Thermokoppels zijn gebaseerd op het principe van vergelijkende metingen en bestaan uit twee metalen geleiders van verschillende materialen die op het meetpunt aan elkaar zijn gelast. Afhankelijk van de materiaalcombinatie hebben zij verschillende niveaus van thermo-elektrische spanning en zijn zij geschikt voor verschillende temperatuurbereiken. De meest gebruikte thermokoppels zijn van het type K en J.
Gewoonlijk bestaat de thermokoppel uit een combinatie van twee metalen aders met diameters die variëren van 0,2 tot 5 mm. Bij gebruik van dure 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 thermo-spanning gelijkmatig beïnvloedt, om een lineaire karakteristiek te verkrijgen. Het geschikte materiaal voor de thermokoppel wordt gekozen afhankelijk van het temperatuurbereik van de meting.
De beschermbuis van de sensor wordt blootgesteld aan zeer hoge temperaturen, waardoor het noodzakelijk is verschillende materiaalsoorten 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 de thermokoppel aanzienlijk. Er zijn ook ontwerpen zonder beschermbuis 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.
De beschermbuis moet bestand zijn tegen corrosie, thermische schokken en mechanische schade. Een gewenste eigenschap om corrosie van een thermokoppel te voorkomen is een lage doordringbaarheid van de beschermbuis door gassen die het verouderingsproces van het thermokoppel aanzienlijk kunnen versnellen.
In tegenstelling tot een weerstand temperatuursensor (Pt100) kan een thermokoppel in een veel hoger temperatuurbereik worden gebruikt. Bovendien zijn thermokoppels robuuster en beter bestand tegen mechanische belasting. Nadeel is dat de nauwkeurigheid van de meting kleiner is.
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
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 geleidende metalen een verschillende dichtheid van vrije elektronen hebben. Op de warme las 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 de warme las 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.
De keuze van een type thermokoppel hangt in de eerste plaats af van de temperatuur van de toepassing. Om een meetsignaal te verkrijgen dat zo ongevoelig mogelijk is voor interferentie dien je een element met een hoge thermo-elektrische spanning te kiezen. 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 niet-edelen elementen en 0,5 mm bij edele elementen.
De lengte van de thermokoppel of de compensatiekabel is van secundair belang vanwege de lage inwendige weerstand. Bij grotere kabellengtes met een kleine doorsnede kan de weerstand van de thermokoppel of de compensatiekabel echter verhoudingsgewijs hoge waarden aannemen. Om weergavefouten te voorkomen, moet de interne weerstand van het ingangscircuit van evaluatie-apparaat 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 koppel gecreëerd. De compensatiekabel moet tot aan de referentieaansluiting worden gelegd. Bij het aansluiten van thermokoppels dient u de polariteit in acht te nemen.
Een thermokoppel geeft geen spanning af als de meettemperatuur, de warme las, gelijk is aan de referentietemperatuur, de koude las. De thermospanning is dan 0 mVolt. 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 evaluatie-apparaat de referentietemperatuur weer.