Reactietijd thermokoppels

Wokke

Hallo

We voerden vorige week een eenvoudige proef uit ter onderzoek van het thermokoppel. Nu werden er twee verschillende thermokoppels gebruikt, beiden met een eigen reactietijd. De twee thermokoppels zijn gemaakt uit een verschillend materiaal, dus die reactietijden zijn eveneens verschillend. Nu is dit niet iets dat we moeten verklaren, maar ik zou het toch graag willen doen in mijn verslag. (ik weet hoe een thermokoppel werkt, Seebeck effect etc)

Mijn eigen eerste gedacht is het volgende. Volgens mij heeft dit te maken met de grootte van de atomen. Hoe groter de atomen (niet de kernen, de atomen zelf), hoe verder de elektronen zich van de kernen zullen bevinden en hoe kleiner de aantrekkingskracht van de kernen. Daardoor zullen die elektronen gemakkelijker stromen onder invloed van een temperatuursgradiënt volgens mij. En dus voor een kleinere relaxatietijd zorgen...

Enig idee of dit enigszins kan kloppen? En als het niet klopt: zit ik in de juiste richting? Stuur mij eventueel in een andere richting.

Alvast bedankt!

Jan van de Velde

Dit kan een langduriger en principiëler discussie opleveren en is dus naar het vakforum verplaatst

physicalattraction

Je praat hier over zowel reactietijd als relaxatietijd. Wat bedoel je hier precies mee? Welke materialen heb je gebruikt en welk verschil zag je?

In het algemeen geldt dat hoe groter de kern, hoe meer protonen erin zitten, dan ook hoe meer elektronen eromheen zweven en dus een "groter" atoom vormen. Er geldt echter NIET in het algemeen dat hoe groter de atomen zijn, hoe beter ze geleiden. Kijk maar eens naar het periodieke systeem en de geleiding van de verschillende materialen.

Wokke

physicalattraction schreef:Je praat hier over zowel reactietijd als relaxatietijd. Wat bedoel je hier precies mee? Welke materialen heb je gebruikt en welk verschil zag je?

In het algemeen geldt dat hoe groter de kern, hoe meer protonen erin zitten, dan ook hoe meer elektronen eromheen zweven en dus een "groter" atoom vormen. Er geldt echter NIET in het algemeen dat hoe groter de atomen zijn, hoe beter ze geleiden. Kijk maar eens naar het periodieke systeem en de geleiding van de verschillende materialen.

Reactietijd, relaxatietijd; het gaat om de responstijd van het thermokoppel. Hieronder een voorbeeldmeting van het verloop van de gemeten thermospanning bij een bepaald temperatuursverschil. (m.a.w.: hoe de gemeten thermospanning verandert wanneer het ene uiteinde van het thermokoppel in een vloeistof met een hogere temperatuur werd gebracht)

Afbeelding

(Die

\(s\)

in de grafiek moet

\(ms\)

zijn, de tijd werd uitgedrukt in milliseconden.)

De vergelijking voor de gefitte curve wordt gegeven door

\(V(t) = V_0 \cdot (1 - e^{-t/\tau})\)

met hierin:

\(V(t)\)
de spanning in
\(mV\)
als functie van de tijd
\(t\)
in
\(ms\)
.
\(V_0\)
de waarde voor de horizontale asymptoot in deze grafiek, in het ideale geval overeenkomend met de maximaal gemeten spanning (de saturatiewaarde).
\(\tau\)
de relaxatie- of responstijd van het thermokoppel in
\(ms\)
. Deze waarde komt overeen met het tijdstip waarop de raaklijn
\(V(t)|{(t=0)}\)
de horizontale door de saturatiewaarde snijdt.

De afleiding van deze formule ga ik hier niet posten, maar je mag ervan uitgaan dat ze klopt

Het fitten gebeurde in Matlab R2007b en zo kregen we waarden voor

\(\tau\)

bij elke meting.

Dit soort metingen hebben we dan een aantal keer gedaan voor 2 verschillende thermokoppels. De gemiddeldes waren:

\(\tau_1 = 53.89 \pm 0.20 ms\)
\(\tau_1 = 306.1 \pm 1.7 ms\)

Ik denk btw niet meer dat mijn oorspronkelijk model volledig klopt. Maar rekeninghoudend met een aantal andere factoren zit er misschien wel een basis in voor correcte fysica. Welke factoren is dan natuurlijk de vraag

Welke materialen gebruikt werden, was onbekend.

Wokke

In mijn vorige reactie moet die tweede responstijd natuurlijk

\(\tau_2\)

zijn.

physicalattraction

Ten eerste: in plaats van een nieuwe post om je vorige te verbeteren, kun je beter op de knop "wijzigen" klikken onder je originele post en het gewoon aanpassen.

Dan nu inhoudelijk: Ik heb eigenlijk weinig ervaring met responstijden van thermokoppels. Ik kan me zo voorstellen dat de ene thermokoppel (plus alles wat eventueel mee moet opwarmen) een grotere warmtecapaciteit heeft dan de andere, waardoor het langer duurt voordat deze warm is. Wat ik me niet kan voorstellen is dat de elektrische eigenschappen van belang zijn. Zodra er een temperatuursverschil heerst in een thermokoppel, zal er instantaan een spanningsverschil zijn, hier zitten geen milliseconden tussen. Deze reponstijd moet dus wel met thermische effecten (dus: opwarmen) te maken hebben. Kun je iets zeggen over de twee thermokoppels, qua grootte bijvoorbeeld?

Wokke

physicalattraction schreef:Ten eerste: in plaats van een nieuwe post om je vorige te verbeteren, kun je beter op de knop "wijzigen" klikken onder je originele post en het gewoon aanpassen.

Dan nu inhoudelijk: Ik heb eigenlijk weinig ervaring met responstijden van thermokoppels. Ik kan me zo voorstellen dat de ene thermokoppel (plus alles wat eventueel mee moet opwarmen) een grotere warmtecapaciteit heeft dan de andere, waardoor het langer duurt voordat deze warm is. Wat ik me niet kan voorstellen is dat de elektrische eigenschappen van belang zijn. Zodra er een temperatuursverschil heerst in een thermokoppel, zal er instantaan een spanningsverschil zijn, hier zitten geen milliseconden tussen. Deze reponstijd moet dus wel met thermische effecten (dus: opwarmen) te maken hebben. Kun je iets zeggen over de twee thermokoppels, qua grootte bijvoorbeeld?

@ eerste: ik zag geen knop Wijzigen, wat me verbaasde, daarom plaatste ik een nieuw bericht. En nu zie ik eigenlijk nog steeds geen knop Wijzigen...

Vreemd.

Inhoudelijk gaat het spanningsverschil aan de andere uiteinden niet volkomen instantaan optreden, maar je hebt wel een punt dat het waarschijnlijk niet van de orde van milliseconden zal. Toch hebben de elektrische (geleidende) eigenschappen er volgens mij wel mee te maken. Je hebt immers een stroom nodig om het spanningsverschil te meten. En die stroom heeft een bepaalde tijd nodig om de voltmeter van het thermokoppel te bereiken (in ons geval een galvanometer geloof ik). Maar dan is de vraag natuurlijk of dit wel een vertraging in de orde van milliseconden veroorzaakt. Persoonlijk denk ik eerder van niet (tenzij je een gigantisch thermokoppel hebt).

De soortelijke warmte van het materiaal heeft er inderdaad mee te maken, die wordt ook gebruikt om de formule die ik hierboven postte af te leiden. (voor temperatuur ipv spanning weliswaar maar de vorm is exact hetzelfde aangezien er een lineair verband bestaat tussen de (het) temperatuur(sverschil) en het opgewekte spanningsverschil)

Beide thermokoppels waren exact dezelfde grootte en vorm. Ze waren zo'n 20cm lang geloof ik, maar heel erg goed weet ik het niet meer. Dit experiment dateert ook al wel van ruim een maand geleden natuurlijk.

EDIT: en bij dit bericht staat er dan wel een Wijzig knop

M'n vorige berichten hebben enkel de twee Quote knoppen...

physicalattraction

Die formule is inderdaad een formule voor opwarming van een materiaal. Het feit dat je gemeten spanning hiermee gefit kan worden, zegt eigenlijk al dat het "wachten" puur en alleen bestaat uit het opwarmen van je materiaal, en niets met geleidende eigenschappen te maken heeft.

Wanneer je de gebruikte thermokoppels nog kan bemachtigen, is het een goed idee om te kijken van welke materialen ze waren en de warmtegeleidingscoëfficiënt en warmtecapaciteit van op te zoeken. Tevens zou ik toch nog beide thermokoppels opmeten en wegen, om te kijken of er eentje toch niet veel meer massa heeft dan de ander.

Wokke

physicalattraction schreef:Die formule is inderdaad een formule voor opwarming van een materiaal. Het feit dat je gemeten spanning hiermee gefit kan worden, zegt eigenlijk al dat het "wachten" puur en alleen bestaat uit het opwarmen van je materiaal, en niets met geleidende eigenschappen te maken heeft.

Wanneer je de gebruikte thermokoppels nog kan bemachtigen, is het een goed idee om te kijken van welke materialen ze waren en de warmtegeleidingscoëfficiënt en warmtecapaciteit van op te zoeken. Tevens zou ik toch nog beide thermokoppels opmeten en wegen, om te kijken of er eentje toch niet veel meer massa heeft dan de ander.

Het experiment in kwestie is al een tijdje afgerond (verslag e.d. ook ingediend) maar ik wil gerust proberen achter de gebruikte materialen te komen. Volgend semester zal ik deze thermokoppels normaal nog wel kunnen bemachtigen. Voorlopig kan ik enkel zeggen dat in mijn herinnering geen van beide koppels (opmerkelijk) zwaarder was dan het andere, maar daar kan ik op dit moment ook niet 100% zeker van zijn.

Als de opwarming van een materiaal inderdaad met dat model gefit kan worden, lijkt me ook dat het delay in de responstijd heel sterk bepaald is door die warmtegeleidingseigenschappen en amper tot niet door andere factoren. Bepaalde onregelmatigheden van de metingen t.o.v. het model kunnen waarschijnlijk wel verklaard worden door het feit dat het niet puur de warmtegeleiding is. De curve gaat bvb. bij het eerste koppel systematisch eerst lichtjes boven en dan onder de gemeten waarden om uiteindelijk ietsje erboven af te vlakken en bij het tweede koppel andersom. Dit zien we terugkomen bij alle metingen.

Het is natuurlijk mogelijk dat dit een gevolg is van het feit dat we niet perfect kunnen fitten, maar het is wel frappant dat dit bij alle metingen voorkomt en bij het ene koppel omgekeerd t.o.v. het andere koppel. Het fenomeen doet zich ook niet bij alle metingen even sterk voor, hetgeen een variabele (omgevings)factor doet vermoeden. Mogelijk heeft het te maken met de hoeveelheid koud water nog aan het thermokoppel hangt wanneer men het naar het warme water verplaatst en/of met de tijd die nodig was voor deze verplaatsing.

Een mogelijke (gedeeltelijke) verklaring voor waarom bij het tweede koppel net het omgekeerde van bij het eerste koppel gebeurt, is het volgende. De tijdsrange van onze metingen bij het tweede koppel was eigenlijk niet breed genoeg om het volledige verloop tot en met afvlakking er op te krijgen. De metingen werden uitgevoerd met een LabView programma en er was een limiet op deze tijdsrange. Helaas was het maximum van die range nog niet breed genoeg. Dat kan dus misschien geresulteerd hebben in een minder accurate fit.

Anderzijds is het mogelijk dat dit toch te maken heeft met een verschil in elektrische eigenschappen tussen beide koppels... Dit heeft dan geen grote impact op de responstijd maar wel een kleine, doch merkbare invloed op het verloop van het spanningsverschil in de tijd. De algemene vorm van de curve zou dan bepaald zijn door de warmtegeleidingseigenschappen met daarop een lichte afwijking t.g.v. elektrische eigenschappen.

Ik weet dat ik de elektrische eigenschappen er weer bij betrek, maar het lijkt me toch sterk dat deze er echt niks mee te maken zouden hebben. Vandaar dat ik ze als mogelijke verklaring inroep voor het afwijkend gedrag t.o.v. de modelcurve. Als er een betere verklaring bestaat, vooral niet aarzelen om me daarop te wijzen

physicalattraction

Hmmm, zulke kleine verschillen verklaren wordt lastig, vooral als je niet nog wat dingen kunt nameten. Wat me wel opvalt is dat de gemeten waarden op t=0 niet door 0 mV gaat, dus misschien heb je een kleine offset gemeten (en als het wel zo hoort, dan hoort dit ook in je model te zitten). Probeer eens van alle gemeten waarden de beginwaarde (dus op t=0) er van af te trekken en opnieuw te fitten. Je responsetijd zal hier nauwelijks door veranderen, maar ik kan me voorstellen dat de kleine systematische afwijkingen hierdoor anders zullen zijn.

Verder heb ik geen verklaringen voor de kleine afwijkingen die je ziet. Het kan zeker elektrisch zijn, misschien is de relatie tussen temperatuur en spanning toch niet zo lineair als je veronderstelt.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Reactietijd thermokoppels

Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels

Re: Reactietijd thermokoppels