Termocuplurile sunt senzori de temperatură simpli folosiți în toată știința și industria. Acestea constau din două fire de metale diferite, unite între ele într-un singur punct sau joncțiune, care este de obicei sudat pentru rezistență și fiabilitate.
La capetele circuitului deschis al acestor fire, un termocuplu generează o tensiune ca răspuns la joncțiune temperatura, rezultatul unui fenomen numit efectul Seebeck, descoperit în 1821 de fizicianul german Thomas Seebeck.
Tipuri de termocupluri
Orice două fire de metale diferite în contact vor produce o tensiune atunci când sunt încălzite; cu toate acestea, anumite combinații de aliaje sunt standard datorită nivelului lor de ieșire, stabilității și caracteristicilor chimice.
Cele mai frecvente sunt termocuplurile „metal de bază”, realizate cu fier sau aliaje de nichel și alte elemente, și sunt cunoscute ca tipuri J, K, T, E și N, în funcție de compoziție.
Termocuplurile „metal nobil”, realizate din fire de platină-rodiu și platină pentru utilizare la temperaturi mai ridicate, sunt cunoscute sub numele de tipurile R, S și B. În funcție de tip, termocuplurile pot măsura temperaturi de la aproximativ -270 grade Celsius la 1.700 C sau mai mari (aproximativ -454 grade Fahrenheit la 3.100 F sau mai mari).
Limitările termocuplurilor
Avantajele și dezavantajele termocuplurilor depind de situație și este important să le înțelegem mai întâi limitările. Ieșirea unui termocuplu este foarte mică, de obicei doar în jur de 0,001 volți la temperatura camerei, crescând odată cu creșterea temperaturii. Fiecare tip are propria ecuație pentru a converti tensiunea în temperatură. Relația nu este o linie dreaptă, deci aceste ecuații sunt oarecum complexe, cu mulți termeni. Chiar și așa, termocuplurile sunt limitate la precizii de aproximativ 1 C sau aproximativ 2 F, în cel mai bun caz.
Pentru a obține un rezultat calibrat, tensiunea termocuplului trebuie comparată cu o valoare de referință, care odată era un alt termocuplu scufundat într-o baie de apă cu gheață. Acest aparat creează o „joncțiune rece” la 0 C sau 32 F, dar este evident incomod și incomod. Circuitele electronice de referință electronice moderne au înlocuit universal apa de gheață și au permis utilizarea termocuplurilor în aplicații portabile.
Deoarece termocuplurile necesită contactul a două metale diferite, acestea sunt supuse coroziunii, care le poate afecta calibrarea și precizia. În medii dure, joncțiunea este de obicei protejată într-o teacă de oțel, ceea ce împiedică umezirea sau substanțele chimice să deterioreze firele. Cu toate acestea, îngrijirea și întreținerea termocuplurilor sunt necesare pentru o performanță bună pe termen lung.
Avantajele și dezavantajele termocuplurilor
Termocuplurile sunt simple, robuste, ușor de fabricat și relativ ieftine. Acestea pot fi realizate cu sârmă extrem de fină pentru a măsura temperatura obiectelor mici, cum ar fi insectele. Termocuplurile sunt utile într-un interval de temperatură foarte larg și pot fi introduse în locații dificile, cum ar fi cavitățile corpului sau medii abuzive, cum ar fi reactoarele nucleare.
Pentru toate aceste avantaje, dezavantajele termocuplurilor trebuie luate în considerare înainte de a le aplica. Ieșirea la nivel de milivolți necesită complexitatea suplimentară a electronicii proiectate cu atenție, atât pentru referința punctului de gheață, cât și pentru amplificarea semnalului mic.
În plus, răspunsul la joasă tensiune este susceptibil la zgomot și interferențe de la dispozitivele electrice din jur. Este posibil ca termocuplurile să aibă nevoie de protecție la pământ pentru rezultate bune. Precizia este limitată la aproximativ 1 C (aproximativ 2 F) și poate fi redusă în continuare prin coroziunea joncțiunii sau a firelor.
Aplicații ale termocuplurilor
Avantajele termocuplurilor au dus la încorporarea lor într-o gamă largă de situații, de la controlul cuptoarelor de uz casnic până la monitorizarea temperaturii avioanelor, a navelor spațiale și a sateliților. Cuptoarele și autoclavele folosesc termocupluri, la fel ca presele și matrițele pentru fabricare.
Multe termocupluri pot fi conectate împreună în serie pentru a crea un termopil, care produce o tensiune mai mare ca răspuns la temperatură decât un singur termocuplu. Termopilele sunt folosite pentru a produce dispozitive sensibile pentru detectarea radiațiilor infraroșii. Termopilele pot genera, de asemenea, energie pentru sondele spațiale din căldura dezintegrării radioactive a unui generator termoelectric de radioizotop.