på Svenska Kraftnät ser många fördelar med samarbetet med RISE.

– Den ackrediterade kontrollen är självklart helt oberoende, men även i vårt övriga samarbete är det viktigt för oss att RISE är en oberoende part. RISE har också den expertis vi behöver för att kunna utveckla metoder och arbetssätt, säger han.

Kan man mäta för mycket?

– Mätningar kostar, men varje gång vi börjat mäta noggrannare har vi alltid hittat något att utveckla och förbättra. Vi har bara börjat se nyttan av det här, säger Anders Lindskog.

Tekniken bygger på att använda material och färger som reflekterar solljuset och samtidigt avger termisk infraröd strålning i ett våglängdsområde som gör att värmen kan avledas genom atmosfären och ut i den kalla rymden. Den är särskilt effektiv i områden med mycket sol och lite molnighet, som öknar, där man kan uppnå låga temperaturer även mitt på dagen.

– Det är korrekt att tekniken är speciellt attraktiv i varmare länder, men även i Sverige har vi problem med fenomen som urbana värme-öar som innebär att det blir varmare i städer. Att byta ut svarta tak mot vita kan vara ett sätt att motverka det, säger Anne Andersson, forskare på RISE, och fortsätter:

– Vi får också många förfrågningar från svenska företag som är intresserade av att utveckla sina material med tanke på dessa egenskaper.

Kyler sin omgivning

När två objekt med olika temperatur kommer i kontakt, överförs värme mellan dem. Det varmare objektet blir kallare och det kallare objektet varmare. På så vis kan byggnader kylas när exempelvis taket blir kallare. Effekten kan observeras vissa morgnar då frost bildas på bilens vindruta, även om det inte är minusgrader, då ytan blivit kallare än omgivningen. Ju mer solljus som reflekteras och värme som emitteras, desto mer kan materialet kyla sin omgivning. Genom mätningar kan man bestämma ett "solar reflective index" för att kvantifiera effekten hos olika material och färger.

– Alla färger och material reflekterar, men vissa mer än andra. Vit färg som reflekterar mycket solljus och samtidigt tillåter att värme emitteras är det bästa valet. Samtidigt behöver materialet och färgen fungera för byggnaden även ur andra aspekter, därför är det viktigt att karaktärisera olika material för att hitta de mest optimala lösningarna, säger Anne Andersson.

Europeiskt projekt utvecklar mätningarna

Bostäder, kontorsbyggnader, industrier, affärer och datacenter kan alla dra nytta av tekniken som ett kostnadseffektivt kylningssystem. Och även om det inte handlar om många grader kan det vara en viktig pusselbit för att bidra till att motverka klimatförändringarna. Men trots de uppenbara fördelarna saknas fortfarande metoder för att utvärdera och jämföra prestanda hos olika material och färger under verkliga förhållanden. Anne Andersson deltar i det europiska forskningsprojektet PaRaMetriC (Metrological framework for passive radiative cooling technologies), där hon utför och utvecklar mätningar på dessa material och färger. 

– Detta är inget nytt, det är ingen slump att byggnader är vita i varmare länder. Men för att utveckla tekniken och kunna välja de mest optimala material och färgerna behöver vi metoder för att jämföra, och då måste vi utveckla tillförlitliga mätningar, säger Anne Andersson.