Thermokoppel - Werkingsprincipe, typen en toepassingen
Figuur 1: Thermocouple
Een thermokoppel is een temperatuursensor die thermische energie omzet in elektrische spanning, die kan worden gebruikt om de temperatuur af te leiden. Nauwkeurige temperatuurmeting in industriële processen zorgt ervoor dat apparatuur efficiënt werkt en veilig is. In dit artikel worden de eigenschappen, werking, typen en toepassingen van een thermokoppel beschreven.
Inhoudsopgave
- Thermokoppel werkt
- Kenmerken
- Materiaal en soorten
- Toepassingen
- Beperkingen
- Een thermowell met een thermokoppel gebruiken
- FAQ
Bekijk hier onze selectie thermowell- en bimetaalthermometers!
Thermokoppel werkt
Een thermokoppel is een sensor voor het meten van temperatuur. Het bestaat uit twee draden van verschillende metalen (Figuur 2 met het label B en C) die aan één uiteinde met elkaar verbonden zijn. Wanneer de kruising van de twee draden wordt verwarmd, wordt er een spanning opgewekt tussen de vrije uiteinden van de draden. De opgewekte spanning is evenredig met het temperatuurverschil tussen het knooppunt en de vrije uiteinden van de draden.
Figuur 2: Werking thermokoppel: warme aansluiting (A), draad type 1 (B), draad type 2 (C), koude aansluiting (D) en voltmeter (E).
Meetproces
Om de temperatuur met een thermokoppel te meten, wordt het ene uiteinde geplaatst op de plaats waar de temperatuur gemeten zal worden (de warme junctie, Afbeelding 2 met het label A), en het andere uiteinde op een bekende referentietemperatuur (de koude junctie, Afbeelding 2 met het label D). De spanning die door het thermokoppel wordt opgewekt, wordt dan gemeten (Afbeelding 2 met label E) en de temperatuur bij de hete junctie kan worden berekend met behulp van een ijktabel. De spanning die door een thermokoppel wordt gegenereerd is erg klein, meestal maar een paar millivolt. Daarom wordt vaak een thermokoppelversterker gebruikt om het kleine spanningssignaal van het thermokoppel te versterken tot een niveau dat gemakkelijk gemeten kan worden.
Figuur 3: Thermokoppel kalibreren en documentatieproces
Kenmerken
Thermokoppels kunnen een breed temperatuurbereik meten, van zeer koud tot extreem heet. Ze kunnen snel reageren op veranderingen in temperatuur. Hierdoor zijn ze zeer geschikt voor toepassingen waar snelle temperatuurmetingen nodig zijn.
Materiaal en soorten
Thermokoppels worden ingedeeld in verschillende types op basis van de materialen die gebruikt worden in hun constructie. Deze materialen bepalen het temperatuurbereik, de nauwkeurigheid en de kosten van het thermokoppel.
Tabel 1: Typen thermokoppels op basis van hun materialen
| Type | Thermo-elektrisch element | Temperatuurbereik (𐩑C) | Temperatuurbereik (𐩑F) |
| B | Platina (6% rodium)/platina (30% rodium) | 1370 tot 1700 | 2498 tot 3092 |
| E | Chromel/Constantan | 0 tot 870 | 32 tot 1598 |
| J | IJzer/Constantan | 0 tot 760 | 32 tot 1400 |
| K | Chromel/Alumel | 0 tot 1260 | 0 tot 2300 |
| N | Nicrosil/Nisil | 0 tot 1260 | 0 tot 2300 |
| R | Platina (13% rodium)/Platina | 870 tot 1450 | 1598 tot 2642 |
| S | Platina (10% rodium)/platina | 980 tot 1450 | 1796 tot 2642 |
| T | Copper/Constantan | -200 tot 350 | 328 tot 662 |
Toepassingen
Thermokoppels worden gebruikt voor temperatuurmeting in verschillende toepassingen vanwege hun grote temperatuurbereik, duurzaamheid en eenvoud.
- Industriële procesbesturing: De temperatuur van industriële processen regelen, zoals chemische reacties, ovens en ovens
- Wetenschappelijk onderzoek: Metingen bij hoge temperaturen worden gebruikt in natuurkundig onderzoek, ruimtevaarttechniek, materiaalwetenschappen en milieumonitoring.
- Residentiële en commerciële toepassingen: Alledaagse apparaten en apparatuur, zoals thermostaten, waterverwarmers, ovens en fornuizen, HVAC-systemen en industriële boilers
- Algemene temperatuurmeting: De temperatuur van vloeistoffen, gassen en vaste stoffen bewaken, temperatuurgradiënten meten, temperatuurgegevens in de tijd registreren en temperatuurgevoelige processen regelen.
In een staalfabriek bijvoorbeeld bewaken thermokoppels de temperatuur van ovens die staal verhitten tot hoge temperaturen voordat het gevormd wordt tot verschillende producten. Nauwkeurige temperatuurregeling is cruciaal in dit proces om de kwaliteit en eigenschappen van het staal te garanderen. Thermokoppels worden in de ovenwanden of in het gesmolten staal gestoken om de temperatuur te meten. De spanning die door de thermokoppels wordt gegenereerd, wordt vervolgens doorgestuurd naar een regelsysteem dat de brandstoftoevoer naar de oven aanpast om de gewenste temperatuur te handhaven.
Figuur 4: Thermokoppel in een verwarmingselement
Beperkingen
Thermokoppels zijn gevoelig voor elektrische ruis, die de werking kan verstoren. Dit kan worden verminderd door afgeschermde kabels te gebruiken en het thermokoppel goed te aarden.
Een thermowell met een thermokoppel gebruiken
Thermowell
Een thermowell is een cilindrische armatuur die ontworpen is om temperatuurmeetapparatuur zoals een thermokoppel af te schermen wanneer ze temperatuur meten in zware industriële omgevingen. De beschermbuis is een beschermende barrière die het thermokoppel scheidt van de vloeistof en de vloeistof isoleert van de externe omgeving. Hierdoor wordt de temperatuursensor beschermd tegen zware procesomstandigheden, wordt vervuiling voorkomen en kan de sensor eenvoudig worden vervangen.
Wanneer gebruik je een thermowell?
Of een thermowell nodig is voor een bepaalde toepassing hangt af van verschillende factoren.
- Procesomstandigheden: Als de procesvloeistof corrosief, eroderend of onder hoge druk is, is een beschermbuis nodig om het thermokoppel te beschermen tegen beschadiging.
- Temperatuurbereik: Als de procestemperatuur hoog is of snel fluctueert, kan een thermowell de nauwkeurigheid van het thermokoppel verbeteren.
- Onderhoudsoverwegingen: Als het thermokoppel vaak vervangen moet worden, kan een thermowell dit proces eenvoudiger en minder storend maken.
- Kostprijs Thermowells kunnen duurder zijn dan thermokoppels, dus het is belangrijk om de kosten van de thermowell af te wegen tegen de voordelen.
Een thermowell is misschien niet nodig als de omgeving gunstig is en de sensor niet vaak onderhouden of vervangen hoeft te worden. Een thermowell is bijvoorbeeld meestal niet nodig in een woonboiler omdat de omgeving minder ruw is, met slechts gematigde temperaturen en niet-corrosief drinkwater, wat een minimaal risico vormt voor het thermokoppel. Een thermowell is echter vaak nodig in een chemische verwerkingsfabriek vanwege corrosieve chemicaliën, hoge druk en temperaturen die een thermokoppel kunnen beschadigen.
Figuur 5: Thermowell
Lees ons overzichtsartikel over bimetaalthermometers voor meer informatie over de werking en het ontwerp van bimetaalthermometers.
FAQ
Wat is het verschil tussen een thermowell en een thermokoppel?
In de vergelijking 'thermowell vs thermokoppel' is een thermokoppel een temperatuursensor, terwijl een thermowell een beschermhuls is die ontworpen is om een temperatuursensor af te schermen van vloeistofstromen, hoge druk en corrosieve omgevingen.