Thermocouples are widely used temperature sensors and convenient high temperature transfer standards. However, the achievable accuracy is limited by the effects of inhomogeneity, drift and contamination. The work reported in this thesis focuses on approaches to reduce the uncertainty of temperature measurement with thermocouples up to 2000 QC. These approaches are qualification of new thermocouple types and the investigation of two approaches to self-calibration at high temperatures utilising recently developed high temperature fixed points whose transition temperatures are in excess of the Cu fixed point (1084 QC). Robust high performance elemental thermocouples (Pt/Pd) have been developed and a comparative study performed relative to more conventional types to quantitatively demonstrate the enhanced performance of the new thermocouple. It was found that the Pt/Pd thermocouple showed substantially better stability and lower homogeneity than the two type R thermocouples during a 500 h ageing programme at 1350 QC. The special type R thermocouple, which was given the same preparatory treatment as the Pt/Pd thermocouple, showed better stability and homogeneity than the normal type R thermocouple, The development of in-situ calibration methods is described. The initial development of the "integrated cell" method where the mini-fixed point cells are integrated and formed into a measurement junction was investigated. Four fixed point materials were investigated; Ag (962 QC) and the metal-carbon eutectic fixed point cells of Co-C (1324 QC), Fe-C (1153 QC) and Pd-C (1492 QC). It was found that this approach is significantly influenced by the thermal gradient within the furnace. Nonetheless, the experimental results show good repeatability of melting plateaux for monitoring calibration drift of the sensor in-situ. Because this approach is restricted to bare wire thermocouples it cannot be easily used above 1500 QC hence a different "immersion cell" approach was followed. In order to extend the possibility of self-calibration above 1500 QC, "immersion cells", for the in-situ calibration of mineral insulated metal sheathed WIRe thermocouples (type C), were developed. The refractory metal W/Re thermocouple, is widely used to at least 2300 QC in industry and hence an appropriate subject for study. The development and construction of immersion cells made from metal-carbon eutectic fixed points; Co-C (1324 QC), Pd-C (1492 QC), and Ru-C (1954 QC) is discussed. A multi-mini cell for the WIRe thermocouple was also trialled. Given the significant drift observed with WIRe thermocouples it is clear that the immersion cell is required to reduce thermocouple temperature measurement uncertainty at high temperatures. These developments were supported by appropriate thermal modelling. This is described at the appropriate part of the relevant chapters.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάλυση της λειτουργίας των θερμοηλεκτρικών στοιχείων, τη συγκριτική μελέτη μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος από αυτά καθώς και την κατασκευή διάταξης για την πειραματική σύγκριση των μεθόδων αυτών στο εργαστήριο. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Κύριος στόχος είναι η επιλογή ορισμένων μεθόδων εντοπισμού του σημείου απομάστευσης μέγιστης ισχύος, που μπορούν να εφαρμοστούν σε διάταξη θερμοστοιχείων και η μελέτη αυτών ώστε να εξαχθούν συγκριτικά αποτελέσματα για τις μεθόδους αυτές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία διεξήχθη η απαραίτητη βιβλιογραφική αναζήτηση, η μελέτη των μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος, η μελέτη των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των θερμοστοιχείων και η μοντελοποίηση τους ως γεννήτριες ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά έγινε η αναζήτηση στη βιβλιογραφία των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών λειτουργίας των θερμοστοιχείων για κατανόηση της λειτουργίας τους. Έγινε μελέτη των ιδιαιτεροτήτων τους και των διαφορών τους από τα άλλα συστήματα που έχουν εφαρμοστεί μέθοδοι απομάστευσης μέγιστης ισχύος, καθώς και αναζήτηση για εύρεση μοντέλου κατάλληλου για την προσομοίωση τους. Στη συνέχεια έγινε βιβλιογραφική αναζήτηση για τις μεθόδους απομάστευσης μέγιστης ισχύος που έχουν εφαρμοστεί σε θερμοστοιχεία, αλλά και σε άλλα συστήματα, όπως ανεμογεννήτριες και φωτοβολταϊκά συστήματα. Μελετήθηκε η φιλοσοφία της κάθε μίας και μεταξύ αυτών έγινε επιλογή των καταλληλότερων για την εφαρμογή τους σε θερμοστοιχεία. Το επόμενο βήμα ήταν η προσομοίωση τόσο του θερμοστοιχείου βάσει ενός εκ των μοντέλων που υφίστανται στη βιβλιογραφία, σε περιβάλλον Matlab/Simulink, όσο και των μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος που επιλέχθηκαν. Στόχος είναι η καλύτερη κατανόηση των χαρακτηριστικών των θερμοστοιχείων και η διεξαγωγή πρώιμης σύγκρισης βάσει των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων. Τέλος μελετήθηκε και κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη, κατάλληλη για την εφαρμογή των μεθόδων απομάστευσης μέγιστης ισχύος. Βάσει των μετρήσεων που λήφθηκαν με αυτή τη διάταξη έγινε η τελική σύγκριση μεταξύ των μεθόδων που επιλέχθηκαν. / This diploma thesis deals with the analysis of the operation of thermoelectric elements, and with a comparative study on methods of maximum power bleed and constructing a provision for the experimental comparison of these methods. This work was conducted in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, Faculty of Engineering, University of Patras. The main objective is to choose between certain maximum power point tracking methods that can be applied on thermocouples and study them in order to draw comparative results for these methods. In this diploma thesis the necessary literature search was conducted. Also a study on maximum power point tracking methods, and a study on the characteristics of thermocouples was conducted for modeling them as generators of electricity. Initially, a literature search on the properties and operating characteristics of the thermocouples was done in order to understand their function. We investigated their specificities and their differences from other systems where maximum power point tracking methods have been applied, in order to find a suitable model for their simulation. Then a literature search, for maximum power point tracking methods that are applied to thermocouples and other systems such as wind generators and photovoltaic systems, was done. The philosophy of each one of them was studied and were selected the most suitable for application on thermocouples. The next step was to simulate both the thermocouple, under one of the existing models in the literature, and the methods for maximum power point tracking that were selected, on Matlab / Simulink. The objective is to better understand the characteristics of thermocouples and to conduct an early comparison based on the simulation results. Finally an experimental device suitable for implementing the methods was studied and built. Based on the measurements obtained with this device the final comparison between the methods was made.

Les recherches consacrées aux points fixes à haute température (PFHT) ont été intensifiées depuis 1996, suite à une recommandation du Comité Consultatif de Thermométrie de développer des références au-delà de 2000 °C. Les Laboratoires Nationaux de Métrologie se sont alors engagés dans le développement de PFHT construits à partir d'alliages de métal et de carbone. Ces points fixes ont montré des transitions de phase à des températures reproductibles indépendamment de la proportion de carbone dans le métal. Les projets internationaux qui ont suivis les premiers developpements ont permis d'accroitre la robustesse et la stabilité à long terme des points fixes et ont mis en évidence l'importance des conditions thermiques de mise en œuvre. Aujourd'hui ces points fixes montrent une reproductibilité de l'ordre de 0.1 °C et sont en voie de renforcer l'exactitude des mesures pyrométriques aux plus hautes températures, jusqu'ici limitée par l'incertitude d'extrapolation dans l'Echelle Internationale de Température (EIT-90). Un projet de mesure par voie radiométrique de la température thermodynamique des PFHT les plus étudiés a été récemment mené. Les résulats de ces mesures absolues permettent aujourd'hui d'aborder la future mise-en-pratique du kelvin à haute température, par des méthodes de dissémination directe de la température thermodynamique sans recours à l'EIT-90. Ce document décrit les principales étapes depuis la conception de ces nouvelles références, jusqu'à la mesure de leur température thermodynamique. / Research dedicated to high-temperature-fixed-points (HTFPs) have been intensified since 1996, further to a recommendation of the Consultative Committee for Thermometry to develop references above 2000 °C. National Laboratories of Metrology envolved in the development of HTFPs based on metal-carbon alloys. These fixed points showed phase transitions at reproducible temperatures independently to the proportion of carbon in the metal. The international projects that followed the first developments allowed increasing the robustness and the long-term stability of the fixed points and highlighted the importance of the thermal conditions of implementation. Today these fixed points show a reproducibility of about 0.1 °C and are on the way to strengthen the accuracy of radiation thermometry measurements at high temperatures, up to now, limited by the uncertainty of the International Temperature Scale (ITS-90). A project to measure the thermodynamic temperature of the most studied HTFPs by a radiometric method was recently led. Results of this absolute measurement is a step towards the future mise en pratique of the kelvin at high temperature, by a direct dissemination of the thermodynamic temperature without any link to the ITS-90. This document describes the main steps from the conception of these new references, up to the measurement of their thermodynamic temperature.