Thermokoppels

Seebeck-effect

Een interessant fenomeen dat wordt toegepast op het gebied van instrumentatie is het Seebeck-effect, dat is de productie van een kleine spanning over de lengte van een draad als gevolg van een temperatuurverschil langs die draad. Dit effect wordt het gemakkelijkst waargenomen en toegepast met een kruising van twee ongelijke metalen in contact, waarbij elk metaal een verschillende Seebeck-spanning over de lengte produceert, wat zich vertaalt in een spanning tussen de twee (niet-verbonden) draaduiteinden. Bijna elk paar ongelijke metalen zal een meetbare spanning produceren wanneer hun junctie wordt verwarmd, sommige combinaties van metalen produceren meer spanning per graad temperatuur dan andere:

Het Seebeck-effect is vrij lineair; dat wil zeggen, de spanning die wordt geproduceerd door een verwarmde kruising van twee draden is recht evenredig met de temperatuur. Dit betekent dat de temperatuur van de metaaldraadverbinding kan worden bepaald door de geproduceerde spanning te meten. Het Seebeck-effect biedt ons dus een elektrische methode voor temperatuurmeting.

Thermokoppels

Wanneer een paar ongelijke metalen met elkaar worden verbonden om de temperatuur te meten, wordt het gevormde apparaat een thermokoppel genoemd. . Thermokoppels gemaakt voor instrumentatie gebruiken metalen van hoge zuiverheid voor een nauwkeurige temperatuur/spanningsrelatie (zo lineair en voorspelbaar mogelijk).

Seebeck-spanningen zijn vrij klein, in de tientallen millivolts voor de meeste temperatuurbereiken. Dit maakt ze enigszins moeilijk nauwkeurig te meten. Ook het feit dat elke junctie tussen ongelijke metalen zal temperatuurafhankelijke spanning produceren, veroorzaakt een probleem wanneer we proberen het thermokoppel op een voltmeter aan te sluiten, waardoor een circuit wordt voltooid:

Meetknooppunt

De tweede ijzer/koper-overgang gevormd door de verbinding tussen het thermokoppel en de meter op de bovenste draad zal een temperatuurafhankelijke spanning produceren die in polariteit tegengesteld is aan de spanning die wordt geproduceerd op de meetovergang. Dit betekent dat de spanning tussen de koperen draden van de voltmeter een functie is van het verschil in temperatuur tussen de twee knooppunten, en niet de temperatuur op het meetknooppunt alleen. Zelfs voor thermokoppeltypes waar koper niet een van de ongelijke metalen is, vormt de combinatie van de twee metalen die de koperen draden van het meetinstrument met elkaar verbinden een verbinding die equivalent is aan de meetverbinding:

Referentieknooppunt

Dit tweede knooppunt heet de referentie of koud junction, om het te onderscheiden van het knooppunt aan het meetuiteinde, en er is geen manier om te voorkomen dat er een in een thermokoppelcircuit zit. In sommige toepassingen is een differentiële temperatuurmeting tussen twee punten vereist, en deze inherente eigenschap van thermokoppels kan worden benut om een ​​zeer eenvoudig meetsysteem te maken.

In de meeste toepassingen is het echter de bedoeling om de temperatuur op slechts één punt te meten, en in deze gevallen wordt het tweede knooppunt een probleem om te functioneren.

Compensatie voor de spanning die door de referentiejunctie wordt gegenereerd, wordt meestal uitgevoerd door een speciaal circuit dat is ontworpen om de temperatuur daar te meten en een overeenkomstige spanning te produceren om de effecten van de referentiejunctie tegen te gaan. Op dit punt kun je je afvragen:"Als we onze toevlucht moeten nemen tot een andere vorm van temperatuurmeting om een ​​eigenaardigheid met thermokoppels te overwinnen, waarom zouden we dan thermokoppels gebruiken om de temperatuur te meten? Waarom gebruiken we niet gewoon deze andere vorm van temperatuurmeting, wat het ook is, om het werk te doen?” Het antwoord is dit:omdat de andere vormen van temperatuurmeting die worden gebruikt voor compensatie van referentieknooppunten niet zo robuust of veelzijdig zijn als een thermokoppelknooppunt, maar het werk van het meten van de kamertemperatuur op de referentieknooppuntlocatie vrij goed doen. De meetverbinding van het thermokoppel kan bijvoorbeeld in het rookkanaal van 1800 graden (F) van een oven voor gieterijen worden gestoken, terwijl de referentieverbinding dertig meter verderop in een metalen kast bij omgevingstemperatuur zit, waarvan de temperatuur wordt gemeten door een apparaat dat overleef nooit de hitte of corrosieve atmosfeer van de oven.

De spanning geproduceerd door thermokoppelovergangen is strikt afhankelijk van de temperatuur. Elke stroom in een thermokoppelcircuit is een functie van de circuitweerstand in tegenstelling tot deze spanning (I=E/R). Met andere woorden, de relatie tussen temperatuur en Seebeck-spanning is vast, terwijl de relatie tussen temperatuur en stroom variabel is, afhankelijk van de totale weerstand van het circuit. Met thermokoppelgeleiders die zwaar genoeg zijn, kunnen stromen van honderden ampères worden gegenereerd uit een enkel paar thermokoppelovergangen! (Ik heb dit in een laboratoriumexperiment gezien, waarbij zware staven van koper en koper/nikkellegering werden gebruikt om de knooppunten en de circuitgeleiders te vormen.)

Voor meetdoeleinden is de voltmeter die in een thermokoppelcircuit wordt gebruikt, ontworpen om een ​​zeer hoge weerstand te hebben om fout-inducerende spanningsdalingen langs de thermokoppeldraad te voorkomen. Het probleem van de spanningsval over de lengte van de geleider is hier nog ernstiger dan bij de eerder besproken gelijkspanningssignalen, omdat we hier slechts een paar millivolt van de door de junctie geproduceerde spanning hebben. We kunnen het ons eenvoudigweg niet veroorloven om ook maar een enkele millivolt van de druppel langs de geleiderlengtes te hebben zonder ernstige temperatuurmeetfouten te maken.

Idealiter is de stroom in een thermokoppelcircuit dan nul. Vroege thermokoppel-indicatie-instrumenten maakten gebruik van een nulbalans potentiometrische spanningsmeetschakeling om de junctiespanning te meten. De vroege Leeds &Northrup "Speedomax" lijn van temperatuurindicatoren/recorders was een goed voorbeeld van deze technologie. Modernere instrumenten gebruiken halfgeleiderversterkercircuits om het spanningssignaal van het thermokoppel een indicatieapparaat te laten aansturen met weinig of geen stroom die in het circuit wordt getrokken.

Thermopiel

Thermokoppels kunnen echter worden gemaakt van dik draad voor een lage weerstand en zo worden aangesloten dat ze zeer hoge stromen genereren voor andere doeleinden dan temperatuurmeting. Een van die doelen is de opwekking van elektriciteit. Door veel thermokoppels in serie te schakelen, waarbij warme/koude temperaturen met elke kruising worden afgewisseld, een apparaat dat een thermopile wordt genoemd kan worden geconstrueerd om aanzienlijke hoeveelheden spanning en stroom te produceren:

Peltier-effect

Met de linker en rechter sets knooppunten op dezelfde temperatuur, zal de spanning op elk knooppunt gelijk zijn en zouden de tegengestelde polariteiten opheffen tot een uiteindelijke spanning van nul. Als de linker set knooppunten echter zou worden verwarmd en de rechter set afgekoeld, zou de spanning op elke linker junctie groter zijn dan op elke rechter junctie, wat resulteert in een totale uitgangsspanning die gelijk is aan de som van alle junctiepaarverschillen. In een thermozuil is dit precies hoe de dingen zijn opgesteld. Een warmtebron (verbranding, een sterke radioactieve stof, zonnewarmte, enz.) wordt toegepast op één set knooppunten, terwijl de andere set is verbonden met een soort koellichaam (lucht- of watergekoeld). Interessant genoeg, als stroom door een extern belastingscircuit vloeit dat op de thermozuil is aangesloten, wordt warmte-energie overgedragen van de warme knooppunten naar de koude knooppunten, wat een ander thermo-elektrisch fenomeen aantoont:het zogenaamde Peltier-effect (elektrische stroom die warmte-energie overdraagt).

Een andere toepassing voor thermokoppels is het meten van gemiddelde temperatuur tussen verschillende locaties. De eenvoudigste manier om dit te doen, is door meerdere thermokoppels parallel aan elkaar te schakelen. Het millivolt-signaal dat door elk thermokoppel wordt geproduceerd, zal uitgemiddeld worden op het parallelle knooppunt. De spanningsverschillen tussen de juncties nemen af ​​met de weerstand van de thermokoppeldraden:

Helaas is de nauwkeurige middeling van deze Seebeck-spanningpotentialen echter afhankelijk van het feit dat de draadweerstanden van elk thermokoppel gelijk zijn. Als de thermokoppels zich op verschillende plaatsen bevinden en hun draden parallel op één plaats aansluiten, is een gelijke draadlengte onwaarschijnlijk. Het thermokoppel met de grootste draadlengte van het meetpunt tot het parallelle aansluitpunt heeft de neiging om de grootste weerstand te hebben en zal daarom het minste effect hebben op de gemiddelde geproduceerde spanning.

Meerdere thermokoppelverbindingen

Om dit te helpen compenseren, kan extra weerstand worden toegevoegd aan elk van de parallelle thermokoppelcircuitvertakkingen om hun respectieve weerstanden gelijker te maken. Zonder aangepaste weerstanden voor elke tak (om de weerstanden precies gelijk te maken tussen alle thermokoppels), is het acceptabel om eenvoudig weerstanden te installeren met gelijke waarden, aanzienlijk hoger dan de weerstanden van de thermokoppeldraden, zodat die draadweerstanden een veel kleinere impact hebben op de totale takweerstand. Deze weerstanden worden swamping genoemd weerstanden omdat hun relatief hoge waarden de weerstand van de thermokoppeldraden zelf overschaduwen of "overspoelen":

Omdat thermokoppelverbindingen zulke lage spanningen produceren, is het absoluut noodzakelijk dat de draadverbindingen zeer schoon en strak zijn voor een nauwkeurige en betrouwbare werking. Ook moet de locatie van de referentiejunctie (de plaats waar de ongelijk-metalen thermokoppeldraden samenkomen met standaard koper) dicht bij het meetinstrument worden gehouden, om ervoor te zorgen dat het instrument de referentiejunctietemperatuur nauwkeurig kan compenseren. Ondanks deze schijnbaar beperkende eisen blijven thermokoppels een van de meest robuuste en populaire methoden voor industriële temperatuurmeting in modern gebruik.

BEOORDELING:

• Het Seebeck-effect is de productie van een spanning tussen twee ongelijke, verbonden metalen die evenredig is met de temperatuur van die junctie.
• In elk thermokoppelcircuit zijn er twee equivalente knooppunten gevormd tussen ongelijke metalen. Het kruispunt dat op de plaats van de beoogde meting wordt geplaatst, wordt de meting . genoemd kruising, terwijl de andere (enkele of gelijkwaardige) kruising de referentie wordt genoemd kruising.
• Twee thermokoppel-juncties kunnen tegenover elkaar worden aangesloten om een ​​spanningssignaal te genereren dat evenredig is met de temperatuurverschil tussen de twee juncties. Een verzameling knooppunten die zo met elkaar verbonden zijn om elektriciteit op te wekken, wordt een thermopil genoemd .
• Als er stroom door de knooppunten van een thermozuil vloeit, wordt warmte-energie overgedragen van de ene reeks knooppunten naar de andere. Dit staat bekend als het Peltier-effect .
• Meerdere thermokoppelverbindingen kunnen parallel aan elkaar worden geschakeld om een ​​spanningssignaal te genereren dat de gemiddelde temperatuur tussen de verbindingen weergeeft. "Swamping"-weerstanden kunnen in serie worden geschakeld met elk thermokoppel om de gelijkheid tussen de juncties te behouden, zodat de resulterende spanning meer representatief is voor een echte gemiddelde temperatuur.
• Het is absoluut noodzakelijk dat de stroom in een thermokoppelcircuit zo laag mogelijk wordt gehouden voor een goede meetnauwkeurigheid. Ook moeten alle gerelateerde draadverbindingen schoon en strak zijn. Slechts een millivolt val op elke plaats in het circuit zal aanzienlijke meetfouten veroorzaken.