Temperatuursensor

De temperatuur van een materiaal is een fysische eigenschap die afhangt van de hoeveelheid thermische energie die het materiaal bevat. Vrijwel alle materie bevat thermische energie. De laagst mogelijke temperatuur is het absolute nulpunt (0 graden Kelvin, -273,15 graden Celsius), waarbij geen thermische energie meer aan het materiaal kan worden onttrokken. Waarom temperatuur meten? De temperatuur van een materiaal beïnvloedt andere materiaaleigenschappen, zoals de dichtheid, de viscositeit en de geleidbaarheid. De temperatuur van (de diverse soorten) stedelijk water beïnvloedt bovendien allerlei andere processen, waaronder veel chemische, biologische en ecologische processen in het oppervlaktewater, de mogelijkheden van energie(terug)winning uit water en de vorming van rioolgassen als H2S. Daarnaast is voor veel sensormetingen de temperatuur een belangrijke correctieparameter. De temperatuur beïnvloedt niet alleen de eigenschappen van de te bemeten stof, maar ook de werking van meetinstrumenten. Veel meetinstrumenten die zijn bedoeld om andere variabelen te meten, hebben daarom ook een functie om de temperatuur te meten, bijvoorbeeld een geleidbaarheidssensor. Temperatuur meten Om de temperatuur van (stedelijk) water te meten, zijn zogenoemde contactsensoren het meest geschikt. Deze sensoren staan in contact met het water. Er zijn verschillende meetprincipes in gebruik, waarvan de volgende het bekendst zijn: Weerstandsthermometer. Thermistor. Halfgeleidersensor. Weerstandsthermometer Een weerstandsthermometer (Engels: resistance temperature detector, afkorting RTD) bevat een metalen elektrische geleider met temperatuurafhankelijke weerstand. Veelgebruikte materialen voor de elektrische weerstand zijn nikkel en platina. Platina heeft de meest stabiele weerstand-temperatuurverhouding over een groot temperatuurbereik (-250 °C tot 850 °C). Het veelgebruikte type 'Pt100' is een weerstandsthermometer met een platina weerstand van 100 Ω bij 0 °C. Er bestaan ook thermometers met andere weerstandswaarden van bijvoorbeeld 25 en 1.000 Ω bij 0 °C. De temperatuurcoëfficiënt van platina is 0,0039 Ω/(Ω·°C). Dit betekent dat bij elke graad Celsius waarmee de temperatuur toeneemt, de weerstand van een Pt100-sensor 0,39 Ω toeneemt.  De eenvoudigste weerstandsthermometer heeft een stroombron en een weerstand die door twee draden verbonden zijn. Een weerstandsmeter ('brug van Wheatstone') meet de weerstand. Er bestaan ook weerstandsthermometers in uitvoeringen met drie of vier draden. Met deze extra draden wordt de weerstand van de draden zelf gemeten en verrekend, waardoor de temperatuurmeting nauwkeuriger wordt. De driedraadsaansluiting is de meestgebruikte variant. Afhankelijk van de nauwkeurigheidsklasse heeft een standaard platina weerstandsthermometer een nauwkeurigheid van 0,03 tot 0,6 °C in de bandbreedte van -50 °C tot 150 °C. Figuur A Thermistor Vergroot afbeelding Thermistor Een thermistor (zie figuur A) is een elektrische weerstand waarvan de weerstand afhankelijk is van de temperatuur. Daarmee gebruikt de thermistor hetzelfde principe als de weerstandsthermometer, het belangrijkste verschil zit in de gebruikte materialen. Waar een weerstandsthermometer een metalen geleider gebruikt, is het materiaal in een thermistor meestal een keramisch materiaal of een halfgeleider. Door het andere materiaal verschilt ook de weerstandsrespons op temperatuurverschillen. Hierin zijn twee hoofdtypen te onderscheiden: Materialen met een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC), zoals silicium of een keramisch materiaal, waarvan de weerstand toeneemt bij een hogere temperatuur. Deze thermistors worden ook posistors genoemd. Materialen met een negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC), zoals metaaloxiden of andere halfgeleiders, waarvan de weerstand afneemt bij een hogere temperatuur. Deze NTC's worden het meest in temperatuursensoren toegepast. In tegenstelling tot een weerstandsthermometer is de temperatuur-weerstandrelatie van een thermistor niet lineair. De weerstand van een thermistor ordes van grootte hoger dan die van een weerstandsthermometer. In vergelijking daarmee is de weerstand van de bedrading van de sensor verwaarloosbaar. Hiervoor hoeft dus niet te worden gecompenseerd. Een verschil in de toepassing van thermistors in vergelijking met weerstandsthermometers is het kleinere temperatuurbereik. Voor de meeste thermistors ligt het bereik ergens tussen −90 °C en 130 °C. Voor veel toepassingen in stedelijk water levert deze kleinere bandbreedte geen praktische beperkingen op. Binnen het temperatuurbereik van de thermistor is een vrij hoge nauwkeurigheid van 0,1 °C mogelijk. Het voordeel is dat temperatuursensoren op basis van thermistors doorgaans goedkoper zijn dan een Pt100. Ook hebben ze een snelle respons. Figuur B Halfgeleidersensor voor het meten van de temperatuur Vergroot afbeelding Halfgeleidersensor Halfgeleidersensoren (zie figuur B) zijn klein en goedkoop en in veel verschillende uitvoeringen van diverse fabrikanten beschikbaar. Dit maakt ze aantrekkelijk voor allerlei toepassingen, ook in stedelijk water. Deze sensoren worden gefabriceerd als geïntegreerde schakelingen op een chip (zie het voorbeeld in figuur B). Dit type sensor wordt daarom ook wel IC-sensor genoemd (van het Engelse integrated circuit). De meeste halfgeleidersensoren gebruiken de temperatuurgevoeligheid van transistors. Als op de collector van twee dezelfde transistors een constante maar verschillende stroomsterkte wordt gezet, resulteert dat in een verschillende spanning tussen basis en emitter van deze transistors. Dit spanningsverschil tussen beide transistors is bovendien (binnen een bepaald bereik) lineair evenredig met de temperatuur van de transistors. Met twee transistors kan dus de temperatuur worden gemeten.  Halfgeleidersensoren worden onder andere gebruikt voor de temperatuurcorrectie in meetinstrumenten voor andere variabelen, zoals geleidbaarheid. Het meetbereik van halfgeleidersensoren is beperkt en ligt kenmerkend tussen -40 to +120 °C. De nauwkeurigheid is ook beperkt en ligt doorgaans ergens tussen 1 °C tot 5 °C. De standaard elektronicabehuizing waarin de transistors zitten, beïnvloedt ook de respons op temperatuurveranderingen; die ligt in de orde van meerdere seconden tot een minuut. Distributed Temperature Sensing Een specifieke techniek om de temperatuur te meten, is Distributed Temperature Sensing (DTS). DTS meet met behulp van een laser de temperatuur langs de lengte van een glasvezelkabel. In het vakgebied van stedelijk water wordt DTS vooral ingezet om foutaansluitingen in de riolering op te sporen. Daarom vindt u een beschrijving van deze meettechniek in het onderdeel Foutaansluitingenonderzoek op de kennisbank.