Termoelementer er enkle temperatursensorer, der bruges i hele videnskab og industri. De består af to ledninger af forskellige metaller forbundet sammen på et enkelt punkt eller kryds, som normalt er svejset for robusthed og pålidelighed.
I det åbne kredsløb ender af disse ledninger, genererer et termoelement en spænding som reaktion på krydset temperatur, resultatet af et fænomen kaldet Seebeck-effekten, opdaget i 1821 af den tyske fysiker Thomas Seebeck.
Typer af termoelementer
Enhver to ledninger af forskellige metaller, der er i kontakt, frembringer en spænding, når de opvarmes; dog er visse kombinationer af legeringer standard på grund af deres outputniveau, stabilitet og kemiske egenskaber.
De mest almindelige er termoelementer af "uædle metaller", fremstillet med jern eller legeringer af nikkel og andre grundstoffer, og er kendt som typer J, K, T, E og N, afhængigt af sammensætningen.
"Ædle metaller" termoelementer, fremstillet af platin-rodium- og platinetråde til brug ved højere temperaturer, er kendt som type R, S og B. Afhængigt af typen kan termoelementer måle temperaturer fra ca. -270 grader Celsius til 1.700 C eller højere (ca. -454 grader Fahrenheit til 3.100 F eller højere).
Begrænsninger af termoelementer
Fordele og ulemper ved termoelementer afhænger af situationen, og det er vigtigt først at forstå deres begrænsninger. Effekten af et termoelement er meget lille, typisk kun omkring 0,001 volt ved stuetemperatur, hvilket stiger, når temperaturen stiger. Hver type har sin egen ligning til at konvertere spænding til temperatur. Forholdet er ikke en lige linje, så disse ligninger er noget komplekse med mange udtryk. Alligevel er termoelementer begrænset til nøjagtigheder på ca. 1 C eller i bedste fald ca. 2 F.
For at få et kalibreret resultat skal termoelementets spænding sammenlignes med en referenceværdi, som engang var et andet termoelement nedsænket i et isvandbad. Dette apparat skaber et "koldt kryds" ved 0 C eller 32 F, men det er naturligvis akavet og ubelejligt. Moderne elektroniske referencekredse for ispunkter har universelt erstattet isvand og muliggjort brugen af termoelementer i bærbare applikationer.
Da termoelementer kræver kontakt med to forskellige metaller, udsættes de for korrosion, hvilket kan påvirke deres kalibrering og nøjagtighed. I barske miljøer er krydset normalt beskyttet i en stålkappe, som forhindrer fugt eller kemikalier i at beskadige ledningerne. Ikke desto mindre er pleje og vedligeholdelse af termoelementer nødvendigt for god langvarig ydelse.
Fordele og ulemper ved termoelementer
Termoelementer er enkle, robuste, nemme at fremstille og relativt billige. De kan laves med ekstremt fin ledning til at måle temperaturen på små objekter såsom insekter. Termoelementer er nyttige over et meget bredt temperaturinterval og kan indsættes på vanskelige steder som kropshulrum eller voldelige miljøer som atomreaktorer.
For alle disse fordele skal ulemperne ved termoelementer overvejes, inden de påføres. Millivolt-niveauoutputtet kræver den ekstra kompleksitet af omhyggeligt designet elektronik, både til ispunktets reference og forstærkning af det lille signal.
Derudover er lavspændingsresponsen modtagelig for støj og interferens fra omgivende elektriske enheder. Termoelementer har muligvis brug for jordet afskærmning for at opnå gode resultater. Nøjagtigheden er begrænset til ca. 1 ° C og kan reduceres yderligere ved korrosion af forbindelsen eller ledningerne.
Anvendelser af termoelementer
Fordelene ved termoelementer har ført til deres inkorporering i en lang række situationer, fra kontrol af husholdningsovne til overvågning af temperaturen på fly, rumfartøjer og satellitter. Ovne og autoklaver bruger termoelementer, ligesom pres og forme til fremstilling.
Mange termoelementer kan forbindes sammen i serie for at skabe en termopæle, der producerer større spænding som reaktion på temperatur end et enkelt termoelement. Termopoler bruges til at fremstille følsomme enheder til detektering af infrarød stråling. Termopæle kan også generere strøm til rumsonder fra varmen fra radioaktivt henfald i en radioisotop termoelektrisk generator.