Temperatuursensoren

Temperatuursensoren

Wat is het?

Een temperatuursensor is een sensor die wordt gebruikt om de temperatuur te meten. In installaties voor ruimteverwarming en de productie van warm water voor huishoudelijk gebruik kan het nuttig zijn om de temperatuur van verschillende elementen te meten:

• Gassen: binnen- of buitenlucht, koelmiddel in gasvormige toestand, verbrandingsgas, …
• Vloeistoffen: water of waterige oplossingen, koelmiddel in vloeibare toestand, …
• Vaste stoffen: radiatoren of convectoren, warmtewisselaars, vloer- of wandelementen, …

In het kader van het monitoren van verwarmings- en warmwaterinstallaties zullen de meeste temperatuurmetingen worden uitgevoerd met als doel de toestand van een vloeistof of een gas te kennen (bijvoorbeeld: water in een leiding, kamertemperatuur, enz.). Er zijn twee soorten temperatuurmetingen: directe of indirecte meting. Bij een directe meting wordt een sonde in de vloeistof (of het gas) geplaatst: bijvoorbeeld een dompelsonde in een leiding of de kamersonde van een thermostaat. Bij indirecte metingen wordt de temperatuur van een vloeistof (of een gas) bepaald via een temperatuursensor op een wand waarmee de vloeistof in contact staat, zoals bijvoorbeeld het oppervlak van een radiator.

Er zijn verschillende soorten temperatuursensoren met verschillen in werkingsprincipe, mogelijk meetbereik en vorm. De fysische en chemische eigenschappen van de te meten vloeistof of het te meten gas en de omgeving waarin de sensor wordt geplaatst (bijvoorbeeld binnen/buiten) spelen een bepalende rol bij de keuze van de juiste sensor. Een temperatuursensor bedoeld om in een ​​vloeistof te meten zal doorgaans waterdicht zijn, en een temperatuursensor bedoeld om in lucht te meten zal doorgaans zijn ondergebracht in een behuizing die hem beschermt tegen direct contact en mogelijke weersinvloeden, terwijl er toch voldoende luchtcirculatie mogelijk is. Om de temperatuur van een vloeistof door indirecte meting voldoende nauwkeurig te kunnen bepalen, moet de vorm van de sensor een zo goed mogelijk contact met het vaste oppervlak toelaten.

Hoe werkt het?

In deze fiche laten we temperatuursensoren buiten beschouwing die werken op basis van de uitzetting van een vloeistof of een gas (bijvoorbeeld kwikthermometers) of een metalen element (bijvoorbeeld bimetaalsensoren). Ook gaan we niet in op infraroodcamera’s, aangezien deze vooral worden gebruikt voor inspectie, en laten we ook andere, meer geavanceerde methoden voor het meten van de temperatuur, zoals die op basis van optische vezeltechnologie, buiten beschouwing, omdat ze relatief weinig worden gebruikt bij verwarming en warmwaterproductie-installaties.

In verwarmingsinstallaties worden typisch volgende types temperatuursensoren gebruikt:

• Thermokoppels
• Resistieve temperatuursensoren of RTD (Resistance Temperature Detectors)
• Thermistoren
• Digitale temperatuursensoren

Thermokoppels zijn opgebouwd uit twee verschillende metalen die tegen elkaar gezet worden in de sensor. Een temperatuursverandering ter hoogte van de junctie tussen de twee metalen resulteert vervolgens in een (meetbare) spanningsverandering. Dit is te danken aan fysisch verschijnsel dat het Seebeck-effect wordt genoemd. Er bestaan verschillende types thermokoppels (zie Tabel 1) die zich onderscheiden door de combinatie van metalen die gebruikt worden, de gevoeligheid en het meetbereik. Zoals te zien is in de tabel, kennen thermokoppels een zeer groot meetbereik en kunnen ze zeer hoge temperaturen (bv. > 1000°C) opmeten, mede doordat ze volledig uit metaal opgebouwd zijn.

Tabel 1: Soorten thermokoppels [Bron: https://www.digikey.com/en/blog/types-of-temperature-sensors#:~:text=There%20are%20four%20types%20of,based%20integrated%20circuits%20]

Thermokoppels worden algemeen beschouwd als eerder onnauwkeurige temperatuursensoren en hebben een nauwkeurigheidsmarge van doorgaans ongeveer één graad Celsius (+/- 1,5°C). In de hier bestudeerde context kan deze nauwkeurigheid echter vaak voldoende zijn, vooral voor het monitoren van temperaturen in verwarmingsleidingen.

Ondanks deze beperkingen blijven thermokoppels populaire keuzes vanwege hun robuustheid, betaalbaarheid en het vermogen om snelle metingen uit te voeren. Ze reageren ook zeer snel op temperatuurveranderingen. Deze kenmerken maken ze tot effectieve hulpmiddelen voor het onderhoud en de regeling van verwarmingsinstallaties waarvoor real-time gegevens noodzakelijk zijn.

Een resistieve temperatuursensor, ook wel RTD (Resistive Temperature Detector) genoemd, zijn opgebouwd uit een elektrische weerstand met een welgekende weerstandswaarde bij een bepaalde temperatuur (bv. 100 Ohm bij 0°C voor een PT100 RTD). Meestal gaat het om een metaal (bv. platinum). Als de temperatuur verandert, zal de (meetbare) weerstandswaarde van de sensor mee variëren. Bij een RTD is de relatie tussen de temperatuur en de weerstandswaarde quasi lineair. Een RTD onderscheidt zich door zijn hoge nauwkeurigheid, waarbij de foutmarge doorgaans beperkt is tot ongeveer 0,3-0,5°C. Deze precisie kan vooral nuttig zijn in de context van verwarmingsinstallaties wanneer meer precisie is vereist. Het is echter belangrijk op te merken dat een RTD doorgaans een langzamere responstijd heeft, wat problematisch kan zijn in bepaalde situaties waarin snelle temperatuurveranderingen moeten worden gemonitord. In termen van kosten en robuustheid wordt een RTD vaak bestempeld als duurder en gevoeliger dan andere soorten sensoren. De stabiliteit en nauwkeurigheid van de meting compenseren deze nadelen echter vaak. Bovendien biedt hun uitgebreide meetbereik, van ongeveer -200°C tot 600°C, meer dan voldoende veelzijdigheid voor de temperaturen die voorkomen in verwarmingssystemen.

Figuur 1: Voorbeeld van een resistieve temperatuursensor: PT100 van Belimo (in 2-draads uitvoering). [Bron: 01CT-1AH | Duct Sensors (Air) | Sensors / Meters | Belimo belgium Official Site)]

Thermistors zijn eveneens resistieve temperatuursensoren. Het verschil met ’een RTD is dat een thermistor meestal niet uit metaal gemaakt is en daardoor ook goedkoper is. Een voorbeeld van een type weerstand dat gebruikt wordt in een thermistor is een zogenaamde NTC (Negative Temperature Coëfficiënt) weerstand, waarvan de weerstandswaarde daalt bij toenemende temperatuur.

Thermistors worden meestal gebruikt in lagere temperatuurintervallen, maar zijn ook bruikbaar voor toepassingen in verwarmingssystemen (-70°C tot 250°C). Hoewel ze een iets langere responstijd hebben dan thermokoppels, onderscheiden ze zich door een betere nauwkeurigheid (+/- 1°C). Hun prijs is echter ook iets hoger. Ze worden vaak gebruikt als oplossing voor het meten van de omgevingstemperatuur.

Ten slotte zijn digitale temperatuursensoren chips (die gebruik maken van halfgeleidertechnologie) die de temperatuur meten door gebruik te maken van de temperatuurafhankelijke eigenschappen van transistors of andere componenten op de chip. Digitale temperatuursensoren zijn bijvoorbeeld nuttig voor het opvolgen van de omgevingsomstandigheden van een elektronisch systeem. Hun temperatuurbereik (bijvoorbeeld -55°C tot 122°C voor de sensor in figuur 2); is over het algemeen beperkter dan dat van de eerder besproken sensoren, omdat de chips niet bestand zijn tegen hoge temperaturen. De klassieke werkingsintervallen zijn echter wel geschikt voor verwarmingstoepassingen. Ze kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden als referentietemperatuursensor of in de vorm van sondes, vergelijkbaar met het PT100-voorbeeld hierboven. In het laatste geval bevindt de chip zich dan in de metalen capsule van de sonde.

Figuur 2: Voorbeeld van een digitale temperatuursensor (TMP36). [Bron: oomlout, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons]

Samenvattend is het van cruciaal belang om er rekening mee te houden dat elk type sensor een aparte configuratie/vorm kan aannemen en geschikt kan zijn voor het meten van de temperatuur, ongeacht of het een directe meting is (in contact met de vloeistof of het gas) of indirect (in contact met de wand). De keuze van de sensor zal moeten afhangen van een zorgvuldige evaluatie van verschillende factoren; met name het meetbereik, de precisie, de responstijd en vooral de vorm. Dit alles is afhankelijk van de beoogde toepassing. Bij het monitoren van de temperatuur van het verwarmingswater kan de behoefte aan nauwkeurigheid bijvoorbeeld minder kritisch zijn dan bij het meten van de kamertemperatuur, waar het temperatuurbereik beperkter is. Bovendien zal voor elk van deze scenario’s het ontwerp en de technologie van de gebruikte sensor waarschijnlijk variëren.

Digitale uitlezing

Om de door de sensoren gemeten temperatuurgegevens te kunnen gebruiken, moet je deze gegevens kunnen uitlezen en analyseren. Het uitlezen en analyseren van de gegevens kan geïntegreerd zijn in het toestel dat de meting mogelijk maakt (bijvoorbeeld: een box met display), of kan gebeuren via een datavisualisatieplatform op een computer.

Of het nu gaat om automatisering of visualisatie, de sensor moet op een verwerkingseenheid worden aangesloten. Als het signaal in eerste instantie analoog is, zal die eenheid in de eerste plaats dat signaal omzetten in een digitaal signaal. Meestal zijn er ook een of meer extra functies, zoals:

• Integreren van de gegevens in een regelaar en genereren van stuursignalen
• Weergeven van gegevens
• Het doorsturen van gegevens volgens een bepaald protocol

Figuur 3: Voorbeeld van een meettoestel waarin de sonde zit en waarmee analoge gegevens kunnen worden omgezet in een digitaal signaal en via een niet-bekabeld protocol (hier LoraWan) naar een controller/regelaar kunnen worden verzonden. [Bron: https://www.ellab.com/fr/solutions/centrale-thermocouple/]

Figuur 4: Voorbeeld van een verwerkingseenheid waarmee gegevens via WiFi naar online Testo-software kunnen worden verzonden. De aansluittip is compatibel met de juiste sonde. De sonde is van een ander merk dan de behuizing en heeft een stekkeruiteinde dat vaak wordt gebruikt voor thermokoppels. [Bron: https://www.watteco fr/. product/binnen-lorawan-temperatuursensor/]

De sensoren die worden gebruikt in het kader van het regelen of opvolgen van verwarmings- en warmwaterinstallaties hebben vaak de vorm van sondes.Het uiteinde van de thermistor en van weerstandstemperatuursondes bestaat ​​doorgaans uit draden (2, 3 of 4) die moeten worden aangesloten op een analoge ingang van een verwerkingseenheid. Fabrikanten specificeren doorgaans de typen sensoren die kunnen worden aangesloten. Thermokoppels kunnen  een bedraad uiteinde (analoge ingang) hebben maar worden vaak gecombineerd met eindstukken zoals op onderstaande foto (je hebt dan een ingang nodig met de juiste vorm, die echter nog steeds van het analoge type zal zijn).

Figuur 5: Voorbeeld van een verwerkingseenheid waarmee gegevens via WiFi naar online Testo-software kunnen worden verzonden. De aansluittip is compatibel met de juiste sonde. De sonde is van een ander merk dan de behuizing en heeft een stekkeruiteinde dat vaak wordt gebruikt voor thermokoppels. [Bron: testo Saveris 2-T3 en Wikimedia]

Aandachtspunten

De manier waarop een sensor wordt plaatst en de positie ervan hebben een grote invloed op de temperatuurmeting.  Om de omgevingstemperatuur van een kamer te meten, moet de sensor idealiter in het midden van de kamer worden geplaatst, weg van koude muren. Directe blootstelling aan de zon moet worden vermeden. Ook de hoogte in de ruimte heeft invloed op de meting.

Voor de temperatuur van een oppervlak zoals dat van een radiator of leidingen moet de vorm van de sensor goed gekozen worden zodat deze zo bevestigd kan worden dat een zo goed mogelijk contact tussen de sensor en het oppervlak behouden blijft. De plaats en manier waarop je de sensor kunt bevestigen zal dus invloed hebben op de keuze van de sensor en het sensortype. Met andere woorden: de plaatsing van de sensor is een punt waar veel aandacht aan moet worden besteed zodat de meting aan de gewenste nauwkeurigheid voldoet en dus bruikbaar is.

De temperatuur van de verwarmingsbuizen is een mogelijke manier om de temperatuur van het water in het circuit in te schatten. Bij het analyseren van de gegevens moet er echter rekening mee worden gehouden dat er een langere responstijd is gekoppeld aan de geleiding van het materiaal van de wand, en dat de nauwkeurigheid van de meting afneemt omdat de sensor de gemeten vloeistof niet rechtstreeks raakt.

De keuze van de sonde en de verwerkingseenheid (automaat, datalogger, enz.) begint bij het vastleggen van de randvoorwaarden Als een nauwkeurige meting nodig is, heeft een sonde de voorkeur. Als de manier waarop u de gegevens kunt bekijken of vastleggen (bijvoorbeeld op afstand) belangrijk is, wordt best eerst informatie gevraagd over welke mogelijkheden u heeft op niveau van de verwerkingseenheid (hoe de gegevens worden verzonden, moeten de gegevens worden vastgelegd, enz.).