- Characteristic sensitive Small temperature differences. - Low Sensitivity 42,8 µv/k for Cu-Constantan

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1 Thermocouples + Lightweight Small backlash by deformations + No self heating + Physically defined Zero No calibration for control loops - Characteristic sensitive Small temperature differences to cable bending/stress for high precision necessary - Low Sensitivity 42,8 µv/k for Cu-Constantan Investigation of 32 different thermocouples regarding stability of zero point and characteristics dependence on stress and temperature cycles - different materials Cu/Konstantan, Ni-Cr/Ni-Al, Pt/Rh, - Wire Manufacturer, length and diameters - Connectors - foil and thin film thermocouples Jens Flügge Euspen Maastricht 2007

2 Thermocouple measurement : Design considerations 4 n lines

3 Thermocouple Selection: Nr. Kanal Material Schenkellänge / Durchmesser 1 00 omega Typ K, Form Y, selbstgeschweißt, gelb / rot 1m, 0,25mm 2 01 omega Typ K, Form Y, selbstgeschweißt, gelb / rot 1m, 0,25mm 3 02 omega Typ J, Form Y, selbstgeschweißt, weiß / rot 1m, 0,25mm 4 03 omega Typ J, Form Y, selbstgeschweißt, weiß / rot 1m, 0,25mm 5 04 omega Typ E, Form Y, selbstgeschweißt, violett / rot 1m, 0,25mm 6 05 omega Typ E, Form Y, selbstgeschweißt, violett / rot 1m, 0,25mm 7 06 omega Typ T, Form Y, selbstgeschweißt, blau / rot 1m, 0,25mm 8 07 omega Typ T, Form Y, selbstgeschweißt, blau / rot 1m, 0,25mm 9 08 omega Typ T, Form Y, selbstgeschweißt, blau / rot 0,5m, 0,25mm omega Typ T, Form Y, selbstgeschweißt, blau / rot 2,5m, 0,25mm omega Typ T, Form Y, selbstgeschweißt, blau / rot 5,0m, 0,25mm omega Typ T, fertig gekauft 1m, 0,25mm omega Typ T, fertig gekauft 1m, 0,25mm ephy-mess Typ T, Folienthermoelement, geklemmt verlängert mit 1m, 0,25mm ephy-mess Typ T, Folienthermoelement, geklemmt verlängert mit 1m, 0,25mm Heraeus Hanau Typ K, m, 0,5mm Heraeus Hanau Typ K, m, 0,3mm Heraeus Hanau Typ K, m, 0,3mm Heraeus Hanau Typ K, m, 0,2mm Heraeus Hanau Typ K, m, 0,5mm tc-direct Typ K, geschweißt, grün / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ K, geschraubt, grün / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ K, gesteckt, grün / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ J, geschweißt, schwarz / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ J, geschraubt, schwarz / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ J, gesteckt, schwarz / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ N, geschweißt, rosa / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ N, geschraubt, rosa / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ N, gesteckt, rosa / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ T, geschweißt, braun / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ T, geschraubt, braun / weiß 1m, 0,2mm tc-direct Typ T, gesteckt, braun / weiß 1m, 0,2mm

4 Setup:

5 Result: Measurement over 6 month Kanal 7 Typ T Omega wire 1,0m

6 Result: Measurement over 6 month Kanal 17 Typ K Heraeus wire 1,0m, 0,3 mm

7 Result: Measurement over 6 month Kanal 31 Typ T with connector 1,0m

8 Result: First 10 days Kanal 7 Typ T Omega wire 1,0m

9 Result: Last 10 days Kanal 7 Typ T Omega wire 1,0m

10 Result: First 10 days Kanal 17 Typ K Heraeus wire 1,0m, 0,3 mm

11 Result: Last 10 days Kanal 17 Typ K Heraeus wire 1,0m, 0,3 mm

12 Result: First 10 days

13 Result: Last 10 days

14 Result: Influence of motion induced by a motor Kanal 10 Typ T Omega wire 1,0m

15 Result: Influence of a motor controller (thermocouple in air) Typ T Omega wire 3,0m

16 Result: Temperature increase in the oil bath (aprox. 30 C)

17 Result: Temperature increase along connection wires (to 37 C) Copper and Constantan simultanously heated (10 cm)

18 Result: Temperature increase along connection wire (to 35.5 C) only Copper wire heated (along 10 cm)

19 New Amplifier: First measurement 0, , ,0001 0, , , , mk K 0-0, , , , Stability of measuring a short over one day Measurement cycle: 4 s per channel Developed by Dietmar Drung PTB-Berlin 0.7 nv/sqrt Hz Potential free operation possible. Coupling to data aquisition by optical fiber. Noise decreased by Factor of 3

20 Result: Temperature increase along connection wires (to 33 C) Gold and Platinum simultanously heated (10 cm)

21 Result: Temperature increase along connection wire (to 35.5 C) only Gold wire heated (along 10 cm)

22 Thermocouples: Conclusion and Recommendation The Zero Point of a thermocouple is stable in the sub-mk range over long time No calibration necessary for measurements of small temperature differences or control of thermal gradients Noise levels of 0.25 mk p-p are possible with measurement times of less than 2 s per channel Minimize especially the length of the constantan wire between the measurement points and prevent thermal gradients along the wire as well as extreme bending Don t use thermocouples together with switching power electronics fot precision measurements Place the switching box near to the sensor in a thermally stable environment If the environment is not suited for thermocouples look for stable thermistors Jens Flügge Euspen Maastricht 2007

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