Thermokoppels - De basis

Inhoud

1. Basisprincipe van de thermokoppel
2. Kalibratie en niet-lineariteit
3. Koudelascompensatie
4. Thermokoppel-materiaaltypen
5. Samenvatting

Basisprincipe van de thermokoppel

Wanneer er langs een geleider een temperatuurgradiënt bestaat, gaan elektronen stromen en ontstaat er een spanning (EMK). Dit verschijnsel—ontdekt door Thomas Seebeck in 1822—ligt ten grondslag aan de werking van thermokoppels. De grootte en richting van de EMK hangen zowel af van de temperatuurgradiënt als van de materiaaleigenschappen.

Een enkele homogene geleider levert in een gesloten kring echter geen meetbare spanning op, omdat de interne EMK’s elkaar opheffen. Om een bruikbaar signaal te genereren, worden twee ongelijksoortige geleiders (materialen A en B) samengevoegd, waarmee een thermokoppel wordt gevormd. Wanneer zij aan een temperatuurgradiënt worden blootgesteld (Figuur 2.1), reageren deze materialen verschillend, waardoor er een netto-EMK ontstaat (Figuur 2.2).

i Kernpunt: De EMK wordt niet aan de las zelf opgewekt, maar langs de geleider waar de temperatuurgradiënt aanwezig is. Daarom:

• Geleiders moeten chemisch en fysisch homogeen zijn op de plaatsen waar gradiënten optreden.
• Lassen moeten zich in isotherme (constante temperatuur) zones bevinden om ongewenste EMK’s te voorkomen.

Zolang de geleiders homogeen zijn, zal de tussen de temperaturen T1 en T2 opgewekte EMK gelijk zijn, ongeacht hoe de gradiënt verdeeld is (zie opnieuw Figuur 2.2). De uitgang van het thermokoppel wordt uitsluitend bepaald door de temperaturen bij:

• M: de meetlas
• R: de referentielas (waar ongelijksoortige draden op koper worden aangesloten)

De referentielas moet op een bekende, stabiele temperatuur worden gehouden—daarom zijn thermokoppels differentiële, geen absolute, temperatuursensoren.

Kalibratie en niet-lineariteit

Thermokoppels hebben geen lineaire relatie tussen spanning en temperatuur. De relatie varieert per temperatuurbereik en per materiaal. Daarom zijn ijktabellen essentieel—zij koppelen de thermokoppelspanning aan de bijbehorende temperaturen.

Figuur 2.3 laat zien hoe de Seebeck-coëfficiënten (spanningsgevoeligheid) variëren voor verschillende typen thermokoppels. Voor nauwkeurige temperatuursmetingen moeten thermokoppelspanningen worden geïnterpreteerd met behulp van deze ijkcurven of worden omgerekend via interpolatie en signaalverwerkingselektronica.

Koudelascompensatie

Ijktabellen gaan ervan uit dat de referentielas op 0°C is. Maar in praktijksituaties is dat niet altijd mogelijk. Daarom gebruiken we koudelascompensatie.

Traditioneel konden referentielassen in smeltend ijs of in temperatuurgecontroleerde blokken worden geplaatst. Tegenwoordig gebeurt de compensatie elektronisch—meestal met een thermistor of vergelijkbare sensor nabij de referentielas. Dit apparaat meet de werkelijke temperatuur en corrigeert de thermokoppellezing automatisch.

i Lineariserings- en compensatie-elektronica zijn nu standaard in de meeste industriële systemen en waarborgen nauwkeurigheid over een breed temperatuurbereik, terwijl ze corrigeren voor niet-lineariteit.

Thermokoppel-materiaaltypen

Hoewel veel geleiders thermo-elektrische effecten vertonen, zijn er maar weinig geschikt voor praktische temperatuurbepaling. Belangrijke overwegingen zijn:

• Signaalsterkte
• Lineariteit
• Stabiliteit in de tijd en over temperatuur
• Herhaalbaarheid

In de loop van decennia zijn specifieke combinaties van metalen en legeringen gestandaardiseerd tot internationaal erkende typen (bijv. de typen K, J, T, E, N, R, S en B), zoals vastgelegd in normen als BS EN 60584-1 en IEC 60584.

Thermokoppels worden grofweg ingedeeld in:

• Basismetaaltypen (bijv. K, J, T): Goedkoper, met hogere signaaluitgangen. Typisch bereik: 0–1.200°C.
• Edele/zeldzame metaaltypen (bijv. R, S, B): Stabieler en nauwkeuriger, maar duurder. Typisch bereik: omgevingstemperatuur tot 2.000°C en hoger.

⚠️ Opmerking over type K: Hoewel veel gebruikt, kan type K instabiliteit vertonen bij hoge temperaturen of over lange perioden. Type N (Nicrosil/Nisil) is ontwikkeld als alternatief en biedt verbeterde stabiliteit en een uitgebreid temperatuurbereik, terwijl de betaalbaarheid van basismetalen behouden blijft.

Samenvatting

Thermokoppels werken door een elektromotorische kracht (EMK) op te wekken als reactie op een temperatuurgradiënt; de uitgangsspanning hangt af van zowel de gradiënt als de gebruikte materialen. Dit effect, ontdekt door Seebeck in 1822, vormt de basis van thermokoppelsensoren, waarvoor twee ongelijksoortige materialen nodig zijn om een bruikbare spanning te genereren. De uitgang wordt beïnvloed door de temperatuur van de meet- en referentielas, waarbij de referentielas doorgaans op een constante temperatuur wordt gehouden. Vanwege de niet-lineaire aard van de spanningsuitgangen van thermokoppels zijn ijktabellen nodig voor nauwkeurige temperatuurbepalingen. Koudelascompensatie, vaak elektronisch uitgevoerd of door de referentielas in een gecontroleerde omgeving te plaatsen, corrigeert voor variaties in de temperatuur van de referentielas. Thermokoppelmaterialen worden gekozen op basis van factoren zoals temperatuurbereik, signaalsterkte en herhaalbaarheid; typen met edele metalen bieden betere stabiliteit tegen hogere kosten, terwijl basismetalen goedkoper maar minder stabiel zijn.

Verder lezen

Wat zijn de verschillende typen thermokoppels?
Ontdek de kenmerken en eigenschappen van de verschillende typen thermokoppels

Uitgangstabellen voor thermokoppels
Bekijk tabellen van EMK ten opzichte van temperatuur voor alle typen thermokoppels.

Wat zijn de kleurcodes voor thermokoppels?
Verken de kleurcodes voor kabels en connectoren van thermokoppels.