A hőelem a hő elektromos energiává történő átalakítására szolgáló eszköz. Két pont közötti hőmérséklet-különbséget méri. A hőelemek a legelterjedtebb hőmérséklet-érzékelők közé tartoznak széles elérhetőségük és nagyon alacsony költségeik miatt. Sajnos azonban nem a legpontosabb hőmérséklet-leolvasók.
A Seebeck-effektus
A Seebeck-effektus kulcsszerepet játszik a hőelem működésében. Kimondja, hogy két fém félvezető közötti hőmérséklet-különbség áramot termel. Amikor ezek a félvezetők hurkot alkotnak, elektromos áram keletkezik. A hőelemek erre a hatásra támaszkodnak a hőmérséklet mérésében. Ha egy hőelemet két félvezető közötti hőmérsékleti gradiens közé helyezünk, akkor az a Seebeck-effektus által létrehozott áramkör részévé válik. Ez lehetővé teszi, hogy megmérje a feszültséget, és ezt a feszültséget olvasható hőmérsékleti gradienssé alakítsa a használt fém típusától függően.
A hőelem funkciója
Amikor egy hőelem hőmérsékleti gradienst mér, akkor két félvezető közötti hőmérséklet-különbséget mér. Ez azt jelenti, hogy egy hőelemet egy multiméterhez kell csatlakoztatni, amely lehetővé teszi felhasználójának, hogy leolvassa a két félvezető feszültségét. A hőmérséklet és a feszültség különbsége közvetlenül összefügg. Ezért, ha leolvashatja az áramkörön futó feszültséget, akkor kiszámíthatja a két félvezető közötti hőmérséklet-különbséget. Ezt a hőmérséklet-különbséget a feszültség mérésével kapjuk meg; mert a feszültség közvetlenül megfelel a hőelem félvezetőinek két csomópontja közötti hőmérséklet-különbségnek.
A hőelemek típusai
A hőelemeknek sokféle típusa van, amelyek mindegyike változik a szondájukban használt fémötvözetben. A legelterjedtebb, K típusú hőelemek (króm-alumínium) nagyon olcsóak, és széles hőmérséklet-tartományban mérhetők. Az ilyen típusú olcsóság azonban abban mutatkozik meg, hogy ez nem túl pontos, és változásokat tapasztalhat benne érzékenység 354 Celsius fok feletti hőmérsékleten, amely a Curie pont a nikkelnél, amely a króm. Az E típusú hőelemek (króm-konstantin) érzékenysége nagyobb, mint a K típusé, és nem mágnesesek. Számos más típusú hőelem található, és a teljes lista megtalálható az Erőforrások részben.
Alkalmazások
A hőelemeket az acél gyártásában használják az acél hőmérsékletének mérésére, hogy az acél olvadási hőmérséklete alapján meghatározzák a széntartalmat. Jelzőlámpákban is használják őket. Ez az alkalmazás megköveteli, hogy a hőelem szondája a próbalángban legyen annak megállapításához, hogy a láng be van-e kapcsolva. Ha a láng be van kapcsolva, a hőelemben áram keletkezik, és leolvassa a láng által termelt hőt. Ha a láng ki van kapcsolva, az elektronikus érzékelők tudják kikapcsolni a gázt az esetleges gázszivárgások elkerülése érdekében.
A hőelemek használatának törvényei
A hőelemek működésük során három törvényt tartanak be. Először is, a homogén anyagok törvénye kimondja, hogy a hőmérséklet nem alkalmazható a A hőelem nem befolyásolja az előállított feszültséget, mert nem hoznak létre többé hőmérsékletet gradiens. Másodszor, a köztes anyagok törvénye kimondja, hogy az áramkörbe injektált új anyagok nem változtassa meg a feszültséget, amíg az új anyag által létrehozott csomópontok nem érik el a hőmérsékletet gradiens. Az egymást követő hőmérsékletek törvénye kimondja, hogy a három vagy több csomópont közötti feszültség összeadható.