Fordele og ulemper ved termoelementer:En omfattende guide

Af H.L.M. Lee
Opdateret 30. august 2022

Termoelementer er blandt de mest pålidelige og alsidige temperatursensorer inden for videnskab og industri. De består af to forskellige metaltråde, der er forbundet i et enkelt kryds, typisk svejset for maksimal holdbarhed.

Når krydset opvarmes, produceres der en lille spænding – et fænomen kendt som Seebeck-effekten, som først blev beskrevet af den tyske fysiker Thomas Seebeck i 1821.

Typer af termoelementer

Mens to forskellige metaller vil generere en spænding, er visse legeringskombinationer standardiserede, fordi de tilbyder forudsigelig output, stabilitet og kemisk modstandsdygtighed. De mest almindelige "uædle metal"-typer - fremstillet af jern, nikkel eller legerede varianter - er betegnet J, K, T, E og N.

"Ædelmetal" termoelementer, konstrueret af platin-rhodium og ren platin, anvendes til højtemperaturapplikationer og er mærket R, S og B. Afhængigt af typen kan termoelementer måle temperaturer fra ca. –270 °C (–454 °F) til 1.700 °C (3,1) og derover.

Begrænsninger af termoelementer

Det lille output - omkring 1 mV ved stuetemperatur, stigende med varme - kræver omhyggelig elektronik for nøjagtig måling. Hver termoelementtype har et ikke-lineært spænding-til-temperaturforhold styret af komplekse ligninger, hvilket begrænser praktisk nøjagtighed til ca. ±1°C (±2°F).

Historisk set involverede kalibrering nedsænkning af et andet termoelement i et is-vandbad for at etablere en 0°C (32°F) reference. Moderne systemer bruger elektroniske ispunktreferencekredsløb, hvilket eliminerer behovet for omfangsrige, ubehagelige opsætninger og muliggør bærbar brug.

Fordi krydset afhænger af to metaller i kontakt, kan korrosion forringe både kalibrering og nøjagtighed. I barske miljøer er krydset sædvanligvis beskyttet i en stålkappe for at beskytte mod fugt og kemikalier, men regelmæssig inspektion og vedligeholdelse er stadig afgørende.

Fordele og ulemper ved termoelementer

Fordele:

• Robust, enkel konstruktion og lav pris
• Ekstremt bredt temperaturområde – fra kryogen til flere tusinde grader
• I stand til at måle små objekter takket være ultrafine ledninger
• Egnethed til fjendtlige miljøer, herunder atomreaktorer og rumfartsmissioner

Ulemper:

• Lavspændingsoutput kræver forstærkning og præcise referencekredsløb
• Følsom over for elektrisk støj; kræver afskærmning og jording
• Nøjagtighed begrænset til ca. ±1°C og kan forringes ved korrosion

Anvendelser af termoelementer

Termoelementer finder anvendelse i dagligdags apparater som ovne, såvel som i kritiske sektorer såsom rumfart, rumfartøjer, satellitoperationer, ovne, autoklaver, presser og støbeudstyr. De kan forbindes i serie for at danne en termopæl, der genererer højere spænding til infrarøde sensorer eller til strømproduktion i radioisotop termoelektriske generatorer ombord på rumsonder.