Temperatuurmeting

Wat moet u weten over thermokoppels?

Thermokoppels zijn gebaseerd op het principe van vergelijkende meting. Een thermokoppel bestaat uit twee metalen geleiders van verschillend materiaal die aan het uiteinde aan elkaar zijn gelast. Hierdoor zijn thermokoppels bijzonder goed bestand tegen trillingen. Een industrieel thermokoppel bestaat uit een thermokoppel dat wordt gebruikt voor metingen. De eindtemperatuur of de referentietemperatuur van het knooppunt waarbij het thermokoppel is aangesloten op het evaluatie-apparaat (bijv. de meetomvormer) dient altijd als referentie. Dit is nodig om te voorkomen dat de omgevingstemperatuur op het aansluitpunt het meetresultaat beïnvloedt.

Hoe is een thermokoppel opgebouwd?

Gewoonlijk bestaat het thermokoppel uit een combinatie van twee materialen met diameters die variëren van 0,2 tot 5 mm. Bij gebruik van edele materialen zoals rhodium of platina variëren deze afmetingen van 0,1 tot 0,5 mm. Bij de keuze van het materiaal van een thermokoppel moet erop worden gelet dat het een hoge Seebeck-factor heeft en dat de temperatuur de waarde ervan zo weinig mogelijk beïnvloedt, om een lineaire karakteristiek te verkrijgen. Het geschikte materiaal voor het thermokoppel wordt gekozen afhankelijk van het bereik van de gemeten temperatuur.

De buitenmantel van de sensor wordt blootgesteld aan zeer hoge temperaturen, waardoor het noodzakelijk is verschillende staalsoorten te gebruiken. Bij de hoogste temperaturen is de beschermbuis van het thermokoppel gemaakt van hittebestendig staal of keramisch materiaal. De beschermbuis moet bestand zijn tegen corrosie, thermische schokken en mechanische beschadiging.

Een gasdichte uitvoering voorkomt het verouderingsproces van het thermokoppel aanzienlijk. Er zijn ook ontwerpen zonder deksel die worden gebruikt om dynamische fouten te beperken. Voor speciale metingen, zoals de temperatuur van vloeibare metalen, glas of vloeibaar staal, worden zeer gespecialiseerde thermokoppels gebruikt.

Welke metaalcombinaties zijn er bij thermokoppels en hoe kunnen deze worden geïdentificeerd?

Afhankelijk van spanningsreeks en toelaatbare grensafwijking zijn de volgende elementen zowel wereldwijd (IEC) als Europees of nationaal genormaliseerd met betrekking tot de thermo-elektrische spanning en de tolerantie daarvan.

Kleurencodering voor thermokoppels

Element

Maximum temperature

Defined until

Plus leg

Minus leg

Fe-CuNi

„J“

750°C

1200°C

black

white

Ce-CuNi

„T“

350°C

400°C

brown

white

NiCr-Ni

„K“

1200°C

1370°C

green

white

NiCr-CuNi

„E“

900°C

1000°C

purple

white

NiCrSi-NiSi

„N“

1200°C

1300°C

pink

white

Pt10Rh-Pt

„S“

1600°C

1540°C

orange

white

Pt13Rh-Pt

„R“

1600°C

1760°C

orange

white

Pt30Rh-Pt6Rh

„B“

1700°C

1820°C

grey

white

Thermokoppels volgens keur DIN EN 60 584

 

Element

Maximum temperature

Defined until

Plus leg

Minus leg

Fe-CuNi

„L“

700°C

900°C

red

blue

Ce-CuNi

„U“

400°C

600°C

red

brown

Thermokoppels volgens keur DIN 43 710

 

Kleurencodering voor compensatiekabels

Element

Type

Mantle

Plus leg

Minus leg

Cu-CuNi

„T“

brown

brown

white

Fe-CuNi

„J“

black

black

white

NiCr-Ni

„K“

green

green

white

NiCrSi-NiSi

„N“

pink

pink

white

NiCr-CuNi

„E“

purple

purple

white

Pt10Rh-Pt

„S“

orange

orange

white

Pt13Rh-Pt

„R“

orange

orange

white

Kleurencodering voor elementen volgens keur DIN EN 60 584

 

Element

Type

Mantle

Plus leg

Minus leg

Fe-CuNi

„L“

blue

red

blue

Ce-CuNi

„U“

brown

red

brown

Kleurencodering voor elementen volgens keur DIN 43 713

 

Element

Type

Mantle

Plus leg

Minus leg

NiCr-Ni

„K“

green

red

green

Pt10Rh-Pt

„S“

white

red

white

Pt13Rh-Pt

„R“

white

red

white

Kleurencodering voor elementen volgens keur DIN 43 714, Status 1979


Hoe werkt een thermokoppel?

Het principe van thermokoppels is het resultaat van het zogenaamde Seebeck-effect. Dit verschijnsel kan worden verklaard door de theorie van vrije elektronen, volgens welke verschillende soorten geleiders een verschillende dichtheid van vrije elektronen hebben. Op het contactpunt van twee verschillende geleiders die een thermokoppel vormen, zullen elektronen van de ene geleider naar de andere bewegen. Een groter aantal elektronen zal van een geleider met hogere dichtheid naar een geleider met lagere dichtheid gaan. De intensiteit van de elektronenmigratie hangt af van de temperatuur van het contactpunt van de twee geleiders; deze is ook hoger naarmate de temperatuur hoger is. De elektromotorische kracht die wordt gevormd in een thermokoppelschakeling bestaande uit twee verschillende geleiders waarvan de uiteinden op verschillende temperaturen zijn gebracht, wordt gegeven door de volgende formule:

V=(S-SA)⋅(T2-T1)

De resulterende elektromotorische kracht is van de orde van enkele tot enkele tientallen microvolt per graad Celsius.

Hoe kiest u het juiste thermokoppel?

De keuze van het type thermokoppel hangt in de eerste plaats af van de temperatuur van de toepassing. Voorts moet een element met een hoge thermo-elektrische spanning worden gekozen om een meetsignaal te verkrijgen dat zo ongevoelig mogelijk is voor interferentie. In de volgende tabel: Eigenschappen van thermokoppels worden de verschillende elementen opgesomd, samen met een korte karakterisering. De aanbevolen maximumtemperaturen kunnen slechts als basiswaarden worden beschouwd, aangezien zij sterk afhankelijk zijn van de gebruiksomstandigheden. Zij verwijzen naar een draaddiameter van 3 mm bij on-edelen elementen en 0,5 mm bij edele elementen.


Cu-CuNi

350°C

Little spread.

Fe-CuNi

700°C

Widely used, inexpensive, susceptible to corrosion.

NiCr-CuNi

700°C

Low spread, high thermoelectric voltage.

NiCr-Ni

1000°C

Often used in the range 800 - 1000°C, also suitable for the lower temperature range.

NiCrSi-NiSi

1300°C

(Still) little widespread. Can partially replace noble elements.

Pt10Rh-Pt

1500°C (1300°C)

High costs, very good long-term consistency, closely tolerated.

Pt30Rh-Pt6Rh

1700°C

High costs, lowest thermovoltage, high maximum temperature.


Hoe te handelen bij kortsluiting of een onderbreking?

Een thermokoppel geeft geen spanning af als de meettemperatuur, de warme las, gelijk is aan de referentietemperatuur, de koude las. Indien een thermokoppel of het referentiepunt wordt kortgesloten, wordt het nieuwe meetpunt gecreëerd op de plaats van de kortsluiting. Indien een dergelijke kortsluiting bijvoorbeeld in de aansluitkop optreedt, is de weergegeven temperatuur niet meer die van het eigenlijke meetpunt, maar die van de aansluitkop. Als er een onderbreking in het meetcircuit optreedt, geeft het volgende apparaat de referentietemperatuur weer.

Hoe wordt een thermokoppel aangesloten?

De lengte van het thermokoppel of de compensatiekabel is van secundair belang vanwege de lage inwendige weerstand. Bij grotere kabellengtes met een kleine doorsnede kan de weerstand van het thermokoppel of de compensatiekabel echter verhoudingsgewijs hoge waarden aannemen. Om weergavefouten te voorkomen, moet de interne weerstand van het ingangscircuit van slave-units minstens 1000 maal groter zijn dan de weerstand van het aangesloten thermokoppel. Alleen compensatiekabels van hetzelfde materiaal als het element zelf of met dezelfde thermo-elektrische eigenschappen mogen worden gebruikt, anders wordt op het aansluitpunt een nieuw element gecreëerd. De compensatiekabel moet tot aan de referentiekoppeling worden gelegd. Bij het aansluiten van thermokoppels dient u de polariteit in acht te nemen.