Temperatuur metingen
Om schakelingen en testopstellingen te controleren zijn vaak temperatuurmetingen noodzakelijk. Vaak is het falen van halfgeleiders, transformatoren en andere passieve componenten te wijten aan thermische overbelasting. Dit is te voorkomen door de temperatuur van kritische componenten tijdens de testfase in de gaten te houden.
Vaak wordt er weinig aandacht geschonken aan deze metingen. Doordat men vaak niet weet waar op te letten komen meetfouten zeer regelmatig voor. Fouten van enkele tientallen graden Celcius zijn geen uitzondering.
Thermokoppel
Thermometers op basis van thermokoppels bestaan in diverse uitvoeringen. Ze kunnen uitgevoerd zijn als zelfstandig meetinstrument zoals in de foto hiernaast, geïntegreerd in een multimeter, als meetkaart voor een computer enz.. De eigenlijke sensor bestaat uit twee metalen draden die aan één kant gelast zijn, dit is de voeler, ook wel hete-las genaamd. Aan de andere zijde wordt de spanning gemeten op een temperatuur gecompenseerd meetblok, de koude-las.
Er zijn verschillende soorten thermokoppels verkrijgbaar. Het onderscheid in de diverse soorten zit hem in de twee metaalsoorten waar deze uit is opgebouwd. Elke sensor heeft zijn eigen temperatuurbereik, gevoeligheid en lineaire afwijking.
| Type | Materiaal | Temperatuur bereik [°C] | Gevoeligheid [µV/K] |
| T | Koper-Constantaan Cu-CuNi | -40...+350 | 40 |
| J | IJzer-Constantaan Fe-CuNi | -40...+750 | 50 |
| E | Chromel-Constantaan NiCr-CuNi | -40...+900 | 60 |
| K | Chromel-Alumel NiCr-NiAl | -40...+1200 | 40 |
| N | Nicrosi-Nisil NiCrSi-NiSi | -40...+1200 | 36 |
| S | Platina-PtRh10 Pt-PtRh 10% | 0...+1600 | 9 |
| R | Platina-PtRh13 Pt-PtRh 13% | 0...+1600 | 9 |
| B | PtRh6-PtRh30 | +600...+1700 | 5 |
De verschillende soorten zijn te onderscheiden door hun kleurcode. Er zijn meerder systemen (BS, ANSI, DIN en IEC) die elk hun eigen kleuraanduidingen hebben. Het meest gebruikt is de K-type thermokoppel en heeft een lineaire uitgangskarakteristiek. Deze is meestal met gele connectoren uitgevoerd. Het gebruik van het type sensor en verwerkings/uitleesunit moet op elkaar zijn afgestemd. Dus een type-K thermokoppel kan alleen met een daarvoor bedoeld apparaat worden verbonden.
Thermische koppeling van de sensor
De standaard thermokoppel is uitgevoerd met een bolvormige las aan het uiteinde. Deze sensoren zijn alleen geschikt voor metingen van vloeistoffen en gassen. Door de bolvorm is geen goed thermisch contact mogelijk met harde oppervlakken.
Hiernaast is een schematische voorstelling getekend van de situatie in de foto hieronder.
De thermokoppellas heeft slechts via een zeer klein oppervlak is thermisch contact met het te meten object. De las heeft echter een relatief groot koelend oppervlak naar de omgeving. Bij een meting aan en oppervlak van 65 °C werd door de thermometer een temperatuur van 42 °C geregistreerd. Een meetfout van 23 °C!
Indien in het te meten object een diep gat aanwezig is kan de thermokoppel hierin gestoken worden. De aansluitdraden hebben nu via de omringende lucht thermisch contact met het meetobject. Het is niet perfect maar de fout zal nu flink gereduceerd worden. Als het mogelijk is vul het gat met een vloeistof om het thermisch contact verder te verbeteren.
Voor temperatuurmetingen aan voorwerpen moet een goed thermisch contact gemaakt worden. Hiervoor bestaan speciale opnemers met een oogje. Deze kunnen met een boutverbinding aan het voorwerp bevestigd worden.
IR thermometers
Elk object warmer dan 0 K (-273 °C) zend elektromagnetische golven uit. Met name in het infrarode gebied. De intensiteit is afhankelijk van de temperatuur en het soort oppervlak van het object.
Deze infrarode straling kan gemeten worden met een IR-thermometer. Het grote voordeel van deze thermometers is dat deze geen contact hoeft te maken met het te meten oppervlak. Hierdoor is het mogelijk om temperaturen te meten aan bewegende objecten of aan delen die onder spanning staan.
| Materiaal | Emissie- coëfficiënt |
| Huid, menselijk | 0,98 |
| Water | 0,92...0,96 |
| IJs | 0,96...0,98 |
| Asfalt, teer, pek | 0,95...1,00 |
| Kunststof | 0,90...1,00 |
| Zwart rubber | 0,94 |
| Verf | 0,80...0,97 |
| Glas | 0,85...1,00 |
| Keramiek | 0,80...0,94 |
| Cement | 0,96 |
| Beton | 0,94 |
| Hout | 0,80...0,90 |
| Staal, geoxideerd | 0,80 |
| IJzer, geoxideerd | 0,78...0,84 |
| Roodkoper, geoxideerd | 0,78 |
| Geelkoper geoxideerd | 0,56...0,64 |
| Gewalst roestvrij staal | 0,45 |
| Aluminium, geoxideerd | 0,40 |
| Zink, gegalvaniseerd | 0,28 |
| Roodkoper, mat | 0,22 |
| Geelkoper, gepolijst | 0,05 |
| IJzer, niet-geoxideerd | 0,05 |
| Roodkoper, gepolijst | 0,02...0,07 |
Emissiecoëfficiënt
Voordat aan een object gemeten wordt moet eerst de emissiecoëfficiënt worden ingesteld. Hiernaast staat een tabel met de emissiecoëfficiënten van een aantal materialen.
Bij veel IR-thermometers is het niet mogelijk om de coëfficiënt in te stellen, en staat deze op een vaste waarde ingesteld, 0,95 is gebruikelijk. Bij het bepalen van de temperatuur van oppervlakken met een andere emissiecoëfficiënt zal niet de juiste temperatuur aangegeven worden. Er is speciale verf in de handel met een nauwkeurig gedefinieerde emissiecoëfficiënt. Hiermee kan een oppervlak behandeld worden voordat er aan gemeten wordt.
Als de absolute stralingsconstante C [W/(m2*K4] ingesteld moet worden moet de emissiecoëfficiënt vermenigvuldigd worden met 5,67.
Stralings transparantie en reflectie
Glas is voor zichtbare golflengten transparant, licht gaat hier vrijwel onbelemmerd doorheen. Voor het infrarood bereik waarin deze thermometers meten (8...16 µm) zijn de meeste soorten glas ondoorzichtig. Het is dus niet mogelijk om de temperatuur van voorwerpen die zich achter glas bevinden te bepalen. Een IR-thermometer gericht op glas meet de temperatuur van het glas zelf.
Van glimmende voorwerpen zoals gepolijste metalen oppervlakken kan de temperatuur ook niet bepaald worden. Zij stralen nauwelijks in het infrarode bereik maar reflecteren deze golflengtes zeer goed. Bij het richten van een IR-thermometer op een glimmend oppervlak zal niet de temperatuur van het voorwerp gemeten worden maar wel de temperatuur van de omgeving of van een gespiegeld voorwerp.
De meetspot
Ten aanzien van de meetspot, dit is het gebied waarvan de temperatuur gemeten wordt, kan onderscheid worden gemaakt in korte- en langeafstand meetbereiken. IR-thermometers zijn uitgerust met een pointer om de thermometer te kunnen richten en om de grootte van de meetspot te kunnen bepalen.
De korteafstand meters zijn uitgerust met een LED-pointer en hebben een kleine minimale spotgrootte in orde grootte van 3 mm. Deze zijn het meest geschikt voor elektronica doeleinden. Door de kleine minimale spotgrootte is kan de temperatuur van SMD vermogens onderdelen nog bepaald worden.
De langeafstand thermometers zijn uitgerust met een LASER-pointer. Ze worden in de handel ook wel misleidend "LASER-thermometers" genoemd. Deze thermometers zijn ongeschikt voor elektronica doeleinden vanwege hun grote meetspot. Daardoor is het onmogelijk om de temperatuur van een afzonderlijke component te bepalen zonder ook de omgevingstemperatuur mee te nemen.
Als de meetspot niet goed gefocust wordt op het te meten component en een groter gebied beslaat dan alleen dat component, zal niet de juiste temperatuur geregistreerd worden. De thermometer meet dan niet alleen de straling van het component maar ook die van de directe omgeving.
Voorbeeld meetfouten
Hier een voorbeeld welke invloed een verkeerd ingestelde emissiecoëfficiënt heeft op de geregistreerde temperatuur.
De opstelling bestaat uit een transistor in TO218 behuizing gemonteerd op een voorgeboord zwart geëloxeerd SK18/75 koellichaam. De warmtestroom bedroeg 15,2 W. Omgevingstemperatuur 24 °C. De emissieconstante van de thermometer was bij alle metingen ingesteld op 0,9. Deze instelling komt overeen voor metingen aan oppervlakken met een stralingsconstante van 5,1 W/m2*K4.
In de figuur hiernaast zijn de meetspots in de juiste verhouding aangegeven en in de tabel hieronder staat de gemeten temperatuur. Het meetpunt "e" ligt in een klein stuk blank geschuurd koellichaam. Het overige deel is zwart geëloxeerd.
| meet- punt | omschrijving meetpunt | gemeten temperatuur |
| a. | plastic deel transistor | 83 °C |
| b. | metalen lip transistor | 48 °C |
| c. | schroefkop (M4) | 36 °C |
| d. | koellichaam bij transistor | 78 °C |
| e. | blank gemaakt deel koellichaam | 36 °C |
| f. | direct naast het blanke deel | 75 °C |
| g. | buitenste rib | 74 °C |
| h. | onderkant koellichaam | 74 °C |
| - | rood omcirkeld vlak | 56 °C |
De meest opvallende meetfout is die van punt e, het blank gemaakte deel van het koellichaam. Meetpunt f ligt hier vlak naast en hebben dezelfde temperatuur. Het gemeten temperatuurverschil tussen meetpunt e (blank) en f (zwart) wordt veroorzaakt door de verschillende emissiecoëfficiënten van deze oppervlakten. De temperatuurverschillen moeten gerelativeerd worden aan de omgevingstemperatuur om een goede indruk te krijgen van de afwijkingen:
- Blank: 36 °C - 24 °C = 12 K,
- Zwart: 75 °C - 24 °C = 51 K.
Bij de transistor zien we dit weer terug. De glimmende objecten (metalen bevestigingslip b en de M4 schroefkop c) meten een veel lagere temperatuur dan de zwart plastic behuizing.
Het rood omcirkeld vlak is het gebied dat is gemeten zonder duidelijke focus op een specifiek deel. Er wordt een soort gemiddelde gemeten. Maar omdat zich binnen dit vlak verschillende oppervlakken met verschillende emissiecoëfficiënten bevinden wordt er eigenlijk niets zinnigs gemeten.
Andere thermometers
Naast de hierboven beschreven thermokoppel- en IR-thermometers zijn er ook PT100, halfgeleider- en andere thermometers in de handel. Deze thermometers zijn net als de thermokoppel voornamelijk bedoeld voor metingen in vloeistoffen en gassen. Bij het bepalen van de temperatuur van voorwerpen geld ook hier dat het contact met het meetdoel niet altijd even zeker is.