Thermokoppel

Datum: Maart-Juni 2008

Principe:

Een thermokoppel maken en het signaal versterken.

Materiaal:

  • Paperclip
  • Koperdraad
  • Soldeerbout
  • Soldeertin
  • Breadboard
  • Variabele weerstand (100 kΩ en 1 MΩ)
  • Weerstanden (100 Ω en 10 MΩ)
  • OpAmp LM41
  • 9V batterijen (2x)
  • Multimeter (digitaal)
  • Multimeter (analoog)
  • Batterijhouders
  • Kabels met krokodillenklem
  • Aansteker of lucifers
  • Tangen

Uitvoering:

  • Verwijder mbv een striptang de isolatie van een elektriciteitsdraad.
  • Neem een tweetal grote paperclips en buig ze recht.
  • Knip er eventueel een stukje af.
  • Neem de soldeerbout en soldeer op de uiteinden van de koperdraad een paperclip draad.
  • Probeer erop te letten dat ze draden elkaar zo goed mogelijk raken.
  • Maak ook een V-vormig thermokoppel door een stuk paperclip aan een stuk koperdraad te solderen.
  • Het resultaat kan men waarnemen in nevenstaande foto.
  • Neem het V vormige thermokoppel en sluit dit aan op de multimeter mbv meetkabels met krokodillen klemmen.
  • Neem de aansteker en verwarm bv de koperdraad.
  • Let op de respons op de multimeter en noteer de meetwaarde voor en na verwarmen.
  • Neem vervolgens het U vormige thermokoppel en gebruik dit voor het tweede experiment.
  • Bouw de schakeling op op het breadboard zoals in onderstaand schema is weergegeven.

  • De voeding en de aarde van de versterkerschakeling verkrijgt men met batterijen zoals weergegeven in bovenstaande schema en schets.
  • Het eindresultaat kan er dan uitzien zoals in nevenstaande foto.
  • In principe zal het gemeten voltage dalen als koppeling 1 warmer is dan koppeling 2 en stijgen als koppeling 2 warmer is dan koppeling 1.
  • Neem in eerste instantie de analoge voltmeter op in de schakeling (het is meestal makkelijker om op de beweging van een naald te reageren dan op het verspringen van een LED display).
  • Probeer de voltmeter mbv de variabele weerstand (R1) dusdanig in te stellen dat deze een paar tienden van een volt aangeeft.
  • Hierdoor kan men het output voltage heen en terug zien springen afhankelijk van welke koppeling verwarmd wordt.
  • Het instellen van R1 is een zeer lastig en tijdrovend klusje.

  • Nadat men de instelling van R1 gevonden heeft kan met de analoge voltmeter vervangen door een digitale.
  • Verwarm vervolgens een van de koppelingen met de aansteker en observeer.

Resultaten:

In het eerste experiment dat we uitgevoerd hebben laten we zien dat we door het thermokoppel te verhitten een potentiaal verschil creëren van enkel mV.

Dit onderdeel heb ik inderdaad succesvol kunnen afsluiten. Het tweede deel van dit experiment was iets minder succesvol.  Het lukte me maar niet om mbv de 100 kΩ variabele weerstand een signaal van enkele 10den volt in te stellen. Ik ben daarom overgestapt op een 1MΩ variabele weerstand en daarmee lukte het wel. Het enige nadeel was echter dat ik geen stabiel signaal kon creëren er was altijd drift in het signaal. Desalniettemin kan men zien dat als men het rechter thermokoppel verhit het voltage stijgt en als men de vlam weghaalt onmiddellijk weer gaat dalen. De response is sneller en groter dan bij het systeem zonder opamp.

Het resultaat kan men waarnemen in bovenstaand filmpje.

 

YouTube link: OpAmpActie

Discussie en conclusie:

We maken een thermokoppel door een draad van het een type metaal te plaatsen tussen twee draden van een ander metaal. Als een van de, op deze manier gemaakte, verbindingen (of koppelingen) warmer gemaakt wordt dan de andere dan zal het thermokoppel een klein potentiaal verschil creëren. Sommige metalen of legeringen zijn beter als thermokoppel te gebruiken dan andere. In dit geval hebben we een eenvoudig thermokoppel gemaakt mbv een paperclip (m2, ijzer) en koperdraad (m1). 
Het principe van thermokoppels is gebaseerd op het Seebeck-effect: als er in een geleider een temperatuurverschil ontstaat, verschuift de verdeling van vrije elektronen. De grootte van deze ladingsverschuiving hangt daarbij af van de elektrische eigenschappen van het materiaal. Er wordt thermische energie toegevoegd aan de elektronen die zich normaal gesproken vrij binnen het kristalrooster kunnen bewegen. Als de energie-inhoud toeneemt gaan de elektronen sneller bewegen en zullen ze zich van de warme naar de koude kant bewegen om het systeem zo weer in evenwicht te brengen. Hier zullen ze dan weer langzamer bewegen en daarbij energie afstaan. Aan de koude kant ontstaat zo een overschot aan elektronen waardoor deze kan negatief geladen wordt t.o.v. de warme kant. Er ontstaat een dynamisch evenwicht waarbij zich een elektrisch veld ontwikkeld. Het potentiaalverschil dat ontstaat kunnen we meten met een voltmeter. In formule:

dV = S.(Th - Tc)
Hierin is S de Seebeck coëfficiënt. De Seebeck coëfficiënt wordt gedefinieerd als het open schakeling voltage dat geproduceerd wordt tussen twee punten van een geleider waar een  uniform temperatuur verschil van 1K bestaat tussen deze twee punten.
 

Literatuur:

  • Forest M. Mims III; 'Engineer's Mini-Notebook - Science Projects'; Radio Shack; 1990; 1st Ed. ; p. 14,15.
  • JG Willemse, AGM Hillege; ‘Fysische Informatica voor tweede ronde VWO’; van Walraven; 1993; ISBN 9060498380;  p. 87-90.
  • Thermokoppels - Eenvoudig uitlezen met de MAX6675; Elektuur; 10 2004; p. 50-52.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Een thermopile of thermozuil is een aantal thermokoppels die in serie geschakeld zijn en zo gezamenlijk een hoger potentiaalverschil creëren.
  • Houdt de vlam niet rechtstreeks op de soldeer gericht. De verbinding zou daardoor los kunnen komen.
  • Als de verandering in voltage plotseling stopt en in de tegenovergestelde richting begint te bewegen wordt dit veroorzaakt door geleiding van warmte van de hete naar de koele koppeling.
  • De kleine analoge multimeter heb ik bij de Gamma gekocht voor ca. 9 €.
  • Het Seebeck effect is het omgekeerde van het Peltier-effect. Bij het Peltier effect wordt  elektrische stroom omgezet naar een temperatuursverschil.

Achtergrondinformatie:

Het thermo-elektrisch effect is ontdekt door de Est Johannes Seebeck (1770-1831). Seebeck studeerde medicijnen in Duitsland en studeerde als doctor af in 1802. Het grootste deel van zijn leven was hij echter betrokken in wetenschappelijk onderzoek. In 1821 ontdekte hij dat een dat een kompasnaald afgestoten werd als deze geplaatst was in de nabijheid van een gesloten kring als deze opgebouwd was uit twee verschillende metalen geleiders als de koppelingen op verschillende temperaturen gehouden werd..Hij stelde ook vast dat de mate van deflectie evenredig was met het temperatuurverschil en mede afhankelijk was van het type geleidend metaal. Seebeck experimenteerde met een zeer breed scala van materialen inclusief de in de natuur gevonden halfgeleiders ZnSb en PbS.

Operationele versterkers

Operationele versterkers heten in het Engels 'operational amplifiers' afgekort 'opamps'. Een opamp is een compleet geïntegreerde gelijkspanningsversterker voornamelijk opgebouwd uit  transistors. Het  symbool voor de opamp wordt in de onderstaande figuur weergegeven. Een opamp heeft twee ingangen (+ en -) en één uitgang. Men spreekt ook wel van een niet-inverterende ingang en inverterende ingang. De opamp wordt gevoed met een positieve gelijkspanning  (in de range 5V tot 15 V) en en even grote negatieve gelijkspanning (in de range -5V tot -15V). Meestal laat men de voedingsaansluitingen in het symbool weg. Het verschil tussen V1 en V2 is  het ingangssignaal: Vin = V1 – V2. Dan is het gelijk aan dat van een comparator. Als V1 hoger is dan V2 geeft de opamp een hoog uitgangssignaal.

De verhouding tussen Vuit en Vin noemt men de versterkingsfaktor A:

Als A =106  wordt een verschil tussen V1 en V2 van 5 µV omgezet in een uitgangssignaal van 5V.

 

08/01/2017