Termoelement är enkla temperatursensorer som används inom vetenskap och industri. De består av två trådar av olika metaller sammanfogade vid en enda punkt eller korsning, som vanligtvis svetsas för robusthet och tillförlitlighet.
Vid de öppna ledarnas ändar genererar ett termoelement en spänning som svar på korsningen temperatur, resultatet av ett fenomen som kallas Seebeck-effekten, upptäckt 1821 av den tyska fysikern Thomas Seebeck.
Typer av termoelement
Varje två ledningar av olika metaller som kommer i kontakt ger en spänning vid uppvärmning; emellertid är vissa kombinationer av legeringar standard på grund av deras utgångsnivå, stabilitet och kemiska egenskaper.
De vanligaste är "oädelmetall" termoelement, tillverkade med järn eller legeringar av nickel och andra element, och är kända som typ J, K, T, E och N, beroende på sammansättning.
Termoelement av "ädelmetall", gjorda av platina-rodium- och platinatrådar för högre temperaturanvändning, är kända som typ R, S och B. Beroende på typ kan termoelement mäta temperaturer från cirka -270 grader Celsius till 1700 C eller högre (cirka -454 grader Fahrenheit till 3100 F eller högre).
Begränsningar av termoelement
Fördelarna och nackdelarna med termoelement beror på situationen och det är viktigt att först förstå deras begränsningar. Effekten av ett termoelement är mycket liten, vanligtvis bara runt 0,001 volt vid rumstemperatur, vilket ökar när temperaturen stiger. Varje typ har sin egen ekvation för att omvandla spänning till temperatur. Förhållandet är inte en rak linje, så dessa ekvationer är något komplexa, med många termer. Ändå är termoelement begränsade till noggrannhet av ca 1 C eller i bästa fall ca 2 F.
För att få ett kalibrerat resultat måste termoelementets spänning jämföras med ett referensvärde, som en gång var ett annat termoelement nedsänkt i ett isvattenbad. Denna apparat skapar en "kall korsning" vid 0 C eller 32 F, men den är uppenbarligen besvärlig och obekväm. Moderna elektroniska ispunktsreferenskretsar har universellt ersatt isvatten och möjliggjort användning av termoelement i bärbara applikationer.
Eftersom termoelement kräver kontakt med två olika metaller utsätts de för korrosion, vilket kan påverka deras kalibrering och noggrannhet. I svåra miljöer är korsningen vanligtvis skyddad i en stålmantel som förhindrar fukt eller kemikalier från att skada ledningarna. Ändå är skötsel och underhåll av termoelement nödvändiga för god långvarig prestanda.
Fördelar och nackdelar med termoelement
Termoelement är enkla, robusta, enkla att tillverka och relativt billiga. De kan tillverkas med extremt fin tråd för att mäta temperaturen på små föremål som insekter. Termoelement är användbara över ett mycket brett temperaturintervall och kan sättas in på svåra platser som kroppshåligheter eller kränkande miljöer som kärnreaktorer.
För alla dessa fördelar måste nackdelarna med termoelement beaktas innan de appliceras. Millivoltnivåutgången kräver ytterligare komplexitet av noggrant designad elektronik, både för ispunktsreferens och förstärkning av den lilla signalen.
Dessutom är lågspänningsresponsen känslig för buller och störningar från omgivande elektriska apparater. Termoelement kan behöva jordad avskärmning för bra resultat. Noggrannheten är begränsad till ca 1 C (ca 2 F) och kan reduceras ytterligare genom korrosion av förbindelsen eller ledningarna.
Tillämpningar av termoelement
Fördelarna med termoelement har lett till att de införlivas i ett brett spektrum av situationer, från kontroll av hushållsugnar till övervakning av temperaturen på flygplan, rymdfarkoster och satelliter. Ugnar och autoklaver använder termoelement, liksom pressar och formar för tillverkning.
Många termoelement kan kopplas ihop i serie för att skapa en termostapel, som producerar större spänning som svar på temperaturen än ett enda termoelement. Termopoler används för att göra känsliga enheter för att detektera infraröd strålning. Termopoler kan också generera kraft för rymdprober från värmen från radioaktivt förfall i en radioisotop termoelektrisk generator.