Thermokoppel

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Een universeel thermokoppel (midden)
Enkele thermokoppelstekers
Principe van een thermokoppel

Een thermokoppel is een temperatuursensor die gebruikmaakt van het Seebeck-effect, genoemd naar de Estlandse natuurkundige Thomas Seebeck, die het in 1822 bij toeval ontdekte.

Principe[bewerken]

Een thermokoppel bestaat uit twee draden van verschillende metalen of metaallegeringen die aan elkaar zijn verbonden, bij voorkeur door ineensmelting. Als er tussen beide contactpunten een temperatuurverschil heerst zal een potentiaalverschil ontstaan, waarvan de grootte afhankelijk is van het temperatuurverschil en de gebruikte metalen. De spanning UTh die wordt opgewekt is:

U_{Th} = \alpha \cdot (T_w - T_k) .

Hierin is α: de Seebeckconstante; Tw: de temperatuur van de warme aansluiting; Tk: de temperatuur van de koude aansluiting

Het potentiaalverschil is in de orde van 6 tot 60 microvolt per °C (µV/°C). Door gebruik te maken van dit verschijnsel kan het thermokoppel uitstekend gebruikt worden als sensor voor een temperatuurmeting. Een thermokoppel meet een temperatuurverschil tussen twee punten (T1 en T2 in de illustratie), dit in tegenstelling tot een thermometer, waarmee de temperatuur ten opzichte van een bepaalde standaard wordt gemeten.

Meettechnisch is het gebruik van een thermokoppel niet eenvoudig vanwege het uiterst kleine signaal, verouderingsverschijnselen, verstoring van het warmteveld en de tijdsconstante van het gemaakte meetpunt. Hoewel in principe met elke combinatie van metalen een thermokoppel gemaakt kan worden, worden combinaties die bij benadering een lineair verband hebben tussen temperatuurverschil en potentiaalverschil het meest gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn:

Thermokoppels enkele veel toegepaste soorten[1]
Pluspool Minpool Type Temperatuurbereik Uitgangsspanning Kleur steker
Legering SI Legering SI IEC ANSI
Chromel Ni-Cr Constantaan Cu-Ni E -270 .. 1000 °C -9,835 .. 76,373 mV Lila Lila
IJzer Fe Constantaan Cu-Ni J -210 .. 1200 °C -8,095 .. 69,553 mV Zwart Zwart
Chromel Ni-Cr Alumel Ni-Al K -270 .. 1372 °C -6,458 .. 54,886 mV Groen Geel
Koper Cu Constantaan Cu-Ni T -270 .. 400 °C -6,258 .. 20,872 mV Bruin Blauw
Platina rhodium (10%) Pt-10%Rh Platina Pt S -50 .. 1768 °C -0,236 .. 18,693 mV Oranje Groen
Platina rhodium (13%) Pt-13%Rh Platina Pt R -50 .. 1768 °C 0,226 .. 21,101 mV Oranje Groen
Platina rhodium (30%) Pt-30%Rh Platina rhodium (6%) Pt-6%Rh B 0 .. 1820 °C 0,000 .. 13,820 mV Grijs Grijs
Wolfram W Wolfram rhenium (26%) W-26%Re G 0 .. 2320 °C 0,000 .. 38,564 mV Wit Rood

Welke combinatie wordt gebruikt voor een bepaalde temperatuurmeting is afhankelijk van het meetgebied en de gewenste nauwkeurigheid. Het koper-constantaan thermokoppel heeft een meetbereik van "slechts" ongeveer 380 °C, maar is in dat gebied wel zeer nauwkeurig.

Meerdere thermokoppels in serie geplaatst noemt men een thermozuil, hiermee bereikt men hogere uitgangsspanningen.

Referentietemperatuur[bewerken]

De meting van de temperatuur met behulp van een thermokoppel is een differentiaalmeting. Zij meet het verschil in temperatuur tussen de warme las en de koude las. Als de koude las varieert in temperatuur is de meting foutief. Voor dit veelvoorkomend probleem zijn er 2 oplossingen:

  1. De koude las wordt gemaakt in een speciale omhulling die op een bepaalde referentietemperatuur (b.v. 25 °C) gehouden wordt. Een veel gebruikte eenvoudige methode is het gebruik van smeltend ijs als referentietemperatuur (0 °C).
  2. De temperatuur van de koude las wordt elektronisch gemeten en wordt in speciale elektronica verrekend.

Compensatiekabel[bewerken]

Omdat de thermokoppeldraden duur zijn wordt in het algemeen zodra de draden uit de sensor komen overgegaan op een ander materiaal dat dezelfde eigenschappen heeft als de thermokoppeldraad. Men noemt deze draad compensatiekabel.

Koptransmitter[bewerken]

Om alle problemen van referentietemperatuur en compensatiekabel te vermijden werkt men tegenwoordig meer en meer met een ingebouwde omvormer in de kop van de sensor. Deze omvormer zet het spanningssignaal (µV) om in een 4-20 mA tweedraads signaal, die minder last heeft van storingfactoren van buiten af.

Toepassing[bewerken]

Veiligheidsklepje voor thermokoppel

Thermokoppels worden op grote schaal gebruikt bij temperatuurmetingen en -regelingen in het huishoudelijk gebruik, laboratoria en alle takken van de industrie. Hierbij worden meestal aangepaste stekkers gebruikt die door middel van een kleur aangeven welk type thermokoppel er is ingezet. Aangezien bij elke overgang tussen verschillende metalen het Seebeck-effect optreedt, zijn de contactpennen van overeenkomstige materialen gemaakt. Naargelang de toepassing kan er gebruikgemaakt worden van aangepaste connectoren voor hoge druk, hoge temperatuur, erosie, enz... Door de pasvorm waarborgen deze stekkers tevens de polariteit van de thermokoppelspanning. Voor het verwerken van het uitgangssignaal is speciale elektronica nodig. Andere sensoren met een vergelijkbaar meetbereik die veel worden toegepast zijn Pt100 elementen. Voor temperaturen in de zone van -20 tot 100 °C worden tevens temperatuursgevoelige weerstanden gebruikt (zoals het type NTC)

Een thermokoppel maakt onderdeel uit van de thermo-elektrische beveiliging van veel gasgestookte toestellen, zoals cv-ketels, gaskooktoestellen en gashaarden. In het algemeen bekrachtigen ze een elektromagnetische (hulp)gasklep die zich in het gasblok bevindt. Het thermokoppel wordt verwarmd door een waakvlam, hierdoor wordt een gering elektrisch stroompje opgewekt, voldoende om de gasklep tegen een veerdruk geopend te houden. Als de waakvlam uitvalt, valt ook het stroompje weg, hierdoor zal na enige tijd door afkoeling van het thermokoppel de klep door de veerdruk worden gesloten, waardoor de gastoevoer in het gasregelblok wordt afgesloten. Tijdens en na het aansteken van de waakvlam dient de gasklep door middel van een drukknop zolang te worden opengehouden totdat het thermo-element voldoende verhit is.

Bronnen, noten en/of referenties
  1. The Temperature Handbook, Omega