Thermokoppels: werking en toepassing

Thermokoppels zijn thermometers die veel worden gebruikt in de industriële temperatuurmeting. Ze zijn bijzonder geschikt voor het meten van hoge temperaturen. Maar hoe werken thermokoppels? Hoe kun je met twee eenvoudige draden temperaturen meten? De sleutel tot het begrip ligt in het Seebeck-effect.

Achtergrond

Het Seebeck-effect, voor het eerst beschreven in 1821 door Thomas Johann Seebeck, is het fenomeen dat een zwakke elektrische stroom in een stroomkring van twee verschillende geleiders vloeit, wanneer de contactpunten van de geleiders verschillende temperaturen hebben. Deze verbinding van geleiders wordt een thermokoppel genoemd.

Het Seebeck-effect

Om het Seebeck-effect te begrijpen, kunnen we een enkele elektrische geleider bekijken. In de geleider bevinden zich atomen, waartussen vrije elektronen bewegen. In een toestand van thermisch evenwicht zijn de vrije elektronen gelijkmatig in de geleider verdeeld.

Wanneer echter warmte aan één kant van de geleider wordt toegevoerd, neemt de snelheid van de vrije elektronen op die plek toe. De verhoogde snelheid van de elektronen verdringt ze naar het koelere uiteinde van de geleider. Op deze koude plek ontstaat een ladingszwaartepunt.

Dit effect alleen maakt echter geen reproduceerbare temperatuurmeting mogelijk, omdat het sterk temperatuurafhankelijk is en geen constante relatie tussen temperatuur en spanning biedt.

Toepassing van het Seebeck-effect

Om een reproduceerbare temperatuurmeting te bereiken, kunnen twee verschillende metalen met verschillend gedrag van de elektronen met betrekking tot temperatuur worden gebruikt. Wanneer deze metalen verbonden zijn en er een temperatuurverschil tussen de verbindingspunten bestaat, ontstaan er verschillende ladingszwaartepunten en een meetbare thermospanning.

Een voorbeeld van een thermokoppel is het type N thermokoppel, bestaande uit NiCrSi en NiSi. Bij een temperatuurverschil tussen de contactpunten van de twee geleiders ontstaat een meetbare thermospanning, die met een voltmeter kan worden gemeten.

Belangrijk daarbij zijn twee voorwaarden:

1. De twee geleiders moeten met elkaar verbonden zijn.
2. Er moet een temperatuurverschil tussen de verbindingspunten T1 en T2 bestaan.

Gebruikelijke thermokoppeltypen

Thermokoppels zijn er in verschillende typen, die elk worden gekenmerkt door de materiaalcombinatie van hun draden. Elk type heeft zijn eigen voor- en nadelen, evenals specifieke toepassingsgebieden. Hier zijn enkele van de meest gebruikelijke thermokoppeltypen:

• Type B (Platina-Rhodium/Platina):
  • Temperatuurbereik: 0°C tot 1.800°C
  • Hoge temperatuurnauwkeurigheid
• Type E (Nikkel-Chroom/Konstantaan):
  • Temperatuurbereik: -270°C tot 1.000°C
  • Hoge thermospanning en goede nauwkeurigheid
• Type J (IJzer/Konstantaan):
  • Temperatuurbereik: -210°C tot 1.200°C
  • Niet geschikt voor oxiderende atmosferen boven 550°C
• Type K (Nikkel-Chroom/Nikkel-Alumel):
  • Temperatuurbereik: -200°C tot 1.260°C
  • Breed temperatuurbereik en kostenefficiënt
• Type N (Nicrosil/Nisil):
  • Temperatuurbereik: -270°C tot 1.300°C
  • Betere thermische stabiliteit en oxidatiebestendigheid dan type K
• Type R (Platina-Rhodium/Platina):
  • Temperatuurbereik: -50°C tot 1.760°C
  • Hoge temperatuurnauwkeurigheid
• Type S (Platina-Rhodium/Platina):
  • Temperatuurbereik: -50°C tot 1.760°C
  • Vergelijkbaar met type R, vaak gebruikt in de glas- en keramiekindustrie
• Type T (Koper/Konstantaan):
  • Temperatuurbereik: -270°C tot 400°C
  • Goed voor lage temperaturen, stabiel in oxiderende atmosferen

Markering aan de hand van mini-stekkerkleuren

Thermokoppels zijn tegenwoordig onmisbare bestanddelen van vele industriële toepassingen en wetenschappelijk onderzoek. Hun vermogen om temperaturen nauwkeurig en betrouwbaar te meten, maakt ze tot een belangrijk instrument. De juiste identificatie van thermokoppels is daarbij cruciaal voor een correcte temperatuurmeting.

Een manier is om de kleur van de stekkers en isolatie (kleurcodes) te controleren. In de loop der jaren zijn er een groot aantal verschillende types ontwikkeld, die uit verschillende materiaalcombinaties bestaan. Om een duidelijk onderscheid mogelijk te maken, zijn de verschillende types met kenkleuren voorzien. Deze kleurencombinaties worden in kleurentabellen weergegeven. Daarbij moet echter worden opgemerkt dat er verschillende kleurcodes voor verschillende landen zijn, bijvoorbeeld die welke zijn geclassificeerd volgens “IEC” (International Electrotechnical Commission), “BS” (British Standard) of “ANSI” (American National Standards Institute).

Een voorbeeld van de verschillen in de kleurcodering is het type R. Volgens de IEC-norm heeft dit een oranje isolatie, terwijl het volgens de BS-norm groen is gemarkeerd. Deze verschillen kunnen tot verwarring leiden, vooral wanneer thermokoppels uit verschillende landen worden gebruikt. Het is daarom belangrijk om de overeenkomstige normen te kennen en te overwegen.

Hieronder volgen enkele gangbare types en hun overeenkomstige kleurcodes:

Type K: IEC – groen; BS – geel; ANSI – geel
Type J: IEC – zwart; BS – wit; ANSI – wit
Type T: IEC – bruin; BS – blauw; ANSI – blauw
Type E: IEC – lila; BS – lila; ANSI – lila
Type N: IEC – roze; BS – oranje; ANSI – oranje

Grensafwijkingen van thermokoppels

Grensafwijkingen verwijzen naar de maximale fout of onnauwkeurigheid die kan optreden bij de temperatuurmeting met een thermokoppel.

De grensafwijking is vastgelegd in de IEC 60584-norm voor thermokoppels en geeft de maximaal toegestane fout aan die bij de temperatuurmeting mag optreden om nog als conform met de norm te gelden. De grensafwijking wordt als absolute temperatuurwaarde (bijv. ±1°C) en in het hogere temperatuurbereik als percentage van de gemeten temperatuur aangegeven.

Er zijn verschillende klassen van thermokoppels, die elk verschillende grensafwijkingen hebben. Enkele voorbeelden:

• Klasse 1: Deze thermokoppels hebben de geringste grensafwijkingen en worden voor precieze metingen gebruikt.
• Klasse 2: Deze zijn iets minder nauwkeurig dan klasse 1, maar worden nog steeds in veel toepassingen gebruikt.
• Klasse 3: Deze hebben de grootste grensafwijkingen en worden gebruikt in toepassingen waarbij de nauwkeurigheid minder kritisch is.

Het is belangrijk op te merken dat de daadwerkelijke prestatie van een thermokoppel ook door andere factoren wordt beïnvloed, zoals de kwaliteit van de gebruikte materialen, de constructie van het thermokoppel en de omstandigheden waaronder het wordt gebruikt. Daarom is het cruciaal om het thermokoppel correct te specificeren en te gebruiken om ervoor te zorgen dat de metingen binnen de verwachte grensafwijkingen liggen.

Grensafwijking type K

Grensafwijking type N

Grensafwijking type R

Grensafwijking type S

Het K-effect van type K thermokoppels

Type K thermokoppels, bestaande uit de thermoschenkels NiCr en NiAl, worden veel gebruikt in de industrie en bieden dankzij hun vermogen om in een extreem breed temperatuurbereik (-270°C tot 1372°C) te worden gebruikt, en hun hoge gevoeligheid bij industriële relevante temperaturen veel voordelen. Ze zijn echter niet foutloos, vooral in een specifiek temperatuurbereik. Daarbij gaat het om het zogenaamde “K-effect”.

Achtergrond:
Hoewel type K thermokoppels in een extreem breed temperatuurbereik kunnen worden gebruikt, zijn ze in het dagelijks leven alleen onder 250°C of boven 600°C betrouwbaar. Dit ligt aan een bijzonder fenomeen, bekend als het K-effect of de type K-toestand.

Het K-effect:
De NiCr-schenkel van een type K thermokoppel vertoont in het kristalrooster onder 400°C een geordende uitlijning. Wanneer het element boven dit punt wordt verhit, vindt tussen 400°C en 600°C een overgang naar een ongeordende toestand plaats. Pas boven 600°C ordent het rooster zich weer.

Een te snelle afkoeling leidt echter tot problemen. Bij afkoelsnelheden van meer dan ca. 100°C per uur transformeert het kristalrooster niet zoals gewenst en blijft het in een ongeordende toestand. Dit kan tot een thermospanningsfout van maximaal 0,8 mV leiden, wat overeenkomt met een afwijking van ongeveer 5°C.

Interessant is dat dit K-effect omkeerbaar is. Door het zogenaamde temperen bij temperaturen boven 700°C en aansluitend langzamer afkoelen kan het rooster grotendeels weer in zijn oorspronkelijke toestand worden teruggebracht.

Relevantie voor de industrie:
Vanwege dit K-effect zijn type K thermokoppels voor metingen tussen 250°C en 600°C, waarbij de temperatuur snel verandert, ongeschikt. In dit bereik kunnen ze zeer grote en niet-reproduceerbare fouten vertonen, vaak in de orde van grootte van 2°C tot 10°C.

Afsluitende gedachten:
Hoewel type K thermokoppels in de industrie vanwege hun vele voordelen, zoals een groot bedrijfstemperatuurbereik en hun economisch voordeel, wijdverbreid zijn, moet hun toepassingsgebied zorgvuldig worden overwogen. Met name de onbetrouwbaarheid in het bereik van 250°C tot 600°C vanwege het K-effect kan tot significante meetfouten leiden.

Het wordt aanbevolen om alternatieven zoals het type N-thermokoppel (NiCrSi-NiSi) te overwegen, dat door de legering van beide schenkels met silicium minder gevoelig is voor dit nabijordeningseffect.

Conclusie

Thermokoppels zijn eenvoudige, maar krachtige instrumenten voor temperatuurmeting. Ze zijn gebaseerd op het Seebeck-effect en genereren een meetbare spanning die van de temperatuur afhangt. Deze technologie heeft brede toepassingen in de industrie en onderzoek gevonden en biedt een betrouwbare methode voor temperatuurmeting, met name bij hoge temperaturen.

Bronnen:

• Frank Bernhard: Handbuch der Technischen Temperaturmessung, 2. Auflage
• Thomas Klasmeier: Tabellenbuch „Temperatuur“, Ausgabe 3