Termoelementer er enkle temperatursensorer som brukes i hele vitenskap og industri. De består av to ledninger av forskjellige metaller sammenføyde på et enkelt punkt eller kryss, som vanligvis er sveiset for robusthet og pålitelighet.
Ved den åpne kretsenden av disse ledningene genererer et termoelement en spenning som svar på krysset temperatur, resultatet av et fenomen som kalles Seebeck-effekten, oppdaget i 1821 av den tyske fysikeren Thomas Seebeck.
Typer termoelementer
Eventuelle to ledninger av forskjellige metaller i kontakt vil produsere en spenning når de varmes opp; Imidlertid er visse kombinasjoner av legeringer standard på grunn av deres utgangsnivå, stabilitet og kjemiske egenskaper.
De vanligste er "uedle metaller" termoelementer, laget med jern eller legeringer av nikkel og andre elementer, og er kjent som typene J, K, T, E og N, avhengig av sammensetning.
Termoelementer av "edelt metall", laget av platina-rodium- og platinakabler for høyere temperaturbruk, er kjent som typene R, S og B. Avhengig av type, kan termoelementer måle temperaturer fra ca. -270 grader Celsius til 1700 C eller høyere (ca. -454 grader Fahrenheit til 3100 F eller høyere).
Begrensninger for termoelementer
Fordelene og ulempene med termoelementer avhenger av situasjonen, og det er viktig å først forstå deres begrensninger. Effekten av et termoelement er veldig liten, vanligvis bare rundt 0,001 volt ved romtemperatur, og øker når temperaturen stiger. Hver type har sin egen ligning for å konvertere spenning til temperatur. Forholdet er ikke en rett linje, så disse ligningene er noe komplekse, med mange begreper. Likevel er termoelementer begrenset til nøyaktigheter på ca. 1 ° C eller i beste fall ca. 2 ° F.
For å få et kalibrert resultat, må spenningen til termoelementet sammenlignes med en referanseverdi, som en gang var et annet termoelement nedsenket i et isvannsbad. Dette apparatet skaper et "kaldt kryss" ved 0 C, eller 32 F, men det er åpenbart vanskelig og upraktisk. Moderne elektroniske ispunktsreferansekretser har universelt erstattet isvann og muliggjort bruk av termoelementer i bærbare applikasjoner.
Fordi termoelementer krever kontakt med to forskjellige metaller, er de utsatt for korrosjon, noe som kan påvirke deres kalibrering og nøyaktighet. I tøffe omgivelser er krysset vanligvis beskyttet i en stålkappe, som forhindrer fuktighet eller kjemikalier i å skade ledningene. Likevel er pleie og vedlikehold av termoelementer nødvendig for god langvarig ytelse.
Fordeler og ulemper ved termoelementer
Termoelementer er enkle, robuste, enkle å produsere og relativt billige. De kan lages med ekstremt fin ledning for å måle temperaturen på små gjenstander som insekter. Termoelementer er nyttige over et veldig bredt temperaturområde og kan settes inn på vanskelige steder som kroppshulrom eller voldelige miljøer som kjernefysiske reaktorer.
For alle disse fordelene, må ulempene med termoelementer vurderes før du bruker dem. Utgangen på millivoltnivået krever den ekstra kompleksiteten til nøye designet elektronikk, både for ispunktsreferanse og forsterkning av det lille signalet.
I tillegg er lavspenningsresponsen utsatt for støy og interferens fra omkringliggende elektriske enheter. Termoelementer kan trenge jordet skjerming for å få gode resultater. Nøyaktigheten er begrenset til ca. 1 ° C og kan reduseres ytterligere ved korrosjon av krysset eller ledningene.
Anvendelser av termoelementer
Fordelene med termoelementer har ført til at de er innlemmet i en rekke situasjoner, fra å kontrollere husholdningsovner til å overvåke temperaturen på fly, romfartøy og satellitter. Ovner og autoklaver bruker termoelementer, i likhet med presser og former for produksjon.
Mange termoelementer kan kobles sammen i serie for å lage en termopil, som gir større spenning som respons på temperatur enn et enkelt termoelement. Termopiler brukes til å lage sensitive enheter for å oppdage infrarød stråling. Termopiler kan også generere kraft for romfølere fra varmen fra radioaktivt forfall i en radioisotop termoelektrisk generator.