Hoe kan de spanning die wordt opgewekt door een thermokoppel worden gemeten?

Nu we weten dat een thermokoppel een spanning opwekt waarvan de waarde afhankelijk is van de temperatuur en de Seebeck-coëfficiënt (α) van de overgang van twee ongelijksoortige metalen, moet deze enkel nog worden gemeten met behulp van een voltmeter en vervolgens moet de gemeten spanning, na berekening, worden uitgedrukt in temperatuur.

Verbinding met een voltmeter

Door een thermokoppel Koper/Constantaan (Type T) te verbinden met de aansluiting van de voltmeter en, na berekening volgens α = 38,75µV/°C, vinden we een temperatuurwaarde die niets te maken heeft met de omgeving waarin het thermokoppel zich bevindt.

Aan het einde van de berekening, door te verwijzen naar het equivalent schema (=), is de door de voltmeter gemeten resulterende spanning gelijk aan V1 – V2, dat wil zeggen dat deze in verhouding is met het temperatuurverschil tussen J1 en J2.

We kunnen de temperatuur van J1 enkel vinden als we de temperatuur van J2 kennen

Referentie van de externe aansluiting

Een eenvoudige manier om de temperatuur van overgang J2 op precieze en eenvoudige manier te bepalen, is deze onder te dompelen in een ijsbad, waardoor de temperatuur naar 0°C (273,15 K) wordt gedwongen. We kunnen J2 dan ook beschouwen als de referentieovergang. Het schema heeft nu dus een referentie 0 °C op J2.

Maar hoe zit het met een ander type thermokoppel?

De voorgaande voorbeelden werden voorgesteld met een thermokoppel Koper/Constantaan (Type T), dat misschien wel eenvoudig te gebruiken lijkt voor demonstraties, aangezien koper ook het metaal van de aansluitingen van de voltmeter is en dat leidt tot slechts één verstorende overgang. Laten we hetzelfde voorbeeld uitvoeren met een Thermokoppel IJzer/Constantaan (Type J) in de plaats van Koper/Constantaan.

De voltmeter zal enkel een spanning V gelijk aan V1 aangeven, als de thermo-elektrische spanningen V3 en V4 identiek zijn, aangezien ze tegengesteld zijn; dat wil zeggen dat de verstorende overgangen J3 en J4 dezelfde temperatuur hebben.

Om elke afwijkende meting te voorkomen, is het van essentieel belang dat de aansluitingen voor de verbinding van de voltmeter dezelfde temperatuur hebben.

We kunnen dit probleem vermijden door de koperdraden te verlengen, zodat we ze enkel zo dicht mogelijk op het thermokoppel aansluiten met behulp van een isothermische overgangsblok. Een blok van dit type is een elektrische isolatie, maar ook een goede warmtegeleider die ervoor zorgt dat de overgangen J3 en J4 steeds op dezelfde temperatuur worden gehouden. Door op deze manier te werken, zullen we op een gemakkelijke en probleemloze manier het thermokoppel uit de buurt kunnen houden van het meetinstrument. De temperatuur van het isothermisch blok heeft geen enkel belang, omdat de thermo-elektrische spanning van de twee Cu-Fe overgangen tegengesteld zijn.

We zullen steeds het volgende hebben: V = α(TJ1 – TREF)

Het bad met smeltend ijs uitsluiten

Het vorige circuit biedt ons de mogelijkheid om precieze en betrouwbare metingen uit te voeren, ver verwijderd van het thermokoppel, maar hoe briljant zou het zijn om de vereiste van een bad met smeltend ijs achterwege te kunnen laten. Laten we in de eerste plaats het bad met smeltend ijs vervangen door een ander isothermisch blok dat we op de TREF-temperatuur zouden kunnen houden.

Aangezien e eerder hebben gezien dat de temperatuur van het thermisch blok dat overgangen J3 en J4 ondersteunt, geen enkel belang heeft – op voorwaarde dat deze twee overgangen dezelfde temperatuur hebben – weerhoudt niets ons ervan om beide blokken te verbinden tot één blok dat op de TREF-temperatuur zal worden gehouden.

We zullen steeds het volgende hebben: V = α(TJ1 – TREF)

Maar toch heeft dit nieuwe circuit één minpunt, met name dat er een verbinding tussen twee thermokoppels moet worden gemaakt. We kunnen het bijkomend thermokoppel ook makkelijk uitsluiten door de overgangen Cu-Fe (J4) en Fe-C (JREF) te combineren. Dit is mogelijk dankzij de wet van tussenliggende metalen. Deze empirische wet bepaalt dat een derde metaal (in dit geval IJzer) ingevoegd tussen de twee verschillende metalen van een thermokoppel, geen enkele invloed heeft op de opgewekte spanning, op voorwaarde dat beide overgangen die worden gevormd door het bijkomende metaal dezelfde temperatuur hebben.

Hierdoor komen we dus tot het onderstaande equivalent circuit waarin onze twee overgangen J3 en J4 de Referentieovergang worden en, waarvoor, de relatie: V = α(TJ1 – TREF) steeds wordt gecontroleerd.

Overzicht

We hebben, in volgorde:

1. Een Referentieovergang gecreëerd,
2. Aangetoond dat V = α(TJ1 – TREF),
3. De Referentieovergang in een bad met smeltend ijs gelegd,
4. Het probleem van de aansluitingen van de voltmeter uitgesloten,
5. Het referentiecircuit gecombineerd,
6. Het bad met smeltend ijs uitgesloten

om tot een eenvoudig circuit, dat gemakkelijk kan worden opgezet, betrouwbaar en efficiënt is. We moeten echter de TREF-temperatuur van het isothermisch overgangsblok precies kennen om de relatie: V = α(TJ1 – TREF) toe te passen en bijgevolg de temperatuur van overgang J1 te kunnen berekeningen, hetgeen altijd ons doel is geweest. We moeten dus de temperatuur van het isothermisch blok beoordelen. Dit is mogelijk met behulp van het RT-materiaal. Met behulp van een multimeter zullen we:

1. RT kunnen meten om de TREF te berekenen
2. TREF in equivalente spanning van de VREF-overgang
3. V kunnen meten en er VREF aan kunnen toevoegen om V1 te vinden
4. V1 kunnen omzetten in temperatuur TJ1

Deze werkwijze wordt Softwarecompensatie (Software Compensation) genoemd, aangezien ze werkt via berekeningen om het feit dat de koude las (of referentieovergang) niet op nul graden staat te compenseren. De temperatuursensor van het isothermisch blok kan eender welk instrument zijn dat een evenredig aspect heeft met de absolute temperatuur: een RTD (Resisteor Temperature Detector), een Thermistor of een geïntegreerde sensor.