Av H.L.M. Lee
Uppdaterad 30 augusti 2022

Termoelement är bland de mest pålitliga och mångsidiga temperatursensorerna inom vetenskap och industri. De består av två olika metalltrådar sammanfogade i en enda korsning, vanligtvis svetsade för maximal hållbarhet.

När korsningen värms upp produceras en liten spänning – ett fenomen som kallas Seebeck-effekten, som först beskrevs av den tyske fysikern Thomas Seebeck 1821.

Typer av termoelement

Även om två olika metaller kommer att generera en spänning, är vissa legeringskombinationer standardiserade eftersom de erbjuder förutsägbar effekt, stabilitet och kemisk motståndskraft. De vanligaste typerna av "oädelmetall" – gjorda av järn, nickel eller legerade varianter – betecknas J, K, T, E och N.

"Ädelmetall" termoelement, konstruerade av platina-rodium och ren platina, används för högtemperaturapplikationer och är märkta R, S och B. Beroende på typ kan termoelement mäta temperaturer från ungefär –270 °C (–454 °F) till 1 700 °C (3,1) och över.

Begränsningar för termoelement

Den lilla effekten – cirka 1 mV vid rumstemperatur, ökar med värmen – kräver noggrann elektronik för noggrann mätning. Varje termoelementtyp har ett icke-linjärt spännings-till-temperaturförhållande som styrs av komplexa ekvationer, vilket begränsar praktisk noggrannhet till ungefär ±1°C (±2°F).

Historiskt sett innebar kalibrering nedsänkning av ett andra termoelement i ett isvattenbad för att fastställa en referens på 0°C (32°F). Moderna system använder elektroniska ispunktsreferenskretsar, vilket eliminerar behovet av skrymmande, obekväma inställningar och möjliggör bärbar användning.

Eftersom korsningen beror på två metaller i kontakt, kan korrosion försämra både kalibrering och noggrannhet. I tuffa miljöer är korsningen vanligtvis skyddad i en stålmantel för att skydda mot fukt och kemikalier, men regelbunden inspektion och underhåll är fortfarande viktigt.

Fördelar och nackdelar med termoelement

Fördelar:

• Tålig, enkel konstruktion och låg kostnad
• Extremt brett temperaturområde – från kryogen till flera tusen grader
• Kan mäta små föremål tack vare ultrafina ledningar
• Lämplighet för fientliga miljöer, inklusive kärnreaktorer och flyguppdrag

Nackdelar:

• Lågspänningsutgång kräver förstärkning och exakta referenskretsar
• Känslig för elektriskt brus; kräver skärmning och jordning
• Noggrannheten begränsad till cirka ±1°C och kan försämras vid korrosion

Termoelements tillämpningar

Termoelement används i vardagliga apparater som ugnar, såväl som i kritiska sektorer som flyg, rymdfarkoster, satellitoperationer, ugnar, autoklaver, pressar och formningsutrustning. De kan kopplas i serie för att bilda en termostapel, som genererar högre spänning för infraröda sensorer eller för kraftgenerering i radioisotopa termoelektriska generatorer ombord på rymdsonder.