A hőelemek egyszerű hőmérséklet-érzékelők, amelyeket az egész tudomány és az ipar alkalmaz. Két különböző fémből álló huzalból állnak, amelyek egyetlen pontban vagy kereszteződésben vannak összekötve, és amelyeket általában a hevesség és a megbízhatóság érdekében hegesztenek.
Ezen huzalok nyitott áramköri végeinél egy hőelem feszültséget generál a csomópontra válaszul hőmérséklet, a Seebeck-effektus nevű jelenség eredménye, amelyet 1821-ben fedezett fel Thomas német fizikus Seebeck.
A hőelemek típusai
Bármely két különböző fémből álló érintkező huzal feszültséget termel; az ötvözetek bizonyos kombinációi azonban szabványosak a kibocsátási szintjük, stabilitásuk és kémiai jellemzőik miatt.
A leggyakoribbak a nem nemesfém hőelemek, amelyek vasból vagy nikkelötvözetekből és más elemekből készülnek, és összetételüktől függően J, K, T, E és N típusokként ismertek.
A nemesfém hőelemeket, platina-ródiumból és platina huzalokból, magasabb hőmérsékletű felhasználás céljából, R, S és B típusnak nevezik. A típustól függően a hőelemek körülbelül -270 Celsius fok és 1700 C közötti hőmérsékletet mérhetnek (kb. -454 Fahrenheit fok és 3100 F vagy magasabb között).
A hőelemek korlátai
A hőelemek előnyei és hátrányai a helyzettől függenek, ezért fontos először megérteni korlátjaikat. A hőelem kimenete nagyon kicsi, szobahőmérsékleten jellemzően csak 0,001 volt körüli, a hőmérséklet emelkedésével növekszik. Mindegyik típusnak megvan a maga egyenlete a feszültség hőmérsékletre való átalakítására. A kapcsolat nem egyenes, ezért ezek az egyenletek némileg összetettek, sok kifejezéssel. Ennek ellenére a hőelemek legfeljebb 1 ° C vagy 2 F pontosságra korlátozódnak.
A kalibrált eredmény eléréséhez a hőelem feszültségét össze kell hasonlítani egy referenciaértékkel, amely egykor egy másik hőelem volt jeges vízfürdőbe merítve. Ez a berendezés 0 ° C-on vagy 32 F-on „hideg-csomópontot” hoz létre, de nyilvánvalóan kínos és kényelmetlen. A modern elektronikus jégpont-referencia áramkörök általánosan felváltották a jeges vizet, és lehetővé tették a hőelemek alkalmazását hordozható alkalmazásokban.
Mivel a hőelemek két különböző fém érintkezését igénylik, korróziónak vannak kitéve, ami befolyásolhatja azok kalibrálását és pontosságát. Zord környezetben a csomópontot általában acélhüvely védi, amely megakadályozza, hogy a nedvesség vagy vegyi anyagok károsítsák a vezetékeket. Mindazonáltal a hőelemek gondozása és karbantartása szükséges a jó hosszú távú teljesítmény érdekében.
A hőelemek előnyei és hátrányai
A hőelemek egyszerűek, masszívak, könnyen előállíthatók és viszonylag olcsók. Rendkívül finom huzallal készíthetők apró tárgyak, például rovarok hőmérsékletének mérésére. A hőelemek nagyon széles hőmérsékleti tartományban hasznosak, és nehéz helyekre is beilleszthetők, például testüregekbe vagy sértő környezetbe, például atomreaktorokba.
Mindezen előnyök elérése előtt figyelembe kell venni a hőelemek hátrányait. A millivoltos szint kimenete megköveteli a gondosan megtervezett elektronika további összetettségét, mind a jégpont-referencia, mind az apró jel erősítése érdekében.
Ezenkívül az alacsony feszültségű válasz érzékeny a környező elektromos eszközök zajára és interferenciájára. A jó párosuláshoz a hőelemeknek földelt árnyékolásra lehet szükségük. A pontosság körülbelül 1 C-ra (kb. 2 F) korlátozódik, és tovább csökkenthető a csomópont vagy a vezetékek korróziójával.
A hőelemek alkalmazásai
A hőelemek előnyei a beépítésükhöz sokféle helyzetben vezettek, a háztartási sütők vezérlésétől a repülőgépek, űrhajók és műholdak hőmérsékletének ellenőrzéséig. A kemencék és az autoklávok hőelemeket használnak, csakúgy, mint a prések és az öntőformák a gyártáshoz.
Sok hőelem sorba köthető egymással egy hőelem létrehozására, amely nagyobb feszültséget termel a hőmérsékletre reagálva, mint egyetlen hőelem. A hőelemekből érzékeny eszközök készülnek az infravörös sugárzás detektálására. A hőelemek az űrszondák számára is energiát termelhetnek a radioizotóp termoelektromos generátor radioaktív bomlásának hőjéből.