Door H.L.M. Lee
Bijgewerkt op 30 augustus 2022

Thermokoppels behoren tot de meest betrouwbare en veelzijdige temperatuursensoren in de wetenschap en de industrie. Ze bestaan uit twee ongelijksoortige metaaldraden die op één verbindingspunt zijn samengevoegd en doorgaans aan elkaar zijn gelast voor maximale duurzaamheid.

Wanneer de verbinding wordt verwarmd, wordt er een kleine spanning geproduceerd – een fenomeen dat bekend staat als het Seebeck-effect en voor het eerst werd beschreven door de Duitse natuurkundige Thomas Seebeck in 1821.

Soorten thermokoppels

Hoewel twee ongelijke metalen een spanning zullen genereren, zijn bepaalde legeringscombinaties gestandaardiseerd omdat ze voorspelbare output, stabiliteit en chemische veerkracht bieden. De meest voorkomende typen “basismetaal” – gemaakt van ijzer-, nikkel- of gelegeerde varianten – worden aangeduid met J, K, T, E en N.

Thermokoppels van 'edelmetaal', gemaakt van platina-rhodium en puur platina, worden gebruikt voor toepassingen bij hoge temperaturen en zijn gelabeld met R, S en B. Afhankelijk van het type kunnen thermokoppels temperaturen meten van ongeveer –270°C (–454°F) tot 1.700°C (3.100°F) en hoger.

Beperkingen van thermokoppels

De kleine output – ongeveer 1 mV bij kamertemperatuur, toenemend bij hitte – vereist zorgvuldige elektronica voor nauwkeurige metingen. Elk thermokoppeltype heeft een niet-lineaire spanning-temperatuurrelatie die wordt beheerst door complexe vergelijkingen, waardoor de praktische nauwkeurigheid wordt beperkt tot ongeveer ±1°C (±2°F).

Historisch gezien omvatte kalibratie het onderdompelen van een tweede thermokoppel in een ijswaterbad om een referentie van 0 °C (32 °F) vast te stellen. Moderne systemen maken gebruik van elektronische ijspuntreferentiecircuits, waardoor omvangrijke, oncomfortabele opstellingen overbodig zijn en draagbaar gebruik mogelijk wordt gemaakt.

Omdat de verbinding afhankelijk is van twee metalen die in contact komen, kan corrosie zowel de kalibratie als de nauwkeurigheid aantasten. In ruwe omgevingen wordt de verbinding meestal beschermd door een stalen omhulsel om te beschermen tegen vocht en chemicaliën, maar regelmatige inspectie en onderhoud blijven essentieel.

Voor- en nadelen van thermokoppels

Voordelen:

• Robuuste, eenvoudige constructie en lage kosten
• Extreem breed temperatuurbereik – van cryogeen tot enkele duizenden graden
• Kan minuscule objecten meten dankzij ultrafijne draden
• Geschikt voor vijandige omgevingen, waaronder kernreactoren en ruimtevaartmissies

Nadelen:

• Een lage uitgangsspanning vereist versterking en nauwkeurige referentiecircuits
• Gevoelig voor elektrische ruis; vereist afscherming en aarding
• De nauwkeurigheid is beperkt tot ongeveer ±1°C en kan verslechteren door corrosie

Toepassingen van thermokoppels

Thermokoppels worden gebruikt in alledaagse apparaten zoals ovens, maar ook in kritieke sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, ruimtevaartuigen, satellietoperaties, ovens, autoclaven, persen en vormapparatuur. Ze kunnen in serie worden geschakeld om een ​​thermozuil te vormen, die een hogere spanning genereert voor infraroodsensoren of voor energieopwekking in radio-isotoop thermo-elektrische generatoren aan boord van ruimtesondes.