צמדים תרמיים הם חיישני טמפרטורה פשוטים המשמשים בכל המדע והתעשייה. הם מורכבים משני חוטים של מתכות שונות המחוברים יחד בנקודה אחת או בצומת, אשר בדרך כלל מרותכים למען קשיחות ואמינות.
בקצות המעגל הפתוח של חוטים אלה, צמד תרמי מייצר מתח בתגובה לצומת הטמפרטורה, תוצאה של תופעה המכונה אפקט Seebeck, שהתגלתה בשנת 1821 על ידי הפיזיקאי הגרמני תומאס סיבק.
סוגי צמדים תרמיים
כל שני חוטים של מתכות שונות במגע ייצרו מתח בחימום; עם זאת, שילובים מסוימים של סגסוגות הם סטנדרטיים בגלל רמת התפוקה שלהם, היציבות והמאפיינים הכימיים שלהם.
הנפוצים ביותר הם צמדים תרמיים "מתכתיים", עשויים ברזל או סגסוגות של ניקל ואלמנטים אחרים, והם ידועים בשם סוגים J, K, T, E ו- N, בהתאם להרכב.
צמדים תרמיים מסוג "מתכת אצולה", עשויים חוטי פלטינה-רודיום ופלטינה לשימוש בטמפרטורה גבוהה יותר, מכונים סוגים R, S ו- B. בהתאם לסוג, צמדים תרמיים יכולים למדוד טמפרטורות בין -270 מעלות צלזיוס ל -1,700 צלזיוס ומעלה (כ -454 מעלות פרנהייט עד 3,100 צלזיוס ומעלה).
מגבלות של צמדים תרמיים
היתרונות והחסרונות של צמדים תרמיים תלויים במצב, וחשוב להבין תחילה את מגבלותיהם. התפוקה של צמד תרמי קטנה מאוד, בדרך כלל רק סביב 0.001 וולט בטמפרטורת החדר, ועולה ככל שעולה הטמפרטורה. לכל סוג יש משוואה משלו להמרת מתח לטמפרטורה. הקשר אינו קו ישר, ולכן משוואות אלו מורכבות במקצת, עם מונחים רבים. למרות זאת, צמדים תרמיים מוגבלים לדיוק של כ -1 צלזיוס, או בערך 2 צלזיוס, במקרה הטוב.
כדי לקבל תוצאה מכוילת, יש להשוות את מתח הצמד התרמי לערך ייחוס, שהיה פעם צמד תרמי אחר שקוע באמבט מי קרח. מנגנון זה יוצר "צומת קר" בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס, או 32 F, אך ברור שהוא מביך ולא נוח. מעגלי התייחסות אלקטרוניים מודרניים לנקודות קרח החליפו באופן אוניברסלי את מי הקרח ואפשרו שימוש בצמדים תרמיים ביישומים ניידים.
מכיוון שצמדים תרמיים דורשים מגע של שתי מתכות שונות, הם נתונים לקורוזיה, מה שעלול להשפיע על כיולם ודיוקם. בסביבות קשות, הצומת מוגן בדרך כלל במעטפת פלדה, המונעת פגיעה בלחות או בכימיקלים בחוטים. עם זאת, טיפול ותחזוקה של צמדים תרמיים נחוצים לביצועים טובים לטווח הארוך.
יתרונות וחסרונות של צמדים תרמיים
צמדים תרמיים הם פשוטים, מחוספסים, קלים לייצור וזולים יחסית. הם יכולים להיעשות באמצעות חוט דק במיוחד למדידת הטמפרטורה של עצמים זעירים כמו חרקים. צמדים תרמיים שימושיים בטווח טמפרטורות רחב מאוד וניתן להכניסם למקומות קשים כמו חללי גוף או סביבות פוגעניות כמו כורים גרעיניים.
עם כל היתרונות הללו, יש לקחת בחשבון את החסרונות של צמדים תרמיים לפני החלתם. הפלט ברמת המילוולט דורש מורכבות נוספת של אלקטרוניקה שתוכננה בקפידה, הן להתייחסות לנקודת הקרח והן להגברה של האות הזעיר.
בנוסף, תגובת המתח הנמוך רגישה לרעש ולהפרעות ממכשירים חשמליים שמסביב. צמדים תרמיים עשויים להזדקק למיגון מקורקע לקבלת תוצאות טובות. הדיוק מוגבל לכ -1 צלזיוס (כ -2 פרנהייט) ועשוי להיות מופחת על ידי קורוזיה של הצומת או החוטים.
יישומים של צמדים תרמיים
היתרונות של צמדים תרמיים הובילו לשילובם במגוון רחב של מצבים, החל משליטה בתנורי בית וכלה במעקב אחר טמפרטורה של מטוסים, חלליות ולוויינים. כבשנים ואוטוקלאבות משתמשים בצמדים תרמיים, כמו גם מכבשים ותבניות לייצור.
ניתן לחבר צמדים תרמיים רבים ביחד בסדרה ליצירת צינור תרמי, המייצר מתח גדול יותר בתגובה לטמפרטורה מאשר צמד תרמי יחיד. באמצעות ערימות תרמיליות מייצרים מכשירים רגישים לגילוי קרינת אינפרא אדום. ערימות תרמו יכולות גם לייצר חשמל לחוטרי חלל מחום של ריקבון רדיואקטיבי בגנרטור תרמו-אלקטרו רדיואיזוטופי.