Temperatuur is een van de meest gemeten grootheden in het laboratorium. Of het nu gaat om een reactie in een rondbodemkolf, de bewaring van celkweken in een koelkast, de droging van een monster in een droogstoof of de kalibratie van een meetinstrument: temperatuurverschillen van slechts enkele tienden van een graad kunnen bepalend zijn voor de uitkomst van een experiment of de geldigheid van een meting. Inzicht in de beschikbare meettechnieken en hun beperkingen is daarom onmisbaar voor iedereen die in een analytisch, biologisch of industrieel laboratorium werkt.
Dit artikel bespreekt de meest gebruikte typen temperatuursensoren, hun werkingsprincipes, typische toepassingen en de aspecten die van belang zijn bij kalibratie en onderhoud.
In de laboratoriumwereld wordt temperatuur vrijwel altijd uitgedrukt in graden Celsius (°C) of, voor wetenschappelijke berekeningen, in Kelvin (K). Het verschil is een constante: T(K) = T(°C) + 273,15. De Kelvin-schaal heeft als nulpunt het absolute nulpunt (−273,15 °C), waarbij alle thermische beweging tot stilstand komt. Voor omzettingen en formules — zoals de wet van Lambert-Beer of de ideale gaswet — wordt doorgaans Kelvin gebruikt; voor dagelijkse laboratoriumpraktijk volstaat Celsius.
De Fahrenheit-schaal (°F), gangbaar in de Verenigde Staten, wordt in Europese laboratoria zelden gehanteerd. De omrekeningsformule luidt: °C = (°F − 32) × 5/9.
Welke sensor het meest geschikt is, hangt af van het vereiste meetbereik, de gewenste nauwkeurigheid, de omgeving en het budget. Onderstaand schema geeft een eerste oriëntatie.
De klassieke glazen thermometer maakt gebruik van de uitzetting van een vloeistof bij temperatuurstijging. Vroeger werd kwik gebruikt; vanwege de toxiciteit is dit in Europa grotendeels vervangen door gekleurde alcohol of galinstan (een legering van gallium, indium en tin). Glazen thermometers zijn robuust, hoeven geen stroom en zijn geschikt voor dagelijks gebruik in het laboratorium. Een klassieke toepassing van de glazen thermometer is de smeltpuntsbepaling in een verwarmingsbad, waarbij smeltgedrag en temperatuur naast elkaar visueel worden afgelezen.
Typisch meetbereik ligt tussen −100 °C en +360 °C, afhankelijk van de vulvloeistof. De nauwkeurigheid bedraagt doorgaans ±0,1 tot ±1 °C. Een belangrijk aandachtspunt is de onderdompelingsdiepte: volledig-onderdompeling thermometers zijn alleen nauwkeurig als de gehele vloeistofkolom op de meettemperatuur is gebracht. Gedeeltelijk-onderdompeling types hebben een aanwijzing voor de juiste onderdompelingsdiepte ingebrand in het glas.
Glazen thermometers vereisen regelmatige ijking aan referentiepunten (ijspunt 0,00 °C, kookpunt water 100,00 °C bij 1013,25 hPa). Bij GLP- en ISO-gecertificeerde werkzaamheden is een gekalibreerd referentie-instrument met bijbehorend kalibratiecertificaat vereist.
Bekijk het assortiment temperatuurmeet- en tijdapparatuur voor glazen en digitale thermometers.
Digitale thermometers combineren een elektrische sensor (doorgaans een NTC-thermistor of PT100-element; zie hieronder) met een display. Ze bieden snellere aflezing, betere leesbaarheid en zijn in veel gevallen eenvoudig aan te sluiten op een datalogger of LIMS. Moderne handheld-types halen nauwkeurigheden van ±0,1 °C of beter.
Voor laboratoria die temperatuurverloop over tijd willen registreren — bij stabiliteitsonderzoek, validaties of procesmonitoring — is een digitale thermometer met data-uitvoer (RS-232, USB of draadloos) een praktische keuze.
Weerstandsthermometers — ook wel RTD's (Resistance Temperature Detectors) — maken gebruik van het feit dat de elektrische weerstand van metalen toeneemt met de temperatuur. Platina is hiervoor het meest gebruikte materiaal, vanwege de stabiele, goed voorspelbare weerstand-temperatuurkarakteristiek.
De PT100 heeft bij 0 °C een weerstand van exact 100 Ω; de PT1000 van 1000 Ω. De hogere basisweerstand van de PT1000 maakt hem minder gevoelig voor leidingweerstand, wat voordelig is bij lange meetkabels. Beide typen voldoen aan de norm IEC 60751 (klasse A: ±0,15 °C bij 0 °C; klasse B: ±0,3 °C bij 0 °C).
Het meetbereik loopt van −200 °C tot +600 °C. PT100/PT1000-sensoren worden breed ingezet in:
Voor nauwkeurige metingen wordt doorgaans een vierdraads-aansluiting gebruikt, waarbij de leidingweerstand wordt gecompenseerd. Tweedraads-aansluitingen volstaan voor toepassingen waarbij absolute nauwkeurigheid minder kritisch is.
Het werkingsprincipe van de PT100 berust op de lineaire toename van de elektrische weerstand van platina bij stijgende temperatuur. Bij 0 °C bedraagt de weerstand exact 100 Ω; bij 100 °C is dat circa 138,5 Ω. De meetelektronica stuurt een bekende stroom door de platinasensor en meet de resulterende spanning. Uit de gemeten weerstandswaarde wordt vervolgens via de karakteristiek (vastgelegd in IEC 60751) de temperatuur berekend. Omdat de karakteristiek van platina over een breed bereik goed voorspelbaar en stabiel is, behoort de PT100 tot de nauwkeurigste en meest reproduceerbare sensortypen voor laboratoriumtoepassingen.
In de praktijk wordt de PT100 in drie uitvoeringen aangeboden: met twee, drie of vier aansluitdraden. De tweedraads-uitvoering is de eenvoudigste, maar de weerstand van de aansluitkabels telt mee in de meting, wat bij lange leidingen een systematische fout geeft. De vierdraads-uitvoering elimineert de leidingweerstand volledig en is de voorkeur bij hoge nauwkeurigheidseisen. De driedraads-uitvoering is een praktisch compromis dat in procesomgevingen het meest wordt toegepast: de meetelektronica vergelijkt twee leidingpaden en compenseert de leidingweerstand gedeeltelijk, mits de drie draden dezelfde weerstand hebben. Voor laboratoriumkalibraties en GLP-omgevingen verdient de vierdraads-aansluiting altijd de voorkeur.
RTD's en thermokoppels zijn beide elektrische temperatuursensoren, maar ze werken op een fundamenteel ander principe. Een RTD meet de verandering in elektrische weerstand van een metaaldraad (vrijwel altijd platina), terwijl een thermokoppel een spanningsverschil (het Seebeck-effect) gebruikt dat ontstaat aan de verbinding van twee verschillende metaalsoorten. Praktisch gezien is een RTD nauwkeuriger en stabieler over de tijd, maar heeft een beperkter meetbereik (tot circa +600 °C voor PT100). Een thermokoppel meet tot aanzienlijk hogere temperaturen (afhankelijk van het type tot +1750 °C), is goedkoper en heeft een kleinere constructie, maar is minder nauwkeurig en gevoeliger voor signaalruis. Voor laboratoriumtoepassingen waarbij precisie en kalibreerbaarheid centraal staan, verdient een PT100 of PT1000 de voorkeur; bij hoge-temperatuurtoepassingen is een thermokoppel vrijwel onvermijdelijk.
Een NTC-thermistor (Negative Temperature Coefficient) is een halfgeleider waarvan de weerstand daalt naarmate de temperatuur stijgt — het omgekeerde van een platina RTD. Dit resulteert in een sterk niet-lineair karakter, maar levert een hoge gevoeligheid op: kleine temperatuurverschillen geven relatief grote weerstandsveranderingen.
Typisch bereik: −50 °C tot +150 °C. NTC's zijn klein, goedkoop en reageren snel op temperatuurveranderingen, wat ze uitermate geschikt maakt voor:
Vanwege de niet-lineariteit vereisen NTC's linearisatie via firmware of hardware; moderne meet-IC's doen dit automatisch. Bij langdurig gebruik op hoge temperaturen kan thermische veroudering de karakteristiek doen verschuiven — regelmatige verificatie is aan te raden.
Naast de NTC bestaat er ook de PTC-thermistor (Positive Temperature Coefficient), waarvan de weerstand juist toeneemt bij stijgende temperatuur. PTC's worden in laboratoria zelden gebruikt als meetinstrument: hun weerstand-temperatuurkarakteristiek is minder voorspelbaar dan die van een NTC of RTD, en het meetbereik is beperkt. PTC's worden voornamelijk ingezet als beveiligingselement in elektrische circuits (bijvoorbeeld als zelfregulerend verwarmingselement of als stroombeveiliging), niet als nauwkeurige temperatuursensor. Voor temperatuurmeting in het laboratorium is de NTC de relevante keuze binnen de thermistorfamilie.
Een thermokoppel bestaat uit twee draden van verschillende metaalsoorten die aan één uiteinde zijn samengevoegd. Op het meetpunt ontstaat door het Seebeck-effect een kleine spanning die evenredig is met het temperatuurverschil tussen het meetpunt en een referentiepunt. Dit referentiepunt wordt de koude las (of CJC, Cold Junction Compensation) genoemd: de plaats waar de thermokoppeldraden worden verbonden met de meetelektronica. Omdat ook op dit referentiepunt een temperatuurafhankelijke spanning ontstaat, moet de elektronica de temperatuur van de koude las afzonderlijk meten en corrigeren. Moderne thermokoppelmeetversterkers doen dit automatisch. De gemeten spanning — na CJC-correctie — wordt omgerekend naar een temperatuurwaarde.
Thermokoppels zijn verkrijgbaar in verschillende typen, gekenmerkt door een lettercombinatie:
De nauwkeurigheid van thermokoppels (klasse 1: ±1,5 °C of ±0,4% (de grootste van beide); klasse 2: ±2,5 °C of ±0,75% (de grootste van beide), conform IEC 60584) is minder dan die van PT100-sensoren, maar het enorme meetbereik maakt ze onmisbaar bij hoge-temperatuurtoepassingen als smelten, sinteren en verbrandingsonderzoek. Verlengsnoeren voor thermokoppels moeten van hetzelfde thermocouple-type zijn om meetfouten te voorkomen.
Binnen de thermokoppelfamilie bieden de type S en type R sensoren (platina-rhodium legeringen) de hoogste nauwkeurigheid en stabiliteit, mede doorom ze worden gebruikt als referentie-instrumenten in hoogtemperatuurkalibraties. Voor het algemene meetbereik van −200 °C tot +350 °C scoort het type T (koper/constantaan) relatief goed qua nauwkeurigheid en stabiliteit. Het veelgebruikte type K is de meest gangbare keuze voor algemeen gebruik, maar kent iets meer gevoeligheid voor drift bij langdurige blootstelling aan hoge temperaturen. Als absolute nauwkeurigheid bij lage tot middelhoge temperaturen de prioriteit is, verdient een PT100-weerstandsthermometer altijd de voorkeur boven welk thermokoppeltype dan ook.
Thermokoppels worden geïdentificeerd door een gestandaardiseerde kleurcodering op de mantel en de connectoren, die per norm verschilt. Conform IEC 60584-3 (Europese norm) heeft het type K een groene mantel, met een groen positief (Ni-Cr) ader en een wit negatief (Ni-Al) ader. Conform de Amerikaanse ANSI/ASTM-norm is de mantel geel, met een geel positief en een rood negatief ader. Het is bij aansluitingen en vervangingen essentieel te controleren welke norm van toepassing is: een type K-connector conform IEC is groen, terwijl dezelfde connector conform ANSI geel is. Verlengsnoeren dienen altijd van hetzelfde type en dezelfde norm te zijn als de sensor zelf.
Het type K (Nikkel-chroom / Nikkel-aluminium) en het type T (Koper / Constantaan) overlappen deels in meetbereik, maar zijn bedoeld voor verschillende toepassingen. Het type K is de meest universeel inzetbare keuze voor algemeen laboratoriumgebruik en industriële toepassingen, met een bereik van −200 °C tot +1250 °C en voldoende nauwkeurigheid voor de meeste ovens, reactoren en procesomgevingen. Het type T heeft een beperkter bereik (−200 °C tot +350 °C), maar blinkt uit in stabiliteit bij lage en cryogene temperaturen en is bestand tegen vochtige en reducerende omgevingen — omstandigheden waarbij type K sneller degradeert. Voor metingen bij of onder 0 °C, in waterverzadigde milieus of bij cryogene toepassingen is type T de betere keuze; voor breed inzetbaar algemeen gebruik boven kamertemperatuur voldoet type K uitstekend.
Contactloze temperatuurmeting is noodzakelijk wanneer het meetobject in beweging is, te heet is voor directe aanraking, of wanneer fysiek contact de meting zou verstoren. Pyrometers meten de infraroodstraling die een object uitzendt en berekenen daaruit de oppervlaktetemperatuur.
De termen pyrometer en infraroodthermometer worden regelmatig door elkaar gebruikt, maar er is een praktisch onderscheid. Een infraroodthermometer (of IR-thermometer) is doorgaans een handheld instrument voor snelle oppervlaktetemperatuurmetingen op korte afstand, met een relatief breed meetvlak en beperkt meetbereik (veelal −50 °C tot +600 °C). Een pyrometer is in strikte zin een instrument voor hogere temperaturen (typisch vanaf +200 °C tot >3000 °C), met een nauwkeuriger optisch systeem en instelbare emissiecoëfficiënt. In de industrie en bij procesmonitoring worden pyrometers ingezet voor continue, contactloze meting van smeltbaden, verbrandingsgassen en extrusieprocessen. In de laboratoriumwereld wordt de term infraroodthermometer vaker gebruikt voor handheld toepassingen, terwijl pyrometer verwijst naar vaste meetopstellingen of hoge-temperatuurtoepassingen.
Een cruciale parameter bij beide typen is de emissiecoëfficiënt (ε): een getal tussen 0 en 1 dat aangeeft hoe efficiënt een materiaal IR-straling uitzendt ten opzichte van een ideaal zwart lichaam. Metalen hebben doorgaans een lage emissiecoëfficiënt (0,1–0,4); matte, donkere oppervlakken een hoge (0,9–0,98). Een verkeerd ingestelde emissiecoëfficiënt leidt tot systematische meetfouten.
Toepassingen in het laboratorium zijn onder meer:
Een temperatuursensor geeft slechts een betrouwbaar resultaat als hij regelmatig wordt gekalibreerd en de kalibratie traceerbaar is aan nationale of internationale meetstandaarden (SI-stelsel via BIPM/NMi). In GLP- en ISO 17025-omgevingen is kalibratie een formele verplichting, vastgelegd in een kalibratiecertificaat met meetonzekerheidsverklaring.
Praktische kalibratiereferenties zijn onder meer:
Meetonzekerheid is een kwantitatieve aanduiding van de spreiding waarbinnen de werkelijke temperatuur zich met een opgegeven betrouwbaarheid bevindt. Elke temperatuursensor heeft een zekere meetonzekerheid die voortvloeit uit de combinatie van sensoronnauwkeurigheid, resolutie van de meetelektronica, instabiliteit door veroudering, kabelweerstand, thermische geleidbaarheid van de sondebehuizing en de kwaliteit van het kalibratieproces zelf. Een kalibratiecertificaat vermeldt de uitgebreide onzekerheid (doorgaans met een dekkingsfactor k = 2, overeenkomend met een betrouwbaarheidsinterval van circa 95%). In GLP- en ISO 17025-omgevingen is de meetonzekerheid een verplicht onderdeel van de meetrapportage: een temperatuurwaarde zonder bijbehorende onzekerheidsvermelding is in gereguleerde omgevingen niet acceptabel. Zie ook het kennisbank-artikel over Good Laboratory Practice (GLP) voor richtlijnen rondom meetonzekerheid, kalibratieprocedures en documentatie.
Er bestaat geen wettelijk vastgestelde universele kalibratiefrequentie voor thermometers. Zowel GLP als ISO 17025 schrijven voor dat kalibratie-intervallen risicogebaseerd worden vastgesteld: de gebruiksintensiteit, de omgeving (agressieve chemicaliën, hoge temperaturen, mechanische belasting), het driftgedrag uit eerdere kalibraties en de kritikaliteit van de meting bepalen samen hoe vaak een sensor opnieuw gekalibreerd moet worden. In de praktijk hanteren veel laboratoria intervallen van zes tot twaalf maanden voor temperatuursensoren in routinegebruik, maar na een mechanische schok, een vermoedelijke meetafwijking of een herstelling dient tussentijdse verificatie altijd plaats te vinden. Het kalibratieinterval wordt vastgelegd in het kwaliteitshandboek of het apparaatdossier van de organisatie.
In GLP- en ISO 17025-geaccrediteerde omgevingen is kalibratie van temperatuursensoren formeel verplicht en dient traceerbaar te zijn aan nationale meetstandaarden. Buiten gereguleerde omgevingen is kalibratie juridisch niet verplicht, maar wel sterk aanbevolen: een niet-gekalibreerde sensor kan systematische fouten introduceren die de geldigheid van meetresultaten ondermijnen zonder dat dit direct zichtbaar is. Onvoldoende gekalibreerde apparatuur kan bij audits of klachten leiden tot het ongeldig verklaren van meetreeksen. Voor ieder laboratorium dat waarde hecht aan reproduceerbare en verdedigbare meetresultaten is periodieke kalibratie dan ook de norm, ongeacht de wettelijke verplichting.
Een kalibratiecertificaat heeft geen vaste vervaldatum: de geldigheidsduur is in principe gekoppeld aan het door de organisatie vastgestelde kalibratieinterval en de feitelijke meetgeschiedenis van de sensor. Zolang een thermometer binnen zijn gebruiksomgeving stabiel meet en het volgende kalibratieinterval nog niet is verstreken, blijft het certificaat geldig voor de gedocumenteerde toepassing. Bij overschrijding van het interval, na ongewone omstandigheden (transport, val, overtemperatuur) of bij twijfel over de meting dient de sensor opnieuw te worden aangeboden voor kalibratie. In ISO 17025-accreditaties en GLP-omgevingen is de geldigheidsduur van kalibraties expliciet onderdeel van de documentatieverplichting.
In laboratoria die werken met celkweken, enzymen, reagentia of monsters die temperatuurgevoelig zijn, is continue bewaking van koel- en vriesopslag essentieel. Moderne bewakingssystemen combineren NTC- of PT100-sensoren met een datalogger, alarm-output en cloudconnectiviteit. Drempelwaarden worden ingesteld conform de opslagvereisten van het bewaarde materiaal — veelal −20 °C ± 5 °C voor diepvriezers, +2 tot +8 °C voor gekoelde opslag.
Regelmatige verificatie van de setpointnauwkeurigheid en de responstijd van het alarmsysteem is onderdeel van het kwaliteitssysteem. Vastlegging in een logboek of LIMS is bij GLP verplicht.
Bij het gebruik van waterbaden, verwarmingsmantels en droogstoffen is het van belang onderscheid te maken tussen de insteltemperatuur (setpoint van de regelaar) en de werkelijke temperatuur op het meetpunt in het monster. De stratificatie in een waterbad, de warmteweerstand van de kolfwand en de positie van de sensor ten opzichte van het verwarmingselement bepalen samen het werkelijke temperatuurprofiel. Raadpleeg voor meer achtergrond het artikel over waterbaden en verwarmingsmantels.
Bij technieken als Soxhlet-extractie en vacuümdrogen is de temperatuurbeheersing van het oplosmiddel en het monster bepalend voor de efficiëntie en de integriteit van het analyt. Te hoge temperaturen kunnen vluchtige componenten laten verdampen of warmtegevoelige stoffen degraderen. Zie voor meer achtergrond het kennisbank-artikel over Soxhlet-extractie.
Voor advies bij de keuze van de juiste temperatuursensor of -meter voor uw toepassing kunt u contact opnemen via het contactformulier. Bekijk ook het volledige assortiment temperatuurmeet- en tijdapparatuur op de productpagina.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
