Thermokoppel |
Datum: Maart-Juni 2008
Principe:
Een thermokoppel maken en het signaal versterken.
Materiaal:
|
|
Uitvoering:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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:
|
Relevante websites:
Minder relevante websites:
Opmerkingen:
|
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 versterkersOperationele 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