Thermokoppels zijn eenvoudige temperatuursensoren die in de wetenschap en de industrie worden gebruikt. Ze bestaan uit twee draden van verschillende metalen die op een enkel punt of verbindingspunt met elkaar zijn verbonden, wat meestal wordt gelast voor robuustheid en betrouwbaarheid.
Aan de open circuituiteinden van deze draden genereert een thermokoppel een spanning in reactie op de kruisingjunct temperatuur, het resultaat van een fenomeen genaamd het Seebeck-effect, ontdekt in 1821 door de Duitse natuurkundige Thomas Seebeck.
Soorten thermokoppels
Elke twee draden van verschillende metalen die met elkaar in contact komen, zullen bij verhitting een spanning produceren; bepaalde combinaties van legeringen zijn echter standaard vanwege hun outputniveau, stabiliteit en chemische eigenschappen.
De meest voorkomende zijn thermokoppels van "basismetaal", gemaakt met ijzer of legeringen van nikkel en andere elementen, en staan bekend als typen J, K, T, E en N, afhankelijk van de samenstelling.
"Edelmetaal" thermokoppels, gemaakt van platina-rhodium en platina draden voor gebruik bij hogere temperaturen, staan bekend als Types R, S en B. Afhankelijk van het type kunnen thermokoppels temperaturen meten van ongeveer -270 graden Celsius tot 1.700 C of hoger (ongeveer -454 graden Fahrenheit tot 3.100 F of hoger).
Beperkingen van thermokoppels
De voor- en nadelen van thermokoppels zijn afhankelijk van de situatie en het is belangrijk om eerst hun beperkingen te begrijpen. De output van een thermokoppel is erg klein, meestal slechts ongeveer 0,001 volt bij kamertemperatuur, en neemt toe naarmate de temperatuur stijgt. Elk type heeft zijn eigen vergelijking om spanning om te zetten in temperatuur. De relatie is geen rechte lijn, dus deze vergelijkingen zijn enigszins complex, met veel termen. Toch zijn thermokoppels beperkt tot nauwkeurigheden van ongeveer 1 C, of op zijn best ongeveer 2 F.
Om een gekalibreerd resultaat te krijgen, moet de spanning van het thermokoppel worden vergeleken met een referentiewaarde, die ooit een ander thermokoppel was dat in een ijswaterbad was ondergedompeld. Dit apparaat creëert een "koude junctie" bij 0 C of 32 F, maar het is duidelijk onhandig en onhandig. Moderne elektronische ijspuntreferentiecircuits hebben ijswater universeel vervangen en maakten het gebruik van thermokoppels in draagbare toepassingen mogelijk.
Omdat thermokoppels het contact van twee verschillende metalen vereisen, zijn ze onderhevig aan corrosie, wat hun kalibratie en nauwkeurigheid kan beïnvloeden. In ruwe omgevingen wordt de junction meestal beschermd in een stalen omhulsel, wat voorkomt dat vocht of chemicaliën de draden beschadigen. Desalniettemin zijn zorg en onderhoud van thermokoppels noodzakelijk voor goede prestaties op de lange termijn.
Voordelen en nadelen van thermokoppels
Thermokoppels zijn eenvoudig, robuust, gemakkelijk te vervaardigen en relatief goedkoop. Ze kunnen worden gemaakt met extreem fijne draad om de temperatuur van kleine objecten zoals insecten te meten. Thermokoppels zijn bruikbaar over een zeer breed temperatuurbereik en kunnen worden ingebracht op moeilijke locaties zoals lichaamsholten of misbruikomgevingen zoals kernreactoren.
Voor al deze voordelen moeten de nadelen van thermokoppels worden overwogen voordat ze worden toegepast. De output op millivoltniveau vereist de extra complexiteit van zorgvuldig ontworpen elektronica, zowel voor de ijspuntreferentie als voor versterking van het kleine signaal.
Bovendien is de laagspanningsrespons gevoelig voor ruis en interferentie van omringende elektrische apparaten. Thermokoppels hebben mogelijk geaarde afscherming nodig voor goede resultaten. De nauwkeurigheid is beperkt tot ongeveer 1 C (ongeveer 2 F) en kan verder worden verminderd door corrosie van de verbinding of de draden.
Toepassingen van thermokoppels
De voordelen van thermokoppels hebben geleid tot hun toepassing in een breed scala van situaties, van het besturen van huishoudelijke ovens tot het bewaken van de temperatuur van vliegtuigen, ruimtevaartuigen en satellieten. Ovens en autoclaven gebruiken thermokoppels, net als persen en matrijzen voor de productie.
Veel thermokoppels kunnen in serie met elkaar worden verbonden om een thermozuil te creëren, die een grotere spanning produceert als reactie op de temperatuur dan een enkel thermokoppel. Thermozuilen worden gebruikt om gevoelige apparaten te maken voor het detecteren van infraroodstraling. Thermozuilen kunnen ook energie opwekken voor ruimtesondes uit de hitte van radioactief verval in een radio-isotoop thermo-elektrische generator.
