Een thermokoppel levert echter een relatieve spanning: het verschil tussen de temperatuur aan de 'warme las' en de temperatuur aan de aansluiting. Er moet dus een tweede sensor toegepast worden (die absoluut meet), en zijn gemeten temperatuur moet opgeteld worden bij hetgeen de thermokoppel meet. Bij mij gebeurt dit softwarematig.

Een ander minpunt is dat de thermokoppel een uiterst kleine spanning levert: 41µV/°C voor de meest gebruikte type K. Type J levert 55µV/°C maar is moeilijker te vinden. Het type K wordt vaak in de zware industrie gebruikt omdat het relatief hoge temperaturen aankan (het wordt bijvoorbeeld in hoogovens toegepast). Type J wordt in de plastiek-industrie gebruikt (de smelttemperatuur van plastiek ligt heelwat lager dan die van gietijzer).

Mijn eerste ontwerp gebruikte een AD517 in metalen behuizing. Dit is een op amp die speciaal ontworpen is voor het versterken van heel lage spanningen (lage offsetspanning en drift). Nadat de warme las in contact gekomen is met de 240V werkte het IC niet goed meer (zie foto). Dit gebeurde op een vrijdag avond in de winter (ik had toen de slechte gewoonte de vrijdag avond te knutselen). Ik heb het origineel ontwerp (met een AD517 als voortrap en een UA741 als tweede trap) vervangen door een dubbele op amp, een LF353. Niet direct het beste op amp dat er is, maar het was het enige dat ik in stock had. Er is een rudimentaire offsetcorrectie voorzien door een weerstand van 10MΩ die met een potentiometer verbonden is.

Het signaal moet ongeveer 2000× versterkt worden vooraleer het aan de omzetter aangeboden wordt. Een dubbele op amp wordt gebruikt: de eerste levert de lineaire versterking, de tweede voert een differentiatie zodat temperatuurvatiaties sneller worden opgevangen (het corrigeert tevens de traagheid van de sensor). Een enkele op-amp kan beide functies niet aan (beperkte open lus versterking). Differentiatie van het zeer zwak signaal zou ook teveel ruis teweeg brengen (de gebruikte op-amp heeft een eigen ruisbijdrage van ongeveer 10µV). Van zodra het signaal een niveau van een paar volt heeft, is de ruisbijdrage van de differentiator beperkt.

Voorbeeld gebruik van een thermokoppel in de industrie

Dit type thermokoppel geeft een lagere spanning af, maar is meer stabiel dan andere types, zoals de K type die in het algemeen gebruikt wordt. De type-K thermokoppels moeten om de 5 jaar vervangen worden, want de afgegeven spanning verloopt na zoveel jaren.

Dit systeem wordt bijvoorbeeld gebruikt om de temperatuur van de uitlaatgassen te meten in dieselgeneratoren en motoren voor de scheepvaart. Ieder cylinder heeft zijn eigen thermokoppel en met een schakelaar kan men de temperatuur van alle cylinders meten. Enkel thermokoppels zijn geschikt voor dergelijke hoge temperaturen en de installatie is zeer eenvoudig: slechts twee draden van de thermokoppel naar de aanduider.

Dit is de complete signaalversterker die het signaal van 55µV/°C omzet naar een signaal dat gaat van 0.5 tot 4.5V. De 10µF wordt gerealiseerd met blok-condensatoren en niet met elko's. De twee elko's zitten op de voedingslijn.

Een verdere differentiatie wordt digitaal toegepast om een betere impulsgedrag van het regelcircuit te bekomen. Bij het uitschakelen van de brander blijft de keteltemperatuur namelijk nog verder stijgen.

De analoge (op amp) en digitale impulsversterking is goed zichtbaar op de grafieken, waar het temperatuurverloop van de boiler minder effen is.

Living

Kamer

Kelder (koude-las temperatuur van de thermokoppel)

Tuin (invloed van de buitentemperatuur),
grijze temperatuurschaal

Ketel warmwatertemperatuur,
rode schaal.

De differentiatie produceert een meetbare ruis. De ruis zorgt er voor dat de AD omzetting nauwkeuriger verloopt dan met een signaal zonder ruis. De ruis is vergelijkbaar met een klein wobbelsignaal.

Ik heb ook gemerkt dat de traagheid van mijn nieuwe thermokoppel redelijk hoog is (de thermokoppel reageert trager dan de thermometer op de boiler, wat toch belachelijk is). Misschien is de warmteoverdracht tussen behuizing en meetlas niet zo optimaal? Mijn vorige thermokoppel (met zichtbare las) had een snellere respons, helaas, die is defekt gegaan na een paar jaar. Daarbij komt nog dat de behuizing van de thermokoppel blijkbaar contact maakt met de meetdraden, waardoor er een bromspanning ontstaat (massafouten) als de thermokoppel niet geisoleerd opgesteld staat. Wikkelen in isolatietape is natuurlijk niet goed voor de reaktiesnelheid, maar een andere oplossing is er niet: de signalen die versterkt moeten worden zijn zo zwak (minder dan een mV) dat een massafout de meting volledig in de war stuurt.

Een ander probleem (en die is pas aan het licht gekomen na een paar jaar gebruik) is de hysteresis van de thermokoppel. Bij het stijgen van de temperatuur volgt de spanning niet direct, maar pas als de temperatuur met een graad op 10 gestegen is. Voor processen die op hoge temperaturen gebeuren is dit niet zo erg, maar hier, waar de temperatuur van het water maar een paar graden moet veranderen is dit wel een nadeel. Thermokoppels gaan dus niet zo lang mee...

Iedere sensor en bijhorende versterker krijgt zijn voeding (+12V en -12V) van de computer: geen extra voeding nodig.

Zoals het Seebeck effekt (waarop een thermokoppel gebaseerd is) is dit een constante waarde, waardoor een betrouwbare sensor gemaakt kan worden. Voor het bepalen van de keteltemperatuur is dan een versterking van 35× voldoende.

Er zijn twee dioden, dus hier heb je ook een systeem met “koude las” en “warme las” zoals bij een thermokoppel. De tweede (koude) diode dient als referentie. Aangezien de referentiespanning van deze diode eveneens verandert met de temperatuur meet het systeem hier ook een relatieve temperatuur. De software houdt hiermee rekening zoals bij een thermokoppel (naast de referentie diode staat een LM3911N die een absolute temperatuurmeting uitvoert). De absolute temperatuur wordt bij de gemeten relatieve keteltemperatuur opgeteld om de effektieve temperatuur te bekomen.

Een technische achtergrond over signaalmeting en omzetting kan je hier vinden.

Uiteindelijk heb ik geen temperatuurmeting met een diode gedaan (al is de diode lineair en is het signaal groot genoeg):

• De diode moet in een geïsoleerde behuizing geplaatst worden, en de thermische geleiding wordt daardoor veel slechter.
• Het is niet mogelijk een process calibrator te gebruiken om de schakeling af te regelen.

De schakeling gebruikt een LM10 vanwege zijn ingebouwde spanningsbron van 200mV. Met een extra transistor maak ik er een stroombron van 900µV.

De spanning is negatief ten opzichte van de massa want de spanningsbron is voorzien ten opzichte van de negatieve voeding (de LM10 is niet ontworpen voor symmetrische voedingen). De op amp moet dus als invertor geschakeld worden.

De versterking wordt ingesteld op ongeveer 20× en zo beschik ik over een spanning van 0 tot 6V voor een temperatuur van 0 tot 75°C. Er is een offset en gain regeling voorzien en de instelling regel ik met een process calibrator.

Achteraf is er een differentiator bijgeplaatst om het impulsgedrag te verbeteren. Zo reageert de schakeling sneller op een temperatuursverandering. De tijdscontante kan veranderd worden naargelang de werking van de circulatiepomp: als de circulatiepomp draait, dan wordt het warm water gecirculeerd en komt dus sneller in contact met de Pt1000. De differentiator moet dus minder ingrijpen als de circulateur draait.

Aan de uitgang van de schakeling is er een diode opgenomen om negatif gaande spanningen te vermijden. De AD omzetter loopt vast bij negatieve spanningen en geeft foute waarden op de metingen van alle ingangen.

Deze schakeling levert een absolute temperatuur, waardoor ik de software correctie heb uitgeschakeld (koude las compensatie). Na een paar maanden merk ik dat de temperatuurstabilisatie veel correcter verloopt met een Pt1000 dan met een thermokoppel (snellere reaktietijd). Daardoor wordt ook de temperatuur in de ruimtes beter gestabiliseerd en moet het leersysteem de verwarmingsparameters niet meer aanpassen.