Τα θερμοζεύγη είναι απλοί αισθητήρες θερμοκρασίας που χρησιμοποιούνται σε όλη την επιστήμη και τη βιομηχανία. Αποτελούνται από δύο σύρματα ανόμοιων μετάλλων που ενώνονται σε ένα σημείο ή διασταύρωση, τα οποία συνήθως συγκολλούνται για ανθεκτικότητα και αξιοπιστία.
Στα άκρα ανοικτού κυκλώματος αυτών των καλωδίων, ένα θερμοστοιχείο παράγει τάση σε απόκριση στη διασταύρωση θερμοκρασία, το αποτέλεσμα ενός φαινομένου που ονομάζεται φαινόμενο Seebeck, που ανακαλύφθηκε το 1821 από τον Γερμανό φυσικό Thomas Seebeck.
Τύποι Θερμοστοιχείων
Τυχόν δύο καλώδια διαφορετικών μετάλλων σε επαφή θα παράγουν τάση όταν θερμαίνονται. Ωστόσο, ορισμένοι συνδυασμοί κραμάτων είναι τυπικοί λόγω του επιπέδου εξόδου, της σταθερότητας και των χημικών χαρακτηριστικών τους.
Τα πιο συνηθισμένα είναι θερμοστοιχεία «βασικού μετάλλου», κατασκευασμένα με σίδηρο ή κράματα νικελίου και άλλων στοιχείων και είναι γνωστά ως Τύποι J, K, T, E και N, ανάλογα με τη σύνθεση.
Θερμοστοιχεία "Noble metal", κατασκευασμένα από σύρματα πλατίνα-ρόδιο και πλατίνα για χρήση σε υψηλότερη θερμοκρασία, είναι γνωστά ως Τύποι R, S και B. Ανάλογα με τον τύπο, τα θερμοστοιχεία μπορούν να μετρήσουν θερμοκρασίες από περίπου -270 βαθμούς Κελσίου έως 1.700 C ή υψηλότερες (περίπου -454 βαθμούς Φαρενάιτ έως 3.100 F ή υψηλότερες).
Περιορισμοί των Θερμοστοιχείων
Τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των θερμοστοιχείων εξαρτώνται από την κατάσταση και είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πρώτα τους περιορισμούς τους. Η έξοδος ενός θερμοστοιχείου είναι πολύ μικρή, συνήθως μόνο περίπου 0,001 volt σε θερμοκρασία δωματίου, αυξάνοντας καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Κάθε τύπος έχει τη δική του εξίσωση για τη μετατροπή της τάσης σε θερμοκρασία. Η σχέση δεν είναι ευθεία, οπότε αυτές οι εξισώσεις είναι κάπως περίπλοκες, με πολλούς όρους. Ωστόσο, τα θερμοστοιχεία περιορίζονται στην ακρίβεια περίπου 1 C, ή περίπου 2 F, στην καλύτερη περίπτωση.
Για να έχετε βαθμονομημένο αποτέλεσμα, η τάση του θερμοστοιχείου πρέπει να συγκρίνεται με μια τιμή αναφοράς, η οποία κάποτε ήταν ένα άλλο θερμοστοιχείο βυθισμένο σε λουτρό πάγου. Αυτή η συσκευή δημιουργεί μια «ψυχρή διασταύρωση» στους 0 C ή 32 F, αλλά είναι προφανώς αδέξια και άβολη. Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά κυκλώματα αναφοράς σημείου πάγου έχουν αντικαταστήσει καθολικά το παγωμένο νερό και επέτρεψαν τη χρήση θερμοστοιχείων σε φορητές εφαρμογές.
Επειδή τα θερμοστοιχεία απαιτούν την επαφή δύο ανόμοιων μετάλλων, υπόκεινται σε διάβρωση, η οποία μπορεί να επηρεάσει τη βαθμονόμηση και την ακρίβειά τους. Σε σκληρά περιβάλλοντα, η διασταύρωση προστατεύεται συνήθως σε χαλύβδινο περίβλημα, το οποίο αποτρέπει την υγρασία ή τα χημικά από το να καταστρέψουν τα καλώδια. Ωστόσο, η φροντίδα και η συντήρηση των θερμοστοιχείων είναι απαραίτητα για καλή μακροπρόθεσμη απόδοση.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των Θερμοστοιχείων
Τα θερμοστοιχεία είναι απλά, ανθεκτικά, εύκολα στην κατασκευή και σχετικά φθηνά. Μπορούν να κατασκευαστούν με εξαιρετικά λεπτό σύρμα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας μικροσκοπικών αντικειμένων όπως τα έντομα. Τα θερμοζεύγη είναι χρήσιμα σε πολύ μεγάλο εύρος θερμοκρασιών και μπορούν να εισαχθούν σε δύσκολες τοποθεσίες όπως κοιλότητες σώματος ή καταχρηστικά περιβάλλοντα όπως πυρηνικοί αντιδραστήρες.
Για όλα αυτά τα πλεονεκτήματα, πρέπει να ληφθούν υπόψη τα μειονεκτήματα των θερμοστοιχείων πριν από την εφαρμογή τους. Η έξοδος επιπέδου millivolt απαιτεί την πρόσθετη πολυπλοκότητα των προσεκτικά σχεδιασμένων ηλεκτρονικών, τόσο για την αναφορά σημείου πάγου όσο και για την ενίσχυση του μικροσκοπικού σήματος.
Επιπλέον, η απόκριση χαμηλής τάσης είναι ευαίσθητη σε θόρυβο και παρεμβολές από τις γύρω ηλεκτρικές συσκευές. Τα θερμοζεύγη μπορεί να χρειαστούν γειωμένη θωράκιση για καλά αποτελέσματα. Η ακρίβεια περιορίζεται σε περίπου 1 C (περίπου 2 F) και μπορεί να μειωθεί περαιτέρω λόγω της διάβρωσης της σύνδεσης ή των καλωδίων.
Εφαρμογές Θερμοστοιχείων
Τα πλεονεκτήματα των θερμοστοιχείων οδήγησαν στην ενσωμάτωσή τους σε ένα ευρύ φάσμα καταστάσεων, από τον έλεγχο των οικιακών φούρνων έως την παρακολούθηση της θερμοκρασίας των αεροπλάνων, του διαστημικού σκάφους και των δορυφόρων. Οι κλίβανοι και τα αυτόκλειστα χρησιμοποιούν θερμοστοιχεία, όπως και οι πρέσες και τα καλούπια για την κατασκευή.
Πολλά θερμοζεύγη μπορούν να συνδεθούν μαζί σε σειρά για να δημιουργήσουν ένα θερμοστάτη, το οποίο παράγει μεγαλύτερη τάση σε απόκριση της θερμοκρασίας από ένα μόνο θερμοστοιχείο. Τα θερμοπύλη χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ευαίσθητων συσκευών για την ανίχνευση ακτινοβολίας υπερύθρων. Τα θερμοπύλη μπορούν επίσης να παράγουν ισχύ για διαστημικούς ανιχνευτές από τη θερμότητα της ραδιενεργού αποσύνθεσης σε μια θερμοηλεκτρική γεννήτρια ραδιοϊσοτόπων.
